JP6118395B2 - 誘導式光線力学治療 - Google Patents
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Description
本発明は、医療装置又は機器の分野に関する。より具体的に、本発明は、光線力学治療のための医療機器及び方法に関する。
光線力学治療（ＰＤＴ；PhotoDynamic Therapy）は、選択的に腫瘍細胞に取り込まれる光線感作物質粒子と、光による照射との組み合わせによって、腫瘍を治療する。光は、腫瘍細胞を殺すマイナス電気を帯びた一重項酸素の形成を通じて活性ラジカルになるよう光線感作物質粒子を励起する。ＰＤＴは、腫瘍細胞を破壊しながら結合組織を無傷なままとするので、非常に魅力的である。
ＰＤＴによれば、組織内の光線感作剤の濃度を制御及び測定することは困難である。毒性反応は薬剤、酸素（腫瘍はしばしば低酸素である。）及び光を必要とする。薬剤を供給するために、経口、点滴及び局所性投与（腫瘍への注入）の概念が存在する。ＰＤＴに伴う問題は、必要とされる光線量を適切な態様で適用することが困難である点である。過度に少ない光は、結合組織を残すが、腫瘍細胞をそのまま残し、一方、過度に多い光は、結合組織の損傷を引き起こす。
例えば、ＰＤＴは、前立腺癌の治療にとって、この病気が長い間無痛のままであるが、侵攻性に変わって、破壊される必要がある（再現治療を必要とする。）病変を示すことがあるので、最も重要である。対照的に、外照射（光子及びイオン）治療及び近接照射療法は、全ての組織において不可逆的な永久的損傷を残し、組織境界を不可視にする。これは、その後の外科的切除が計画される場合に外科医にとって問題である。ＰＤＴはまた、口腔、食道、肺、及び頸部における癌の治療にも有利に適用され得る。それはまた、乳癌の治療にも使用されてよい。
国際公開第２００８／０６２０００（Ａ１）号パンフレット（特許文献１）は、治療パラメータの測定が治療の前に行われ、治療ステップ後に更新されるＰＤＴ治療法を開示している。よって、当該方法は、治療中の光投与の不十分な制御を欠点とする。
国際公開第２０１０／０８９４１６（Ａ１）号パンフレット（特許文献２）は、光線力学治療の事前の治療計画のためのシステム及び方法を記載している。光線力学治療の仮想計画が提供され、これは、第１のモダリティによって撮像することと、複数の最適化された光源位置を用いて計画に従って治療することとを含む。個々の光ファイバは、例えば、外科用テンプレートにより、中空針を用いて患者の体内のそれらの位置へ導かれる。
国際公開第２００１／１３０６０（Ａ１）号パンフレット（特許文献３）は、プローブアセンブリの一部の座標系における空間的な位置を決定するプローブ検知システムを記載している。ファイバブラッググレーティングを有する光ファイバが、光ファイバにおける湾曲の程度を決定するために使用される。
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国際公開第２００１／１３０６０（Ａ１）号パンフレット（特許文献３）は、プローブアセンブリの一部の座標系における空間的な位置を決定するプローブ検知システムを記載している。ファイバブラッググレーティングを有する光ファイバが、光ファイバにおける湾曲の程度を決定するために使用される。
治療中に光線量投与を正確に制御することができるＰＤＴシステム及び方法を提供することが有利であり得る。
第１の態様において、本発明は、
− 異なる方向において光を放射するよう配置される夫々の光出口部を形成する分散されたファイバ端を備える複数の光ファイバの束を有し、該束が前記ファイバ端の位置及び向きを検知するよう配置される光学式形状検知ファイバを有するインターベンショナル装置と、
− 前記複数の光ファイバへ接続し、光線量信号に応答して前記複数の光ファイバへの個々に制御可能な光出力を生成するよう配置される光コンソールと、
− 前記光学式形状検知ファイバへ接続され、該光学式形状検知ファイバへ適用される光測定に基づき、前記インターベンショナル装置の前記ファイバ端の位置及び向きを決定する位置コンソールと、
− 前記光コンソールが前記複数の光ファイバへの光出力を然るべく生成することを可能にするよう前記光線量信号を生成するために、制御アルゴリズムを実行するよう配置されるプロセッサと
を有し、
前記制御アルゴリズムは、
− 前記位置コンソールからの前記ファイバ端の位置及び向きと、
− 体内の異なる解剖学的組織を区別することができる第１の画像モダリティによって取得される３次元の身体解剖画像の情報と
に応答して、前記光線量信号を生成する、光線力学治療（ＰＤＴ）システムを提供する。
− 異なる方向において光を放射するよう配置される夫々の光出口部を形成する分散されたファイバ端を備える複数の光ファイバの束を有し、該束が前記ファイバ端の位置及び向きを検知するよう配置される光学式形状検知ファイバを有するインターベンショナル装置と、
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− 前記光学式形状検知ファイバへ接続され、該光学式形状検知ファイバへ適用される光測定に基づき、前記インターベンショナル装置の前記ファイバ端の位置及び向きを決定する位置コンソールと、
