JP6853214B2 - 放射誘導の放射線治療の方法および装置 - Google Patents

Description

（関連出願）
本特許出願は、２００８年３月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／０３６，７０９号、および２００９年２月９日出願された米国特許出願第１２／３６７，６７９号の優先権の利益を主張し、これらの出願の内容は、その全体が本明細書に参照によって援用される。

（技術の分野）
本開示は、放射線治療の装置および方法に関し、より詳細には、高エネルギ放射線を用いて体内の癌組織を治療する装置および方法に関する。

（背景）
放射線治療（ＲＴ）は、腫瘍細胞を殺す高エネルギ放射線（例えば、ｘ線）を用いて体内の癌性組織を治療する方法である。ＲＴの２つの主要な種類、すなわち体内ビームおよび体外ビームがある。体内ビームＲＴは、患者の体内または治療されるべき癌性部位の近くに放射性物質を移植することによって達成される。体外ビームＲＴは、放射線の高エネルギビームが治療されるべき領域を通過するように、患者を通る放射線の高エネルギビームを向けることによって達成される。体外ＲＴは、過去数十年間にわたり著しく進化してきた。健康な組織を温存しながら致死の放射線量を腫瘍に適用する努力において、腫瘍の二次元の投写像を患者の表面上で一致させるために三次元正角ビームＲＴなどの技術がビームを形作るために用いられる。さらに、ビームは、周囲の健康な組織に対する放射線量を最小にしながら、腫瘍に対する放射線量を最大にするように、患者の周りで様々な角度および変化する強度で適用される。これは、強度変調ＲＴ（ＩＭＲＴ）として公知である。

しかしながら、腫瘍の位置および運動に関連する不確実性は、体外ビームＲＴの有効性を制限し得る。静的誤差は、患者設定の変動性ならびに内部器官の移動による腫瘍位置の自然の変化から生じる。これらは治療ごとに変化し得る。動的誤差は、治療中の腫瘍の運動から生じる（例えば、患者の呼吸による）。例えば、肺腫瘍は、通常の患者の呼吸中１ｃｍ〜２ｃｍのオーダーで動くことが知られている。この継続する問題は、結果として、新しいクラスのＲＴシステム、すなわち画像誘導ＲＴ（ＩＧＲＴ）をもたらした。これらの技術は、腫瘍位置が治療時に知られ得るように、治療前かつ時々治療中同時に、従来の医用描写法（ｘ線、ＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴなど）を用いて腫瘍領域を映像化することを含む。

しかしながら、ＩＧＲＴ技術は、腫瘍映像化の特異性の欠如（例えば、多くの場合、ｘ線ＣＴから腫瘍境界を視覚化することはほとんど不可能である）か、または不十分な時間的解像度（ＰＥＴは癌の映像化に最も感度のよい様式であるが、良好な品質のＰＥＴ画像を作るに数分かかる）のいずれかを被る。いずれの場合においても、ＲＴ中に腫瘍を動的に追跡することはなおも非常に困難である。

陽電子放射断層撮影法（ＰＥＴ）は、体内の癌性組織を検出するためにしばしば用いられる医用描写法である。ＰＥＴラジオトレーサとして公知の放射性原子によって標識された分子が、まず患者の中に注射される。患者内の放射性原子は、放射性崩壊を受け、陽電子を放射する。陽電子は、原子から放射されると、すぐに近くの電子と衝突し、その後、両方とも消滅させられる。２つの高エネルギ光子（５１１ ｋｅＶ）は、消滅の地点から放射され、反対の方向に進む。２つの光子が２つのＰＥＴカメラによって同時に検出されるとき、２つのＰＥＴカメラを結ぶ線に沿ったどこかにおいて消滅が起ることは公知である。この線は、陽子消滅放射経路と呼ばれている。何千ものこれらの放射経路から収集された情報は、体内におけるＰＥＴラジオトレーサ分布の画像を徐々に組み立てるために用いられる。最も一般的に用いられるＰＥＴラジオトレーサは、フッ素１８フルオロデオキシグルコース（ＦＤＧ）である。これは、グルコース代用品であり、従って、体内における新陳代謝活動の速度を映像化するために用いられる。癌性組織は健康な組織より新陳代謝的に活動的である傾向があり、正常な組織に対し腫瘍においてＦＤＧ吸収の増加があり、従って、ＰＥＴ信号の増加がある。ＦＤＧ−ＰＥＴは、癌の存在を検出するために用いられ得る最も感度のある描写法のうちの１つである。これは、癌の診断と治療の監視の両方のために広範囲に用いられる。しかしながら、外部ビームＲＴと同時にＰＥＴを用いることは、非実用的である。妥当な品質の画像を得るためにＰＥＴ映像法は１０分のオーダーの時間を要し、このことは、腫瘍位置の動的追跡のための手段としてＰＥＴを使用することを非常に制限する。

（概要）
本主題は、同時陽電子消滅放射経路に沿って放射線をスキャンし、整列させる装置および方法に関する。方法は、セッション中に所定のボリュームと交差する放射性事象から同時陽電子消滅放射経路を検出することと、セッション中に放射経路に沿って放射線源を整列させることとを含む。様々な例は、個々の検出された放射事象に応じた、放射線の繰返しのタイムリーな整列を含む。様々な例は、所定のボリュームを識別する位置データを受信し、放射線に敏感な領域に放射線を方向付けることを避けることを含む。

