(57)【要約】【課題】照射エネルギーを適切に選択することができ、照射量を最適化して照射に要する時間を短縮することができる治療計画を作成することができる放射線治療計画装置を提供する。【解決手段】治療計画装置２０１において、エネルギーレイヤ毎に設定した指標に基づいてエネルギーレイヤの削減候補を設定し、削減候補の照射スポット数又は照射量を選択的に削減するための目的関数を定義し、目的関数を用いて、スポット照射量とエネルギーレイヤを同時に最適化する。【選択図】  図７
2018134208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射対象に対して放射線治療を行うための治療計画情報を作成する放射線治療計画装置であって、
治療計画情報を作成する演算装置と、
前記演算装置によって作成された前記治療計画情報を表示する表示装置と、を備え、
前記演算装置は、前記照射対象を複数のエネルギーレイヤに分割し、分割した前記複数のエネルギーレイヤ毎に設定した指標に基づいてエネルギーレイヤの削減候補を少なくとも一つ以上設定し、若しくは操作者の入力に基づきエネルギーレイヤ削減候補を設定し、前記削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数を定義して、定義した前記目的関数を用いてスポット照射量を最適化計算する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【請求項２】
請求項１に記載の放射線治療計画装置において、
操作者が前記照射対象に対する処方線量若しくは照射条件の少なくとも一方を入力する入力装置を有する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【請求項３】
請求項２に記載の放射線治療計画装置において、
前記演算装置が、操作者が入力した前記処方線量若しくは照射条件に基づき計算した治療計画情報より、前記削減候補の照射スポット数または照射量が選択的に削減されるような目的関数を用いた最適化計算の後に計算した治療計画情報の方が、エネルギーレイヤ数が少ない
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【請求項４】
請求項１に記載の放射線治療計画装置において、
前記表示装置は、前記エネルギーレイヤの削減候補を操作者が選択、設定するための選択画面を表示する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【請求項５】
請求項４に記載の放射線治療計画装置において、
前記表示装置は、前記選択画面中にエネルギーレイヤ削減前後のエネルギーレイヤの情報を比較表示する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【請求項６】
請求項１に記載の放射線治療計画装置において、
前記演算装置は、前記エネルギーレイヤの削減候補を、予め設定した指標に基づいて自動で決定する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【請求項７】
請求項６に記載の放射線治療計画装置において、
前記予め設定した指標は、各エネルギーレイヤ中における最適化計算前後のスポットの残存率である
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【請求項８】
請求項１に記載の放射線治療計画装置において、
前記演算装置は、レイヤ最適化処理による目的関数値の許容変化量を演算し、前記許容変化量が所定基準を満たしているか否かを判定して、所定基準を満たしていないと判定されたときはエネルギー削減項の重要度を変更して、再度エネルギーレイヤの最適化を実施する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【請求項９】
請求項８に記載の放射線治療計画装置において、
前記演算装置は、予め設定された、若しくは操作者により設定された、前記重要度の変更回数の上限に基づき最適化計算を実施する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の放射線治療計画装置において、
前記表示装置は、前記重要度の変更回数の上限、前記重要度の初期値、前記許容変化量を設定する設定画面を表示する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放射線治療計画装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
放射線治療では標的となる腫瘍細胞に対して放射線が照射されることによって腫瘍にダメージを与え治療を行う。治療に用いる放射線では、Ｘ線が最も広く利用されているが、標的への線量集中性が高い陽子線や炭素線に代表される粒子線（荷電粒子ビーム）の需要も高まっている。
【０００３】
放射線治療においては、腫瘍領域に対してできるだけ正確に、できるだけ集中するように指定した線量を照射することが治療効果の向上につながる。