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を有し、
前記制御アルゴリズムは、
− 前記位置コンソールからの前記ファイバ端の位置及び向きと、
− 体内の異なる解剖学的組織を区別することができる第１の画像モダリティによって取得される３次元の身体解剖画像の情報と
に応答して、前記光線量信号を生成する、光線力学治療（ＰＤＴ）システムを提供する。
当該ＰＤＴシステムは、インターベンショナル装置が挿入されている標的ボリューム（例えば、腫瘍）におけるＰＤＴ治療のための光の正確な投与を可能にするので、有利である。当該システムは、制御アルゴリズムが、個々の光ファイバへ光強度のパターンを適用することによって、体内、望ましくは、腫瘍内に存在する場合にインターベンショナル装置の光出口部の実際の位置に基づき、最適な光分布パターンを決定することを可能にする。光学式形状検知ファイバ（例えば、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ；Fiber Bragg Gratings）を使用する。）は、光学式形状検知ファイバの屈曲及びその長手軸周りの回転が当該技術で知られているように決定され得るので、位置及び向きの正確な３次元追跡を可能にする。光適用ファイバ及び位置追跡センサは、１つの細長いインターベンショナル装置に組み込まれ得る。３次元の身体解剖画像の情報（ＰＤＴ治療の前に取得されるか又は実時間撮像によってＰＤＴ治療中に取得される。）において特定され得る腫瘍の形状並びに光出口部の実際の位置及び向きを考慮して、制御アルゴリズムが、例えば、光拡散モデルを適用することによって、結合組織の可能な限り多くを残しておきながら、腫瘍の最も有効なＰＤＴ治療をもたらすであろうインターベンショナル装置からの結果として得られる光パターンを決定することが可能である。例えば、これは、最初に、最良の起こり得るＰＤＴ効果について最適な光線量分布を決定し、次いで、可能な限り最適な光線量分布に近いインターベンショナル装置からの結果として得られる光線量分布を提供するように、複数の光ファイバの夫々について個別的な光強度値を有する光線量信号を決定することで、取得され得る。
幾つかの実施形態において、制御アルゴリズムは、インターベンショナル装置のより好ましい位置及び向きを、計算によりそのような位置及び向きで腫瘍における光のより良い照射範囲及び場合により更に結合組織のより多くの保存が得られることが示される場合に、決定するよう配置される。これにより、オペレータは、ＰＤＴ治療が実行される前に然るべくインターベンショナル装置の位置及び向きを変更することができる。
当該ＰＤＴシステムは、多数の医療用途内で適用可能であり、病気の網羅的なリストには、前立腺癌、口腔、食道、肺、及び頸部における癌がある。それはまた、乳癌の治療にも使用されてよい。それらの用途の全ては、有効な腫瘍治療が結合組織の保持と組み合わされ得るところの第１の態様に従う当該システムにより達成され得る正確な光線量投与から恩恵を受ける。
好ましい実施形態において、前記制御アルゴリズムは、前記ファイバ端の位置及び向きに基づき、且つ、前記複数のファイバ端についての光放射方向に関する認識に基づき、前記３次元の身体解剖画像において特定される標的ボリュームに整合する前記インターベンショナル装置からの空間的な光パターンを取得するために、前記複数の光ファイバの夫々について個別的な光強度情報を有する光線量信号を生成するよう配置される。組織、例えば、腫瘍における所望の光強度分布は、光ファイバ端の夫々からの光の寄与の混合の強さを制御することによって生成される。例えば、２又はそれ以上、より望ましくは５又はそれ以上、より望ましくは１０又はそれ以上（例えば、１０〜３０）、又は場合により、より多くの光ファイバの束が使用可能であり、それにより、詳細な３次元の光分布パターンが可能になり、よって、所与の腫瘍形状との良好な整合が可能になる。
一実施形態において、光ファイバの束は、非回転対称な光分布を生成して、インターベンショナル装置の回転による光のより最適な分布を可能にするよう設計される。
前記制御アルゴリズムは、望ましくは、光拡散モデリングを適用すること、例えば、身体組織を考慮することを含む。
前記第１の画像モダリティは、例えば、Ｘ線、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ；Magnetic Resonance Imaging）、コンピュータ断層撮影（ＣＴ；Computed Tomography）、超音波、及び陽電子放出断層撮影−コンピュータ断層撮影（ＰＥＴ−ＣＴ；Positron Emission Tomography-Computed Tomography）であることができる。なお、結合組織から標的ボリューム、例えば、腫瘍、を区別することが可能である限り、他のモダリティが使用されてよい。
