(57)【要約】  対象物に放射線を照射しながら、対象物に対して軌道に沿って放射線源を移動させることを含むモダリティによる放射線治療の計画及び照射のための方法及び装置が提供される。ある実施形態では放射線源は軌道に沿って連続的に移動され、ある実施形態では放射線源は断続的に移動される。ある実施形態は、多数の制約を満たしながら、様々な最適化目標を達成すべく放射線照射計画を最適化することを含む。放射線照射計画は、軌道に沿った多数の制御点の各々について、１組の動作軸パラメータ、１組のビーム形パラメータ及びビーム強度を含むことができる。
2009502264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物内の標的領域への放射線量照射を計画する方法であって、
前記対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義し、
放射線源と前記対象物との間の相対運動を含む初期軌道に沿った複数の初期制御点を指定し、
前記複数の初期制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化し、
１つ以上の初期終了条件に達すると、
１個以上の更なる制御点を加えて、増加した複数の制御点を取得し、
前記増加した複数の制御点の各々に関連する１つ以上の放射線投与パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化すること、
を含む方法。
【請求項２】
前記複数の初期制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化することは、１つ以上の初期最適化制約に従い、シミュレートされた線量分布を反復して最適化することを含む請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記複数の初期制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化することは、シミュレーテッドアニーリングによる最適化、勾配ベースの最適化、遺伝的アルゴリズムによる最適化、ニューラル・ネットワークベースの最適化、のうち１つ以上を含む請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記増加した複数の制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化することは、１つ以上の後続の最適化制約に従い、シミュレートされた線量分布を反復して最適化することを含む請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】
前記増加した複数の制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化することは、シミュレーテッドアニーリングによる最適化、勾配ベースの最適化、遺伝的アルゴリズムによる最適化、ニューラル・ネットワークベースの最適化、のうち１つ以上を含む請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記複数の初期制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化することは、反復毎に、
複数の初期制御点の１つ以上に関連付けられた放射線照射パラメータの１つ以上を変更し、
１つ以上の変更された放射線照射パラメータに基づき、シミュレートされた線量分布を決定し、
最適化アルゴリズム、及び１つ以上の変更された放射線照射パラメータに基づいてシミュレートされた線量分布に基づき、前記１つ以上の変更された放射線照射パラメータを受容すべきか拒絶すべきかを判断し、
前記１つ以上の変更された放射線照射パラメータを受容する決定がなされた場合、前記１つ以上の変更された放射線照射パラメータを含めるよう現在の放射線照射パラメータを更新する、
ことを含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
複数の初期制御点の１つ以上に関連付けられた放射線照射パラメータの１つ以上を変更することは、１つ以上の初期最適化制約に従うことを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記増加した複数の制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関してシミュレートされた線量分布を反復して最適化することは、反復毎に、
前記増加した複数の制御点の１つ以上に関連付けられた放射線照射パラメータの１つ以上を変更し、
１つ以上の変更された放射線照射パラメータに基づき、シミュレートされた線量分布を決定し、
最適化アルゴリズム、及び１つ以上の変更された放射線照射パラメータに基づいてシミュレートされた線量分布に基づき、前記１つ以上の変更された放射線照射パラメータを受容すべきか拒絶すべきかを判断し、
前記１つ以上の変更された放射線照射パラメータを受容する決定がなされた場合、１つ以上の変更された放射線照射パラメータを含めるよう現在の放射線照射パラメータを更新する、
ことを含む、請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記増加した複数の制御点の１つ以上に関連付けられた放射線照射パラメータの１つ以上の変更は、１つ以上の後続の最適化制約に従う、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記１つ以上の放射線照射パラメータが１つ以上のビーム成形パラメータを含む請求項４、５及び９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記１つ以上のビーム成形パラメータがマルチリーフコリメータの１つ以上の構成を含む請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記マルチリーフコリメータの１つ以上の構成が前記マルチリーフコリメータの１つ以上のリーフ位置を含む請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記初期及び後続の最適化制約がマルチリーフコリメータの１つ以上のリーフに対する位置的制約を含む請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記初期及び後続の最適化制約が、連続する制御点間におけるマルチリーフコリメータの１つ以上のリーフ位置の最大変化量を含む請求項１２又は１３記載の方法。
【請求項１５】
前記初期及び後続の最適化制約が、放射線源と前記対象物の間の相対運動の単位当りのマルチリーフコリメータの１つ以上のリーフの最大の位置変更率を含む請求項１２〜１４のいずれか１項記載の方法。
【請求項１６】
前記１つ以上の放射線照射パラメータがビーム強度を含む、請求項４、５、請求項９〜１５のいずれか１項記載の方法。
【請求項１７】
前記初期及び後続の最適化制約が最大ビーム強度を含む請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記初期及び後続の最適化制約が、連続する制御点間のビーム強度の最大変更量を含む請求項１６又は１７記載の方法。
【請求項１９】
前記初期及び後続の最適化制約が、放射線源と前記対象物の間の相対運動の単位当りのビーム強度の最大変更率を含む請求項１６〜１８のいずれか１項記載の方法。
【請求項２０】
前記１つ以上の放射線照射パラメータが前記対象物に対する放射線源の位置を含む請求項４、５、９〜１９のいずれか１項記載の方法。
【請求項２１】
前記初期及び後続の最適化制約が前記対象物に対する放射線源の位置に対する１つ以上の制限を含む請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
前記初期及び後続の最適化制約が、連続する制御点間での、前記対象物に対する放射線源の位置の最大変化量を含む請求項２０又は２１記載の方法。
【請求項２３】
前記初期及び後続の最適化制約が、前記対象物に対する放射線源位置の最大の一時的変化率を含む請求項２０〜２２のいずれか１項記載の方法。
【請求項２４】
前記後続の最適化制約の少なくとも１つが、対応する初期最適化制約の少なくとも１つと異なっている、請求項４、５、９〜２３のいずれか１項記載の方法。
【請求項２５】
前記後続の最適化制約の少なくとも１つが、対応する初期最適化制約の少なくとも１つよりも限定的である請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
１つ以上の後続の終了条件が達成されると、増加された複数の制御点に関する反復による最適化を中止することを含む請求項１〜２５のいずれか１項記載の方法。
【請求項２７】
１つ以上の初期終了条件が達成されると、シミュレートされた線量分布と前記最適化目標のセットの間の差は許容できる線量品質閾値より大きく、
前記増加した複数の制御点に関する反復による最適化を中止する前には、前記シミュレートされた線量分布と前記最適化目標のセットの間の差が、許容できる線量品質閾値内にある請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記増加した複数の制御点に関する反復する最適化を中止した後、
放射線照射装置と関連付けられた制御システムに、前記増加した複数の制御点に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを提供し、
得られた軌道に沿って、放射線源と前記対象物との間で相対運動を行わせ、
前記対象物に線量分布を与えるために放射線照射パラメータに従って放射線源から放射ビームを照射する、
ことを含む請求項２６又は２７記載の方法。
【請求項２９】
前記得られた軌道が初期軌道と同一である請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記得られた軌道が初期軌道とは異なり、前記増加した複数の制御点の各々に関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータによって定義される請求項２８記載の方法。
【請求項３１】
前記得られた軌道に沿って、放射線源と前記対象物との間で相対運動を行わせることが、放射線源と前記対象物の間で非平面相対運動を行わせることを含む請求項２９又は３０記載の方法。
【請求項３２】
前記得られた軌道に沿って、放射線源と前記対象物との間で相対運動を行わせることが、放射線源と前記対象物の間で連続的な相対運動を行わせることを含む請求項２９又は３０記載の方法。
【請求項３３】
前記得られた軌道に沿って、放射線源と前記対象物との間で相対運動を行わせることが、放射線源と前記対象物の間で自己重畳しない相対運動を行わせることを含む請求項２９又は３０記載の方法。
【請求項３４】
前記得られた軌道の始点及び前記得られた軌道の終点が、放射線源と前記対象物の間の同一の相対位置を含み、前記得られた軌道に沿って、放射線源と前記対象物との間で相対運動を行わせることが、放射線源と前記対象物の間で別の自己重畳しない相対運動を行わせることを含む請求項２９又は３０記載の方法。
【請求項３５】
前記得られた軌道に沿って、放射線源と前記対象物との間で相対運動を行わせることが、放射線照射装置の複数の動作軸を移動させることを含む請求項２９又は３０記載の方法。
【請求項３６】
複数の初期制御点の数は、前記シミュレートされた線量分布と付与された線量分布の間の許容できる精度閾値を達成するのに不十分であり、前記増加した複数の制御点の数は、シミュレートされた線量分布と付与された線量分布の間の許容できる精度閾値を達成するのに十分である、請求項２８〜３５のいずれか１項記載の方法。
【請求項３７】
前記１つ以上の初期終了条件が、
複数の初期制御点に関連付けられた放射線照射パラメータに基づいた、前記シミュレートされた線量分布と前記最適化目標のセットの間の差が、許容できる線量品質閾値内にあること、
反復の閾値数、
複数の初期制御点に関連付けられた放射線照射パラメータに基づいた、前記シミュレートされた線量分布が、前記最適化目標のセットに接近しない、失敗した反復の閾値数、
複数の初期制御点に関連付けられた放射線照射パラメータに基づいた、シミュレートされた線量分布が、前記最適化目標のセットに接近した、成功した反復の閾値数、
の１つ以上を含む請求項１〜３６のいずれか１項記載の方法。
【請求項３８】
前記１つ以上の後続の終了条件が、
増加した複数の制御点に関連付けられた放射線照射パラメータに基づいた、前記シミュレートされた線量分布と前記最適化目標のセットの間の差が、許容できる線量品質閾値内にあること、
反復の閾値数、
増加した複数の制御点に関連付けられた放射線照射パラメータに基づいた、前記シミュレートされた線量分布が、前記最適化目標のセットに接近しない、失敗した反復の閾値数、
増加した複数の制御点に関連付けられた放射線照射パラメータに基づいた、シミュレートされた線量分布が、前記の最適化目標のセットに接近する、成功した反復の閾値数、
の１つ以上を含む請求項２６〜３６のいずれか１項記載の方法。
【請求項３９】
前記増加した複数の制御点に関連付けられた反復する最適化を中止した後、
更に増加した複数の制御点を得るために１個以上の更なる制御点を加え、
前記更に増加した複数の制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化し、
１個以上の更なる制御点を加え、前記更に増加した複数の制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化することを、最終的な終了条件に達するまで反復する
ことを含む請求項２６記載の方法。
【請求項４０】
前記最終的な終了条件が、
更に増加した複数の制御点に関連付けられた放射線照射パラメータに基づいた、前記シミュレートされた線量分布と前記最適化目標のセットの間の差が、許容できる線量品質閾値内にあること、
反復の閾値数、
更に増加した複数の制御点に関連付けられた放射線照射パラメータに基づいた、前記シミュレートされた線量分布が、前記最適化目標のセットに接近しない、失敗した反復の閾値数、
更に増加した複数の制御点に関連付けられた放射線照射パラメータに基づいた、シミュレートされた線量分布が、前記最適化目標のセットに接近する、成功した反復の閾値数、
更に増加した複数の制御点が、制御点の閾値数に到達すること、
の１つ以上を含む請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
前記複数の初期制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記シミュレートされた線量分布を反復して最適化することが、
ビーム成形アパーチャの横断面積を複数の二次元ビームレットに分割し、
前記複数の二次元ビームレットの各々からの線量分布寄与率をシミュレートする
ことにより、少なくとも１つの複数の初期制御点について線量寄与率をシミュレートすることを含み、
前記複数の二次元ビームレットの少なくとも２つが異なるサイズを有する、
請求項１〜４０のいずれか１項記載の方法。
【請求項４２】
前記複数の二次元ビームレットの少なくとも２つが異なる形状を有する請求項４１記載の方法。
【請求項４３】
