JP5095816B2 - 放射線治療のための照準装置 - Google Patents

Description

本発明は、放射線治療のための照準装置に関する。

放射線治療の技術は、殺傷性のある高エネルギーの放射線からなるビームを腫瘍に対して向けることを含んでいる。放射線は、腫瘍細胞に対する損傷を引き起こし、また、時間の経過に伴って、がんを破壊する。ビームは殺傷性を有しているので、健康な組織に対して加えられる放射線量を制限する必要がある。一方、同時に、腫瘍に対して加えられる放射線量を維持する必要がある。従って、放射線ビームの範囲を定め、これによって、そのサイズが、必要な又は達成可能なサイズより大きくならないよう、何らかの手段が設けられる必要がある。初期の放射線治療装置は、図１に（ビームの視点に沿って）図示されているように、照準システムを使用していた。当該照準システムにおいては、移動可能な遮蔽ブロックの２つのセット（ダイヤフラム（diaphragms）として知られている）が、相互に直交する方向ｘおよびｙにおいて移動する。これらの軸は、放射線ビーム（ｚ）に対して直交している。従って、第１のペアであるブロック１０，１２は、ビームの横断幅を制限するようｘ方向において移動する（図１参照）。第２のペアであるブロック１４．１６は、ｙ軸においてビームの幅を制限するよう、ｙ方向において移動する。このようにして、任意に選択された矩形サイズのビームであって、最大達成可能サイズまでのビームが使用可能となっていた。

しかしながら、腫瘍は、概して矩形ではない。結果として、今日では、いわゆる“マルチリーフ照準器（multi leaf collimator）”を使用するのが一般的である。マルチリーフ照準器は、タングステンなどの高い原子番号の材料からなる、別個の薄い“複数のリーフ（leaves）”から構成されており、各リーフは、ビームを遮るため、ビーム経路の内外で独立して移動できる。図２は、図１のｙ照準器を置き換える、汎用のマルチリーフ照準器を示している。ｘ照準器１０および１２は残っている。従って、マルチリーフ照準器１６は、第１バンク１８と第２バンク２０とからなっており、各バンクは、多数の薄いリーフ２２を備えている。リーフ２２は、ビームに対して横断するｘ方向において、狭くなっている。またリーフ２２は、ビームに対して横断するｙ方向、およびビームに対して平行なｚ方向において、比較的に長くなっている。リーフ２２のｚ方向における長さは、効果的な遮蔽効果を達成するよう、ｘ線またはその他のビームに対する十分な不透明性をもたらす。また、リーフ２２のｙ方向における長さは、リーフ２２に、ｙ方向において、ビームの中へ、およびビームから拡張されることを可能にしており、これによって、任意に選択された形状を画定することができる。

図３に示すように、いくつかの場合において、ダイヤフラム１０，１２の残っているペアがどちらも不要にされる。この場合、（例えば）リーフ２４の場合に示されているように、複数のリーフが、重複すること、またはビームを横切って通ることにより、ビームを完全に遮蔽するよう、十分に長く構成されている。向かい合うリーフ２４，２６の間の結合は、両方がオフセット遮蔽ストリップ２８（図３参照）の下に配置されていてもよい。または、ｚ方向から見た場合、２つのリーフ２４，２６が重複するよう、ｚ軸に沿って異なる点にリーフを配置することにより達成されていてもよい。しかしながら、このような配置は、ｘ方向におけるビームの幅が、リーフの幅の整数倍のみをとり得ることを意味している。図２に示されている配置は、ビーム幅の様々な寸法を可能にしている。なぜなら、ｘ照準器が要求に応じて移動可能となっているからである。

ＭＬＣの発達に先行して、存在する照準器の配置が許される限りにおいて、ビームは、腫瘍の形状に対して範囲を定められていた。マルチリーフ照準器が利用可能となると、原体振子放射線治療などの、治療の新規な形態が可能となった。原体振子放射線治療において、ビームの形状は、いつでも、ビームの瞬間的な軸線に沿って投影された腫瘍の形状に適合している。このことは、腫瘍の両側において、健康な組織への放射線量を最小にする。また、様々な方向の範囲から患者に対してビームを向けることができる、回転する放射線源との組合せにおいて、腫瘍の内側に非常に高い放射線量をもたらすとともに、腫瘍の外側に非常に小さい放射線量をもたらすことができる。

