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JP2005111252A - 固体ブラキセラピーアプリケータ - Google Patents

固体ブラキセラピーアプリケータ Download PDF

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Abstract

【課題】かなり大きい面積又は大きさの患者組織又は器官に直接接触させて、拡大された線量分布を患者体内の前記場所に対して設定できる固体ブラキセラピーアプリケータ及び、それを使用して動物体内において放射線治療を実施するためのシステムと方法を提供すること。
【解決手段】互いに間隔を隔てた陰極22及び陽極15を収容する真空空所と、前記陰極から自由電子を放出するための放出手段と、使用中に前記放出自由電子を前記陽極に向かって加速するために前記陰極と前記陽極の間に高電圧電界を印加するための電界手段とを有し、前記真空空所は、互いに間隔を隔てた第1及び第2板状要素によって区画され、前記第1板状要素を陰極として、前記第2板状要素15、25を陽極として使用する。
【選択図】図4

Description

本発明は、少なくとも、互いに間隔を隔てた陰極及び陽極を収容する真空空所と、前記陰極から自由電子を放出するための放出手段と、使用中に前記放出自由電子を前記陽極に向かって加速するために前記陰極と前記陽極の間に高電圧電界を印加するための電界手段とからなるX線放出面を有し、前記真空空所は少なくとも部分的に前記陽極の放出するX線放射線を透過させる、動物体内において放射線治療を実施するための固体ブラキセラピーアプリケータに関する。
本発明は医療用X線の発生に関する。
本発明は、更に、本発明による固体ブラキセラピーアプリケータを使用して動物体内において放射線治療を実施するための放射線治療システムに関する。
放射線治療は、癌を含む幾つかの疾患の治療に関して確立された方法である。X線源装置の推定有用性は明白である。装置を血管又は他の体腔内に挿入すると、送り込んだ放射線量を小組織領域に託すことが可能となる。
上記序文に記載のX線源装置は、例えば、米国特許第6477233 B1号明細書とは区別される。この特許公報には、互いに間隔を隔てた陰極及び陽極を収容する真空空所を有するX線源装置の一実施例が開示されている。
真空空所は、X線源装置の適当な動作に必要な好ましい真空水準まで排気される。更に、公知のX線源装置は、陽極と陰極の間に高電圧電界を設定するための電界手段を備える。前記陰極から放出された電子は、前記設定された高電圧電界によって加速され、高運動エネルギーをもって前記陽極材に衝突する。陽極材では、高エネルギー水準のX線放射線が生じる。
真空空所はX線放射線を完全に高水準に透過させるので、前記生じた放射線は、X線源装置が挿入された患者の組織に向かって真空空所を出ることができる。X線源装置から出た発生X線放射線は高エネルギー水準を示すので、X線放射線は、例えば、癌性腫瘍の治療のために前記患者体内で放射線治療を実施するのに非常に好適である。
この公知のX線源装置は患者体内の癌性腫瘍を治療するのには非常に適しているが、主として、カテーテルチューブを介して患者体内に導入されることを予定したものである。更に、その小さな寸法のために、線源装置は球形線量分布をもつ点状のX線放射線源と見なしうるものであった。
本発明によれば、前記真空空所は、互いに間隔を隔てた第1及び第2板状要素によって区画され、前記第1板状要素が陰極として、前記第2板状要素が陽極として使用される。この板状真空装置は、その拡大された表面積のため、かなり大きい面積又は大きさの患者組織又は器官に直接接触させることができるので、拡大された線量分布を患者体内の前記場所に対して設定することができる。
なお、本発明によるX線源装置は、装置の厚さ(陽極と陰極の間の空間)よりも実質上大きい縦方向寸法(長さ及び幅)を示す。
かなり大きい表面積に亘って陽極と陰極の間の距離を等しく維持するために、前記第1及び第2板状要素の間には高絶縁性材料のスペーサが存在する。
