(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のターゲット領域に定位的放射線手術を行う装置であって、前記ターゲット領域は、ターゲットを含み、且つ各々が近傍の基準点を含む周辺領域に対する位置が示されており、
(a)搬送機構を備えた放射線ビーム発生器と、
(b)ターゲット位置決めビームを生成する手段と、
(c)ビーム経路に沿って前記ターゲット領域内に、放射線手術用の放射線ビームを断続的に指向させる第１の手段と、
(d)前記ターゲット領域および前記基準点を含む前記周辺領域に複数のターゲット位置決め用放射線ビームを断続的に指向させ、そして、これにより、前記ターゲット位置決めビームが、前記周辺領域を通過した後に、前記周辺領域内での前記基準点の位置を示す位置決めデータが得られるようにする第２の手段と、
(e)(i)前記ターゲット位置決めビームから位置決めデータを得て、
(ii)このようにして得た位置決めデータを、前回得た基準データと断続的に比較し、
(iii)該断続的比較の各々から、このような比較の各々の結果として、前記基準点に対する前記ターゲット領域の位置を決定するように、
前記断続的に指向されたターゲット位置決めビームに応答する第３の手段と、
(f)(i)断続的な治療期間中に前記放射線手術ビームを前記ターゲット領域に指向させ、断続的なターゲット位置決め期間中に前記ターゲット位置決めビームを前記周辺領域を通して指向させ、
(ii)各ターゲット位置決め期間中に、前記位置決めビームから得られた最新の位置決めデータを、その期間中に使用して、前記位置決めデータを基準データと比較し、前記基準点の位置に対する前記ターゲットの位置を決定するように、
前記第１の手段、第２の手段および第３の手段を、互いにして協働して作動させる第４の手段と、
(g)前記ターゲット位置決め期間内に作動可能であり、該期間内に前記第３の手段によって決定された前記ターゲット領域の位置に応答して、前記放射線手術ビームが、前記ターゲット領域に正確に指向されていることを確実にする第５の手段とを備え、
前記第１の手段が、前記ビーム経路を横断する所定経路に沿って前記放射線手術ビームを移動させ、同時に、前記放射線手術ビームを前記ターゲット領域に指向させる手段を含み、これによって、前記所定経路に沿った前記放射線手術ビームの動きの結果として、前記放射線手術ビームを健全な組織の異なった部分を通過させ、
さらに、非環状、非直線の前記所定経路を与える手段を備え、これによって、非環状、非線形の経路に沿った前記放射線手術ビームの動きが、非球状ターゲット領域を構成し、
前記非環状、非直線の横断経路に沿って前記放射線手術ビームを移動させる手段が、前記放射線ビーム発生器の搬送機構を支持するロボットアームを備え、前記放射線手術ビームが前記横断移動経路から偏向したときに、前記放射線手術ビームの全て動きを停止させ且つ前記放射線手術ビームをオフにする、前記第１の手段とは別の、前記第１の手段から独立した非常停止手段を備え、
前記非常停止手段が、前記ロボットアーム以外の固定面に取付けられ信号を送受信する固定取付け信号送信/受信手段と、異なる回毎に異なる位置を有する前記ロボットアームにこれと共に動くように取付けられ前記固定取付け信号送信/受信手段と信号を送受信できる移動可能信号送信/受信手段と、前記固定取付け送信/受信手段と協働し所定時間における前記ロボットアームおよび前記放射線ビーム発生器の搬送機構の位置を連続的に監視する手段と、を含んでおり、
前記固定取付け信号送信/受信手段が複数の第１装置を備え、該第１装置の各々が、コード化赤外線信号を送信する手段と、コード化超音波信号を受信する手段とを備え、前記移動可能信号送信/受信手段が、複数の第２装置を備え、該第２装置の各々が、コード化超音波信号を送信する手段と、コード化赤外線信号を受信する手段とを備えている、ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記断続的な治療期間の各々の直後に、少なくとも１回の前記ターゲット位置決め期間が続くようにする手段を備えている、請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項３】
前記治療期間の各々を０．５ないし１秒間持続させ、前記ターゲット位置決め期間の各々を１ないし２秒持続させる手段を備えている、請求の範囲第２項に記載の装置。
【請求項４】
前記放射線手術ビームを前記所定経路に沿って移動させる手段を、前記ターゲット位置決め期間中にのみ、動作させる手段を備えている、請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項５】
前記所定経路が、その中心に前記ターゲット領域の中心を中心とする円形、或いは、部分的に円形の経路であるようにする手段を備えている、請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項６】
前記所定経路が、これに沿って、前記放射線手術ビームを移動させることによって、楕円形状のターゲット領域が形成される、特に螺旋状の経路である、請求の範囲第１項に記載の装置。
【請求項７】
患者の特定ターゲット領域に放射線手術を行う装置であって、
(a)放射線手術用の放射線ビームを発生させる手段と、
(b)前記ビーム発生手段が前記ターゲット領域を通るビーム経路に沿って前記ビームを指向させるように、前記ビーム発生手段を支持するロボットアームを有する手段と、
(c)前記ロボットアームを、したがって、前記放射線手術ビームを、前記ビーム経路を横断する所定経路に沿って動かし、同時に、前記ビーム経路を前記ターゲット領域に指向させる手段と、