前記制御アルゴリズムは、身体組織内の光線感作物質の分布に関して、第２の画像モダリティによって取得される画像情報に応答して前記光線量信号を生成するよう配置されてよい。前記第２の画像モダリティは、例えば、ＭＲスペクトロスコピー、１９Ｆ磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、核ＰＥＴ撮像、核単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ；Single Photon Emission Computed Tomography）撮像、及び磁気粒子撮像であることができる。この追加入力により、制御アルゴリズムは、投与されている光線感作物質の一様でない分布を考慮し、最良の起こり得るＰＤＴ効果のための最適な光線量分布を然るべく設計することができる。
前記制御アルゴリズムは、身体組織内の酸素の濃度に関して、第３の画像モダリティによって取得される画像情報に応答して前記光線量信号を生成するよう配置されてよい。前記第３の画像モダリティは、例えば、ＦＭＩＳＯ−ＰＥＴ（FuluoroMISOnidazole Positron Emission Tomography）及びＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）であることができる。この追加入力によれば、制御アルゴリズムは、ＰＤＴの効率に作用する腫瘍及び結合組織における酸素濃度の実際の分布を考慮することができる。このように、制御アルゴリズムは、最良の起こり得るＰＤＴ効果のための最適な光線量分布を然るべく設計する微調整を可能にする更なる他の入力を有する。
既に扱われたように、幾つかの実施形態において、前記制御アルゴリズムは、前記ファイバ端の実際に達成される位置と、前記３次元の身体解剖画像の情報とに基づき、特定されている標的ボリュームに対する前記インターベンショナル装置の計画される位置を決定するよう配置されてよい。このように、インターベンショナル装置の変更された位置及び向きがより良い光分布を提供することが予測され得る場合において、制御アルゴリズムは、そのような位置及び向きを決定し、然るべくオペレータへ出力を提供することができる。
幾つかの実施形態において、前記制御アルゴリズムは、身体組織における温度に依存する局所的な光学特性、光線感作物質の濃度、及び酸素の濃度の関数として光分布を計算する動的な光組織モデルを適用することを含む。望ましくは実時間で更新されるそのような動的モデルを提供することによって、最適な光線量分布の設計は更に精緻化され得る。特に、前記動的な光組織モデルは、夫々の時間ステップで、
１）実際の光学特性に基づく静的な光分布、並びに光線感作物質及び酸素の濃度に基づく結果として得られる毒性と、
２）光拡散の計算に基づく熱拡散の計算と、
３）損傷積分計算と、
４）温度の変化による光学特性の変化と、
５）光線感作物質の濃度の変化と、
６）酸素の濃度の変化と
のうちの１又はそれ以上を更新することを含んでよい。
１）実際の光学特性に基づく静的な光分布、並びに光線感作物質及び酸素の濃度に基づく結果として得られる毒性と、
２）光拡散の計算に基づく熱拡散の計算と、
３）損傷積分計算と、
４）温度の変化による光学特性の変化と、
５）光線感作物質の濃度の変化と、
６）酸素の濃度の変化と
のうちの１又はそれ以上を更新することを含んでよい。
特別の実施形態において、１）乃至６）の全てが夫々の時間ステップで更新される。
好ましい実施形態において、前記光学式形状検知ファイバは、前記位置コンソールが前記光ファイバの束の３次元の形状を追跡し、前記ファイバ端の位置及び向きを然るべく決定することを可能にするために、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を有する。ＦＢＧのそのような使用及び適切な光測定信号の適用は知られている。本願では、光学式形状検知ファイバ（複数を含む。）は、望ましくは、光学式形状検知ファイバが光ファイバの束と共に長手軸の周りで屈曲及び回転するように光ファイバに対して設置されることが理解される。これにより、良好な整合が、光出口部の検知された位置及び向きと実際の位置及び向きとの間で得られる。例えば、光学式形状検知ファイバ（複数を含む。）は、複数の光ファイバが光学式形状検知ファイバの周りに対称又は非対称に配置されるように中心に配置され得る。
幾つかの実施形態において、前記インターベンショナル装置は、光強度センサを有する。これは、治療中の実際の光強度の制御アルゴリズムへの入力を可能にし、例えば、１又はそれ以上の関連する光投射装置の使用を可能にする。特に、前記制御アルゴリズムは、前記インターベンショナル装置からの光分布を、関連する更なる光源によって適用される光に適応させるために、前記光強度センサから受け取られる情報に応答して、前記光線量信号を生成するよう配置されてよい。
幾つかの実施形態において、光コンソールは、光ファイバへの光の波長を調整するよう配置され、及び／又は、複数の波長は、組織への異なる侵入深さを提供するよう使用されてよく、それにより、光線感作物質の改善された照射が得られる。
ＰＤＴ治療に使用される光の種類及び使用される光線感作物質の種類は、例えば、当該技術において知られているものであることが理解されるべきである。
制御アルゴリズムは、適切なプロセッサシステム又はコンピュータでの実行のために配置されるソフトウェアプログラムとして実施され得る。
インターベンショナル装置のサイズ及び形状、例えば、光ファイバの厚さ及び数は、所与の用途のために選択されると理解される。
