(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線を先端から放射する照射針と、
前記照射針の先端位置を計測する位置計測部と、
前記照射針から放射される放射線の単位時間当たりの照射線量を調節するための照射線量調節スイッチと、
前記照射線量調節スイッチで調節された単位時間当たりの照射線量と前記放射線を基準線量で単位時間照射したときの照射線量の３次元空間分布とに基づいて単位時間当たりの照射分布を計算するとともに、前記計算された単位時間当たりの照射分布と、治療開始からの照射時間と、前記計測された前記照射針の先端位置とに基づいて、治療開始からの累積的な照射分布を計算する照射分布計算用プロセッサと、
前記計算された累積的な照射分布を表示する表示部と、
前記累積的な照射分布を、被治療体の画像に重ねて表示する手段とを具備することを特徴とした放射線治療装置。
【請求項２】
前記累積的な照射分布を線量に応じてカラーで階調を付けて表示する手段をさらに備えることを特徴とした請求項１記載の放射線治療装置。
【請求項３】
前記照射針をポインタとして活用して、前記被治療体の表面上の多数の点についての位置情報を取り込み、これら取り込んだ多数の点から前記被治療体の表面画像を多面体として推定する手段をさらに備えることを特徴とした請求項１記載の放射線治療装置。
【請求項４】
前記照射針から放射線を実際には照射しない状態で前記累積的な照射分布を計算することが可能であることを特徴とした請求項１記載の放射線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線の照射により被治療体を治療する放射線治療装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線治療は、生体を切開し、悪性腫瘍を摘出し、そして縫合した後に、体外から放射線を照射して、手術で摘出しきれなかった残存腫瘍細胞を治療するような使い方をはじめ、切開により腫瘍細胞を露出させ、その露出した腫瘍細胞に対して直接に放射線を照射したり、これら手術後だけでなく、手術中に切開した状態のままで摘出残存腫瘍細胞に放射線を直接的に照射するような様々な使われ方が従来から行われてきた。
【０００３】
さらに、最近では、中空の細い金属製の照射針の先端からＸ線を放射することのできる小型の放射線治療装置（ＰＲＳ）が登場して、例えば腫瘍の摘出後の空洞（摘出腔）に照射針を挿入して摘出腔内壁に残る残存腫瘍細胞を治療するような方法や、手術で対象臓器を露出し、その臓器内に照射針を挿入し、臓器内腫瘍を治療したり、また、腫瘍が余り深くなくて体表面に比較的近いような場合や消化管内壁などにある場合には、切開手術を行わなくても、照射針を挿入し、あるいは照射すべき組織近くに照射針を置いて照射を行うことができるようになってきている。同様の照射は小型の放射性ペレットを臓器内へ挿入することによっても可能である。
【０００４】
また、この放射線治療中に、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（ＣＴスキャナ）や磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）等の画像装置を使って治療の進行状況を監視するようなことが最近になって行われるようになった。
【０００５】
このように放射線治療それ自体や、その周辺環境の発展は近年著しいと言えるが、依然として次のような問題が残存しているのも事実である。
まず、腫瘍の摘出を行って、切開部分を縫合した後に、体外から放射線を照後して摘出腔の内壁に残存している腫瘍細胞を治療する場合、正常組織が甚だしく放射線を被曝することが避けられない。
【０００６】
また、摘出腔を露出させて放射線を直接的に照射するためには、摘出手術を放射線治療装置の設置されている室内で行うという問題があるし、また放射線は摘出腔の底面にはよく照射されるが側壁に適切に照射するのは容易でないという問題もある。従って、照射針を使って放射線を局部的にきめ細かく照射するというのは非常に合理的で精度が高くしかも安全性の高い優れた方法といえる。
【０００７】