前記１つ以上からなる最適化目標のセットが、前記対象物の治療のための所望の総放射線出力、及び前記対象物の治療のための所望の総時間、のうち少なくとも１つを含む請求項１〜４２のいずれか１項記載の方法。
【請求項４４】
前記対象物の位置状況を感知することを含み、
放射線照射パラメータに従って放射線源から前記対象物へ放射線ビームを照射することは、
前記対象物の位置が許容域外にあることを感知すると、放射線ビームの照射を非活性化し、
前記対象物の位置が許容域内にあることを感知すると、放射線ビームの照射を復活させる、
ことを含む請求項２８〜３６のいずれか１項記載の方法、
【請求項４５】
前記得られた軌道に沿って、放射線源と前記対象物の間の相対運動を行わせることは、
前記対象物の位置が許容域外にあることを感知すると、放射線源と前記対象物の間の相対運動を非活性化し、
前記対象物の位置が許容域内にあることを感知すると、放射線源と前記対象物の間の相対運動を復活させる、
ことを含む請求項４４記載の方法。
【請求項４６】
放射線源と前記対象物の間の相対運動を行わせながら、前記得られた軌道に沿った複数の位置で標的領域の二次元投射画像を取得することを含む、請求項２８〜３６、請求項４４及び４５のいずれか１項記載の方法。
【請求項４７】
前記二次元投射画像を取得することは、投射画像毎に、画像形成放射線ビームを前記対象物に向け、前記対象物を透過する画像形成放射線を感知することを含む請求項４６記載の方法。
【請求項４８】
画像形成放射線ビームが前記放射線源により生成される請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
画像形成放射線ビームを前記対象物に向け、放射線源から前記対象物へ放射線ビームを照射することは、画像形成放射線ビーム及び放射線ビームを時分割多重化することを含む請求項４７又は４８記載の方法。
【請求項５０】
前記得られた軌道はガントリの前記対象物回りの３６０°回転を含む請求項４６〜４９のいずれか１項記載の方法。
【請求項５１】
対象物内の標的領域に放射線量を照射する方法であって、
放射線源と前記対象物の間の相対運動の軌道を定義し、
放射線照射計画を決定し、
前記軌道に沿って、放射線源と前記対象物の間で相対運動を行わせながら、前記対象物に線量分布を付与する前記放射線照射計画に従って、前記放射線源から前記対象物に放射線ビームを照射すること、を含み、
前記放射線源から前記対象物へ放射線ビームを照射することは、前記軌道の少なくとも一部において放射線ビームの強度及び放射線ビームの形状の少なくとも一方を変更することを含み、
前記軌道に沿って、前記放射線源と前記対象物の間で相対運動を行わせることは、放射線源と前記対象物の間で非平面相対運動を行わせること、放射線源と前記対象物の間で連続的な相対運動を行わせること、放射線源と前記対象物の間で自己重畳しない相対運動を行わせること、前記軌道の始点及び前記軌道の終点が、放射線源と前記対象物の間の同一の相対位置を含み、放射線源と前記対象物の間で別の自己重畳しない相対運動を行わせること、及び、放射線照射装置の複数の動作軸を移動させること、のうち１つ以上を含む、
方法。
【請求項５２】
前記放射線照射計画の決定は、
前記軌道に沿って複数の制御点を特定し、
前記対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義し、
前記制御点の各々と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を１つ以上の初期最適化制約に従って反復により最適化し、
各制御点に関連付けられた１つ以上の決定されたパラメータに基づき、少なくとも部分的に放射線照射計画を定義する、
ことを含む請求項５１記載の方法。
【請求項５３】
対象物内の標的領域への放射線量照射を計画する方法であって、
前記対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標のセットを定義し、
放射線源と前記対象物の間の相対運動の初期軌道及び前記初期軌道に沿った初期の複数の制御点を定義し、
各制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を１つ以上の初期最適化制約に従って反復により最適化し、
ことを含み、
前記１つ以上の放射線照射パラメータは、前記対象物に対する放射線源の位置を含み、
前記シミュレートされた線量分布を反復して最適化することは、前記放射線照射パラメータに基づいて前記放射線源と前記対象物の間の相対運動の最適化された軌道を定義することを含む、
方法。
【請求項５４】
対象物内の標的領域への放射線量照射を計画する方法であって、
前記対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義し、
放射線源と前記対象物の間の相対運動の軌道及び前記軌道に沿った複数の制御点を定義し、
各制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を１つ以上の初期最適化制約に従って反復により最適化し、
ことを含み、
前記制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記シミュレートされた線量分布を反復して最適化することが、
ビーム成形アパーチャの横断面積を複数の二次元ビームレットに分割し、
前記複数の二次元ビームレットの各々からの線量分布寄与率をシミュレートする
ことにより、少なくとも１つの特定の制御点について線量寄与率をシミュレートすることを含み、
前記複数の二次元ビームレットの少なくとも２つが異なるサイズを有する、
方法。
【請求項５５】
前記複数の二次元ビームレットの少なくとも２つが異なる形状を有する請求項５４記載の方法。
【請求項５６】
前記対象物内の標的領域への放射線量照射を計画する方法であって、
前記対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義し、
放射線源と前記対象物の間の相対運動を含む軌道に沿った複数の制御点を指定し、
複数の制御点の各々に関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化し、
１つ以上の制約追加条件に達すると、１つ以上の最適化制約に従って複数の制御点の各々と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、反復による最適化に１つ以上の最適化制約を加える、
方法。
【請求項５７】
対象物内の標的領域に放射線量を照射する方法であって、
治療放射線源と前記対象物の間の相対運動の軌道を定義し、
放射線照射計画を決定し、
前記軌道に沿って治療放射線源と前記対象物の間に相対運動を行わせる間に、前記対象物に線量分布を付与する放射線照射計画に従って、治療放射線源から前記対象物に治療放射線ビームを照射し、前記治療放射線源から前記対象物に治療放射線ビームを照射することは、前記軌道の少なくとも一部において治療放射線ビームの強度及び治療放射線ビームの形状の少なくとも１つを変更することを含み、
前記軌道に沿って複数の位置で標的領域の二次元投射画像を取得すること、
を含む方法。
【請求項５８】
前記二次元投射画像を取得することは、投射画像毎に、画像形成放射線ビームを前記対象物に向け、前記対象物を透過する画像形成放射線を感知することを含む請求項５７記載の方法。
【請求項５９】
画像形成放射線ビームが治療放射線源により生成される請求項５８記載の方法。
【請求項６０】
画像形成放射線ビームを前記対象物に向け、治療放射線源から前記対象物へ治療放射線ビームを照射することは、画像形成放射線ビーム及び治療放射線ビームを時分割多重化することを含む請求項５８又は５９記載の方法。
【請求項６１】
対象物内の標的領域に放射線量を照射する方法であって、
治療放射線源と前記対象物の間の相対運動の軌道を定義し、
放射線照射計画を決定し、
前記対象物の位置状態を感知し、
前記軌道に沿って放射線源と前記対象物の間に相対運動を行わせる間に、前記対象物に線量分布を付与する放射線照射計画に従って、放射線源から前記対象物に放射線ビームを照射すること、を含み、
前記放射線源から前記対象物へ放射線ビームを照射することは、
前記軌道の少なくとも一部において放射線ビームの強度及び放射線ビームの形状の少なくとも１つを変更し、
前記対象物の位置が許容域外にあることを感知すると、放射線ビームの照射を非活性化し、
前記対象物の位置が許容域内にあることを感知すると、放射線ビームの照射を復活させること、
を含む方法。
【請求項６２】
前記軌道に沿って、放射線源と前記対象物の間の相対運動を行わせることは、
前記対象物の位置が許容域外にあることを感知すると、放射線源と前記対象物の間の相対運動を非活性化し、
前記対象物の位置が許容域内にあることを感知すると、放射線源と前記対象物の間の相対運動を復活させる、
ことを含む請求項６１記載の方法。
【請求項６３】
対象物内の標的領域に放射線量を照射する方法であって、
治療放射線源と前記対象物の間の相対運動の軌道を定義し、
放射線照射計画を決定し、
前記対象物の位置状態を感知し、
前記軌道に沿って放射線源と前記対象物の間に相対運動を行わせる間に、前記対象物に線量分布を付与する放射線照射計画に従って、放射線源から前記対象物に放射線ビームを照射し、前記対象物への放射線源から放射線ビームを照射することは、
前記軌道の少なくとも一部において放射線ビームの強度及び放射線ビームの形状の少なくとも１つを変更し、
前記対象物の位置が許容域外にあることを感知すると、放射線ビームの照射を非活性化し、
前記対象物の位置が許容域内にあることを感知すると、放射線ビームの照射を復活させること、を含み、
前記軌道に沿って放射線源と前記対象物の間の相対運動を行わせながら、前記軌道に沿った複数の位置で標的領域の二次元投射画像を取得すること、
を含む方法。
【請求項６４】
プロセッサによって実行されると、プロセッサに対象物内の標的領域への放射線量の照射を計画する方法を実行させるコンピュータ可読命令を含むプログラム製品であって、前記方法は、
前記対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義し、
放射線源と前記対象物との間の相対運動を含む初期軌道に沿った複数の初期制御点を指定し、
前記複数の初期制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化し、
１つ以上の初期終了条件に達すると、
増加した複数の制御点を取得するために１個以上の更なる制御点を加え、
前記増加した複数の制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに対しシミュレートされた線量分布を反復して最適化すること、
を含むプログラム製品。
【請求項６５】
プロセッサによって実行されると、プロセッサに前記対象物内の標的領域への放射線量の照射を計画する方法を実行させるコンピュータ可読命令を含むプログラム製品であって、前記方法は、
前記対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義し、
放射線源と前記対象物の間の相対運動の初期軌道、及び前記初期軌道に沿った複数の初期制御点を定義し、
各制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を１つ以上の初期最適化制約に従って反復により最適化する
ことを含み、
前記１つ以上の放射線照射パラメータは、前記対象物に対する放射線源の位置を含み、前記シミュレートされた線量分布を反復して最適化することは、放射線照射パラメータに基づいて放射線源と前記対象物の間の相対運動の最適化された軌道を定義することを含む、
プログラム製品。
【請求項６６】
プロセッサによって実行されると、プロセッサに対象物内の標的領域への放射線量の照射を計画する方法を実行させるコンピュータ可読命令を含むプログラム製品であって、前記方法は、
前記対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義し、
放射線源と前記対象物の間の相対運動の軌道、及び前記軌道に沿った複数の制御点を定義し、
各制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を１つ以上の初期最適化制約に従って反復により最適化する
ことを含み、
前記制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記シミュレートされた線量分布を反復して最適化することが、
ビーム成形アパーチャの横断面積を複数の二次元ビームレットに分割し、
前記複数の二次元ビームレットの各々からの線量分布寄与率をシミュレートすること
により、少なくとも１つの特定の制御点について線量寄与率をシミュレートすることを含み、
前記複数の二次元ビームレットの少なくとも２つが異なるサイズを有する、
プログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年７月２５日に申請された米国特許出願第６０／７０１，９７４号の優先権を主張する。当該出願は参照によって本願明細書中に援用される。
【０００２】
米国向けに、本出願は２００５年７月２５日に申請された米国特許出願第６０／７０１，９７４号の利益を米国特許法１１９条により要求する。当該出願は参照によって本願明細書中に援用される。
【０００３】
本発明は、放射線治療に関する。より詳しくは、本発明は所望の三次元分布の放射線量を提供するために、対象物に対し放射線照射を計画し照射（投与）する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
慎重に計画された放射線量の照射は、各種病状の治療に利用できる。例えば、放射線治療法は、ある種の癌の治療や抑制において、他の治療法と併用されることが多い。一定の構造や組織に適正量の放射線を照射することは有益でありうるが、一般的に放射線は生きている組織を損傷する可能性がある。構造もしくは組織を含む標的容積への目標放射線は、周囲の組織に照射される放射線量を最小化しつつ照射されることが望ましい。強度変調放射線治療（ＩＭＲＴ）は、生体内の標的容積に放射線を照射するために使用される１つの方法である。
【０００５】
一般的に、ＩＭＲＴは複数の異なる方向から成形放射線ビーム（線束）を照射することを含む。放射線ビームは一般的に順次照射される。放射線ビームはそれぞれ標的容積中の所望の線量に寄与する。
【０００６】
一般的な放射線照射装置は、線形加速器や回転ガントリなどの放射線源を有する。ガントリは、放射線ビームが様々な異なる角度から対象物上に投射されるように回転できる。入射放射線ビームの形状はマルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）によって変更できる。ＭＬＣは、放射線に対し概ね不透明な多数のリーフを有する。ＭＬＣリーフはアパーチャを定義し、放射線はこのアパーチャから伝搬されうる。リーフの位置は、アパーチャ形状を変更し、ＭＬＣを通じて伝播される放射線ビームを成形すべく調節できる。ＭＬＣは、更に異なる角度へ回転可能であってもよい。
【０００７】