しかしながら、原体振子放射線治療は、凸形状の放射線量を加えるのみである。すなわち、放射線量は、放射線量の中心から離れるにつれて、だんだん減少する。マルチリーフ照準器の利用における更なる発達は、強度が調整された放射線治療（ＩＭＲＴ）などの技術、および、マルチリーフ照準器により生成されるより複雑な形状により、非凸形状の放射線量分布が時間の経過とともに形成され得るその他の技術を含んできた。そのような技術において、一般に、ＭＬＣは、腫瘍全体を連続的に放射線で治療するものではない。また、別のやり方で、困難ではあるが有用な放射線量の形状が発達させられ得る。例えば、患者のヒップの形状に適合する円筒形の放射線量である。この場合、（例えば）骨の腫瘍は照射をうけるが、ヒップの内側にある敏感な器官はほとんど照射されないままにされる。これらのことにより、図４に図示されているように、中心から外れた放射線領域の必要が生じる。放射線領域３０は、ビームの中心軸から移される。また、このために、この１つのｘ照準器１２が、中心軸３２を越えてビームと交差するよう拡張される。

照準器におけるビームの穴が４０ｃｍとなっている場合、図２に示されているようなビーム形状は、十分に引きこもった（または、“２０ｃｍ開放された”）位置から、ビームの中心軸まで延びる０ｃｍの位置まで横切るｘ照準器１０，１２を必要とする。図４に示されているようなビーム形状をもたらすため、さらなる１５ｃｍまたはそれ以上の拡張がまた必要とされる。これは、１つのダイヤフラムのみによっては、ビームの完全な遮蔽にはならないが、一般に、このことは、臨床的には必要とされない。ビームの中心軸を超える１５ｃｍのオフセットが、大抵の臨床的に有用な形状にとって十分である。

しかしながら、十分なビームを遮蔽するために、ダイヤフラムが、８ｃｍオーダーの厚さの固体タングステン材料からなるのが求められるということを覚えておく必要がある。８ｃｍの厚さのタングステンにおける、この追加の１５ｃｍは、顕著な重量負荷をダイヤフラムに課す。同様に、著しく大きな重量のダイヤフラムを移動するのに必要となるメカニズムは、従って、それ自体が重くなる。これらはともに、治療ヘッド全体の重量を増加させ、また、装置構造のたわみをさらに引き起こし、これによって、治療の正確さが劣化する。大抵の臨床用の加速装置は、治療ヘッドが患者の周りで回転可能となるよう、治療ヘッドを、回転可能な支持体（support）に取り付けられたロングアームの端部に配置しているということを考える必要がある。治療ヘッドが患者の周りでアーク（arc）を横切るとき、アームの端部における追加の重量が、（治療ヘッドに対して）変化する方向においてアームを変形させる。本発明は、従って、（必要であれば）穴の大きな比率にわたって、放射線ビームの必要な遮蔽をもたらすことができ、また、最小の重量を有する、ダイヤフラムを提供することを目的とする。

本発明は、従って、ビーム軸に沿って向けられる放射線ビームを生成するとともに、ビーム軸と交差する第１および第２方向における幅を有する手段と、少なくとも第１方向においてビームの幅を選択的に制限するマルチリーフ照準器と、少なくとも第２方向においてビームの幅を選択的に制限するブロック照準器と、を備え、ブロック照準器が、ビームの内外に移動可能なダイヤフラムであって、変化するビーム軸の方向において所定の厚さを有するダイヤフラムを含む、放射線治療装置を提供する。

ダイヤフラムは、フロントエッジを有し、このフロントエッジは、少なくともフロントエッジの背後にある１つの領域よりも大きな厚さを有していてもよい。ダイヤフラムはまた、その後部から、フロントエッジに向かって延びる突起領域を有していてもよく、ここで突起領域は、突起領域に対して側方に配置された少なくとも１つの領域よりも大きな厚さを有している。また、これらは、動的に移動するＭＬＣによって十分には遮蔽されていない領域を覆っていてもよい。

