JP2014000128A - リアルタイム３次元放射線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線治療ターゲットに放射線を高精度に照射することができる放射線治療装置を実現することによって、治療品質を損なうことなく放射線治療期間を大幅に短縮する。
【解決手段】本発明によるリアルタイム３次元放射線治療装置は、治療ターゲットを透過する前の治療用放射線のビームデータを検出する第１の治療用放射線検出器４と治療ターゲットを透過した後の放射線を検出する第２の治療用放射線検出器５を備え、コリメータ３にアイリスコリメータを使用することで、１ｍｍ〜５０ｍｍの照射野形成を実現し、前記２つの検出器によって検出したビームデータを次の照射条件にリアルタイムにフィードバックすることで、高精度な放射線治療を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、IMRT（Intensity Modulated Radiation Therapy ：強度変調放射線治療）に好適なリアルタイム３次元放射線治療装置に関する。さらに詳しく言えば、本発明は、治療用放射線の照射毎の照射野形状、照射方向、強度、線量および線量分布などのビームデータおよび治療ターゲットの位置と形状を検出し、これらの結果をリアルタイムに次の照射条件にフィードバックするリアルタイム３次元放射線治療装置に関する。

放射線治療は、一般的には、図９に示すステップフローに従って実施される。放射線治療を受ける患者は、放射線治療の前に治療ターゲットを特定するために、ＣＴスキャナを含む画像診断装置を用いて、詳しい治療ターゲットの撮像を受ける。医師は、この撮像された画像データを基に、放射線の照射野形状、照射方向、強度、線量および線量分布などの照射条件を決定するため治療計画を策定する。策定された治療計画は、放射線治療を実施する前にＸ線シミュレータを使用したシミュレーションやファントムを使用した測定評価を行って、治療計画の正確性と妥当性について検証される。特に、IMRTの場合は、その照射条件の組み合わせが複雑なため、この治療前検証が重要である。従来、ＣＴスキャナによる撮像から検証を終えて放射線治療を開始できるまでの準備期間は、１週間から２週間かかっている。次に、放射線治療のステップに移る。患者は、治療計画策定時の体位と同じ体位に固定され、放射線の照射を受ける。照射回数は、疾患によって異なるが、例えば、前立腺がんの場合、約２０分／回の治療が３６回から３９回に分割して毎日継続して実施される。したがって、治療期間は、７週間から８週間を要する。このように治療に長期間を要する理由は、従来の放射線治療装置では、がん細胞が一度の照射で死滅するような高線量の放射線をがん細胞のみに集中して照射できないためである。従来の放射線治療装置によれば、放射線ビームの分解能が１ｃｍ程度までしかないため、１ｃｍ以下のがん細胞の治療はもちろん、がん細胞と健全な細胞の境界部位についても精度良くがん細胞のみに照射することはできない。そのため、健全な細胞にダメージを与えない程度の低線量の放射線を分割して多数回照射しなければならない。このように分割して照射することで、健全な細胞は、放射線のダメージを受けても回復することができるが、がん細胞は、異常分裂によって死滅する。

そこで、本件発明者は、患者の治療ターゲットの動きにリアルタイムに追従することができ、高出力で細いＸ線ビームを用いて、治療ターゲットの３次元形状に沿って全方位から高速、高精度にＸ線治療を行うことができるＸ線治療装置を平成２１年３月２５日に発明の名称「Ｘ線治療装置」（特願２００９−７５００８）として出願し、平成２１年１２月１１日に特許登録された（特許第４４１８８８８号：特許文献１）。特許文献１記載のＸ線治療装置は、１ＭＶ以上の高エネルギーＸ線で、しかもそのビーム径を１ｍｍから１０ｍｍの範囲で連続的に可変して出力するＸ線発生源を備えている。このＸ線発生源によって、治療ターゲットの３次元形状に沿って高精度にＸ線を照射することが可能になった。特許文献１記載のＸ線治療装置は、図８に示すように、治療用Ｘ線発生装置７０と対向関係を維持して治療用Ｘ線発生装置７０の動きに連動して動く治療用Ｘ線センサ７１を備える。この治療用Ｘ線センサ７１は、治療ターゲットを透過した治療用Ｘ線の照射野、強度、方向、線量および線量分布などのＸ線ビームデータを検出するためのセンサである。このセンサによって取得されたデータは、リアルタイムに処理されて、次の照射条件にフィードバックされ、高精度な治療が行われる。しかし、治療用Ｘ線の情報は、治療ターゲットを透過した後のデータのみであって、治療ターゲットで吸収された線量は、治療計画データを使用して算出しなければならない。また、治療用Ｘ線の照射方向について、１平面のみで検出しているので、正確性が不十分であった。さらに、特許文献１記載のＸ線治療装置は、細いＸ線ビームを出力するＸ線管を複数本束ねたＸ線管アレイによって照射野を形成するので、広い領域を照射する場合、照射野を形成する手順が複雑であった。

