JP2008022994A - Particle beam therapy apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザにより発生・加速させた粒子線(陽子線や炭素線)を利用して癌等の治療を行うレーザ駆動粒子線による治療装置に関する。 The present invention relates to a treatment apparatus using a laser-driven particle beam that treats cancer or the like using particle beams (proton beams or carbon beams) generated and accelerated by a laser.
癌や腫瘍等の治療に際して利用されている画像診断(X線CTやMRI、超音波検査)は、患部の「形や大きさ」を見る検査であり、その解像度は1mm以下である。それに対して、PET(Positron Emission Tomographyの略)は、ポジトロン(陽電子)を放出するアイソトープで標識された薬剤を注射し、その体内分布を特殊なカメラで撮影して映像化する新しい診断法であり、ポジトロンCTとも呼ばれており、癌や腫瘍等の「活動性=悪性度」も見ることができると考えられているが、解像度は、数mmである。 Image diagnosis (X-ray CT, MRI, ultrasonic examination) used in the treatment of cancer, tumors, etc. is an examination for checking the “shape and size” of an affected area, and its resolution is 1 mm or less. In contrast, PET (abbreviation of P ositron E mission T omography) can be obtained by injecting a drug labeled with an isotope that emits positron (positron), new diagnostic to image by photographing the biodistribution special camera This method is also called positron CT, and it is thought that “activity = malignancy” such as cancer and tumor can be seen, but the resolution is several mm.
そこで、癌や腫瘍等に対する有効な治療方法として、前記画像診断とPETを併用した方法が各所で検討されている。 In view of this, a method using the above-described diagnostic imaging and PET in combination has been studied in various places as an effective treatment method for cancer and tumors.
その一つの動きとして、(兵庫県立粒子線治療センターでは、)粒子線治療の際に、患者の患部へ照射した粒子線によって、人体の中の自己放射化した原子(炭素11など)から発生する陽電子をPETで観察することの有用性を臨床的に確立した。(非特許文献)
一方、PETによる画像診断を有効に活用するためには、診断方法をリアルタイムに行う必要があった。しかしながら、現状では、このPET診断は、粒子線照射室で行うことが困難であり、患者は、粒子線照射後に別室のPET診断室で事後の診断として行うことを余儀なくされていた。粒子線照射装置は非常に大型であることから、PET装置と一緒に設置するスペースを確保することが困難であることが原因である。
One of the movements (at the Hyogo Prefectural Particle Therapy Center) is generated from self-radiated atoms (such as carbon 11) in the human body due to the particle beam irradiated to the affected part of the patient during the particle therapy. The usefulness of observing positrons with PET has been established clinically. (Non-patent literature)
On the other hand, in order to effectively use PET image diagnosis, it is necessary to perform a diagnosis method in real time. However, at present, it is difficult to perform this PET diagnosis in the particle beam irradiation room, and the patient has been forced to perform a subsequent diagnosis in a separate PET diagnosis room after the particle beam irradiation. This is because the particle beam irradiation apparatus is very large and it is difficult to secure a space for installation together with the PET apparatus.
また、特開平10−052509号公報(特許文献1)に記載された装置では、荷電粒子ビームを患者に照射し、実際の照射位置の記録のために、照射位置から発生する音響信号を把握して照射位置を記録するが、荷電ビームの発生にはシンクロトロンを利用しており、小型化は困難である。 Further, in the apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-052509 (Patent Document 1), a charged particle beam is irradiated to a patient, and an acoustic signal generated from the irradiation position is grasped for recording the actual irradiation position. Although the irradiation position is recorded, a synchrotron is used to generate the charged beam, and it is difficult to reduce the size.
このような粒子線治療においては、粒子線による画像診断や治療を行い、同時に、スキャニング粒子線照射に伴う自己放射化を利用したPET画像診断、X線CTやMRIも併用してリアルタイムでのモニタリングを行うことができるようにすることが望まれている。 In such particle beam therapy, diagnostic imaging and treatment using particle beams are performed, and at the same time, PET imaging using self-activation associated with scanning particle beam irradiation, X-ray CT and MRI are also used in real-time monitoring. It is desirable to be able to do that.
