WO2010110255A1 - 放射線治療装置 - Google Patents

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石川　正純
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Definitions

  • the present invention relates to a radiotherapy apparatus that treats a living body by irradiating with radiation.
  • PET positron emission tomography
  • a metal marker inserted in the vicinity of the tumor is seen through by two types of X-ray fluoroscopes, and the three-dimensional position of the metal marker is calculated. The radiation irradiation is controlled based on the obtained metal marker position.
  • the moving body tracking radiotherapy device requires an invasive technique for introducing a metal marker, and it is difficult to track the tumor itself.
  • the present invention is a radiotherapy apparatus for treating a living body by irradiating therapeutic radiation, which is disposed oppositely in a direction sandwiching the irradiated therapeutic radiation, and positrons emitted from positron emitting nuclides disappear.
  • a pair of two-dimensional radiation detectors that detect the incident two-dimensional position of a pair of annihilation ⁇ rays generated in the pair, and a positron emission nuclide position according to the pair of positions detected by the pair of two-dimensional radiation detectors. It includes a nuclide position detection unit for detection, and a radiation irradiation apparatus for irradiating therapeutic radiation toward the positron emission nuclide position.
  • the nuclide position detection unit performs position detection with respect to the positions detected in time series only when the moving distance or moving speed is a predetermined value or less.
  • the nuclide position detection unit determines a position in a direction connecting the pair of two-dimensional radiation detectors of the positron emitting nuclide according to the treatment radiation irradiation position of the radiation irradiation apparatus.
  • the nuclide position detection unit is arranged between a detector line and a line connecting a pair of two-dimensional radiation detectors determined by simultaneous detection in a time range in which each part in the living body is estimated to be substantially at the same position.
  • the positron emission nuclide is assumed to be at a point where the plane of interest intersects with each other, and the positron emission depends on whether the distribution formed by the time-series positron emission nuclide positions is within a predetermined range on the plane of interest. It is preferable to determine whether the nuclide is on the plane of interest.
  • the nuclide position detection unit when the detected positron emitting nuclide position is within the radiation irradiation range of the radiation irradiation apparatus, it is preferable to perform treatment radiation irradiation with the radiation irradiation apparatus.
  • a positron emitting nuclide such as FDG is accumulated in a tumor moving by respiration, etc., and two annihilation gamma rays generated when the positron annihilates are detected by simultaneous counting, so that the position of the positron emitting nuclide can be determined in real time. It can be calculated. Therefore, radiation can be reliably irradiated to the tumor in synchronization with the detected tumor position.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an overall configuration of a radiation therapy apparatus.
  • a tumor 14 exists in the body of the patient 12 fixed on the treatment table 10.
  • a positron emitting nuclide such as FDG ( 18 F-FDG: 18 F-fluorodeoxy glucose) is administered to the patient 12 in advance as in the PET examination.
  • a positron emitting nuclide decays in the body and emits one positron.
  • the emitted positrons combine with the electrons of nearby atoms (usually water) and disappear, and two ⁇ rays with energy equal to the rest mass of the electrons are emitted.
  • the ⁇ rays have opposite momentums and are emitted in pairs in directions different from each other by 180 degrees (opposite directions).
  • FDG collects in cancer tissues (tumors) where glucose metabolism is active. Therefore, in the tumor, pairs of annihilation gamma rays are emitted one after another in opposite directions.
  • Two-dimensional radiation detectors 30-1 and 30-2 for detecting the emission position of ⁇ rays are arranged on both sides of the patient 12 in parallel with each other.
  • the two-dimensional radiation detector 30 has a large number of ⁇ -ray detectors arranged in a plane. For example, as shown in FIG. 2, it is composed of nine units each composed of 16 ⁇ -ray detectors. In the present embodiment, only 64 ⁇ -ray detectors indicated by dark circles in the figure are used, but detection accuracy can be increased by reducing the number of ⁇ -ray detectors and increasing the number thereof. .
  • the outputs of the two-dimensional radiation detectors 30-1 and 30-2 are supplied to the nuclide position detector 32.
  • the nuclide position detector 32 is independently supplied with a signal from each ⁇ -ray detector.