(d)前記ロボットアームを有する手段とは別に且つこれからは独立して、前記ロボットアームが前記横断経路から逸脱したときに、前記ロボットアームの全ての動きを自動的に停止させ、前記ビームをオフにする非常停止手段とを備え、
前記非常停止手段が、前記ロボットアーム以外の固定面に固定的に取付けられ信号を送受信する固定取付け信号送信／受信手段と、異なる回毎に度に異なる位置を有する前記ロボットアームにこれと共に動くように取付けられ前記固定取付け信号送信／受信手段と信号を送受信できる移動可能信号送信／受信手段と、前記固定取付け送信／受信手段と協働し所定時間における前記ロボットアームおよび前記放射線ビーム発生手段の位置を連続的に監視する手段を含み、
前記固定取付け信号送信/受信手段が複数の第１装置を備え、該第１装置の各々が、コード化赤外線信号を送信する手段と、コード化超音波信号を受信する手段とを備え、前記移動可能信号送信/受信手段が、複数の第２装置を備え、該第２装置の各々が、コード化超音波信号を送信する手段と、コード化赤外線信号を受信する手段とを備えていることを特徴とする装置。
【請求項８】
前記複数の第１装置は３つ備えられ、
前記複数の第２装置は、前記第１装置の各々が常に第２装置の少なくとも３つと信号送受信状態にあるのに十分な数の複数の装置を備えている請求の範囲第７項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、全般的には、ある基準点の近傍をも含む周辺領域に対するターゲット領域の位置を示す予め得られた基準データを用いて、患者の特定のターゲット領域上に、定位的放射線手術および／または定位的放射線治療を実行する装置および方法に関するものである。より詳細には、本発明は、John R. Adlerの名により1990年10月19日に出願された係属中の米国特許出願第07/600,501号に開示された方法および装置の種々の改良に関するものである。この出願は、引用することにより、ここに組み込まれている。
定位的放射線手術という語は、周知のように、ターゲット領域、すなわち、組織の特定体積、特に、腫瘍組織を壊死させるために放射線束を用いる処置を称している。一般に、この療法は、約２０００ないし３０００radの放射線量を必要としている。定位的放射線治療という語は、治療上の目的や壊死させない目的のためにターゲット領域に、放射線束を与える処置を称している。一般に、後者の場合に用いられる放射線量は、壊死の線量よりも小さいオーダであり、たとえば、２００ないし３００radである。ターゲット領域は、意図された目的のために必要な放射線量をもって処置すべき特定量の形状を意味している。また、たとえば、ターゲット領域は、線量分布(dose contour)と称される。
以下に明らかになるように、本発明の種々の構成は、定位的放射線手術および定位的放射線治療の双方に、等しく適用することができる。しかしながら、簡略にするために、（明細書および請求の範囲の双方において、）定位的放射線手術という語をここに使用し、定位的放射線手術および定位的放射線治療の双方を指すものとする。したがって、たとえば、ここに述べられる放射線外科ビームは、このビームおよび放射線治療ビームを指すことが意図される。
前述したように、係属中のAdlerの出願は、引用することによりここに組み込まれている。以下に詳述するように、Adlerの出願に開示された定位的放射線手術装置の各々は、予め得られた基準データを用いて患者の特定のターゲット領域上に放射線手術を実行するように設計されている。この基準データは、たとえば、３次元マッピングデータであり、ある基準点、たとえば、実在する骨の構成或いは移植された基準(fiducial)の近傍を含む周辺領域に対するターゲット領域の位置を示している。この手順に従うと、ターゲット領域に、放射線外科ビームを放射することができる。この放射線外科ビームをターゲット領域に正確に向けることを確実にするために、多数の標識放射線ビーム、実際にはターゲット位置決めビームが、ターゲット領域の周辺領域内に、或いは、これを通って向けられ、これら後者の放射線外科ビームから得られた情報は、予め得られた基準データに沿って用いられ、ターゲット領域に放射線外科ビームが正確にその照準を合わせる。この全体の処置は、その意図された目的のために十分であり、本発明は、多数の改良を提供する。
以下により詳細に述べるように、患者の特定のターゲット領域、特に、典型的には球状の形をしたターゲット領域とは対照的に不規則な形をしたターゲット領域上に、定位的放射線手術（または放射線治療）を実行するための装置が、本明細書に開示される。本発明にしたがって設計されるこの装置は、放射線外科ビームの放射を発生するための手段およびビームの照準を合わせる手段を利用している。好ましい実施態様において、ビームの照準を合わせる手段は、ロボットアームを有し、放射線外科ビームをビーム経路に沿ってターゲット領域に向けるように、ビーム生成手段を支持するという役割を果たす。
本発明の一つの特徴によれば、本明細書中に開示される放射線手術装置は、ビームの照準を合わせる手段を、ビーム経路を横切る所定の非環状で、かつ、非直線上の経路に沿って動かす手段を有するが、同時に、ビーム経路は、ターゲット領域に向けられている。このように、放射線外科ビームは非環状で、かつ、非直線状の経路に沿って特定の治療箇所からターゲット領域を通るように向けられ、特定の非球状のターゲット領域が画定されるのである。本明細書中に開示される実際の実施態様において、この所定の非環状で、かつ、非直線状の横断経路は特定の螺旋状の経路であり、これは、非球状ターゲット領域が特定の楕円形状の中にあるように選択されたものである。このように、不規則な形状の腫瘍にほぼ等しいが、これを完全に包囲しているターゲット領域或いは線量分布を与えることによって、これまでに可能であった方法よりもより効率的に、不規則な形状の腫瘍を治療することができる。以前は、この形状の腫瘍の場合には連続した円形投与形状が必要であり、多くの場合、必要な腫瘍よりも大きい範囲或いは小さい範囲を含有していた。