前記陰極から放出された自由電子を陽極に向かって効率的に加速するのを確実にするために、真空空所内にはかなり低い真空水準が必要とされる。かなり低い真空水準は、前記真空空所に尚存在する気体分子のガス放電を防止したり、前記真空空所内に電弧が形成されるのを回避したりするためにも必要である。更に、組立体の完全破壊も起こりうる。
このため、具体的な一実施例では、ゲッター材が前記第2板状要素の存在しない側の前記第1板状要素の表面に設けられる。ゲッター材は、真空空所内に尚存在する浮遊気体分子と反応、結合する。こうして、ゲッターは浮遊気体分子を排除して、真空空所内の真空水準の質を10−7乃至10−8Torrにまで改善する。
より具体的には、前記第1板状要素は、前記ゲッター材を前記真空空所に露出する少なくとも1つの開口を備える。より具体的には、前記第1板状要素は、セグメントからなる。したがって、ゲッター材は、陽極と陰極の間に電界が存在しないセグメント間の位置に搭載される。ゲッターが表面アーク放電や破壊に関する如何なる内部電気問題も引き起こすことのないように、ゲッター材を電気的に絶縁する本質的に電界の存在しない場所が必要となる。この構成によって、浮遊気体分子は一層捕獲され、真空空所内の真空水準を改善することができる。
本発明による前記X線源装置の好適な実施例は、前記真空空所が球、半球、円筒又は板などの複合空間形状に形成されることを特徴とする。
更に好適な実施例では、X線源装置は動物体内の前記目標場所に向かって挿入される誘導ワイヤの遠位端に接続される。
本発明の具体的な一実施例では、陰極となる前記第1板状要素は、強誘電性電子放出セラミック(PZT、PLZT)材料又はナノチューブなどのゲート電界放出型である。
強誘電性電子放出陰極を使用する場合、強誘電性電子放出材料は下部電極と上部電極の間に配置され、両電極は駆動電圧に接続される。
より好適な実施例では、前記下部電極(陰極)は幾つかの電極セグメントから構成され、前記電極のセグメントは互いに電気的に絶縁され、それぞれ別個に前記駆動電圧に接続される。本実施例では、各セグメントの駆動電圧は個別に作動及び切断可能なので、陰極から陽極へ向かう電子束は高度な方法で制御でき、陽極の放出するより多目的な放射線量分布が特定の放射線治療に適合したものとして発生可能となる。
これらの特徴をもつX線源装置は、より多目的な利用が可能である。例えば、具体的な一実施例では、前記下部電極の前記電極セグメントが1つのマルチプレクサ経由でそれぞれ別個に前記駆動電圧に接続される。
前記マルチプレクサ経由でX線源装置の高度な電子制御が可能となり、特定の放射線治療を実施するために計画された特定の線量分布をもつX線放射線を生成することができる。
上部電極は、放出自由電子のための放出面として使用される多数の小円開口又は線条を備えた導電性シートとして構成され、前記開口は、円形、正方形、六角形などの多角形の形状を有する。一般的には、陰極要素は異なる形状をもち、陽極の放出する放射線の線量分布の形状に重大な影響を与え得る。
別の実施例では、前記上部電極は、多数の円盤状要素が強誘電性電子放出材料上に固定された少なくとも1つの導電性フレームとして構成される。陰極がカーボンナノチューブからなる場合、カーボンナノチューブは陰極のセグメント表面に固定される。
本発明は、また、少なくとも、本発明によるX線源装置を使用して動物体内における放射線治療を事前計画するための線量計画装置と、事前計画された治療法に応じて前記X線源装置を駆動するための制御手段と、前記X線源装置の発生する実際の放射線線量分布を測定するために前記動物体内の線源装置近傍に位置決めされた1つ以上の放射線検知器とを有し、事前計画された治療パラメータに線量を適合させるためにフィードバック情報を前記制御手段に伝達するように構成される動物体内において放射線治療を実施するための放射線治療システムにも関する。
ここで図面を参照して本発明を説明する。
図1は、従来技術によって開示された公知のX線源装置の縦断面図を示す。従来技術のX線源装置10は、絶縁部材16a〜16b経由で相互接続されたベース11a及びカバー10bを有する。ベース要素11aは、Si又は他の半導体材料、ガラス、セラミック材料又は金属から構成することができ、内部に凹部13が形成される。