【０００４】
粒子線治療においては線量を集中させる方法として、スキャニング法の利用が広がりつつある。これは細い粒子ビームを、治療装置内の二組の走査電磁石により偏向させ、平面内の任意の位置に導くことで腫瘍内部を塗りつぶすように照射し、腫瘍領域にのみ高い線量を付与するという方法である。スキャニング法では、患者固有の器具が基本的に必要なく、また、様々な分布を形成できるという利点がある。
【０００５】
このスキャニング法を実現するためには、照射前に、放射線治療計画装置を用いて治療計画を作成する過程が極めて重要となる。治療計画装置とはＣＴ画像等から得られる患者体内の情報を基に、患者体内での線量分布を数値計算によりシミュレートする機能を有する計算機のことである。操作者（治療計画を立案する作業者）は、治療計画装置が出力する計算結果を参照しながら、粒子線を照射する方向やビームエネルギー，照射位置，照射量等の照射条件（治療計画とも呼ぶ）を決定する。以下にその一般的な過程を、図１を用いて簡単に説明する。この治療計画作成過程の詳細は特許文献１に詳しく記されている。
【０００６】
操作者は、はじめに放射線を照射すべき標的領域を入力，登録する（ステップＳ１０１）。主としてＣＴ画像を用い、画像の各スライスに標的となる領域を入力する。入力したデータは、操作者が治療計画装置に登録することで、３次元の領域データとして治療計画装置上のメモリに保存される。必要があれば、放射線の照射量を低く抑えるべき重要臓器の位置も同様に入力し、登録する。
【０００７】
続いて、操作者は標的のマージン量およびビームの照射方向等の照射条件を設定する（ステップＳ１０２）。マージン量は、標的となる腫瘍部分を覆うのに必要な領域よりもわずかに広い範囲（標的領域）に照射を行うために設定される。マージンを設定することで、腫瘍位置や照射位置に小さな変動が生じたとしても、大きな線量を付与したい腫瘍の部分が確実に照射されることを保証することが可能となる。
【０００８】
次に、操作者は、登録した各々の領域に照射する線量の目標値（処方線量）の関連パラメータを設定する（ステップＳ１０３）。処方線量の関連パラメータの設定は登録された標的領域（標的）、および重要臓器に対して行う。
【０００９】
例えば、標的領域であれば腫瘍を死滅させるのに十分な線量が指定される。一方、重要臓器に関しては、臓器が耐えうる線量として許容線量が指定される。許容線量の指定方法には、重要臓器への最大線量を指定する方法だけでなく、リスク臓器の体積情報と線量分布から算出される線量評価指標である線量体積ヒストグラム（Ｄｏｓｅ−Ｖｏｌｕｍｅ  Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ，  ＤＶＨ）を用いて指定する方法がある。ここでは、重要臓器への最大線量を指定する方法を例として説明する。
【００１０】
続いて、処方線量を満足する線量分布を実現する照射条件を決定する。操作者は、妥当と考える線量分布が得られるまで、治療計画装置を用いて照射スポットの照射量を探索する最適化計算を行う（ステップＳ１０４）。スポットの照射量を効率よく決定するために、処方線量からのずれを数値化した目的関数を用いて、反復計算によりスポットの照射量を最適化する方法が広く採用されている。
【００１１】
治療計画装置は、反復計算により照射スポットの照射量が算出されると、得られたスポットの照射位置と照射量を基に、線量分布を算出し、画面上に表示する（ステップＳ１０５）。操作者は、表示された線量分布またはＤＶＨに代表される線量評価指標を確認することで、治療計画の質を評価し、治療に使用する治療計画とするかどうか判定する（ステップＳ１０６）。例えば、処方された線量と大きく異なる線量が与えられた領域が確認され、操作者が作成された治療計画の質が低いと判定した場合には、処理を上述のステップＳ１０２に戻して、照射条件を変更し、再度治療計画を作成し直す。これに対し、治療に使用し得ると判定したときは処理を終了する。
【００１２】
処方された線量との乖離が小さい（質の高い）治療計画を作成するためには、ステップＳ１０５での最適化計算時に照射装置内の線量モニタの検出下限値（最小ＭＵ値）を考慮することが重要である、との報告がされている（例えば非特許文献１，２等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１１−２１７９０２号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Zhu X R, Sahoo N, Zhang X, Robertson D, Li H, Choi S, Lee A K and Gillin M T, “Intensity modulated proton therapy treatment planning using single-field optimization: the impact of monitor unit constraints on plan quality”, Med. Phys. 37 1210-9 (2010).