  • the position of the positron emitting nuclide is specified based on the ⁇ -ray detection position.
  • a table 32a for specifying the position of a positron emitting nuclide when coincidence is performed in each pair of ⁇ -ray detectors of the two-dimensional radiation detectors 30-1 and 30-2 is provided.
  • the position of the positron emitting nuclide is specified with reference to the table 32a.
  • the time resolution in the nuclide position detection unit 32 is about 100 nsec, which can sufficiently track the movement of the tumor (about 1 to several tens mm / s) due to respiration. Further, according to the method of this embodiment, the time resolution can be increased to the order of nsec.
  • the output of the nuclide position detection unit 32 is supplied to the control unit 34, and the control unit 34 controls the radiation irradiation apparatus 40. That is, the control device 40 performs control so that the therapeutic radiation is emitted only when the detected nuclide position is within the irradiation range of the therapeutic radiation beam from the radiation irradiation device 40. This makes it possible to reliably irradiate the tumor with therapeutic radiation.
  • An FDG 450 kBq is held in a container, and this is parallel to the two-dimensional radiation detectors 30-1 and 30-2 at the center between the two-dimensional radiation detectors 30-1 and 30-2 at 10 mm / s and 50 mm / s. The position was detected by reciprocating.
  • FIG. 4 shows data on the position obtained by the nuclide position detection unit 32, and shows original data that is not processed at all.
  • the dark circles are data for the moving direction (X direction) of the target
  • the thin circles are data for the height direction (Y direction) perpendicular to the moving direction.
  • X direction a triangular wave line indicated by a solid black line is an actual position. Since there is basically no movement in the Y direction, the actual position is on the 0 line. As is apparent from the figure, the measurement points vary considerably in the original data.
  • a threshold (Tmm) was set for the movement of the detection position in the two detections. That is, two detection positions before and after tracking are limited to those within Tmm, and those with further movement are excluded.
  • T 10 mm is shown in FIG.
  • the rate was 78.9% at a moving speed of 10 mm / s and 70.6% at a moving speed of 50 mm / s.
  • the threshold value may be determined according to the moving speed of the target.
  • the above-mentioned threshold value is the distance
  • the threshold value may be set to about the average speed. Even if the data of the large movement that actually occurred is excluded, it is only difficult to perform treatment radiation at that time, and there is no particular problem.
  • the threshold value of the moving speed is determined according to the moving speed of the target.
  • the direction connecting the two two-dimensional radiation detectors 30-1 and 30-2 is fixed to the center plane of the two-dimensional radiation detectors 30-1 and 30-2 and the target (positron).
  • the position of the tumor in which the release nuclide exists) is detected. That is, this central plane is a plane of interest between the line connecting the pair of two-dimensional radiation detectors determined by simultaneous detection and the detector pair. This is because the therapeutic radiation is irradiated only when the target exists at a predetermined position in the central plane.
  • the target position is incorrect. That is, as shown in FIG. 6, the target on the actual target plane is a predetermined size, but the target position on the center plane is distributed over a large range. Therefore, in such a case, the target position cannot be specified.
  • the detection target position on the central plane within a predetermined time is not within the predetermined range, it is determined that no target exists on the central plane, and therapeutic radiation is not applied.
  • the therapeutic radiation can be emitted only when the target falls within the therapeutic radiation irradiation range, and the therapeutic radiation of the target can be emitted.
  • a predetermined time for example, standard deviation
  • the resolution is extremely reduced ( Only the target on the central plane can be tracked. Further, according to the present embodiment, it is possible to perform arithmetic processing in units of nsec, and it is possible to apply to a tumor of a size suitable for radiation therapy of 1 cm or less. In addition, there is a report that the average movement is 1-12 mm (1-20 mm) in the front-rear direction and the average is 1 mm (0-1 mm) in the left-right direction in lung cancer where the movement of the target is most concerned. In the present embodiment, it is possible to sufficiently follow the front-rear direction, and the left-right direction can be detected by not being imaged, so that irradiation of therapeutic radiation in this case can be avoided.
  • the radiation irradiation apparatus 40 of this embodiment shall irradiate a therapeutic radiation beam in a fixed direction, it may be irradiated while rotating. By irradiating a therapeutic radiation beam while rotating, rotational intensity-modulated radiotherapy or the like can be performed.