本明細書中に開示される装置の好ましい実際の実施態様においては、ビームの照準を合わせる手段は、直前に説明したような非環状で、かつ、非直線状の横断経路に従うために、少なくとも３次元において自由に動くことができるロボットアームを有している。その結果、本発明の第二の特徴によれば、ロボットアームがその意図された非環状で、かつ、非直線状の横断経路から逸脱する場合には、患者を保護するために、ビームの照準を合わせる手段と独立して、これに依存しない非常停止手段であって、ロボットアームの全ての動きを自動的に停止し、放射線外科ビームを自動的にオフにする非常停止手段が、装置に設けられている。
今議論した特徴に加え、本明細書中に開示される装置は、放射線手術中のほぼ任意の時点において、すなわち、ほぼリアルタイムに、放射線外科ビームが、ターゲット領域に正確に向けられていることを確実にするための一意的な処置を有している。先に説明したAdlerの出願に開示されている装置のように、本明細書中に開示される装置には、ある基準点の近傍をも含む周辺領域に対するターゲット領域の位置を示す予め得られた基準データが設けられている。また、アドラーのものと同様に、開示される装置は、複数の標識ビームすなわちターゲット位置決めビームを利用し、ほぼリアルタイムにターゲット領域の位置を決定するために、予め得られた参考データと比較されるほぼリアルタイムの位置決めデータを得る。しかしながら、後に詳述するように、本明細書中に開示される装置は、一意的な特定の時間的なシーケンスにしたがって、このターゲット探知手順を実行し、装置が迅速であるが信頼性を有して作動することを可能にする。
以下、添付図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。ここに、
第１図は、先に述べたAdlerの係属中の出願を記載した装置の一実施例の略等角図である。
第２図は、Adlerの構成の標識的な画像形成および加速器の焦点合わせを概略的に示す図である。
第３図は、Adlerの出願に記載された装置の他の実施例を、第１図と同様に示した図である。
第４図は、Adlerの装置および本発明にしたがって設計された装置にかかるシステムブロックダイヤグラムを概略的に示す図である。
第５図は、第３図に見いだされる構成の部分であるが、本発明の特徴を組み込むために変更された部分を、第３図と同様に示した図であり、特に、ロボットアームが、予め定められた横断経路に沿った動きから逸脱したときに、第３図に示される構成の一部をなすロボットアームの全ての動きを自動的に停止する構成を示す図である。
第６図は、第５図に示される非常停止装置に対応するブロックダイヤグラムを概略的に示す図である。
第７図および第８図は、非球状のターゲット領域、より詳細には、楕円形状のターゲット領域を与えるために、非球状でかつ非線型の経路、より詳細には、螺旋状の経路に沿って、第３図に示すロボットアーム装置が移動する方法を、概略的に示す図である。
第９図は、本発明にしたがって、時間的に装置が作動する方法を、概略的に示す図である。
図面を参照すると、種々の図面を通して、同一の構成部分には同一の番号が付されている。まず、第１図を参照すると、本発明の一実施例にしたがって設計された定位的放射線手術装置が示されており、これは、全般的に、参照番号１０で示されている。先に示したように、本発明は、前述したAdlerの出願に記載された定位的放射線手術装置の多数の改良に向けられている。したがって、特に、装置１０に関して、この装置を形成する多くの構成部分は、Adlerの出願の第１図に記載された装置の構成部分と同一である。本発明の種々の構成をより完全に理解するために、まず、これら対応する構成部分について説明する。
第１図に示すように、全体の装置１０は、たとえば、マイクロプロセッサ１２などデータプロセッサ、或いは、ディスクまたは記憶ユニット１３（第４図）など補助装置内のデータ記憶メモリを有している。マイクロプロセッサ１２或いは記憶ユニット１３は、たとえば、患者１４の生きている組織の少なくとも一部の３次元マッピングを、その中に記憶している。記憶ユニット１３がある場合には、通常はディジタルの形態の３次元マッピングデータは、一般的に、比較のためにマイクロプロセッサ１２にロードされる。このマッピングは、マッピング領域１６（第２図参照）をカバーし、この領域１６は、選択的に照射される患者のターゲット領域１８よりも大きく、これを含んでいる。第２図のマッピング領域１６は、基本的には、患者１４の頭蓋１５の部分であり、骨の構造が、整列基準として機能すべく存在している。所望であれば、３以上の基準(fiducial)を移植することができる。この場合に、整列基準として骨の構造を使用する必要はない。これは脳の処置のためになすことができるが、身体のより骨の少ない領域においては、特に所望であり、或いは、必要である。