前述のように、従来の放射線治療は、長期間を要する。そこで、放射線治療全体の期間を短縮するために、放射線治療前の検証を短縮する提案がされている。

特許文献２記載の発明は、従来のファントムを使った測定評価を必要としない検証方法を開示している。放射線照射が２次元透過検出器に向けて行われ、その検出結果とビームモデルパラメータ、ビームモデル、機械パラメータセット等のデータに基づいてフルエンス計算アルゴリズムによってフルエンスの計算を行う。次に、計算されたフルエンスと治療ターゲットの形状や密度の情報を含む３次元画像データおよび線量アルゴリズムを使用して、治療ターゲットに対する３次元線量分布を取得する。しかしながら、線量アルゴリズムによって取得された３次元線量分布は、計算線量分布であって、精度的な課題が残る。さらに、特許文献２記載の発明は、治療後検証については、何ら言及していない。

特許第４４１８８８８号公報 特表２０１０−５０８１０６号公報

前述した先行技術は、解決されるべき以下の課題を含んでいる。
・Ｘ線治療装置において、治療用Ｘ線の検出は、治療ターゲットを透過したＸ線のみを検出しているため、照射野形状、照射方向、強度、線量および線量分布などの照射Ｘ線のビームデータおよび治療ターゲットにおける吸収線量の精度が不十分である。
・放射線治療の精度を損なわずに治療期間を短縮することができない。
・治療計画とその妥当性の検証および放射線治療後の治療結果の検証に多くの時間と労力を要する。

本発明の目的は、治療ターゲットの動きにリアルタイムに追従し、治療用放射線のビームデータを高精度に検出して、リアルタイムに次の照射条件にフィードバックし、高速、高精度に放射線治療を行うことができるIMRTに好適な放射線治療装置を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、治療計画策定とそのデータ検証および治療後の検証作業を大幅に軽減することができる放射線治療装置を提供することにある。

前記目的を達成するために本発明による請求項１記載の放射線治療装置は、
治療用放射線源用ロボットのヘッドに装着された治療用放射線源と、
前記治療用放射線源より放射される治療用放射線の照射野の形状を調整するコリメータと、
前記治療用放射線を検出する第１の治療用放射線検出器と第２の治療用放射線検出器と、
患者が仰臥するカウチを支持して、その位置と姿勢を制御するカウチロボットと、
前記カウチに仰臥する患者に対向してカウチの側面またはカウチの近傍に取り付けられた２以上の位置検出用Ｘ線源と、
前記位置検出用Ｘ線源に対向して前記カウチの下方に取り付けられ、マーカおよび／または治療ターゲットに向けて照射される位置検出用Ｘ線を検出する２以上の位置検出用Ｘ線検出器と、
前記位置検出用Ｘ線検出器の検出データに基づいて、治療ターゲットの画像を再構成するとともに治療ターゲットの位置座標を計算する画像処理装置と、
前記画像処理装置の出力を表示するモニターと、
前記第１および第２の治療用放射線検出器の検出データより前記治療用放射線の強度、照射方向、照射野形状、線量および線量分布などのビームデータを演算する中央処理装置と、
前記画像処理装置および前記中央処理装置の出力データを蓄積する記憶装置と、
前記治療用放射線源用ロボットと前記カウチロボットおよび前記装置等を制御する制御装置を備えた放射線治療装置であって、
前記第１の治療用放射線検出器は、前記治療用放射線源から照射されて前記コリメータを通過直後の治療用放射線を検出し、
前記第２の治療用放射線検出器は、前記第１の治療用放射線検出器に対向する位置関係を保持して、患者が仰臥するカウチに近接して配置され、前記治療用放射線源の動きに追従して動き、治療ターゲットを透過した治療用放射線を検出し、
前記中央処理装置は、前記画像処理装置の出力データと前記第１および第２の治療用放射線検出器の検出データを入力データとしてリアルタイムに前記治療用放射線の強度、照射方向、線量、線量分布、治療ターゲットにおける吸収線量、照射野形状および治療ターゲットの位置等に関する計算処理を行い、当該計算結果を前記治療用放射線の次の照射条件にリアルタイムにフィードバックする手段を備え、
前記位置検出用Ｘ線源およびこれに対向する前記位置検出用Ｘ線検出器は、その対向する位置関係を保持し、前記位置検出用Ｘ線源の照射方向および角度が前記カウチに仰臥する患者の治療ターゲットに対向するようにカウチロボットによって制御され、治療ターゲット付近に埋め込まれたマーカまたは／および治療ターゲット自体のＸ線画像を撮像することを特徴とする。

本発明による請求項２記載の放射線治療装置は、請求項１記載の放射線治療装置において、
前記治療用放射線源用ロボットは、多軸のアーム形ロボット、
ガントリ形ロボット、
Ｃアーム形ロボット、または、
前記多軸のアーム形ロボットのアーム先端部にＣアームを結合したロボットのいずれかであって、それらにより前記治療用放射線源，前記コリメータと前記第１の治療用放射線検出器が支持されることを特徴とする。

本発明による請求項３記載の放射線治療装置は、請求項２記載の放射線治療装置において、
前記第２の治療用放射線検出器は、ガントリ形ロボット、Ｃアーム形ロボット、前記多軸のアーム形ロボットのアーム先端部にＣアームを結合したロボットに支持されることを特徴とする。

本発明による請求項４記載の放射線治療装置は、請求項１、２または３記載の放射線治療装置において、
前記コリメータは、アイリスコリメータであることを特徴とする。

本発明による請求項５記載の放射線治療装置は、請求項１、２または３記載の放射線治療装置において、
前記治療用放射線源より照射された放射線が、前記コリメータによってビーム調整された結果、治療ターゲットにおける当該照射野の直径または幅が、１ｍｍであることを特徴とする。

