JP6871131B2 - 粒子線医療装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、ガントリを有する粒子線医療装置に関する。

陽子、炭素イオン等の粒子線ビームを患者の患部（がん）に照射して治療を行う粒子線治療が広く実施されている。このような粒子線治療の一つとして、大型回転機構（以下、ガントリと称す）に内部形成された治療室内において、治療ベッド上に横臥させた患者を位置決めし、粒子線ビームを照射するというものがある。

このようなガントリを備えた粒子線医療装置は、ガントリに固定された照射ポートを回転させたり治療室内で治療ベッドを変位させたりすることにより、患者の患部に任意の方向から粒子線ビームを照射させる。
そして、ガントリ内部に形成される治療室は、ガントリの回転位置とは無関係に、床面が水平フラット状でその他の面がガントリの内周に沿うアーチ状をとるＤ文字断面の移動床により形成されている。

照射ポートを全周回転させながらも、水平フラット床面とアーチ面が維持される移動床で治療室が形成されることにより、この治療室の内部空間における技師の作業性の向上や、治療ベッドに横臥する患者の精神的圧迫感の低減が図られる。

特開平１１−４７２８７号公報 特開２００１−３５３２２８号公報 特開２０１１−１５６２６３号公報

この移動床に機器が設けられている場合、この機器に信号を入出力させるケーブルや電力を供給させるケーブルは、ガントリに設けられた貫通孔を通過してその外側に伸びる。上述したように移動床はＤ文字断面を有しているために、移動床に設けられた機器の位置とガントリに設けられた貫通孔の位置との距離は、ガントリの回転角度に依存しており一定していない。

このために、ガントリの回転とともにケーブルが連れ回りすると、移動床とガントリの隙間が狭くなるに従い、この隙間にケーブルの余長が発生し、ケーブルが絡まって破損したり、ガントリの安定回転を阻害したりするおそれがある。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、移動床に設けられた機器に接続されるケーブルの配線を工夫することにより、回転動作の安定性に優れる粒子線医療装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る粒子線医療装置において、ビームの照射ポートを胴体に固定させた状態で軸回転するガントリと、前記ガントリの内側に設けられ複数の板材を相互に屈曲自在に環状結合して成り静止系から固定されるベッドの少なくとも一部を収容し前記照射ポートを貫通させた状態で前記ガントリとともに周回転する移動床と、前記移動床に固定された機器に接続され前記ガントリを貫通してその外側に配線されるケーブルと、前記軸回転する際に、前記ケーブルのうち前記ガントリの内側に配線される部分の長さを過剰な張力や弛みを解消させるように調整する調節部と、を備え、前記調節部は、前記ケーブルが貫通する前記ガントリの位置に設けられ、このケーブルを収容するケーシングと、前記ケーブルの一部を、先端で保持するワイヤと、前記ケーシングに設けられ、前記ワイヤをその末端から巻回し、前記ワイヤの先端の変位に従って正／逆方向に回転するホイールと、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態により、移動床に設けられた機器に接続されるケーブルの配線を工夫することにより、回転動作の安定性に優れる粒子線医療装置が提供される。

本発明の実施形態に係る粒子線医療装置のＸ−Ｙ断面図。 実施形態に係る粒子線医療装置のＹ−Ｚ断面図。 実施形態に係る粒子線医療装置の外観を示す斜視図。 移動床及びトンネル構造体の部分の全体斜視図。 （Ａ）（Ｂ）ケーブル長さ調整部の動作説明図。 移動床及びケーブル長さ調整部の動作説明図。 移動床及びケーブル長さ調整部の動作説明図。 移動床及びケーブル長さ調整部の動作説明図。 移動床及びケーブル長さ調整部の動作説明図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は実施形態に係る粒子線医療装置１０のＸ−Ｙ断面図、図２はそのＹ−Ｚ断面図を示している。図３は粒子線医療装置１０の外観を示している。

このように、粒子線医療装置１０は、ビーム１９の照射ポート１８を胴体に固定させた状態で軸回転するガントリ１５と、このガントリ１５の内側に設けられ複数の板材１１（図４参照）を相互に屈曲自在に環状結合して成り静止系２１から固定されるベッド２４の少なくとも一部を収容し照射ポート１８を貫通させた状態でガントリ１５とともに周回転する移動床１２と、この移動床１２に固定された機器２５（２５Ａ，２５Ｂ）に接続されガントリ１５を貫通してその外側に配線されるケーブル３１と、軸回転する際にガントリ１５の内側に配線されるケーブル３１の長さを調整しこのケーブル３１の過剰張力又は弛みを解消させる調節部３０（３０Ａ，３０Ｂ）と、を備えている。

