JP6010815B2 - 楕円軌道回転装置及びｐｅｔ装置 - Google Patents

Description

本発明は、楕円軌道回転装置及びＰＥＴ装置に係り、特に、検出器リングの端面形状が楕円形であるＰＥＴ装置に用いるのに好適な楕円軌道回転装置、及び、これを用いたＰＥＴ装置に関する。

癌の早期診断に有効と注目されている陽電子放射断層撮像法（ＰＥＴ）は、極微量の陽電子放出核種で標識した化合物を投与し、体内から放出される消滅放射線を検出することで、糖代謝等、代謝機能を画像化し、病気の有無や程度を調べる検査法であり、これを実施するためのＰＥＴ装置が実用化されている。

ＰＥＴの原理は次のとおりである。陽電子崩壊によって陽電子放出核種から放出された陽電子が周囲の電子と対消滅し、それによって生じる一対の５１１ｋｅＶの消滅放射線を、対の放射線検出器で同時計数の原理によって測定する。これにより、核種の存在位置を、対の検出器同士を結ぶ１本の線分（同時計数線）上に特定することができる。核種の分布は、様々な方向から測定された同時計数線のデータから、画像再構成によって求められる。

ＰＥＴ装置の感度を高めるためには、図１に例示する如く、多数のＰＥＴ検出器１０を周方向及び軸方向に並べた円筒状の検出器リング１２をトンネル状に配置して、測定立体角を大きくする必要がある。

出願人は、図２に例示する如く、ＰＥＴ検出器が患者８の身体に近接するようにして測定立体角をより大きくするために、検出器リング１２の端面形状が楕円形であるＰＥＴ装置を提案している（特許文献１）。

一方、長いトンネル状の患者ポートは、ベッド６上で検査中の患者８の心理的ストレスを高めると共に、外部から患者８へアクセスする（例えば、がん治療のために放射線ビームを患者の患部に照射する）際の障害にもなる。ここで、検出器リング１２は真円形が主流であり、ＰＥＴ検出器１０は検出器リング１２の切り口に垂直な方向に積層されている。

これに対して、出願人は、図３に例示する如く、円筒を、円筒の切り口に対して傾斜する２つの平面で切り取った形状となるような検出器配置のＰＥＴ装置を提案している（非特許文献１）。検出器リングの端面形状（切り口）は楕円形となる。

この開放型ＰＥＴ装置は、従来のＰＥＴ装置では不可能であった治療中のＰＥＴ診断を可能にする。具体的には、図３に例示する如く、水平照射ポート２０Ｘを持つ水平照射の粒子線治療装置と組み合わせた場合、水平照射ポート２０Ｘから照射野２４に向けて治療ビーム２２Ｘを照射しつつ、照射中又はその前後に、検出リング１２で得られる信号を用いて、照射野２４のＰＥＴ画像を得ることができる。すなわち、開放型ＰＥＴ装置でがんの位置を確認しながら放射線の治療ビームを照射したり、開放型ＰＥＴ装置でリアルタイムに放射線治療ビームの照射野を可視化することが可能になる。

特開２０１１−１８５７９６

S. Kinouchi, T. Yamaya, et al., "Simulation Design of a Single-Ring OpenPET for in-Beam PET," Conf. Rec. of 2011 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference, MIC15.S-275, 2011.

ＰＥＴ装置では、通常、校正用線源を検出器リングに沿って回転させる機構を内蔵もしくは後付けできるようにする必要がある。この機構は、ＰＥＴ検出器リングが真円であれば、単純な回転装置で良く、特に問題は無い。

一方、図２および図３に示したように検出器の端面形状が楕円である場合、これに校正用線源を追従させるのは容易でない。

敢えて言えば、２次元以上の動作ができるロボットアーム、あるいは、回転の制御と回転軸に沿った１軸の制御により楕円軌道の動作が実現可能であるが、いずれも２軸動作のため構造や制御が複雑になる。又、複数の線源を同時に動作させるためには、更に駆動軸を増やす必要があり、容易ではないという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、単純な機構により、楕円軌道に沿う回転を１軸の制御で実現して、コストを下げ、かつ信頼性を高めることを課題とする。