本発明の1つの目的は、放射線医によるフィードバックの掛かった治療と診断を、PETやX線CTやMRI等を用いてリアルタイムに同一フロアで行うことができるように支援する粒子線治療装置を実現することにある。 One object of the present invention is to realize a particle beam therapy system that supports treatment and diagnosis with feedback by a radiologist in real time on the same floor using PET, X-ray CT, MRI, etc. There is to do.
本発明の他の目的は、粒子線治療装置を小型化することにより、癌や腫瘍等に対する有効な治療手段として広く一般に利用することができるようにすることにある。 Another object of the present invention is to reduce the size of the particle beam therapy system so that it can be widely used as an effective treatment means for cancer, tumor, and the like.
本発明は、小型の粒子線発生・加速部を実現することにより、画像診断装置(PET、X線CTやMRI、超音波検査装置)に対して粒子加速器を一体あるいは近傍に設置することを可能にし、粒子線による画像診断や治療を行い、同時に、スキャニング粒子線照射に伴う自己放射化を利用した実際の照射線量のPET画像診断、X線CTやMRIを併用したリアルタイムでのモニタリングを行うことができるように構成するものである。 By realizing a compact particle beam generator / accelerator, the present invention makes it possible to install a particle accelerator integrally or in the vicinity of a diagnostic imaging apparatus (PET, X-ray CT, MRI, ultrasonic inspection apparatus). Diagnostic imaging and treatment using particle beams, and simultaneously performing real-time monitoring using PET imaging of actual radiation dose using self-radiation associated with scanning particle beam irradiation, combined with X-ray CT and MRI It is comprised so that it can do.
具体的には、コンパクト短パルスレーザを固体などの薄いターゲットに照射することにより超コンパクトに構成した粒子線発生・加速部によって粒子線を発生、加速させ、その適切な輸送と切り出しを行って人体患部に照射することにより、癌等の患部の治療を行うと同時に治療の効果をモニタリングすることができる医療装置を構成するものであり、医療現場に設置が可能なコンパクトなレーザ駆動粒子線治療装置を実現するものである。 Specifically, by irradiating a thin target such as a solid with a compact short pulse laser, a particle beam is generated and accelerated by a particle beam generator / accelerator configured in an ultra-compact manner, and appropriately transported and cut out. A compact laser-driven particle beam therapy system that constitutes a medical device that can treat the affected area such as cancer by irradiating the affected area and simultaneously monitor the effect of the treatment, and can be installed in a medical field Is realized.
更に、具体的には、超コンパクトに構成した粒子線発生・加速部と量子線照射部と診断支援部とを同一フロアに配置することを特徴とする。 More specifically, the particle beam generation / acceleration unit, the quantum beam irradiation unit, and the diagnosis support unit configured in an ultra-compact manner are arranged on the same floor.
また、前記粒子線発生・加速部と粒子線照射部を設置する治療室にX線CT,MRI,超音波検査装置を設置可能にしたことを特徴とする。 Further, X-ray CT, MRI, and an ultrasonic examination apparatus can be installed in a treatment room where the particle beam generation / acceleration unit and the particle beam irradiation unit are installed.
本発明を癌や腫瘍等の医療分野で利用することで、次のような効果を得ることができる。 By utilizing the present invention in the medical field such as cancer and tumor, the following effects can be obtained.
本発明は、粒子線発生・加速部を極めてコンパクト化して、診断支援部(PET、X線CTやMRI、超音波検査装置)と同一フロアに設置することができるようにしたことにより、医療現場に直接配置して診察および治療に使用することができ、更には、治療中のリアルタイムのモニタリングが可能となり、診断の精度向上や治療の改善をはかり、医療の確実性や安全性を向上させることができる。 In the present invention, the particle beam generation / acceleration unit is extremely compact and can be installed on the same floor as the diagnosis support unit (PET, X-ray CT, MRI, ultrasonic examination apparatus). Can be used directly for diagnosis and treatment, and can be monitored in real time during treatment, improving diagnosis accuracy and treatment, and improving medical certainty and safety Can do.