本発明による請求項６記載の放射線治療装置は、請求項１、２または３記載の放射線治療装置において、
前記位置検出用Ｘ線源および前記位置検出用Ｘ線検出器によるマーカおよび／または治療ターゲットの位置および形状を同定するステップと、前記治療用放射線の照射条件を設定するステップと、前記治療用放射線源から治療ターゲットへ向けて治療用放射線を照射するステップと、前記第１および第２の治療用放射線検出器によって前記治療用放射線のビームデータを取得するステップと、前記治療用放射線のビームデータに基づいて、次の照射条件をリアルタイムに更新するステップと、前記位置検出用Ｘ線検出器、前記第１および第２の治療用放射線検出器の出力データを前記記憶装置に蓄積するステップをリアルタイムに実行することを特徴とする。

本発明による請求項７記載の放射線治療装置は、請求項６記載の放射線治療装置において、前記位置検出用Ｘ線検出器の検出データと前記第１および第２の治療用放射線検出器の検出データに基づいて照射条件が更新され、次の照射領域が治療ターゲットから外れる照射条件の場合、前記治療用放射線源からの治療用放射線の照射を停止させる自動停止手段を備えたことを特徴とする。

本発明による請求項８記載の放射線治療装置は、請求項６記載の放射線治療装置において、前記記憶装置に蓄積された前記位置検出用Ｘ線検出器と前記第１および第２の治療用放射線検出器の検出データが、放射線治療結果の検証用データとして使用できることを特徴とする。

本発明による請求項９記載の放射線治療装置は、請求項６記載の放射線治療装置において、前記治療用放射線の照射の繰返し周期が、２５０回／秒であることを特徴とする。

前記構成によれば、患者の治療ターゲットの動きにリアルタイムに追従し、治療用放射線のビームデータと治療ターゲットの位置および形状を検出して、リアルタイムに次の照射条件にフィードバックし、高速、高精度に放射線治療を行うことができるIMRTに好適な放射線治療装置を提供することができる。この放射線治療装置を使用することによって、高線量の放射線を治療ターゲットに高精度に集中して照射することが可能となり、大幅に照射回数を低減することができる。

さらに、前記構成によれば、リアルタイムに治療用放射線のビームデータと治療ターゲットの位置および形状の検出を行い、その結果を次の照射条件へフィードバックして高精度の放射線治療を実現することによって、治療計画の策定とその検証および治療後の検証を軽減し、大幅に治療期間を短縮することができる。

本発明による放射線治療装置の実施形態を示す構成図である。 本発明による放射線治療装置の他の第１の実施形態を示す構成図である。 本発明による放射線治療装置の他の第２の実施形態を示す構成図である。 本発明による放射線治療装置の放射線の検出を説明する図である。 本発明による放射線治療装置で使用されるアイリスコリメータの概略図である。 本発明による放射線治療装置を使用した治療手順を示すフロー図である。 本発明による放射線治療装置の動作タイミングを示すタイミング図である。 従来技術によるＸ線治療装置の実施形態を示す構成図である。 従来技術による放射線治療装置を使用した治療手順を示すフロー図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳しく説明する。図面において、同一の機能については、同一の符号を付している。図１は、本発明による放射線治療装置の実施形態を示す構成図である。ロボットヘッド１は、６軸または７軸など多軸のアーム形ロボット１０に支持されている。ロボットヘッド１には、治療用放射線を発生する治療用放射線源２、照射された放射線の照射野を調整するコリメータ３およびコリメータ３を通過した放射線を検出する第１の治療用放射線検出器４が内蔵されている。治療用放射線源２から放射される放射線のエネルギーは、Ｘ線の場合、６ＭＶ程度である。コリメータ３と第１の治療用放射線検出器４は、図１に示すように治療用放射線源２に近接して配置され、それらの有効面が治療用放射線源２から放射される放射線の中心軸１７に対して垂直な角度に固定される。カウチロボット１１は、カウチ９を支持して、カウチ９をＸ，ＹおよびＺ軸方向へ移動し、Ｚ軸を中心に回転し、およびＸ軸とＹ軸に対する傾きを制御する。カウチ９の両側に位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒが装着されている。位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒの設置位置は、カウチの側面またはカウチロボット１１によって制御可能なカウチ９の近傍でも良い。位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒから照射されるＸ線は、１００ｋＶ程度の低エネルギーＸ線である。位置検出用Ｘ線源７Ｌに対向して位置検出用Ｘ線検出器８Ｒ、位置検出用Ｘ線源７Ｒに対向して位置検出用Ｘ線検出器８Ｌがそれぞれカウチの下側に装着されている。位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒの設置位置は、カウチ９の下側またはカウチロボット１１によって制御可能なカウチの近傍でも良い。位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒは、放射されたＸ線が、治療ターゲットにおいて交差するように直角またはその他の角度をもって配置される。この交差角度は、治療ターゲットの状況に応じて、適宜カウチロボット１１によって設定される。位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒおよび位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒの位置、方向等の移動制御は、制御装置１２からの信号に従ってカウチロボット１１によって行われる。位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒの照射野を治療ターゲットの位置に応じて移動する手段は、患者が仰臥するカウチ９のみを移動する構成によって実現できる。その他の手段として、カウチ９は固定して、位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒおよび位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒを治療ターゲットに向けるように制御される構成によっても実現でき、さらにカウチ９と位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒおよび位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒの両方を移動させる構成によっても実現できる。