本発明は、物体を楕円軌道に沿って回転させるための楕円軌道回転装置であって、楕円軌道のガイドが形成されたガイド機構と、前記ガイドに物体を追従させるための追従機構と、該追従機構により物体を前記楕円軌道に沿って移動させるための、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通る回転軸を有する回転機構とを備え、前記ガイドが円筒の周面に形成された溝とされ、前記追従機構が、該溝に倣って物体を移動させるものとすることにより、前記課題を解決するものである。

本発明は、又、物体を楕円軌道に沿って回転させるための楕円軌道回転装置であって、楕円軌道のガイドが形成されたガイド機構と、前記ガイドに物体を追従させるための追従機構と、該追従機構により物体を前記楕円軌道に沿って移動させるための、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通る回転軸を有する回転機構とを備え、前記ガイドの端面を、前記ガイドを形成する円筒の中心軸に対して垂直な動径に平行となるように加工することにより、同様に前記課題を解決するものである。

又、前記ガイドを交換可能とすることができる。

本発明は、又、物体を楕円軌道に沿って回転させるための楕円軌道回転装置であって、楕円軌道のガイドが形成されたガイド機構と、前記ガイドに物体を追従させるための追従機構と、該追従機構により物体を前記楕円軌道に沿って移動させるための、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通る回転軸を有する回転機構とを備え、前記楕円軌道上で物体の速度が等速となるように、前記回転機構の回転速度を変化させることにより、同様に前記課題を解決するものである。

本発明は、又、物体を楕円軌道に沿って回転させるための楕円軌道回転装置であって、楕円軌道のガイドが形成されたガイド機構と、前記ガイドに物体を追従させるための追従機構と、該追従機構により物体を前記楕円軌道に沿って移動させるための、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通る回転軸を有する回転機構とを備える楕円軌道回転装置を備えたことを特徴とするＰＥＴ装置を提供するものである。

ここで、ＰＥＴ装置の検出器リングの外板が、ガイド機構のガイドを兼ねることができる。
又、前記ガイドを、円筒の端面とし、前記追従機構を、該端面に向けて物体を付勢する付勢手段とすることができる。

本発明によれば、単純な機構で、１軸の制御により楕円軌道上を動かすことができるため、コストを下げ、信頼性を高めることができる。更に、複数の物体を同時に回転させることも容易である。

従来のＰＥＴ装置の一例を示す図 検出器リングが楕円形状のＰＥＴ装置の一例を示す図 開放型ＰＥＴ装置と重粒子線照射装置を組み合わせた例を示す図 本発明の第１実施形態の全体構成を示す図 同じく要部構成を示す図 同じく楕円軌道ガイドの製造方法の一例を示す図 同じく完成した楕円軌道ガイドを示す図 同じく速度制御方法を説明するための図 同じく速度制御例を示す図 同じく軌道ガイドの変更例を示す図 同じく検出器リングの変形例を示す図 図３に示した検出器配置のＰＥＴ装置に本発明を適用した例を示す図 本発明の第２実施形態を示す図 本発明の第３実施形態を示す図 本発明の第４実施形態を示す図 本発明の第５実施形態の要部を示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図４（全体構成）及び図５（要部構成）に示す如く、棒状の線源が格納された３本の線源格納棒４０を、基準中心軸に対してθだけ傾けられたＰＥＴ検出器リング１２の内周に沿って回転させるための楕円軌道回転装置であって、楕円軌道のガイド面４２Ａが軸方向と垂直に形成された円筒状のガイド機構である楕円軌道ガイド４２と、前記ガイド面４２Ａに線源格納棒４０を追従させるための追従機構を構成する、ローラ状のカムフォロア４４、前記線源格納棒４０が固定され、後出回転ロッド５０上を摺動するリニアブッシュ４６、及び、該リニアブッシュ４６をガイド面４２Ａと当接する方向に付勢する圧縮コイルばね４８と、該追従機構により線源格納棒４０を前記楕円軌道に沿って移動させるための、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通り基準中心軸と一致する回転軸を有する回転機構を構成する、前記カムフォロア４４をガイド面４２Ａに沿って回転させるロッド５０、該ロッド５０が植立された、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通る回転軸を有する回転ドラム５２、及び、該回転ドラム５２を回転する回転装置５４とを備えたものである。