さらに粒子線医療装置１０は、水平床面及びアーチ天井を有しベッド２４の少なくとも一部が収容される内部空間を有するトンネル構造体１６と、ガントリの内側面１５ａに対しトンネル構造体１６を回転変位させることによりガントリ１５の軸回転とは無関係に静止系から見てトンネル構造体１６を静止状態にする回転支持部５７と、を備えている。

図３に示すようにガントリ１５は、一般に円筒形状を有する大型構造物であり、その両縁端の外周面に外接する複数の回転駆動部２３の回転駆動により、回転軸（Ｚ軸）周りに回転する。そしてガントリ１５は、回転駆動部２３を介して、基礎２１（静止系）によりその重量が支えられている。
ガントリ１５は、静止系に固定されたベッド２４を内側に配置させビーム１９の照射ポート１８を胴体に固定させた状態で軸回転する。

このガントリ１５には、粒子線ビーム１９の照射ポート１８の他に、ビーム輸送系２７、ビームの偏向電磁石２８、その他の制御機器や構造物が、多数設けられている。
粒子線ビーム１９は、図示略のイオン源で発生したイオン（重粒子あるいは陽子イオン）を直線加速器で加速し、さらに円形加速器（図示略）に入射して設定エネルギーまでに高めることにより生成される。

そして、円形加速器から出力された粒子線ビーム１９は、ガントリ１５と一体回転するように設けられたビーム輸送系（図示略）の回転軸Ｚの延長線上から入射する。
照射ポート１８は、ガントリ１５の内側に向かって挿入され、このガントリ１５と共にベッド２４の周囲を±１８０度回転する。
このようにビーム輸送系に入射した粒子線ビーム１９は、その軌道が偏向電磁石２８により曲げられて、照射ポート１８からベッド２４に横臥する患者に、３６０度の任意の方向から照射される。

このベッド２４は、建屋側の基礎（静止系）２１に土台が固定されており、ガントリ１５の内部を移動し、粒子線ビーム１９の照射位置に、患者の患部を位置決めする。
粒子線ビーム１９が患部に向かって照射されると、患者の体内を通過する際に運動エネルギーを失って速度を低下させるとともに、速度の二乗にほぼ反比例する抵抗を受けてある一定の速度まで低下すると急激に停止する。
そして、粒子線ビーム１９の停止点近傍では、ブラッグピークと呼ばれる高エネルギーが放出される。このブラッグピークの放出位置が患部に一致するようベッド２４の位置決めがなされているために、患部組織のみを死滅させ正常組織の障害が少ない治療が実行される。

図４は、移動床１２及びトンネル構造体１６の部分を抽出して示す図である。移動床１２を構成する板材１１の各々は、長手方向におけるたわみ剛性が大きくかつ軽量であることが望まれる。そして複数の板材１１が、その側縁部において屈曲自在に相互結合している。

そして移動床１２は、その一部に設けた開口に、照射ポート１８を貫通させることにより、ガントリ１５の回転に同期して移動床１２を回転させることができる。
この環状に形成された移動床１２の両端には、円弧及び直線からなる閉軌道を有する第１レール１３Ａ及び第２レール１３Ｂが、摺動自在に係合している。
これにより、移動床１２の内部空間は、フラット水平床とアーチで囲まれたトンネル形状を形成し、この移動床１２は、トンネル形状を静止させたまま回転軸Ｚ周りに回転することが可能になる。

この移動床１２は、後述するトンネル構造体１６の存在により、治療室の空間が十分に確保されるので、回転軸方向（Ｚ軸方向）に広くとる必要はない。このために、軽量でかつ機械剛性を高く設計できるので、移動床１２の回転運動をスムーズにかつ静音性を維持した状態で実施することができる。

第１レール１３Ａは、ベッド２４を固定した基礎２１の垂直壁面（静止系）の開口に一端が接続された空洞体５３の他端に、支持されている。
なお、第１レール１３Ａの基礎２１からの支持は、図示した方法に限定されることはない。例えば、ガントリ１５の内周面に対し回転自在に設けられた支持部（図示略）に第１レール１３Ａを固定し、この支持部が基礎２１の垂直壁面（静止系）６０に支持されることにより、第１レール１３Ａが間接的に静止系に支持されるようにしてもよい。