カウチ９の下方に第２の治療用放射線検出器５がカウチロボット１１に支持されて第１の治療用放射線検出器４に対向して配置されている。第２の治療用放射線検出器５の裏面側に治療用放射線を吸収するタングステン製のビームストッパー６が配置されている。ビームストッパー６は、第２の治療用放射線検出器５と連動するように配置される。第１および第２の治療用放射線検出器４，５の対向関係は、制御装置１２からの信号に従ってアーム形ロボット１０およびカウチロボット１１によって維持される。図４に治療用放射線源２、コリメータ３、第１の治療用放射線検出器４、第２の治療用放射線検出器５およびビームストッパー６の位置関係を示す。コリメータ３、第１の治療用放射線検出器４、第２の治療用放射線検出器５およびビームストッパー６は、それぞれの有効面が治療用放射線源２から放射される放射線の中心軸１７に対して垂直な位置関係を維持するように制御装置１２からの信号によって制御される。IMRTでは、放射線は、３次元の全方位から治療ターゲット１８に向けて照射される。第１の治療用放射線検出器４と第２の治療用放射線検出器５は治療ターゲット１８を挟んで常に対向関係を維持するように制御される。したがって、放射線照射が患者の背中側、つまりカウチ９の下側から照射される場合は、第２の治療用放射線検出器５およびビームストッパー６は、患者の上側へ移動する。

第１の治療用放射線検出器４は、放射線を透過する通常の光ファイバーまたはシンチレーションファイバーを利用することで実現できる。ファイバーに放射線が入射した場合に発光する光をフォトダイオードまたは光電子増倍管によって検出することで、放射線の入射位置の同定と放射線強度、線量および線量分布をリアルタイムに測定することができる。第１の治療用放射線検出器４としては、その他、透過型電離箱や半導体検出器も適用できる。第２の治療用放射線検出器５は、フラットパネルセンサが好適に利用できる。高速動作、高分解能なフラットパネルセンサの製品は、市販され、普及している。また、第２の治療用放射線検出器５としてフォトンセンサを使用すれば、さらに高速、高精度を実現することができる。位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒに対してもフラットパネルセンサが好適である。位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒの目的は、治療ターゲットまたは治療ターゲット付近に埋め込まれたマーカの位置と形状を同定することであり、常にフラットパネルセンサの全画素をスキャンする必要はなく、適宜スキャン画素を間引くことによって、さらに高速動作を達成することができる。

コリメータ３は、治療用放射線源２から照射された放射線のビーム径を調整する。近年の医療技術の進歩により、直径が１ｃｍ以下の小さながんが発見されるようになった。このような小さながんを治療するためには、治療ターゲットにおいて放射線のビーム径をがんの大きさより十分小さく絞る必要がある。例えば、直径１ｃｍのがんに対しては、放射線のビーム径は、少なくとも直径１ｍｍ程度が望ましい。従来、広く使用されているマルチリーフコリメータは、リーフ厚の制限により、治療ターゲットにおける最小ビーム径は、８ｍｍ程度が限界であった。しかもその形状は、角張ったものであった。このため、１ｃｍ程度の大きさで曲線形状のがんは、治療できなかった。図５のＡに本発明の放射線治療装置に好適なアイリスコリメータ３０の概略的斜視図を示す。図５のＢは、その開口面を示す。図５のＡおよび図５のＢにおいては、絞り用リーフ３０ａ，３０ｂ，・・・，３０ｆが６枚の場合を示しているが、リーフの枚数は適宜変更してもよい。アイリスコリメータの開口部の孔穴の大きさは、図５のＢにおいて、３０ａ，３０ｂ，・・・，３０ｆで指し示す各リーフ同士が隣り合っていない外周側の辺の側面に取り付けられたリニアスライド（図示省略）を矢印方向にスライドすることによって、調節できる。放射線がアイリスコリメータの開口面に入射すると、もう一方の開口面側より絞られた放射線が放射される。放射線治療中、アイリスコリメータ３０の開口を治療ターゲットの形状に合わせて、絞ったり開放したりすることで、治療ターゲットの形状に沿って正確に放射線を照射することができる。アイリスコリメータ３０を使用することによって、治療用放射線の照射野を治療ターゲットにおいて直径１ｍｍ〜５０ｍｍまで調整することができる。アイリスコリメータの材質は、放射線を吸収する重金属、例えばタングステンが使用される。