空所17は、前記ベース要素11aと前記カバー要素11bの間に形成される。カバーは、例えば、Si又は他の半導体材料、ガラス、セラミック材料又は金属、から構成することもできるし、また金属・半導体の組合せから構成することもできる。空所17は排気される。
凹部13内には薄膜陰極12が配置される一方、カバー11bの内面には陽極材15が設けられる。陰極材12は、従来技術で既に公知である技術を用いて電子が自由化される電子放出材からなる。
図1には示されていないが、一般的に、従来技術による公知のX線源装置は、更に、陽極15と陰極12の間に高電圧電界を設定するための手段を備える。このため、陽極材15は、高電圧源(図示せず)に接続した電源線に接続される。
前記陰極材12から自由化された電子は、前記高電圧電界によって加速され、陽極材15に激突する。電子の高速化によって、特定のX線放射線が陽極材内に発生する。カバー11はX線放射線を高度に透過する材料で製造されるので、X線放射線は、X線源装置が埋め込まれた患者の組織に向かって真空空所17から出ていくことになる。
本発明によるX線源装置の好適な一実施例では、陰極は、陽極と陰極の間に高電圧電界を発生するために印加される加速用高電圧とは無関係に、より正確に電子流を制御できる強誘電性放射源を備えたゲート電界放出型である。
図2Aでは、前記強誘電性電子放出材43が下部電極41と上部電極42の間に配置され、両電極が前記放出手段に接続される。組立体は全体として支持体又は基板40によって支持可能である。
陰極22の上下電極41、42間に制御された電圧差を印加することによって、強誘電材43から陽極25に向かう電子電流は変調又は完全に遮断可能となる。セラミック陰極に印加される駆動電圧は、強誘電材の状態、即ち、その結晶相及び肉厚に依存する。強誘電材から電子を自由化するための駆動電圧は、陰極層の肉厚が減少するに従って減少する。更に、駆動電圧の大きさは、電子放出領域の大きさ、即ち、駆動電極上の全電子放出サイズに大きく依存する。
強誘電材43からの電子の自由放出を更に制御し改善するために、前記上部電極42は、多数の開口31を備えた導電性シートとして構成される。これらの開口31は、放出された自由電子の放出孔となる。図2Bは、このような特徴をもつ前記具体的な実施例を示す。
図2Cは本特徴をもつ別の実施例を示し、ここでは、前記上部電極42は、多数の円盤状要素44が前記強誘電性電子放出材43(31)に固定された導電性フレーム42aとして構成される。露出した強誘電材43(図2Cでは参照番号31で示す)は電子を放出可能である。
図3は、本発明によるX線源装置の第1実施例を示す。本発明では、前記真空空所17は、互いに間隔を隔てた第1及び第2板状要素22及び15、25によって区画され、前記第1板状要素22が陰極として、前記第2板状要素15、25が陽極として使用される。参照番号25は前記第2板状要素を示し、参照番号15は前記第2板状要素上に配置された1層の陽極材を示す。
従って、本発明のX線源装置は、長さ及び幅が厚さよりも実質上大きな寸法をもつ板状構成を呈する。
図5に例示した実施例では、X線源装置は小さい外法寸法であるが拡大放射線放出面を有する円筒として成形される。本実施例は、カテーテルを通して挿入されるワイヤの遠位端に接続するのに非常に適している。しかしながら、半球形又は板状のX線源装置のように他の空間形状も可能である。
半球形板状X線源装置として成形する場合、陽極15は空間形状の外面あるいは内面に配置可能である。第1実施例では、X線源装置は、患者の体腔内に設置して、X線源装置の空間形状に一致した線量分布をもつX線放射線でX線源装置の周囲の前記体腔の組織を均等に治療するのに適当である。
図3に戻って、第1及び第2板状要素22及び25は、幾つかのスペーサ28を用いて互いに隔てられる。このようにすれば、大きい表面積のものであっても、全体に均一な肉厚をもつ真空空所17を得ることができる。陰極の放出する自由電子の加速化を目的に陽極と陰極の間に高電界を設定するため、陽極、陰極の双方が高電圧電源に接続される。
図2及び3に示すような陰極22を製造する第1の方法は、金ペーストの使用による。金ペーストは、印刷法を用いて基板40(図2)上に形成される。その後、この金層は、下部電極層41を形成するために所定時間薄層(図3では参照番号39)を用いて可塑化される。