一般的に、対象物の放射線治療に関する目的は、対象物内の標的領域に照射することが望ましい放射線量の三次元分布を特定する。所望の線量分布は、一般的に標的内に存在するボクセル（ｖｏｘｅｌ）に関する線量値を特定する。放射線は標的領域外の組織に照射されないことが理想的である。しかし、実際には、放射線治療に関する目的は標的外の組織に照射されうる最大の許容線量を指定することを含んでいてもよい。
【０００８】
治療計画は、特定の治療容積に放射線を照射するために最適な（あるいは少なくとも許容可能な）一組のパラメータを識別することを含む。治療計画は小さな問題ではない。治療計画が解決しようとする問題は、以下の広範囲の変数を含む。
・治療容積の三次元構成
・治療容積内の所望の線量分布
・治療容積の周辺組織の位置及び耐放射線性
・放射線照射装置の設計により与えられる制約
可能な解決法は以下に挙げるような多数の変数を含む。
・使用するビーム方向数
・各ビームの方向
・各ビームの形状
・各ビームにおいて照射される放射線量
【０００９】
治療計画に関する様々な従来の方法が以下に記載されている。
・Ｓ．Ｖ．Ｓｐｉｒｏｕ（Ｓ．Ｖ．スピルー）、Ｃ−Ｓ．Ｃｈｕｉ（Ｃ−Ｓ．チュイ）著、「Ａ  ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｉｎｖｅｒｓｅ  ｐｌａｎｎｉｎｇ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｗｉｔｈ  ｄｏｓｅ-ｖｏｌｕｍｅ  ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓ（線量容量制約による逆勾配計画アルゴリズム）」Ｍｅｄ．Ｐｈｙｓ  ２５、３２１〜３３３ページ（１９９８年）
・Ｑ．Ｗｕ（Ｑ．ウ）、Ｒ．Ｍｏｈａｎｄ（Ｒ．モハンド）著、「Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ａｎｄ  ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ  ｏｆ  ａｎ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ  ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ（強度変調放射線治療最適化システムのアルゴリズム及び機能性）」Ｍｅｄ．Ｐｈｙｓ  ２７、７０１〜７１１ページ（２０００年）
・Ｓ．Ｖ．Ｓｐｉｒｏｕ（Ｓ．Ｖ．スピルー）、Ｃ−Ｓ．Ｃｈｕｉ（Ｃ−Ｓ．チュイ）著「Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｒｂｉｔｒａｒｙ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｐｒｏｆｉｌｅｓ  ｂｙ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｊａｗｓ  ｏｒ  ｍｕｌｔｉｌｅａｆ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒｓ（動的なＪＡＷ（顎部）又はマルチリーフコリメータによる任意の強度プロファイルの生成）」Ｍｅｄ．Ｐｈｙｓ  ２１、１０３１〜１０４１ページ（１９９４年）
・  Ｐ．Ｘｉａ（Ｐ．シア）、Ｌ．Ｊ．Ｖｅｒｈｅｙ（Ｌ．Ｊ．バーヘイ）著、「Ｍｕｌｔｉｌｅａｆ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ  ｌｅａｆ  ｓｅｑｕｅｎｃｉｎｇ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｆｏｒ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｂｅａｍｓ  ｗｉｔｈ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｓｔａｔｉｃ  ｓｅｇｍｅｎｔｓ（複数の静的セグメントを有する強度変調ビーム用のマルチリーフコリメータリーフシーケンス化アルゴリズム）」Ｍｅｄ．Ｐｈｙｓ  ２５、１４２４〜１４３４ページ（１９９８年）
・Ｋ．Ｏｔｔｏ（Ｋ．オットー）、Ｂ．Ｇ．Ｃｌａｒｋ（Ｂ．Ｇ．クラーク）著、「Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  ｏｆ  ＩＭＲＴ  ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｔｈｒｏｕｇｈ  ＭＬＣ  ｒｏｔａｔｉｏｎ（ＭＬＣ回転によるＩＭＲＴ照射の増強）」Ｐｈｙｓ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏ  ｌ４７、３９９７〜４０１７ページ（２００２年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
線形加速器などの精巧な最新の放射線治療装置を取得するには、かなりの資本費用が必要である。従って、このような装置は効率的に利用することが望ましい。他の全ての条件が等しければ、所望の放射線量分布を短時間で照射することを可能とする放射線治療計画は、照射に長い時間を必要とする放射線治療計画より望ましい。短時間で照射可能な治療計画により、放射線治療装置をより効率的に使用できる。更に、短時間の治療計画により、照射の間に対象物が照射される線量の精度に著しい影響が出るような動きをする危険性が低下する。
【００１１】
放射線療法分野は進歩を遂げたが、特に複雑な標的容積への放射線の照射に対する改善された制御を提供する放射線治療方法及び装置、並びに放射線治療計画方法及び装置が求められている。更に、所望の線量分布を比較的速く照射することが可能な方法及び装置が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の１つの態様は、対象物内の標的領域への放射線量照射を計画する方法を提供する。本方法は、対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義することを含む。また、本方法は、放射線源と対象物との間の相対運動を定義する初期軌道に沿った初期の複数の制御点を指定することを含む。本方法は、複数の初期制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標の１セットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化することを含む。複数の初期制御点が１つ以上の最初の終了条件に達すると、増加した複数の制御点を取得するために１個以上の更なる制御点を加え、前記増加した複数の制御点の各々に関連する１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記最適化目標のセットに関してシミュレートされた線量分布を反復して最適化する。
【００１３】
本発明の別の態様は、対象物内の標的領域に放射線量を照射する方法を提供する。本方法は、放射線源と対象物の間の相対運動の軌道を定義し、放射線照射計画を決定することを含む。また、本方法は、前記軌道に沿って、放射線源と対象物の間で相対運動を行わせながら、対象物に線量分布を付与する放射線照射計画に従って、放射線源から対象物に放射線ビームを照射することを含む。放射線源から対象物へ放射線ビームを照射することは、前記軌道の少なくとも一部において放射線ビームの強度を変更すること及び放射線ビームの形状を変更することを含む。前記軌道に沿って、前記放射線源と前記対象物の間で相対運動を行わせることは、放射線源と対象物の間で非平面相対運動を行わせること、放射線源と対象物の間で連続的な相対運動を行わせること、放射線源と対象物の間で自己重畳しない相対運動を行わせること、得られた軌道の始点及び得られた軌道の終点が、放射線源と対象物の間の同一の相対位置を含み、前記得られた軌道に沿って、放射線源と対象物との間で相対運動を行わせることが、放射線源と対象物の間で別の自己重畳しない相対運動を行わせること、放射線照射装置の複数の動作軸を移動させること、のうちの１つ以上を含む。
【００１４】
本発明の別の態様は、対象物内の標的領域への放射線量の照射を計画する方法を提供する。本方法は、対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義することを含む。また、前記方法は、放射線源と対象物の間の相対運動の初期軌道、及び前記初期軌道に沿った複数の初期制御点を定義することを含む。前記方法は、各制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を１つ以上の初期最適化制約に従って反復により最適化することを含む。前記１つ以上の放射線照射パラメータは、前記対象物に対する放射線源の位置を含み、前記シミュレートされた線量分布を反復して最適化することは、放射線照射パラメータに基づいて放射線源と対象物の間の相対運動の初期軌道とは異なる最適化された軌道を定義することを含む。
【００１５】
本発明の別の態様は、対象物内の標的領域への放射線量の照射を計画する方法を提供する。本方法は、対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義し、放射線源と対象物の間の相対運動の軌道及び前記軌道に沿った複数の制御点を定義する。本方法は、各制御点と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定すべく、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復により最適化し、１つ以上の初期最適化制約に従うようにすることを含む。前記反復して最適化することは、ビーム成形アパーチャの横断面積を複数の二次元ビームレットに分割すること、及び複数の二次元ビームレットの各々からの線量分布寄与率をシミュレートすることにより、少なくとも１つの特定の制御点について線量寄与率をシミュレートすることを含み、前記複数の二次元ビームレットの少なくとも２つが異なるサイズを有する。
【００１６】
本発明の別の態様は、対象物内の標的領域への放射線量の照射を計画する方法を提供する。本方法は、対象物における所望の線量分布を含む、１つ以上からなる最適化目標の１セットを定義することを含む。更に、本方法は、放射線源と対象物の間の相対運動を定義する、軌道に沿った複数の制御点を指定することを含む。本方法は、複数の制御点の各々に関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、前記１つ以上からなる最適化目標のセットに関するシミュレートされた線量分布を反復して最適化し、１つ以上の制約追加条件に達すると、１つ以上の最適化制約に従う、複数の制御点の各々と関連付けられた１つ以上の放射線照射パラメータを決定するために、反復による最適化に１つ以上の最適化制約を加えることを含む。
【００１７】
本発明の別の態様は、対象物内の標的領域に放射線量を照射する方法を提供する。本方法は、治療放射線源と対象物の間の相対運動の軌道を定義し、放射線照射計画を決定することを含む。前記軌道に沿って治療放射線源と対象物の間に相対運動を行わせる間に、対象物に線量分布を付与する放射線照射計画に従って、治療放射線源から対象物に治療放射線ビームを照射し、前記対象物への治療放射線源から治療放射線ビームを照射することは、軌道の少なくとも一部において治療放射線ビームの強度及び治療放射線ビームの形状の少なくとも１つを変更することを含み、前記軌道に沿って複数の位置で標的領域の二次元投射画像を取得すること、を含む。
【００１８】
本発明の別の態様は、対象物内の標的領域に放射線量を照射する方法を提供する。本方法は、治療放射線源と対象物の間の相対運動の軌道を定義し、放射線照射計画を決定し、対象物の位置状況を感知することを含む。本方法は、前記軌道に沿って放射線源と対象物の間に相対運動を行わせる間に、対象物に線量分布を付与する放射線照射計画に従って、放射線源から対象物に放射線ビームを照射することを含む。前記放射線源から対象物に放射線ビームを照射することは、前記軌道の少なくとも一部において放射線ビームの強度及び放射線ビームの形状の少なくとも１つを変更することと、対象物の位置が許容域外にあることを感知すると、放射線ビームの照射を非活性化することと、対象物の位置が許容域内にあることを感知すると、放射線ビームの照射を復活させることと、を含む。
【００１９】
本発明の他の態様は、プロセッサによって実行された時、プロセッサに、上記で要約され、以下に詳述される方法のうちいずれかを実行させるコンピュータ可読命令を含むプログラム製品を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明の更なる態様、及び本発明の実施形態の特徴は、以下に説明され、添付の図面に示される。
【００２１】
添付図面に本発明の例示的な実施形態を図示するが、本発明はこれらに限定されない。
【００２２】
以下の説明を通じて、当業者の理解を深めるべく具体的な詳細を記載する。但し、開示内容の不要な不明瞭化を避けるため、周知の要素は図示・説明されない場合もある。従って、説明及び図面は例示的なものであり、本発明を限定する意図はないものとみなされたい。
【００２３】
本発明は、対象物に放射線を照射しながら、対象物に対し軌道に沿って放射線源を移動させることを含むモダリティによる放射線治療の計画及び照射に関する。ある実施形態では放射線源は軌道に沿って連続的に移動され、ある実施形態では放射線源は断続的に移動される。ある実施形態は、多数の制約を満たしながら、様々な最適化目標を達成すべく放射線照射計画を最適化することを含む。放射線照射計画は、軌道に沿った多数の制御点の各々について、１組（セット）の動作軸パラメータ、１組のビーム形パラメータ及びビーム強度を含んでいてもよい。
【００２４】
図１は、放射線ビーム１４を発生又は放射することが可能な放射線源１２を含む例示的な放射線照射装置１０を示す。放射線源１２は例えば線形加速器を含んでもよい。対象物Ｓは、ビーム１４の経路に配置可能な台又は「寝台」１５上に配置される。装置１０は、放射線源１２の位置及び放射線ビーム１４の向きを対象物Ｓに対して移動可能とする多数の可動部を有する。これら可動部はビーム位置決め機構１３と総称することができる。
【００２５】
図示された放射線照射装置１０では、ビーム位置決め機構１３は、放射線源１２を支持すると共に軸１８回りに回転可能なガントリ１６を含む。軸１８及びビーム１４はアイソセンター（治療中心）２０で交差する。更に、ビーム位置決め機構１３は、可動寝台１５を含む。例示的な放射線照射装置１０では、寝台１５は、直交する３つの方向（図１ではＸ、Ｙ及びＺ方向として示している）のうちのいずれにも移動可能であり、軸２２回りに回転可能である。ある実施形態では、寝台１５はその他の１つ以上の軸回りにも回転可能である。線源１２の位置及びビーム１４の向きは、ビーム位置決め機構１３の可動部の１つ以上を移動させることにより（対象物Ｓに対し）変更できる。
【００２６】
対象物Ｓに対し線源１２を移動させ、及び／又はビーム１４を方向付けるための個別に制御可能な手段を、「動作軸」と称することができる。場合により、放射線源１２又はビーム１４を特定の軌道に沿って移動させることは、２つ以上の動作軸の運動を必要とする。例示的な放射線照射装置１０において、運動軸は、
・軸１８回りのガントリ１６の回転
・Ｘ、Ｙ、Ｚ方向のうちのいずれか１方向以上における寝台１５の移動
・軸２２回りの寝台１５の回転