中央処理装置１４および画像処理装置１５は、位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒの出力データより、ＤＬＴ（Direct Linear Transformation）法などを用いて、治療ターゲットまたはマーカの２次元座標から３次元座標を求める。さらに、投影データを再構成して、３次元画像に変換する。施術者は、マーカまたは治療ターゲットの３次元画像をモニター１６に表示して、その位置と形状を確認することができる。また、中央処理装置１４および画像処理装置１５は、第１および第２の治療用放射線検出器４，５の検出データを入力データとして処理し、治療用放射線の強度、照射方向、照射野の形状、線量および線量分布など治療用放射線のビームデータおよび治療ターゲットの位置と形状データを出力する。本発明の放射線治療装置は、第１の治療用放射線検出器４によってコリメータ３から放射された直後の放射線のビームデータを取得し、第２の治療用放射線検出器５によって治療ターゲットを透過した後の放射線のビームデータを取得するので、従来の放射線治療装置に比べて、治療ターゲットにおける詳細な吸収線量を知ることができる。さらに、第１および第２の治療用放射線検出器４，５によって検出されたビームデータに基づいて、治療用放射線の照射毎に次の照射条件を補正、更新することができるので、治療ターゲットに対して正確な照射が可能である。このように、本発明の放射線治療装置は、細い放射線ビームで正確な照射が可能なので、健全な組織へのダメージを従来の放射線治療装置に比べて大幅に低減することができる。したがって、治療ターゲットに高線量の放射線を照射することができるので、従来の放射線治療装置による治療が３０回以上に分割して照射していたことに比べて、わずか１回の照射で治療を完了することが可能である。このように、本発明の放射線治療装置によれば、放射線治療の期間を従来の放射線治療装置の場合に比べて大幅に短縮することができ、患者と医師の負担を大幅に軽減することができる。さらに、治療コストも低減することができる。

図２に、本発明の放射線治療装置の治療用放射線源２、コリメータ３、第１の治療用放射線検出器４および第２の治療用放射線検出器５をガントリ形ロボットに搭載した他の第１の実施形態を示す。図２において、治療用放射線源２、コリメータ３および第１の治療用放射線検出器４を内蔵するロボットヘッド１は、ガントリ形ロボット２０の回転部２１に取り付けられる。第２の治療用放射線検出器５とビームストッパー６もロボットヘッド１に対向して回転部２１に配置される。回転部２１は、ロボットヘッド１と第２の治療用放射線検出器５との対向関係を維持して、Ｘ軸を中心軸として治療ターゲットの周りを回転する。本実施の形態によれば、回転部２１の回転とロボットヘッド１の首振り動作によって、放射線は治療ターゲットに対してあらゆる角度から照射される。

図３に、本発明の放射線治療装置の治療用放射線源２、コリメータ３、第１の治療用放射線検出器４および第２の治療用放射線検出器５をＣアーム形ロボットに搭載した他の第２の実施形態を示す。図３において、治療用放射線源２、コリメータ３および第１の治療用放射線検出器４を内蔵するロボットヘッド１と第２の治療用放射線検出器５およびビームストッパー６はＣアーム２２ａの両端に対向関係を維持して設置されている。したがって、Ｃアーム２２ａが患者の回りを回転しながら移動しても、常に第１および第２の治療用放射線検出器４，５は対向関係を維持することができる。さらに他の実施の形態として、図１に示すようなアーム形ロボット１０，カウチロボット１１の先端部に図３に示すＣアーム部を装着したロボットに適用しても、その効果は、図１の実施形態および図３の他の第２の実施形態の場合と同様の効果が期待される。

図６に、本発明の放射線治療装置を使用して、放射線治療を実施する場合のステップを示す。先ず、医師は、放射線治療計画を策定する（ステップグループ４０）。従来の治療計画策定においては、治療ターゲットは、ＣＴスキャナを含む画像診断装置によって詳細に撮像される。その後、医師が、この撮像画像を基に治療ターゲットの設定、治療用放射線の照射方向、強度、照射野形状、線量および線量分布など詳細な治療方法とその条件を決定している。このとき、治療ターゲットが呼吸などにより移動することも考慮しなければならない。これに対して、本発明の放射線治療装置を使用する場合は、医師は、治療ターゲットを設定するためにＣＴスキャナ撮像（ステップ４１）を行った後、基本的には、治療ターゲットの設定、最初の放射線照射ポイント、照射方向、強度、線量および線量分布を決定するだけで良い（ステップ４２）。このように治療計画を簡略化できる理由は、放射線治療ステップ（ステップグループ５０）に示すように、中央処理装置１４によって治療用放射線の照射毎に照射された治療用放射線のビームデータと治療ターゲットの位置および形状をリアルタイムに検出し、解析して、照射結果の妥当性を判断し、次の照射条件にフィードバックするためである。

従来のIMRTの治療計画策定においては、策定された治療計画を実施する前に、治療ターゲットの吸収線量の妥当性をシミュレータによるシミュレーションや実際にファントムを使って照射線量を測定して、治療計画の妥当性を検証する必要がある。これに対して、本発明の放射線治療装置を使用する場合は、基本的には、事前検証を省略することができる。その理由は、前述のとおり、位置検出用Ｘ線と治療用放射線の照射を繰返しながら、リアルタイムに照射毎にターゲットの位置と形状データと治療用放射線のビームデータを中央処理装置１４によって解析し、適宜次の照射条件にフィードバックをかけるためである。したがって、各治療用放射線照射は、常に最適な照射条件によって正確に実施される。以上説明したように、本発明の放射線治療装置を使用する場合は、治療計画策定とそれに続く検証期間を大幅に短縮することができる。これによって、医師の負担を大幅に軽減することができる。

