JP6130068B2 - 放射線療法及び超音波加熱のための医療機器 - Google Patents

放射線療法及び超音波加熱のための医療機器 Download PDF

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Description

本発明は放射線ビーム療法、特にハイパーサーミア（温熱療法）と組み合わされる放射線ビーム療法に関する。
マイルドハイパーサーミア（ＨＴ）は体温を超えるがアブレーション温度未満の温度（例えば３８‐４５℃）に組織が加熱される治療法である。こうしたハイパーサーミア治療は、化学療法若しくは放射線療法と併用されるとき、治療有効性を改善する生理学的（例えばかん流）及び細胞学的（例えば遺伝子発現）変化をもたらし得る。ＨＴは多数の変化を誘導し、これは多くの化学療法薬及び放射線療法と相乗効果をなす臨床的利益を提供する。生理学的及び細胞学的変化に加えて、ハイパーサーミアは毒性を軽減し全体的有効性を改善するために温度応答性若しくは非応答性の薬物送達システムと併用され得る。
ターゲット組織を温熱範囲へ加熱し得る現在利用可能な多数の装置がある。一例は同調アンテナを使用してＲＦエネルギーを体内へ送信する高周波（ＲＦ）アプリケータである。しかしながら、ＲＦアプリケータはＲＦの長波長のために深在性腫瘍を加熱するために最もよく使用される。マイクロ波アプリケータも使用されるが、典型的にはその短波長のために表在性腫瘍のみに使用される。両タイプは異なる構成で使用されることができ、最も一般的にはフェーズドアレイ、導波管、及びスパイラルアンテナである。局所ハイパーサーミアを実行する効率的な方法は、ハイパーサーミアを達成するために集束超音波が使用され、治療をモニタするためにＭＲが利用される、磁気共鳴ガイド高強度集束超音波（ＭＲ‐ＨＩＦＵ）による。
学術論文Ｍｏｒｏｓ ｅｔ．ａｌ．，"Ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｓｕｐｅｒｆｉｃｉａｌ ｔｈｅｒｍｏｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ ｏｆ ｂｒｅａｓｔ ｃａｎｃｅｒ，"Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍｉａ，Ｏｃｔ．２０１０；２６（７）６９９‐７０９は同時温熱放射線療法のための装置を開示する。放射線は二重周波数ＳＵＲＬＡＳアプリケータを用いて適用され、放射線と超音波が同じ方向に適用される：放射線は必然的に超音波の近距離場領域を通って移動する。ドイツ特許出願ＤＥ １０ ２００７ ０６０ １８９は放射線治療ビーム及び高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）の両方による照射を含む放射線療法のためのシステムに言及する。ドイツ特許出願ＤＥ １０ ２００７ ０６０ １８９は同時に放射線療法とハイパーサーミアが適用されるときに生じる相乗効果を指摘する。
一態様において本発明は独立請求項に記載の医療機器、コンピュータプログラム製品、及び方法を提供する。実施形態が従属請求項で与えられる。
当業者によって理解される通り、本発明の態様は装置、方法若しくはコンピュータプログラム製品として具体化され得る。従って、本発明の態様は完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、又はソフトウェアとハードウェアの態様を組み合わせる実施形態の形をとり得、これらは全て一般に本明細書において"回路"、"モジュール"若しくは"システム"とよばれ得る。さらに、本発明の態様はコンピュータ実行可能コードがその上に具体化された一つ以上のコンピュータ可読媒体において具体化されるコンピュータプログラム製品の形をとり得る。
一つ以上のコンピュータ可読媒体の任意の組み合わせが利用され得る。コンピュータ可読媒体はコンピュータ可読信号媒体若しくはコンピュータ可読記憶媒体であり得る。本明細書で使用される'コンピュータ可読記憶媒体'とは、計算装置のプロセッサによって実行可能な命令を格納し得る任意の有形記憶媒体を包含する。コンピュータ可読記憶媒体はコンピュータ可読非一時的記憶媒体とよばれ得る。コンピュータ可読記憶媒体は有形コンピュータ可読媒体ともよばれ得る。一部の実施形態において、コンピュータ可読記憶媒体は計算装置のプロセッサによってアクセスされることができるデータを格納することも可能であり得る。コンピュータ可読記憶媒体の実施例は、限定されないが、フロッピーディスク、磁気ハードディスクドライブ、ソリッドステートハードディスク、フラッシュメモリ、ＵＳＢサムドライブ、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、光学ディスク、磁気光学ディスク、及びプロセッサのレジスタファイルを含む。光学ディスクの実施例はコンパクトディスク（ＣＤ）及びデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、例えばＣＤ‐ＲＯＭ、ＣＤ‐ＲＷ、ＣＤ‐Ｒ、ＤＶＤ‐ＲＯＭ、ＤＶＤ‐ＲＷ又はＤＶＤ‐Ｒディスクを含む。コンピュータ可読記憶媒体という語はネットワーク若しくは通信リンクを介してコンピュータデバイスによってアクセスされることができる様々なタイプの記録媒体もあらわす。例えばデータがモデムを介して、インターネットを介して、又はローカルエリアネットワークを介して読み出され得る。コンピュータ可読媒体上に具体化されるコンピュータ実行可能コードは、限定されないが無線、有線、光ファイバケーブル、ＲＦなどを含む任意の適切な媒体、又は前述の任意の適切な組み合わせを用いて送信され得る。
コンピュータ可読信号媒体は、例えばベースバンドにおいて若しくは搬送波の一部として、コンピュータ実行可能コードがその中に具体化される伝搬データ信号を含み得る。このような伝搬信号は、限定されないが、電磁、光学、又はそれらの任意の適切な組み合わせを含む、様々な形のいずれをもとり得る。コンピュータ可読信号媒体はコンピュータ可読記憶媒体ではない、並びに命令実行システム、装置若しくはデバイスによって又はそれらと関連して使用するためのプログラムを通信、伝搬、若しくは輸送することができる、任意のコンピュータ可読媒体であり得る。
'コンピュータメモリ'若しくは'メモリ'はコンピュータ可読記憶媒体の一実施例である。コンピュータメモリはプロセッサに直接アクセス可能な任意のメモリである。'コンピュータストレージ'若しくは'ストレージ'はコンピュータ可読記憶媒体のさらなる実施例である。コンピュータストレージは任意の不揮発性コンピュータ可読記憶媒体である。一部の実施形態においてコンピュータストレージはコンピュータメモリでもあり、又はその逆もまた同様であり得る。
本明細書で使用される'プロセッサ'とは、プログラム若しくはマシン実行可能命令若しくはコンピュータ実行可能コードを実行することができる電子部品を包含する。"プロセッサ"を有する計算装置への参照は一つより多くのプロセッサ若しくはプロセシングコアを含む可能性があると解釈されるべきである。プロセッサは例えばマルチコアプロセッサであり得る。プロセッサは単一コンピュータシステム内の、又はマルチコンピュータシステム間に分散されるプロセッサの集合もあらわし得る。計算装置という語は各々が一つ若しくは複数のプロセッサを有する計算装置の集合若しくはネットワークをあらわす可能性があるとも解釈されるべきである。コンピュータ実行可能コードは同じ計算装置内にあり得るか又はマルチ計算装置にわたって分散されてもよいマルチプロセッサによって実行され得る。
コンピュータ実行可能コードはプロセッサに本発明の一態様を実行させるマシン実行可能命令若しくはプログラムを有し得る。本発明の態様のための動作を実行するためのコンピュータ実行可能コードは、Ｊａｖａ、Ｓｍａｌｌｔａｌｋ、Ｃ＋＋若しくは同様のものなどのオブジェクト指向プログラミング言語、及び"Ｃ"プログラミング言語若しくは同様のプログラミング言語などの従来の手続型プログラミング言語を含む一つ以上のプログラミング言語の任意の組み合わせで書かれ、マシン実行可能命令にコンパイルされ得る。場合によってはコンピュータ実行可能コードは高級言語の形又はプリコンパイル済の形であり得、オンザフライでマシン実行可能命令を生成するインタープリタと併用され得る。