を含む。
【００２７】
一般的に、放射線照射装置１０は、特にその動作軸の運動及び放射線源１２の強度を制御できる制御システム２３を含む。制御システム２３は全体としてハードウェア構成要素及び／又はソフトウェア構成要素を含んでもよい。図示された実施形態では、制御システム２３は、ソフトウェア命令を実行可能なコントローラ２４を含む。制御システム２３は、その動作軸に関する１セットの所望位置を（入力として）受け取り、前記入力に応答して、前記１セットの所望の動作軸位置を達成すべく１つ以上の動作軸を制御可能に移動させることが可能であることが望ましい。同時に、制御システム２３は更に、１セットの所望の放射線強度の入力に応じて放射線源１２の強度を制御することもできる。
【００２８】
放射線照射装置１０は本発明に関して実施可能な特定タイプの放射線照射装置を表しているが、当然ながら本発明は別の動作軸を含みうる別の放射線照射装置上で実施されてもよい。全体として本発明は、放射線源１２と対象物Ｓの間で、軌道に沿って始点から終点への相対運動を発生させることができる任意のセットの動作軸と共に実施可能である。
【００２９】
別のセットの動作軸を提供する放射線照射装置１０Ａの別の例が図１Ａに示されている。例示的な装置１０Ａでは、線源１２は環状のハウジング２６内に配置される。機構２７は、様々な側から対象物Ｓを照射するため、線源１２がハウジング２６の回りを移動することを可能にする。対象物Ｓは、ハウジング２６内の中央アパーチャ２９を通って前進することが可能な台２８上にある。図１Ａに概略的に示されるような配置を有する装置は一般的に「トモセラピー（Ｔｏｍｏｔｈｅｒａｐｙ）」と呼ばれる方法で放射線を照射するために使用される。
【００３０】
本発明の特定の実施形態によると、ビーム位置決め機構１３は、放射線量が対象物Ｓの標的領域に制御可能に照射されている間に、放射線源１２及び／又はビーム１４を軌道に沿って移動させる。「軌道」は、ビーム位置及び向きを第一の位置及び向きから第二の位置及び向きに変化させる、ビーム位置機構１３の１つ以上からなる可動部の１セットの、１つ以上の動作である。第一及び第二の位置、並びに第一及び第二の向きは、必ずしも異なっていなくてもよい。例えば、軌道は、開始点から軸１８回りに３６０°を経て終点に至るガントリ１６の回転として指定されてもよい。この場合、開始点と終点のビーム位置及び向きは同一である。
【００３１】
第一及び第二のビーム位置及びビーム向きは、第一の動作軸位置のセット（第一のビーム位置及び第一のビームの向きに対応する）及び第二の動作軸位置のセット（第二のビーム位置及び第二のビームの向きに対応する）によって指定されてもよい。上述のごとく、放射線照射装置１０の制御システム２３は、第一の動作軸位置のセットと第二の動作軸位置のセットの間で動作軸を制御可能に移動させることができる。一般的に、軌道は２つより多いビーム位置及びビーム向きによって表現されることができる。例えば、軌道は動作軸位置の複数のセットによって指定されてもよい。各セットの動作軸位置は特定のビーム位置及び特定のビーム向きに対応する。次いで、制御システム２３は、各動作軸位置のセット間で動作軸を制御可能に移動させることができる。
【００３２】
一般的に、軌道は任意のものとすることができ、特定の放射線照射装置及びその特定のビーム位置決め機構によってのみ制限される。特定の放射線照射装置１０及びそのビーム位置決め機構１３の設計により与えられる制約内で、線源１２及び／又はビーム１４は、利用可能な動作軸の動作の適切な組み合わせを生じることで、対象物Ｓに対し任意の軌道に沿うことができる。軌道は様々な処理目的を達成すべく指定されてもよい。例えば、軌道は、ビームから見た視野内の健常組織と比較して、ビーム方向から見た視野内に標的組織を高い比率で有するように、あるいは重要な健常な器官などを回避するように選択されてもよい。
【００３３】
本発明を実施する目的において、所望の軌道を、軌道に沿って様々な位置で多数の「制御点」に離散化することが有用である。１セットの動作軸位置をこのような各制御点に関連付けてもよい。所望の軌道は１セットの利用可能な制御点を定義することができる。放射線源１２及び／又はビーム１４の軌道を特定（指定）する１つの方法は、各動作軸の位置が定義される１セットの離散化制御点により特定（指定）することである。
【００３４】
図２は、放射ビーム１４によって対象物Ｓに放射線量を照射しながら、任意の軌道３０に沿って、対象物Ｓに対して三次元的に移動する放射線源１２を概略的に示す図である。線源１２が軌道３０に沿って移動すると、放射線ビーム１４の位置及び向きが変化する。ある実施形態では、線源１２が軌道３０に沿って移動する際に、ビーム１４の位置及び／又は方向の変化が略連続的に生じてもよい。線源１２が軌道３０に沿って移動している間、放射線量は対象物Ｓに連続的に（すなわち線源１２の軌道３０に沿った移動中常に）付与されてもよく、断続的に（すなわち軌道３０に沿って線源１２が移動する間に放射線が遮蔽されたり、停止されたりする場合がある）付与されてもよい。線源１２は、軌道３０に沿って連続的に移動してもよいし、あるいは軌道３０上の様々な位置間において断続的に移動してもよい。図２は、軌道３０に沿った多数の制御点３２を概略的に示す。ある実施形態では、軌道３０を指定することが、利用可能な制御点３２のセットを定義する。他の実施形態では、制御点３２のセットが軌道３０を定義するために使用される。このような実施形態では、軌道３０の制御点３２間の部分は適切なアルゴリズムにより、制御点３２から（例えば制御システム２３によって）決定されてもよい。
【００３５】
一般的に、制御点３２は軌道３０に沿って任意の場所に指定できるが、軌道３０の開始地点（始点）に１つの制御点、軌道３０の終了地点（終点）に１つの制御点が存在し、その他の制御点３２は軌道３０に沿って離間されることが望ましい。本発明のある実施形態では、制御点３２は、軌道３０上の動作軸の位置の変化の大きさが制御点３２間で等しくなるように選択されている。例えば、軌道３０が軸１８回りにガントリ１６の３６０°弧として定義され、軌道３０に沿った制御点３２の数が２１である場合、制御点３２は０°（開始制御点）、３６０°（終了制御点）、及び他の１９の制御点がガントリ１６の弧に沿って１８°の間隔に対応するよう選択されることができる。
【００３６】
軌道３０は任意に定義されてもよいが、線源１２及び／又はビーム１４が同一経路に沿って前後に移動する必要がないことが望ましい。従って、この実施形態では、軌道３０は（軌道３０の始点及び終点を除いて）軌道３０自身が重ならないように指定される。このような実施形態では、軌道３０の始点及び終点を除き、放射線照射装置の動作軸の位置は同一でない。このような実施形態では、動作軸位置の各セットから対象物Ｓを一度だけ照射することにより、治療時間を最小化（少なくとも短縮）できる。
【００３７】
ある実施形態では、軌道３０は、放射線繰出装置の動作軸が一方向に動作し、逆方向に動作する必要がないように（すなわち、線源１２及び／又はビーム１４が同一経路に沿って前後に移動する必要がないように）選択される。動作軸が単一方向に移動するよう軌道３０を選択することで、放射線照射装置の構成要素の摩耗を最小化できる。例えば、装置１０では、ガントリ１６は比較的重く（例えば１トン以上）、軌道上の様々な位置でガントリ１６を逆に運動させることで、放射線照射装置１６の構成要素（例えばガントリ１６の運動に関連付けられた駆動トレイン）への負荷が生じうることから、ガントリ１６を一方向に動作させることが望ましい。
【００３８】
ある実施形態では、軌道３０は、放射線照射装置の動作軸が略連続的に（すなわち停止せずに）動作するように選択される。動作軸の停止や起動は放射線照射装置の構成要素に負荷が生じうるため、軌道３０上の動作軸の略連続動作は一般的に不連続動作よりも望ましい。他の実施形態において、放射線照射装置の動作軸は、軌道３０に沿って１つ以上の位置で停止することが容認されている。複数の制御点３２がこのような位置に提供されることができ、ビームの位置及び向きが一定に維持されている間に、ビーム形状及び／又はビーム強度を変化させることを可能とする。
【００３９】
ある実施形態では、始点及び終点でのみ軌道３０自身が重なるように、軌道３０は単一の、一方向の、軸１８回りのガントリ１６の連続的な３６０°回転からなる。ある実施形態では、この単一の、一方向の、軸１８回りのガントリ１６の連続的な３６０°回転は、対応する寝台１５の一方向の移動又は回転運動と組み合わされ、軌道３０が全く重ならないようにされる。
【００４０】
一般的に、例示的な装置１０（図１）及び１０Ａ（図１Ａ）のような放射線照射装置は、放射ビーム１４を成形するための調整可能なビーム成形機構３３を線源１２と対象物Ｓの間に含む。図３Ａは線源１２と対象物Ｓの間に位置するビーム成形機構３３を概略的に示す。ビーム成形機構３３は静止状態の及び／又は移動可能な金属部品３１を含んでもよい。部品３１は、放射線ビーム１４の一部が通過可能なアパーチャ３１Ａを定義することができる。ビーム成形機構３３のアパーチャ３１Ａは、線源１２から対象物Ｓの標的容積までの照射方向に垂直な面に放射線ビーム１４の二次元境界を定義する。制御システム２３はビーム成形機構３３の構成を制御できることが望ましい。
【００４１】
調整可能なビーム成形機構３３の一例として、放射線源１２と対象物Ｓの間に位置するマルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）３５が挙げられるが、これに限定されない。図３Ｂは適切なＭＬＣ３５を概略的に示す。図３Ｂに示されるように、ＭＬＣ３５は、照射野に入り、あるいは照射野を出るようにそれぞれ独立して移動可能であり、放射線が通過可能な１つ以上のアパーチャ３８を定義する、多数のリーフ３６を含む。金属部品を含むことができるリーフ３６は、放射線を遮断する機能を有する。図示された実施形態では、リーフ３６は両方向矢印４１によって示された方向に移動可能である。１以上のアパーチャ３８のサイズ及び形状は各リーフ３６の位置を選択的に決定することにより調節できる。
【００４２】
図３Ｂの実施形態に示されるように、一般的にリーフ３６は対向する対で提供される。一般的に、ＭＬＣ３５は、リーフ３６の面に垂直に延びる軸３７回りに別の向きに回転可能に取り付けられる。図３Ｂに示された実施形態では、軸３７が紙面内外を通過する方向に延び、点線で示される輪郭３９はＭＬＣ３５の別の向きの例を示す。
【００４３】
ＭＬＣ３５の構成は、各リーフ３６の位置、及び軸３７に関するＭＬＣ３５の向きを定義する１セットのリーフ位置によって特定できる。放射線照射装置の制御システム（例えば放射線繰出装置１０の制御システム２３）は一般的に、リーフ３６の位置、及び軸３７回りのＭＬＣ３５の向きを制御可能である。ＭＬＣは、リーフ３６の数、リーフ３６の幅、リーフ３６の端及びエッジの形状、任意のリーフ３６が有しうる位置範囲、他のリーフ３６の位置により課されるあるリーフ３６の位置上の制約、ＭＬＣのメカニカルデザインなど、設計詳細において異なっていてもよい。当然ながら、本願明細書中に記載された本発明は、これら及び他の設計変更を有するＭＬＣを含む、任意のタイプの構成可能なビーム成形装置３３を含むことができる。
【００４４】
放射線源１２が動作し、放射線源１２が軌道３０の周囲を移動している間、（例えばリーフ３６を移動させ、及び／又は軸３７回りにＭＬＣ３５を回転させることによって）、ＭＬＣ３５の構成は変更されてもよい。これにより、放射線が対象物Ｓの標的容積に照射されている間、アパーチャ３８の形状を動的に変更可能となる。ＭＬＣ３５は多数のリーフ３６を有することができ、各リーフ３６は、多数の位置に配置でき、ＭＬＣ３５はその軸３７回りに回転できるため、ＭＬＣ３５は極めて多数の可能な構成を有することができる。
【００４５】
図４Ａは、本発明の例示的な実施形態による方法５０を概略的に示す。方法５０の目的は、標的容積の周囲の組織に照射される放射線量を最小化し、あるいは少なくとも標的容積の周囲の組織に照射される線量を許容できる閾値未満に維持しながら、対象物Ｓ中の標的容積（許容できる許容差内）への所望の線量分布を照射する放射線治療計画を確立することにある。この目的は、放射線源１２及び／又はビーム１４を軌道３０に沿って対象物Ｓに対して移動させる際の（ｉ）放射線ビーム（例えばビーム１４）の断面形状、及び（ｉｉ）放射線ビームの強度を変更することで達成できる。ある実施形態において、上述のごとく、これらの目的は放射線源１２及び／又はビーム１４を軌道３０に沿って連続的に移動させながら達成される。
【００４６】
方法５０は、治療計画システム２５（例えば図１の治療計画システム２５）によって少なくとも部分的に実行できる。図示された実施形態では、治療計画システム２５は、適切なソフトウェア２５Ｂを実行するよう構成される自らのコントローラ２５Ａを含む。他の実施形態では、制御システム２３及び治療計画システム２５はコントローラを共有してもよい。コントローラ２５は、適切なハードウェアと共に、１つ以上のデータ処理装置を含んでもよい。ハードウェアとして、例えば、アクセス可能なメモリ、論理回路、ドライバ、増幅器、Ａ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器などが挙げられるが、これらに限定されない。このようなコントローラは、マイクロプロセッサ、ワンチップコンピュータ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ-ｏｎ-ａ-ｃｈｉｐ）、コンピュータのＣＰＵあるいは他の適切なマイクロコントローラからなっていてよいが、これらに限定されない。コントローラ２５は複数のデータ処理装置を含んでもよい。
【００４７】
標的容積（「所望の線量分布」と称する）に照射される所望量の放射線量及び適切な軌道３０は予め定義されてもよい。方法５０は、線源１２及び／又はビーム１４の軌道３０に沿った移動中にビーム１４が有するべき形状、並びに放射線源１２及び／又はビーム１４の軌道３０に沿った移動中に放射線が照射されるべき強度を導出する。ビーム１４の形状は、ＭＬＣ３５などのビーム成形機構３３の適切な構成により決定できる。
【００４８】
ブロック５２において、方法５０は１セットの最適化目標６１、及び所望の軌道３０を定義する軌道データ６２を取得する。最適化目標６１は、所望の線量分布を定義する線量分布データ６０を含み、他の最適化目標６３をも含んでよい。最適化目標６１及び／又は軌道データ６２は、例えば放射線物理学者と協議の上で、放射線腫瘍医などの保健専門家により作成されてもよい。最適化目標６１及び／又は軌道データ６２はブロック５２の一環としてオペレータにより指定されることができる。
【００４９】
軌道３０を作成する人員は、以下の要素を参照することができる。
・処置対象の状態
・標的容積の形状、サイズ及び位置
・回避すべき重要（危険）な構造の位置
・他の適切な要素
軌道３０は治療時間を最小化すべく選択されてもよい。
【００５０】
本発明のある実施形態による放射線照射装置は、１つ以上の予め定義された軌道を提供してもよい。この場合、ブロック５２は、予め定義された軌道３０、あるいは部分的に軌道３０を定義し完全に軌道３０を定義するよう完成されうるテンプレートを選択することを含んでもよい。
【００５１】