次に、実際の放射線治療が実施される（ステップグループ５０）。ステップグループ５０については、図６および放射線治療の主なステップのタイミングチャートを示す図７を用いて説明する。従来のIMRTにおいては、放射線治療を実施する前に、カウチに仰臥した患者の治療ターゲットの位置を治療計画策定時の位置に合わせる必要がある。これに対して、本発明の放射線治療装置を使用する場合は、治療ターゲットの位置合わせは必要ない。本発明の放射線治療装置を使用する場合、治療用放射線を照射する直前に、位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒより低エネルギーのＸ線を治療ターゲットに向けて照射し、治療ターゲット付近に埋め込まれたマーカの撮像および／または治療ターゲット自体を撮像する。位置検出用Ｘ線源７Ｌ，７Ｒおよび位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒは、カウチロボット１１によって制御され、カウチ上の独立した３次元座標系において、治療ターゲットの位置座標と形状をリアルタイムに同定する。位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒによって検出された治療ターゲットの撮像データと位置データは、画像処理装置１５によって画像処理され、３次元画像に再構成される。画像再構成処理のアルゴリズムとしては、高速処理が可能なフィルタ補正逆投影法が好適である。このようにして、治療ターゲットの３次元位置座標とその形状は、リアルタイムに同定される（ステップ５１）。最初の治療用放射線照射の照射条件は、治療計画のデータに基づいて設定される（ステップ５２）。最初の治療用放射線が照射された（ステップ５３）後、照射された治療用放射線は、第１および第２の治療用放射線検出器４，５によって検出される。検出されたデータは、治療ターゲットを透過する前と透過した後の治療用放射線のビームデータであって、このデータに基づいて中央処理装置１４によって治療ターゲットで吸収された線量および線量分布が算出される。さらに、第１および第２の治療用放射線検出器４，５は、照射された治療用放射線の強度、照射野形状および照射方向を検出する。本発明の放射線治療装置は、第１および第２の治療用放射線検出器４，５によって、２個所で照射された放射線を検出するので、治療用放射線の正確な照射方向と治療ターゲットにおける照射野形状を算出することが可能である。これらのデータ処理は、高速のCPU 、GPU および高速メモリを使用することで、１ｍｓ〜２ｍｓの処理速度を実現できる。中央処理装置１４によってリアルタイムに処理されたデータは、逐次、記憶装置１３に書き込まれる（ステップ５４）。

続いて、第２回目の治療用放射線の照射のため、低エネルギーのＸ線を治療ターゲットに向けて照射し、治療ターゲット付近に埋め込まれたマーカおよび／または治療ターゲット自体が撮像される。位置検出用Ｘ線は、０．５μｓの時間幅で４ｍｓの時間間隔で繰返し照射される。その撮像Ｘ線は、位置検出用Ｘ線検出器８Ｌ，８Ｒによって検出される。治療ターゲット付近に埋め込まれたマーカおよび／または治療ターゲット自体の撮像とその検出データの処理は、４ｍｓの繰返し周期でリアルタイムに実行されるので、患者の呼吸などによる治療ターゲットの動きに対して、十分に追従することができる。したがって、各治療用放射線の照射において、治療ターゲットの位置と形状を正確に捕捉することができる。検出された撮像データと位置データは、画像処理装置１５によってリアルタイムに画像処理され、３次元画像が再構成される。画像処理されたデータは、記憶装置１３に書き込まれる（ステップ５５）。次に、最初に照射された治療用放射線の強度、照射野形状、照射方向、線量および線量分布などのビームデータ、治療ターゲットの吸収線量データおよび治療ターゲットの位置と形状のデータに基づいて、中央処理装置１４によって、次の照射条件が設定される（ステップ５６）。続いて、第２回目の治療用放射線が照射される（ステップ５７）。標準的な治療用放射線照射は１秒間に２５０回実行される。治療用放射線は、４μｓの時間幅で照射され、４ｍｓの時間間隔で繰返される。照射された治療用放射線は、第１および第２の治療用放射線検出器４，５によって検出される。検出されたデータは、中央処理装置１４および画像処理装置１５によって、前述のとおりリアルタイムに処理されて、照射野形状、照射方向、線量および線量分布の各データおよび治療ターゲットの吸収線量データなどが出力される。これらのデータは、逐次、記憶装置１３へ書き込まれる（ステップ５８）。次に、中央処理装置１４によって放射線治療を終了するか否かの判断がなされる（ステップ５９）。まだ放射線治療が治療ターゲットの全領域に対して完了していない場合は、ステップ５５の直前に戻り、ステップ５５からステップ５９までを繰返し実行する。ステップ５９において、治療ターゲットの全領域に対する放射線治療が完了していると中央処理装置１４によって判断された場合は、放射線治療は自動的に終了する。また、放射線治療の過程において、アーム形ロボット１０などの治療用放射線源用ロボットまたはカウチロボット１１などの故障または、治療ターゲットの突発的な移動などにより、予め設定された治療領域から逸脱した領域に放射線を照射しようとする場合、中央処理装置１４による判断で自動的に放射線照射を停止する。

放射線治療が終了した後、その後の放射線治療の参考データとするため、治療結果を検証することは、医師にとって重要であり、また負担の大きな作業である。従来の放射線治療装置において取得される放射線のビームデータは、特許文献２に示されているように、治療ターゲットを透過する前の放射線のデータのみであった。したがって、照射毎の放射線に対して、治療ターゲットに吸収された線量は、正確に取得することはできなかった。また、本件発明者による特許文献１に記載のＸ線治療装置は、治療ターゲットを透過後のＸ線を検出する検出器（治療用Ｘ線センサ７１）を備えている。したがって、治療ターゲット透過後のＸ線のビームデータを取得することはできるが、治療ターゲット透過前のＸ線のビームデータがないため、正確な吸収線量データを直ちに取得できない。本発明における放射線治療装置は、第１および第２の治療用放射線検出器４，５を備えているので、照射毎に治療ターゲットを透過前と透過後の放射線のビームデータを取得することができる。これらのデータによって、照射毎に正確な照射方向、強度、線量、吸収線量、線量分布および照射野形状等を取得できる。しかも、これらのデータは、放射線を検出直後に、リアルタイム処理されて、記憶装置１３に逐次保存されているので、そのデータの加工は、従来に比べて格段に容易になる。これによって、医師による治療後検証の負担は、大幅に軽減される。