【非特許文献２】W. Cao et al., “Incorporating deliverable monitor unit constraints into spot intensity optimization in intensity-modulated proton therapy treatment”, Phys. Med. Biol. 58, 5113-25 (2013).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
上述の非特許文献１，２で言及されているように、最小ＭＵ値を考慮せずにスポット照射量を最適化した場合、最小ＭＵ値以下の照射量を持ったスポットの照射量が「切り上げ」又は「切り捨て」されて照射されるため、線量分布およびＤＶＨの悪化を引き起こすことになる。
【００１６】
ここで、陽子線治療施設の収益面を考えると、治療のスループットを向上させ、限られた時間内で多くの患者を治療できるように、患者一人当たりの治療時間を短縮させることが望ましい。また、治療時間を低減させることは、患者の負担の低減にもつながる、との利点がある。
【００１７】
放射線治療で近年用いられているスキャニング照射法では、同一エネルギーの照射に関しては、２対の走査電磁石を用いてスキャン速度２．０ｍ／ｓ〜８．０ｍ／ｓでビームを高速に照射することが可能である。
【００１８】
この一方で、エネルギーの変更に関しては、エネルギーを変更する都度ビームを加減速する必要があり、走査電磁石によるスキャンに比べてエネルギーの変更に多くの時間を要している。このエネルギー変更時間が治療を長引かせる要因の一つとなっている。
【００１９】
最小ＭＵ値の制約を考慮して照射量を最適化した場合、相対的に照射量が小さくなる低エネルギー側のエネルギーレイヤに於いて、照射スポットが疎に配置されたエネルギーレイヤが増加することが知られている。この浅い側のエネルギーレイヤに対して、効率良くスポットとエネルギーレイヤを選択し照射計画を作成することが出来れば、エネルギーレイヤ数の削減によりエネルギー変更回数が削減され、治療時間が短縮されると予想される。しかしながら、治療計画の質を担保する必要最低限のエネルギーレイヤを決めることは難しかった。
【００２０】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであって、照射エネルギーを適切に選択することができ、照射量を最適化して照射に要する時間を短縮することができる治療計画を作成することができる放射線治療計画装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、照射対象に対して放射線治療を行うための治療計画情報を作成する放射線治療計画装置であって、治療計画情報を作成する演算装置と、前記演算装置によって作成された前記治療計画情報を表示する表示装置と、を備え、前記演算装置は、前記照射対象を複数のエネルギーレイヤに分割し、分割した前記複数のエネルギーレイヤ毎に設定した指標に基づいてエネルギーレイヤの削減候補を少なくとも一つ以上設定し、若しくは操作者の入力に基づきエネルギーレイヤ削減候補を設定し、前記削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数を定義して、定義した前記目的関数を用いてスポット照射量を最適化計算することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、照射時間を短縮できる治療計画を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一般的な放射線治療計画装置を用いたときの治療計画が立案されるまでの流れを表す図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態である放射線治療計画装置の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態の放射線治療計画装置を用いたときの治療計画が立案されるまでの流れを表す図である。
【図４】本実施形態の放射線治療計画装置におけるＣＴデータのスライス内における標的領域および重要臓器の入力を説明する図である。
【図５】本実施形態の放射線治療計画装置における、エネルギーレイヤ最適化に使用するパラメータを設定する画面の一例を示す図である。
【図６】本実施形態の放射線治療計画装置における線量制約項からなる目的関数を用いた照射量最適化計算時における処理の流れを表す図である。
【図７】本実施形態の放射線治療計画装置における、エネルギーレイヤ最適化時の処理の流れを表す図である。
【図８】実施形態の放射線治療計画装置における、エネルギーレイヤの削減効果の確認画面の一例を示す図である。
【図９】実施形態の放射線治療計画装置における、エネルギーレイヤの削減候補の選択画面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本発明の放射線治療計画装置の実施例を、図２乃至図９を用いて説明する。最初に、本実施例の放射線治療計画装置の全体構成について図２を参照して説明する。図２に本実施例の放射線治療計画装置の全体構成を示す。