上述のごとく、最適化目標６１は線量分布データ６０を含み、他の最適化目標６３を含んでもよい。他の最適化目標６３はブロック５２の一環としてオペレータによって指定されてもよい。例えば、他の最適化目標６３は、標的容積中の線量分布の所望の均一性（あるいは、標的容積中の線量分布を所望の線量分布データ６０と一致させる際に有すべき所望の精度）を含んでもよいが、これに限定されない。他の最適化目標６３は更に、標的容積の外において重要な構造が占める容積を定義し、これらの構造に照射される放射線量に制限を設けることもできる。他の最適化目標６３は、個々の患者が治療中に静止状態を維持できる能力に基づき、放射線照射に必要な最大時間を定義してもよい。例えば、小児は治療中に動いてしまう可能性が大人よりも高く、このような動作は不正確な線量照射を生ずることがある。従って、小児の場合、治療中に動くという危険を最小化するために、最大線量照射時間を短縮することが望ましい場合もある。他の最適化目標６３は更に、様々な最適化目標に優先度（ウェイト）を設定してもよい。
【００５２】
他の最適化目標６３は、様々な異なる形式の任意のものを有してもよい。例えば、指定された線量分布により対象物の疾患が抑制される可能性、及び／又は非病変組織に照射される指定された線量が合併症を生ずる可能性を推測するメトリックの計算において、生物学的モデルが使用されてもよい。このような生物学的モデルは放射線生物学的モデルとして知られている。他の最適化目標６３は、１つ以上の放射線生物学のモデルに部分的に基づいてもよい。更に、特定の放射線照射装置の物理的制約が最適化目標６３の別の例として考慮されてもよい。上述のように、ガントリ１２は比較的重く、ガントリ１２の動作制御は困難であり、放射線照射装置の各種構成要素に負荷を与える場合がある。具体的な例として、１つの最適化目標６３は、ガントリ１６を特定の軌道３０上で連続的に（すなわち停止せずに）移動させることであってもよい。
【００５３】
次いで、方法５０は最適化プロセス５４に移る。最適化プロセス５４は、放射線源１２及び／又はビーム１４の軌道３０に沿った位置の関数として、望ましいビーム形状及び強度を求める。方法５０の図示された実施形態では、最適化プロセス５４はビーム形状又はビーム強度に影響する１つ以上の最適化変数を反復して選択し変更することを含む。例えば、最適化変数は、制御点３２におけるＭＬＣ３５のリーフ３６の位置（ビーム１４の形状を決定する）、制御点３２における軸３７回りのＭＬＣ３５の向き（ビーム１４の形状を決定する）、及び／又は制御点３２におけるビーム１４の強度を含んでもよい。変更された最適化変数に起因する線量分布の質は、１つ以上の最適化目標の１セットについて評価される。次いで、変更は受容もしくは拒絶される。最適化プロセス５４は、１組の許容可能なビーム形状及び強度を取得するか、あるいは取得に失敗するまで継続される。
【００５４】
図示された方法５０では、最適化プロセス５４は最適化関数を定めることによりブロック５６で開始される。ブロック５６の最適化関数は、少なくとも部分的に最適化目標６１に基づいている。最適化目標６１のセットは所望の線量分布データ６０を含んでおり、１つ以上の他の最適化目標６３を含んでいてもよい。ブロック５６の最適化機能は費用関数を含んでもよい。より高いコスト（最適化目標６１に遠い状態に対応する）は、以下の少なくとも一つの要因に関連しうる。
・所望の線量分布データ６０からの偏差
・標的容積外に照射される放射線量の増加
・治療容積外の重要構造に照射される放射線量の増加
・放射線治療の照射に必要な時間の増加
・治療の照射に必要な総放射出力の増加
より低いコスト（最適化目標６１により近い状態に対応する）は、以下の少なくとも一つの要因に関連しうる。
・特定の閾値（所望の線量分布データ６０と関連しうる）との一致に近い放射線量
・特定の閾値を超える放射線量の不在
・標的容積外の放射線量の削減
・標的容積外の重要構造に照射される放射線量の削減
・放射線治療の照射に必要な時間の短縮
・治療の照射に必要な総放射出力の削減
これらの要因は相互に異なって重み付けされていてもよい。ブロック５６の最適化関数を定める際に、他の要因を考慮してもよい。
【００５５】
ブロック５６の結果は、線量分布を入力とし、入力線量分布が１セットの最適化目標６１をどの程度満たすかを示す値を有する出力を生ずる最適化関数である。
【００５６】
ブロック５８は軌道３０に沿った多数の制御点３２についてビーム形状及び強度を初期化することを含む。開始時の（初期）ビーム形状及び強度は各種技術のいずれかを用いて選択できる。初期ビーム形状はＭＬＣ３５の特定配置を指定することにより選択してもよい。例えば、ブロック５８において特定される初期ビーム形状は下記のいずれかにより選択できるが、これらに限定されない。
・軌道３０に沿った各制御点３２におけるビーム形状を、（制御点３２から得られる）標的容積のビーム方向から見た輪郭（外形）に近づけるよう設定する
・放射線が健常組織構造からのみ遮断されるように、ビーム形状を設定する
・完全開放、完全閉止、半分開放、あるいはアパーチャ３８の形状（丸、楕円、矩形など）を定義する、など、特定の構成となるようＭＬＣのリーフ３６を初期化する
・ＭＬＣのリーフ３６の位置をランダム化する
ビーム形状を初期化する具体的な方法は重要でなく、特定の放射線照射装置のビームを成形する機構３３によってのみ制限される。
【００５７】
例えば、ブロック５８において指定される初期ビーム強度は、下記のいずれかにより選択されてもよいが、これらに限定されない。
・全ての強度をゼロに設定する
・全ての強度を同一値に設定する
・強度をランダム値に設定する
【００５８】
ある実施形態では、ビーム形状はブロック５８において、標的の投影と一致する（例えば軌道３０に沿った各制御点３２からの標的容積のビーム方向から見た輪郭に近似する）形状に初期化される。また、強度は、ブロック５８において、全てが標的容積内の平均線量が予定線量と等しくなるよう設定される、同一値を有するよう初期化される。
【００５９】
ブロック６４では、方法５０は初期ビーム形状及び初期ビーム強度により生じる線量分布をシミュレートすることを含む。特に、ブロック６４のシミュレーションは、以下でより詳細に議論されるシミュレートされた線量分布計算を含む。次いで、方法５０は、ブロック６５で初期最適化の結果を決定する。ブロック６５による初期最適化結果の決定は、ブロック６４でシミュレートされた線量分布に基づいてブロック５６の最適化関数を評価することを含んでもよい。
【００６０】
ブロック６６において、方法５０は１つ以上の制御点３２においてビーム形状及び／又は強度を変更する。ブロック６６におけるビーム形状及び／又は強度の変更は、疑似ランダムであってもよい。ビーム形状及び／又は強度のブロック６６における変更は制約に従ってもよい。例えば、この制約は不可能なビーム形状及び／又は強度を禁止し、ビーム形状、ビーム強度、及び／又は、ビーム形状及び／又はビーム強度の変化率に対し、他の制限を設定してもよい。ブロック６６の各実行において、ビーム形状及び／又は強度の変更は、ビーム強度パラメータ及び／又はビーム形状パラメータへの、単一パラメータ変更もしくは複数パラメータ変更を含んでいてもよい。ブロック６６におけるビーム形状及び／又は強度の変更は、単一制御点３２又は複数制御点３２におけるこれらのパラメータの変更を含んでいてもよい。ブロック６８は、ブロック６６で変更されたビーム形状及び／又は強度が放射線治療を提供するために使用された場合に達成される線量分布をシミュレートすることを含む。一般的に、ブロック６８におけるシミュレーションは、以下に詳述するシミュレート線量分布計算を含む。
【００６１】
ある実施形態では、ビーム形及び／又は強度のブロック６６における変更は、ランダムに選択されず、線量分布品質に多大な影響を及ぼす一定のパラメータに優先性を与えるよう選択される。「線量分布品質」は、シミュレートされた線量分布計算がどの程度厳密に最適化目標６１を達成するかに関する反映を含んでもよい。例えば、ビームがＭＬＣ３５によって成形される場合、特定のリーフ３６あるいはリーフ３６の位置は変更について優先性を付与されてもよい。優先性の付与は、ＭＬＣ３５のどのリーフが線量分布品質に最多の影響を及ぼすか演繹的に決定することにより行われてもよい。特に重要なＭＬＣリーフの演繹的決定は、例えば標的領域及び周囲組織内の各ボクセルから、及びＭＬＣ３５の面で特定のボクセルと交差するビーム放射線の投影によって、ブロック５６の最適化関数に対する相対的寄与率を計算することに基づいてもよい。
【００６２】
ブロック７０では、方法５０は現在の最適化結果を決定する。ブロック７０における決定は、ブロック６８でシミュレートされた線量分布に基づいてブロック５６の最適化関数を評価することを含んでもよい。ブロック７２では、（ブロック７０で決定された）現在の最適化結果が以前の最適化結果と比較され、ブロック６６における変更を維持するべきか廃棄するべきかの決定がなされる。方法５０が最初にブロック７２に達した場合は、以前の最適化結果はブロック６５における初期最適化の結果であってよい。ブロック７２における決定は下記のいずれかを含んでいてもよい。
（ｉ）現在の最適化結果が以前の最適化結果より最適化目標６１に接近している場合に、ブロック６６における変更を保存することを決定する（ブロック７２の出力はＹＥＳ）、あるいは
（ｉｉ）現在の最適化結果が前の最適化結果より最適化目標６１から遠い場合に、ブロック６６における変更を拒絶することを決定する（ブロック７２の出力はＮＯ）
他の最適化アルゴリズムにより、特定の最適化アルゴリズムに関連付けられた規則に基づいてブロック６６における変更を維持するべきか廃棄するべきかに関してブロック７２における決定を下してもよい。例えば、現在の最適化結果が以前の最適化結果より最適化目標６１から遠い場合にも、このような最適化アルゴリズムは、いくつかの場合において、ブロック６６の変更の保存（ブロック７２の出力がＹＥＳ）を許可してもよい。シミュレーテッドアニーリングはこのような最適化アルゴリズムの一例である。
【００６３】
ブロック７２で、ブロック６６における変更が保存されるべきであると決定された場合（ブロック７２の出力がＹＥＳ）、方法５０はブロック７３に進み、ブロック６６で変更されたビーム形状及び強度が現在のビーム形状及び強度として更新される。ブロック７３中のビーム形状及び強度を更新した後、方法５０はブロック７４に進む。ブロック７２で、ブロック６６における変更が保存されるべきでないと決定された場合（ブロック７２の出力がＮＯ）、方法５０は直接（すなわちブロック６６における変更を採用せずに）ブロック７４に進む。
【００６４】
ブロック７４は、適用可能な終了基準が満たされたか否かを判断することを含む。終了基準が満たされている場合（ブロック７２の出力がＹＥＳ）、方法５０はブロック７５に進み、現在のビーム形状及び強度が最適化結果として保存される。ブロック７５の後、最適化プロセス５４は終了する。他方、終了基準が満たされていない場合（ブロック７４の出力がＮＯ）、方法５０はループに戻ってブロック６６〜７４をさらに反復する。
【００６５】
ブロック７４における終了基準は、下記のいずれか１つ以上を含んでいてもよいが、これらに限定されない。
・最適化目標６１が達成される
・連続して反復しても最適化目標６１に接近する最適化結果が得られない
・ブロック６６〜７４における成功した反復の回数（ブロック６６における変更がブロック７３に保存された場合（すなわち、ブロック７２の出力がＹＥＳの場合））、
・オペレータが最適化プロセスを終了した
【００６６】
説明された方法５０は非常に単純な最適化プロセス５４を表している。最適化プロセス５４は、方法５０に加え、あるいは方法５０に替えて、以下のような他の既知の最適化技法を含んでもよい。
・シミュレーテッドアニーリング
・勾配（gradient）ベース技術
・遺伝的アルゴリズム
・ニューラル・ネットワークの適用
・その他
【００６７】
方法５０は対象物Ｓへの放射線量を計画し照射するための総合的な方法の一部として使用されてもよい。図４Ｂは、本発明の特定の実施形態による、対象物Ｓへの放射線量を計画し照射する方法３００を概略的に示す。方法３００はブロック３１０で開始され、図示された実施形態において、所望の軌道３０及び所望の最適化目標６１を取得することを含む。次いで、方法３００はブロック３２０に進み、これは１セットの放射線照射パラメータを最適化することを含む。ある特定の実施形態では、ブロック３２０における最適化プロセスは、方法５０の最適化プロセス５４に従ってビーム形状及びビーム強度パラメータを最適化することを含んでもよい。ブロック３２０の最適化プロセスの結果、放射線照射計画が得られる。ブロック３３０では、放射線照射計画は、放射線照射装置の制御システム（例えば放射線繰出装置１０（図１）の制御システム２３）に提供される。ブロック３４０では、放射線照射装置は、ブロック３２０で作成された放射線治療計画に従って対象物に放射線を照射する。
【００６８】
方法５０は、特定のビーム形状、ビーム強度及び動作軸位置のセットから得られる線量分布のシミュレーションを含む（例えばブロック６４及び６８）。線量分布のシミュレーションは任意の適切な方法で行うことができる。線量分布結果のシミュレートに使用できる線量計算方法の一例を下に示す。
・ペンシルビーム重畳（重ね合わせ）（pencil beam superposition）
・崩壊円錐畳み込み（collapsed cone convolution）
・モンテカルロ・シュミレーション（Monte Carlo simulation）
【００６９】
ある実施形態では、治療計画によって照射される線量は、（方法５０のブロック６４及び６８に示すように）各制御点３２からの線量に寄与率を加えることによりシミュレートされる。各制御点３２について、以下の情報が既知である。
・標的容積を含む対象物Ｓに対する、線源１２の位置及びビーム１４の向き（利用可能な動作軸の位置により決定される）
・ビーム形状（例えば、ＭＬＣ３５のリーフ３６の回転角及び／又は配置構成により決定される）
・ビーム強度
【００７０】
ある実施形態では、各制御点３２の線量への寄与率は，ペンシルビーム重畳により決定される。ペンシルビーム重畳は、ビーム１４の投影面積を「ビームレット（ｂｅａｍｌｅｔ）」あるいは「ペンシルビーム」として知られている多くの小さなビームに概念的に分割することを含む。これは、横断面のビーム形状（例えばＭＬＣ３５のアパーチャ３８）を正方形ビームレットのグリッドに分割することにより行うことができる。特定の制御点３２からの全線量分布への寄与率は、ビームレットの寄与率の合計により決定されることができる。個々のビームレットによる線量分布への寄与率は予め計算されることができる。寄与率は、一般的にビームレットの外側の領域内の線量に寄与する１つのビームレットからの放射線による放射散乱及び他の効果を考慮に入れる。一般的なＭＬＣ３５では、リーフ３６からある程度の放射線が透過する。従って、線量シミュレート計算を行う場合、ＭＬＣ３５のリーフ３６の透過を考慮して、ビーム成形アパーチャ３８の外側からの線量について小さい寄与率を加えることが望ましいことが多い。
【００７１】
図５Ａは、複数のビームレット８０へ分割されたＭＬＣ３５のアパーチャ３８を示している。一般的に、アパーチャ３８が有しうる構成の広範な高精度モデリングを可能とするために、ビームレット８０は極めて小さいことが望ましい。ビームレット８０は、ＭＬＣ３５のリーフ３６（図５Ａには図示せず）の幅より小さくてもよい。図５Ａでは、アパーチャ３８をカバーするためには１０５本のビームレット８０が必要とされ、従って、図５Ａのアパーチャ構成を有する特定の制御点３２について、線量シミュレート計算（例えばブロック６８線量シミュレーションの一部）は、１０５本のビームレット８０が寄与する線量の重畳を含む。