以上、詳細に説明したように、本発明のリアルタイム３次元放射線治療装置によれば、治療用放射線が、治療ターゲットを透過する前と透過した後で、それぞれ第１および第２の治療用放射線検出器４，５によって、治療用放射線のビームデータを取得するので放射線の照射状況と治療状態を正確に知ることができる。アイリスコリメータによって、治療用放射線の照射野形状の径または幅を１ｍｍ〜５０ｍｍの広範囲に調整することができるので、健全な細胞にダメージを与えることなく治療ターゲットに正確に照射できる。これによって、高線量の治療用放射線を１回で照射することができ、従来のように分割照射をする必要がない。放射線治療中のデータ処理はリアルタイムに実行されるので、治療ターゲットの動きに追従して、放射線を正確に治療ターゲットに照射することができる。治療ターゲットの捕捉と照射をリアルタイムに繰り返すことができるので、従来の詳細な治療計画の策定は必要なくなり、さらに治療前の治療計画の検証も不要となる。治療後の検証は、治療中に蓄積した放射線のビームデータ等により容易に随時実施できる。上述したように、本発明によるリアルタイム３次元放射線治療装置を適用することによって、高精度の放射線治療が可能となり、さらに放射線治療期間を大幅に短縮することができ、患者と医師の負担を大幅に軽減することができる。その結果、放射線治療のコストも低減することが可能となる。

病院等の医療施設で腫瘍等の治療に用いられる医療装置である。

１ 放射線ロボットヘッド
２ 治療用放射線源
３ コリメータ
４ 第１の治療用放射線検出器
５ 第２の治療用放射線検出器
６ ビームストッパー
７Ｌ 位置検出用Ｘ線源
７Ｒ 位置検出用Ｘ線源
８Ｌ 位置検出用Ｘ線検出器
８Ｒ 位置検出用Ｘ線検出器
９ カウチ
１０ アーム形ロボット
１１ カウチロボット
１２ 制御装置
１３ 記憶装置
１４ 中央処理装置
１５ 画像処理装置
１６ モニター
１７ 放射線の中心軸
１８ 治療ターゲット
２０ ガントリ形ロボット
２１ ガントリ形ロボット回転部
２２ Ｃアーム形ロボット
２２ａ Ｃアーム
３０ アイリスコリメータ
４０ 治療計画策定ステップグループ
５０ 放射線治療ステップグループ
６０ 放射線治療後検証ステップ
７０ 治療用Ｘ線発生装置
７１ 治療用Ｘ線センサ

コリメータ３は、治療用放射線源２から照射された放射線のビーム径を調整する。近年の医療技術の進歩により、直径が１ｃｍ以下の小さながんが発見されるようになった。このような小さながんを治療するためには、治療ターゲットにおいて放射線のビーム径をがんの大きさより十分小さく絞る必要がある。これは、治療用高エネルギー放射線がコリメータの内壁を反射したり、コリメータ開口部の縁端部を透過するために発生する半影の影響を避けるためである。例えば、直径１ｃｍのがんに対しては、放射線のビーム径は、少なくとも直径１ｍｍ程度が望ましい。このように、細いビーム径の放射線はシャープな照射野縁端を形勢することができる。従来、広く使用されているマルチリーフコリメータは、リーフ厚の制限により、治療ターゲットにおける最小ビーム径は、８ｍｍ程度が限界であった。しかもその形状は、角張ったものであった。このため、１ｃｍ程度の大きさで曲線形状のがんは、治療できなかった。図５のＡに本発明の放射線治療装置に好適なアイリスコリメータ３０の概略的斜視図を示す。図５のＢは、その開口面を示す。図５のＡおよび図５のＢにおいては、絞り用リーフ３０ａ，３０ｂ，・・・，３０ｆが６枚の場合を示しているが、リーフの枚数は適宜変更してもよい。アイリスコリメータの開口部の孔穴の大きさは、図５のＢにおいて、３０ａ，３０ｂ，・・・，３０ｆで指し示す各リーフ同士が隣り合っていない外周側の辺の側面に取り付けられたリニアスライド（図示省略）を矢印方向にスライドすることによって、調節できる。放射線がアイリスコリメータの開口面に入射すると、もう一方の開口面側より絞られた放射線が放射される。放射線治療中、アイリスコリメータ３０の開口を治療ターゲットの形状に合わせて、絞ったり開放したりすることで、治療ターゲットの形状に沿って正確に放射線を照射することができる。アイリスコリメータ３０を使用することによって、治療用放射線の照射野を治療ターゲットにおいて直径１ｍｍ〜５０ｍｍまで調整することができる。アイリスコリメータの材質は、放射線を吸収する重金属、例えばタングステンが使用される。

Claims (9)