コンピュータ実行可能コードは完全にユーザのコンピュータ上で、一部ユーザのコンピュータ上で、スタンドアロンソフトウェアパッケージとして、一部ユーザのコンピュータ上でかつ一部リモートコンピュータ上で、又は完全にリモートコンピュータ若しくはサーバ上で実行し得る。後者のシナリオにおいて、リモートコンピュータはローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）若しくはワイドエリアネットワーク（ＷＡＮ）を含む任意のタイプのネットワークを通じてユーザのコンピュータに接続され得るか、又は接続は（例えばインターネットサービスプロバイダを用いてインターネットを通じて）外部コンピュータへなされ得る。
本発明の態様は本発明の実施形態にかかる方法、装置（システム）及びコンピュータプログラム製品のフローチャート図及び／又はブロック図を参照して記載される。フローチャート、説明図、及び／又はブロック図のブロックの各ブロック又は部分は、適用可能であるときコンピュータ実行可能コードの形でコンピュータプログラム命令によって実施され得ることが理解される。相互排他的でないとき、異なるフローチャート、説明図、及び／又はブロック図におけるブロックの組み合わせが組み合わされ得ることがさらに理解される。これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ若しくは他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサを介して実行する命令が、フローチャート及び／又はブロック図の一つ若しくは複数のブロックに規定される機能／動作を実施するための手段を作り出すように、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、若しくはマシンを製造する他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに提供され得る。
これらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ可読媒体に格納される命令が、フローチャート及び／又はブロック図の一つ若しくは複数のブロックに規定される機能／動作を実施する命令を含む製品を生成するように、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置又は他のデバイスを特定の方法で機能するように指示することができるコンピュータ可読媒体にも格納され得る。
コンピュータプログラム命令は、コンピュータ若しくは他のプログラム可能装置上で実行する命令が、フローチャート及び／又はブロック図の一つ若しくは複数のブロックに規定される機能／動作を実施するためのプロセスを提供するように、一連の動作ステップをコンピュータ、他のプログラム可能装置若しくは他のデバイス上で実行させてコンピュータ実施プロセスを生成するために、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、若しくは他のデバイス上にロードされてもよい。
本明細書で使用される'ユーザインターフェース'とはユーザ若しくはオペレータがコンピュータ若しくはコンピュータシステムと相互作用することを可能にするインターフェースである。'ユーザインターフェース'は'ヒューマンインターフェースデバイス'ともよばれ得る。ユーザインターフェースはオペレータへ情報若しくはデータを提供し、及び／又はオペレータから情報若しくはデータを受信し得る。ユーザインターフェースはオペレータからの入力がコンピュータによって受信されることを可能にし、コンピュータからユーザへ出力を提供し得る。言い換えれば、ユーザインターフェースはオペレータがコンピュータを制御若しくは操作することを可能にし、インターフェースはオペレータの制御若しくは操作の効果をコンピュータが示すことを可能にし得る。ディスプレイ若しくはグラフィカルユーザインターフェース上のデータ若しくは情報の表示はオペレータへの情報提供の一実施例である。キーボード、マウス、トラックボール、タッチパッド、ポインティングスティック、グラフィックタブレット、ジョイスティック、ゲームパッド、ウェブカム、ヘッドセット、ギアスティック、有線グローブ、リモートコントロール、及び加速度計を通じたデータの受信はオペレータから情報若しくはデータの受信を可能にするユーザインターフェースコンポーネントの全実施例である。
本明細書で使用される'ハードウェアインターフェース'はコンピュータシステムのプロセッサが外部計算装置及び／又は機器と相互作用する及び／又は制御することを可能にするインターフェースを包含する。ハードウェアインターフェースはプロセッサが外部計算装置及び／又は機器へ制御信号若しくは命令を送信することを可能にし得る。ハードウェアインターフェースはプロセッサが外部計算装置及び／又は機器とデータを交換することも可能にし得る。ハードウェアインターフェースの実施例は、限定されないが、ユニバーサルシリアルバス、ＩＥＥＥ１３９４ポート、パラレルポート、ＩＥＥＥ１２８４ポート、シリアルポート、ＲＳ‐２３２ポート、ＩＥＥＥ‐４８８ポート、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ接続、無線ローカルエリアネットワーク接続、ＴＣＰ／ＩＰ接続、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ接続、制御電圧インターフェース、ＭＩＤＩインターフェース、アナログ入力インターフェース、及びデジタル入力インターフェースを含む。
本明細書で使用される'ディスプレイ'若しくは'表示装置'は、画像若しくはデータを表示するために適した出力装置若しくはユーザインターフェースを包含する。ディスプレイは視覚、聴覚、及び／又は触覚データを出力し得る。ディスプレイの実施例は、限定されないが、コンピュータモニタ、テレビ画面、タッチスクリーン、触覚電子ディスプレイ、点字スクリーン、ブラウン管（ＣＲＴ）、蓄積管、双安定ディスプレイ、電子ペーパー、ベクトルディスプレイ、フラットパネルディスプレイ、真空蛍光ディスプレイ（ＶＦ）、発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、エレクトロルミネッセントディスプレイ（ＥＬＤ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードディスプレイ（ＯＬＥＤ）、プロジェクタ、及びヘッドマウントディスプレイを含む。
医用画像データは本明細書において医用イメージングスキャナを用いて収集されている二次元若しくは三次元データと定義される。医用イメージングスキャナは本明細書において患者の身体構造についての情報を収集し二次元若しくは三次元医用画像データのセットを構成するのに適した装置と定義される。医用画像データは医師による診断のために有用な視覚化若しくは医用画像を構成するために使用され得る。この視覚化はコンピュータを用いて実行され得る。本明細書で使用される医用画像データは被検者の解剖学的構造を記述するデータも包含し得る。
磁気共鳴（ＭＲ）データは本明細書において、磁気共鳴イメージングスキャン中に磁気共鳴装置のアンテナによって記録される原子スピンによって発せられる高周波信号の測定であると定義される。磁気共鳴データは医用画像データの一実施例である。磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）画像は本明細書において磁気共鳴イメージングデータ内に含まれる解剖学的データの再構成された二次元若しくは三次元視覚化であると定義される。この視覚化はコンピュータを用いて実行され得る。磁気共鳴画像は医用画像の一種である。
ＭＲ温度測定データは本明細書において、磁気共鳴温度測定のために使用され得る情報を含む磁気共鳴イメージングスキャン中に磁気共鳴装置のアンテナによって記録される原子スピンにより発せられる高周波信号の測定であると定義される。磁気共鳴温度測定は温度感受性パラメータにおける変化を測定することによって機能する。磁気共鳴温度測定中に測定され得るパラメータの例は：プロトン共鳴周波数シフト、拡散係数、若しくはＴ１及び／又はＴ２緩和時間における変化が磁気共鳴を用いて温度を測定するために使用され得る。プロトン共鳴周波数シフトは、個々のプロトン、水素原子が経験する磁場が周辺分子構造に依存するため、温度依存性である。温度増加は温度が水素結合に影響することにより分子スクリーニングを減少させる。これはプロトン共鳴周波数の温度依存性につながる。プロトン密度は平衡磁化に線形依存する。従ってプロトン密度加重画像を用いて温度変化を決定することが可能である。
緩和時間Ｔ１、Ｔ２及びＴ２スター（ときにＴ２＊と書かれる）も温度依存性である。従ってＴ１、Ｔ２及びＴ２スター加重画像の再構成は熱若しくは温度マップを構成するために使用されることができる。