放射セッション中に放射線を整列させる装置が提供される。装置は、放射線源と、座標系内に生じる同時陽電子消滅放射を検出するように構成される同時陽電子放射検出器と、放射線源および同時陽電子放射検出器と通信する制御器であって、制御器は、座標系内の１つ以上のボリュームと交差する同時陽電子消滅放射経路を識別することと、識別された同時陽電子消滅放射経路に沿って放射線源を整列させることを行うように構成される、制御器とを備えている。
例えば、本明細書は以下の項目を提供する。
（項目１）
放射線源と、
座標系内に生じる同時陽電子消滅放射を検出するように構成される同時陽電子放射検出器と、
該放射線源および該同時陽電子放射検出器と通信する制御器であって、該制御器は、該座標系内の１つ以上のボリュームと交差する同時陽電子消滅放射経路を識別することと、識別された同時陽電子消滅放射経路に沿って該放射線源を整列させることを行うように構成される、制御器と
を備えている、装置。
（項目２）
前記制御器に接続される運動システムをさらに備え、該運動システムは、前記１つ以上のボリュームの周りで前記放射線源を動かすように構成される、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記運動システムは、円形ガントリを含む、項目２に記載の装置。
（項目４）
前記運動システムは、Ｃアームガントリシステムを含む、項目２に記載の装置。
（項目５）
前記制御器に接続されるマルチリーフ視準アセンブリをさらに備え、該視準アセンブリは、１つ以上の同時陽電子放射経路に沿って前記放射線を同時に方向付けるように適合される、項目１〜４のいずれかに記載の装置。
（項目６）
前記制御器は、所定の放射線量が前記１つ以上のボリュームの各ボリュームに加えられるまで、複数の個々の同時陽電子消滅経路に沿って放射線を連続的に適用するように構成される、項目１〜５のいずれかに記載の装置。
（項目７）
第２の放射線源をさらに備え、前記制御器は、第２の識別された同時陽電子消滅放射経路に沿って該第２の放射線源を整列させるように構成される、項目１〜６のいずれかに記載の装置。
（項目８）
前記放射線源は、高エネルギ光子放射線源を含む、項目１〜７のいずれかに記載の装置。
（項目９）
前記放射線源は、高エネルギ電子放射線源を含む、項目１〜７のいずれかに記載の装置。
（項目１０）
前記放射線源は、陽子ビーム放射線源を含む、項目１〜７のいずれかに記載の装置。
（項目１１）
前記放射線源の反対側に取り付けられるｘ線検出器のアレイをさらに備えている、項目１〜７のいずれかに記載の装置。
（項目１２）
前記制御器は、同時陽電子消滅放射経路を識別する所定の時間内に該同時陽電子消滅放射経路に沿って前記放射線源を整列させるように構成される、項目１〜１１のいずれかに記載の装置。
（項目１３）
セッション中に起こる放射性事象から同時陽電子消滅放射経路を検出することと、
該セッション中に該放射経路に沿って放射線源を整列させることと
を包含する、方法。
（項目１４）
所定のボリュームの位置データを受信することをさらに包含する、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
位置データを受信することは、前記放射線源に対して前記ボリュームの位置を合わせることを含む、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記ボリュームの位置を合わせることは、前記放射線の供給源を用いて該ボリュームの低放射線量の断層撮影スキャンを行うことを含む、項目１５に記載の方法。
（項目１７）
検出することは、第１の陽電子放射断層撮影（ＰＥＴ）カメラおよび第２のＰＥＴカメラを用いて同時陽電子消滅放射経路を検出することを含む、項目１３〜１６のいずれかに記載の方法。
（項目１８）
前記放射線源を整列させることは、該放射線源と、少なくとも２つの陽電子放射断層撮影カメラと、ｘ線検出器のアレイとを所定のボリュームの周りに回転させることを包含する、項目１３〜１７のいずれかに記載の方法。
（項目１９）
前記放射線源を整列させることは、さらなる同時陽電子消滅放射経路を検出しながら、該放射線源と、少なくとも２つの陽電子放射断層撮影カメラと、ｘ線検出器のアレイとを所定のボリュームの周りに回転させることを包含する、項目１３〜１８のいずれかに記載の方法。
（項目２０）
前記放射線源を整列させることは、前記同時陽電子消滅放射経路に沿って放射線を方向付ける視準アセンブリを構成することを含む、項目１３〜１９のいずれかに記載の方法。
（項目２１）
前記セッション中に前記放射経路に沿って放射線を方向付けることをさらに包含する、項目１３〜２０のいずれかに記載の方法。
（項目２２）
前記ｘ線検出器のアレイを用いて前記同時陽電子消滅放射経路に沿って方向付けられた放射線量を記録することをさらに包含する、項目１３〜２１のいずれかに記載の方法。
（項目２３）
放射線を方向付けることは、前記セッション中の所定の時間内に前記放射経路に沿って放射線を方向付けることを含む、項目１３〜２２のいずれかに記載の方法。
（項目２４）
さらなる同時陽電子消滅放射経路を検出することと、
前記セッション中の所定の時間内に該検出されたさらなる同時陽電子消滅放射経路の選択された放射経路に沿って前記放射線源を整列させることと、
該セッション中に該放射経路に沿ってさらなる放射線を方向付けることと
をさらに包含する、項目１３〜２２のいずれかに記載の方法。
（項目２５）
前記方向付けられたさらなる放射線のさらなる放射線量を記録することと、
蓄積された総放射線量が所定の放射線量を満足するまで、前記方向付けられた放射線の総放射線量を蓄積することと
をさらに包含する、項目２４に記載の方法。

本概要は、本出願の教示のいくつかの概観であり、本主題の排他的または網羅的処理であることを意図しない。本主題についてのさらなる詳細は、詳細な説明および添付の特許請求の範囲に見出される。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその法的均等物によって定義される。

図１は、本主題の一実施形態に従う陽電子消滅放射経路に沿って放射線を整列させる装置を示す。 図２は、本主題の一実施形態に従う同時陽電子消滅放射経路に沿って放射線を整列させる方法のフローチャートである。 図３は、本主題の一実施形態に従って、所定の放射線量を調整し、指示する方法のフローチャートである。 図４Ａ〜図４Ｄは、本主題の一実施形態に従う陽電子消滅放射経路に沿って放射線を整列させる装置を例示する。 図４Ａ〜図４Ｄは、本主題の一実施形態に従う陽電子消滅放射経路に沿って放射線を整列させる装置を例示する。 図４Ａ〜図４Ｄは、本主題の一実施形態に従う陽電子消滅放射経路に沿って放射線を整列させる装置を例示する。 図４Ａ〜図４Ｄは、本主題の一実施形態に従う陽電子消滅放射経路に沿って放射線を整列させる装置を例示する。 図５は、本主題の一実施形態に従うコリメータアセンブリを示す。 図６Ａ〜図６Ｃは、本主題の一実施形態に従う陽電子消滅放射経路に沿って放射線を整列させるＣアームガントリを示す。

