JP2009279019A - 放射線治療における体動監視システム - Google Patents

Abstract

【課題】 体内外の患部にセンサーを取り付けることができ、かつ、遮蔽物によるデータ通信への影響が少なく、患者の体動を高精度に観測することができる放射線治療における体動監視システムを提供すること。
【解決手段】 患者Ｐの人体の少なくとも一部に付着されるセンサー部材であって、互いに直交するＸＹＺ３軸方向の各加速度を計測可能な加速度計測手段を有し、かつ、この加速度計測手段により観測した加速度データを無線送信可能な発信機を有する加速度センサー１と；この加速度センサー１の発信機から送信された加速度データを受信する受信装置２と；この受信装置２が受信した加速度データに基づいて、患者Ｐの***座標データを演算する解析ソフトウェア３と；この解析ソフトウェア３が搭載された電子計算機４と；治療のための放射線を出力可能な放射線照射装置５とを具備して構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放射線治療の改良、更に詳しくは、体内外の患部にセンサーを取り付けることができ、かつ、遮蔽物によるデータ通信への影響が少なく、患者の体動を高精度に観測することができる放射線治療における体動監視システムに関するものである。

放射線治療を施す場合には、放射線の照射位置が患部からズレないようにしなければならないが、人体は呼吸や心拍などにより不可避的に運動しているため、この動きに放射線照射を同期させるために、動きを刻々と監視して、患部の位置を正確に計測する必要がある。

従来、放射線などを照射する治療において、前記のような患者の動きを監視して患部の位置を確認するための技術を開示したものとしては、例えば、以下のような特許文献がある。

＜特許文献１＞（特開２００５−１８５３３６号公報）には、超音波画像によるリアルタイムフレーム解析にて、治療ターゲットの三次元組織ベクトルによるターゲット運動を理解するシステムが開示されている。

しかしながら、この文献発明は、治療ターゲットのみの運動認識であることに対するものであり、また、一般に超音波画像診断装置では、超音波探触子と治療ターゲットとの間に空気や骨などが存在する部位（例えば、肺、頭部など）では、信号減衰が著しいため、画像生成が困難であるという問題があった。

＜特許文献２＞（特開平１−２５０２７２号公報）には、再帰性光反射部材を体表面に貼り付け、これに向けて一定の光束を照射する光束発生源および再帰性光反射部材で反射された光を受信する反射検出器で、患者***の動きを認識する装置が開示されている。

しかしながら、この文献発明は、三次元的、あるいは時間軸を加味した四次元的運動について言及されていない。また、光を遮る物理的な遮蔽物（例えば、患者を固定する治具や放射線検出器など）が体表面と光束との間に存在する場合には、信号の授受が不可能になるという問題がある。更にまた、人体移動に伴う角度検出について言及されていない。

＜特許文献３＞（特開平７−２５５７１７号公報）には、ＣＴスキャナおよび呼吸器計または心電計センサーを用いて、リアルタイムに患者***の運動を検知補正し、治療計画シミュレーションの補正を加味した放射線治療システムが開示されている。

しかしながら、この文献発明は、センサーによる具体的な信号検出手法が言及されておらず、また、センサーによる呼吸波形や心拍の変化、およびこれに伴うコリメータ補正については言及されているが、人体外郭の三次元的あるいは四次元的運動におけるデータ取得手法について言及されていない。

＜特許文献４＞（特開２００４−５７５５９号公報）には、Ｘ線撮影装置において、被検体の胸部または腹部の体表面へ投影したレーザおよびレーザ距離計によって変化量を計測し、被検体の呼吸周期を検出するシステムが開示されている。

しかしながら、この文献発明は、Ｘ線診断装置を対象としており、放射線治療には言及されていない。また、距離計測に主眼が置かれているため、患者***の変化や移動、回転について言及されていない。更にまた、レーザ発振器と体表面、あるいはレーザビーム受光器と体表面の間に物理的な遮蔽物が存在する場合には、変化量の検出が困難であるという問題がある。

＜特許文献５＞（特開平６−１５４３４８号公報）には、人体内外に波動による送受信器を設置し、人体内と人体外の一方を送信機、他方を受信機として、人体外部と人体表面との間における波動到達時間を用いて人体表面上の送信機あるいは受信機の位置を計算して、この位置と、患部と人体表面との間を、波動到達時間を用いて患部位置を計算するシステムが開示されている。

しかしながら、この文献発明は、体内に送信機あるいは受信機を設置する必要があるために、侵襲的で患者負担が大きいという問題がある。また、送信機より発信した波動を受信機にて受信し、その到達時間から距離を計算するため、送受信器間に波動が減衰するような材質や不均質な材質が存在した場合には、正確な到達時間の計測は難しい。