マルチリーフ照準器のための制御手段であって、ダイヤフラムの比較的に薄い部分によって遮蔽されているビームの領域を遮蔽するためにマルチリーフ照準器のリーフを拡張させる制御手段が設けられていてもよい。このことは、以下の場合に容易化される。突起領域がダイヤフラムの最も後方の部分から延びている場合、突起領域がダイヤフラムのフロントエッジまで延びている場合、突起領域が真っ直ぐになっている場合、突起領域がダイヤフラムの中心領域となっている場合、および、突起領域の幅がダイヤフラムのフロントエッジに向かって増加する場合である。

一般に、第１および第２方向は相互に交差している。

本発明はまた、マルチリーフ照準器とブロック照準器とを備え、ブロック照準器が、可変の厚さを有するダイヤフラムを含んでいる、放射線治療装置に関連している。

さらなる側面において、本発明は、ビームの内外に移動可能なダイヤフラムであって、変化するビーム軸の方向において所定の厚さを有するダイヤフラムを含む、放射線治療装置用のブロック照準器を提供する。

さらなる側面において、本発明は、ビーム軸に沿って向けられる放射線ビームを生成するとともに、ビーム軸と交差する第１および第２方向における幅を有する手段と、少なくとも第１方向においてビームの幅を選択的に制限するマルチリーフ照準器と、少なくとも第２方向においてビームの幅を選択的に制限するブロック照準器と、を備え、ブロック照準器が、ビームの内外に移動可能なダイヤフラムであって、移動方向と交差する方向で変化する幅を有するダイヤフラムを含む、放射線治療装置を提供する。従って、ダイヤフラムの一部が、中心突起領域と、好ましくは第１方向においてビームのほぼ全幅と交差して延びるより広いフロントエッジとを残したまま、本質的にゼロ厚さまで削減されてもよい。

本発明の一形態が、付随する図を参照して、例として記述される。
図１は、周知のブロック照準器の構成を、ビーム視点で示す図。 図２は、周知のマルチリーフ照準器およびブロック照準器の構成を、ビーム視点で示す図。 図３は、周知のマルチリーフ照準器の構成を、ビーム視点で示す図。 図４は、本発明で達成される所望の照準効果を示す図。 図５は、本発明によるマルチリーフ照準器およびブロック照準器の構成を、ビーム視点で示す図。 図６は、ビーム軸に沿って、ビームと、マルチリーフ照準器の複数のリーフとを示す一部分、および、ブロック照準器を通る一部分、を示す図。 図７は、ブロック照準器のダイヤフラムを示す斜視図。 図８は、その他の形態の一部分をビーム軸に沿って示す図。 図９は、図８のダイヤフラムを、下方からの斜視で示す図。 図１０は、さらなるその他の形態の一部分をビーム軸に沿って示す図。

ビーム軸１００に沿った視点による図５に示すように、ダイヤフラム１０２は、Ｘ軸１０４に沿って内外に移動可能となっており、これによって、ビームを所望の程度だけ選択的に遮蔽することができる。右側のダイヤフラム１０２のみが図５に示されている。他側には、対応する左側のダイヤフラムが存在する場合があり、この形態においては、左側のダイヤフラムが同様の構造からなっている。しかしながら、必ずしも同様の構造である必要はない。

マルチリーフ照準器１０６は、Ｙ軸において作動する。マルチリーフ照準器１０６（ＭＬＣ）は、ダイヤフラム軸１０４に直交するｙ軸に沿って、ビームの中に、またはビームから拡張され得る多数の別個のリーフ１０８を備えている。各リーフは、１１０で示されているような、選択された曲線状の外形にビームを形付けるよう、所望の距離だけ選択的に移動させられる。ｘ軸における曲線１１０の先端１１２は、ダイヤフラム１０２に接している。これは、リーフ１０８間における不可避の小さな程度の漏れを覆い、かつ、先端１１２がリーフの端部と一致していないとうい可能性を許容する。普通は、ダイヤフラム１０２のフロントエッジ１１４の背後にあるリーフ１０８は、余分なものであり、また、（図４に示すように）引っ込められていてもよい。