このようなリアルタイム診断によれば、これまではPET用として用いることができなかった短寿命陽電子放出核(例えば酸素15など)を用いることが可能になる。
According to such real-time diagnosis, it is possible to use a short-lived positron emitting nucleus (for example,
また、超小型の粒子線発生・加速部と診断支援部(X線CTやMRI、超音波検査装置)とを一体化することにより、医療装置として非常に低価格の機器を実現することができる。 In addition, by integrating the ultra-compact particle beam generation / acceleration unit and the diagnosis support unit (X-ray CT, MRI, ultrasonic examination apparatus), it is possible to realize a very low-priced device as a medical device. .
更に、従来の粒子線の加速器にシンクロトロン、サイクロトロンを使用した場合は、その収容装置としてビル建設等の費用が必要となるが、本発明になる装置は、現有の医療現場(例えばX線治療器等)に直接設置が可能である。 In addition, when a synchrotron or cyclotron is used as a conventional particle beam accelerator, the construction of a building or the like is required as its accommodation device, but the device according to the present invention is used in an existing medical field (for example, X-ray therapy). Etc.) can be installed directly.
本発明の粒子線治療装置は、人体患部に照射する陽子線や炭素イオン線等の粒子線をレーザ照射により発生・加速させる粒子線発生・加速部と、前記粒子線を人体患部に照射する粒子線照射部と、前記粒子線照射に伴って発生する人体患部の自己放射化により発生する陽電子を検出して画像化表示する診断支援部を備え、
前記粒子線発生・加速部における陽子線発生部は、レーザ光を薄膜テープターゲットに照射して陽子線を発生させるように構成し、前記診断支援部は、人体患部に照射された部位の自己放射化により放出される陽電子をリアルタイムにPET診断表示するように構成して、前記粒子線発生・加速部と粒子線照射部と診断支援部とを同一フロアに配置し、放射線医が前記PET診断表示結果を見て粒子線照射量と粒子線照射部位をリアルタイムに制御して治療することを支援可能に構成する。
The particle beam treatment apparatus of the present invention includes a particle beam generation / acceleration unit that generates and accelerates a particle beam such as a proton beam and a carbon ion beam irradiated to a human affected area by laser irradiation, and a particle that irradiates the human affected area with the particle beam. A radiation irradiating unit, and a diagnostic support unit for detecting and imaging and displaying positrons generated by self-radiation of the affected part of the human body that occurs with the particle beam irradiation,
The proton beam generation unit in the particle beam generation / acceleration unit is configured to generate a proton beam by irradiating the thin film tape target with a laser beam, and the diagnosis support unit is configured to self-radiate a site irradiated to a human affected area. The positrons emitted by the conversion are displayed in real time in PET diagnosis, the particle beam generation / acceleration unit, particle beam irradiation unit, and diagnosis support unit are arranged on the same floor, and a radiologist displays the PET diagnosis display Based on the results, it is possible to support the treatment by controlling the particle beam irradiation amount and the particle beam irradiation site in real time.
また、前記粒子線発生・加速部と粒子線照射部を設置する治療室にX線CT,MRI,超音波検査装置を設置可能にする。 In addition, X-ray CT, MRI, and an ultrasonic examination apparatus can be installed in a treatment room where the particle beam generation / acceleration unit and the particle beam irradiation unit are installed.
このようなリアルタイム診断を可能とすることにより、これまではPET用として用いることができなかった短寿命陽電子放出核(例えば酸素15など)を用いることを可能にする。
By making such a real-time diagnosis possible, it becomes possible to use short-lived positron emitting nuclei (for example,
本発明の粒子線治療装置の実施例を図面を参照して説明する。 An embodiment of a particle beam therapy system according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の粒子線治療装置の全体の構成を示すブロック図である。この実施例1の粒子線治療装置は、陽子線を使用した例である。 FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the particle beam therapy system according to the present invention. The particle beam therapy system according to the first embodiment is an example using a proton beam.
図2は、一般的な陽子線の特徴を、体内における放射線量分布で他の放射線と比較して示している。 FIG. 2 shows the characteristics of a general proton beam compared to other radiation in the radiation dose distribution in the body.