（詳細な説明）
本発明の以下の詳細な説明は、添付の図面において主題を参照し、その添付の図面は、本主題が実施され得る特定の局面および実施形態を例示として示す。これらの実施形態は、当業者が本主題を実施することが可能であるほど十分詳細に説明される。本開示における「一、１つの（ａｎ）」、「１つの（ｏｎｅ）」、または「様々な（ｖａｒｉｏｕｓ）」実施形態の参照は、必ずしも同じ実施形態の参照ではなく、そのような参照は２つ以上の実施形態を意図する。従って、以下の詳細な説明は、限定する意味で解されるべきではなく、範囲は、添付の特許請求の範囲、ならびに、そのような特許請求の範囲が権利を有する法的な均等物の全範囲によってのみ定義される。

本主題は、放射誘導放射線治療（「ＥＧＲＴ」）と称される新しいクラスの技術に関する。１つのＥＧＲＴ方法は、放射法を用いることを含み、その放射法は、治療段階中、放射の検出された経路に沿って放射線のビームを用いる個々の放射事象に直接応答することによって、癌に対して感度が高い。放射応答が放射検出後十分短い時間内に起こる場合、腫瘍部位は、実質的に動かず、放射線治療される。従って、腫瘍追跡は、放射誘導放射線療法において本来的に達成され、実際の腫瘍の位置または運動を完全に知ることは必要ではない。一連のそれぞれの放射線ビームによって腫瘍部位からの一連の放射事象に応答することによって、治療は、腫瘍位置の不確実性に関わらず効果的に達成され得る。この方法で、２つ以上の腫瘍を同時に治療することも可能である。さらに、現在のＲＴプロトコルに用いられるものと同じ事前計画処置が、ボリューム（ｖｏｌｕｍｅ）内に腫瘍が常に存在している（腫瘍の運動を含む）ボリュームを識別するために実施され得、その結果、腫瘍が存在していない領域に放射線が適用されないかまたは最小限の放射線しか適用されなく、かつ／または、その結果、治療は体内の放射線に敏感な器官を避ける。

図１は、本主題の一実施形態に従う検出された陽電子消滅放射経路に沿って放射線を感知し、整列させる装置を示す。様々な実施形態において、装置１３０は、フレーム（図示されていない）によって支持される円形の可動ガントリと、放射線源１３１と、陽電子消滅放射センサ１３３と、運動システム１３４と、制御器１３５とを含む。様々な実施形態において、装置は、放射線源の反対側に位置を決められ、対象とするボリューム１３８に適用される放射線を測定するためのｘ線検出器１３２を含む。放射線源１３１、ｘ線検出器１３２および陽電子放射センサ１３３は、可動ガントリに取り付けられる。陽電子放射センサ１３３は、放射線源１３１とｘ線検出器１３２との間にガントリ上に取り付けられる。様々な実施形態において、装置は、組み合わされたｘ線センサと陽電子放射センサとを含み、その結果、陽電子放射検出器は、放射線源の一方の側から他方の側に実質的に全ガントリ円の周りに感知能力を提供する。一実施形態において、ｘ線検出器は、高エネルギメガ電子ボルト（ＭｅＶ）検出器を含むが、これに限定されない。陽電子放射センサ１３３は、事象中に放射される同時光子経路１３６を感知することによって、陽電子消滅事象を検出するように適合される。様々な実施形態において、運動システムは、ガントリおよび付属の装置をボリューム１３８の周りに動かし、検出された放射の経路に放射線源を整列させる。制御器１３５は、放射線源１３１、陽電子放射センサ１３３、ｘ線検出器１３２および運動システム１３４に接続される。制御器１３５は、識別されたボリューム１３８と交差する同時光子放射経路１３６を識別し、放射線源１３１の整列、構成およびトリガを調整し、識別された放射経路に沿ってボリューム１３８に放射線を向ける。様々な実施形態において、制御器は、１つ以上の対象のボリューム１３８のための位置情報を受信し、任意の適用される治療を対象の領域に限定する。様々な実施形態において、制御器は、システムが放射線治療をしない１つ以上のボリュームに対してプログラムされる。これらのボリュームのいくつかの例は、放射線から保護するための放射線感知領域、または、たぶん以前に治療を受け、任意の特定のセッション中、未治療である必要がある領域を含む。いくつかの実施形態において、対象のボリューム１３８は、いくつかの陽電子消滅放射を検出し、活動をマッピングすることによって放射セッションの第１のフェーズにおいて識別される。様々な実施形態において、放射線源は、放射線源からの放射線を形作り、正確に向けるために視準アセンブリ１３９を含む。

様々な実施形態において、制御器は、一般的な座標系を用いて、放射線源、陽電子放射検出器、または、放射線源および陽電子放射検出器の両方を動かす。一実施形態において、陽電子放射検出器は静止しており、放射線源は一般的な座標系を基準にするロボット運動システムを用いて可動である。いくつかの実施形態において、放射線源および陽電子放射検出器の両方とも可動であり、一般的な座標系を基準にする別個の運動システムを用いる。本主題の範囲から逸脱することなく、放射線源、陽電子放射検出器、または、放射線源および陽電子放射検出器の両方を動かすための様々な運動システムであって、円形ガントリ、直線ガントリ、関節アームロボット、カスタムロボティクスまたはこれらの組み合わせを含む、運動システムが可能であることは理解される。

図２は、本主題の一実施形態に従って、放射セッション中にボリュームを走査するための方法２５０のフローチャートである。しばしば腫瘍は、放射線治療を受ける前の長い期間に映像化される。治療中、放射線は、最後に映像化されたときの腫瘍のあった位置に方向付けられる。腫瘍は比較的短時間に相当な距離を移動し得る。そのような移動は、姿勢の変更、せき、または呼吸でさえなどのような無害な事象に起因し得る。放射線治療の典型的な目標は、非腫瘍組織に適用される放射線を最小限にすると共に、腫瘍組織を殺すほど十分に腫瘍に放射線を適用することである。腫瘍が映像化された後に動くと、一部の放射線は放射中に腫瘍に当りそこない得、従って腫瘍のいくつかの部分は治療から生き残り、一部の健康な組織は致死量の放射線を受け得る。さらに、治療中、放射線が死んだ腫瘍のいくつかの部分に適用されると、患者は必要以上の放射線に耐える。医療用途において、本方法は、リアルタイムの、生きた腫瘍組織の追跡および腫瘍組織への放射線の方向付けを提供する。方法２５０は、ボリューム２５１と交差する放射性事象からの同時陽電子消滅放射経路を検出し、放射経路２５２に沿って放射線源を整列させることを含む。様々な実施形態において、方法は、ボリュームの内容が実質的に動く前に、検出された放射経路に沿って放射線をボリュームに方向付けすることを含む。医療用途において、検出された陽電子消滅放射経路に沿って放射線をタイムリーに適用することは、たとえ腫瘍が最後に映像化されてから移動したとしても、放射線治療が生きた腫瘍組織に適用される確実性を提供する。