３次元マッピングは、従来の方法により得ることができる。たとえば、この画像を得るためにＣＡＴスキャン（ＣＴ）を利用することができ、このマッピングを得るために、磁気共鳴画像形成（ＭＲＩ）を使用することができる。周知のように、ＣＴ或いはコンピュータ化された断層撮影法は、Ｘ線ビームの吸収差を測定することにより作動し、フーリエ変換により得られたデータを処理している。ＭＲＩは、３次元マッピングを得るために、核磁気共鳴特性を利用している。いずれの処置を実行するための装置も、購入可能である。さらに、データは、ディジタルの形態で利用可能であり、それにより、データを、メモリユニット１３および／またはマイクロプロセッサ１２に容易に記憶することができる。
ビーム発生装置２０が設けられ、このビーム発生装置２０は、作動のときに、ターゲット領域１８を壊死させるのに十分な強さのコリメータを使用した外科用電離線束（イオンビーム）を照射する。有用なビーム発生装置の一つは、直線加速器、好ましくは、Ｘ線直線加速器と同種のものである。その一方、他の電離放射線源を、電離放射線源として用いることができる。このようなＸ線発生装置は、購入可能である。また、これは、”放射線医学物理(The Physics of Radiolgy)”第３版第５刷A. E. JohnsおよびJ. R. Cunningham, 1974, Charles C. Thomas, publisher, Springfield, Illinoisを含む多数の文献に記載されている。高周波は、電源、モジュレータおよび出力管により生成され、導波路２２を介して加速管、すなわち、ビーム発生装置２０に送出される。波が導管を通るにしたがって、その速度は増大する。
電子にエネルギーが与えられ、たとえば、２メートルの長さの管内に、６Mevのエネルギーが与えられ得る。電子は、ねらった方向にしぼられＸ線が発生する。ターゲットに衝突することができる。このような装置は、たとえば、Varianを含む種々の製造業者から購入することができる。比較的小さなサイズで、比較的軽量である理由から好ましい装置、すなわち、Ｘ線直線加速器は、カリフォルニア州サンタクララのShonberg Radiation社によって製造され、ＭＩＮＡＣという商標が付けられている。
たとえば、コントロールコンソール２４上のスイッチ２３をオペレータが起動することにより、ビーム発生装置２０が起動される。
第１図および第２図に示されるように、マッピング領域１６を介して、第１および第２の標識ビームすなわちターゲット位置決めビーム２６、２８を通過させる手段が設けられている。これらビームは、マッピング領域に投影するのに十分に、横方向に拡がっている。第１および第２の標識ビーム２６、２８は、互いに既知のゼロではない角度をなしている。第１図および第２図に示された本実施例においては、ビーム２６、２８は互いに直交している。しかしながら、ゼロではないかぎり、あらゆる角度を使用することができる。ビーム２６、２８は、それぞれ、標識Ｘ線発生装置３０、３２により生成される。第１図および第２図においては、イメージレシーバ３４、３６であるイメージ増幅器が、それぞれ、ビーム２６、２８を受入れ、所望であればこれらを増幅し、得られた電気信号をマイクロプロセッサ１２に送り、それにより、これら電気信号が、３次元マッピングと比較される。
第４図に示されるように、イメージレシーバ３４、３６は、マイクロプロセッサ１２に接続されている。イメージレシーバ３４、３６は、それ自身がディジタル信号を提供し、或いは、マイクロプロセッサの一部として、または、これに関連してＡ／Ｄコンバータを設け、それにより、マッピング領域１６の異なる二つの平面領域を示し、イメージレシーバ３４、３６により検出された画像を、マッピング領域１６の（ディジタルの状態の）３次元マッピングと、ディジタルの状態で比較することができる。従来の形状算出技術を用いることにより、照射すべきターゲット領域１８の正確な位置を、完全に知ることができる。
起動時に、コリメータを使用したビームが連続的にターゲット領域１８に焦点を合わせているように、ターゲット領域のリアルタイムの位置を示すデータに応答して、所望のようにビーム発生装置２０と患者１４との相対位置を調整する手段が設けられている。第１図に示す実施例において、ビーム発生装置と患者との相対位置を調整する手段は、ガントリ４０を有している。このガントリ４０には、ビーム発生装置２０、標識Ｘ線発生装置３０、３２およびイメージレシーバ３４、３６が、従来の装置のように取り付けられ、第２図の矢印に示されるように、作動テーブル３８が下げられ、或いは、上げられ、ガントリ４０が、軸４２まわりに回転させられ、作動テーブル３８の頂部４４が、長手方向に延びる軸まわりに傾けられる。ガントリ４０と患者１４との相対位置を広範囲にわたり調整することにより、コリメータを使用したビームが、ターゲット領域に連続的に焦点を合わせることができるとともに、患者のまわりを３６０°にわたって、ビーム発生装置２０を回転させることにより、コリメータを使用したビームが通過する健康な組織を変更することができる。
上に説明した事項は、対応するAdlerの出願（Adlerの出願の第１図）と共通する装置の構成部分に関連している。出願人が改良した装置１０を説明する前に、第３図に示され、参照番号１０’で特定された他の定位的放射線手術装置を説明する。この特定の装置は、多くの点において、Adlerの特許出願の第３図に示された定位的放射線手術装置に対応している。装置１０の場合のように、装置１０′とAdlerの装置との類似点を、出願人により改良された種々の点を説明する前に、説明しておく。しかしながら、最初に、装置１０′と第１図に示す装置１０との間のひとつの基本的な相違点は、前者がガントリ４０を利用せず、作動テーブル１３８を動かす必要がないことであることに留意すべきである。むしろ、図示するように、装置１０’の部分を形成するビーム発生装置は、少なくとも３次元的に移動可能なロボットアームにより支持されている。