下部電極層41が完成すると、印刷法を用いてPZT又はPLZTのペーストを数十マイクロメータの厚さに塗布し、可塑化して強誘電性電子放出層43を形成する。最後に印刷法を用いて複数の微細放出孔31を有する上部電極42が形成される。上部電極42を再度可塑化し、図2A、2B及び3に示すような所望の陰極体22を得る。
例えば、スパッタリングなど、印刷法以外の方法も使用可能である。
別の製造方法では、マスクを用いて強誘電性電子放出層43上に上部電極42を金蒸着し、間に50μmの距離を置きながら直径50μmのアイランド44を複数個形成して図2Cの実施例を得る。
板状陽極支持体25の材料としては、アルミナ、ベリリウム、あるいは窒化硼素が使用可能である。陽極材15は、多様な技術で形成可能であるが、好ましくは、電着で形成する。しかしながら、レーザー蒸着、化学蒸着、物理蒸着など他の技術を利用してもよく、それらの技術は従来技術において公知である。陽極材15を支持体25上に形成した後、陽極ハウジング組立体は浄化及び熱処理を受ける。
典型的には、組立体15−25は蒸留水で洗浄される。組立体は10−5〜10−7ミリバールの真空で熱処理してよい。真空炉内での熱処理は、15〜30分間800℃の温度で実行してよい。熱処理によって陽極材15の陽極組立体25への接着力は増加し、気体のうち残留水素をハウジングから除去してその固有抵抗を増加する。
透過性に関する厳しい要求を考慮すると、緻密焼結された低隙率アルミナが陽極材15の支持体25には最良選択の1つとなる。アルミナは、X線管では普通材料として使用されるタングステンとも熱膨張の点で適合性がある。
陽極組立体15−25及び陰極組立体22は、インジウム、チタン、銅及び銀を異なる割合で有する適当な鑞付け合金(Ticusil、Incusil、15 ABA及びIncusil−ABA)によって共に固定される。スペーサ28を含む全ての構成要素は、1時間500℃で焼成され、引き続き一緒にプレスされる(図2の2つの矢印を参照)が、定着のためには830℃まで温度を上げなければならない。構造体内部の真空17は、その後、X線組立体を真空ポンプに接続して遂行される。
本発明によるX線源装置の具体的な一実施例が図4に示される。同一部品は同一参照番号で示される。
前記第2板状要素25の存在しない側の前記第1板状要素22の面上、つまり第1下部電極41上は、ゲッター材26が設置される。より詳細には、前記第1下部電極41には、前記ゲッター材26を前記真空空所17に露出させる少なくとも1つの開口29を備える。これらの特徴には幾つかの利点がある。
陽極の存在しない側の陰極セグメント間にゲッター材を配置すると、前記ゲッター材は陽極25と陰極22の間に設定された電界内に搭載されない。その代わり電界が存在しない場所に搭載される。ゲッター材26が表面アーク放電や破壊に関する如何なる内部電気問題も引き起こすことのないように、本質的に電界の存在しないゲッター材の場所が必要とされる。
前記ゲッター材26を前記真空空所17に露出させる少なくとも1つの開口の存在によって、ゲッター材は、真空空所17内に尚存在するどの浮遊気体分子とも反応、結合可能となる。こうして、ゲッター材26は浮遊気体分子を排除して、真空空所17内の真空水準の質を10−7乃至10−8Torrにまで改善する。
また、本発明による板状X線源装置の他の具体的な特徴は、図4に示される。図4において、本実施例では下部電極41及び上部電極42は、直交する行50及び列51の行列で各板状電極41〜42を分割する幾つかの電極セグメント53から構成される。各電極41〜42のセグメント53は、隔離線条又はバリア52によって互いに電気的に絶縁される。更にまた、セグメント53の各行50及び各列51は、接続45、46を介してマルチプレクサMUX60(図6参照)経由で駆動電圧27a〜27bに個別に接続される。
マルチプレクサ60を用いれば、特定の制御可能な方法で行接続45の1つ及び列接続46の1つを介して対応セグメント53間に電圧差を印加することができる。これによって、陰極22の特定の部分を作動して、陽極25に作用する特定の自由電子束を発生することが可能となる。この構成によって、実行すべき放射線治療に応じた特定の放射線分布を発生することができる。