図５のダイヤフラム１０２は、中心突起領域１１６と、フロントエッジ１１８とを備えている。突起領域１１６は、ダイヤフラム１０２の中心に配置されるものとして示されている。これは、真っ直ぐな配置であり、また、バランスのとれたダイヤフラムを提供する。しかし、このことは、本質的なことではない。突起１１６およびフロントエッジ１１８は、ブロック照準器のためのダイヤフラムに一般に関連する十分な厚さまで比較的に増大された厚さからなっている。典型的には、これは、８ｃｍのオーダーの厚さからなる。中心突起領域１１６は、ダイヤフラムの最も後方のエッジ１２０から、その中心軸１０４に沿って、ダイヤフラムのフロントエッジ１１８に到達するまで延びている。ダイヤフラムの長さに沿って約半分の距離のところで、突起領域１１６は１２２で拡がり始め、それが、より厚いフロントエッジ１１８に出くわす点におけるダイヤフラムの幅の約８０−９０パーセントになるまでだんだんと拡がっていく。この厚くされた、ダイヤフラム１０２の “Ｙ”形状の領域は、両側において、概して薄い領域１２４，１２６と境を接している。これらの概して薄い領域は、突起およびフロントエッジの厚みの一部にすぎず、典型的には１−３ｃｍとなっており、好ましくは約２ｃｍとなっている。これは、治療用のビームを完全にブロックするほどには十分に厚くなっていないが、これは、ＭＬＣリーフ間の漏れを十分に覆う程度に厚くなっている。従って、放射線治療装置に組み込まれた適切な制御手段による制御のもと、ＭＬＣのリーフ１０８は、より小さい厚みからなるダイヤフラムの領域１２４，１２６を覆うとともに、（示されているように）突起領域１１６にわずかに重複するよう前進させられている。従って、十分な影(shadow)が、照準される領域の全てにわたってビーム内に投げかけられる。

ダイヤフラム１０２が前方に移動するとき、突起１１６の拡がっていく部分１２２は、ＭＬＣのリーフ１０８が“追いつく（catch up）”のを許容する。一般に、リーフ１０８は、ダイヤフラム１０２の正面において、かなりの部分が引きこめられている。従って、完全なリーフを超えて延びるよう、ダイヤフラム１０２が前方に移動するにつれて、リーフは、ブロック照準器の中心軸１０４に到達するよう、合理的な横断距離を有する。この横断にはいくらかの時間がかかる。従って、図５に示されているように、領域１１２における突起１１６の比較的に大きな幅が、これを許容する。

一方、より薄い部分１２４，１２６は、著しく削減された重量からなっており、これによって、ダイヤフラムの重量を、許容可能なレベルにまで削減している。一方、ビームの中心軸１００を著しく超えてのダイヤフラムの拡張がまだ許容されている。

図６は、図５のVI−VI線に沿って、ビーム軸に沿った部分を示している。マルチリーフ照準器のリーフ１０８は、（この形態においては、）対向するリーフの最小接近距離に対応するより狭い部分１３０に向かって下方にビーム１２８の照準をあわせるよう、延びている。リーフは、リーフが接触して損傷するのを防ぐため、より近接するよう移動することを許されていない。より薄い領域１２４，１２６は、全体的に、ＭＬＣのリーフ１０８の影の内側にある。