特に第３図を参照すると、装置１０′は、プロセッサにより制御可能なロボットアーム機構４６により支持され、位置決めされるビーム発生装置１２０を有するものとして示されている。ロボットアーム機構４６は、６軸運動と自由度６（３並進方向および３回転方向）を有し、それにより、ビーム発生装置は、患者のまわり、上下、患者の身体の長手方向に沿って、或いは、患者の身体の横方向に沿って自由に動くことができる。このようなロボットアーム機構は、たとえば、カリフォルニア州サンタフェスプリングスのGMF Robotics社から購入可能であり、これらは、Ｓ−４２０Ｆの名前で販売されている。このように容易に購入可能な他のロボットアームには、サンナゼ(San Jose)およびシンシナチ  ミルクロンのAdept Robotics社のものがある。このような機構を用いることにより、コリメータを使用した電離放射線束である放射線束を、ほぼ全ての所望の方向から、処置を行なう箇所、すなわち、ターゲット領域に向けることができる。したがって、この実施例により、従来の装置の場合と比較して、コリメータを使用したビームが健康な組織を通過する時間を、より短くすることができる。
第３図の実施例において、マッピング領域１６に、第１および第２の標識ビーム１２６、１２８を通過させる手段は、一対のＸ線発生装置１３０、１３２と同種のものである。これらは、たとえば、天井（図示せず）にしっかりと固定されている。適当なイメージレシーバ１３４、１３６が、患者のマッピング領域１６内の第１および第２の投影に対応する第１および第２の画像を示す電子画像を生成するためにはたらく。電子画像は、画像自体がディジタルではない場合にはＡ／Ｄ変換器を介して、マイクロプロセッサ１２に送られ、比較が行われる。次いで、第２のプロセッサ（機構４６用のコントローラ）１２’により、信号が生成される。この第２のプロセッサ１２’は、マイクロプロセッサ１２の遠隔拡張部として機能し、機構を含むロボットアーム機構の全ての作動の位置決めを制御し、それにより、ビーム発生装置１２０の位置決めが調整されて、ビーム発生装置１２０により生成されるコリメータを使用した外科ビームが、照射すべきターゲット領域１８上に焦点を合わせることを確実にする。実際の実施例では、プロセッサすなわちコントローラ１２’が機構４６の部分を形成するため、第３図において、プロセッサすなわちコントローラ１２’は、プロセッサ１２から独立し、かつ、離間して示されている。しかしながら、コントローラ１２’を、プロセッサ１２に直接組み込むようにすることもできる。したがって、第４図のブロックダイヤグラムでは、コンピュータすなわちプロセッサ１２の一部をなすものとして、或いは、（第３図におけるロボット機構４６である）ＬＩＮＡＣマニピュレータ４６の一部をなすものとして、コントローラ１２’を示すことができる。
システムブロックダイヤグラムの形態をなす第４図には、第１図或いは第３図の装置を制御することができる論理のオペレーションが示されている。マッピング領域１６を覆う３次元マッピングは、たとえば、記憶ユニットすなわちテープ駆動装置１３のテープに記憶される。イメージレシーバ３４、１３４および３６、１３６からの信号は、プロセッサ１２に送られる。第４図に示されるように、プロセッサ１２からの制御信号は、イメージレシーバ３４、１３４並びに３６、１３６および／または標識Ｘ線発生装置３０、１３０ン並びに３２、１３２に戻され、所望の時間間隔で、或いは、オペレータのコマンドにより、これらは作動する。プロセッサ１２からの信号は、ロボットアーム機構４６（実際にはこれのコントローラ１２’）に送られ、或いは、ジムバル（ガントリ）４０に送られ、位置決め状態を示すジムバル４０或いはロボット機構４６からの返還信号が、プロセッサに返されることにより、その位置決めが制御される。通常、ビーム発生装置２０、１２０は、ターゲット領域１８に焦点が合わされている場合にのみ、プロセッサ１２により駆動され、他の場合には、駆動されない。しかしながら、患者のターゲット領域でない領域を照射する時間が、ターゲットでない組織の放射線壊死を防ぐのに十分に限定されている限り、ビーム発生装置２０、１２０をそのままにしておくことができる。コリメータを使用したビームは、任意の選択された方向からターゲット領域上に再び的をあわせることができ、したがって、多様な方向から照射をすることができる。オペレータは、オペレータディスプレイ４８を有するオペレータ制御コンソール２４により、制御をなすことができる。また、安全連動装置５０が設けられ、必要なときに、プロセッサ１２の動作およびビーム発生装置２０、１２０の動作を中断する。
基本的に、イメージレシーバ３４、１３４および３６、１３６は、正しい時間で、選択された時間間隔により分離された画像を提供する。これらの画像は、一般にはテープ駆動装置１３からプロセッサ１２にロードされたＣＴスキャンと、プロセッサ１２において比較され、必要であれば、ジムバル４０或いはロボットアーム機構４６の位置決めが調整され、ビーム発生装置２０、１２０により生成されたコリメータを使用したビームが、患者のマッピング領域１６内のターゲット領域１８に焦点を合わせていることを維持する。ジムバル４０或いはロボットアーム機構４６は、コリメータを使用したビームがターゲット領域１８に焦点を合わせている間に、連続的に、或いは段階的に、所望のように動くことができ、したがって、ビームの通路内の任意の健康な組織が電離照射に晒される範囲を、最小限にすることができる。