接続45、46の行列状配置を介して下部及び上部電極41〜42のセグメント53に制御された電圧を印加することによって、作動陰極セグメント53から陽極15に向かって放出された電子電流(自由電子束)は制限したり変調したり、また完全に遮断することさえ可能となる。
陰極組立体22に印加される駆動電圧は、使用する強誘電材の状態、即ち、その結晶相及び肉厚に依存する。駆動電圧は、強誘電性層43の肉厚が減少するに従って減少する。更に、駆動電圧の大きさは、電子放出領域又はセグメントの大きさ、即ち、図2B及び2Cに示すような電子放出孔31又はアイランド44の大きさに大きく依存する。
図6は本発明の別の実施例を示す。図6は、本出願で図示説明したようなX線源装置67の一実施例を用いて動物体66に放射線治療を実施するための放射線治療システムを示す。
本実施例では、本発明による板状X線源装置は、複合空間形状を呈し、患者66の体腔66a内に設置される。前記体腔は、例えば、手術によって作られた空間であり、これによって1回の手術中に一時的に放射線治療を行うことができる。
陽極15は板状X線源装置67の外表面上に配置される。本治療用途では、X線源装置67の周囲の体腔66aの組織は陽極15の放出するX線放射線を被爆する。
陰極22は、図2〜4に示すような強誘電性電子放出材を含有するゲート電界放出型であり、マルチプレクサMUX60及び電気接続27a〜27b及び45〜46を介して高電圧電源61に接続される。図4を参照しながら説明したように、MUX60は第1下部電極41及び第2上部電極42の対応セグメント間に電圧差を印加して、自由電子束を特定構成をもつ陽極15に向けて発生する。
自由電子は陽極15に作用して、装置67の周囲の体腔66aの組織に向けてX線放射線を発生する。
MUX60(及び強誘電性陰極)は制御手段62によって制御される。制御手段62は治療計画システム63によって順に駆動される。治療計画システム63には、前記患者66のために事前計画された放射線治療法が記憶される。この治療法には、線量分布や滞留時間(被爆時間)などは勿論、治療が実施されるべき患者の内部器官に関する情報(画像情報)なども含まれる。
適当な接続65a’−65c’経由で前記治療計画システム63に接続した幾つかの放射線センサ65a−65cがX線源装置67のX線放射線放出陽極15の周囲の患者体腔66a内に設置される。これらのセンサは、陽極15の放出する放射線量を測定し、測定信号を生成する。測定信号は、接続65a’−65c’経由で前記治療計画システム63に供給される。これらの放射線測定値はフィードバック情報として利用され、これらの実際の放射線測定値は治療計画システム63に存在する事前計画治療法と比較される。この比較に基づいて、治療計画システム63は、放射線センサ65a−65cの測定する実際の線量分布が治療計画システム63の事前計画した線量分布に適合するまで、制御手段62経由でMUX60を制御する。
事前計画線量分布と現実に投与している線量分布とのより正確な比較を得るためにもっと多くの放射線センサが使用できるということは明白であろう。
従来技術によるX線源装置を示す図である。 本発明によるX線源装置の特定の特徴を更に詳細に示す図である。 本発明によるX線源装置の特定の特徴を更に詳細に示す図である。 本発明によるX線源装置の特定の特徴を更に詳細に示す図である。 本発明のX線源装置の更なる実施例を示す図である。 本発明のX線源装置の更なる実施例を示す図である。 本発明のX線源装置の更なる実施例を示す図である。 本発明のX線源装置を使用して放射線治療を実施するための放射線治療システムを示す図である。

Claims (15)

  1. 少なくとも、互いに間隔を隔てた陰極及び陽極を収容する真空空所と、前記陰極から自由電子を放出するための放出手段と、使用中に前記放出自由電子を前記陽極に向かって加速するために前記陰極と前記陽極の間に高電圧電界を印加するための電界手段とからなるX線放出面を有し、前記真空空所は少なくとも部分的に前記陽極の放出するX線放射線を透過させる、動物体内において放射線治療を実施するための固体ブラキセラピーアプリケータにおいて、前記真空空所は、互いに間隔を隔てた第1及び第2板状要素によって区画され、前記第1板状要素が陰極として、前記第2板状要素が陽極として使用されることを特徴とする固体ブラキセラピーアプリケータ。