第２レール１３Ｂは、断面形状がこの第２レール１３Ｂの形状に略一致するトンネル構造体１６の周縁に固定されている。そして２レール１３Ｂは、照射ポート１８を挟むように第１レール１３Ａに対向配置され移動床１２の他端に係合している。
第１レール１３Ａと第２レール１３Ｂの間隔は、両者に挟まれる照射ポート１８の幅よりも若干広めであればよい。
これにより、ガントリ１５とともに回転する移動床１２において、回転軸（Ｚ軸）方向の寸法を控えめにすることで、重量の削減と機械剛性の向上とを両立させることができる。

トンネル構造体１６において、第２レール１３Ｂの反対側には、開口を塞ぐようにパネル５１が設けられている。そしてこのパネル５１は、ガントリ１５の回転軸Ｚに一致して自在に回動する回転支持部５７の回転軸５２に支持されている。
なお、トンネル構造体１６は、必須の構成要素ではなく、代わりに移動床１２をパネル５１まで拡張して代替させてもよい。

回転支持部５７は、ガントリの内側面１５ａに固定されるスタンド５６からトンネル構造体１６を軸支する回転軸５２を回転変位させる。これによりガントリ１５の回転変位に依存すること無く、フラットな床面が常に水平を保つように、トンネル構造体１６は静止系に対し静止する。

回転支持部５７は、静止系においてその回転軸５２が、ガントリ１５とは逆方向に回転変位する。その結果、回転支持部５７がガントリ１５の内側面１５ａに固定されることで、静止系から見て照射ポート１８が周回している場合でも、トンネル構造体１６を静止状態に保つことができる。

さらに回転支持部５７には、その自重を鉛直方向においてサポートするサポート部材２６が設けられている。このサポート部材２６の一端はトンネル構造体１６又はパネル５１に固定され、その他端はガントリの内側面１５ａに無摩擦接触しその周方向に回転する。なお回転支持部５７の回転軸５２は、モータ等により駆動回転させる場合の他に、自由回転するものであってもよい。

本実施形態において回転支持部５７は、回転軸５２とスタンド５６とから成るものを例示して説明したが、特に限定されるものではなく、ガントリの内側面１５ａに対し相対的に回転変位する移動床１２及びトンネル構造体１６を支持することができるものであれば、適宜採用される。

移動床１２は、照射ポート１８が貫通する箇所の板材１１の結合が分断された、少なくとも二つの分割体１７Ａ，１７Ｂからなる。そして各々の分割体１７Ａ，１７Ｂは、レール１３の閉軌道を互いに独立に走行させるための駆動機器２５（２５Ａ，２５Ｂ）として備えている。

そのような駆動機器２５Ａ，２５Ｂとしては、具体的にラック・アンド・ピニオン機構を採用することができる。この場合、ピニオンとよばれる小口径の円形歯車を回転させるモータが、分割体１７を構成する板材１１に設けられている。そして、第１レール１３Ａ及び第２レール１３Ｂの少なくとも一方に、歯切りをしたラックを設ける。このラックとピニオンを組み合わせピニオンに回転力を加えると、ラックの長手方向への直線力に変換され、移動床１２の分割体１７は、レール１３の閉軌道に沿って移動することになる。

駆動機器２５Ａ，２５Ｂとしては、ラック・アンド・ピニオン機構に限定されることはなく、分割体１７Ａ，１７Ｂをレール１３の閉軌道に対し、それぞれ独立に走行させることができるものであれば適宜採用することができる。

図５に基づいてケーブル長さ調整部３０の構成を説明する。図５（Ａ）は移動床に固定された駆動機器２５が調整部３０に近接したときのケーブル３１の状態を示し、図５（Ｂ）は駆動機器２５が調整部３０から離れたときのケーブル３１の状態を示している。

調節部３０は、ケーブル３１が貫通するガントリの位置に設けられこのケーブル３１を折り返して収容するケーシング３２と、このケーシング３２の内部においてケーブル３１の一部を先端に設けられた牽引ブラケット３５で保持するワイヤ３３と、ケーシング３２に設けられワイヤ３３をその末端から巻回し牽引ブラケット３５の変位に従って正／逆方向に回転するホイール３６と、を有する。
駆動機器２５の接続側とは反対側のケーブル３１は、固定部３７においてケーシング３２の側周壁を貫通した状態で固定され、ケーシング３２の外側に案内される。