【００７２】
ある実施形態では、ビームレット８０よりも大きい複合ビームレット８２を提供することで線量シミュレーション計算を効率化する。異なるサイズ形状及び／又は向きを有する一連の複合ビームレット８２を提供することができる。図５Ｂは、サイズ及び形状の異なる多数の複合ビームレット８２Ａ、８２Ｂ、８２Ｃ（総称してビームレット８２という）を示している。図５Ｂより、複合ビームレット８２を、複数の従来サイズのビームレット８０に代えて用いることが可能であることがわかる。複合ビームレット８２の例示的な応用を図５Ｃに示す。アパーチャ３８の所与の形状について、複合ビームレット８２はより小さなビームレット８０のうちのいくつかあるいは全てに代えて使用される。図５Ｃのアパーチャ３８の特定の構成（図５Ａのアパーチャ３８の構成と同じ）では、アパーチャ３８の面積は２８本の複合ビームレット８２（２４本の８２Ａ、１本の８４Ｂ、３本の８４Ｃ）及び１つの小さなビームレット８０により網羅される。従って、図５Ｂのアパーチャ構成を有する特定の制御点３２について、線量シミュレート計算（例えばブロック６８線量シミュレーションの一部）は、２９本のビームレット８２及び８０が寄与する線量の重畳に減らすことができる。複合ビームレット８２が寄与する線量は、従来のビームレット８０からの先の線量寄与率に類似する方法で予め決定できる。
【００７３】
複合ビームレット８２のサイズ及び形状は、アパーチャ３８の面積を網羅するのに必要なビームレット数を低減し、かつ好ましくは最小化するよう選択されうる。これにより、線量シミュレーションの精度を著しく短縮することなく、演算時間を著しく短縮できる。複合ビームレットの使用はペンシルビームの重畳に制限されず、例えばモンテカルロ線量シミュレーション及び崩壊円錐畳み込み（collapsed cone convolution）線量シミュレーションのような他の線量シミュレート計算アルゴリズム中で使用されてもよい。
【００７４】
線量シミュレート計算を行うための複合ビームレット８２の使用は、複合ビームレット８２の断面寸法にわたる組織の特性には小さい変化しか生じないものと仮定して行われる。複合ビームレットがより大きくなると、この仮定は必ずしも成り立たない。従って、複合ビームレット８２のサイズの上限は必要な算出精度により制限される。ある実施形態では、複合ビームレット８２の少なくとも１つの寸法は従来のビームレット８０の最大寸法よりも大きい。ある実施形態では、複合ビームレット８２の最大寸法は、従来のビームレット８０の最大寸法のサイズの２５倍よりも小さい。
【００７５】
線量シミュレーション計算（例えばブロック６８における線量シミュレーション）は多数の制御点３２において実施される。これらの制御点３２に関する計算に基づき、軌道３０上を連続的に移動して、連続的に放射線ビーム１４を放射する放射線源１２について推測された線量分布が生成される。放射線ビーム１４の形状及び強度は連続的に変化してもよい。個々の制御点３２からの寄与率を合計することで線量分布が計算される場合、計算された線量が線源１２の位置、ビーム１４の向き、ビーム形状、及びビーム強度の連続的な変更により照射される実際の線量と一致する精度は、線量シミュレーション計算を行うために使用される制御点３２の数にある程度依存する。極めて少数の制御点３２しか存在しない場合、照射された線量の正確な推測を得ることはできない場合がある。連続的な軌道３０上で線源１２により照射される線量は、制御点３２の数が無限に近づく限りにおいてのみ、個々の制御点３２からの寄与率を合計することによって完全にモデル化されうる。従って、有限数の制御点３２を用いる線量シミュレート計算の離散化は、モデル化された線量分布の精度を低下させる。
【００７６】
この概念を図６に線量シミュレーション誤差を制御点３２の数に対してプロットしたグラフで示す。図６は、線量シミュレーション計算が多数の制御点３２を利用する場合、生じる誤差（すなわちシミュレーション線量分布と実際の線量分布の間の差）が最小化されることを明示している。
【００７７】
本発明のある実施形態では、最適化プロセス（例えば、方法５０のブロック５４）に制約が与えられる。制約は、個別の線量シミュレート計算の精度を所与の許容範囲内に維持することを支援すべく用いることができる。ある実施形態では、これらの最適化制約は、連続する制御点３２間において許容されうる１つ以上のパラメータの変化量に関連付けられる。適切な制約の例として以下が挙げられる。
・放射線源１２は、連続する制御点３２間の最大距離を超えて移動できない。この制約は、連続する制御点３２間の任意の動作軸に最大変化量を設けることで、完全にあるいは部分的に達成できる。各動作軸について別々の制約を設けてもよい。例えば、ガントリ角に関して最大角度変化を指定してもよく、寝台移動に関して最大変位量を設けてもよい。
・ビーム形状に影響するパラメータは、連続する制御点３２間で所定量を超えて変化しない。例えば、ＭＬＣ３５のリーフ３６の位置の変化あるいはＭＬＣ３５の回転向きの変化について最大値を指定してもよい。
・ビーム形状に影響するパラメータは、動作軸変更の単位当りで所定量を超えて変化しない。例えば、ガントリ１６の軸１８回りの各回転度について、ＭＬＣ３５のリーフ３６の位置変化の最大値を指定してもよい。
・線源強度は制御点３２間で所定量を超えて変化しない。
・線源強度は、動作軸変更の単位当りで所定量を超えて変化しない。
・線源強度は一定レベルを超過しない。
当然ながら、線量シミュレート計算が多数の個々の制御点に基づいて行われる場合、制御点間で、動作軸パラメータ、ビーム形状パラメータ及び／又はビーム強度パラメータにより小さい変化をもたらす制約により、より高精度の線量シミュレート計算を実行することができる。
【００７８】
線量シミュレート計算の精度向上に加え、制約を設けることで、更に特定の放射線照射装置の物理的制約を考慮することによる総治療時間の短縮を支援してもよい。例えば、特定の放射線照射装置が最大放射線出力率を有し、方法５０によって生成された最適化解が、この最大の放射線出力率より高い放射線出力率を生ずる放射線強度を含む場合、放射線照射装置の動作軸の移動速度は、ブロック５４の最適化プロセスにより規定された強度を照射するために速度を落とす必要がある。従って、ブロック５４の最適化において最大の放射線源強度に与えられる制約は、規定される強度が放射線照射装置の能力内にあり、放射線照射装置の動作軸を低速化する必要がないという解を強制しうる。動作軸速度を落とす必要がないため、このような解では比較的短時間で対象物Ｓが照射され、これに対応して治療時間の短縮をもたらす。当業者には、特定の放射線照射装置の他の制限を考慮するために他の制約を利用してもよく、総治療時間を短縮するために使用できることが認識されよう。
【００７９】
上記のような制約の一例は次のように定義できる。「推定線量が実際の線量分布の２％以内となるよう、以下のパラメータは、任意の連続する２つの制御点３２間の規定量を超えて変化させてはならない。
・強度：−１０％
・ＭＬＣリーフ位置：−５ｍｍ
・ＭＬＣ向き：−５％
・ガントリ角：−１度
・寝台位置：−３ｍｍ」
【００８０】
更に、最適化プロセス５４で使用される制御点３２の数は、線量分布の質と同様に最適化プロセス５４の実行に必要な反復回数（又は対応する時間）に影響を与える。図７は、様々な数の制御点３２について、線量分布品質をブロック５４の最適化プロセスに含まれる反復回数の関数としてグラフで示したものである。
【００８１】
図７は、対数尺度において１０個の制御点、５０個の制御点、１００個の制御点及び３００個の制御点に関するプロットを示す。当業者には、反復回数（図７の横座標）が最適化の実施に関する時間と確実に関連していることが理解されよう。図７は、制御点３２の数が比較的少ない場合に線量分布の質が急速に（すなわち比較的少数の反復で）改善することを示している。しかし、制御点３２の数が比較的少ない場合、結果として生ずる線量分布の質は比較的低く、１０個の制御点及び５０個の制御点の場合では、線量分布の質は最適化目標６１を達成しない。逆に制御点３２の数が比較的多い場合、ブロック５４の最適化は比較的多数の反復を必要とするが、最終的に達成される線量分布の質は比較的高く、最適化目標６１を上回る。ある場合には、制御点３２の数が比較的大きい場合、最適化目標６１を達成する解を得るために必要な反復回数が著しく高くなることがある（すなわち、このような解には時間がかかりすぎたり、計算費用が高くなりすぎることがある）。
【００８２】
ブロック５４の最適化プロセスにおける制御点３２の数の影響は、以下のように要約できる。比較的少数の制御点３２が使用される場合：
・制御点３２間において、動作軸パラメータ（すなわちビーム位置とビームの向き）、ビーム形状パラメータ（例えば、ＭＬＣ３５のリーフ３６の位置及び／又はＭＬＣ３５の向き）及びビーム強度に比較的大きい変化がありうる（すなわち、動作軸パラメータ、ビーム形状パラメータ及びビーム強度上の制約は、制御点３２間において比較的緩くなる）
・比較的緩い制約、及び大きな範囲でビーム形状及び強度パラメータの変更が許容可能であるため、最適化プロセス５４の間にビーム強度とビーム形状の可能な構成を比較的大きい範囲で調査することができる
・比較的大きい範囲の可能なビーム形状及び強度構成を調査することができることから、ブロック５４の最適化プロセスは、比較的少数の反復の後に最適化目標６１に接近しやすい
・ビーム形状パラメータ及び／又はビーム強度パラメータが変更可能な制御点の数が少ないため、ブロック５４の最適化プロセスにおいて最適化目標６１を達成するか、あるいは上回る線量分布を生ずることは困難もしくは不可能である
・比較的少数の制御点３２に基づいた線量シミュレーション計算の精度は比較的低く、許容域外となりうる
【００８３】
比較的多くの数の制御点３２が使用される場合：
・制御点３２間における、動作軸パラメータ（すなわちビーム位置とビームの向き）、ビーム形状パラメータ（例えばＭＬＣ３５のリーフ３６の位置及び／又はＭＬＣ３５の向き）及びビーム強度において可能な変更の大きさは比較的小さい（すなわち、動作軸パラメータ、ビーム形状パラメータ及びビーム強度上の制約は、制御点３２間で比較的限定的になる）
・ビーム形状及び強度パラメータへの制約が比較的限定的であり、許容可能な変化が小さい範囲であることから、可能なビーム形状及びビーム強度構成を比較的小さな範囲でのみ最適化プロセス５４の間に調査することができる
・可能なビーム形状及び強度構成の範囲が制限されているため、最適化目標６１に近づくためにブロック５４の最適化プロセスは比較的多数の反復を必要とする
・ビーム形状及び／又はビーム強度パラメータが変更可能な制御点の数が多いため、最適化目標６１を達成するか、あるいは上回る線量分布を導出することは比較的容易である
・比較的多数の制御点３２に基づいた線量シミュレーション計算の精度は比較的高くなる
【００８４】
ある実施形態では、少数の制御点３２を有する利点と、多数の制御点３２を有する利点とは、比較的少数の制御点３２で最適化プロセスを開始し、次いで複数回の反復後に最適化プロセスに更なる制御点３２を挿入することにより達成される。この処理は、図８に概略的に示されている。
【００８５】
図８は、本発明の別の実施形態によって線量照射を最適化する方法１５０を示す。図８の方法１５０は、図４Ｂの方法３００でブロック３２０の一部として使用されてもよい。多くの点で、図８の方法１５０は図４Ａの方法５０に類似する。方法１５０は、方法５０の対応ブロックに類似する多数の機能的ブロックを含み、これらのブロックは、方法５０の対応するブロックと同様の参照数字の頭に「１」を付けて示される。方法５０と同様に、方法１５０の目的は、標的容積の周囲の組織に照射される放射線量を最小化するか、あるいは少なくとも標的容積の周囲の組織に照射される線量を許容できる閾値未満に維持しながら、対象物Ｓ中の標的容積（容認できる許容範囲内）への所望の線量分布を照射する放射線治療計画を作成することにある。この目的は、放射線源１２及び／又はビーム１４を軌道３０に沿って対象物Ｓに対して移動させる際の（ｉ）放射線ビーム１４の断面形状、及び（ｉｉ）ビーム１４の強度、を変更することで達成できる。
【００８６】
図４Ａの方法５０と図８の方法１５０の間の主たる差異は、方法１５０の最適化プロセス１５４が多数のレベルにわたる最適化プロセスの反復を含む点にある。各レベルは対応する制御点３２の数と関連付けられ、制御点３２の数は各レベルにおいて順次増加する。図示された実施形態では、ブロック１５４における最適化の実施に当たり使用されるレベルの総数（あるいは、ブロック１５４における最適化プロセスの結果における最終的な制御点３２の数）は、方法１５０の開始に先立って決定される。例えば、最終的な制御点３２の数は、使用可能な時間的要件、精度要件、及び／又は線量品質要件に基づき、オペレータにより指定されてもよい。他の実施形態では、以下に詳述される終了条件によって、最終的な制御点３２の数は方法１５０の実施毎に変化してもよい。
【００８７】
方法１５０はブロック１５２で開始され、ブロック１５８まで方法５０と同じ方法で進む。図示された実施形態では、ブロック１５８は、ブロック１５８がレベルカウンタの更なる初期化を含む点でブロック５８と異なる。他の点では、ブロック１５８は方法５０のブロック５８と同様である。レベルカウンタの初期化は、例えばレベルカウンタを１に設定してもよい。レベルカウンタが１に設定されると、方法１５０は、ブロック１５４における最適化プロセスを開始するために、対応するレベル１の制御点３２の数を選択する。レベル１の制御点３２の数には比較的少数の制御点が好適である。ある実施形態では、制御点３２のレベル１の数の範囲は２〜５０である。以下に更に詳述されるように、レベルカウンタは方法１５０の実施の際にインクリメント（増分）され、また、レベルカウンタがインクリメントされるごとに、対応する制御点３２の数は増加する。
【００８８】
方法１５０は、レベルカウンタによって指示される制御点３２の数を使用して、上記方法５０のブロック６４〜７４と同様の方法でブロック１６４〜１７４を進める。ブロック１７４は、方法１５０の特定レベルの終了条件に関する問合せを含む点でブロック７４と異なる。方法１５０の特定レベルの終了条件は、方法５０のブロック７４の終了条件に類似してもよい。例えば、ブロック１７４の終了条件は、以下のいずれか１つ以上を含んでもよいが、これに限定されない。
・現在のレベル特有の許容レベルにおいて最適化目標６１が達成される
・連続して反復しても最適化目標６１に接近する最適化結果が得られない
・オペレータが最適化プロセスを終了した
上記に加え、あるいは上記に替えて、ブロック１７４における終了条件は、得られた最適化品質に関わらず、方法１５０における特定レベルにおいてブロック１６６〜１７４の最大反復回数に達したことを含んでもよい。例えば、レベル１の反復最大値は１０4であってよい。最大反復回数は各レベルで異なってもよい。例えば、最大反復回数は、対応する制御点３２の数の増加と共に各レベルで増加してもよく、あるいは対応する制御点３２の数の増加と共に各レベルで減少してもよい。
【００８９】