温度は水溶液中の分子のブラウン運動にも影響する。従ってパルス拡散勾配スピンエコーなどの拡散係数を測定することができるパルスシーケンスが温度を測定するために使用され得る。
磁気共鳴を用いて温度を測定する最も有用な方法の一つは水プロトンのプロトン共鳴周波数（ＰＲＦ）を測定することによる。プロトンの共鳴周波数は温度依存性である。ボクセル中で温度が変化するにつれて周波数シフトは測定された水プロトンの位相を変化させる。従って二つの位相画像間の温度変化が決定され得る。この温度決定法は他の方法と比較して比較的速いという利点を持つ。ＰＲＦ法は本明細書において他の方法よりも詳細に論じられる。しかしながら、本明細書で論じられる方法と技術は磁気共鳴イメージングで温度測定を実行する他の方法にも適用可能である。
本明細書で使用される'超音波窓'は超音波若しくはエネルギーを送信することができる窓を包含する。典型的には薄いフィルム若しくは膜が超音波窓として使用される。超音波窓は例えばＢｏＰＥＴ（２軸延伸ポリエチレンテレフタレート）の薄膜から作られ得る。
一態様において本発明はプロセッサによる実行のためのマシン実行可能命令を含むメモリを有する医療機器を提供する。医療機器は医療機器を制御するためのプロセッサをさらに有する。マシン実行可能命令の実行はプロセッサに放射線ビーム治療システムを用いて被検者内のターゲットゾーンの電離放射線ビーム治療を規定する治療計画を受信させる。放射線ビーム治療システムは放射線源と、回転軸まわりに放射線源を回転させるためのガントリを有する。放射線源は放射線ビーム経路を照射するために動作可能である。
放射線源は回転軸に放射線ビーム経路を向けるために動作可能である。マシン実行可能命令の実行はさらにプロセッサに、高強度集束超音波システムによる被検者の超音波加熱を記述する計画熱分布を受信させる。計画熱分布は空間依存性である。計画熱分布は被検者内の超音波ビーム経路と加熱ゾーンを記述する。ターゲットゾーンは加熱ゾーン内にある。一部の実施例において計画熱分布は測定される。他の実施例において計画熱分布はモデルを用いて計算される。
マシン実行可能命令の実行はさらにプロセッサに、計画熱分布と治療計画を用いてターゲットゾーンを照射するように放射線ビーム治療システムを制御するための放射線制御コマンドデータを生成させる。放射線制御コマンドデータは放射線源に、既定ボリュームを超える放射線ビーム経路が超音波ビーム経路と交差するときにターゲットゾーンの照射を減少させるように実行可能である。この実施形態は放射線ビームが所定量を超える超音波ビーム経路と重ならないときのみ、放射線ビームがターゲットゾーンを照射するために使用されるので、有益であり得る。これはターゲットゾーンの外側の被検者の部分に対する放射線の効果を軽減する効果を持ち得る。
本明細書で使用される超音波ビーム経路は超音波ビームの近距離場領域及び／又は場合により遠距離場領域を包含し得る。超音波ビーム経路は熱分布が既定閾値を上回る加熱ゾーンの外側の領域である。
計画熱分布は多数の方法で定義され得る。例えば計画熱分布は温熱量に関して定義され得る。別の実施例では計画熱分布は例えば被検者の一部が所定温度を超える時間の間隔であり得る。
治療計画はターゲットゾーンの電離放射線ビーム治療以上のことを記述し得る。治療計画は例えばＣＴ画像若しくは磁気共鳴画像などの医用画像データを治療計画にレジストレーションするためのランドマークとして使用され得る被検者の解剖学的構造の部分を規定し得る。治療計画は被検者内の所望の温熱量若しくは熱分布についてのデータも含み得る。治療計画は腫瘍若しくはターゲットゾーンの位置若しくは場所も、並びに場合により規定放射線量を伴う臓器の場所及びそれらの領域についての平均温度若しくは温熱量も記述し得る。
別の実施形態において命令の実行はさらにプロセッサに、治療計画と高強度集束超音波シミュレーションモデルを用いて予測熱分布と超音波制御コマンドデータを計算させる。超音波制御コマンドデータは高強度集束超音波システムに予測熱分布に従って被検者を加熱させるように高強度集束超音波システムを制御するために実行可能である。高強度集束超音波シミュレーションモデルは高強度集束超音波システムを記述する。この実施形態は、被検者をソニケーションするために高強度集束超音波システムがどのように使用され得るかのモデルが、計画熱分布と、高強度集束超音波システムを制御するために使用され得るコマンドの両方を決定するために使用されるので、有益であり得る。
典型的に、被検者を照射するために電離放射線ビームを制御することと比較して、被検者の超音波ソニケーションにおける柔軟性は低いので、計画熱分布は放射線制御コマンドデータを生成若しくは計画するプロセスにおいて使用される。これは超音波が所定ポイントにおいて被検者に入るのみであり、ターゲットゾーンへ移動する必要があるためである。例えば肋骨若しくは骨若しくは肺などの他の組織が、被検者をソニケーションするために超音波が使用され得る方向と位置を制限し得る。
別の実施形態において計画熱分布は予測熱分布である。実行はさらにプロセッサに、第一に放射線治療制御コマンドを実行するように放射線ビーム治療システムを制御させ、第二に超音波制御コマンドデータを実行するように高強度集束超音波システムを制御させる。この実施形態において被検者は最初に照射され、それから被検者はソニケーションされる。照射が最初に起こるので、高強度集束超音波シミュレーションモデルを用いて計算された予測熱分布は放射線制御コマンドデータを計画若しくは生成するときに使用されるべきである。この実施形態では被検者への実際の放射線量を推定し、これを用いて後に超音波制御コマンドデータを修正することも可能であり得る。
別の実施形態において命令の実行はさらにプロセッサに、同時に、放射線治療制御コマンドを実行するように放射線ビーム治療システムを制御させ、超音波制御コマンドデータを実行するように高強度集束超音波システムを制御させる。この実施形態において予測熱分布は高強度集束超音波シミュレーションモデルを用いて計算され、そして被検者の照射と高強度集束超音波システムを用いる被検者の加熱が同時に実行される。それらが同時に実行される場合、これは放射線ビーム治療システムを制御するために使用されるコマンドと高強度集束超音波システムを制御するためのコマンドの少なくとも一部が時間的に重なるように実行されることを意味する。
別の実施形態において命令の実行はさらにプロセッサに、超音波制御コマンドデータの実行中に磁気共鳴イメージングシステムを用いて加熱ゾーンと超音波ビーム経路を記述する熱磁気共鳴データを収集させる。命令の実行はさらにプロセッサに、熱磁気共鳴データを用いて測定熱分布を計算させる。命令の実行はさらにプロセッサに、治療計画と測定熱分布を用いて放射線制御コマンドデータを修正させる。この実施形態において被検者の加熱と照射は同時に若しくは少なくとも部分的に重なって起こり、熱磁気共鳴データは加熱が起こるときにそれを補正するために使用される。被検者の加熱が予測熱分布によって決定された通りでない場合、放射線制御コマンドデータがこの変化を考慮するようにオンザフライに修正され得る。
別の実施形態において計画熱分布は測定熱分布である。命令の実行はさらにプロセッサに、第一に超音波制御コマンドデータを実行するように高強度集束超音波システムを制御させ、第二に放射線治療制御コマンドを実行するように放射線ビーム治療システムを制御させる。命令の実行はさらにプロセッサに、超音波制御コマンドデータの実行中に磁気共鳴イメージングシステムを用いて加熱ゾーンと超音波ビーム経路を記述する熱磁気共鳴データを収集させる。命令の実行はさらにプロセッサに、熱磁気共鳴データを用いて測定熱分布を計算させる。この実施形態において被検者は最初に高強度集束超音波システムで加熱され、測定熱分布が磁気共鳴イメージングシステムを用いて測定される。次にこの測定熱分布が計画熱分布として使用され、放射線制御コマンドデータが生成される。
別の実施形態において医療機器は高強度集束超音波システムをさらに有する。
別の実施形態において医療機器は高強度集束超音波システムをさらに有し、高強度集束超音波システムは磁気共鳴イメージングシステムに組み込まれる。
別の実施形態において医療機器は放射線治療システムをさらに有する。放射線治療システムは医用イメージングシステム例えば磁気共鳴イメージングシステム又はコンピュータトモグラフィシステムも組み込むか若しくは有し得ることが可能である。
別の実施形態において医療機器は放射線治療システムをさらに有する。放射線治療システムは高強度集束超音波システムをさらに有する。放射線治療システムは磁気共鳴イメージングシステムをさらに有する。磁気共鳴イメージングシステムが使用される場合、磁気共鳴イメージングシステムは熱磁気共鳴データの測定などの複数の異なる目的のために、また高強度集束超音波システム及び／又は放射線治療システムへ治療計画をレジストレーションするためにも使用され得る。