第２の態様において、本発明は、
− 異なる方向において光を放射するよう配置される夫々の光出口部を形成する分散されたファイバ端を備える複数の光ファイバの束と、前記ファイバ端の位置及び向きを検知するよう配置される光学式形状検知ファイバとを有するインターベンショナル装置を身体において備えるステップと、
− 光測定を前記光学式形状検知ファイバへ適用することによって前記ファイバ端の位置及び向きを決定するステップと、
− 前記身体内の異なる解剖学的組織を区別することができる第１の画像モダリティによって取得される３次元の身体解剖画像の情報を供給するステップと、
− 前記ファイバ端の位置及び向きと、前記次元の身体解剖画像の情報とに応答して、前記複数の光ファイバへの個々の光出力を生成するステップと
を有する光線力学治療方法を提供する。
− 異なる方向において光を放射するよう配置される夫々の光出口部を形成する分散されたファイバ端を備える複数の光ファイバの束と、前記ファイバ端の位置及び向きを検知するよう配置される光学式形状検知ファイバとを有するインターベンショナル装置を身体において備えるステップと、
− 光測定を前記光学式形状検知ファイバへ適用することによって前記ファイバ端の位置及び向きを決定するステップと、
− 前記身体内の異なる解剖学的組織を区別することができる第１の画像モダリティによって取得される３次元の身体解剖画像の情報を供給するステップと、
− 前記ファイバ端の位置及び向きと、前記次元の身体解剖画像の情報とに応答して、前記複数の光ファイバへの個々の光出力を生成するステップと
を有する光線力学治療方法を提供する。
第１の態様の同じ利点及び実施形態が第２の態様についても当てはまることが認識される。概して、第１及び第２の態様は、本発明の適用範囲内で可能なあらゆる方法において組み合わされ結合されてよい。本発明のそれら及び他の態様、特徴、及び／又は利点は、以降で記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明されるであろう。
本発明の実施形態は、単なる一例として、図面を参照して記載される。
本発明のＰＤＴシステムの実施形態のブロック図を示す。
インターベンショナル装置の実施形態の先端の３Ｄビューを表す。
ａ〜ｃはＦＢＧの機能を表す。
３つのファイバコア及び分布ＦＢＧを備える構造を表す。
ＰＤＴ方法の実施形態のステップを表す。
図１は、本発明に従うＰＤＴシステムの実施形態の簡単なブロック図を表す。細長い針、カテーテル、内視鏡又は同様のものの形をしたインターベンショナル装置ＩＤＶは、ＰＤＴにより治療される患者の身体、例えば、腫瘍内への挿入のために配置される。インターベンショナル装置ＩＤＶは、光ファイバＦ１〜Ｆ３の束を有する。光ファイバは、一方の端部で個別的にアクセス可能であり、反対の端部で、それらは、光出口部となるファイバ端を備える。光ファイバＦ１〜Ｆ３は、空間的に分布し、ファイバ端により、異なる方向（破線矢印によって示される。）において光を分配する働きをする。これは、ファイバ端からの光の混合が、結果として得られる複合光分布を生成することを可能にする。説明のために、３つのファイバＦ１〜Ｆ３しか示されないが、実際の用途では、２又はそれ以上のあらゆる数が使用可能であり、例えば、５〜１０、１０〜３０、又はより多くのファイバが使用されてよく、それにより、複雑な腫瘍形状へ光を当てるのに適した複合光分布の生成が可能となる。
１又はそれ以上の光学式形状検知ファイバＯＳＳ（望ましくは、ファイバブラッググレーティングに基づく。）が更にインターベンショナル装置に組み込まれている。他の用途から知られているように、位置コンソールＰＳＣは、光学式形状検知ファイバＯＳＳの長手軸の周りでの回転及び屈曲を決定するために、光学式形状検知ファイバＯＳＳと接続される。これにより、ＯＳＳは光ファイバＦ１〜Ｆ３と構造上連結されているので、光ファイバＦ１〜Ｆ３の光出口部の位置及び向きが決定され得る。よって、光出口部の実際の３次元の位置及び向きは、位置コンソールＰＣＳにおいて決定され、位置及び向き信号Ｐ＿Ｏの形でプロセッサＰへ適用され得る。
プロセッサＰ、例えば、汎用コンピュータ又は専用プロセッサシステムは、入力として位置及び向き信号Ｐ＿Ｏを取る光線量プランニングソフトウェアの形で制御アルゴリズムＣＴＬＡを実行する。表されている実施形態では、制御アルゴリズムＣＴＬＡは、更に入力として次のものを取る：
− 例えば、体内の異なる解剖学的組織を区別することができる第１の画像モダリティによって取得される３次元の身体解剖画像の情報Ｉ１。よって、この画像Ｉ１は、望ましくは、腫瘍の形状、すなわち、ＰＤＴ治療のための光投射の標的ボリュームの特定を可能にする情報を含む。第１の画像モダリティは、例えば、Ｘ線、ＭＲＩ、ＣＴ、超音波、及びＰＥＴ−ＣＴであることができる。既知の画像処理方法は、そのような画像情報Ｉ１に基づき腫瘍の輪郭を容易に描くために存在する。
− 身体組織内の光線感作物質の分布に関して、第２の画像モダリティによって取得される画像情報Ｉ２。この分布は、最適な光線量に影響を及ぼし、よって、光線量分布を提供することにとって重要である。第２の画像モダリティは、例えば、ＭＲスペクトロスコピー、１９Ｆ ＭＲＩ、核ＰＥＴ撮像、核ＳＰＥＣＴ撮像、及び磁気粒子撮像であることができる。