一般に、本発明にかかる装置および方法、身体のほぼ任意の場所に利用することができることに留意すべきである。そこからターゲット領域を配置することができる必要なマーカーを与えるための骨が存在しない領域においては、３つの基準を挿入し、人工的な標識点(artificial landmark)を与える必要がある。また、１つ或いは２つの基準が、これらの空間的な位置の方向的な表示を与えるような形態である場合、および／または、１以上の部分的な標識点を与えるために十分に骨が存在する場合には、１つ或いは２つの基準を使用することができる。基準により、照射すべきターゲット領域１８を位置決めするためのより良好で、より正確な系が与えられるため、十分な骨が存在する場合であっても、身体の位置に基準を使用することが望ましい。
系属中のAdlerの特許出願に記載された定位的放射線手術装置の各々に対応する限りにおいて、装置１０および装置１０’を説明した。次に、本発明にしたがって、出願人により提供される装置の多数の改良点について説明する。これらの改良点には、(1)装置１０’に適用可能であり、第５図および第６図に示される非常停止装置、(2)装置１０’に適用可能な、非球状のターゲット領域１８を形成するための一意的な技法、および、(3)ほぼリアルタイムでターゲット領域を連続的に配置するために、放射線外科ビームおよび標識ターゲット位置決めビームを作動させる一意的な一時的処置が含まれる。この後者の特徴は、装置１０および装置１０’の双方に適用可能であり、第９図には、関連するタイミングダイヤグラムが示されている。
第５図を参照すると、装置１０’の部分を形成し、プロセッサにより制御可能なロボットアーム機構４６は、患者１３８上にビーム発生装置１２０を支持するように示されている。明瞭にするために、第３図に示された装置の残りの部分は、第５図から省略されている。その一方、第５図には、３つの装置Ａ、Ｂ、Ｃを有する装置１０’が示されている。これら装置Ａ、Ｂ、Ｃは、タワー２００上に、相互に離間して固定され、タワー２００自体は、適当な手段により、２０２で示される天井に固定されている。同時に、少なくとも３つ、好ましくはそれ以上の異なるタイプの装置１、２、３などが、ビーム発生装置１２０の後部本体２０４上に設けられている。これは、機構的に考えると、ロボットアーム２０６の延長部を形成し、このロボットアーム２０６は、ロボットアーム機構４６の一部を構成している。装置Ａ、Ｂ、Ｃの各々は、選択的に、コード化された赤外線パルス信号を送信し、コード化された超音波パルス信号を受信する送信器／受信器の組合せとして機能する。その一方、装置１、２、３などの各々は、装置Ａ、Ｂ、Ｃの各々からの一意的にコード化された赤外線パルス信号を受信し、対応してコード化されたパルス状の超音波信号を送信するように特に設計された受信器／送信器として機能する。これら種々の装置は、ビーム発生装置１２０の正確な位置および方向を連続的に監視し、したがって、ビームがその意図された経路を逸脱した場合に、装置をシャットダウンするために、外科ビーム自体を連続的に監視するように、相互に協動する。その理由は以下に明らかになるが、そのために、装置１０′には、これら後者の受信器／送信器が８つ設けられており、装置１、２、３は本体２０４の前面に設けられ、装置４、５は、その側面に設けられ、装置６は、その背面に設けられ、二つの付加的な装置７、８は、第５図には示されていないが、本体２０４の反対の側面に設けられている。
装置Ａ、Ｂ、Ｃおよび装置１ないし８は、第６図にダイヤグラムとして示されるように、非常停止装置２０８の一部を形成している。第７図および第８図とともに後述するように、ビーム発生装置１２０は、ビームの経路を横切る予め定められた３次元経路に沿って移動するように意図され、したがって、そのビームが、この経路に沿って移動するように意図されたような本発明の第２の特徴にしたがって設計されている。プロセッサにより制御可能なロボットアーム機構４６およびマルチプロセッサコンピュータ１２は、これを実現するために、相互に協動するように設計されている。しかしながら、コンピュータのエラーによりビーム発生装置１２０がその経路を逸脱した場合に、このような状況の下で、装置をシャットダウンするためのバックアップシステムなしでは、患者が危険にさらされるおそれがある。装置２０８は、このバックアップとして機能している。
第６図に示すように、非常停止装置２０８には、固定された３つの装置Ａ、Ｂ、Ｃおよびビーム発生装置１２０とともに動く装置１ないし８が含まれるのみならず、マルチプロセッサコンピュータ１２も含まれる。ロボットアーム２０６により、ビーム発生装置１２０がその意図された移動経路に沿って動くのにしたがって、装置Ａは、装置１に対して特定的にコード化された赤外線パルス信号を送信する。装置１が、そのときに、装置Ａの視界に入っている場合に、装置１は、信号を受信し、それに応答して、装置Ａにより受信され、容易に設けることができ、飛行情報の時間(time of flight information)を用いる従来の手段でコンピュータ１２を介して処理される対応してコード化されたパルス状の超音波信号を返送し、そのときの装置Ａに対する装置１の位置が確認される。その後、装置Ａは、装置２に対して一意的なコード化された赤外線信号を用いて、装置２に関して同様の処理を実行し、次いで、装置３、装置４などにも実行する。装置Ａが、（装置Ｂ、Ｃをオフにして）装置１ないし８に対する位置監視の全てのシーケンスを実行した後に、装置Ｂが同様の処理を実行し、さらに、（装置Ａ、Ｂをオフにして、）装置Ｃが処理を実行する。