別の実施形態において放射線ビーム治療システムはＬＩＮＡＣシステムである。
別の実施形態において放射線ビーム治療システムは荷電放射線治療システムである。
別の実施形態において放射線ビーム治療システムはＸ線システムである。
別の実施形態において放射線ビーム治療システムはガンマナイフなどのガンマ線治療システムである。
別の実施形態において計画熱分布は局所平均温度を時間で割ったものを記述する。例えば高強度集束超音波システムによって誘導されるハイパーサーミア中の温度はターゲットゾーンにおいて以下の温度未満に維持され得る：４５℃未満、４４℃未満、４３℃未満、４２℃未満、４１℃未満、若しくは４０℃未満。
別の実施形態において計画熱分布は温熱量である。温熱量は例えばＳａｐａｒｅｔｏ ａｎｄ Ｄｅｗｅｒ，"Ｔｈｅｒｍａｌ ｄｏｓｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ｃａｎｃｅｒ ｔｈｅｒａｐｙ，"Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｏｎｃｏｌｏｇｙ＊ Ｂｉｏｌｏｇｙ＊ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌｕｍｅ １０，Ｉｓｓｕｅ ６，Ｐａｇｅｓ ７８７‐８００，Ａｐｒｉｌ １９８４，ｄｏｉ：１０．１０１６／０３６０‐３０１６（８４）９０３７９‐１に記載の方法で定義され得る。温熱量の他の定義も使用され得る。
別の態様において本発明は医療機器を制御するプロセッサによる実行のためのマシン実行可能命令を有するコンピュータプログラム製品を提供する。医療機器はプロセッサを有する。マシン実行可能命令の実行はプロセッサに、放射線ビーム治療システムを用いて被検者内のターゲットゾーンの電離放射線ビーム治療を記述する治療計画を受信させる。放射線ビーム治療システムは放射線源と、放射線源を回転軸まわりに回転させるためのガントリを有する。放射線源は放射線ビーム経路を照射するために動作可能である。放射線源は回転軸に放射線ビーム経路を向けるために動作可能である。マシン実行可能命令の実行はさらにプロセッサに、高強度集束超音波システムによる被検者の超音波加熱を記述する計画熱分布を受信させる。計画熱分布は空間依存性である。計画熱分布は被検者内の超音波ビーム経路と加熱ゾーンを記述する。ターゲットゾーンは加熱ゾーン内にある。命令の実行はさらにプロセッサに、計画熱分布と治療計画を用いてターゲットゾーンを照射するように放射線ビーム治療システムを制御するための放射線制御コマンドデータを生成させる。放射線制御コマンドデータは放射線源に、既定ボリュームを超える放射線ビームが超音波ビーム経路と交差するときにターゲットゾーンの照射を減少させるように実行可能である。
別の実施例において本発明は医療機器の作動方法を提供する。方法は放射線ビーム治療システムを用いる被検者内のターゲットゾーンの電離放射線ビーム治療を記述する治療計画を受信するステップを有する。放射線ビーム治療システムは放射線源と、放射線源を回転軸まわりに回転させるためのガントリを有する。放射線源は放射線ビーム経路を照射するために動作可能である。放射線源は回転軸に放射線ビーム経路を向けるために動作可能である。方法は、高強度集束超音波システムによる被検者の超音波加熱を記述する計画熱分布を受信するステップをさらに有する。計画熱分布は空間依存性である。計画熱分布は被検者内の超音波ビーム経路と加熱ゾーンを記述する。ターゲットゾーンは加熱ゾーン内にある。方法は、計画熱分布と治療計画を用いてターゲットゾーンを照射するように放射線ビーム治療システムを制御するための放射線制御コマンドデータを生成するステップをさらに有する。放射線制御コマンドデータは放射線源に、既定ボリュームを超える放射線ビーム経路が超音波ビーム経路と交差するときにターゲットゾーンの照射を減少させるように実行可能である。
別の態様において本発明は治療計画を受信するステップを有する放射線治療法を提供する。治療計画は放射線ビーム治療システムを用いて被検者内のターゲットゾーンの電離放射線ビーム治療を記述する。放射線ビーム治療システムは放射線源と、放射線源を回転軸まわりに回転させるためのガントリを有する。放射線源は放射線ビーム経路を照射するために動作可能である。放射線源は回転軸に放射線ビーム経路を向けるために動作可能である。方法は被検者を高強度集束超音波システムの中に置くステップをさらに有する。高強度集束超音波システムは磁気共鳴イメージングシステムを有する。方法は磁気共鳴イメージングシステムを用いて計画磁気共鳴データを収集するステップをさらに有する。方法は高強度集束超音波シミュレーションモデル、治療計画、及び計画磁気共鳴データを用いて高強度集束超音波システムを制御するための超音波制御コマンドデータを生成するステップをさらに有する。高強度集束超音波シミュレーションモデルは高強度集束超音波システムを記述する。
方法は超音波制御コマンドデータを実行することによって被検者をソニケーションするステップをさらに有する。方法は被検者のソニケーション中に熱磁気共鳴データを測定するステップをさらに有する。方法は熱磁気共鳴データを用いて測定熱分布を計算するステップをさらに有する。方法は放射線治療ビームシステムの中に被検者を置くステップをさらに有する。放射線ビーム治療システムは医用画像データを収集するための医用イメージングシステムを有する。方法は測定熱分布、治療計画、及び医用画像データを用いてターゲットゾーンを照射するように放射線ビーム治療システムを制御するための電離放射線制御コマンドを生成するステップをさらに有する。放射線制御コマンドデータは放射線源に、既定ボリュームを超える放射線ビーム経路が超音波ビーム経路と交差するときにターゲットゾーンの照射を減少させるように実行可能である。方法は放射線制御コマンドデータを実行することによって被検者を照射するステップをさらに有する。
放射線治療法の上記実施例において、バリエーションがあり得る。例えば上記において被検者は照射される前にソニケーションされた。他の実施例では被検者は最初に照射されてからソニケーションされてもよい。さらに別の実施例では被検者のソニケーションと照射が、それらが少なくとも部分的に重なるように実行され得る。
本発明の上述の実施形態の一つ以上は、組み合わされる実施形態が相互排他的でない限り組み合わされ得ることが理解される。
以下、本発明の好適な実施形態が、ほんの一例として図面を参照して記載される。
医療機器の一実施例を図示する。 図１の医療機器の作動法を図示するフローチャートを示す。 医療機器のさらなる実施例を図示する。 医療機器のさらなる実施例を図示する。 超音波による被検者の加熱を図示する。 被検者を囲む複数の異なる角度から照射される図５の被検者。 図５と６を重ねて示す。 図７と同様であるが、放射線ビームの数が削減されており、放射線ビームはもはや超音波の近距離場領域から送信されない。 超音波の近距離場と遠距離場へ直接進む放射線ビームが除外されている点を除き、これも図７と同様である。 既定ボリューム以上超音波ビーム経路と交差する放射線ビーム経路が除外されているように放射線ビームの数がさらに削減されている点を除き、図７と同様である。 トランスデューサによって生成される超音波の経路を図示する。 超音波の電子ステアリングの効果を図示する。 超音波トランスデューサの機械的変位の効果を図示する。 複数のソニケーションポイントを用いる平均熱閾値若しくは平均温熱量閾値を図示する。
これらの図中の類似する番号の要素は同等の要素であるか又は同じ機能を実行する。前述された要素は機能が同等である場合後の図において必ずしも論じられない。
図１は医療機器１００の一実施例を示す。医療機器はコンピュータ１０２を有するものとして示される。コンピュータ１０２はプロセッサ１０４を持つ。プロセッサ１０４はハードウェアインターフェース１０６に接続される。ハードウェアインターフェースはプロセッサ１０４が医療機器１００の他のコンポーネントを制御することを可能にし得る。例えば他の実施例において医療機器１００は高強度集束超音波システム若しくはさらに放射線治療システムなどの他のコンポーネントを有し得る。プロセッサ１０４はオプションのユーザインターフェース１０８にも接続されるものとして示される。プロセッサ１０４はまたコンピュータストレージ１１０及びコンピュータメモリ１１２と通信するか若しくは接続される。コンピュータストレージ１１０とコンピュータメモリ１１２のコンテンツは互換性があり得るか、又はストレージ１１０とメモリ１１２内のアイテムは重複し得る。これは図１に示す実施例及び後の実施例においても当てはまる。