ホイール３６は、その回転が、ワイヤ３３を巻回する方向（ケーブル３１を引き込む方向）に弾性的に付勢されている。これにより駆動機器２５が調節部３０の開口に近づくときは、図５（Ａ）に示すように、ケーブル３１は牽引ブラケット３５に引き込まれてケーシング３２の内部に収容される。
他方で、駆動機器２５が調節部３０の開口から遠ざかるときは、図５（Ｂ）に示すように、ケーブル３１は牽引ブラケット３５の付勢力に逆らってケーシング３２の外部に引き出される。なおケーブル３１の引き出し方向は、任意とすることができる。

ホイール３６の他の実施例として、駆動制御されるモータを接続して、ホイール３６の回転を駆動制御してもよい。
このように調節部３０が構成されることによって、軸回転するガントリ１５の内側に配線されるケーブル３１の長さが調整され、ケーブル３１の過剰な張力や弛みを解消させることができる。

実施形態において駆動機器２５は、移動床１２を構成する分割体１７Ａ，１７Ｂを走行させる駆動機器を例示しているが、特に限定はない。駆動機器２５は、移動床１２に設けられたセンサやアクチュエータ等の機器である場合もある。

また移動床１２に複数の駆動機器２５が設けられている場合もあり、この場合、ケーブル３１は、複数の駆動機器２５の各々に接続される複数のライン（図示略）を一本に束ねて、被覆して構成される。このようにケーブル３１を構成するラインは、駆動機器２５に電力を供給するものであったり、センサ等の検出信号やアクチュエータの制御信号を伝送するものであったりする。
またケーシング３１を、透明な部材で構成し、収容されているケーブル３１の形状を外部から視認できるようにしてもよい。

図６，図７，図８，図９を参照して、移動床１２及びケーブル長さ調整部３０（３０Ａ，３０Ｂ）の動作を説明する。
回転する移動床１２のフラット水平床面は、隙間を発生させず、行き来する技師の安全を確保する必要がある。

そこで、分割体１７Ａ，１７Ｂを移動させる駆動機器２５Ａ，２５Ｂは、フラット水平床面に分割体のエッジ１４Ａ，１４Ｂが位置する場合、このエッジ１４Ａ，１４Ｂが照射ポート１８か、もしくは互いに当接するように設定し、フラット水平床面に隙間が生じないように制御される。他方で、アーチ天井に位置するエッジ１４Ａ，１４Ｂは、隙間を形成し、アーチ側に形成される移動床１２の開口からガントリ１５の内側面１５ａが露見することを許容する。

その結果、図６，図７，図８，図９に示すように、照射ポート１８の回転位置によって、機器２５Ａ，２５Ｂと対応する調節部３０Ａ，３０Ｂとの距離も変化する。

図６に示すように、ガントリ１５の回転角度を０度に設定し、照射ポート１８をベッド２４の真上に位置させる場合を検討する。このときは、水平床面において分割体のエッジ１４Ａ，１４Ｂを互いに当接させることで、床面に開口を生じさせることなく、移動床１２の水平フラット床面が形成される。
このとき、機器２５Ａ，２５Ｂは共に水平床面に位置し、ケーブル３１Ａ，３１Ｂは共に調節部３０Ａ，３０Ｂから半分程引き出された状態となる。

更に、図７に示すように、ガントリ１５の回転角度を４５度に設定し、照射ポート１８をベッド２４の斜め上方に位置させる場合を検討する。このときも、水平床面において分割体のエッジ１４Ａ，１４Ｂを互いに当接させることで、床面に開口を生じさせることなく、移動床１２の水平フラット床面が形成される。
このとき、一方の機器２５Ａは水平床面に位置し、対応するケーブル３１Ａは調節部３０Ａから回転中心に向かってほぼ全て引き出された状態となる。他方の機器２５Ｂはアーチ天井に位置し、対応するケーブル３１Ｂは調節部３０Ｂにほぼ収容された状態となる。

次に、図８に示すように、ガントリ１５の回転角度を＋１３５度に設定し、照射ポート１８をベッド２４の斜め下方に位置させる場合を検討する。このときは、分割体のエッジ１４Ａ，１４Ｂは照射ポート１８の側に当接させることで、開口を生じさせることなく、移動床１２の水平フラット床面が形成される。
このとき、機器２５Ａ，２５Ｂは共にアーチ天井に位置し、一方のケーブル３１Ａは調節部３０Ａにほぼ収容された状態となり、他方のケーブル３１Ｂは調節部３０Ｂからほぼ全て引き出され周方向に沿って配置された状態となる。