しかしながら、この照射針を使った方法でも、摘出腔周囲組織の被曝量は摘出腔の形状、照射針の位置、さらには照射時間に依存するため、摘出腔周囲組織に適切な線量をむらなく均一に照射することは容易ではないという問題があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、放射線照射の空間的な状況を術者に比較的詳細に提示できる放射線治療装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る放射線治療装置は、放射線を先端から放射する照射針と、前記照射針の先端位置を計測する位置計測部と、前記照射針から放射される放射線の単位時間当たりの照射線量を調節するための照射線量調節スイッチと、前記照射線量調節スイッチで調節された単位時間当たりの照射線量と前記放射線を基準線量で単位時間照射したときの照射線量の３次元空間分布とに基づいて単位時間当たりの照射分布を計算するとともに、前記計算された単位時間当たりの照射分布と、治療開始からの照射時間と、前記計測された前記照射針の先端位置とに基づいて、治療開始からの累積的な照射分布を計算する照射分布計算用プロセッサと、前記計算された累積的な照射分布を表示する表示部と、前記累積的な照射分布を、被治療体の画像に重ねて表示する手段とを具備する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る放射線治療装置を実施形態により説明する。
図１には、本実施形態に係る放射線治療装置の構成を示している。図２に図１の照射装置１の外観を示している。比較的小型の照射装置１は、本体部１１で発生させた放射線、例えばＸ線を中空の細い金属製の照射針１２の先端から放射するように構成されている。
【００１１】
この照射装置１には、例えばフットスイッチ（ペダル）のような照射トリガスイッチ２が接続され、術者がこの照射トリガスイッチ２を足で踏んで“オン”状態にしている間、照射装置１の照射針１２の先端から放射線が出力され、また、照射トリガスイッチ２から足を離して“オフ”状態にしている間、照射装置１の照射針１２の先端から放射線が出力されないようになっている。
【００１２】
また、照射装置１には、例えばダイヤルのような照射線量調節スイッチ３が接続され、術者がこの照射線量調節スイッチ３を適当に回すことで単位時間当たりの照射線量を、照射開始前又は照射途中にも自由に調節できるようになっている。
【００１３】
さらに、照射装置１には、実照射／模擬照射切替スイッチ４が接続され、実際に放射線が照射装置１から出力される実照射と、実際には放射線が照射装置１から出力されない以外、他の動きは実照射と同様である模擬照射とを自由に切り替えて、実照射に先立って治療計画の立案ができるようになっている。
【００１４】
位置計測ユニット５は、照射装置１の照射針１２の先端位置とその軸方向とを計測するために設けられており、後述する様々な計測方式の中から任意の方式が採用される。
【００１５】
照射分布計算用プロセッサ６は、照射線量調節スイッチ３で調節された単位時間当たりの照射線量に基づいて照射針１２の先端を中心とした単位時間当たりの照射線量の３次元空間分布（単位時間辺りの照射分布）を計算し、そしてこの単位時間辺りの照射分布と、照射トリガスイッチ２からの“オン”状態の時間（照射時間）と、位置計測ユニット５で計測された照射針１２の先端位置とに基づいて、治療開始から現在までの累積的な照射線量の３次元空間分布（累積的な照射分布）を計算するために設けられている。この累積的な照射分布の計算方法の詳細については後述する。
【００１６】
画像プロセッサ７は、摘出腔や臓器や消化管腔等の被照射体（被治療体）がどの程度、放射線の照射を受けているかという照射状況を術者に分かり易く提示するために、照射分布計算用プロセッサ５で計算された累積的な照射分布を、被治療体の形状が分かる適当な画像に、位置整合して上で重ね合わせて、これを２次元画像に変換する。この２次元画像は、ディスプレイ８に表示される。
【００１７】
次に位置計測ユニット５の位置計測原理について説明する。まず、画像プロセッサ７で累積的な照射分布を適当な画像に位置整合することの必要性を考えると、照射針１２の先端の位置や、その軸の向きを、手術室座標系の表現に置き換える必要がある。この置き換えは、周知の通り、“Ａ”を回転を表す３×３のユニタリ行列、“ｍ”を平行移動を表す３次元ベクトル、“ｘ”を手術室座標系で表した照射針１２の先端位置及び方向に関する３次元ベクトル、“ｕ”を位置計測ユニット５に固有の座標系で表した照射針１２の先端位置及び方向に関する３次元ベクトルとすると、両座標間は、