コンピュータストレージ１１０は例えばユーザインターフェース１０８を介して若しくは場合によりコンピュータ接続若しくはネットワーク接続を介しても受信されている治療計画１２０を含むものとして示される。コンピュータストレージ１１０は、同様にユーザインターフェース１０８、ネットワーク接続を介して受信されているか、又は場合によりプロセッサ１０４によるさらなる計算若しくは処理によって受信されていてもよい、計画熱分布１２２を含むものとしてさらに示される。コンピュータストレージ１１０は放射線制御コマンドデータ１２４を含むものとしてさらに示される。
コンピュータメモリ１１２は制御モジュール１３０を含むものとして示される。制御モジュールはプロセッサ１０４が医療機器１００の動作と機能を制御することを可能にするコードを含む。一部の実施例において制御モジュール１３０はプロセッサ１０４がハードウェアインターフェース１０６を介して装置の他の追加コンポーネントを制御することを可能にし得る。例えばこれはプロセッサ１０４が高強度集束超音波システム、医用イメージングシステム、及び／又は放射線ビーム治療システムを制御するコマンドを送受信することを可能にし得る。コンピュータメモリ１１２は、プロセッサ１０４が治療計画１２０と計画熱分布１２２を用いて放射線制御コマンドデータ１２４を生成することを可能にするコードを含む放射線制御コマンド生成モジュール１３２をさらに含むものとして示される。
図２は図１に示す医療機器１００を制御する方法を図示するフローチャートを示す。最初にステップ２００において放射線ビーム治療システムを用いる被検者内のターゲットゾーンの電離放射線ビーム治療を記述する治療計画１２０が受信される。放射線治療システムは放射線源と放射線源を回転軸まわりに回転させるためのガントリとを有する。放射線源は放射線ビーム経路を照射するために動作可能である。放射線源は放射線ビーム経路を回転軸に向けるために動作可能である。次にステップ２０２において計画熱分布１２２が受信される。計画熱分布２０２は高強度集束超音波システムによる被検者の超音波加熱を記述する。計画熱分布は空間依存性である。計画熱分布は被検者内の加熱ゾーンと超音波ビーム経路を記述する。ターゲットゾーンは加熱ゾーン内にある。
次にステップ２０４において放射線制御コマンドデータが生成される。放射線制御コマンドデータは計画熱分布１２２と治療計画１２０を用いてターゲットゾーンを照射するように放射線ビーム治療システムを制御するためのものである。放射線制御コマンドデータ１２４は放射線源に、既定ボリュームを超える放射線ビーム経路が超音波ビーム経路と交差するときにターゲットゾーンの照射を減少させるように動作可能である。
図３ａ、３ｂ及び３ｃは医療機器３００の一実施例を図示する。これらの図において円内の文字は図の異なる部分間の関係を示す。
医療機器３００は図１に図示されたコンピュータ１０２を有する。加えて医療機器３００は医用イメージングシステム３０３と一体化される放射線ビーム治療システム３０１を有する。医療機器３００は高強度集束超音波システム３０４と一体化される磁気共鳴イメージングシステム３０２も有する。
磁気共鳴イメージングシステム３０２は磁石３０６を有する。図３Ｂに示す磁石は円筒型超電導磁石である。磁石は超電導コイルとともに液体ヘリウム冷却クライオスタットを持つ。永久磁石若しくは抵抗磁石を使用することも可能である。異なるタイプの磁石の使用も可能であり、例えばスプリット円筒磁石及びいわゆるオープン磁石の両方を使用することも可能である。スプリット円筒磁石は磁石のｉｓｏ‐ｐｌａｎｅへのアクセスを可能にするためにクライオスタットが二つのセクションに分割されている点を除き、標準円筒磁石と同様であり、かかる磁石は例えば荷電粒子ビーム治療と併用して使用され得る。オープン磁石は被検者を受け入れるために十分な大きさの空間を間に持つ上下の二つの磁石セクションを持つ。二つのセクション領域の配置はヘルムホルツコイルのものと同様である。オープン磁石は、被検者があまり閉じ込められないので、一般的である。円筒磁石のクライオスタットの内部に、超電導コイルの集合がある。円筒磁石３０６のボア３０８内に、磁場が磁気共鳴イメージングを実行するために十分に強く均一である、イメージングゾーン３１８がある。
磁石のボア３０６内に、磁気共鳴データの収集中に磁石のイメージングゾーン内の磁気スピンを空間エンコードするために使用される傾斜磁場コイル３１０もある。傾斜磁場コイル３１０は傾斜磁場コイル電源３１２に接続される。傾斜磁場コイルは代表例の意図である。典型的に傾斜磁場コイルは三つの直交空間方向に空間エンコードするための三つの個別コイルセットを含む。傾斜磁場電源は傾斜磁場コイルに電流を供給する。磁場コイルへ供給される電流は時間の関数として制御され、ランプ若しくはパルス化され得る。
ボア３０８の中心にイメージングゾーン３１８がある。イメージングゾーンに隣接して、トランシーバ３１６に接続される高周波コイル３１４がある。ボア３０８内に被検者支持台３２２上に横になる被検者３２０もある。高周波コイル３１４はイメージングゾーン内の磁気スピンの配向を操作するため、及び同様にイメージングゾーン内のスピンからの無線伝送を受信するために適している。高周波コイル３１４はマルチコイル素子を含み得る。高周波コイルはチャネル若しくはアンテナともよばれ得る。高周波コイル３１４と高周波トランシーバ３１６は個別の送信及び受信コイル並びに個別の送信機と受信機によって置き換えられ得る。高周波コイル３１４と高周波トランシーバ３１６は代表例であることが理解される。高周波コイル３１４は専用送信アンテナ及び専用受信アンテナをあらわすことも意図される。同様にトランシーバは個別送信機と受信機もあらわし得る。
高強度集束超音波システム３０４は超音波トランスデューサ３２６を囲む流体充填チャンバ３２４を有する。超音波トランスデューサ３２６は機械的ポジショニングシステム３２８によって機械的にポジショニングされる。機械的ポジショニングシステムを駆動するためのアクチュエータ３３０がある。代替的な実施形態において超音波トランスデューサは流体充填チャンバ３２４若しくは機械的ポジショニングシステム３２８なしに手動でポジショニングされる外部トランスデューサであり得る。
超音波トランスデューサ３２６は超音波を発するための複数の素子も含み得る。図示されない電源が超音波トランスデューサ３２６の素子へ供給される交流電流電力の振幅及び／又は位相及び／又は周波数を制御し得る。破線３３２は超音波トランスデューサ３２６からの超音波の経路を示す。超音波３３２は最初に流体充填チャンバ３２４を通過する。そして超音波は超音波窓３３４を通過する。超音波窓３３４を通過後、超音波は窓３３４と被検者３２０の間で超音波を伝導するために使用され得るオプションのゲルパッド３３６を通過する。そして超音波３３２は被検者３２０へ入り、焦点若しくはソニケーションポイント３３８へ集束される。ターゲットゾーンである領域３４０がある。ソニケーションポイント３３８の電子及び機械的ポジショニングの組み合わせを通じて、ターゲットゾーン３４０全体が加熱及び維持軌道の組み合わせを通じて加熱され得る。ターゲットゾーン３４０はイメージングゾーン３１８内にある。
医用イメージングシステム３０３は被検者３２０から医用画像データを収集するためのイメージングゾーン３１８'を持つ。放射線ビーム治療システム３０１は医用イメージングシステム３０３まわりに取り付けられるガントリ３５０を有する。ガントリ３５０の回転軸３５２はターゲットゾーン３４０を直接通って進むように示される。被検者３２０は被検者支持台３２２'上にある。支持台ポジショニングシステム３６０が例えばターゲットゾーン３４０を軸３５２の中に動かすように被検者支持台３２２'をポジショニングするために使用され得る。
放射線ビーム治療システム３０１は軸３５２へ向けられるようにポジショニングされる放射線源３５４とコリメータ３５６とを持つ。ガントリ３５０は放射線源３５４とオプションのコリメータ３５６を回転させることができる。これは放射線源３５４が被検者３２０まわりをスピンして異なる角度からターゲットゾーン３４０を照射することを可能にする。放射線ビーム３５８の経路は破線で示され、ターゲットゾーン３４０と交差するように見られる。
ガントリ３５０は放射線源３５４を磁石３０６まわりに回転させるために使用される。ガントリ３５０は回転軸３５２まわりに回転する。ガントリ３５０によって回転される放射線源３５４がある。放射線源３５４はコリメータ３５６を通過する放射線ビーム３５８を生成する。図中ターゲットゾーンは３４０とラベルされる。ターゲットゾーン３４０は回転軸３５２上に位置することが留意され得る。放射線源３５４が回転軸３５２まわりを回転するにつれてターゲットゾーン３４０は常に標的とされる。被検者３２０に対してターゲットゾーン３４０の場所をポジショニングするために支持台３２２'をポジショニングするための支持台ポジショニングシステム３６０もある。