更にまた、三次元的あるいは四次元的運動検出をするためには、受信器あるいは送信器のいずれかが三個以上必要になってしまう。そしてまた、患者を取り囲むように支持ロッドが存在するために、治療方向の制限や治療計画シミュレーションの障害となりうるという問題もある。

＜特許文献６＞（特開２０００−２０１９２２号公報）には、体表に設置した光源部発光体(赤外線発光ダイオード)の運動を、半導***置検出素子(以下、「ＰＳＤ」)を用いて電気的に検出するシステムが開示されている。

しかしながら、この文献発明は、発光体とＰＳＤとの間に物理的な遮蔽体が存在した場合、その信号を検出することは困難である。また、発光体およびＰＳＤは電気的駆動力が必要なために、患者周辺にはワイヤが多数必要となり煩雑である。

また、発光体の移動範囲をＰＳＤの検出範囲内に治まるように調整が必要であるため、設置に時間を有するとともに、発光体がＰＳＤの認識範囲外に移動した場合は検出が不可能となる。更に、ＰＳＤによる検出は二次元運動に限定されるために、三次元的運動や角度を検出することは不可能である。
特開２００５−１８５３３６号公報 特開平１−２５０２７２号公報 特開平７−２５５７１７号公報 特開２００４−５７５５９号公報 特開平６−１５４３４８号公報 特開２０００−２０１９２２号公報

本発明は、従来の放射線治療において、上記のような問題があったことに鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、体内外の患部にセンサーを取り付けることができ、かつ、遮蔽物によるデータ通信への影響が少なく、患者の体動を高精度に観測することができる放射線治療における体動監視システムを提供することにある。

本発明者が上記課題を解決するために採用した手段を添付図面を参照して説明すれば次のとおりである。

即ち、本発明は、放射線治療において、患者Ｐの体動に追従して***を計測して監視するシステムであって、
前記患者Ｐの人体の少なくとも一部に付着されるセンサー部材であって、互いに直交するＸＹＺ３軸方向の各加速度を計測可能な加速度計測手段を有し、かつ、この加速度計測手段により観測した加速度データを無線送信可能な発信機を有する加速度センサー１と；
この加速度センサー１の発信機から送信された加速度データを受信する受信装置２と；
この受信装置２が受信した加速度データに基づいて、患者Ｐの***座標データを演算する解析ソフトウェア３と；
この解析ソフトウェア３が搭載された電子計算機４と；
治療のための放射線を出力可能な放射線照射装置５とを具備して構成するという技術的手段を採用したことによって、放射線治療における体動監視システムを完成させた。

また、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、解析ソフトウェア３により演算された患者Ｐの***座標データを放射線照射装置５の照射制御手段51に送信して、当該放射線照射装置５により照射される放射線の、照射位置の移動、照射ＯＮ／ＯＦＦ、照射範囲のうちの少なくとも一つを制御することによって、放射線を患部に的確に照射できるようにするという技術的手段を採用した。

更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、加速度センサー１の加速度計測手段をピエゾ抵抗型にするという技術的手段を採用した。

更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、加速度センサー１を患者Ｐの皮膚表面に付着可能にするという技術的手段を採用した。

更にまた、本発明は、上記課題を解決するために、必要に応じて上記手段に加え、患者Ｐが横たわる寝台６が設けられており、解析ソフトウェア３により演算された患者Ｐの***座標データを寝台６の位置制御手段61に送信して、当該寝台６の位置を移動できるようにするという技術的手段を採用した。

本発明においては、患者の人体の少なくとも一部に付着されるセンサー部材であって、互いに直交するＸＹＺ３軸方向の各加速度を計測可能な加速度計測手段を有し、かつ、この加速度計測手段により観測した加速度データを無線送信可能な発信機を有する加速度センサーと；この加速度センサーの発信機から送信された加速度データを受信する受信装置と；この受信装置が受信した加速度データに基づいて、患者の***座標データを演算する解析ソフトウェアと；この解析ソフトウェアが搭載された電子計算機と；治療のための放射線を出力可能な放射線照射装置とを具備して構成したことによって、体内外を問わず、患部にセンサーを取り付けることができ、かつ、センサーと受信機との間に遮蔽物があっても、データ通信への影響が少なく、患者の体動を高精度に観測することができる。

また、加速度センサー自体で三次元計測が可能であるので、一つの加速度センサーのみを設置するだけでも、三次元的あるいは四次元的運動の検出が可能であり、かつ、角度検出も可能である。

また、本発明では、加速度センサーを体外に設置することができるため、人体外郭運動の認識も可能であって、人体外郭の三次元的あるいは四次元的運動におけるデータ取得が可能であり、非侵襲的で患者負担が小さい。

また、電池駆動による加速度センサーと受信機とが、ワイヤレスで加速度データを無線送信ができるので、これらの間に物理的な遮蔽物が存在する場合であっても、測定に制限がなく、受信機を患者周辺に設置する必要もないため、治療現場をシンプルなレイアウトにすることができる。