【００２５】
図２において、治療計画装置（放射線治療計画装置）２０１は、標的領域（照射対象）４０２（図４参照）に対して放射線治療を行うための治療計画情報を作成するための装置である。図２に示すように、治療計画装置２０１は、入力装置２０２、表示装置２０３、メモリ２０４、演算処理装置（演算装置）２０５、通信装置２０６を備えている。
【００２６】
入力装置２０２は、治療計画を作成する際に、操作者が標的領域４０２に対する処方線量等の各種情報や各種処理の実行，設定変更，終了を入力するための装置であり、例えばキーボードやマウスである。
【００２７】
表示装置２０３は、治療計画を作成する際に必要な各種情報や各種処理の実行，設定変更，終了を入力する際に、操作者に情報などを提供するための表示装置である。
【００２８】
特に、本実施例の表示装置２０３では、演算処理装置２０５によって作成された治療計画情報が表示されるとともに、後述するエネルギーレイヤの削減候補を操作者が選択、設定するための選択画面（図８，９参照）を表示する。この表示される選択画面中には、エネルギーレイヤ削減前後のエネルギーレイヤの情報が比較表示される（図８参照）。また、表示装置２０３には、エネルギーレイヤ最適化に使用するパラメータを操作者が入力するための入力画面（図５参照）が表示される。これらの詳細は後述する。
【００２９】
メモリ２０４は、後述する演算処理装置２０５における各種の演算処理の際に用いる情報を一時的に記憶する装置である。
【００３０】
演算処理装置２０５は、演算処理を行い、線量分布を入力装置２０２によって入力された処方線量に近づけるように照射条件を決定し、治療計画情報を作成する装置であり、照射スポットの最適化計算を実施する本演算部２０５Ａと、エネルギーレイヤの最適化を実施するエネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂとから構成されている。演算処理装置２０５は、入力装置２０２や表示装置２０３、メモリ２０４、通信装置２０６に接続されており、ネットワークを介してデータサーバ２０７と接続されている。具体的には、治療計画装置２０１の通信装置２０６が、ネットワークを介してデータサーバ２０７に接続されて患者に関するデータのやりとりをする。
【００３１】
詳しくは後述するが、本実施例の演算処理装置２０５では、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂによって、標的領域４０２を複数のエネルギーレイヤに分割し、分割した複数のエネルギーレイヤから少なくとも一つ以上のエネルギーレイヤを削減するレイヤ最適化処理を行う。
【００３２】
このエネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂにおけるレイヤ最適化処理では、複数のエネルギーレイヤ毎に設定した指標に基づいてエネルギーレイヤの削減候補を設定し、削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数を定義して、定義した目的関数を用いてスポット照射量を最適化計算により算出する。このエネルギーレイヤの削減候補は、各エネルギーレイヤ中における最適化計算前後のスポットの残存率等の予め設定した指標に基づいて自動で決定する。
【００３３】
また、演算処理装置２０５は、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂによって、レイヤ最適化処理による目的関数値の許容変化量を演算し、許容変化量が所定基準を満たしているか否かを判定して、所定基準を満たしていないと判定されたときはエネルギー削減項の重要度を変更して、再度エネルギーレイヤの最適化を実施する。
【００３４】
次に、図３乃至図８を参照して、本実施例にかかる放射線治療計画装置を用いたスキャニング照射法による粒子線治療の治療計画の立案の流れについて治療計画装置２０１内の各装置の機能・動作を絡めて説明する。図３は治療計画が立案されるまでの流れを表す図、図４はＣＴデータのスライス内における標的領域および重要臓器の入力を説明する図、図５はエネルギーレイヤ最適化に使用するパラメータを設定する画面の一例を示す図、図６は線量制約項からなる目的関数を用いた照射量最適化計算時における処理の流れを表す図、図７はエネルギーレイヤ最適化時の処理の流れを表す図、図８はエネルギーレイヤの削減効果の確認画面の一例を示す図である。
【００３５】
なお、スキャニング照射法には、ある照射位置（スポット）に規定量のビームを照射後に一度ビームを停止し、次の照射すべき照射位置に移動した後に再び照射を開始するスポットスキャニング方式と、照射位置の移動中にもビームの照射を停止しないラスター方式とがある。以下、粒子線によるスポットスキャニング方式を前提として説明する。但し、ラスター方式であっても、照射条件を求める場合には離散的に計算を行うために複数の照射位置を設定する必要があるため、本発明の放射線治療計画装置は、ラスター方式を用いる治療の治療計画を作成する場合にも好適に適応可能である。
【００３６】