傾斜磁場コイル電源３１２、トランシーバ３１６、アクチュエータ３３０、支持台ポジショニングシステム３６０、医用イメージングシステム３０３、及び放射線ビーム治療システム３０１は全てコンピュータシステム１０２のハードウェアインターフェース１０６に接続されるものとして示される。
この実施例においてコンピュータストレージ１１０は、磁気共鳴イメージングシステム３０２を制御するための命令へ変えられ得る命令若しくはデータを含むパルスシーケンス３７０を含むものとして示される。パルスシーケンス３７０は実際にはマルチパルスシーケンスであり得る。コンピュータストレージ３７２はパルスシーケンス３７０を用いて収集された磁気共鳴データ３７２を含むものとして示される。コンピュータストレージ１１０は磁気共鳴データ３７２から再構成された磁気共鳴画像３７４を含むものとしてさらに示される。コンピュータストレージ１１０はパルスシーケンス３７０のバリエーションとともに収集される熱磁気共鳴データ３７６を含むものとしてさらに示される。コンピュータストレージ３７８はターゲットゾーン３４０及び超音波の経路３３２周辺の測定熱分布３７８を含むものとして示される。コンピュータストレージはイメージングゾーン３１８'内の医用イメージングシステム３０３によって収集される医用画像データ３８０を含むものとしてさらに示される。コンピュータストレージ１１０は医用画像データ３８０から再構成される医用画像３８２を含むものとしてさらに示される。コンピュータストレージは予測熱分布３８４及び超音波制御コマンドデータ３８６を含むものとして示される。
コンピュータメモリ１１２はプロセッサ１０４が磁気共鳴データ３７２から磁気共鳴画像３７４を、熱磁気共鳴データ３７６から測定熱分布３７８を、及び医用画像データ３８０から医用画像３８２を再構成することを可能にする命令を含む画像再構成モジュール３９０を含むものとしてさらに示される。コンピュータストレージは例えば治療計画１２０を磁気共鳴画像３７４及び／又は医用画像３８２へレジストレーションするために使用され得る画像レジストレーションモジュール３９２をさらに含むものとして示される。コンピュータメモリ１１２は治療計画１２０内に含まれるデータを用いて予測熱分布３８４及び超音波制御コマンドデータ３８６を生成するために使用される高強度集束超音波シミュレーションモジュール３９４を含むものとしてさらに示される。磁気共鳴イメージングシステム３０２と高強度集束超音波システム３０４は放射線ビーム治療システム３０１及び医用イメージングシステム３０３から離れた場所にあってもよい。
医療機器３００は様々な方法で使用され得る。例えば被検者は最初に高強度集束超音波システム３０４を用いてソニケーションを実行するために磁気共鳴イメージングシステム３０２の中に置かれ、そして放射線ビーム治療システム３０１の中に置かれ得る。代替的に被検者３２０は最初に放射線ビーム治療システム３０１で照射され、それから後に高強度集束超音波システム３０４を用いてソニケーションされ得る。
図４は医療機器４００のさらなる実施例を図示する。この実施例において放射線ビーム治療システム３０１は磁気共鳴イメージングシステム３０２と高強度集束超音波システム３０４に組み込まれている。磁気共鳴イメージングシステム３０２は医用イメージングシステム３０３の機能を果たす。
磁石３０６は超電導磁石であり図３より詳細がこの図に示される。複数の超電導コイル４０４を伴うクライオスタット４０２がある。磁石３０６を囲む削減された磁場のエリアを作るために使用され得る補償コイル３０６もある。放射線ビーム治療システム３０１はこの実施形態において一般に放射線治療システムの代表例であることが意図される。ここで示すコンポーネントはＬＩＮＡＣ及びｘ線治療システムに典型的である。しかしながらスプリット磁石を用いるなどの若干の修正とともに荷電粒子若しくはベータ粒子放射線治療システムもこの図を用いて例示され得る。磁石３０６の壁は放射線ビーム３５８を減衰させ得るが、これを最小化するように物質が選ばれ得る。超電導コイル４０４と補償コイルは放射線ビーム経路３５８からはずれてポジショニングされ得る。
図４に示す実施例において医療機器４００は複数の異なる方法で作動され得る。例えば被検者は最初に高強度集束超音波システム３０４でソニケーションされ、それから放射線ビーム治療システム３０１を用いて被検者３２０を照射し得る。医療機器４００は被検者３２０のソニケーションが放射線ビーム治療システム３０１を用いる被検者３２０の照射中に少なくとも部分的に実行されるようにも操作され得る。医療機器４００は被検者３２０が放射線ビーム治療システムを用いて最初に照射され、それから後に高強度集束超音波システム３０４を用いてソニケーションされるようにも操作され得る。
高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）によって提供されるハイパーサーミアは局所的に改良された放射線治療処置に対して組織を増感させる既知の方法である。しかしながらＨＩＦＵハイパーサーミア加熱パターンは標的とされる腫瘍組織だけでなくＨＩＦＵビーム経路内の周辺健常組織も増感させる傾向がある。結果としてこの増感された健常組織の過剰な巻き添え損傷が、標準放射線治療処置とＨＩＦＵハイパーサーミアを併用する間に起こり得る。提案される発明は、超音波ビーム経路と整列した放射線ビームをオフにすることによって巻き添え損傷を軽減するように放射線治療計画を修正することから成る。
ハイパーサーミアの使用は、放射線治療結果を改良する、又は適用される放射線治療線量を削減する、組織を増感させる効率的な方法である。磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）によってガイドされる高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）技術の近年の発展は、ローカライゼーションと典型的には４１℃で６０分の最適ハイパーサーミア加熱のために必要な温度レベルを正確に制御する可能性を提供する。
ＨＩＦＵによって提供されるハイパーサーミア加熱パターンはトランスデューサからターゲット領域へ向かう超音波エネルギーの固有伝搬のために不完全なままである。結果として望まない加熱が超音波ビーム経路に沿って生じ、これはターゲット領域内の腫瘍組織だけでなく近距離場（すなわち腫瘍とトランスデューサの間）及び遠距離場（超音波軸に沿って腫瘍の後ろ）における健常組織も増感させる。結果として超音波ビーム経路内の皮膚、皮下脂肪、筋肉及び他の臓器も望まない放射線治療増感にさらされる。本発明は望まない放射線治療増感を被る健常組織の巻き添え損傷を軽減するために実行されるハイパーサーミアの関数として放射線治療計画を適応させる方法を提案する。
ＨＩＦＵハイパーサーミアは、超音波ビーム経路に沿ってではなく、超音波ビーム経路に垂直な方向に温度分布の正確な制御を提供するので、提案されるソリューションは超音波ビーム経路と整列するときに放射線治療ビームをオフにすることから成る。
図５は被検者３２０の加熱を図示する。ＨＩＦＵトランスデューサ３２６は被検者３２０に向けられ、超音波はターゲットゾーン３４０への経路３３２をたどる。超音波の経路は近距離場５００と遠距離場５０２によって構成される。被検者による超音波の吸収が高いので、遠距離場領域５０２は一部の場合において無視できる可能性がある。領域３３２は被検者内の超音波ビーム経路を示す。
図６は同じ被検者３２０とターゲットゾーン３４０を示す。被検者３２０は放射線ビーム治療システム内にポジショニングされており、放射線源はターゲットゾーン３４０を照射するために複数の角度へ回転されている。６００とラベルされた矢印で示される経路は放射線が被検者３２０へ入ることができる異なる可能な経路を示す。図５と６を比較すると複数の経路が超音波経路３３２と大いに重なることがみてとれる。これはターゲットゾーンの領域３４０にないエリア３３２内の領域が意図せぬ放射線損傷に悩まされ得るため、望ましくない可能性がある。
図５と６は集束超音波トランスデューサによって生成されるハイパーサーミア加熱パターンの実施例（図５）と、太い黒の実線６００によって描かれる体まわりに３０°ごとに放射線治療ビームを適用することによる同じターゲットスポットの放射線治療計画の実施例（図６）を軸方向ビューで図示する。
図７は図５と６を互いに重ねて示す。ターゲットゾーンに隣接して意図せぬ放射線損傷の二つの領域７００が見られる。意図せぬ放射線損傷の領域７００は放射線ビーム６００と超音波３３２の大きな重なりがあるところである。