  • the position of the positron emitting nuclide is detected in real time by the two-dimensional radiation detectors 30-1 and 30-2, and the irradiation of the therapeutic radiation from the radiation irradiation apparatus 40 is controlled. Accordingly, it is possible to reliably irradiate a therapeutic radiation beam following a tumor that moves greatly, and to suppress unnecessary radiation irradiation.
  • a drug such as FDG used for molecular imaging can be used, tracking can be performed for a small tumor discovered in PET diagnosis.
  • the tumor is small due to early cancer, the risk of an invasive procedure for inserting a gold marker is often asked, and the merit of being able to be traced with minimal invasiveness is great.
  • the tumor itself can be tracked as a target, and the position of the tumor can be confirmed without performing a reconstruction like a PET apparatus, so that it is also effective as a simple tumor position confirmation method. is there.

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Abstract

　生体１２に対し、放射線照射装置４０から治療放射線を照射する。一対の２次元放射線検出器３０－１，３０－２が、照射される治療放射線を挟む方向おいて対向して配置され、陽電子放出核種から放出された陽電子が消滅する際に発生される一対の消滅γ線についてその入射２次元位置を検出する。そして、一対の２次元放射線検出器３０－１，３０－２により検出した一対の位置に応じて、核種位置検出部３２が陽電子放出核種位置を検出し、放射線照射装置４０が陽電子放出核種位置に向けて治療放射線を照射する。

Description

放射線治療装置
　本発明は、生体に対し放射線を照射して治療する放射線治療装置に関する。
　近年、放射線治療において、陽電子断層撮影装置（PET; Positron Emission Tomography）などの分子イメージングによる腫瘍位置同定が行われている。すなわち、放射線治療開始前にＰＥＴ撮像を行い、得られた断層像を治療計画に利用している。しかし、このＰＥＴでは、腫瘍の動きをリアルタイムで追跡することは困難である。
　一方、腫瘍の動きをリアルタイムで追跡することのできる動体追跡放射線治療装置では、２式のＸ線透視装置によって腫瘍近傍に刺入された金属マーカを透視し、金属マーカの３次元位置を算出し、得られた金属マーカ位置に基づいて放射線照射を制御している。
ＷＯ２００８／０３８６６２Ａ１
　しかし、上記動体追跡放射線治療装置では、金属マーカを導入する際の侵襲的手技が必要であり、また、腫瘍そのものでの追跡が困難であった。
　本発明は、生体に対し治療放射線を照射して治療する放射線治療装置であって、照射される治療放射線を挟む方向おいて対向して配置され、陽電子放出核種から放出された陽電子が消滅する際に発生される一対の消滅γ線についてその入射２次元位置を検出する一対の２次元放射線検出器と、この一対の２次元放射線検出器により検出した一対の位置に応じて、陽電子放出核種位置を検出する核種位置検出部と、陽電子放出核種位置に向けて治療放射線を照射する放射線照射装置と、を含むことを特徴とする。