図３において、治療計画の立案を開始すると、操作者は、入力装置２０２に相当するマウス等の機器を用いて、領域入力画面でＣＴ画像のスライスごとに指定すべき領域を入力する。各スライスで入力が終わると、操作者は入力した領域を装置に登録する（ステップＳ３０１）。
【００３７】
図４は操作者が表示装置２０３において、ＣＴ画像のあるスライス４０１上で標的領域４０２と重要臓器４０３を入力した状態を例として示している。照射線量を抑えるべき重要臓器４０３が標的領域４０２の近傍に存在するなど、他に評価、制御を必要とする領域がある場合、操作者はそれら重要臓器４０３等の位置も同様に登録する。操作者は、これら入力した標的領域４０２，重要臓器４０３の治療計画装置２０１への登録指示操作を行う。
【００３８】
登録することで、操作者が入力したこれらの領域は治療計画装置２０１に登録され、３次元の位置情報としてメモリ２０４に保存される。
【００３９】
次に、操作者は登録された標的領域に対して照射条件（処方線量や照射角度等）を決定する（ステップＳ３０２）。すなわち、標的領域４０２と重要臓器４０３の位置に基づき、照射門数や照射方向、照射スポット間隔、およびマージン量を設定する。すべての照射条件を操作者が決めるのではなく、治療計画装置２０１が自動的に決める条件もある。
【００４０】
続いて、操作者はエネルギーレイヤ最適化に使用するパラメータを設定する（ステップＳ３０３）。パラメータ設定の一例として、図５に示すような設定画面を用いてパラメータを設定する場合を説明する。
【００４１】
図５に示すように、操作者が設定するエネルギーレイヤ最適化のパラメータとしては、エネルギーレイヤ削減項の重要度の初期値５０１、エネルギーレイヤ最適化による目的関数値の許容差異５０２、上記重要度の最大変更回数５０３がある。これらのパラメータの詳細は後述する。ここで設定されたパラメータは、基本的に全ての照射方向に於いて共通のパラメータとして適用される。
【００４２】
次に、操作者は、標的そのものもしくはマージンを付加した標的領域４０２および重要臓器４０３への線量制約を定める（ステップＳ３０４）。線量制約は標的領域４０２であれば、その領域内が受けるべき処方線量、もしくはその処方線量の最小値、最大値を入力することが多い。一方、重要臓器４０３に対しては許容線量を設定することが多い。本実施例では、標的領域４０２への処方線量、重要臓器４０３の許容線量を指定する。以上のように設定した照射方向や処方線量は治療計画装置のメモリ２０４に保存される。
【００４３】
説明の都合上、以下では標的領域４０２のみに対して目標線量ｐが処方線量として与えられた場合を仮定して説明する。
【００４４】
処方線量の設定が完了すると、治療計画装置２０１は操作者の指示に従って線量制約項からなる目的関数を用いたスポット照射量の最適化計算を本演算部２０５Ａにより実行する（ステップＳ３０５）。以下、照射量の最適化計算時における治療計画装置２０１の動作の流れを図６を用いて説明する。
【００４５】
図６において、まず、治療計画装置２０１の演算処理装置２０５の本演算部２０５Ａは標的領域に線量を評価する点（以下、線量評価点）および照射スポット候補を配置する（ステップＳ６０１）。
【００４６】
続いて、演算処理装置２０５の本演算部２０５Ａは、各線量評価点の線量の算出に用いる線量行列Ａを算出する（ステップＳ６０２）。線量行列は、各スポットへ照射したビームの線量評価点への寄与を表し、メモリ２０４に記憶されている照射方向やＣＴ画像による体内情報を基に算出される。
【００４７】
続いて、演算処理装置２０５の本演算部２０５Ａは各線量評価点での線量値と処方線量の差分（線量制約項）からなる目的関数Ｆｇｅｎｅｒａｌを生成，定義する（ステップＳ６０３）。線量制約項からなる目的関数Ｆｇｅｎｅｒａｌは次式（１）で表される。
【００４８】
【数１】
2018134208.tif 000003
【００４９】
ここで、ｄｉは各線量評価点の線量を表わす。
【００５０】
また、ｄｉを要素とするベクトルｄ→（次元は線量評価点数）と、各スポットの照射量を要素とするベクトルｘ→（次元は全スポット数）と線量行列Ａとの関係は、次式（２）で表される。
【００５１】
【数２】
2018134208.tif 000004
【００５２】
式（１）で表わされる目的関数Ｆｇｅｎｅｒａｌの値が小さいほど、ｍ個の線量評価点での線量が目標線量ｐに近づいていることを表す。
【００５３】
その後、演算処理装置２０５の本演算部２０５Ａは、この目的関数Ｆｇｅｎｅｒａｌを最小にするスポットの照射量を反復計算により探索し、照射スポットを算出する（ステップＳ６０４）。
【００５４】
照射スポットの探索が終了すると、演算処理装置２０５の本演算部２０５Ａは、算出された照射スポットをメモリ２０４に保存する（ステップＳ６０５）。
【００５５】
図３に戻って、続いて、演算処理装置２０５内のエネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂによる、治療に使用するエネルギーレイヤを効率よく選択するためのエネルギーレイヤ数を考慮したスポット照射量の最適化計算のプロセスに遷移する（ステップＳ３０６）。このエネルギーレイヤの最適化プロセスを有することが、本発明の治療計画装置の最大の特徴である。図７を用いて、本実施例におけるエネルギーレイヤの最適化処理のフローを説明する。