図３は、本主題の一実施形態に従って、放射セッション中に対象のボリュームに所定の外部放射線量を方向付ける方法３６０のフローチャートである。方法は、１つ以上の対象のボリューム３６１を説明する位置データを受信することを含む。様々な状況において、データは、前治療計画段階中に生成される。いくつかの状況において、実質的な映像化は、病的組織の領域などの対象のボリュームを診断し、追跡するために行われた。この映像化は、ボリュームであって、その中に対象の腫瘍が存在し、動く、可能性のあるボリュームを確立するために用いられ得る。データは、診断中に完成された映像化から生成され得る。いくつかの実施形態において、放射線がセッション中にいくつかのボリュームに方向付けられ得るように、２つ以上のボリュームの位置データが受信される。例えば癌性の腫瘍組織などの対象のボリュームを識別することは、Ｘ線映像法、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）、陽電子放射断層撮影法（ＰＥＴ）またはこれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない多数の様式を含み得る。本主題の範囲から逸脱することなく、他の様式が可能である。

様々な実施形態において、放射セッション前に、対象のボリュームはラジオトレーサが提供される。ラジオトレーサは、ボリュームのリアルタイム追跡のための陽電子の供給源を提供する。方法は次いで、まだ受信されていない場合、ボリュームの位置データを受信することから開始する３６１。様々な実施形態において、ボリュームの位置データを受信することは、例えば放射線源などの機械の基準点にボリュームを合わせることを含む。様々な実施形態において、機械にボリュームを合わせることは、機械の放射線源を用いて、低放射線量のＣＴスキャンを行うことを含む。いくつかの実施形態において、１つ以上のボリュームの位置データを受信すること、および機械に各ボリュームを合わせることは、多数の放射事象を検出することと、ボリュームを識別するために事象をマッピングすることとを含む。外部の放射線機械にボリュームを合わせる他の方法が本主題の範囲から逸脱することなく可能であることは理解される。いくつかの実施形態において、ボリュームの位置データを受信することは、放射線治療しない領域の位置データを受信することを含む。

方法は、対象のボリュームと交差する陽電子消滅事象から同時放射経路を検出することをさらに含み３６２、検出された放射経路に沿って放射線源を整列させ３６３、次いで検出された放射経路に沿ってボリュームに放射線を方向付ける３６４。様々な実施形態において、放射事象を検出すると、ダウンロードされた位置データは、事象が対象のボリュームと交差したかどうかを決定するために用いられる。

様々な実施形態において、放射線源および放射検出器は、１つ以上のボリュームの周りを動き、複数の角度から放射事象の検出および放射線の方向付けを可能にする。複数の角度からボリュームに放射線を方向付けることは、健康な組織などの介在する物質を放射線に曝露することを最小限にする。様々な実施形態において、事前映像化は、他の物質内のボリュームの深さの原因となる、放射線源の強度を調整するために用いられる。様々な実施形態において、セッションが進行すると、制御器は、セッション中に検出された放射事象から１つ以上の対象のボリュームのマップを分析し、構成する。様々な実施形態において、マップがより詳細になると、マップに基づいて、検出された放射経路に沿って放射線を選択可能に整列させ、方向付ける。

ボリュームの方に放射線を方向付けると、制御器は、患者に方向付けられた放射線量を記録する３６５。様々な実施形態において、放射線源の反対側に位置を決められるｘ線検出器は、ボリュームの方に、ボリュームを通過するように方向付けられる放射線を記録する。所定の放射線量が対象の各ボリュームに方向付けられるまで３６６、制御器は、蓄積された放射線を監視し、放射事象を検出し続け、検出された放射経路に沿って放射線を方向付ける。様々な実施形態において、検出された陽電子放射事象の蓄積は、対象のボリュームおよび周囲の物質を映像化するために用いられ得る。医療用途において、検出された陽電子放射事象の蓄積は、ボリュームの新陳代謝活動の映像を構成するために用いられ得る。いくつかの実施形態において、映像データは、後の治療を変更するために用いられ得る。

医療用途に用いられる実施形態などの様々な実施形態において、癌性腫瘍組織などの対象のボリュームは、ボリュームのリアルタイムの追跡のための陽電子の供給源としてラジオトレーサが提供される。典型的なラジオトレーサは、陽電子を放射する不安定な核種を含む。陽電子は、軌道電子と同じ質量を有するが、正に帯電している。陽電子の固有の特性は、性質上静止して存在し得ないことである。陽電子がその運動エネルギを喪失すると、陽電子は、負に帯電した電子と直ちに結合し、消滅反応を受け、その消滅反応において、２つの粒子の質量は、２つの０．５１１−ＭｅＶの消滅光子の形態でエネルギに完全に変換され、これらの消滅光子は、それらの生成部位を互いから約１８０度の位置のままにする。２つの５１１−ｋｅＶのγ線の検出は、ラジオトレーサによって、生きた腫瘍組織を標的にする基礎を形成する。