　また、前記核種位置検出部は、時系列で検出される位置について、その移動距離または移動速度が所定以下のものに限定して位置検出を行うことが好適である。
　また、前記核種位置検出部は、前記放射線照射装置の治療放射線の照射位置に応じて陽電子放出核種の一対の２次元放射線検出器を結ぶ方向の位置を決定することが好適である。
　また、前記核種位置検出部は、生体中の各部位がほぼ同一位置にあると推定される時間範囲において、同時検出によって決定された一対の２次元放射線検出器を結ぶ線と検出器対の間にある関心平面が交差する点に陽電子放出核種があると仮定し、時系列の陽電子放出核種位置が形成する分布が、前記関心平面上において所定の範囲内にあるか否かによって、前記陽電子放出核種が前記関心平面上にあるか否かを判定することが好適である。
　前記核種位置検出部において、検出した陽電子放出核種位置が前記放射線照射装置による放射線の照射範囲内である場合に、前記放射線照射装置による治療放射線の照射を行うことが好適である。
　本発明では、呼吸などで動く腫瘍にＦＤＧなどの陽電子放出核種を集積させ、陽電子が消滅する際に発生する２本の消滅γ線を同時計数によりとらえることにより、リアルタイムで陽電子放出核種の位置を算出できる。従って、検出した腫瘍位置に同期して放射線を腫瘍に確実に照射することができる。
実施形態に係る放射線治療装置の全体構成を示す図である。 ２次元放射線検出器の構成を示す図である。 ターゲットが中央平面にある場合の位置検出を示す図である。 処理前の位置データを示す図である。 処理後の位置データを示す図である。 ターゲットが中央平面にない場合の位置検出を示す図である。
　以下、本発明に係る放射線治療装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１は、放射線治療装置の全体構成を示す図である。
　治療台１０上に固定される患者１２の体内には、腫瘍１４が存在する。本実施形態では、ＰＥＴ検査と同様に、患者１２に予めＦＤＧ（18Ｆ－ＦＤＧ：18F-fluorodeoxy glucose）などの陽電子放出核種を投与する。陽電子放出核種は、体内で崩壊して１個の陽電子を放出する。放出された陽電子は、近傍の原子（通常は水）の電子と結合して消滅し、電子の静止質量に等しいエネルギーのγ線が、２個放出される。このγ線は、元の電子と陽電子の運動量を保存するために、正反対の運動量を持ち、互いに１８０度異なる方向（反対方向）へ対で放出される。
　ここで、ＦＤＧは、グルコース代謝が活発な癌組織（腫瘍）に集まる。従って、腫瘍において、消滅γ線の対が互いに反対方向に向けて次々放出されることになる。
　患者１２の両側には、γ線の放出位置を検出する２次元放射線検出器３０－１，３０－２が互いに平行に配置されている。この２次元放射線検出器３０は、多数のγ線検出器を平面状に配置したものである。例えば、図２に示すように、１６個のγ線検出器からなるユニットを９個配列したもので構成される。なお、本実施形態では、図中濃い○印で示した６４個のγ線検出器のみを用いたが、γ線検出器を小さくしてその数を増やすことで、検出精度を上げることができる。
　２次元放射線検出器３０－１，３０－２の出力は核種位置検出部３２に供給される。この核種位置検出部３２には、各γ線検出器からの信号が独立して供給され、２つの２次元放射線検出器３０－１，３０－２においてγ線を同時検出した場合に、２つのγ線検出位置に基づいて、陽電子放出核種の位置を特定する。この例では、２次元放射線検出器３０－１，３０－２の各γ線検出器のペアにおいて同時計数が行われた場合の、陽電子放出核種位置を特定するテーブル３２ａを有しており、このテーブル３２ａを参照して陽電子放出核種位置を特定している。
　すなわち、図３に示すように、２つの２次元放射線検出器３０－１，３０－２の特定の２つのγ線検出器においてγ線を同時検出した場合には、その２つを結ぶ直線上に陽電子放出核種が存在することがわかる。そして、本実施形態では、陽電子放出核種が２つの２次元放射線検出器３０－１，３０－２の中間にあると仮定することにより、２つのγ線検出器の同時計測が行われた場合の陽電子放出核種位置が特定される。これをあらかじめテーブル３２ａに登録しておく。従って、同時計数が行われた場合に瞬時に陽電子放出核種位置を検出することができる。