装置Ａ、Ｂ、Ｃの各々は、その視界に入っている装置１ないし８に通じることができるだけではない。全体の非常停止装置２０８の場合に、装置１ないし８は、ロボットアーム２０６の任意の可能な位置で、これらのうちの３つが、作動中の装置Ａ、Ｂ或いはＣの視界につねに入っているように配置されている。このように、非常停止装置２０８が、ある完全な監視サイクル（Ａシーケンス、ＢシーケンスおよびＣシーケンスの全部）を実行するときに、ビーム発生装置上の少なくとも３つの点が、装置Ａ、Ｂ、Ｃの各々のために位置していることになる。コンピュータ１２による適切で容易に提供可能なアルゴリズムによって、位置決め情報は、ビーム発生装置が、そのとき実際に、意図された経路上に存在するか、或いは、その意図された経路から逸脱しているかを決定するために用いられる。後者である場合に、コンピュータはロボットアーム機構４６およびビーム発生装置１２０に相互接続され、装置を自動的にシャットダウンする。すなわち、すくなくともロボットアームの動きを自動的に停止し、放射線外科ビームを自動的にオフにする。これは、ロボットアーム機構４６と、ビーム発生装置１２０をその意図された経路に沿ってガイドする基本的な手段であるコントローラすなわちプロセッサ１２’との間のサーボフィードバック関係に、全く依存することなく実行される。実際の実施例において、装置２０８は、装置が１cm/secないし５cm/secで動いている場合に、Ａ、ＢおよびＣの監視シーケンスを通じて各秒あたり３回繰り返すことにより、動作中の装置１２０の位置を連続的に監視している。
特に、非常停止装置２０８に関して、本発明は、固定された装置Ａ、Ｂ、Ｃおよび移動可能な装置１、２、３などの間の特定の位置関係を限定するものではなく、その監視シーケンスを通じてこの装置が繰り返す速度を限定するものではないことを理解すべきである。本発明は、このような装置の数、或いは、使用される装置を限定するものではない。適当な関連する装置は、本明細書中に記載された教示に鑑みて容易に提供され得る。実際に作動する実施例において、装置Ａ、Ｂ、Ｃの各々および装置１、２、３などの各々は、Litek Advanced System社から、その卸売業者であるカルフォルニア州ロスアンジェルスのCelesco Transducersを介して、ＶＳ−１１０ＰＲＯというモデルナンバーで購入される。
非常停止装置２０８を説明したが、本発明の第２の特徴を示した第７図および第８図を参照して、特に、プロセッサにより制御可能なロボットアーム機構４６がコンピュータ１２により作動され、非球状のターゲット領域１８を生成するようにビーム発生装置１２０を動かす特定の方法を説明する。前述したように、装置１０’は、そのビーム発生装置１２０が、ロボットアーム機構４６により、予め定められた経路に沿って移動可能であるように設計されており、この経路は、マルチプロセッサコンピュータにより決定され、放射線外科ビームの経路を横切っており、同時に、ビーム経路は、ターゲット領域に向けられる。従来設計された放射線手術装置において、ビーム発生装置の動きは、球面上の特定の予め定められた弧に限定され、ビーム発生装置がその経路に沿って動くのにしたがって、ターゲット領域を通る放射線外科ビームを向けることにより、球状のターゲット領域が形成されていた。
本発明によれば、マルチプロセッサコンピュータ１２には、ロボットアーム機構４６を作動するアルゴリズムが設けられ、このアルゴリズムにより、ビーム発生装置２０は、ビーム経路を横切る予め定められた非環状で、かつ、非直線状の経路に沿って動かされ、それと同時に、ビームの経路は、ターゲット領域に向けられる。このように、ターゲット領域では、放射線外科ビームは、非環状で、かつ、非直線状の経路に沿った特定の治療箇所で、放射線外科ビームを向け、非球状のターゲット領域を画定することができる。第７図に示すように、本発明の実際に作動する実施例において、コンピュータ１２には、ビーム発生装置を、球面上のある螺旋状の経路を通って動かすアルゴリズムが設けられている。この螺旋状の経路は、球面２１２上において、２１０で全般的に示されている。また、球面２１２は、ＸＹＺ座標系の原点に、その中心２１４を有している。幾分不規則で、幾分細長い形状のターゲット領域１８は、中心点２１４を取り囲んでいる。
実際の作動において、ビーム発生装置１２０は、螺旋状の経路２１０に沿って動かされるとともに、そのビームは、つねに、ターゲット領域１８内の点２１４に標準を合わせている。放射線外科ビームは、たとえば、断続的に動かされて、治療箇所ＴＰ１でスタートし、その後、治療箇所ＴＰ２に移動する。次いで、螺旋状の経路上のＴＰ３などを経て、最終の治療箇所ＴＰＮに達する。ビーム発生装置は、種々の治療箇所でのみ、そのビームを向け、静止点で、そのように動作する。治療箇所の間では、ビーム発生装置は、オフ状態に維持される。以下に詳述する特定の螺旋状の経路２１０を選択し、経路上の特定の治療箇所を選択することにより、ビーム発生装置は、第７図に示すように、楕円形状で、不規則な形状のターゲット領域１８を取り囲む線量分布、すなわち、ターゲット領域１８’を与えることができる。特に、第７図に示すように、点２１４は、Ｚ軸に沿って延びる長軸と、Ｘ、Ｙ軸に沿って延びる短軸を有する楕円体の対称中心である。楕円形状の線量分布は、球体状のターゲット領域に限定されていた従来技術と、対照的である。不規則な細長い領域１８の場合、このターゲット領域全体を照射するためには、幾つかの近接する球体状のターゲット領域が必要であった。
第７図に示された螺旋状の経路２１０および楕円形状の領域１８’が、螺旋状の経路２１０と治療箇所ＴＰ１、ＴＰ２などを形成する特定のアルゴリズムのために必要な位置的な基準点を与えるＸＹＺ座標系に示されている。さらに、これに関して、第８図においては、ＸＹＺ軸に沿って、球体２１０が重ねられている。さらに、半径Ｒは、中心点２１４と発生装置１２０の出力点（放射線外科ビームが最初に発生する点）との間の放射線外科ビームの経路を示している。角度θは、Ｚ軸とビームの経路Ｒとの間のなす角に対応し、角度φは、Ｘ軸とビームの経路ＲのＸ−Ｙ平面上への投影との間に画定される。これらの関係に基づいて、螺旋状の経路２１０は、以下の等式により定義される。