− 身体組織内の酸素の濃度に関して、第３の画像モダリティによって取得される画像情報Ｉ３。ＰＤＴ治療下での組織内の酸素は、やはり、適用される最適な光に影響を及ぼし、よって、適用される光線量分布を設計することを考慮するために制御アルゴリズムＣＴＬＡにとって重要である。第３の画像モダリティは、例えば、ＦＭＩＳＯ−ＰＥＴ及びＭＲＩであることができる。
− 例えば、体内の異なる解剖学的組織を区別することができる第１の画像モダリティによって取得される３次元の身体解剖画像の情報Ｉ１。よって、この画像Ｉ１は、望ましくは、腫瘍の形状、すなわち、ＰＤＴ治療のための光投射の標的ボリュームの特定を可能にする情報を含む。第１の画像モダリティは、例えば、Ｘ線、ＭＲＩ、ＣＴ、超音波、及びＰＥＴ−ＣＴであることができる。既知の画像処理方法は、そのような画像情報Ｉ１に基づき腫瘍の輪郭を容易に描くために存在する。
− 身体組織内の光線感作物質の分布に関して、第２の画像モダリティによって取得される画像情報Ｉ２。この分布は、最適な光線量に影響を及ぼし、よって、光線量分布を提供することにとって重要である。第２の画像モダリティは、例えば、ＭＲスペクトロスコピー、１９Ｆ ＭＲＩ、核ＰＥＴ撮像、核ＳＰＥＣＴ撮像、及び磁気粒子撮像であることができる。
− 身体組織内の酸素の濃度に関して、第３の画像モダリティによって取得される画像情報Ｉ３。ＰＤＴ治療下での組織内の酸素は、やはり、適用される最適な光に影響を及ぼし、よって、適用される光線量分布を設計することを考慮するために制御アルゴリズムＣＴＬＡにとって重要である。第３の画像モダリティは、例えば、ＦＭＩＳＯ−ＰＥＴ及びＭＲＩであることができる。
記載される入力Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｐ＿Ｏに基づき、制御アルゴリズムＣＴＬＡは、ＰＤＴ治療範囲内の様々な種類の組織についての推定される最適なパラメータを必要とする様々な光拡散モデルを適用する。これに応答して、制御アルゴリズムＣＴＬＡは、光コンソールＯＣＳへの光分布信号ＬＤＳの形で光分布パターンを生成し、光コンソールＯＣＳは、これに応答して、夫々の光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３への個別的な光強度ＬＤ１、ＬＤ２、ＬＤ３を生成し、次いで、光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３は、結果としてられる光分布パターンをインターベンショナル装置ＩＤＶの先端から生成する。インターベンショナル装置ＩＤＶの光出口部の正確な認識と組み合わされた入力Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３によれば、結合組織を保ちながら、所与の形状及びサイズを有する腫瘍の最適なＰＤＴ治療のための計画された光パターンと整合する光を適用することが可能である。
夫々のファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３のための最適な光出力を決定するよう、一実施形態における制御アルゴリズムＣＴＬＡの機能は、次のとおりである。腫瘍の形状は、３次元の身体解剖画像の情報Ｉ１から知られる。ファイバ端の位置Ｐ＿Ｏは、位置コンソールＰＣＳから知られる。腫瘍組織内及びその周囲の光拡散のモンテカルロ（ＭＣ）モデリングの使用によれば（波長の関数としての光の吸収及び散乱のための最適なパラメータは、例えば、ルックアップテーブルから知られる。）、腫瘍内の組織不均質、組織酸素化、及び／又は局所的な光線感作物質分布の認識を、そのような情報が利用可能である場合に、例えば、適切な撮像アプローチによって考慮して、ＰＤＴ治療のための必要とされる最適な強度を腫瘍内の全ての位置で有するためにはファイバ端の光出力の強度がどのようなものでなければならないかを計算することが可能である。フォワード型ＭＣ演算は、所与の入力光分布での組織内の最適な特性及び位置の関数として蓄積エネルギ及び光分布を求め、酸素及び光線感作物質の分布との当該光分布の相互作用によって生じる毒性が計算され得る。次いで、必要とされる光分布は、必要とされる光分布及び毒性と局所的な組織の光分布及び毒性とが整合するように入力光分布を変更することによって決定され得る。
光拡散モデルに関する情報は、T.J.Farrell及びM.S.Patterson及びB.Wilson，“A diffusion theory model of spatially resolved, steady-state diffuse reflectance for noninvasive determination of tissue optical properties in vivo”，Med.Phys.19(1992)p879と、E.M.C.Keijzer，“Light transport for medical laser treatments”，PhD Thesis Technical University Delft，1993とにおいて見つけられ得る。