更に図９に示すように、ガントリ１５の回転角度１８０度に設定し、照射ポート１８をベッド２４の真下に位置させる場合を検討する。このときも、照射ポート１８と分割体のエッジ１４Ａ，１４Ｂとを当接させることで、照射ポート１８の両側に開口を生じさせることなく、移動床１２の水平フラット床面が形成される。
このとき、機器２５Ａ，２５Ｂは共にアーチ天井に位置し、ケーブル３１Ａ，３１Ｂは共に調節部３０Ａ，３０Ｂから周方向に沿ってほぼ全て引き出された状態となる。

なお、上述した、照射ポート１８、分割体１７Ａ，１７Ｂ、機器２５Ａ，２５Ｂ及び調整部３０Ａ，３０Ｂの位置関係は、例示的に示したものである。このためレール１３の円弧軌道及び直線軌道の長さや照射ポート１８の寸法によっても、これらの関係は適宜変更される。また、上述の例では、ガントリ１５が一方向に１８０度の範囲で回転する場合を述べたが、ガントリ１５は、反対方向にも１８０度の範囲で回転させることもできる。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の粒子線医療装置によれば、移動床に設けられた機器に接続されるケーブルの、ガントリ内側における配線長さを調整することにより、回転動作の安定性を向上させることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…粒子線医療装置、１１…板材、１２…移動床、１３（１３Ａ，１３Ｂ）…レール、１４Ａ，１４Ｂ…エッジ、１５…ガントリ、１６…トンネル構造体、１７（１７Ａ，１７Ｂ）…分割体、１８…照射ポート、１９…粒子線ビーム、２１…基礎、２３…回転駆動部、２４…ベッド、２５（２５Ａ，２５Ｂ）…機器（駆動機器）、２６…サポート部材、２７…ビーム輸送系、２８…偏向電磁石、３０Ａ…調節部、３０（３０Ａ，３０Ｂ）…調整部、３１（３１Ａ，３１Ｂ）…ケーブル、３２…ケーシング、３３…ワイヤ、３５…牽引ブラケット、３６…ホイール、３７…固定部、５１…パネル、５２…回転軸、５３…空洞体、５６…スタンド、５７…回転支持部。

Claims (6)

1. ビームの照射ポートを胴体に固定させた状態で軸回転するガントリと、
   前記ガントリの内側に設けられ、複数の板材を相互に屈曲自在に環状結合して成り、静止系から固定されるベッドの少なくとも一部を収容し、前記照射ポートを貫通させた状態で前記ガントリとともに周回転する移動床と、
   前記移動床に固定された機器に接続され、前記ガントリを貫通してその外側に配線されるケーブルと、
   前記軸回転する際に、前記ケーブルのうち前記ガントリの内側に配線される部分の長さを過剰な張力や弛みを解消させるように調整する調節部と、を備え、
   前記調節部は、
   前記ケーブルが貫通する前記ガントリの位置に設けられ、このケーブルを収容するケーシングと、
   前記ケーブルの一部を、先端で保持するワイヤと、
   前記ケーシングに設けられ、前記ワイヤをその末端から巻回し、前記ワイヤの先端の変位に従って正／逆方向に回転するホイールと、を有することを特徴とする粒子線医療装置。
2. 請求項１に記載の粒子線医療装置において、
   円弧軌道及び直線軌道を有し、前記移動床の両端のうち少なくとも一端を摺動自在に係合するレールをさらに備え、
   前記移動床は、水平前記照射ポートが貫通する箇所の前記板材の結合が分断された、少なくとも二つの分割体からなり、
   前記機器は、前記分割体の各々に設けられ、前記レールに沿って前記分割体を走行させるものであることを特徴とする粒子線医療装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の粒子線医療装置において、
   前記ケーブルは、複数の前記機器の各々に接続される複数のラインを束ねて、被覆したものであることを特徴とする粒子線医療装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線医療装置において、
   前記ホイールの前記回転は、前記ワイヤを巻回する方向に弾性的に付勢されていることを特徴とする粒子線医療装置。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線医療装置において、
   前記ホイールの前記回転は、駆動制御されていることを特徴とする粒子線医療装置。
6. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の粒子線医療装置において、
   前記ケーシングは、透明な部材で構成され、収容されている前記ケーブルの形状を視認できることを特徴とする粒子線医療装置。
   

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