  2. 前記第1及び第2板状要素の間には高絶縁性材料のスペーサが存在することを特徴とする請求項1に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  3. ゲッター材が前記第2板状要素の存在しない側の前記第1板状要素の表面に設けられることを特徴とする請求項1または2に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  4. 前記第1板状要素は、前記ゲッター材を前記真空空所に露出する少なくとも1つの開口を備えることを特徴とする請求項3に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  5. 前記真空空所は複合空間形状に形成されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  6. 前記固体ブラキセラピーアプリケータは動物体内の目標場所に向かって挿入される誘導ワイヤの遠位端に接続されることを特徴とする請求項5に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  7. 陰極となる前記第1板状要素は、強誘電性電子放出材料又はカーボンナノチューブを含有するゲート電界放出型であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  8. 前記強誘電性電子放出材料は下部電極と上部電極の間に配置され、両電極は駆動電圧に接続されることを特徴とする請求項7に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  9. 前記下部電極は幾つかの電極セグメントから構成され、前記電極のセグメントは互いに電気的に絶縁され、それぞれ別個に前記駆動電圧に接続されることを特徴とする請求項8に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  10. 前記下部電極の前記電極セグメントは、1つのマルチプレクサ経由でそれぞれ別個に前記駆動電圧に接続されることを特徴とする請求項9に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  11. 前記上部電極は、放出された自由電子のための放出孔となる多数の開口を備えた導電性シートとして構成されることを特徴とする請求項8ないし10のいずれか1項に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  12. 前記開口は、円形、正方形、六角形などの多角形の形状を有することを特徴とする請求項11に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  13. 前記上部電極は、多数の円盤状要素が部分的に強誘電性電子放出材料上に固定された少なくとも1つの導電性フレームとして構成されることを特徴とする請求項8ないし12のいずれか1項に記載の固体ブラキセラピーアプリケータ。
  14. 少なくとも請求項1ないし13のいずれか1項に記載の固体ブラキセラピーアプリケータを使用して動物体内における放射線治療を事前計画するための線量計画装置と、事前計画された治療法に応じて前記固体ブラキセラピーアプリケータを駆動するための制御手段と、前記固体ブラキセラピーアプリケータの発生する実際の放射線線量分布を測定するために前記動物体内の前記固体ブラキセラピーアプリケータ近傍に位置決めされた1つ以上の放射線検知器とを有し、事前計画された治療パラメータに線量を適合させるためにフィードバック情報を前記制御手段に伝達するように構成される動物体内において放射線治療を実施するための放射線治療システム。
  15. 請求項14に記載の放射線治療システムと請求項1ないし14の1つ以上に記載の固体ブラキセラピーアプリケータとを用いて動物体内において放射線治療を実施するための方法。
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