図８は図７と同様であるが、放射線ビームの数が削減されており、放射線ビームはもはや近距離場領域５００から送られていない。図７と比較するとき、意図せぬ損傷７００が少ないことが図８において見られる。
図９も図８及び７と同様である。図９において、近距離場５００と遠距離場５０２に向けられる放射線ビームが除外されているように、放射線ビームはさらに削減されている。意図せぬ損傷エリア７００が図７若しくは８に示すよりも小さいことがみてとれる。
図１０は図７、８及び９に示す図と同様である。しかしながら図１０では、既定ボリューム以上超音波ビーム経路３２２と交差する放射線ビーム経路が除外されているように、放射線ビームの数がさらに削減されている。図１０を図７、８及び９と比較すると、意図せぬ損傷の量が大きく削減されることがみてとれる。図１０は放射線ビーム経路が既定ボリューム以上超音波ビーム経路と交差するときにターゲットゾーン３４０を標的としないように放射線ビーム治療システムを制御する利点を図示する。超音波ビーム経路は、それより上に振動強度の閾値がある超音波の経路に関して定義され得、これは超音波によって供給される温熱量によって定義され得、これは既定閾値を超える時間で割った局所平均温度を持つ領域によっても決定され得る。
ハイパーサーミア加熱パターンを放射線治療計画と重ねることによって、図７から１０はハイパーサーミアと放射線治療の組み合わせによって誘導される組織損傷をグレースケールで記述する。図７に示す通り、ハイパーサーミアとの標準放射線治療計画の使用は超音波ビーム経路の近距離場と遠距離場において過剰な組織損傷を誘導する。図８は皮膚や皮下脂肪などの健常な近距離場組織を保護するために超音波トランスデューサの配向から来る放射線治療ビームがオフにされる代替的な放射線治療計画を示す。超音波ビーム経路の遠距離場に位置する重要臓器の場合、図９に図示の通りトランスデューサ軸の両方向に沿った放射線ビームがオフにされ得る。
ハイパーサーミアによる放射線増感にさらされる健常組織のさらなる保護のために、超音波ビーム経路の一部と整列する全放射線治療ビームが図１０に提示の通りオフにされ得る。ハイパーサーミアが放射線治療の有効性を著しく増大するので、使用される放射線治療ビーム配向の数の削減にもかかわらず、十分な量の組織損傷がターゲット領域において起こることが予測される。得られる修正された放射線治療処置計画はトランスデューサビーム経路に沿った加熱の空間的制御の欠如を補うことを可能にする。
集束超音波治療トランスデューサは球形を持ち、これはこの球の中心に焦点を形成することを可能にする。この位置においてトランスデューサの各部分から来る超音波が建設的に干渉する。これは中心における最大強度に対して５０％強度閾値によって定義されるビーム軸（若しくはトランスデューサの回転軸）に沿って延在する小楕円焦点を作り出す。近距離場領域は楕円焦点とトランスデューサの間に位置するビーム経路の部分として定義される。反対に、遠距離場領域はトランスデューサから離れて焦点の後に位置するビーム経路の部分と定義される。
図１１に図示の通り、湾曲トランスデューサはヘアライン３３２によってあらわされるコーンビーム形状内に主に含まれる超音波を生成する。この図上で５０％ １１００、２５％ １１０２及び１２．５％ １１０４における強度閾値がそれぞれ実線、破線及び点線で区切られる。この強度分布を生体組織に適用すると、同様の空間分布を持つ温度上昇を生成する。図１１上で、実線、破線及び点線はそれぞれ、最初は３７℃の生体組織内部の単一点ソニケーションにおいてソニケーションを実行する間の４５℃ １１００、４１℃ １１０２及び３９℃ １１０４の平均加熱分布もあらわし得る。
図１１はトランスデューサ３２６によって生成される超音波の経路３３２を図示し、単一焦点１１００に対する強度若しくは熱閾値を図示する。焦点は超音波波長に非常に近い（すなわち１５４０ｍ／秒の速さで生体組織内で１．５ＭＨｚを用いる間は１ｍｍに近い）サイズを持つので、この小焦点は直径１から１０ｃｍの範囲の大きな腫瘍ボリュームの加熱を実行するために異なる場所へ動かされる。図１２及び１３に図示の通り、焦点はビーム経路の電子ステアリングを用いるか（フェーズアレイトランスデューサを用いるとき）若しくはトランスデューサの機械的変位によって（モーターアームを用いるとき）動かされ得る。電子ステアリングは速いが小さな変位を可能にし、機械的変位は遅いが大きな変位を可能にするので、大きな領域のハイパーサーミアを実行するために焦点の機械的及び電子的変位の両方の組み合わせが大きな領域を迅速にカバーするように使用される。
図１２は超音波の電子ステアリングを図示する。経路３３２は第一の位置であり、３３２'とラベルされる経路は電子ステアリングを用いて制御される第二の経路の超音波を示す。
図１３はトランスデューサ３２６の機械的変位を図示する。トランスデューサが第一の位置３２６と第二の位置３２６'において示される。第一の位置３２６において超音波は経路３３２をたどる。第二の位置３２６'において超音波は経路３３２'をたどる。
図１４は四つの異なる位置３２６，３２６'，３２６"，３２６'''においてトランスデューサを示す。図１４は複数のソニケーションポイントを用いる平均熱閾値若しくは平均温熱量閾値を図示する。ソニケーションポイントは１４００とラベルされる。
大きな領域をカバーするために多数の焦点１４００を用いる間、各焦点によって誘導される加熱は焦点領域内だけでなく全ビーム経路に沿っても相互に増強する。図１４は互いに隣接する４焦点の一実施例を図示する。４５℃ １１００、４１℃ １１０２及び３９℃ １１０４における得られる平均加熱分布がそれぞれ実線、破線及び点線であらわされる。多数の焦点位置の使用は近距離場だけでなく遠距離場においても加熱されたゾーンのサイズを増加する。
図１４はマルチソニケーションポイントを用いる強度若しくは平均熱閾値若しくは温熱量閾値を図示する。
加熱分布は放射線増感ゲインを評価するために単位時間あたり平均加熱を用いて特徴付けられ得る。代替的に細胞損傷に対するハイパーサーミアの効果（及び従って放射線増感ゲイン）は１９８４年にＳａｐａｒｅｔｏ及びＤｅｗｅｙによって定義された温熱量概念を用いて評価され得る。ＥＭ４３における温熱量はこの方程式：
Figure 0006130068
で定義される温度の積分を用いて４３℃における加熱に相当する加熱時間として定義される。
結果として図１４に記載の加熱パターンがそれぞれ実線、破線及び点線で定義される４５℃、４１℃及び３９℃の閾値で３０分間維持され得る場合、同じラインは１２０ ＥＭ４３、２ ＥＭ４３及び０．１ ＥＭ４３の温熱量閾値もあらわし得る。
本発明は図面と以下の説明において詳細に図示され記載されているが、かかる図示と記載は例示若しくは説明であって限定ではないとみなされるものとする。本発明は開示の実施形態に限定されない。
開示の実施形態への他の変更は図面、開示及び添付の請求項の考察から、請求される発明を実施する上で当業者によって理解されもたらされることができる。請求項において、"有する"という語は他の要素若しくはステップを除外せず、不定冠詞"ａ"若しくは"ａｎ"は複数を除外しない。単一のプロセッサ若しくは他のユニットは請求項に列挙される複数の項目の機能を果たし得る。特定手段が相互に異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実は、これら手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に若しくはその一部として供給される光学記憶媒体若しくはソリッドステート媒体などの適切な媒体上に格納／分散され得るが、インターネット又は他の有線若しくは無線通信システムなどを介して他の形式で分散されてもよい。請求項における任意の参照符号は範囲を限定するものと解釈されてはならない。
１００ 医療機器
１０２ コンピュータ
１０４ プロセッサ
１０６ ハードウェアインターフェース
１０８ ユーザインターフェース
１１０ コンピュータストレージ
１１２ コンピュータメモリ
１２０ 治療計画
１２２ 計画熱分布
１２４ 放射線制御コマンドデータ
１３０ 制御モジュール
１３２ 放射線制御コマンド生成モジュール
３００ 医療機器
３０１ 放射線ビーム治療システム
３０２ 磁気共鳴イメージングシステム
３０３ 医用イメージングシステム
３０４ 高強度集束超音波システム
３０６ 磁石
３０８ 磁石のボア
３１０ 傾斜磁場コイル
３１２ 傾斜磁場コイル電源
３１４ 高周波コイル
３１６ トランシーバ
３１８ イメージングゾーン
３１８' イメージングゾーン
３２０ 被検者
３２２ 被検者支持台