【００５６】
図７において、エネルギーレイヤの最適化プロセスが開始されると、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは、まず、ステップＳ６０４で実施された最適化計算の前後におけるエネルギーレイヤ毎のスポット数の変化から、スポット残存率を算出する（ステップＳ７０１）。ｋ番目のエネルギーレイヤのスポット残存率は、エネルギーレイヤｋの最適化計算前の照射スポット候補数Ｎｋと最適化計算後の照射スポット数ｎｋを用いて、次式で定義される。
【００５７】
【数３】
2018134208.tif 000005
【００５８】
続いて、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは、式（３）で計算したスポット残存率に基づいて、エネルギーレイヤの削減候補を設定する（ステップＳ７０２）。本実施例の治療計画装置２０１のエネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂでは、エネルギーレイヤの削減候補は以下の３つの手順で設定される。  
１．全エネルギーレイヤの内、スポット残存率が小さい側３０％に含まれているエネルギーレイヤを削減候補として設定する。  
２．最高エネルギーのエネルギーレイヤは削減候補から除外する。  
３．隣り合ったエネルギーのエネルギーレイヤが削減候補内に存在する場合は、残存率のより大きい側のエネルギーレイヤを削減候補から除外する。
【００５９】
エネルギーレイヤの削減候補設定後、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは、エネルギーレイヤ削減（最適化）用の目的関数Ｆを設定する（ステップＳ７０３）。エネルギーレイヤ削減用の目的関数Ｆは次式（４）で定義される。
【００６０】
【数４】
2018134208.tif 000006
【００６１】
ここで、第１項はステップＳ６０３で設定された線量制約項（（１）式参照）を表し、第２項はエネルギーレイヤ削減項を表わす。Ｓｋはｋ番目のエネルギーレイヤがステップＳ７０２で選択した削減候補に含まれているかどうかを表わす変数であり、削減候補に含まれている場合はＳｋ＝１となり、含まれていない場合はＳｋ＝０となる。このような定義の変数Ｓｋを導入することで、削減候補に含まれたエネルギーレイヤ内のスポット数が選択的に削減されるよう目的関数Ｆを定義することが可能となる。また、Ｘｋ，ｊはｋ番目のエネルギーレイヤのｊ番目のスポットの照射量を表し、Ｗｅはエネルギーレイヤ削減項の重要度を表わす。
【００６２】
次いで、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは、エネルギーレイヤ削減項の変更回数が設定値以下か否かを判定する（ステップＳ７０４）。設定値以下であると判定されたときは処理をステップＳ７０５に進め、設定値より大きいと判定されたときは処理をステップＳ７０９に進める。
【００６３】
次いで、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは、エネルギーレイヤ削減項の重要度Ｗｅの初期値を読み込むことで設定を行う（ステップＳ７０５）。この重要度Ｗｅに大きな値が設定されるほど、エネルギーレイヤの削減を重視した解が得られる。重要度Ｗｅの初期値は、上述のように、ステップＳ３０３にて、操作者が入力装置２０２を介して治療計画作成前に設定されている。
【００６４】
次いで、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは、ステップＳ７０３で定義された目的関数を用いてエネルギーレイヤ数を考慮した最適化計算を実施する（ステップＳ７０６）。
【００６５】
最適化計算終了後、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは、先のステップＳ７０６におけるエネルギーレイヤ最適化処理によって照射スポット数が残存していないエネルギーレイヤが導出されたか否かを判定する（ステップＳ７０７）。最適化計算の結果、照射スポット数が存在しないエネルギーレイヤが導出されたと判定された場合、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは、照射スポットが存在しないエネルギーレイヤをステップＳ６０１で設定した照射スポット候補から削除して（ステップＳ７０８）、再度、線量制約項のみからなる目的関数を用いてスポット照射量の最適化計算を実施する（ステップＳ７１０）。
【００６６】
一方、ステップＳ７０７において照射スポットが存在しないエネルギーレイヤが導出されなかったと判定された場合は、ステップＳ６０５で保存された線量制約項のみからなる目的関数によって最適化された照射スポット情報をスポット照射量に設定し（ステップＳ７０９）、スポット照射量の最適化を終了する。
【００６７】