臨床業務および癌の研究において一般的に用いられるラジオトレーサは、フッ素１８フルオロデオキシグルコース（ＦＤＧ）、新陳代謝ＰＥＴラジオトレーサである。ＦＤＧ、グルコース類似物は、脳、腎臓、および癌細胞などの高グルコース使用細胞によって吸収され、この場合、リン酸化はグルコースが無傷の状態で放射されることを妨げる。従って、生きた病的組織は、新陳代謝ＰＥＴラジオトレーサを健康な組織より激しく吸収し、濃縮する。死んだ組織はラジオトレーサを吸収しないので、新陳代謝ラジオトレーサのさらなる利益は、新陳代謝ラジオトレーサが腫瘍の生きた組織のリアルタイムの追跡を提供することである。その結果、検出された放射経路に沿って放射線治療を適用する際に、方法は、放射線が腫瘍のみならず腫瘍の生きた組織にも正確に適用されるという高度の確実性を提供する。フッ素−１８、炭素−１１、酸素−１５、および窒素−１３を含むがこれらに限定されない、陽電子放射放射性核種を有する他のラジオトレーサを用いることが本主題の範囲から逸脱することなく可能であることは理解される。

図４Ａ〜図４Ｄは、本主題の一実施形態に従って、同時陽電子消滅放射経路を検出し、放射線を放射経路に整列させる装置４０１の断面を示す。図４Ａ〜図４Ｄは、装置４０１内に位置を決められる患者４２０を含む。患者は、放射線治療されるべきボリューム４２２内の生きた腫瘍組織を有する。装置は、制御器４０７と、高エネルギ放射能を生成する放射能源４０２と、高エネルギ放射能を形作り、正確に方向付けることを助ける視準アセンブリ４１０と、ｘ線検出器４０８のアレイと、陽電子放射撮影法（ＰＥＴ）センサ４０４のアレイとを含む。放射能源４０２、視準アセンブリ４１０、ｘ線検出器４０８およびＰＥＴセンサ４０４は、回転するガントリ４０６上に置かれる。ガントリ４０６は、静止フレーム（図示されていない）に取り付けられる。様々な実施形態において、制御器４０７に接続された運動制御システム４０９は、患者４２０の周りにガントリ４０６および取り付けられた装置を動かす。

図４Ｂは、装置４０１に対して患者の位置を合わせるために低放射線量ＭｅＶ ＣＴスキャンを行う装置４０１を示す。解剖学的目印または他のマーキング案が、患者の体の位置を装置に合わせるために用いられ得る。位置合わせ（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）は、制御器が、放射線治療されるべきではないボリュームを含む対象のボリュームの幾何学座標を装置４０１の幾何学座標に関連付けることを可能にする。位置合わせ後、制御器４０７は、ボリューム４２２と交差する陽電子消滅放射経路を監視し、放射能源を放射経路に整列させ、検出された放射経路に沿って放射線を方向付けする際に、装置４０１を制御する。陽電子消滅事象を監視しながら、放射能源４０２、視準アセンブリ４１０、ＰＥＴセンサ４０４および高エネルギ放射能検出器４０８は、制御器４０７に接続された運動システム４０９を用いて患者の周りに回転する。

図４Ｃは、ボリューム４２２と交差する同時陽電子放射経路４１２の検出を示す。同時放射事象および経路４１２を検出すると、制御器４０７は、同時放射経路の幾何学座標を記録する。検出された経路４１２が対象のボリューム４２２と交差する場合、運動システムが放射経路４１２と整列するように放射線源４０２を動かした後に、制御器４０７は、放射線源の整列を開始し、放射の経路に沿って放射線を発射する。放射と同じ経路に沿って放射線を適用することは、放射線が腫瘍の生きた組織に正確に適用されるという高度の確実性を提供する。放射線源を検出された放射の角度に動かすことの他に、整列は、陽電子放射経路に沿って放射線を正確に方向付けるように視準アセンブリ４１０を構成することを含む。様々な実施形態において、ガントリ４０６が患者の周りを回転しながら、放射線を正確にかつタイムリーに整列させることは、視準アセンブリを再構成することを含む。

図４Ｄは、本主題の一実施形態に従って検出された放射経路に沿って放射線を方向付ける装置を示す。制御器は、ガントリの運動と、視準アセンブリの構成と、放射線源を発射し、検出された陽電子放射経路と同じ経路に沿って放射線源４０２から放射線４１４を提供することとを調整する。視準アセンブリ４１０は、扇形ビームにおける所望の光線が通過し得、一方他の光線が完全にふさがれるように、放射線ビームが分割されることを可能にする。視準アセンブリの再構成は、新構成がガントリ４０６の周りに放射線源４０２の各角度位置に対して可能であるように、速やかに行われる。

ガントリ４０６が回転すると、放射線の検出、整列および発射は、所望の放射線量が対象の各ボリュームにおいて達成されるまで、複数の陽電子放射事象に対して繰り返される。様々な実施形態において、制御器は、総放射線量を検証するためにｘ線検出器４０８から受信された読み取りを記録する。ｘ線検出器が、ＭｅＶ検出器、高エネルギキロ電子ボルト（ｋｅＶ）検出器またはそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない１つ以上の高エネルギ検出器から形成され得ることは理解される。

様々な実施形態において、制御器４０７は、１つ以上の腫瘍の位置についてのデータを含む。そのような実施形態において、制御器は、放射事象の検出、および複数のボリュームへの放射線の発射および方向付けを調整する。様々な実施形態において、ボリューム位置データは、以前の映像化から制御器にダウンロードされる。このデータは、検出された放射事象経路が対象のボリュームと交差するかどうかを高度の確実性をもって制御器が決定することを可能にする。

上記に考察されるように、対象のボリュームと交差する陽電子放射事象が検出されたとき、制御器４０７は、放射線源４０２からの放射線が所定の時間内に、検出された放射経路と同じ経路をたどることを可能にするように視準アセンブリ４１０を再構成する。様々な実施形態において、視準アセンブリの再構成は、ガントリ４０６が放射線源４０２およびセンサ４０４、４０８を患者４２０の周りに回転させると、急ぎ完遂される。ガントリ回転の速度、制御器の処理遅延、および放射事象の検出時の放射線源の位置は、放射事象と放射経路に沿って放射線を方向付けそして発射することとの間の遅延を決定するいくつかの要因である。医療用途において、放射経路への放射線源の整列は、呼吸などの通常の体の機能に起因する腫瘍の運動に対してでさえ腫瘍の追跡精度を高める。いくつかの実施形態において、ガントリは複数の放射線源を含む。複数の放射線源は、治療がより速やかに完了することを可能にし、放射事象の検出と放射線源の整列との間の遅延の減少またはより速やかな治療および遅延の減少の両方を可能にする。