図７は、ダイヤフラム１０２を斜視で示している。湾曲したフロントエッジ１１４は、一般に周知の方法によって、ダイヤフラム１０２の位置によらず（従って、放射線の入射角によらず）、最小の周縁部(penumbra)を可能としている。しかしながら、平坦なフロント面を使用し、周縁部が容認され、または、フロント面がビーム方向に並んだままとなるよう、ダイヤフラムが弧状の経路に従っている、その他の構成が可能である。厚くされたフロントエッジ１１８は、ダイヤフラム１０２の全部の幅を横切って延びており、また、突起領域１０６は、真っ直ぐな線によって、ダイヤフラム１０２の後部から、フロントエッジ１１４へ、ダイヤフラム１０２の中心軸に沿って延びている。ダイヤフラム１０２に沿っての約半分の距離で、突起領域１０６が厚くされたフロントエッジ１１８に到達する場所においてそれがダイヤフラムの幅の約８０−９０パーセントとなるよう、それは、線形的に、領域１２２において広くなっている。中心突起領域１０６の両側にある、より薄い領域１２４，１２６は、相当の重量の削減を可能にしている。

図８は、その他のデザインを示している。これは、多くのＭＬＣシステムが、キャリッジ(carriage)１３２によってリーフ１０８を支持し、キャリッジ１３２が、リーフの上方および下方で延び、かつその上端および下端を支持している、という事実に依存している。キャリッジ１３２は、リーフを前方へ運ぶとともに、ビーム領域の中への、および／またはビーム領域と交差してのリーフのより大きな拡張を可能とするよう、ビーム領域の中へ、およびビーム領域から移動するが、それ自体は、ビームの中心まで延びていない。しかしながら、キャリッジは、ビーム方向１３４において、所定の厚みを有している。このことは、リーフ１０８の上端と、ダイヤフラム１０２の下面との間に、対応する空間１３６があることを意味している。

しかしながら、キャリッジ１３２が領域の中心まで延びていないので、突起１１６が中心に配置されている場合、この空間１３６は、突起１１６の下にある領域において不要となっている。突起１１６がダイヤフラムに対して中心となっていない場合、空間の有効性は、キャリッジ１３２の位置または移動範囲に対して突起が配置されている場所に依存する。従って、この形態において、突起１１６はまた、ダイヤフラムの下面の下方に１３８で突き出ている。このことは、より多くの材料が突起領域に配置され、ダイヤフラムシステムの不透明性を改善することを意味している。または、対応する量の材料が、突起の上端から取り除かれ、これによって、照準器システムおよび放射線ヘッドの全体的な深さを削減し、また、装置の適応性を全体として改善する。

図９は、図８のダイヤフラムの下方からの斜視を示す図である。ダイヤフラムの湾曲したフロント面１１４から、突起１１６の下にある後端部へ後方に延びる、突起１１６の下方突起１３８が明確に認められる。下方突起は、ＭＬＣのキャリッジ１３２の配置および様々な移動範囲に依存して、広がっていく領域１２２に部分的にまたは完全に対応する追加部分を含んでいてもよい。

図１０は、さらなる形態を示している。突起１１６の両側の、より薄い領域１２４，１２６の目的は、拡張されたＭＬＣリーフ１０８の背後に、予備のシールドを提供することである。これは、ＭＬＣのリーフを介して、例えばリーフ間に、なんらかのトランスミッションが存在してもよいということに対応している。しかしながら、試みは、そのような漏れの源を取り除くよう構成されており、また、そのような予備は不要と考えることもできる。そのような場合、より薄い領域を完全に取り除き、かつ図１０に示すデザインを採用することにより、さらなる重量の削減が達成される。ダイヤフラム１０２は、単に、フロントエッジ１１８と突起１１６と、その間の広がっていく部分１２２とからなっており、ビーム軸に沿って見る場合、Ｙ形状を画定している。

ＭＬＣリーフの移動速度が十分であると想定される場合、または、ダイヤフラムの意図されている速度が十分に小さい場合、潜在的には、単純なＴ形状のダイヤフラムが残るよう、広がっていく部分１２２が省略されてもよい。

付随する図においては、１つの突起のみが示されている。しかしながら、多数の突起を有するダイヤフラムを予想することも可能である。このことは、対向するリーフをどこに置くかに関する場所の選択をもたらす。このさらなる対応性は、臨床の状況において有用となり得るが、しかしながら、それは、本発明によって得られる重量削減をわずかに減少させる。

上述の形態に対して、本発明の思想から逸脱することなく、様々な変形がなされ得るということが、当然に理解されるであろう。

Claims (17)