Ｚi＝Ｒcos θi
Ｘi＝Ｒsin θi Cos φi
Ｙi＝Ｒsin θi Sin φi
列挙された等式の各々において、ｉは、曲線上の特定の治療箇所に対応している。これら治療箇所は、楕円形状のターゲット領域をカスタマイズするために、その応用に応じて変更される。本発明のある特定の実施例において、治療箇所は下記の式で与えられる。ここに、Ｎは、治療箇所の総数を示している。
θi＝π／６＋（π／６）・（ｉ／Ｎ）
φi＝２π（５ｉ／Ｎ）
ｉ＝０，１，２，・・・，Ｎ
前述したことは、装置１０’が、どのようにして、そのビーム発生装置を、特定の螺旋状の経路に沿って動かすことにより、特定の楕円形状のターゲット領域を形成することができるかを、明確に記述したものであり、本発明は、このような特定の適用に限定されるものではないことを理解すべきである。ビーム発生装置は、非環状で、かつ、非直線状の経路に沿って動かされ、本明細書中の教示に鑑みて、非球状のターゲット領域を形成することができる。任意の与えられた患者に対して、治療量の形状、すなわち、線量分布つまりターゲット領域と、放射量、すなわち、その量の中に与えるべき線量の分配とを決定することを含む治療計画がつくられる。たとえば、曲線２１０の場合に、楕円形状のターゲット領域に与えられる放射線量は、半径Ｒを変更することにより、或いは、放射線外科ビームの強さを変更することにより変えることができる。多くの場合に、Ｒを最小にして、放射線外科ビームのシャドウコンポーネント(shadow component)を最小にできることが好ましい。治療箇所ＴＰ１、ＴＰ２などを変更することにより、楕円形状のターゲット領域を変更し、或いは、カスタマイズすることができる。本発明は、各患者に対する最良の治療計画を作るための柔軟な作業ツールとして機能する。
装置１０′が、ロボットアームを、予め定められた非環状で、かつ、非直線状の経路に沿って適切に動かすことにより、非球状のターゲット領域を形成するために作動する方法と、ロボットアームが、独立した非常停止装置により、自動的に停止できる方法とを説明したが、次に、装置１０、１０′のビーム発生装置２０、１２０がつねにターゲット領域に照準を合わせることを確実にするために、装置１０、１０’が作動する一意的な方法を説明する。前述したように、装置１０、１０′の各々は、予め得られた基準データを用いて、患者の特定のターゲット領域に、定位的放射線手術を実行する。この基準データは、ある基準点の近傍をも含む周辺領域に対するターゲット領域の位置を示している。また、この議論で引用するように、装置は、一対の標識放射線ビーム、すなわち、ターゲット位置決めビームを利用している。これらビームは、ターゲット領域および基準点を含む周辺領域を通過し、周辺領域を通過した後に、周辺領域内の基準点の位置を示すデータを含むようになる。前述したように、この位置データは、関連する検出器により収集され、マルチプロセッサコンピュータに送られる。コンピュータは、このデータを、予め得られた基準データと比較し、これら各々の比較中の基準点の各々に対するターゲット領域の位置を測定する。放射線外科ビームは、この情報に基づいて、ほぼリアルタイムに、ターゲット領域に正確に向けられる。
本発明のさらなる特徴によれば、放射線外科ビームがつねにターゲット領域に向けられることを確実にするために記載された種々のステップが、第９図に示されるように、特定の時間的なオーダで実行される。第９図に示された治療期間は、ビーム発生装置２０、１２０が静止し、そのビームがオンである期間を示している。ターゲット位置決め期間は、治療期間の間の期間を示し、ターゲット位置決め装置がオンになり、位置決めデータを生成する第１のサブピリオドと、位置決めデータを予め得られた基準データと比較する第２のサブピリオドと、ビーム発生装置が、必要な場合にビームを位置決めし、すぐ前の比較に基づいて、ターゲットにビームを向けることを保証する最終的な第３のサブピリオドとを有している。特に、ターゲット位置決め期間の全てを構成する第１のサブピリオド、第２のサブピリオドおよび第３のサブピリオドが、互いに、直接続いており、ターゲット位置決め期間は、治療期間に直接続いていることに留意すべきである。ターゲット位置決め期間中に、ビーム発生装置は、ある治療箇所から他の治療箇所まで動く横断経路に沿って動かされる。本発明の実際に作動する実施例において、治療期間の各々は、０．５ないし１秒間持続し、ターゲット位置決め期間の各々は、１ないし２秒持続する。したがって、ビーム発生装置２０、１２０は、全装置の作動中に、毎秒或いは２秒ごとに、オンオフされる。
本発明を、その特定の実施例とともに説明したが、さらに変形することが可能であることを理解すべきである。また、本発明が、いかなる本発明の変形、使用、適用をもカバーするものであり、一般に、本開示からの逸脱が、本発明に関連する技術分野において知られ、或いは、通常なされるものである場合に、前述した基本的な特徴に適用可能であり、発明の範囲および添付した請求の範囲の限定に含まれることを理解すべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図７】
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【図８】
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