　なお、本実施形態の装置では、核種位置検出部３２における時間分解能は、１００ｎｓｅｃ程度であり、これは呼吸などによる腫瘍の移動（１～数１０ｍｍ／ｓ程度）に対し十分な追跡が行える。また、本実施形態の手法によれば、時間分解能は、ｎｓｅｃオーダーにまで上昇することも可能である。
　核種位置検出部３２の出力は、制御部３４に供給され、この制御部３４が放射線照射装置４０を制御する。すなわち、制御装置４０は、検出された核種位置が放射線照射装置４０からの治療放射線ビームの照射範囲にあるときにのみ治療放射線が放射されるように制御する。これによって、確実に治療放射線を腫瘍に照射することが可能となる。
　ここで、核種位置検出部３２における位置検出について、さらに説明する。ＦＤＧ４５０ｋBqを容器に保持し、これを２次元放射線検出器３０－１，３０－２間の中央において、１０ｍｍ／ｓ、５０ｍｍ／ｓで２次元放射線検出器３０－１，３０－２に平行して往復動させて位置検出を行った。
　図４は、核種位置検出部３２において得た位置についてのデータであり、何ら処理を行わないオリジナルのデータを示している。なお、図において、濃い○がターゲットの移動方向（Ｘ方向）についてのデータであり、薄い○が移動方向に直行する高さ方向（Ｙ方向）のデータである。Ｘ方向は、黒の実線で示した三角波状の線が実際の位置になる。Ｙ方向は基本的に移動がないので、実際の位置は０のライン上となる。図から明らかなように、オリジナルデータでは、測定点がかなりばらついている。
　そこで、２回の検出における検出位置の移動について閾値（Ｔｍｍ）を設定した。すなわち、追跡前後の２つの検出位置がＴｍｍ内であるものに限定し、それ以上の移動があるものを除外した。Ｔ＝１０ｍｍとした場合が図５に示してある。このように、閾値Ｔを設定することで精度が改善されることがわかる。実際の位置との差を５ｍｍを許容誤差と考えた場合、オリジナルでは、許容誤差を満たす割合が移動速度１０ｍｍ／ｓで５７．８％、移動速度５０ｍｍ／ｓで５１．６％であったのが、閾値による処理を行った場合には、移動速度１０ｍｍ／ｓで７８．９％、移動速度５０ｍｍ／ｓで７０．６％であった。また、これを測定値のエラーの平均距離（Ｍｅａｎ　ｅｒｒｏｒ）で評価すると、オリジナルでは、移動速度１０ｍｍ／ｓで８．６９ｍｍ、移動速度５０ｍｍ／ｓで９．０６ｍｍであったのが、閾値による処理を行った場合には、移動速度１０ｍｍ／ｓで１．８７ｍｍ、移動速度５０ｍｍ／ｓで１．７８ｍｍであった。これより、閾値の設定によって、十分な精度でＦＤＧの位置を追跡可能であることがわかる。
　なお、上記閾値は、ターゲットの移動速度に応じて決定するとよい。ここで、上述の閾値は、距離としたが、２回の検出についての時間間隔で移動距離を除算した移動速度とするが好適である。例えば、閾値としての移動速度をターゲットの移動速度の上限値程度に設定することが好ましい。また、閾値を平均速度程度に設定してもよい。実際に起こった大きな移動のデータを除外しても、その際に治療放射線の照射が行われにくくなるだけであり、特に問題はない。このように、移動速度の閾値は、ターゲットの移動速度に応じて決定される。
　ここで、本実施形態では、２つの２次元放射線検出器３０－１，３０－２を結ぶ方向については、２次元放射線検出器３０－１，３０－２の中央平面に固定してターゲット（陽電子放出核種が存在する腫瘍）の位置検出を行っている。すなわち、この中央平面が、同時検出によって決定された一対の２次元放射線検出器を結ぶ線と検出器対の間にある関心平面となる。これは、ターゲットが中央平面内の所定の位置存在している場合のみに治療放射線を照射するからである。
　そして、ターゲットが中央平面にない場合には、ターゲット位置が誤ったものになる。すなわち、図６に示すように実際のターゲット存在平面上でのターゲットは所定の大きさであるが、中央平面におけるターゲット位置は大きな範囲に分布してしまう。従って、このような場合には、ターゲット位置を特定することができない。
　本実施形態では、所定時間内の中央平面における検出ターゲット位置が、所定の範囲内にない場合には、中央平面にターゲットが存在しないと判断して、治療放射線の照射を行わない。これによって、ターゲットが治療放射線の照射範囲になる場合にのみ治療放射線を放射して、ターゲットの治療放射線を照射することができる。