エネルギーレイヤが削減されて照射計画が作成された場合、プランの質がエネルギーレイヤの削減前に比べて悪化する可能性がある。これを防ぐため、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは、ステップＳ７１０における再度の最適化計算後に、作成されたプランの質が許容可能であるかの判定を実施する（ステップＳ７１１）。本ステップＳ７１１では、エネルギーレイヤ削減前後での目的関数値の変化量を用いて、プランの質の許容可否を判定する。判定式を式（５）に示す。
【００６８】
【数５】
2018134208.tif 000007
【００６９】
ここで、Ｆｇｅｎｅｒａｌ，Ｒは、エネルギーレイヤ削減後の照射スポット候補を用いて最適化計算を実施した結果（ステップＳ７０８の結果）得られる（１）式による目的関数の収束値を、Ｆｇｅｎｅｒａｌ，ｂａｓｅはエネルギーレイヤ削減前の照射スポット候補を用いて最適化計算を実施した結果（ステップＳ６０４の結果）得られる（１）式の目的関数の収束値を表す。また、θはエネルギーレイヤ最適化による目的関数値の許容変化量を表す。この許容変化量θは、ステップＳ３０３にて、操作者が入力装置２０２を介して治療計画作成前に設定することが可能である。
【００７０】
式（５）を満たさず、目的関数の収束値の変化が許容できないと判定された場合は、エネルギーレイヤ最適化演算部２０５Ｂは処理をステップＳ７１２に移行して、エネルギー削減項の重要度Ｗｅの値を減少させ（ステップＳ７１２）、処理をステップＳ７０４に戻して、再度エネルギーレイヤの最適化を実施する（ステップＳ７０４〜ステップＳ７１１）。式（５）を満たすまでステップＳ７０４〜ステップＳ７１１を繰り返して式（５）を満たした場合はスポット照射量の最適化が終了する。
【００７１】
もしくは、エネルギー削減項の重要度Ｗｅの変更回数がステップＳ３０３で設定した最大変更回数を超えた場合（ステップＳ７０４においてエネルギーレイヤ削減項の変更回数が設定値より大きいと判定された場合）は、必要以上にエネルギーレイヤ最適化に時間が掛かることを抑制するために、ステップＳ７０７において照射スポットが存在しないエネルギーレイヤが導出されなかったと判定された場合と同様にステップＳ６０５で保存された線量制約項のみからなる目的関数によって最適化された照射スポット情報をスポット照射量に設定し（ステップＳ７０９）、スポット照射量の最適化を終了する。
【００７２】
図３に戻り、スポット照射量が定まると、治療計画装置２０１は、演算処理装置２０５の本演算部２０５Ａを用いて、最終的に得られたスポット位置と各スポットへの照射量を用いて、線量分布を計算する（ステップＳ３０７）。
【００７３】
次いで、治療計画装置２０１は、演算処理装置２０５の本演算部２０５Ａを用いてＤＶＨの値を計算した上で計算した結果を表示装置２０３に表示する。操作者は、指定した線量が標的領域に過不足なく与えられているのかを表示装置２０３上で確認する（ステップＳ３０８）。標的領域４０２への線量分布の確認には、ＤＶＨ（Ｄｏｓｅ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ）と呼ばれるヒストグラムも広く利用される。
【００７４】
操作者は、表示装置２０３に表示された線量分布やＤＶＨを使って線量分布結果を解析し、線量分布が目標とする条件を満たしているか否かを判定する（ステップＳ３０９）。目標を十分に満たしており、望ましい結果が得られた、と判定されたときは、処理をステップＳ３１０に移行し、得られた照射条件は、ネットワークを通じてデータサーバ３０７に出力，保存されて（ステップＳ３１０）、治療計画の立案は終了する。これに対し、目標を満たしておらず、望ましくない分布になっていたと判定されたときは処理をステップＳ３０２に戻し、照射条件を設定し直す。修正する設定には照射方向やスポット間隔の変更が含まれる。条件を変更した場合は、操作者の指示により治療計画装置２０１がスポットと照射量を算出し（ステップＳ３０３〜Ｓ３０８）、新しい線量分布結果が表示装置２０３に表示され、目標を満たすまで修正を繰り返す。
【００７５】
上記ステップＳ３０９において、エネルギーレイヤの削減効果を照射方向毎に確認するために、確認画面を表示することも可能である。エネルギーレイヤの削減項の確認画面の例を図８に示す。図８中左側には、エネルギーレイヤ最適化前（ステップＳ６０４で最適化された状態）の情報を、図８中右側に、エネルギーレイヤ最適化後の情報を示す。
【００７６】
図８において、表示装置２０３に表示される確認画面は、照射方向表示部８０１、エネルギーレイヤ数表示部８０２、エネルギーレイヤ情報表示部８０３の３つの表示部からなる。
【００７７】
最初に、操作者は入力装置２０２を操作して、照射方向表示部８０１で、エネルギーレイヤの削減効果を確認したい照射方向を選択する。エネルギーレイヤ情報表示部８０３では、各エネルギーレイヤの総照射ＭＵ値を表形式で表示している。ここで、照射量ＭＵ値が０となっているエネルギーレイヤに関してはグレーアウトされて項目が表示される。
【００７８】