ｕ＝Ａｘ＋ｍ
の関係式で表される。
【００１８】
従って、“Ａ”と“ｍ”によって照射針の位置・向きが規定され、逆に照射針１２の位置及び向きを決めれば“Ａ”と“ｍ”が定まる。特に、照射針１２がある位置及び向きをとるとき、“Ａ”が単位行列でしかも“ｍ”がゼロベクトルになる。この位置及び向きを基準の位置及び向きとする。
【００１９】
照射針１２の位置及び向きは、以下のような手段を使って計測することができる。
（１）機械式
図２に示すように、少なくとも直交３軸の多関節アームで、照射装置１を支持させ、各関節の曲がり角をポテンショメータ（回転角エンコーダ）で計測し、これら計測した各関節の曲がり角と、各アームの長さ（固定長）と、アーム先端から照射針１２の先端までの長さ（固定長）とから、照射針１２の先端位置及び方向を計算することができる。最新のモデルでは０．１ｍｍ乃至１ｍｍの精度に達している。
【００２０】
なお、術中にアームが邪魔になる場合があるが、その反面、アームをロックして照射装置１を保持するのに利用することができる。特に照射針１２の先端位置を変えずにその向きだけを自由に動かせる機能（ポイントロック機能）を備えたものもある。機械式は照射針１２の先端位置を常時計測でき、しかも計測精度をある程度保証できるのが特長である。
【００２１】
（２）光学式
照射針１２に取り付けた光学マーカを幾つかのカメラで捉えて、三角測量の原理でその先端位置を計算する。その光学マーカとしては、赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）やカラー反射シール、光を散乱する球などが実用化されている。精度はＬＥＤを用いたもので０．３ｍｍ程度である。機械式アームと比較すると、この方式は、多数の光学マーカを同時に計測できるという優位点がある一方で、光学マーカとカメラとの間に遮蔽物が存在すると計測できなくなるという欠点がある。
【００２２】
（３）磁気式
術野外部に置いたコイルで３種類以上の磁場を順番に発生し、照射針１２に取り付けた磁場強度センサーで計測する。あるいは照射針１２が磁場を発生し、これを術野外部のコイルセンサで計測する。近くに磁性体や良導体があると影響を受けるため、金属製の手術器具を使用する場合には注意が必要であり、最近では静磁場の影響をソフトウエアでキャンセルする工夫がなされている。照射針１２が外部から見えなくても計測できるので、例えば軟性内視鏡と組み合わせて使用し得る。一方、磁性体の影響で計測値に誤差が生じていても、それと気づかない恐れがある。
【００２３】
（４）超音波式
照射針１２に取り付けた音源から発生される超音波を、室内に配置した３個以上のマイクロホンで受けて、その時間差から音源の位置、つまり照射針１２の位置を計算する。精度は数ｍｍ位である。気温などによる音速の変化の影響を受け、また遮蔽物があると計測できなくなったり精度が悪くなる。
【００２４】
上述したような機械式、光学式、磁気式の３つの方式は、互いに相補的な性質を持っているため、目的に応じて使い分け、あるいは複数の方式を組み合わせて使用することによって、摘用対象が広くかつ精度の良い計測が可能になる。
【００２５】
次に、照射分布計算用プロセッサ６による累積的線量分布の計算について説明する。まず、照射針１２を生理食塩水中に浸した状態で、又はその状態を仮定して、放射線を基準線量で単位時間照射したときの照射線量の３次元空間分布（基準的照射分布）を事前に実測、又は計算しておくことができる（図３参照）。この基準的照射分布を、“ｒ（ｘ）”で表すものとする。
【００２６】
ある時刻“ｔ”における照射針１２の位置及び向きが、“Ａ（ｔ）ｘ＋ｍ（ｔ）”であり、その時に調節されている照射線量が、基準線量の“Ｍ（ｔ）倍”である（照射をしていない時にはＭ（ｔ）＝０とみなす）とすると、この時刻“ｔ”における単位時間あたりの線量分布は、
Ｍ（ｔ）×ｒ（Ａ（ｔ）ｘ＋ｍ（ｔ））
と表され得る。従って、照射開始〜の経過時間Ｔにおける累計の線量分布は、次のように表される。
【００２７】
【数１】
0004212128.tif 000002
これを単位時間をΔｔとして、離散化すると、
【００２８】
【数２】
0004212128.tif 000003
と表される。これによって累計的線量分布を実用的な精度で求めることができる。そこで、３次元空間をボクセルに分割し、各ボクセル（位置ｘ）における累計の線量Ｒ（ｘ，Ｔ）を逐次求めることができる。すなわち、