更に、必要に応じて、この加速度データのフィードバックによる放射線照射装置の照射方向の変更や寝台移動による患者***補正も可能であることから、放射線治療における実用的利用価値は頗る高いものがある。

本発明を実施するための最良の形態を具体的に図示した図面に基づいて更に詳細に説明すると、次のとおりである。

『第１実施形態』
本発明の第１実施形態を図１および図２に基づいて説明する。図中、符号１で指示するものは加速度センサーであり、この加速度センサー１は、前記患者Ｐの人体の少なくとも一部に付着されるセンサー部材であって、互いに直交するＸＹＺ３軸方向の各加速度を計測可能な加速度計測手段を有し、かつ、この加速度計測手段により観測した加速度データを無線送信可能な発信機を有する。

また、符号２で指示するものは受信装置であり、この受信装置２は、前記加速度センサー１の発信機から送信された加速度データを受信することができるものである。

更にまた、符号３で指示するものは解析ソフトウェアであり、この解析ソフトウェア３は、前記受信装置２が受信した加速度データに基づいて、患者Ｐの***座標データを演算することができるものである。本実施形態では、この解析ソフトウェア３を、マイクロソフト社製の「ＶｉｓｕａｌＣ＋＋２００５」で作成したものを採用する。

更にまた、符号４で指示するものは電子計算機であり、この電子計算機４には、前記解析ソフトウェア３が搭載（インストール）されており、本実施形態では、ＤＥＬＬ社製の制御解析用計算機（汎用コンピュータ）を使用する。

更にまた、符号５で指示するものは放射線照射装置であり、この放射線照射装置５は、治療のための放射線を出力可能であり、例えば、コバルト照射装置（γ線）、ガンマナイフ（γ線）、リニアック（Ｘ線）、ノバリス（Ｘ線）、サイバーナイフ（Ｘ線）、電子線照射装置などがある。

しかして、本発明の放射線治療における体動監視システムを使用する手順について、以下に説明する。まず、患者Ｐにおいて放射線を照射すべき患部の近傍に加速度センサー１を付着する。本実施形態では、図１に示すように、患部が頭部にある場合であって、センサー本体に接着性または粘着性のある部材を設けて患部近傍の皮膚表面に貼り付けることができる。

本実施形態の加速度センサー１は、加速度計測手段を有しており、互いに直交するＸＹＺ３軸方向（本実施形態では、直交する水平２方向および鉛直方向）の各加速度を計測可能であるので、このように加速度センサー１自体が３軸方向の加速度をそれぞれ測定することができ、単体で使用するだけで位置を計測することができる。

本実施形態では、当該加速度センサー１のワイヤレス３軸加速度センサーとして、日立金属株式会社製の「Ｈ４８Ｃ」評価キットを使用する。具体的な仕様は以下のとおりである。
パッケージサイズ ４．８ｍｍ×４．８ｍｍ
パッケージ厚さ １．５ｍｍ
体積 ３５ｍｍ^３
加速度検出範囲 ±３Ｇ
電源電圧 ２．２〜３．６Ｖ
消費電流 ０．６ｍＡ （電源電圧３Ｖ、２５℃時）
検出感度 ３３３±２１ｍＶ／Ｇ （電源電圧３Ｖ、２５℃時）
オフセット電圧 ０±３５ｍＶ （電源電圧３Ｖ、２５℃時）
耐衝撃性 ５０００Ｇ （作用時間０．２ｍｓ）
落下検出 落下（ゼロＧ）検出時にフラッグ端子よりパルス信号を出力
鉛フリーはんだ 対応
動作温度範囲 −２５℃〜＋７５℃

また、本実施形態では、当該加速度センサー１の加速度計測手段としてピエゾ抵抗型のものを採用することができる。ピエゾ抵抗素子には、イオン打ち込み装置などの半導体プロセスによってシリコン単結晶基板に形成され、機械的な外力などで引張や圧縮応力が加わったときに、素子の抵抗値が増減するという特徴があるため、加速度が印加されたときに、ピエゾ抵抗素子に応力が加わるような構造に作製することにより、加速度をピエゾ抵抗素子の抵抗変化として検出可能にする。

しかして、最初の患者Ｐの位置を初期値として、患者Ｐに付着した加速度センサー１から得た加速度データを送信する。そして、患者Ｐの患部の位置は、加速度センサー１の加速度計測手段により計測された加速度データを電池駆動の発信機によって無線送信する。この際、発信される電波は、例えば、２．４ＧＨｚ帯高度化小電力データ通信を行うことができる。

このように無線による送信を行うことにより、加速度センサー１と受信機２との間に障害物があったとしても、影響を受けることが極めて少なく、円滑かつ確実なデータ通信を行うことができる。

