成果報告書詳細
管理番号20150000000763
タイトル平成22年度ー平成26年度成果報告書 がん超早期診断・治療機器の総合研究開発 超低侵襲治療機器システムの研究開発:高精度X線治療機器の研究開発 がんの超早期局在診断に対応した高精度X線治療システム
公開日2016/3/1
報告書年度2010 - 2014
委託先名国立大学法人北海道大学 国立大学法人京都大学 独立行政法人国立がん研究センター 株式会社アキュセラ 株式会社日立製作所
プロジェクト番号P10003
部署名ロボット・機械システム部
和文要約1)小型高出力X線ビーム発生装置の開発
1、大電力小型加速管電子銃の開発 
 高線量のX線ビームを発生するための電子線形加速器の開発を行った。具体的には、小型電子銃と大電力小型加速管、連続可変ナローX線ビーム発生装置、超高速ビームコントロールシステムの開発を進めた。ロボットに搭載するために小型の筐体 (小型X線ヘッド) に電子線形加速器を組み込み、ナローX線ビーム発生の実証実験を実施し、ロボティック型の放射線治療装置として基本機能を完成させた。

2、大電力マグネトロンと高周波回路の開発
 大線量のX線を発生させるための、加速管に大電力が供給可能な高周波発生源であるXバンドの大電力マグネトロンと高周波回路の開発を行った。大線量対応大電力マグネトロン、高周波回路及び高圧パルス発生装置の開発を完了した。小型X線ヘッドのプロトタイプと組み合わせてナローX線ビームの実証実験評価を実施し、最終的には、製品レベルの大電力マグネトロンと高周波回路、及び高圧パルス発生装置を完成させた。
2)動体追跡が可能な高精度X線照射装置の開発
1、高速駆動ハイブリッド型フラットパネルディテクタ(FPD)の開発と動体追跡装置への応用
 X線透視用の検出器としてフラットパネルディテクタ(FPD)用いた動体追跡装置を開発した。FPDでの画像取得は、有感エリアをフルに使用する大面積撮像モードと、読み出しエリアを中央に絞った高速・高解像度撮像モードを実装したハイブリッド型である。目的に応じて、例えば、骨構造情報を利用する位置合わせには大面積撮像モードを使用し、より高い解像度で追跡が必要となった場合は小面積撮像モードを使用するなど、状況に応じた使い分けが可能である。撮影したX線画像からテンプレート画像を登録することで、任意の形状のマーカーを追跡することを可能とした。一連の試験においては、国内で広く使用されている直径1.5 MMの金球などを用い、追跡精度、追跡可能なマーカー速度、画像取得からゲート信号送信までのレイテンシを評価し、目標値を満足していることを確認した。統合試験において、治療計画サーバー、治療機制御コンソールとの通信機能を確認した。動体追跡装置からのゲート信号によりロボット治療機の治療ビームを制御でき、放射線治療システムとして機能することを確認した。
2、高精度X線照射装置(ロボット型X線治療装置とロボット型治療台)の開発
 産業用小型6軸ロボットにX線ヘッドを搭載し、既存のガントリ型治療室に設置可能な高精度X線照射装置の試作開発を行った。産業用の小型6軸ロボットを用いて動体追跡装置による患者の位置情報に基づいた患者の位置あわせが行える放射線治療用の規格に準じた治療用治療台を開発した。装置システムの有効性、治療時の安全性は、IEC規格に適合させることにより実現した。さらに、動体追跡装置とシステム統合し、動体追跡装置のイメージャ機能を用いた患者位置あわせ、患者の動きのリアルタイム監視による治療ビーム位置精度の担保、およびマルチプルゲーティング治療についての動作確認および評価を完了した。

3)治療計画作成支援技術の開発
1、治療計画装置の基盤的フレームワークの研究開発
 国産放射線治療装置のフレームワークの開発は64BIT対応WINDOWSマシンとDICOMーRTサーバーで構築し、GPU対応によりリアルタイム4次元放射線治療計画が実施出来るような環境を整備した。4次元CT画像の読み込み機能、CT画像の任意断面表示機能、任意断面上での関心領域抽出機能及び線量分布表示機能、4次元線量計算機能を搭載し、プラグイン機能による拡張性の高い装置を開発した。
2、4次元治療計画用補助技術の研究開発
 4次元線量分布の計算、評価を行うためのソフトウェアを開発し、肺野領域で平均誤差2MM以内、処理時間約30秒/位相で計算できることを確認した。また、4次元線量計算の臨床応用に向けて、変形量計算の誤差検出やアルゴリズムの違いによる結果の比較検証を容易にする品質管理ツールを開発した。
英文要約1) Development of a compact high power accelerator electron gun
1、Development of a high power magnetron and a high frequency circuit
We developed an electron linear accelerator to generate a high dose of X-rays. More specifically, a small electron gun, a compact high power accelerator, a continuously variable narrow X-ray beam generator and an ultrafast beam controller were developed. The accelerator was built into a small X-ray head and the generation of a narrow X-ray beam was tested. Finally, we demonstrated the basic functionality of a robotic radiation therapy system.
2、Development of a high power magnetron and a high frequency circuit
To generate high dose X-rays, we developed an x-band, high power magnetron and a high frequency circuit to power a accelerator. Eventually, a high power magnetron, a high frequency circuit, and a high voltage pulse generator were completed for production.

2) Development of a high-precision X-ray irradiation system capable of tracking tumor
1、Development of hybrid flat panel detector and application to real-time tumor-tracking equipment
Real-time tumor-tracking system using flat panel detectors (FPDs) has been developed. The FPD has two image acquisition modes. The one is large area image acquisition mode and the other is fast and high-resolution image acquisition mode by reading only central area of FPD. In this way, appropriate mode can be selected according to the situations including patient setup or marker tracking. In the real time tracking system, arbitrary fiducial marker can be recognized and tracked by registration of the template image for pattern matching. The performance tests were conducted with 1.5 mm gold sphere. It was confirmed that tracking accuracy, maximum speed of tracked marker and latency from data acquisition to gate signal satisfied the specifications. The real-time tumor-tracking system was integrated with the server of treatment plan and the console system of therapeutic machine. Communications between the devices were confirmed and treatment beam was gated according to the target motion by gating signal from the real-time tumor-tracking system.
2、Development of a high-precision X-ray irradiation system (a robotic X-ray treatment device and a robotic couch)
The X-ray head was built into a small 6-axis industrial robot. A prototype for a high-precision X-ray irradiation system which can be installed in an existing treatment room and gantry was developed. A treatment couch using a small 6-axis industrial robot, which meets the standards for radiation therapy, was equipped. The treatment couch capable of positioning a patient positioning using a patient’s position according to information generated by a motion tracking system was developed. Efficacy of the system and treatment safety were achieved, conforming to IEC standards. Moreover, the treatment system was integrated with the motion tracking system. Patient positioning using an imaging function of the motion tracking system was validated, the accuracy of treatment beam position using the motion tracking of a patient’s movement was evaluated, and a multiple gating treatment was completed.

3) Development of treatment planning technology
1、Development of fundamental framework of the treatment planning system
We have performed development of RTP system with the foundational framework simply loading of information data of machine and beam delivery of various radiation therapy systems by use of plug-in function. Moreover, the framework has functions of loading of CT image, contouring of region of interest (ROI), viewing of calculated dose distribution, quality assurance (QA) tool on optional section of CT image. The developed RTP system was constructed by Windows OS / 64 bits machine and DICOM-RT server. Function of graphics processing unit (GPU) based real time 4-D treatment planning was mounted on the system.
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