Ｒ（ｘ，０）＝０
Ｒ（ｘ，ｎ×Δｔ）＝Ｒ（ｘ，（ｎ−１）×Δｔ）  ＋Ｍ（ｎ×Δｔ）×ｒ（Ａ×（ｎ×Δｔ）＋ｍ×（ｎ×Δｔ））
を計算すれば良い。このようにして、累計の線量Ｒ（ｘ，Ｔ）を単位時間Δｔごとに計算してゆくことにより、照射途中で照射針１２の位置や方向が変わっても、また単位時間当たりの照射線量が変わってもそれらに追従して、累積的線量分布を計算することができる。
【００２９】
なお、摘出腔や体表面、さらには消化管内壁に照射する場合のように、照射針１２から照射対象までの間に空気が介在すると、上記の累積的線量分布“Ｒ”に誤差が生じる。なぜならば、空気では放射線がほとんど全く減弱されないし、基準的線量分布“ｒ（ｔ）”はそもそも照射針１２を生理食塩水中に浸した状態を仮定して実測又は計算されているからである。
【００３０】
この問題を避けるために、照射針１２の周囲を生理食塩水等で満たすことが必要である。このためには、摘出腔の場合にはその腔に生理食塩水を充填すればよい。また、体表面や消化管内壁等の場合には、照射針１２の先端を例えばゴム風船に入れ、ゴム風船の中に生理食塩水を充満させておけば良い（図４参照）。人体組織による放射線の減弱は、骨や肺を除けば、生理食塩水による減弱とほとんど同等であるため、累積的線量分布“Ｒ”を用いて実用上十分な精度で線量を知ることができる。
【００３１】
次に、画像プロセッサ７による表示方法に関して説明する。
累積的線量分布だけが分かっても、患者の組織がその分布のどの部分に相当しているのかが分からなくては、何の役にも立たない。つまり、累積的線量分布を被治療体と合わせて表示することではじめて有効な情報足り得るのである。このためには、被治療体の形状が必要になる。この被治療体の形状を取得するには、次の２つの方式がある。
【００３２】
（１）位置計測を用いた方法
摘出腔、臓器表面、消化管腔等の被治療体の表面を、実際に照射しない状態にした照射針１２、あるいは別の専用のポインタでなぞって、当該被治療体の表面上の多数の点についての位置情報を画像プロセッサ７で取り込み、これら取り込んだ多数の点から表面形状を近似する多面体を構成することができる。
【００３３】
また別の計測法として、スリットを通した光を照射し、組織表面で散乱された光をカメラで撮影して表面形状を計測するスリットカメラ、縞模様を光で投影し、組織表面で散乱された光をカメラで撮影して表面形状を計測するモアレカメラ等の公知の形状計測手段で形状を計測しても良い。
【００３４】
この（１）の方法は次の（２）の方法に比べて簡便である。
（２）撮影装置を用いた方法
体表面や消化管内腔に照射する場合には術前に、また術中照射をする場合には照射の前に、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（Ｘ線ＣＴ）や磁気共鳴映像装置（ＭＲＩ）、３次元超音波断層装置などの撮影対象を三次元で撮影可能な装置を使って撮影を行う。この撮影装置では、被治療体に関する立体的な３次元の画像データを取得することができ、この３次元データを画像プロセッサ７で適当な２次元化処理を施すことにより（１）で得られるような表面形状はもとより、表面下にある組織の広がりまで画像化することができる。例えば照射すべき体積領域の表面形状もわかるので、これを近似する多面体を構成してもよい。このような三次元領域抽出およびモデル化は公知の技術である。もちろん、このような３次元撮影装置で取得された３次元データは、３次元撮影装置から直接的に画像プロセッサ７に供給されるのに限らず、ＰＡＣＳの如き画像保管装置を介して画像プロセッサ７に供給されるかもしれない。
【００３５】
また、このような３次元撮影装置による被治療体の画像に基づいて、実際には放射線を放射しない模擬照射モードで、実照射をシュミレートしてもよい。このとき、線量がある一定値になる点を繋いだ曲面を抽出して、それを照射すべき体積領域の表面形状とし、これを近似する多面体を構成してもよい。
【００３６】
多面体の代わりに立体形状を表現する任意の手段、例えばボクセルを用いても良いことは言うまでもない。
次に表示方法について説明する。上述したように取得した被治療体の形状情報を持つデータを使って線量分布を表示する方法には次に述べるような様々な方法が考えられる。