上記に加え、あるいは上記に替えて、ブロック１７４における終了条件は、方法１５０の特定レベルにおいてブロック１６６〜１７４の成功した反復（すなわち方法１５０がブロック１７２をＹＥＳで通過し、ブロック１６６における変化がブロック１７３で保存される反復）の最大回数に達することを含んでいてもよい。既述のごとく、成功した反復の最大回数は各レベルにおいて異なってもよい（増加又は減少）。ある実施形態では、特定レベルにおける成功した反復の最大回数は、レベル（すなわち制御点３２の数）増加につれて減少する。ある特定の実施形態では、成功した反復の最大回数は、レベル増大につれて指数関数的に減少する。
【００９０】
終了基準が満たされない場合（ブロック１７４の出力がＮＯ）、方法１５０は現在のレベルでブロック１６６〜１７４を更に反復する。終了基準が満たされている場合（ブロック１７４の出力がＹＥＳ）、方法１５０はブロック１７８に進み、方法１５０は最適化プロセス１５４全体の終了条件について問合せる。ブロック１７８の全般的な終了条件は、最適化プロセス１５４の特定レベルにではなく、ブロック１７８の終了条件が最適化プロセス１５４に全体に関する点以外で、ブロック１７４の点で終了条件に類似していてもよい。例えば、ブロック１７８の終了条件は、以下のいずれか１つ以上を含んでもよいが、これらに限定されない。
・最適化プロセス１５４全体に特定の許容レベルにおいて最適化目標６１が達成される
・連続して反復しても最適化目標６１に接近する最適化結果が得られない
・オペレータが最適化プロセスを終了した
上記に加え、あるいは上記に替えて、ブロック１７８の終了条件は、制御点３２の適切な最小数に達することを含んでもよい。この制御点の最小数は、線量シミュレート計算が十分な精度を有することを保証するために必要な制御点３２の数に依存してもよい（図６を参照）。
【００９１】
上記に加え、あるいは上記に替えて、ブロック１７８の終了条件は、動作軸パラメータ、ビーム形状パラメータ及び／又は、ビーム強度パラメータの対応する変化に対する制御点３２の最低閾値レベルを有することを含んでもよい。ある具体的な例において、ブロック１７８の終了条件は、少なくとも１個の制御点３２の最低閾値レベルについて、以下の少なくとも１つを含んでもよい
・１０％を超える各強度変化
・５ｍｍを超える各ＭＬＣリーフ位置変更
・５度を上回る個々のＭＬＣ向き変更
・１度以上の各ガントリ角変更
・−３ｍｍを上回る個々の寝台位置変更
【００９２】
ブロック１７８において終了基準が満たされている場合（ブロック１７８の出力がＹＥＳ）、方法１５０はブロック１７５に進み、現在のビーム形状及び強度が最適化結果として保存される。ブロック１７５の後、方法１５０は終了する。他方、ブロック１７８において終了基準が満たされていない場合（ブロック１７８の出力がＮＯ）、方法１５０はブロック１８０に進み、制御点３２の数が増加される。
【００９３】
ブロック１８０における新たな制御点３２の追加は、様々な技術により行うことができる。ある特定の実施形態では、新たな制御点３２は１対の既存の制御点３２間に加えられる。新たな制御点３２の追加に加え、ブロック１８０は新しく追加された制御点３２に関連付けられたパラメータ値を初期化することを含む。新たに追加される制御点３２の各々について、初期化されるパラメータ値は、放射線源１２の位置及びビーム１４の向きを指定する動作軸パラメータ（すなわち新たに追加される制御点３２に対応する動作軸位置のセット）、初期のビーム形状パラメータ（例えばＭＬＣ３５のリーフ３６及び／又は向きの構成）、及び初期のビーム強度パラメータ、を含んでいてもよい。
【００９４】
新たに追加される制御点３２の各々に対応する動作軸パラメータは、以前に（例えば所望の軌道データ６２により）指定された軌道３０によって決定されてもよい。新たに追加される制御点３２の各々に対応する初期のビーム形状パラメータ及び初期のビーム強度パラメータは、新たに追加された制御点３２のいずれかの側に存在する既存の制御点３２の現在のビーム形状パラメータと現在のビーム強度パラメータの間で補間を行うことにより決定できる。このような補間は、例えば線形補完又は非線形補間を含むことができる。
【００９５】
新たに追加される制御点３２に関する初期値パラメータ値、及び新たに追加される制御点３２のパラメータ値の後続の許容可能な変化は、オリジナルの制御点３２に関して上に議論された制約と同じ制約を受けてもよい。例えば、新たに追加される制御点３２用のパラメータ値上の制約は、以下のいずれかを含むことが出来る。
・放射線源１２（又は１つ以上の任意の動作軸）の制御点３２間における移動可能量に関する制約
・連続する制御点３２間におけるビーム形状の変更可能量に関する制約（例えば、ＭＬＣ３５の最大回転あるいはＭＬＣ３５のリーフ３６の移動に関する制約）
・連続する制御点３２間における線源１２の強度の変更可能量に関する制約
当業者は、これらの最適化制約の大きさは、制御点３２の数及び／又は隣接する制御点３２との離間距離により変化することが理解されよう。例えば、１００個の制御点３２があり、制御点３２の数が２倍の２００個となる際、ＭＬＣ３５のリーフ３６の最大移動量の制約が連続する制御点３２間で２ｃｍである場合、ＭＬＣ３５のリーフ３６の最大移動量の制約は、（新たに追加される制御点３２が既存の制御点３２間の間に位置すると仮定して）制御点３２間で１ｃｍとなるように、制約を半分にしてもよい。
【００９６】
ブロック１８０で新たな制御点３２を追加し初期化した後、方法１８０はブロック１８２に進んでレベルカウンタ１８２がインクリメントされる。次いで、方法１５０はブロック１６４に戻り、ブロック１６４〜１７４の反復プロセスが次のレベルで繰り返される。
【００９７】
方法１５０の結果の一例が、線量分布品質対反復回数を均等目盛のグラフで示す図９に示されている。図９は、線量分布が最適化目標６１に近づくにつれ制御点３２の数が増加することをも示している。比較的少ない数の制御点３２で最適化プロセスを開始し、最適化プロセスが最適化目標６１に接近すると、更なる制御点３２を加えることによって、許容できる解の達成に必要な反復回数が著しく低減したことが理解されよう。更に、図９は以下を示す。
・最適化プロセスの初期に少数の制御点３２を用いることで、最適化が比較的少ない反復回数で最適化目標６１に近づくことができる
・最適化の間に追加の制御点３２を導入することで、最適化目標６１を満たす線量分布を引き出す柔軟性が得られる
・全ての最適化プロセスが終了する前に多数の制御点３２が追加され、これらの追加制御点に関連するパラメータは関連する最適化制約に従っており、これにより線量計算精度が維持される
【００９８】
上記方法５０と同様に、方法１５０は非常に単純な最適化プロセス１５４を表している。他の実施形態において、最適化プロセス１５４は、方法１５０に加え、あるいは方法１５０に替えて、シミュレーテッドアニーリング、勾配ベースの技術、遺伝的アルゴリズム、ニューラル・ネットワークの適用等のような、他の既知の最適化技法を含んでもよい。
【００９９】
方法１５０では、レベルがインクリメントされる際に、追加の制御点３２が加えられる。別の実施形態では、１以上の新たな制御点の追加は方法５０のブロック６６における変更として処理されてもよい。このような実施形態では、制御点３２の追加に関連するブロック１８０の手順は、ブロック６６の一部として実施されてもよい。このような実施形態では、ブロック７４の終了条件は更に、最適化が制御点３２の最小数を達成したか否かに関する質問を含んでもよい。他の点において、この実施形態は方法５０と同様である。
【０１００】
最適化方法５０又は最適化方法１５０の結果は１セットの制御点３２であり、各制御点３２に関する対応するパラメータのセットである。前記パラメータは、動作軸パラメータ（例えば対応するビーム位置及びビームの向きを指定する特定の放射線照射装置に関する動作軸位置のセット）、ビーム形状パラメータ（例えばリーフ３６に関する１セットの位置、及び必要に応じて軸３７回りのＭＬＣ３５の向きを含むＭＬＣ３５の構成）、及びビーム強度パラメータ、を含む。次いで、制御点３２のセット及びそれらに関連するパラメータは線量照射を実行するために放射線照射装置に送信される。
【０１０１】
放射線照射装置の制御システム（例えば放射線照射装置１０の制御システム２３）は、対象物Ｓに放射線量を照射しながら、軌道３０上で放射線源１２を移動させるために、制御点３２のセット及びそれらに関連するパラメータを使用する。放射線照射装置が軌道３０上を移動している間、制御システムは、最適化方法５０及び１５０によって生成された動作軸パラメータ、ビーム形状パラメータ、及びビーム強度パラメータを反映するよう、動作軸の速度及び／又は位置、ビーム形状及びビーム強度を制御する。当業者には、上記最適化方法５０及び１５０の出力が、各種の放射線照射装置で使用できることが理解されよう。
【０１０２】
最適化プロセスの例示的な実施形態のための擬似コード
＜最適化前＞
・三次元の標的及び健常組織構造を定義する
・下記の１つ以上に基づいて、全ての構造のための最適化目標を設定する
・累積線量のヒストグラム
・標的に必要とされる予定線量
・標的に対する線量の均一性
・健常組織構造への最小線量
・全ての最適化目標を組合せて単一の線質（品質）係数（すなわち最適化関数）とする
・放射線源の軌道を定義する
・有限数の制御点を選択する
・各制御点における各軸の軸位置を設定する
＜初期化＞
・ＭＬＣ特性（例えばリーフ幅、透過）を設定する
・レベルカウンタ及び初期制御点数を初期化する
・標的の外形にビームを成形させるためにＭＬＣリーフ位置を初期化する
・全ての標的及び健常組織構造の線量分布をシミュレートするために線量シミュレート計算を行う
・各標的／構造中の点のランダム分布を生成する
・各初期制御点の線量寄与率を計算する
・各初期制御点の寄与率を加算する
・標的への平均線量が規定線量であるように、ビーム強度及び対応する線量を設計し直す
・以下に関して制約を設定する
・ビーム形状パラメータ（すなわち、ＭＬＣリーフの移動、及び／又はＭＬＣの回転）の最大変化量
・ビーム強度の最大変化量
対応する変化について、関連するモータ軸は、
・ガントリ角
・寝台角度
・寝台位置
・ＭＬＣ角度
・最大強度制約を設定
・最大治療時間制約を設定
・以下の最適化パラメータを設定
・制御点の追加の可能性
・各反復において、
・ＭＬＣリーフ位置の変化に関する制約を考慮したビーム形状パラメータ変更の可能性（例えばＭＬＣリーフ位置あるいはＭＬＣ向き）、及び
・強度変化に関する制約を考慮した放射線強度変更の可能性
＜最適化＞
最適化目標が達せられていない状態で、
１．制御点を選択する
２．ビーム形状変更、強度変更を変更する、又は制御点を追加する
・ビーム形状変更（例えばＭＬＣリーフの位置変化）が選択された場合：
・変更すべきＭＬＣリーフをランダムに選択する
・新しいＭＬＣリーフ位置をランダムに選択する
・新しいＭＬＣリーフ位置が以下の位置的制約のいずれにも違反しないことを確認する
・リーフは対向するリーフと重なり合わない
・リーフは初期化されたアパーチャの外側に移動しない、
・リーフは最大移動量の制約に違反しない
・全ての構造について新しい線量分布を計算するために線量分布シミュレーションを行う
・新しい線量分布について線質係数（すなわち最適化関数）を計算する
・線質係数（すなわち最適化関数）が改善を示す場合は、新しいリーフ位置を受容する
・強度変更が選択されている場合：
・新しい強度をランダムに選択する
・新しい強度が以下の制約のいずれにも違反しないことを確認する
・強度は負値をとらない
・強度は最大強度制約に違反しない
・強度は最大強度変化制約に違反しない
・全ての構造について新しい線量分布を計算するために線量分布シミュレーションを行う
・新しい線量分布について線質係数（すなわち最適化関数）を計算する
・線質係数（すなわち最適化関数）が改善を示す場合は、新しい強度を受容する
・制御点の追加が選択されている場合：
・既存の軌道内に１個以上の制御点を挿入する
・新たな制御点の追加に基づいて最適化制約（例えばビーム形状制約及び強度制約）を調整する
・新たな制御点のビーム形状パラメータ、強度パラメータ及び動作軸パラメータを初期化する
・全ての構造について新しい線量分布を計算するために線量分布シミュレーションを（新たな制御点を含めて）行う
・新しい強度が目標に対し規定線量と等しい平均線量を提供するように、全ての強度を設計し直す
・追加した制御点について最適化を継続する
・終了基準に到達した場合：
・最適化を終了し、
・最適化されたパラメータ（例えばビーム形状パラメータ、動作軸パラメータ及びビーム強度パラメータ）を全て記録し、放射線装置に最適化されたパラメータを転送する
・終了基準に到達していない場合：
・ステップ（１）に戻り、別のビーム形状変更、強度変更を選択するか、制御点を追加する
【０１０３】
具体的な実施形態の例示的実施
以下に、本発明の具体的な例示的実施形態を示す。図１０は、対象物Ｓの体内の標的組織２００及び健常組織２０２を三次元で示した例である。この例により放射線照射装置１０（図１）に類似する放射線照射装置をシミュレートする。
【０１０４】
この例において、軌道３０は、ガントリ１６の軸１８回りの３６０°回転及び−Ｚ方角（図１０の座標系で示す）の寝台１５の移動として定義される。特にこの例では２つの動作軸に関する軌道３０を使用しているが、当然ながら軌道３０において、動作軸の移動を少なくすることも、あるいは動作軸数を増やすことも可能である。図１１Ａ及び１１Ｂは、それぞれ選択された軌道３０（すなわち軸１８回りのガントリ１６の角度位置及びＺ次元における寝台１５の位置）に対応する動作軸の初期制御点３２の位置を示す。
【０１０５】
この例では、最適化目標６１には、標的２００に対し７０Ｇｙの均一レベル、健常組織２０２に対し３５Ｇｙの最高線量を有する所望の線量分布６０を含めた。各初期制御点３２において、ビーム形状パラメータは、ＭＬＣ３５のリーフ３６がビームを標的２００のビーム方向から見た外形（輪郭）に成形するよう初期化された。この例において、ＭＬＣ３５の向きは常に４５°に維持された。各初期制御点３２では、ビーム強度は、標的２００に照射される平均線量が７０Ｇｙとなるように初期化された。
【０１０６】
図１２Ａ〜図１２Ｆは、最適化プロセスの様々な段階でシミュレートされた線量分布計算を線量容積ヒストグラム（ＤＶＨ）の形でグラフ化したものである。図１２Ａ〜図１２Ｆにおいて、破線２０４は、一定の線量を受け取る健常組織２０２の容量の割合を表し、実線２０６は一定の線量を受け取る標的２００の容量の割合を表す。ＤＶＨは、線量分布品質を評価するために便利なグラフツールである。破線２０４の下及び左への移動は健常組織２０２へ照射される線量の最小化を表し、実線２０６の上（最大１００％）及び右（線量分布目標まで（この例では最大７０Ｇｙ））へ移動は、標的２００への線量の有効な照射を表すことが理解されよう。
【０１０７】
この例において、最適化プロセスは、図１１Ａ及び１１Ｂに示される１２個の制御点により反復回数ゼロから開始される。反復回数ゼロの結果を図１２Ａに示す。この例において、反復回数及び制御点の数は、図１２Ｂ〜図１２Ｆで示されるように最適化プロセスの間に増加された。９００回反復し、制御点が２３個（図１２Ｂ）へ増大したとき、破線２０４の左及び下への移動により線量品質における劇的な改善が見られる。更なる改善は、１８００回の反復と４５個の制御点（図１２Ｃ）、及び３２００回の反復と８９個の制御点（図１２Ｄ）で見られる。１回の反復当たりの線量分布品質における改良幅は、最適化の進行につれ減少する。図１２Ｄ〜図１２Ｆは、３２００回の反復と８９個の制御点（図１２Ｄ）、５８００回の反復と１７７個の制御点（図１２Ｅ）、及び８５００回の反復と３５３個の制御点、の間の線量分布品質における小規模な改善を示している。上述のごとく、図１２Ｄと図１２Ｆの間の線量分布品質における改善は最小であるものの、線量シミュレート計算の精度向上のため最適化において制御点数を継続して増加させることは有用である。