ＰＤＴ治療の間、光分布は、利用可能な酸素及び光線感作物質の分布とともに、変化する光学特性、温度及び毒性の変化に起因して変化する。これは、最適な光学式治療を維持する動的モデルを必要とする。よって、幾つかの実施形態において、制御アルゴリズムＣＴＬＡは、夫々の時間ステップに計算のそのような動的な更新を提供するよう配置される。そのような動的な更新の具体的な実施形態において、夫々の時間ステップで次の更新が行われる：
１．実際の光学特性に基づく静的な光分布、並びに光線感作物質及び酸素の濃度に基づく結果として得られる毒性。
２．入力としてＭＣ演算からの蓄積エネルギ及び光拡散を用いる熱拡散ステップ。
３．アレニウス定数を用いる損傷積分計算。
４．温度の変化による光学特性の変化。
５．光線感作物質の濃度の変化。
６．酸素の濃度の変化。
７．１からの時間ステップの繰り返し。
１．実際の光学特性に基づく静的な光分布、並びに光線感作物質及び酸素の濃度に基づく結果として得られる毒性。
２．入力としてＭＣ演算からの蓄積エネルギ及び光拡散を用いる熱拡散ステップ。
３．アレニウス定数を用いる損傷積分計算。
４．温度の変化による光学特性の変化。
５．光線感作物質の濃度の変化。
６．酸素の濃度の変化。
７．１からの時間ステップの繰り返し。
図２は、インターベンショナル装置の実施形態の先端の３Ｄビューを表す。光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３の束（１０本の単ファイバが見える。）は、それらのファイバ端から光を供給する。ファイバ端は、異なる方向（破線矢印によって表される。）において光を放射するように角度をつけられている。光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３は、幾つかの層又は環において中心の光学式形状検知ファイバの周りに設置される。光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３は、それらのファイバ端及び、よって、それらの光出口部が、束先端で特定の長さに沿って全ての方向において異なるスポットにあるように、設置される。光供給ファイバは、角をつけられた出力面を有する。
先端部の逆側の端部で、光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３は個別的にアクセス可能であり、よって、個別的な光強度が光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３に適用され得る。よって、光投射は、夫々のファイバの端部にある事実上可視的な光源であり、これは、インターベンショナル装置の先端が腫瘍に挿入される場合に、ファイバ端の軸位置とともに回転自由度を使用して、３次元の光線量ボリュームを動的に生成することを可能にする。強度に加えて、夫々のファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３における光の波長は、光毒性がある波長範囲により達成され得ることを条件として、組織へのその波長に依存する浸透に影響を及ぼすように、変更され得る。
光学式形状検知ファイバＯＳＳ（望ましくは、ファイバブラッググレーティングによる。）の機能は、以下で説明される。
図３ａ〜ｃは、実時間においてインターベンショナル装置の３次元形状を追跡するのに使用され得る光学式形状検知ファイバＯＳＳにおけるファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）の使用を説明するのに役立つ。先行技術から、ＦＢＧを組み込まれている３又はそれ以上のファイバは、実時間においてそれらのファイバの３Ｄ形状を追跡するよう一緒に利用され得ることが知られている。
ＦＢＧは、特定の波長の光を反射し、他の全てを伝送する光ファイバの短セグメントである。これは、波長に特有の誘電体ミラーを生成するファイバコア内の屈折率の周期的な変化を加えることで達成される。ＦＢＧは、従って、特定の波長をブロックするインライン型光ファイバとして、又は波長に特有の反射体として使用され得る。
ＦＢＧの動作の背後にある基本原理は、屈折率が変化しているインターフェースの夫々でのフレネル（Fresnel）反射である。幾つかの波長に関し、様々な周期の反射光は互いに同相にあり、それにより、建設的干渉が反射について存在し、結果として、破壊的干渉が伝送について存在する。
図３ａは、他の屈折率ｎ１を有するファイバ内にファイバコアＦＣを有する光学式形状検知ファイバＯＳＳを表す。ファイバコアＦＣの屈折率は、黒と白の色分けにより示されるように、その長さに沿って、すなわち、ｎ２とｎ３との間で変化する。また、この変化は図３ｂでも示されている。図３ｂは、コアに沿ったコア屈折率を示す。図３ｃでは、スペクトル応答が広帯域入力信号Ｉｐについて示されており、この広帯域入力信号は、ファイバコアにおいて被送信Ｔｒ及び被反射Ｒｆｌに分けられる。３つのグラフは、信号波長λに対する電力Ｐを示す。図示されるように、被送信スペクトルＴｒでは、特性波長の低下が観測され、一方、被反射スペクトルＲｆｌでは、逆の効果が見られ、すなわち、特性波長λＢの周辺でピークが観測される。