図2において、深度0は体の表面を表しており、X線,ガンマ線,速中性子線等の放射線は、体表面近傍で放射線量分布が高いのに対して、陽子線は、体内の深いところで放射線量分布が高くなることがわかっており、この深さの位置ならびに深度幅を調整することができる。このことにより、陽子線が粒子線治療に利用されてきている。
In FIG. 2, the
図1において、粒子線治療装置1は、患者6に対する治療計画2に基づく治療・診断を支援するものであり、粒子線である陽子線をレーザにより発生させる陽子(粒子)線発生・加速部3と、患者6に対して陽子線を照射する陽子(粒子)線照射部(治療)4と、照射された陽子線により患者6の患部の自己放射化により発生する陽電子をリアルタイムに検出して把握するPET診断支援部(モニタリング)5とを備える。
In FIG. 1, a particle
前記陽子線発生・加速部3は、治療計画2に沿った所要の陽子線を得るためのレーザ出力を制御するレーザ電源部7と、レーザ電源部7から供給されるレーザ電源に基づきレーザ光を発生するレーザ装置8と、発生したレーザ光を複数のレンズならびにミラー等の光学部品により伝送するレーザビーム伝送装置9と、伝送されたレーザ光を陽子線発生ターゲットに焦点合わせするレーザビーム集光部10と、レーザビーム集光部10で焦点合わせ等を行ったレーザ光をターゲットに照射し、ターゲットから所望の陽子線を発生させる陽子線発生部11および発生した陽子線を加速する加速部12を備える。
The proton beam generation /
前記レーザビーム伝送装置9は、回転等に対して制御性を確保した複数枚のシステマティックに機能する導光路型の構成である。
The laser
前記レーザビーム集光部10は、集光ミラーやレンズを使用して構成する。レンズを使用することにより、設計の自由度を高めることができる。
The laser
前記加速部12は、レーザ加速装置を使用する。
The
また、前記陽子線照射部4は、加速された陽子線を所定の部署まで伝送する陽子線伝送部13と、エネルギー選択用超小型磁場装置14と、このエネルギー選択用超小型磁場装置14を経由した陽子線を患者6に照射する陽子線照射装置15とを備える。
The proton
前記レーザビーム集光部10〜陽子線照射装置15は、後述する円環状の治療・診断回転フレームに搭載する。
The laser
また、前記PET診断支援部5は、前記陽子線照射部4で患者6に照射した陽子線によって該患者6の体内に自己放射化によって陽電子放出核が生成し、その陽電子の対消滅により発生するガンマ線に反応して発生する光子を電気(検出)信号として取り出すシンチレータアレイ16と、陽子線照射に同期して前記シンチレータアレイ16から出力される電気信号を取り込むことにより間接的に前記ガンマ線を測定する陽電子消滅ガンマ線測定部17と、この測定結果を画像化する画像化装置18とを備える。
Further, the PET diagnosis support unit 5 generates positron emission nuclei by self-activation in the body of the
このPET診断支援部5におけるシンチレータアレイ16と陽電子消滅ガンマ線測定部17は、前記レーザビーム集光部10〜と陽子線照射装置15と共に後述する円環状の治療・診断回転フレームに搭載する。
The
このPET診断支援部5は、X線CTやMRI画像診断とあわせて、陽子線照射治療中のリアルタイムのモニタリングを可能とし、X線CTやMRI画像診断もPET診断に合わせることにより、診断の精度向上や治療の改善をはかり、医療の確実性と安全性を向上させることができる。 This PET diagnosis support unit 5 enables real-time monitoring during proton beam irradiation treatment together with X-ray CT and MRI image diagnosis, and by combining X-ray CT and MRI image diagnosis with PET diagnosis, the accuracy of diagnosis can be improved. The improvement and improvement of treatment can be planned and the certainty and safety of medical treatment can be improved.