様々な実施形態において、装置は、個々の陽電子消滅事象に応じて放射線を整列し、方向付けする。様々な実施形態において、ガントリが、回転し、以前に検出された放射経路に放射線を整列させ、方向付けると、制御器は、検出された陽電子消滅放射をキューに入れる。いくつかの実施形態において、放射線源は、選択されキューに入れられた経路に沿って連続的に整列させられ、方向付けられる。いくつかの実施形態において、放射線源は、ボリュームの近くの放射線源の現在の位置に従って、選択されキューに入れられた経路に沿って整列させられ、方向付けられ、その結果、より間近に検出された経路が選択され得る。なぜなら放射線源は、それ以前に検出された経路の前に、その経路に近づくからである。いくつかの実施形態において、制御器は、ある時間間隔の間に、選択された放射経路をキューに入れ、次いでさらなる放射経路をキューに入れることによってプロセスを繰り返す前に、キューの選択された経路に沿って放射線を整列させ、方向付ける。事象を感知することと検出された放射経路に沿って放射線を送達することとの間の所望の時間間隔を調整することによって、装置は、異なる数の放射線送達経路のキューを確立し得る。制御器はまた、装置の最小量の移動を放射線に提供するアルゴリズムを用い得る。本主題の範囲から逸脱することなく、他のアルゴリズムおよび処置が可能である。

いくつかの実施形態において、制御器は、呼吸などの患者の周期的機能に放射線源の整列および発射のペースを調節する。例えば、患者の呼吸周期が数秒間ごとに繰り返すと感知されたと仮定されたい。制御器が対象のボリュームと交差する放射事象を感知すると、制御器は、これらの事象が起った呼吸周期のフェーズを記録し、呼吸周期と同じフェーズと一致するように放射線源を動かし、整列させ、発射する際に、調整された遅延を制御する。

本主題の様々な実施形態は、２−Ｄまたは３−Ｄ方式で放射線を整列させ、方向付ける。２−Ｄ方式において、マルチリーフ放射線コリメータは、放射線源の各特定の角度位置に対して再構成され、その結果、放射線経路は、扇形であって、その頂点が放射線の供給源にある、扇形内にある。図５は、本主題の一実施形態に従うコリメータアセンブリ５５０を示す。マルチリーフコリメータ５５３の直前に置かれる一対のコリメータジョー５５１は、放射線源５５５の円錐形発散５５４を特定の平面５５２に制限する。下部ジョー５５３の操作は、放射線経路の平面内の複数のボリュームに放射線を整列させることを可能にする。様々な実施形態において、テーブルは、連続的方法または段階的発射（ｓｔｅｐ−ａｎｄ−ｓｈｏｏｔ）方法で平行移動され得、複数のスライスのボリュームを治療し得る。テーブルが連続的に平行移動される場合、テーブル速度は、各ボリュームへの所定の放射線量を可能にする。

３−Ｄ方式の治療を用いる装置の場合、円錐形放射線ビーム発散５５４を制限するコリメータジョー５５１は、視準アセンブリリーフ５５３と一致して動かされ得る。放射線は特定の平面に制限されるが、視準アセンブリジョーの一致した運動は、放射線源の所定の位置に対して様々な平面の治療を可能にする。円形ガントリおよびＣアーム装置に関して、３−Ｄ方式は、視準アセンブリが装置の中心軸に対して斜めの角度で放射線を提供することを可能にする。さらに、装置の所定の位置に対して、３−Ｄ方式は、２−Ｄ方式と比較して、制御器がＰＥＴの視野のより大きな部分内で複数の同時放射経路に応答することを可能にする。

図６Ａ〜図６Ｃは、本主題の一実施形態に従うＣアームガントリ装置６６０を示す。装置６６０は、放射線源６６１と、視準アセンブリ６６２と、装置の回転部６６４に取り付けられたＰＥＴカメラ６６３とを含む。装置の固定部６６５は、回転部６６４に対する支持を提供する。図６Ａは、放射線源がテーブル６６６の上に位置を定められ、ＰＥＴカメラ６６３がテーブル６６６の両側に位置を決められている装置の正面図を示す。制御器（図示されていない）は、放射線源６６１、視準アセンブリ６６２、ＰＥＴカメラ６６３の制御および調整、ならびに回転部６６４がテーブル６６６の周りにデバイスを動かすときの運動を提供する。図６Ｂは、放射線源６６１、視準アセンブリ６６２およびＰＥＴカメラ６６３がテーブル６６６の周りに９０度回転している装置の正面図を示す。３−Ｄ方式の治療に関して、マルチリーフｘ線コリメータは、放射線源の各指定された角度位置に対して再構成され、その結果、放射線経路は、円錐であって、その頂点が放射線の供給源にある、円錐内にある。

様々な実施形態において、複数のスライスのボリュームを治療するために、テーブル６６６は、連続的方法または段階的発射方式で平行移動され得る。図６Ｃは、テーブル６６６が装置の方に平行移動されているＣアームガントリ装置６６０の側面図を示す。テーブルが連続的に平行移動される様々な実施形態において、テーブル速度は、所定の放射線量が各ボリュームに方向付けられることを可能にするように制御される。

様々な実施形態において、装置６６０は、各ボリュームに方向付けられる放射線の総量または放射線量を記録し、検証するために、放射線源の反対側に位置を定められる高エネルギ（ＭｅＶ）検出器を含む。いくつかの実施形態において、ＭｅＶ検出器の代わりに、組み合わされたＭｅＶ／ＰＥＴ検出器が用いられる。組み合わされたＭｅＶ／ＰＥＴ検出器は、５１１ ＫｅＶ ＰＥＴ放射ならびに高エネルギ放射線の両方を検出することを可能にする。そのような配置は、ＰＥＴ検出器の適用範囲を増加させ、より速い放射線セッションを可能にする。ＫｅＶ／ＰＥＴ検出器を含むがこれに限定されない、ＰＥＴおよび高エネルギｘ線検出器の組み合わせが本主題の範囲から逸脱することなく可能であることは理解される。