1. 治療用放射線源用ロボットのヘッドに装着された治療用放射線源と、
   前記治療用放射線源より放射される治療用放射線の照射野の形状を調整するコリメータと、
   前記治療用放射線を検出する第１の治療用放射線検出器と第２の治療用放射線検出器と、
   患者が仰臥するカウチを支持して、その位置と姿勢を制御するカウチロボットと、
   前記カウチに仰臥する患者に対向してカウチの側面またはカウチの近傍に取り付けられた２以上の位置検出用Ｘ線源と、
   前記位置検出用Ｘ線源に対向して前記カウチの下方に取り付けられ、マーカおよび／または治療ターゲットに向けて照射される位置検出用Ｘ線を検出する２以上の位置検出用Ｘ線検出器と、
   前記位置検出用Ｘ線検出器の検出データに基づいて、治療ターゲットの画像を再構成するとともに治療ターゲットの位置座標を計算する画像処理装置と、
   前記画像処理装置の出力を表示するモニターと、
   前記第１および第２の治療用放射線検出器の検出データより前記治療用放射線の強度、照射方向、照射野形状、線量および線量分布などのビームデータを演算する中央処理装置と、
   前記画像処理装置および前記中央処理装置の出力データを蓄積する記憶装置と、
   前記治療用放射線源用ロボットと前記カウチロボットおよび前記装置等を制御する制御装置を備えた放射線治療装置であって、
   前記第１の治療用放射線検出器は、前記治療用放射線源から照射されて前記コリメータを通過直後の治療用放射線を検出し、
   前記第２の治療用放射線検出器は、前記第１の治療用放射線検出器に対向する位置関係を保持して、患者が仰臥するカウチに近接して配置され、前記治療用放射線源の動きに追従して動き、治療ターゲットを透過した治療用放射線を検出し、
   前記中央処理装置は、前記画像処理装置の出力データと前記第１および第２の治療用放射線検出器の検出データを入力データとしてリアルタイムに前記治療用放射線の強度、照射方向、線量、線量分布、治療ターゲットにおける吸収線量、照射野形状および治療ターゲットの位置等に関する計算処理を行い、当該計算結果を前記治療用放射線の次の照射条件にリアルタイムにフィードバックする手段を備え、
   前記位置検出用Ｘ線源およびこれに対向する前記位置検出用Ｘ線検出器は、その対向する位置関係を保持し、前記位置検出用Ｘ線源の照射方向および角度が前記カウチに仰臥する患者の治療ターゲットに対向するようにカウチロボットによって制御され、治療ターゲット付近に埋め込まれたマーカまたは／および治療ターゲット自体のＸ線画像を撮像することを特徴とする放射線治療装置。
2. 請求項１記載の放射線治療装置において、
   前記治療用放射線源用ロボットは、多軸のアーム形ロボット、
   ガントリ形ロボット、
   Ｃアーム形ロボット、または、
   前記多軸のアーム形ロボットのアーム先端部にＣアームを結合したロボットのいずれかであって、それらにより前記治療用放射線源，前記コリメータと前記第１の治療用放射線検出器が支持されることを特徴とする放射線治療装置。
3. 請求項２記載の放射線治療装置において、
   前記第２の治療用放射線検出器は、ガントリ形ロボット、Ｃアーム形ロボット、前記多軸のアーム形ロボットのアーム先端部にＣアームを結合したロボットに支持されることを特徴とする放射線治療装置。
4. 請求項１、２または３記載の放射線治療装置において、
   前記コリメータは、アイリスコリメータであることを特徴とする放射線治療装置。
5. 請求項１、２または３記載の放射線治療装置において、
   前記治療用放射線源より照射された放射線が、前記コリメータによってビーム調整された結果、治療ターゲットにおける当該照射野の直径または幅が、１ｍｍであることを特徴とする放射線治療装置。
6. 請求項１、２または３記載の放射線治療装置において、
   前記位置検出用Ｘ線源および前記位置検出用Ｘ線検出器によるマーカおよび／または治療ターゲットの位置および形状を同定するステップと、前記治療用放射線の照射条件を設定するステップと、前記治療用放射線源から治療ターゲットへ向けて治療用放射線を照射するステップと、前記第１および第２の治療用放射線検出器によって前記治療用放射線のビームデータを取得するステップと、前記治療用放射線のビームデータに基づいて、次の照射条件をリアルタイムに更新するステップと、前記位置検出用Ｘ線検出器、前記第１および第２の治療用放射線検出器の出力データを前記記憶装置に蓄積するステップをリアルタイムに実行することを特徴とする放射線治療装置。
7. 請求項６記載の放射線治療装置において、
   前記位置検出用Ｘ線検出器の検出データと前記第１および第２の治療用放射線検出器の検出データに基づいて照射条件が更新され、次の照射領域が治療ターゲットから外れる照射条件の場合、前記治療用放射線源からの治療用放射線の照射を停止させる自動停止手段を備えたことを特徴とする放射線治療装置。
8. 請求項６記載の放射線治療装置において、
   前記記憶装置に蓄積された前記位置検出用Ｘ線検出器と前記第１および第２の治療用放射線検出器の検出データが、放射線治療結果の検証用データとして使用できることを特徴とする放射線治療装置。
9. 請求項６記載の放射線治療装置において、
   前記治療用放射線の照射の繰返し周期が、２５０回／秒であることを特徴とする放射線治療装置。