図3は、前記陽子線発生・加速部3を構成するレーザ装置8〜陽子線照射装置15の具体的な構成、特に、陽子線発生ターゲットである薄膜テープターゲットにレーザ光を照射して陽子線を発生させる陽子線発生部11の部分を詳述する模式図である。
FIG. 3 shows a specific configuration of the
レーザビーム集光部10を構成する集光ミラー10aの寸法は、約200mm程度であり、非常に小型の陽子線発生・加速部3を実現するのに好都合である。特に小型化を実現するための技術的要素は、陽子線発生部11として、薄膜テープターゲット11aを採用し、レーザ光8aを陽子線発生ターゲットである薄膜テープターゲット11aに照射し、陽子線を発生させることを実用化した点である。前記薄膜テープターゲット11aは、テープ供給リール11bに巻回収容したものをテープ巻取りリール11cに巻き取るように移送し、レーザ光照射位置では該レーザ光照射位置を挾んで設置した2本の回転ロール11dに当接して位置決めする構成である。
The size of the condensing mirror 10a constituting the laser
図4は、図3に示した陽子線発生部11の部分の構造を具体的に示す斜視図(写真)である
なお、前述したレーザ装置8,レーザビーム伝送装置9,陽子線伝送部13,エネルギー選択用超小型磁場装置14やレーザ照射制御方法などは、既に知られている公知技術を利用して構成することができる。
FIG. 4 is a perspective view (photograph) specifically showing the structure of the portion of the proton beam generator 11 shown in FIG. 3. Note that the
図5は、前記陽子線発生・加速部4を搭載したコンパクトな粒子線治療装置1を示す斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view showing a compact particle
この実施例における粒子線治療装置1は、大きく、治療室Aと制御室Bとに区分されるが、何れも同一フロアーに設置している。
The particle
治療室Aには、予め設定された治療計画2に従って、患者6の治療部位に合った陽子線を発生させるために、レーザ電源部7の出力を制御し、レーザ装置8によって必要なパワーおよびビーム径等のレーザ光8aを発生させる。発生したレーザ光8aは、レーザビーム伝送部(レーザ導光路技術を用いる)9とレーザビーム集光部10を通して薄膜テープターゲット11aのテープターゲット照射位置Pに焦点を合わせ照射する。レーザ光8aの照射によって発生した陽子線を陽子線加速部(図示省略)によって加速する。
In the treatment room A, in order to generate a proton beam suitable for the treatment site of the
加速した陽子線は、陽子線伝送部13(図示省略)を通して搬送し、陽子線エネルギー選択用磁場14によって必要な陽子線とした後に、陽子線照射装置15によって治療室A内の患者6の患部に照射することにより、患者6の癌や腫瘍等の治療を行う。
The accelerated proton beam is conveyed through a proton beam transmission unit 13 (not shown), converted into a necessary proton beam by the proton beam energy selection
加速した陽子線は、陽子線伝送部13(図示省略)を通して搬送し、陽子線エネルギー選択用磁場14によって必要な陽子線とした後に、陽子線照射装置15する。
The accelerated proton beam is transported through a proton beam transmission unit 13 (not shown), converted into a necessary proton beam by the proton beam energy selection
前記レーザ装置8とレーザビーム伝送部9は基台21上に設置し、レーザビーム集光部10〜陽子線照射装置15は、治療・診断回転フレーム19上に設置する。
The
一方、PET診断支援部5では、シンチレータアレイ16等を内蔵した治療・診断回転フレーム19によって、陽子線を起点として患者6の患部からの自己放射化による陽電子消滅ガンマ線を測定し、患部の変化状況をリアルタイムで検出する。
On the other hand, the PET diagnosis support unit 5 measures the positron annihilation gamma rays due to self-activation from the affected area of the
制御室Bは、コンピュータを主体に構成して前記画像化装置18(図示省略)を内蔵させ、前記治療計画(情報)2を保持させた診断解析・治療計画フィードバック装置20を備え、治療計画2に基づく陽子線照射状況ならびに照射後の患部の状況等をシンチレータアレイ16からの出力される検出信号に基づく陽電子消滅ガンマ線測定部17による測定結果によってリアルタイムで把握し、画像化装置18によって画像化等を行って表示することで放射線医による施術を支援するための治療全体の制御処理を行う。
The control room B includes a diagnostic analysis / treatment
このようにリアルタイム診断を行うことができる粒子線治療装置によれば、これまではPET用として用いることができなかった短寿命陽電子放出核(例えば酸素15など)を用いることが可能になる。
Thus, according to the particle beam therapy system capable of performing real-time diagnosis, it is possible to use short-lived positron emitting nuclei (for example,