様々な実施形態において、放射線は、線形加速器（ｌｉｎａｃ）によって生成されるｘ線を含む。他の放射線タイプおよび放射線源は、本主題の範囲から逸脱することなく放射線を提供することが可能である。そのような放射線および放射線源は、高エネルギ光子と、放射性アイソトープ（例えば、イリジウムまたはコバルト６０）によって生成される放射線または粒子と、高エネルギ電子と、光子ビームと、中性子ビームと、重イオンビームとを含むがこれらに限定されない。

一実施形態において、装置は、放射性事象から放射された光子の方向付けを検出する、ＰＥＴセンサの代わりにピンホールカメラおよび／または視準ＳＰＥＣＴセンサを有する単光子放射型コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）機構を用いて実装される。

一実施形態において、放射線源は回転しない。放射線源（例えば、鉛が入ったコバルト６０）がガントリの周りのすべてに配置され、ＰＥＴ検出器と交互に配置される。この場合、特定の放射線源からの放射線は、隣接したＰＥＴセンサ対によって検出される放射経路をたどる。

一実施形態において、２つ以上の放射線源が、回転するガントリに取り付けられる。制御器は、放射線源の各々を整列させ、まったく異なった放射経路に応答する。複数の放射線源は、１つのみの放射線源が用いられる場合より、放射経路を検出することとその経路に沿って放射線を方向付けることと間に小さい時間窓を可能にする。

様々な実施形態において、装置は、スタンドアロン動作の放射線治療、または放射誘導放射線治療と同時動作の放射線治療の他の方式を提供する。放射線治療の他の方式は、治療ボリュームの先行の映像化に基づく放射線治療、三次元正角ビームＲＴ、強度変調ＲＴまたはこれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない。

本出願は、本主題の改作および変形を含むことが意図される。上記の説明が例示的であり、制限的ではないことは理解されるべきである。本主題の範囲は、添付の特許請求の範囲、ならびに特許請求の範囲が権利を有する法的な均等物の全範囲を参照して決定されるべきである。

Claims (43)