３２４ 流体充填チャンバ
３２６ 超音波トランスデューサ
３２８ 機械的ポジショニングシステム
３３０ アクチュエータ
３３２ 超音波の経路
３３４ 超音波窓
３３６ ゲルパッド
３３８ ソニケーションポイント
３４０ ターゲットゾーン
３５０ ガントリ
３５２ 回転軸
３５４ 放射線源
３５６ コリメータ
３５８ 放射線ビーム
３６０ 支持台ポジショニングシステム
３７０ パルスシーケンス
３７２ 磁気共鳴データ
３７４ 磁気共鳴画像
３７６ 熱磁気共鳴データ
３７８ 測定熱分布
３８０ 医用画像データ
３８２ 医用画像
３８４ 予測熱分布
３８６ 超音波制御コマンドデータ
３９０ 画像再構成モジュール
３９２ 画像レジストレーションモジュール
３９４ 高強度集束超音波シミュレーションモジュール
４００ 医療機器
４０２ クライオスタット
４０４ 超電導コイル
４０６ 補償コイル
５００ 近距離場
５０２ 遠距離場
６００ 放射線ビーム経路
１１００ 強度閾値５０％
１１０２ 強度閾値２５％
１１０４ 強度閾値１２．５％
１４００ ソニケーションポイント

Claims (14)

  1. 医療機器を制御するためのプロセッサと、
    前記プロセッサによる実行のためのマシン実行可能命令を含むメモリと
    を有する、医療機器であって、前記マシン実行可能命令の実行が前記プロセッサに、
    放射線ビーム治療システムを用いる被検者内のターゲットゾーンの電離放射線ビーム治療を記述する治療計画を受信させ、前記放射線ビーム治療システムは放射線源と、当該放射線源を回転軸まわりに回転させるためのガントリとを有し、前記放射線源は放射線ビーム経路を照射するために動作可能であり、前記放射線源は前記回転軸に前記放射線ビーム経路を向けるために動作可能であり；
    高強度集束超音波システムによる前記被検者の超音波加熱を記述する計画熱分布を受信させ、前記計画熱分布は空間依存性であり、前記計画熱分布は前記被検者内の加熱ゾーンと超音波ビーム経路を記述し、前記ターゲットゾーンは前記加熱ゾーン内にあり；
    前記計画熱分布と前記治療計画を用いて前記ターゲットゾーンを照射するように前記放射線ビーム治療システムを制御するための放射線制御コマンドデータを生成させ、前記放射線制御コマンドデータは前記放射線源に、既定ボリュームを超える放射線ビーム経路が前記超音波ビーム経路と交差するときに前記ターゲットゾーンの照射を削減させるように実行可能である、
    医療機器。
  2. 前記命令の実行がさらに前記プロセッサに、前記治療計画と高強度集束超音波シミュレーションモデルを用いて予測熱分布と超音波制御コマンドデータを計算させ、前記超音波制御コマンドデータが、高強度集束超音波システムに前記予測熱分布に従って前記被検者を加熱させるように高強度集束超音波システムを制御するために実行可能であり、前記高強度集束超音波シミュレーションモデルは前記高強度集束超音波システムを記述する、請求項１に記載の医療機器。
  3. 前記計画熱分布が前記予測熱分布であり、前記命令の実行がさらに前記プロセッサに、第一に前記放射線制御コマンドデータを実行するように前記放射線ビーム治療システムを制御させ、第二に前記超音波制御コマンドデータを実行するように前記高強度集束超音波システムを制御させる、請求項２に記載の医療機器。
  4. 前記命令の実行がさらに前記プロセッサに、同時に、前記放射線制御コマンドデータを実行するように前記放射線ビーム治療システムを制御させ、前記超音波制御コマンドデータを実行するように前記高強度集束超音波システムを制御させる、請求項２に記載の医療機器。
  5. 前記命令の実行がさらに前記プロセッサに、前記超音波制御コマンドデータの実行中に磁気共鳴イメージングシステムを用いて前記加熱ゾーンと前記超音波ビーム経路を記述する熱磁気共鳴データを収集させ、前記命令の実行がさらに前記プロセッサに、前記熱磁気共鳴データを用いて測定熱分布を計算させ、前記命令の実行がさらに前記プロセッサに、前記治療計画と前記測定熱分布を用いて前記放射線制御コマンドデータを修正させる、請求項４に記載の医療機器。
  6. 前記計画熱分布が測定熱分布であり、前記命令の実行がさらに前記プロセッサに、第一に前記超音波制御コマンドデータを実行するように前記高強度集束超音波システムを制御させ、第二に前記放射線制御コマンドデータを実行するように前記放射線ビーム治療システムを制御させ、前記命令の実行がさらに前記プロセッサに、前記超音波制御コマンドデータの実行中に磁気共鳴イメージングシステムを用いて前記加熱ゾーンと前記超音波ビーム経路を記述する熱磁気共鳴データを収集させ、前記命令の実行がさらに前記プロセッサに、前記熱磁気共鳴データを用いて前記測定熱分布を計算させる、請求項２に記載の医療機器。
  7. 前記医療機器が前記高強度集束超音波システムをさらに有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の医療機器。
  8. 前記医療機器が前記放射線ビーム治療システムをさらに有する、請求項１又は２に記載の医療機器。
  9. 前記医療機器が前記放射線ビーム治療システムをさらに有し、前記放射線ビーム治療システムが前記高強度集束超音波システムをさらに有し、前記放射線ビーム治療システムが磁気共鳴イメージングシステムをさらに有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の医療機器。
  10. 前記放射線ビーム治療システムが、ＬＩＮＡＣシステム、荷電粒子治療システム、Ｘ線システム、及びガンマ線治療システムのうちいずれか一つである、請求項１から９のいずれか一項に記載の医療機器。
  11. 前記計画熱分布が時間で割った局所平均温度を記述する、請求項１から１０のいずれか一項に記載の医療機器。
  12. 前記計画熱分布が温熱量である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の医療機器。
  13. 医療機器を制御するプロセッサによる実行のためのマシン実行可能命令を有するコンピュータプログラム製品であって、前記医療機器は前記プロセッサを有し、前記マシン実行可能命令の実行が前記プロセッサに、
    放射線ビーム治療システムを用いる被検者内のターゲットゾーンの電離放射線ビーム治療を記述する治療計画を受信させ、前記放射線ビーム治療システムは放射線源と、当該放射線源を回転軸まわりに回転させるためのガントリとを有し、前記放射線源は放射線ビーム経路を照射するために動作可能であり、前記放射線源は前記回転軸に前記放射線ビーム経路を向けるために動作可能であり；
    高強度集束超音波システムによる前記被検者の超音波加熱を記述する計画熱分布を受信させ、前記計画熱分布は空間依存性であり、前記計画熱分布は前記被検者内の加熱ゾーンと超音波ビーム経路を記述し、前記ターゲットゾーンは前記加熱ゾーン内にあり；
    前記計画熱分布と前記治療計画を用いて前記ターゲットゾーンを照射するように前記放射線ビーム治療システムを制御するための放射線制御コマンドデータを生成させ、前記放射線制御コマンドデータは前記放射線源に、既定ボリュームを超える放射線ビーム経路が超音波ビーム経路と交差するときに前記ターゲットゾーンの照射を削減させるように実行可能である、
    コンピュータプログラム製品。
  14. 医療機器の作動方法であって、
    放射線ビーム治療システムを用いる被検者内のターゲットゾーンの電離放射線ビーム治療を記述する治療計画を受信するステップであって、前記放射線ビーム治療システムは放射線源と、当該放射線源を回転軸まわりに回転させるためのガントリとを有し、前記放射線源は放射線ビーム経路を照射するために動作可能であり、前記放射線源は前記回転軸に前記放射線ビーム経路を向けるために動作可能である、ステップと；
    高強度集束超音波システムによる前記被検者の超音波加熱を記述する計画熱分布を受信するステップであって、前記計画熱分布は空間依存性であり、前記計画熱分布は前記被検者内の加熱ゾーンと超音波ビーム経路を記述し、前記ターゲットゾーンは前記加熱ゾーン内にある、ステップと；
    前記計画熱分布と前記治療計画を用いて前記ターゲットゾーンを照射するように前記放射線ビーム治療システムを制御するための放射線制御コマンドデータを生成するステップであって、前記放射線制御コマンドデータは前記放射線源に、既定ボリュームを超える放射線ビーム経路が超音波ビーム経路と交差するときに前記ターゲットゾーンの照射を削減させるように実行可能である、ステップと
    を有する方法。
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