【０１０８】
図１３は、最適化目標６１が５８００回の反復（１７７個の制御点）後にどのように（容認できる許容度内に）達成されるか示す、この例の別のグラフ表現である。
【０１０９】
最適化目標が（容認できる許容範囲内に）達成され、線量分布品質又は精度に更なる改善がなされなかったため、この例の最適化は１１，０００回の反復後に終了した。この例の結果を図１４Ａ〜図１４Ｄに示す。図１４Ａ〜図１４Ｄは、各最終制御点における動作軸パラメータ（この場合、軸１８回りのガントリ１６の向き（図１４Ａ）と、寝台１５のＺ位置（図１４Ｂ））、各最終制御点における放射線強度（図１４Ｃ）、及び各最終制御点におけるビーム成形パラメータ（この場合、ＭＬＣ３５（図１４Ｄ）の２つのリーフ３６の位置）をそれぞれ示す。図１４Ｄは、ＭＬＣ３５のリーフ３６の許容可能な変化率に制約が設けられたことから、図示されたＭＬＣ３のリーフ３６の位置に劇的な変化がないことを示している。
【０１１０】
図１５は、最適化された線量分布の二次元断面図を示す。図１５は、高線量及び低線量の領域を示す一定線量（等線量線）のプロット等高線を示す。個々の等線量のラインに関連付けられた線量はライン上に列挙される。図１０の標的２００及び健常組織２０２の形状及び相対位置を参照すると、図１５では、高線量領域がＣ字型形状の標的領域２００に制限される一方、くぼみの内部（すなわち健常組織２０２の領域）では線量が著しく減少されていることが示されている。
【０１１１】
この例において、最適化時間は１５．３分であった。この線量分布を照射するのに必要な治療時間は、およそ１．７分（線量率を６００ＭＵ／分と仮定）である。
【０１１２】
ある実施形態において、対象物Ｓに放射線量を照射するための本願明細書中に記載された方法は、１つ以上の映像（画像形成）技術及び対応する画像形成装置と共に使用される。適切な映像技術は、対象物の三次元画像を取得するコーンビームコンピュータ断層撮影法（コーンビームＣＴ）である。コーンビームＣＴは、放射線照射装置に適切に取り付け可能な放射線源及び対応するセンサを含む。例えば、コーンビームＣＴ放射線源は、放射線照射装置１０のガントリ１６に取り付けられてもよく、また、対応するセンサは、対象物Ｓを通過した放射線を検知するために対象物Ｓの反対側に取り付けられてもよい。ある実施形態では、コーンビームＣＴ放射線源は治療放射線源１２と同一である。他の実施形態では、コーンビームＣＴ放射線源は治療放射線源１２と異なっている。放射線照射装置は、治療放射線源１２を移動させるために使用されるものと同一の動作軸（あるいは本質的に同様の動作軸）を使用して、対象物Ｓに対してコーンビームＣＴ線源及びＣＴセンサを移動させてもよい。コーンビームＣＴ線源が起動される任意の時点において、二次元投射画像は、コーンビームＣＴ線源から発せられ、対象物Ｓを通過し、対応するセンサ（一般的に放射線センサの二次元配列を含む）に衝突する放射線の透過から形成される。ある実施形態では、コーンビームＣＴセンサが画像形成放射線及び治療放射線を識別できるように、コーンビームＣＴ放射線源及び治療放射線源は、時分割多重化される。
【０１１３】
三次元コーンビームＣＴ像の取得において、コーンビームＣＴ線源及びセンサアレイは対象物Ｓの複数の二次元投射画像を得るために軌道上を移動する。複数の二次元投射画像は、対象物Ｓの三次元画像を復元するために当業者に知られている方法を利用して合成される。三次元画像は、標的及び健常組織の空間的情報を包含していてもよい。
【０１１４】
ある実施形態では、対象物ＳのコーンビームＣＴ像は対象物に放射線を照射する際に取得される。二次元画像は、放射線が対象物Ｓに照射されるのと同じ軌道３０の周囲において、同じ時間間隔で取得されてもよい。このような実施形態では、得られるコーンビームＣＴ像は、対象物が治療された時点における、標的及び健常組織の三次元空間的分布を含む、対象物位置を表している。標的及び健常組織の空間的分布は、特定の放射線照射装置により参照されることができ、これにより観察者がどの線量分布が標的及び健常組織構造に実際に照射されたかを正確に評価することが可能となる。
【０１１５】
対象物Ｓ、及び特に標的及び健常組織の位置は、放射線が照射されている間に移動しうる。一部の運動は減少又は排除できるが、停止することが困難な運動の１つに呼吸がある。例えば、対象物Ｓが呼吸する場合、肺内部に位置する標的は呼吸周期の関数としてシフトすることがある。大部分の線量シミュレート計算では、対象物Ｓは照射時間全体にわたり静止していると仮定される。従って、対象物Ｓが通常の呼吸を行うと、標的及び健常組織に不正確な線量が照射される結果になりうる。ある実施形態では、対象物Ｓの位置又は構成が特定範囲内にある場合に限り、放射線源１２が起動（活性化）される。
【０１１６】
ある実施形態では、１つ以上のセンサが対象物Ｓの位置を監視するために使用される。センサの例として呼吸計、赤外線位置センサ、筋電図（ＥＭＧ）センサなどが挙げられるが、これらに限定されない。対象物Ｓが許容範囲の位置にあることをセンサが示す場合、放射線治療計画に記載されているように、放射線源１２が起動され、ビーム成形機構３３の構成が変更され、動作軸が移動する。対象物Ｓが許容範囲の位置にないことをセンサが示す場合、放射線は非活性化され、ビーム成形機構３３の構成は固定され、動作軸は静止する。許容範囲の位置は、対象物Ｓの呼吸サイクルの特定の部分として定義されてもよい。このような実施形態では、放射線治療計画は、放射線装置及び放射線出力が休止される（すなわち対象物が許容範囲の位置外である場合）間隔、並びに放射線装置及び放射線出力が再開される（すなわち対象物が許容範囲の位置にある場合）間隔により、断続的に照射される。治療計画が完全に照射されるまで、治療照射は上記のように進行する。放射線の位置に依存する照射プロセスは放射線照射の「位置ゲーティング」と呼ぶことができる。
【０１１７】
本発明のある特定の実施形態では、位置ゲーティングされた治療が対象物Ｓに照射されている間に、コーンビームＣＴ像が取得される。二次元投射画像の取得もまた、コーンビームＣＴ像が治療照射時の対象物Ｓの位置を表すように、患者体位に対しゲート制御されてもよい。このような実施形態は、二次元コーンビームＣＴ像が、対象物Ｓが一貫した空間位置にある状態で取得され、動作アーチファクトの少ない三次元コーンビームＣＴが提供されるという更なる利益を有する。
【０１１８】
本発明のある実施形態は、プロセッサに本発明の方法を行わせるためのソフトウェア命令を実行するコンピュータプロセッサを含む。例えば、１つ以上のデータ処理装置が、データ処理装置にアクセス可能なプログラムメモリ中のソフトウェア命令の実行することにより、図４Ａ及び／又は図８の方法を実施してもよい。また、本発明はプログラム製品の形で提供されてもよい。プログラム製品は、データ処理装置により実行されると、データ処理装置に本発明の方法を実行させる命令を含む１セットのコンピュータ可読信号を伝送するあらゆる媒体を含んでもよい。本発明によるプログラム製品は多様な形式の任意のものとすることができる。例えば、プログラム製品はフロッピーディスクのような磁気データ記憶媒体、ハードディスクドライブ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤなどの光学データ記憶装置媒体、ＲＯＭ、フラッシュＲＡＭなどの電子データ記憶媒体、のような物理媒体を含むことができる。プログラム製品上のコンピュータ可読信号は必要に応じて（任意選択的に）圧縮もしくは暗号化されてもよい。
【０１１９】
構成要素（例えばソフトウェアモジュール、プロセッサ、アセンブリ、装置、回路など）について言及したが、特に指定がない限り、当該構成要素への言及（「手段」への言及を含む）は、記載された構成要素の機能を実施するあらゆる構成要素を含む、その構成要素の等価物（機能的な等価）として解釈されたい。この等価物には、説明された本発明の例示的実施形態の機能を実施する、開示された構造と構造上等価でない構成要素も含まれる。
【０１２０】
多数の例示的な実施態様及び実施形態を記述したが、当業者にはこれらの変更、交換、追加、及び下位組合せが認識されよう。例えば、
・上記実施形態では、軌道３０を定義するために使用される制御点３２は、ブロック５４の最適化プロセスを実行するための制御点と同一である。これは必ずしも必須ではない。例えば、軸１８（図１）回りのガントリ１６の弧のような単純な軌道３０は、その端部において２個の制御点により定義されてもよい。このような制御点により軌道を定義できるが、許容できる治療計画を達成するためにより多くの制御点が必要となるのが一般的である。従って、ブロック５４及びブロック１５４における最適化プロセスは、軌道の定義に使用されるものとは異なる（例えば、より多くの）制御点を使用することを含んでもよい。
・上記実施形態では、制約（例えば制御点３２間のビーム位置／向きパラメータの変更に関する制約、制御点３２間のビーム形状パラメータの変更に関する制約、及び制御点３２間のビーム強度の変更に関する制約）は、最適化プロセス５４及び１５４を通じて適用される。他の実施形態では、最適化制約は最適化プロセスの後の方で設けられてもよい。この方法では、初期反復回数で最適化目標６１を達成するにあたり、更なる柔軟性が得られる。初期反復回数が行われた後、制約を導入してもよい。制約の導入により、ビーム位置／向きパラメータ及びビーム形状パラメータ及び／又は強度パラメータの変更が必要となる場合がある。これにより、最適化目標６１を達成するために更なる最適化が必要となることがある。
・上記実施形態では、各制御点３２のビーム位置及びビームの向きは、最適化プロセス５４、１５４の開始前に（例えば、ブロック５２及びブロック１５２において）決定され、最適化プロセス５４及び１５４を通じて一定に維持される（すなわち最適化プロセス５４及び１５４は、軌道３０を一定に維持しながら、ビーム形状パラメータ及びビーム強度パラメータを変更し、最適化している）。他の実施形態では、ビーム位置及びビームの向きパラメータ（すなわち各制御点３２の動作軸位置のセット）は、最適化プロセス５４、１５４の一部として、上記に加え、あるいは上記に替えて、最適化プロセス５４及び１５４が放射線照射装置の軌道３０を最適化するように変更され、最適化される。このような実施形態では、最適化プロセス５４及び１５４は、制御点３２間の利用可能な動作軸位置及び／又は動作軸位置の変化率に関する制約を含んでいてもよい。このような制約は、対象物Ｓへの線量照射に使用される特定の放射線照射装置の物理的制約と関連付けられてもよい。
・ある実施形態では、放射線強度が一定に保持され、最適化プロセス５４及び１５４はビーム形状パラメータ及び／又は、動作軸パラメータを最適化してもよい。このような実施形態は、放射線強度を制御可能に変更する能力を有さない放射線照射装置における使用に適している。ある実施形態では、ビーム形状パラメータが一定に保持され、最適化プロセス５４及び１５４は強度及び／又は動作軸パラメータを最適化してもよい。
・放射線ビームの位置及び向きを説明するために用いられる可能な軌道の数は無限である。このような軌道の選択は、特定の放射線照射装置の制約によってのみ制限される。本発明は、任意の適切な放射線照射装置により提供できる任意の軌道を使用して実施可能である。
【０１２１】
従って、添付の特許請求の範囲及び今後追加される特許請求の範囲は、その精神及び範囲において、上記変更、交換、追加、及び下位組合せを全て含むものと解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明に関して実施可能な例示的放射線照射装置の概略図である。
【図１Ａ】本発明に関して実施可能な別の例示的放射線照射装置の概略図である。
【図２】軌道の概略図である。
【図３Ａ】ビーム成形機構の概略断面図である。
【図３Ｂ】概要のビームのマルチリーフコリメータ型ビーム成形機構のビーム方向から見た概略平面図である。
【図４Ａ】本発明の特定の実施形態による線量照射最適化方法を示すフローチャートである。
【図４Ｂ】本発明の特定の実施形態による対象物への放射線を計画し照射する方法を示す概略フローチャートである。
【図５Ａ】本発明の特定の実施形態による、アパーチャのビームレットへの分割を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の特定の実施形態による、アパーチャのビームレットへの分割を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の特定の実施形態による、アパーチャのビームレットへの分割を示す図である。
【図６】線量シミュレート計算を行うために使用される制御点の数に対する、線量シミュレート計算に関連する誤差を表すグラフである。
【図７】線量品質に対する最適化反復回数を複数の異なる数の制御点について表すグラフである。
【図８】最適化プロセスにおいて制御点の数が変更される、本発明の別の実施形態に従った線量照射最適化方法の概略フローチャートである。
【図９】線量分布品質に対する、最適化プロセスにおいて制御点の数が変更される図８の最適化方法の反復回数を示すグラフである。
【図１０】本発明の特定の実施形態の実施例において使用されるサンプル標的組織及び健常組織を示す図である。
【図１１Ａ】図１０の例で使用される軌道に対応する動作軸の初期制御点位置を示す図である。
【図１１Ｂ】図１０の例で使用される軌道に対応する動作軸の初期制御点位置を示す図である。
【図１２Ａ】図１０の例の最適化プロセスの様々な段階の線量分布品質を示す線量容積ヒストグラム（ＤＶＨ）を示す図である。
【図１２Ｂ】図１０の例の最適化プロセスの様々な段階の線量分布品質を示す線量容積ヒストグラム（ＤＶＨ）を示す図である。
【図１２Ｃ】図１０の例の最適化プロセスの様々な段階の線量分布品質を示す線量容積ヒストグラム（ＤＶＨ）を示す図である。
【図１２Ｄ】図１０の例の最適化プロセスの様々な段階の線量分布品質を示す線量容積ヒストグラム（ＤＶＨ）を示す図である。
【図１２Ｅ】図１０の例の最適化プロセスの様々な段階の線量分布品質を示す線量容積ヒストグラム（ＤＶＨ）を示す図である。
【図１２Ｆ】図１０の例の最適化プロセスの様々な段階の線量分布品質を示す線量容積ヒストグラム（ＤＶＨ）を示す図である。
【図１３】図１０の例の最適化プロセスを示す別のグラフである。
【図１４Ａ】図１０の例の最適化プロセスの結果（動作軸パラメータ、強度及びビーム成形パラメータ）を示す図である。
【図１４Ｂ】図１０の例の最適化プロセスの結果（動作軸パラメータ、強度及びビーム成形パラメータ）を示す図である。
【図１４Ｃ】図１０の例の最適化プロセスの結果（動作軸パラメータ、強度及びビーム成形パラメータ）を示す図である。
【図１４Ｄ】図１０の例の最適化プロセスの結果（動作軸パラメータ、強度及びビーム成形パラメータ）を示す図である。
【図１５】図１０の例における二次元断面スライスの標的領域中の一定線量（等線量線）の等高線をプロットした図である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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