1. ビーム軸に沿って向けられる放射線ビームを生成するとともに、ビーム軸と交差する第１および第２方向における幅を有する手段と、
   少なくとも第１方向において前記ビームの幅を選択的に制限するマルチリーフ照準器と、
   少なくとも第２方向において前記ビームの幅を選択的に制限するブロック照準器と、を備え、
   前記ブロック照準器は、ビームの内外に移動可能なダイヤフラムであって、ビーム軸の方向において変化する厚さを有するダイヤフラムを含み、
   前記マルチリーフ照準器のための制御手段であって、前記ダイヤフラムの比較的に薄い部分によって遮蔽されているビームの領域を遮蔽するために前記マルチリーフ照準器のリーフを拡張させる制御手段をさらに備えることを特徴とする放射線治療装置。
2. 前記ダイヤフラムは、フロントエッジを有し、
   当該フロントエッジは、少なくともフロントエッジの背後にある１つの領域よりも大きな厚さを有していることを特徴とする請求項１に記載の放射線治療装置。
3. 前記ダイヤフラムは、その後部から、フロントエッジに向かって延びる突起領域を有し、
   当該突起領域は、突起領域に対して側方に配置された少なくとも１つの領域よりも大きな厚さを有していることを特徴とする請求項１または２に記載の放射線治療装置。
4. 前記突起領域は、ダイヤフラムの最も後方の部分から延びていることを特徴とする請求項３に記載の放射線治療装置。
5. 前記突起領域は、ダイヤフラムのフロントエッジまで延びていることを特徴とする請求項３または４に記載の放射線治療装置。
6. 前記突起領域は、真っ直ぐになっていることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の放射線治療装置。
7. 前記突起領域は、ダイヤフラムの中心領域となっていることを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の放射線治療装置。
8. 前記突起領域の幅は、ダイヤフラムのフロントエッジに向かって増加することを特徴とする請求項３乃至７のいずれかに記載の放射線治療装置。
9. 第１および第２方向は、相互に交差していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の放射線治療装置。
10. ビーム軸に沿って向けられる放射線ビームを生成するとともに、ビーム軸と交差する第１および第２方向における幅を有する手段、マルチリーフ照準器およびブロック照準器を備える放射線治療装置用のブロック照準器であって、
    前記マルチリーフ照準器は、少なくとも第１方向において前記ビームの幅を選択的に制限するものであり、
    前記ブロック照準器は、少なくとも第２方向において前記ビームの幅を選択的に制限するものであり、
    前記ブロック照準器は、ビームの内外に移動可能なダイヤフラムであって、ビーム軸の方向において変化する厚さを有するダイヤフラムを含み、
    前記放射線治療装置は、前記マルチリーフ照準器のための制御手段であって、前記ダイヤフラムの比較的に薄い部分によって遮蔽されているビームの領域を遮蔽するために前記マルチリーフ照準器のリーフを拡張させる制御手段をさらに備える、ことを特徴とするブロック照準器。
11. 前記ダイヤフラムは、フロントエッジを有し、
    当該フロントエッジは、少なくともフロントエッジの背後にある１つの領域よりも大きな厚さを有していることを特徴とする請求項１０に記載のブロック照準器。
12. 前記ダイヤフラムは、その後部から、フロントエッジに向かって延びる突起領域を有し、
    当該突起領域は、突起領域に対して側方に配置された少なくとも１つの領域よりも大きな厚さを有していることを特徴とする請求項１０または１１に記載のブロック照準器。
13. 前記突起領域は、ダイヤフラムの最も後方の部分から延びていることを特徴とする請求項１２に記載のブロック照準器。
14. 前記突起領域は、ダイヤフラムのフロントエッジまで延びていることを特徴とする請求項１２または１３に記載のブロック照準器。
15. 前記突起領域は、真っ直ぐになっていることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載のブロック照準器。
16. 前記突起領域は、ダイヤフラムの中心領域となっていることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載のブロック照準器。
17. 前記突起領域の幅は、ダイヤフラムのフロントエッジに向かって増加することを特徴とする請求項１２乃至１６のいずれかに記載のブロック照準器。

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