前記回転ドラム５２の回転軸は、楕円軌道の中心点を通り、且つ、楕円面の垂線に対して角度θ＝arcsin（ｂ／ａ）（ａは楕円軌道の長径、ｂは楕円軌道の短径）となるように配設されている。

図において、５６は、校正時に楕円軌道回転装置をＰＥＴ検出器リング１２内に挿入するための架台である。なお、架台に、基準中心軸方向に位置を前後に変化できる機構を備えれば、架台をＰＥＴ装置に固定した後に、ＰＥＴ検出器リングと線源の位置を調整することができる。あるいは、基準中心軸方向に位置を前後に変化できる機構を架台に備えなくても、ベッドなど前後移動できる台に架台を固定すれば、同様に線源の位置の調整が可能である。

前記楕円軌道ガイド４２のガイド面４２Ａは、図６に例示するような方法で加工することができる。この加工方法は、カムフォロア４４が、楕円軌道ガイド４２の切り口に、常に点ではなく線で接するようにしたものである。

具体的には、まず、楕円軌道ガイド４２の材料となる円筒を、円筒の中心軸を中心にして回転できるようにし、中心軸と垂直に、切り口を切削する刃物６２を当てる。そして、円筒をφ方向に等速回転させ、回転と同期しながら、刃物６２を、中心軸と平行な方向に動かす。その際、刃物６２の動きは、正弦波状に制御し、円筒の１回転が正弦波の一周期に対応するようにする。図６は、外直径１８０ｍｍ、幅Ｗ＝１４４ｍｍの楕円軌道ガイド４２を製作するときの制御例である。完成した楕円軌道ガイド４２を図７に示す。

なお、刃物６２は、図６では回転体刃物を使用しているが、円筒の材質によっては、回転体刃物に限らずカッターやレーザーでも切る事ができる。

校正時における前記回転装置５４の回転速度は、例えば回転ドラム５２の回転速度が一定となるように制御したり、あるいは、カムフォロア４４が楕円軌道上で等速で移動するように制御することができる。後者の場合は、図８に示す如く制御すれば良い。

具体的には、ｘｙ平面上では円になるため、ＰＥＴ検出リング１２の傾斜角θと楕円軌道の短軸ｂ、同じく長軸ａの間には次式の関係が成立する。
θ＝arcsin（ｂ／ａ） …（１）

従って、時刻tの時の円軌道上の位相をφ_tとすると、各座標の値は次のようになる。

又、ｘｙ平面上での速度は次のようになる。

従ってｘｑ平面上での速度は次のようになる。

従って、ｘｑ表面上での速度を一定にするためには、Ｃを定数として、次式の関係を満足すれば良い。

長軸半径ａ＝４１２．５ｍｍ、短軸半径ｂ＝３００ｍｍ、回転半径４０ｍｍ、θ＝４６．７°として、円軌道上の速度を一定とした場合の楕円軌道上の速度の例を図９（Ａ）に、楕円軌道上の速度を一定に制御した場合の楕円軌道上の速度の例を図９（Ｂ）に示す。

本実施形態によれば、検出器リングの形状に合わせて、検出器リングが楕円である場合には、図１０（Ａ）に示す如く、図４と同様に楕円軌道ガイド４２を用い、一方、検出器リングが従来と同様の円形である場合には、図１０（Ｂ）に示すように円軌道ガイド５８に交換することにより、動作軌道を容易に変更できる。これは特に、図１１に例示するような、短冊状の検出器３６を周方向に並べて検出器リングの形状を傾斜状（Ａ）と円形（Ｂ）で可変とした検出器リング３０に有効である。

図１２は、図３に例示した、円筒をその切り口に対して傾斜する２つの平面で切り取った形状となるような検出器配置のＰＥＴ装置に、本発明を適用した例である。

なお、前記実施形態においては、楕円軌道上を動く物体である線源格納棒４０が３本とされていたが、図１３に示す第２実施形態のように１本であったり、あるいは図１４に示す第３実施形態のように２本であっても良い。また、同様にして、４本以上に増やすことも容易である。