1. 装置であって、
   回転可能なガントリと、
   前記ガントリに取り付けられた放射線源と、
   前記ガントリに取り付けられた陽電子放射検出器であって、前記陽電子放射検出器は、座標系内のボリュームから生じる陽電子消滅放射経路を検出するように構成される、陽電子放射検出器と、
   前記放射線源および前記陽電子放射検出器と通信している制御器であって、前記制御器は、前記ガントリが回転すると、検出された陽電子消滅放射経路をキューに入れることと、前記ボリュームが前記座標系内で前記ボリュームの位置を変更する前に、前記ボリュームに放射を方向付けるように前記放射線源を前記検出された陽電子消滅放射経路に対して位置付けるように前記ガントリを回転させることとを行うように構成される、制御器と
   を備える、装置。
2. 前記制御器に接続された運動システムをさらに備え、前記運動システムは、前記放射線源を前記ボリュームの周りに位置付けるように前記ガントリを回転させるように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記制御器に接続されたマルチリーフ視準アセンブリをさらに備える、請求項１または２に記載の装置。
4. 前記制御器は、前記座標系内の１つ以上のボリュームから生じる１つ以上の陽電子消滅放射経路の位置データを格納することと、所定の放射線量が前記１つ以上のボリュームに加えられるまで前記１つ以上の陽電子消滅放射経路に対して前記放射線源を位置付けるように前記ガントリを連続的に回転させることとを行うように構成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 第２の放射線源をさらに備え、前記制御器は、第２の検出された陽電子消滅放射経路に対して前記第２の放射線源を位置付けるように前記ガントリを回転させるように構成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記放射線源がｘ線源、電子源、または陽子ビーム源を含むか、または、
   前記放射線源の反対側に取り付けられたｘ線検出器のアレイを前記装置がさらに備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記制御器は、前記陽電子消滅放射経路を識別する所定の時間内に、検出された陽電子消滅放射経路に対して放射を方向付けるように前記放射線源を位置付けるように前記ガントリを回転させるように構成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記制御器は、所定のボリュームの位置データを受信することと、前記放射線源に対して前記ボリュームの位置を合わせることとを行うようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
9. 前記放射線源は、前記ボリュームの低放射線量の断層撮影スキャンを行うように構成される、請求項８に記載の装置。
10. 前記陽電子放射検出器は、少なくとも２つの陽電子放射検出器を含み、前記少なくとも２つの陽電子放射検出器は、前記回転可能なガントリが回転している間にさらなる陽電子消滅放射経路を検出するように構成される、請求項９に記載の装置。
11. 前記マルチリーフ視準アセンブリは、前記回転可能なガントリが回転している間に構成を変更する、請求項３に記載の装置。
12. 前記制御器は、前記ｘ線検出器のアレイを用いて前記ボリュームに方向付けられた放射線量を記録するように構成される、請求項６に記載の装置。
13. 前記制御器は、蓄積された総放射線量が所定の線量を満たすまで放射を前記ボリュームに方向付けるように構成される、請求項１２に記載の装置。
14. 放射を誘導するための装置であって、
    座標系内のボリュームの周りで回転可能なガントリと、
    前記ガントリ上に取り付けられた放射線源と、
    前記ガントリ上に取り付けられた視準アセンブリであって、前記視準アセンブリは、前記放射線源の放射経路内に配置され、前記視準アセンブリの構成は、前記ガントリが回転している間に調整可能である、視準アセンブリと、
    前記ガントリの少なくとも円周長さに沿って取り付けられた陽電子消滅放射検出器のアレイであって、前記陽電子消滅放射検出器のアレイは、前記ボリュームから陽電子消滅放射経路を検出するように構成される、陽電子消滅放射検出器のアレイと、
    前記陽電子消滅放射検出器のアレイと通信している制御器であって、前記制御器は、前記検出された陽電子消滅放射経路からマップを構成するように構成され、前記制御器は、前記放射線源と通信しており、前記マップに基づいて前記放射線源からの放射を前記ボリュームに方向付けるように構成される、制御器と
    を備える、装置。
15. 前記制御器は、前記ガントリと通信しており、前記ガントリを回転させかつ陽電子消滅放射経路を検出している間に放射を方向付けるようにさらに構成される、請求項１４に記載の装置。
16. 前記陽電子消滅放射検出器のアレイは、前記座標系内の１つ以上のボリュームから生じる陽電子消滅放射経路を検出するように構成され、前記制御器は、前記放射線源からの放射を前記１つ以上のボリュームに複数のガントリ位置から方向付けるように構成される、請求項１５に記載の装置。
17. 前記制御器は、放射を複数のガントリ位置から方向付けるように構成される、請求項１４に記載の装置。
18. 前記制御器は、陽電子消滅放射経路の前記マップに基づいて前記ボリュームの新陳代謝活動の映像を構成するようにさらに構成される、請求項１４に記載の装置。
19. 前記制御器と通信している運動システムをさらに備え、前記制御器は、前記運動システムを用いてガントリ回転を制御する、請求項１４に記載の装置。
20. 前記制御器は、前記ボリュームに方向付けられた放射の線量を記録するようにさらに構成される、請求項１４に記載の装置。
21. 前記放射線源の反対側で前記ガントリ上に取り付けられたＭｅＶ検出器をさらに備え、前記制御器は、前記ＭｅＶ検出器と通信しており、ＭｅＶ検出器の読み取りに基づいて前記放射線量を記録するように構成される、請求項２０に記載の装置。
22. 前記制御器は、前記視準アセンブリと通信しており、前記視準アセンブリは、マルチリーフコリメータおよびコリメータジョーを備える、請求項１４に記載の装置。
23. 前記マルチリーフコリメータは、各ガントリ位置に対して再構成可能である、請求項２２に記載の装置。
24. 前記制御器は、前記コリメータジョーを、前記マルチリーフコリメータと一致して動かすようにさらに構成される、請求項２３に記載の装置。
25. 前記制御器は、前記視準アセンブリと通信しており、前記放射線源からの放射を前記検出された陽電子消滅放射経路に沿って方向付けるように前記視準アセンブリの構成を変更するように構成される、請求項１４に記載の装置。
26. 前記制御器は、前記ガントリおよび前記視準アセンブリと通信しており、前記制御器は、放射を前記検出された陽電子消滅放射経路に沿って前記ボリュームに方向付けるように、ガントリの回転、視準アセンブリ構成の調整、および放射線源のトリガを調整するように構成される、請求項１４に記載の装置。
27. 前記ガントリ上に取り付けられた複数の放射線源をさらに備える、請求項１４に記載の装置。
28. テーブルをさらに備え、前記ガントリは、前記テーブルの周りで回転可能であり、前記制御器は、前記テーブルを段階的に平行移動するように構成され、放射を各テーブルの段階において前記ボリュームに方向付けるように構成される、請求項１４に記載の装置。
29. 放射線治療システムであって、
    ガントリと、
    可動テーブルであって、前記ガントリは、前記テーブルの周りで回転可能である、可動テーブルと、
    前記ガントリ上に取り付けられた複数の陽電子放射検出器であって、前記複数の陽電子放射検出器は、複数の陽電子消滅放射経路を検出するように構成される、複数の陽電子放射検出器と、
    前記ガントリ上に取り付けられた治療用放射線源と、
    前記ガントリ、前記可動テーブル、前記陽電子放射検出器、および前記治療用放射線源と通信している制御器と
    を備え、前記制御器は、
    前記テーブル上に位置する対象のボリュームの位置データを受信することであって、前記対象のボリュームは、腫瘍組織を含む、ことと、
    前記複数の検出された陽電子消滅放射経路から前記対象のボリュームと交差する陽電子消滅放射経路を識別することと、
    前記識別された陽電子消滅放射経路に基づいて放射を前記腫瘍組織の複数の部分に送達している間に前記テーブルを段階的に平行移動することと
    を行うように構成される、システム。
30. 前記腫瘍組織の前記部分は、前記治療用放射線源の治療ビーム平面内に位置する腫瘍組織のスライスを含む、請求項２９に記載のシステム。
31. 放射を送達することは、前記対象のボリュームと交差する複数の陽電子消滅放射経路に応答して放射を方向付けることを含む、請求項２９に記載のシステム。
32. 放射を方向付けることは、実際の腫瘍組織の位置または運動の部分的な知見を用いて前記対象のボリュームに一連の放射線ビームを放射することを含む、請求項３１に記載のシステム。
33. 放射を送達することは、前記識別された陽電子消滅放射経路のうちの１つ以上に沿って放射を方向付けることを含む、請求項２９に記載のシステム。
34. 前記対象のボリュームの前記位置データは、治療計画中に決定される、請求項２９に記載のシステム。
35. 陽電子消滅放射経路を識別することは、各検出された放射経路を、前記対象のボリュームの前記位置データと比較することを含む、請求項２９に記載のシステム。
36. 前記陽電子放射検出器は、前記対象のボリュームの周りで回転させられている間に前記複数の陽電子消滅放射経路を検出するように構成される、請求項２９に記載のシステム。
37. 前記制御器は、前記ガントリを回転させかつ陽電子消滅放射経路を検出している間に放射を送達するように前記治療用放射線源を方向付けるように構成される、請求項２９に記載のシステム。
38. 前記複数の陽電子消滅放射検出器は、複数の腫瘍領域から陽電子消滅放射経路を検出するように構成され、前記制御器は、複数のガントリ位置から前記複数の腫瘍領域に放射を送達するように前記治療用放射線源を方向付けるように構成される、請求項３７に記載のシステム。
39. 前記ガントリ上に取り付けられた視準アセンブリをさらに備え、前記視準アセンブリは、前記治療用放射線源の放射経路内に配置され、前記視準アセンブリの構成は、前記ガントリが回転している間に調整可能である、請求項２９に記載のシステム。
40. 前記制御器は、前記視準アセンブリと通信しており、前記視準アセンブリは、マルチリーフコリメータおよびコリメータジョーを備える、請求項３９に記載のシステム。
41. 前記マルチリーフコリメータは、各ガントリ位置に対して再構成可能である、請求項４０に記載のシステム。
42. 前記制御器は、前記コリメータジョーを、前記マルチリーフコリメータと一致して動かすようにさらに構成される、請求項４１に記載のシステム。
43. 前記ガントリ上に取り付けられた複数の治療用放射線源をさらに備える、請求項２９に記載のシステム。

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