　例えば、０．０１秒の間に検出した位置の分布がターゲットの通常の大きさの２倍以内である場合に、ターゲットが中央平面にあると判断することができる。また、所定時間内の検出位置の分布（例えば、標準偏差）が所定値（σ＝５ｍｍ）以下である場合にターゲットが中央平面に存在すると判定することもできる。
　このように、本実施形態によれば、２次元放射線検出器３０－１，３０－２検出器間の中央平面にターゲット（陽電子放出核種が存在する腫瘍）がない場合、極端に解像度が低下（結像されない）するため、中央平面上にあるターゲットのみを追跡することが可能となる。また、本実施形態によれば、ｎｓｅｃ単位での演算処理が可能であり、１ｃｍ以下の放射線治療に適したサイズの腫瘍に対する適用が可能である。なお、最もターゲットの移動が懸念される肺癌で、前後方向で平均１－１２ｍｍ（１－２０ｍｍ）の移動である一方、左右では平均１ｍｍ（０－１ｍｍ）との報告がある。本実施形態では、前後方向に十分追従が可能であり、また左右方向については、結像されないことで検出ができ、この場合の治療放射線の照射を避けることができる。
　また、本実施形態の放射線照射装置４０は、一定の方向に治療放射線ビームを照射するものとしたが、回転しながら照射するものでもよい。回転しながら治療放射線ビームを照射することにより、回転強度変調放射線治療などが行える。
　このように、本実施形態によれば、２次元放射線検出器３０－１，３０－２により、陽電子放出核種位置をリアルタイムで検出し、放射線照射装置４０からの治療放射線の照射を制御する。これによって、大きく動く腫瘍に対し、追従して確実に治療放射線ビームを照射することができ、無駄な放射線照射を抑制することができる。
　本実施形態では、分子イメージングに用いられているＦＤＧなどの薬剤を利用することができるため、ＰＥＴ診断において発見された小さな腫瘍であれば、追跡を行うことができる。特に、早期癌で腫瘍が小さい場合、金マーカを刺入する侵襲的手技のリスクが問われることも多く、低侵襲にて追跡が可能であることのメリットは大きい。
　また、本実施形態では、腫瘍そのものをターゲットとして追跡できる他、ＰＥＴ装置のような再構成を行うことなく、腫瘍の位置を確認することもできるため、簡易的な腫瘍位置確認手法としても有効である。
　１０　治療台、１２　患者、１４　腫瘍、３０　２次元放射線検出器、３２　核種位置検出部、３２ａ　テーブル、３４　制御部、４０　放射線照射装置。

Claims (5)

  1. 　生体に対し治療放射線を照射して治療する放射線治療装置であって、
    　照射される治療放射線を挟む方向おいて対向して配置され、陽電子放出核種から放出された陽電子が消滅する際に発生される一対の消滅γ線についてその入射２次元位置を検出する一対の２次元放射線検出器と、
    　この一対の２次元放射線検出器により検出した一対の位置に応じて、陽電子放出核種位置を検出する核種位置検出部と、
    　陽電子放出核種位置に向けて治療放射線を照射する放射線照射装置と、
    　を含むことを特徴とする放射線治療装置。
  2. 　請求項１に記載の放射線治療装置において、
    　前記核種位置検出部は、時系列で検出される位置について、その移動距離または移動速度が所定以下のものに限定して位置検出を行うことを特徴とする放射線治療装置。
  3. 　請求項１に記載の放射線治療装置において、
    　前記核種位置検出部は、前記放射線照射装置の治療放射線の照射位置に応じて陽電子放出核種の一対の２次元放射線検出器を結ぶ方向の位置を決定することを特徴とする放射線治療装置。
  4. 　請求項３に記載の放射線治療装置において、
    　前記核種位置検出部は、生体中の各部位がほぼ同一位置にあると推定される時間範囲において、同時検出によって決定された一対の２次元放射線検出器を結ぶ線と検出器対の間にある関心平面が交差する点に陽電子放出核種があると仮定し、時系列の陽電子放出核種位置が形成する分布が、前記関心平面上において所定の範囲内にあるか否かによって、前記陽電子放出核種が前記関心平面上にあるか否かを判定することを特徴とする放射線治療装置。
  5. 　請求項１～４のいずれか１つに記載の放射線治療装置において、
    　前記核種位置検出部において、検出した陽電子放出核種位置が前記放射線照射装置による放射線の照射範囲内である場合に、前記放射線照射装置による治療放射線の照射を行うことを特徴とする放射線治療装置。
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