又、楕円軌道ガイドも前記実施形態に限定されず、図１５に示す第４実施形態のように、検出器リング１３の外板に直接ガイド面１３Ａを形成することも可能である。

この場合には、別体の楕円軌道ガイドが不要となり、コンパクト化が可能である。

又、前記実施形態においては、いずれも、楕円軌道ガイド４２に対して圧縮コイルばね４８によりカムフォロア４４を追従させていたが、楕円軌道ガイド４２にカムフォロア４４を追従させる方法はこれに限定されず、図１６に要部を示す第５実施形態の如く、楕円軌道を楕円軌道ガイド４３のスリット（又は溝）４３Ａで形成し、該スリット４３Ａ内をカムフォロア４４が移動するように構成することも可能である。

本実施形態によれば、カムフォロア４４を楕円軌道ガイド４３で両側から挟むことにより、確実に追従させることができる。

なお、前記実施形態においては、いずれも、検出器リングが円筒状または楕円筒状に配設されていたが、検出器配置は、必ずしも円筒状や楕円筒状である必要はなく、多角筒状や、一部に切れ目のある部分円筒状または部分楕円筒状であってもよい。

又、適用対象もＰＥＴ装置に限定されず、医療画像機器以外にも工作機械、製造機器等、幅広い応用が可能である。

１２、１３、３０…検出器リング
１３Ａ、４２Ａ…ガイド面
４０…線源格納棒
４２、４３…楕円軌道ガイド
４３Ａ…スリット
４４…カムフォロア
４６…リニアブッシュ
４８…圧縮コイルばね
５０…ロッド
５２…回転ドラム
５４…回転装置
５６…架台

Claims (7)

1. 物体を楕円軌道に沿って回転させるための楕円軌道回転装置であって、
   楕円軌道のガイドが形成されたガイド機構と、
   前記ガイドに物体を追従させるための追従機構と、
   該追従機構により物体を前記楕円軌道に沿って移動させるための、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通る回転軸を有する回転機構とを備え、
   前記ガイドが円筒の周面に形成された溝とされ、前記追従機構が、該溝に倣って物体を移動させるものとされていることを特徴とする楕円軌道回転装置。
2. 物体を楕円軌道に沿って回転させるための楕円軌道回転装置であって、
   楕円軌道のガイドが形成されたガイド機構と、
   前記ガイドに物体を追従させるための追従機構と、
   該追従機構により物体を前記楕円軌道に沿って移動させるための、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通る回転軸を有する回転機構とを備え、
   前記ガイドの端面が、前記ガイドを形成する円筒の中心軸に対して垂直な動径に平行となるように加工されていることを特徴とする楕円軌道回転装置。
3. 前記ガイドが交換可能とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の楕円軌道回転装置。
4. 物体を楕円軌道に沿って回転させるための楕円軌道回転装置であって、
   楕円軌道のガイドが形成されたガイド機構と、
   前記ガイドに物体を追従させるための追従機構と、
   該追従機構により物体を前記楕円軌道に沿って移動させるための、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通る回転軸を有する回転機構とを備え、
   前記楕円軌道上で物体の速度が等速となるように、前記回転機構の回転速度を変化させることを特徴とする楕円軌道回転装置。
5. 物体を楕円軌道に沿って回転させるための楕円軌道回転装置であって、楕円軌道のガイドが形成されたガイド機構と、前記ガイドに物体を追従させるための追従機構と、該追従機構により物体を前記楕円軌道に沿って移動させるための、前記楕円軌道に対して斜めに配設され、前記楕円軌道の中心を斜めに通る回転軸を有する回転機構とを備える楕円軌道回転装置を備えたことを特徴とするＰＥＴ装置。
6. ＰＥＴ装置の検出器リングの外板が、ガイド機構のガイドを兼ねていることを特徴とする請求項５に記載のＰＥＴ装置。
7. 前記ガイドが、円筒の端面とされ、前記追従機構が、該端面に向けて物体を付勢する付勢手段とされていることを特徴とする請求項５又は６に記載のＰＥＴ装置。