ブラッグ波長は、温度とともに変形にも敏感である。これは、ブラッググレーティングが、光ファイバセンサにおいて検知素子として使用され得ることを意味する。ＦＢＧセンサにおいて、測定量は、ブラッグ波長におけるシフトΔλＢを引き起こす。加えられる変形（ε）及び温度の変化（ΔＴ）に起因するブラッグ波長における相対的なシフトΔλＢ／λＢは、
δλＢ／λＢ＝Ｃｓε＋ＣＴδＴ
によって、近似的に与えられる。
δλＢ／λＢ＝Ｃｓε＋ＣＴδＴ
によって、近似的に与えられる。
係数Ｃｓは、変形係数と呼ばれ、その大きさは、通常は、約０．８×１０−６／με又は絶対量で約１ｐｍ／Ｋである。係数ＣＴは、センサの温度感度を示し、熱膨張係数及び熱光学効果から成る。その値は約７×１０−６／Ｋ（すなわち、絶対量として、１３ｐｍ／Ｋ）である。
図４は、軸Ｘ，Ｙ，Ｚを有する３次元座標系において３つのファイバコア及び分布ＦＢＧを備える構造の形で光学式形状検知ファイバＯＳＳの実例を示す。当該技術の主たる利点の１つは、様々なセンサ素子がファイバの長さにわたって分布され得ることである。構造体に埋め込まれているファイバの長さに沿って様々なセンサ（ガウス）とともに３つのコアを組み込むことは、そのような構造体の３次元形状が正確に決定されることを可能にする。ファイバの長さに沿って、様々な位置で、３つのＦＢＧセンサが位置付けられる。夫々のＦＢＧの変形測定から、構造体の屈曲がその位置で推測され得る。測定される位置の多さから、全体的な３次元形状が決定される。これより、高い精度でインターベンショナル装置の光出口部の位置及び向きの両方を決定することが可能である。
図５は、ＰＤＴ方法の実施形態のブロック図を示す。様々なステップは、異なる順序で実行可能であることが理解されるべきである。
第１のステップＰ＿ＩＤＥＶで、インターベンショナル装置は備えられ、身体組織、例えば、腫瘍において挿入される。インターベンショナル装置は、異なる方向において光を放射するよう配置される夫々の光出口部を形成する分散されたファイバ端を備える複数の光ファイバの束と、ファイバ端の位置及び向きを検知するよう配置される光学式形状検知ファイバとを有する。
次に、３次元の身体解剖画像の情報Ｉ１が第１の画像モダリティによって提供され、よって、ＰＤＴ治療のために腫瘍のサイズ及び形状の決定を可能とする。次に、身体組織内の光線感作物質の濃度に関する画像情報Ｉ２が第２の画像モダリティによって提供される。次に、身体組織内の酸素の濃度に関する画像情報Ｉ３が第３の画像モダリティによって提供される。
ファイバ端、ひいては、光出口部の位置及び向きＤ＿ＰＳは、光学式形状検知ファイバへ光測定を適用することによって求められる。
最後に、光分布パターンＣ＿ＬＤが計算され、個別的に、複数の光ファイバへの光出力が、ファイバ端の位置及び向きと、３次元の身体解剖画像の情報とに応答して生成される。
要約すれば、本発明は、個別的にアクセスされ得る夫々の光出口部を形成する光ファイバ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）の束を備える細長いインターベンショナル装置（ＩＤＶ）を有する光線力学治療（ＰＤＴ；PhotoDynamic Therapy）システムを提供する。光ファイバの束は、光出口部の位置及び向き（Ｐ＿Ｏ）を検知するよう配置される光学式形状検知ファイバ（ＯＳＳ）（例えば、ファイバブラッググレーティングを有する。）を備える。プロセッサは、複数の光ファイバ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３）への光出力（ＬＤ１、ＬＤ２、ＬＤ３）の生成を然るべく可能にするよう光線量信号（ＬＤＳ）を生成する制御アルゴリズムを実行する。制御アルゴリズムは、光出口部の決定された位置及び向き（Ｐ＿Ｏ）と、第１の画像モダリティ（例えば、Ｘ線、ＭＲＩ、ＣＴ、超音波、又はＰＥＴ−ＣＴ）によって取得された３次元の身体解剖画像の情報とに応答して、光線量信号（ＬＤＳ）を生成する。この組み合わせは、結合組織の最小限の破壊による腫瘍のＰＤＴ治療のための光線量分布の正確な適用を可能にする。実施形態では、制御アルゴリズムは、入力として身体組織内の光線感作物質の分布に関する画像情報（Ｉ２）を取る。制御アルゴリズムは、身体組織内の酸素の濃度に関する画像情報（Ｉ３）を更に考慮してよい。そのような入力のいずれも、より正確なＰＤＴ光適用を可能にする。
本発明は、図面及び前述の記載において詳細に図示及び説明されてきたが、そのような図示及び説明は、限定ではなく実例又は例示と見なされるべきであり、本発明は、開示されている実施形態に制限されない。開示されている実施形態に対する他の変形例は、図面、本開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求される発明を実施する際に当業者によって理解及び達成され得る。特許請求の範囲において、語「有する（comprising）」は他の要素又はステップを除外せず、単称（不定冠詞a又はan）は複数個を除外しない。単一のプロセッサ又は他のユニットが、特許請求の範囲で上げられている複数の事項の機能を満足してよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項で上げられているという単なる事実は、それらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すわけではない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアとともに又はその部分として一緒に提供される光記憶媒体又は固体媒体のような適切な場合において記憶／分配されてよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線の電気通信システムを介するような他の形態においても分配されてよい。特許請求の範囲における如何なる参照符号も、適用範囲を制限するよう解釈されるべきでない。