（ａ）好ましいひとつの方法としては、図５に示すように、組織の表面、あるいは照射すべき体積領域の表面をレンダリングして表示し、その表面上の各点に、その点における現時点での累積線量を例えば色で表示する方法である。このとき、同時に現時点での照射針先端の位置や向きを表示すると良い。なぜならば、この表示によって、照射すべき箇所に照射針先端を正確に近づけることが容易になるからである。
【００３７】
（ｂ）オーグメンテドリアリティを用いる表示方法もある。手術用３次元ビューアーシステムの発明に関する特公平６−８５７８４号公報に開示されているように、実体の像と上記の累積的線量分布とを重ね合わせて表示してもよい。実体の像はビデオカメラあるいは低倍率の手術顕微鏡の様な光学装置で得、上記累積線量分布像は電気的あるいは光学的手段で実体の像に重ね合わせられる。このとき、実体像を得る手段の位置や方向も前出のような位置計測ユニット５で計測することによって、実体を観察している方向に合わせて、その方向から見た線量分布像を画像プロセッサ７が生成する。ここで表示する線量分布像としては例えば上記（ａ）の像を用いることができる。
【００３８】
（ｃ）表面上の累計線量分布ではなく断面上の累計線量分布を表示してもよい。
（ｄ）また種々の三次元ディスプレイ装置を利用して三次元映像として組織形状と分布を表示してもよい。
【００３９】
次に、照射計画を立案するためのシミュレーションについて説明する。照射を行わない模擬照射状態で、照射針１２の先端を組織に近づけ、「もし照射したら累計の線量分布がどのように変化するか」を見るためのシミュレーションを行っても良い。特に過照射を避けるべき部分の近くにおいて、適切な照射量に抑えるのに有用である。このためには、現時点での累計の線量の分布を一旦控えとして記憶しておき、実際には照射を行っていないにも関わらず照射が行われているとみなして累計の線量分布を更新しつつ表示を行う。
【００４０】
このようにすれば、リアルタイムで予行演習ができるため、例えば単位時間あたりの照射線量を適切な値に調節したり、照射針先端を置くべき適切な位置、照射針先端を動かすべき適切な方向、照射時間、等を随時知ることができる。さらに、照射針１２をロボットアームの先端に取り付けて、ショミレートした通りに単位時間当たりの照射量や照射位置（照射針１２の先端位置）を時間的に変化させて、完全自動化するような使い方にも応用可能である。
【００４１】
このように本実施形態によれば、照射量を常時監視できるので、ある部分に過剰に照射したり、必要な部分に、十分な照射をしなかったりする事がなく、まんべんなく必要量の照射を確実におこなうことが出来る。また、照射位置や単位時間当たりの照射量、さらには累計的な照射量の時間的な変化を記録しているので、これらの情報を治療後の診断に活用することもできる。また、シミュレーションによって予め十分な照射計画を立案することができる。
以上、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々変形して実施可能である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明では、照射行う場合、照射中心位置を継続的に計測し、この照射中心位置と、照射中心位置を中心とした単位時間当たりの照射線量の空間分布とに基づいて、治療開始からの累積的な照射線量の空間分布を計算する。この治療開始からの累積的な照射線量の空間分布により、放射線照射の空間的な状況を術者に比較的詳細に提示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る放射線治療装置の構成を示すブロック図。
【図２】図１の位置計測部の位置計測の原理の一例を示す図。
【図３】図１のコンピュータに予め与えられている単位時間当たりの照射量の空間分布の概念図。
【図４】照射針を体外に設置して治療を行う場合の適用例を示す図。
【図５】図１のコンピュータによる照射分布の表示方法の一例を示す図。
【符号の説明】
１…照射装置、
２…照射トリガスイッチ、
３…照射量調節スイッチ、
４…位置計測ユニット、
５…照射分布計算用プロセッサ、
６…画像プロセッサ、
７…ディスプレイ。
【図１】
0004212128.tif 000004
【図２】
0004212128.tif 000005
【図３】
0004212128.tif 000006
【図４】
0004212128.tif 000007
【図５】
0004212128.tif 000008