尚、この実施例1では、レーザを使った陽子線照射治療の専用機としての例を示したが、必ずしもこの構成に限るものではなく、従来型の画像診断装置(X線CTやMRI、超音波検査装置)と一体化した診断・治療装置として利用することができる。その場合には、図4における陽子線照射までの系統を、画像診断装置(X線CTやMRI、超音波検査)の機能と平行して一体化し、患者周辺の治療・診断回転フレーム19、患者6を収容する場、制御室B等を供用化して装置全体をコンパクト化することができる。
In the first embodiment, an example of a dedicated apparatus for proton beam irradiation treatment using a laser is shown. However, the present invention is not necessarily limited to this configuration, and a conventional diagnostic imaging apparatus (X-ray CT, MRI, super It can be used as a diagnostic / treatment device integrated with a sonographic apparatus. In this case, the system up to the proton beam irradiation in FIG. 4 is integrated in parallel with the function of the image diagnostic apparatus (X-ray CT, MRI, ultrasonic examination), and the treatment /
図6は、陽子線治療直後の自己放射化のPET画像を例示している。 FIG. 6 illustrates a self-activation PET image immediately after proton beam treatment.
この例は、肝動脈塞栓術後の再発肝癌に対する190MeV陽子線治療のPET画像である。76GyE/20Fr陽子線を2門照射し、各門の初回治療約5分後にPET撮影したものである。線量分布にほぼ一致したPET画像が得られる。この例は、1時点の1断面を表した画像であるが、制御室Bの診断解析・治療計画フィードバック装置20では、陽子線照射に伴う患者6の患部の状況を、身体部位、角度、身体深度を必要に応じて変更して画像化表示し、治療計画2に沿った陽子線照射となっているかどうか、更には患部の変遷をリアルタイムで把握することができる。特に、患部の癌や腫瘍等の活性度の変化についても把握することができる。
This example is a PET image of 190 MeV proton therapy for recurrent liver cancer after hepatic artery embolization. Two 76GyE / 20Fr proton beams were irradiated and PET images were taken about 5 minutes after the initial treatment of each gate. A PET image substantially matching the dose distribution is obtained. This example is an image showing one cross section at one time point, but in the diagnostic analysis / treatment
1…粒子線治療装置、2…治療計画(情報)、3…陽子線発生・加速部、4…陽子線照射部、5…PET診断支援部(モニタリング)、6…患者、7…レーザ電源部、8…レーザ装置、8a…レーザ光、9…レーザビーム伝送装置、10…レーザビーム集光部、10a…集光ミラー、11…陽子線発生部、11a…薄膜テープターゲット、12…加速部、13…陽子線伝送部、14…エネルギー選択用超小型磁場装置、15…陽子線照射装置、16…シンチレータアレイ、17…陽電子消滅ガンマ線測定部、18…画像化処理部、19…治療・診断回転フレーム、20…診断解析・治療計画フィードバック装置、21…基台。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記粒子線発生・加速部と粒子線照射部と診断支援部とを同一フロアに配置したことを特徴とする粒子線治療装置。 A particle beam generation / acceleration unit for generating and accelerating a particle beam such as a proton beam or a carbon ion beam irradiated to a human affected part by laser irradiation, a particle beam irradiation unit for irradiating the human affected part with the particle beam, and the particle beam irradiation A diagnostic support unit for detecting and imaging and displaying positrons generated by self-activation of the affected part of the human body,
A particle beam therapy system, wherein the particle beam generation / acceleration unit, particle beam irradiation unit, and diagnosis support unit are arranged on the same floor.
The X-ray CT, MRI, or ultrasonic examination apparatus can be installed in a treatment room where the particle beam generation / acceleration unit and the particle beam irradiation unit are installed. Particle beam therapy device.
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