Claims (14)
- 異なる方向において光を放射するよう配置される夫々の光出口部を形成する分散されたファイバ端を備える複数の光ファイバの束を有し、該束が前記ファイバ端の位置及び向きを検知するよう配置される光学式形状検知ファイバを有するインターベンショナル装置と、
前記複数の光ファイバへ接続し、光線量信号に応答して前記複数の光ファイバへの個々に制御可能な光出力を生成するよう配置される光コンソールと、
前記光学式形状検知ファイバへ接続され、該光学式形状検知ファイバへ適用される光測定に基づき、前記インターベンショナル装置の前記ファイバ端の位置及び向きを決定する位置コンソールと、
前記光コンソールが前記複数の光ファイバへの光出力を然るべく生成することを可能にするよう前記光線量信号を生成するために、制御アルゴリズムを実行するよう配置されるプロセッサと
を有し、
前記制御アルゴリズムは、
前記位置コンソールからの前記ファイバ端の位置及び向きと、
体内の異なる解剖学的組織を区別することができる第１の画像モダリティによって取得される３次元の身体解剖画像の情報と
に応答して、前記光線量信号を生成する、光線力学治療システム。 - 前記制御アルゴリズムは、前記ファイバ端の位置及び向きに基づき、且つ、前記複数のファイバ端についての光放射方向に関する認識に基づき、前記３次元の身体解剖画像において特定される標的ボリュームに整合する前記インターベンショナル装置からの空間的な光パターンを取得するために、前記複数の光ファイバの夫々について個別的な光強度情報を有する光線量信号を生成するよう配置される、
請求項１に記載の光線力学治療システム。 - 前記制御アルゴリズムは、光拡散モデリングを適用することを含む、
請求項１に記載の光線力学治療システム。 - 前記第１の画像モダリティは、Ｘ線、ＭＲＩ、ＣＴ、超音波、及びＰＥＴ−ＣＴから選択される、
請求項１に記載の光線力学治療システム。 - 前記制御アルゴリズムは、身体組織内の光線感作物質の分布に関して、第２の画像モダリティによって取得される画像情報に応答して前記光線量信号を生成するよう配置される、
請求項１に記載の光線力学治療システム。 - 前記第２の画像モダリティは、ＭＲスペクトロスコピー、１９Ｆ ＭＲＩ、核ＰＥＴ撮像、核ＳＰＥＣＴ撮像、及び磁気粒子撮像から選択される、
請求項５に記載の光線力学治療システム。 - 前記制御アルゴリズムは、身体組織内の酸素の濃度に関して、第３の画像モダリティによって取得される画像情報に応答して前記光線量信号を生成するよう配置される、
請求項１に記載の光線力学治療システム。 - 前記第３の画像モダリティは、ＦＭＩＳＯ−ＰＥＴ及びＭＲＩから選択される、
請求項７に記載の光線力学治療システム。 - 前記制御アルゴリズムは、前記ファイバ端の実際に達成される位置と、前記３次元の身体解剖画像の情報とに基づき、特定されている標的ボリュームに対する前記インターベンショナル装置の計画される位置を決定するよう配置される、
請求項１に記載の光線力学治療システム。 - 前記制御アルゴリズムは、身体組織における温度に依存する局所的な光学特性、光線感作物質の濃度、及び酸素の濃度の関数として光分布を計算する動的な光組織モデルを適用することを含む、
請求項１に記載の光線力学治療システム。 - 前記動的な光組織モデルは、夫々の時間ステップで、
１）実際の光学特性に基づく静的な光分布、並びに光線感作物質及び酸素の濃度に基づく結果として得られる毒性と、
２）光拡散の計算に基づく熱拡散の計算と、
３）損傷積分計算と、
４）温度の変化による光学特性の変化と、
５）光線感作物質の濃度の変化と、
６）酸素の濃度の変化と
のうちの１又はそれ以上を更新することを含む、
請求項１０に記載の光線力学治療システム。 - 前記光学式形状検知ファイバは、前記位置コンソールが前記光ファイバの束の３次元の形状を追跡し、前記ファイバ端の位置及び向きを然るべく決定することを可能にするために、光ファイバブラッググレーティングを有する、
請求項１に記載の光線力学治療システム。 - 前記インターベンショナル装置は、光強度センサを有する、
請求項１に記載の光線力学治療システム。 - 前記制御アルゴリズムは、前記インターベンショナル装置からの光分布を、関連する更なる光源によって適用される光に適応させるために、前記光強度センサから受け取られる情報に応答して、前記光線量信号を生成するよう配置される、
請求項１３に記載の光線力学治療システム。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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