そして、初期の位置から患者Ｐの患部が動いた場合には、加速度センサー１の加速度計測手段により、その動きに対応して、リアルタイムで刻々と計測された加速度データを発信機によって無線送信する。

そして、この加速度センサー１の発信機から送信された加速度データを受信装置２により受信するとともに、この受信装置２が受信した加速度データに基づいて、患者Ｐの***座標データ（速度ベクトルと位置データ）を解析ソフトウェア３により演算する。

この際、受信装置２と、解析ソフトウェア３を搭載した電子計算機４とは、ＵＳＢケーブル（例えば、２．０／１．１ 転送レート１１５．２Ｋｂｐｓ）などを用いて接続することが可能である。

なお、加速度センサー１は、ドリフト補正、姿勢補正および重力加速度補正などを予め行っておくことが好ましく、患部Ｐの動きに応じた加速度センサー１からの加速度データ（波形データ）を確認する。

この際、加速度センサー１自体の検出誤差が累積していく場合があるので、検出誤差補正のために、直前に取得されたデータを最小二乗法によって一次関数化し、速度オフセットとして補正することにより、比較的良好なパターンを得ることができる。

このようなシステムを構成することによって、患者Ｐの患部が動いたとしても、この動きに追従して患者の位置を監視することができる。

本実施形態では、解析ソフトウェア３により演算された患者Ｐの***座標データを放射線照射装置５の照射制御手段51に送信して、当該放射線照射装置５により照射される放射線の、照射位置の移動、照射ＯＮ／ＯＦＦ、照射範囲のうちの少なくとも一つを制御することによって、放射線を患部に的確に照射できるようにすることができる。

また、本実施形態では、図２に示すように、加速度センサー１を胸部に付着させる場合には、呼吸による肺の動きや心拍による心臓の動きなどによる動作が特に大きい部位であるため、加速度センサー１を複数設置することによって、より高精度な計測で監視することができる。

『第２実施形態』
次に、本発明の第２実施形態を図３に基づいて説明する。本実施形態では、患者Ｐが横たわる寝台６を設け、解析ソフトウェア３により演算された患者Ｐの***座標データを寝台６の位置制御手段61（例えば、ターンテーブルに用いるモータ式のボールネジなど）に送信して、当該寝台６の位置を移動できるようにする。

このように構成することによって、第１実施形態と同様に、患部の動きに追従させることができ、放射線を患部に的確に照射させることができる。

本発明は概ね上記のように構成されるが、図示の実施形態に限定されるものでは決してなく、「特許請求の範囲」の記載内において種々の変更が可能であって、例えば、加速度センサー１は、ピエゾ抵抗型に限らず、静電容量型や熱検知型を採用することができ、本発明の技術的範囲に属する。

本発明の第１実施形態のシステムを表わす概略図である。 本発明の第１実施形態のシステムを表わす概略図である。 本発明の第２実施形態のシステムを表わす概略図である。

符号の説明

１ 加速度センサー
２ 受信装置
３ 解析ソフトウェア
４ 電子計算機
５ 放射線照射装置
６ 寝台
Ｐ 患者
Ａ 患部

Claims (5)

1. 放射線治療において、患者Ｐの体動に追従して***を計測して監視するシステムであって、
   前記患者Ｐの人体の少なくとも一部に付着されるセンサー部材であって、互いに直交するＸＹＺ３軸方向の各加速度を計測可能な加速度計測手段を有し、かつ、この加速度計測手段により観測した加速度データを無線送信可能な発信機を有する加速度センサー１と；
   この加速度センサー１の発信機から送信された加速度データを受信する受信装置２と；
   この受信装置２が受信した加速度データに基づいて、患者Ｐの***座標データを演算する解析ソフトウェア３と；
   この解析ソフトウェア３が搭載された電子計算機４と；
   治療のための放射線を出力可能な放射線照射装置５とを具備して構成されていることを特徴とする放射線治療における体動監視システム。
2. 解析ソフトウェア３により演算された患者Ｐの***座標データを放射線照射装置５の照射制御手段51に送信して、当該放射線照射装置５により照射される放射線の、照射位置の移動、照射ＯＮ／ＯＦＦ、照射範囲のうちの少なくとも一つを制御することによって、放射線を患部に的確に照射できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の放射線治療における体動監視システム。
3. 加速度センサー１の加速度計測手段がピエゾ抵抗型であることを特徴とする請求項１または２記載の放射線治療における体動監視システム。
4. 加速度センサー１が患者Ｐの皮膚表面に付着可能であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の放射線治療における体動監視システム。
5. 患者Ｐが横たわる寝台６が設けられており、解析ソフトウェア３により演算された患者Ｐの***座標データを寝台６の位置制御手段61に送信して、当該寝台６の位置を移動できるようにしたことを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の放射線治療における体動監視システム。

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