また、エネルギーレイヤ情報表示部８０３右側の表の最も左側の列は、ステップＳ７０２においてエネルギーレイヤ最適化時に削減候補であったかどうかを示す列であり、候補であったエネルギーレイヤにチェックマークが表示される。本列を見ることで、操作者は削減候補と設定されたエネルギーレイヤの内、どの程度の割合でエネルギーレイヤを削減できたのか確認することが可能である。
【００７９】
また、最適化処理前後のエネルギーレイヤ数表示部８０２をそれぞれ参照することで、エネルギーレイヤ最適化処理によってどの程度の数のレイヤが削除されたかを確認することができる。
【００８０】
ここまで、エネルギーレイヤの削減候補の選択法として最適化計算前後でのスポットの残存率を基に自動で算出する場合を例として説明してきたが、どうしても削減したいエネルギーレイヤや削減したくないエネルギーレイヤが存在する場合に対応するために、エネルギーレイヤの削減候補を操作者が選択的に設定することも可能である。以下図９を参照してその態様について説明する。図９はエネルギーレイヤの削減候補の選択画面の一例を示す図である。
【００８１】
治療計画装置２０１の表示装置２０３には、ステップＳ３０５終了後に、図９に示すエネルギーレイヤの削減候補選択画面が表示される。
【００８２】
操作者は図９を用いてエネルギーレイヤの削減候補を照射方向毎に選択する。まず、初めに照射方向表示部９０１を用いて、エネルギーレイヤの削減候補を設定する照射方向を選択する。照射方向が選択されると、ステップＳ３０５の結果に基づいて、エネルギーレイヤ情報をエネルギーレイヤ情報表示部９０２に表形式で表示する。この表の最も左側の列は図８と同様に、削減候補であるかどうかを表わす列である。操作者がエネルギーレイヤごとに、チェックの有無を入力装置２０２を用いて設定することで、削減候補を任意に設定することが出来る。全ての照射方向に対して、削減候補を選択した後、最適化計算実行ボタン９０３を押下することで、ステップＳ３０６以降の処理が実行され、エネルギーレイヤの最適化が実施される。
【００８３】
次に、本実施例の効果について説明する。
【００８４】
上述した本実施例の標的領域４０２に対して放射線治療を行うための治療計画情報を作成する治療計画装置２０１は、治療計画情報を作成する演算処理装置２０５と、演算処理装置２０５によって作成された治療計画情報を表示する表示装置２０３と、を備え、演算処理装置２０５は、標的領域４０２を複数のエネルギーレイヤに分割し、分割した複数のエネルギーレイヤ毎に設定した指標に基づいてエネルギーレイヤの削減候補を少なくとも一つ以上設定し、若しくは操作者の入力に基づきエネルギーレイヤ削減候補を設定し、削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数を定義して、定義した目的関数を用いてスポット照射量を最適化計算する（レイヤ最適化処理）ものである。
【００８５】
このようなレイヤ最適化処理を行う治療計画装置２０１によれば、エネルギーレイヤ毎に設定した指標若しくは操作者の入力に基づいてエネルギーレイヤの削減候補が設定され、削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数によって最適化計算が行われるため、治療計画の質を担保しつつ可能なエネルギーレイヤが選択的に削減することができ、放射線照射時のエネルギー変更回数を削減した治療計画が作成することが可能となる。このため、照射量を最適化することができ、照射に要する時間を短縮することができるとともに、治療効果を十分に確保することができる。
【００８６】
また、操作者が標的領域４０２に対する処方線量若しくは照射条件の少なくとも一方を入力する入力装置２０２を有していることにより、操作者の意図をより反映したエネルギーレイヤの削減候補を設定することができる。
【００８７】
更に、演算処理装置２０５が、操作者が入力した処方線量若しくは照射条件に基づき計算した治療計画情報より、削減候補の照射スポット数または照射量が選択的に削減されるような目的関数を用いた最適化計算の後に計算した治療計画情報の方が、エネルギーレイヤ数が少ないため、放射線照射時のエネルギー変更回数を削減した治療計画が作成することが可能となる。
【００８８】
また、表示装置２０３は、エネルギーレイヤの削減候補を操作者が選択、設定するための選択画面を表示することで、治療計画装置２０１の操作者は、エネルギーレイヤの削減効果を照射方向毎に確認することができる。よって、治療計画の質が担保されているか否かをより容易に把握することができ、治療効果の高い照射を短時間で実施することが可能となる。
【００８９】
更に、表示装置２０３は、選択画面中にエネルギーレイヤ削減前後のエネルギーレイヤの情報を比較表示することにより、治療計画装置２０１の操作者は、エネルギーレイヤの削減効果を照射方向毎により容易に確認することができる。
【００９０】
また、演算処理装置２０５は、エネルギーレイヤの削減候補を、予め設定した指標に基づいて自動で決定することで、治療計画装置２０１の操作者が試行錯誤を繰り返すことなく適切なエネルギーレイヤの削減候補が選択され、治療計画の作成に要する時間の短縮も図ることができる。
【００９１】
更に、予め設定した指標は、各エネルギーレイヤ中における最適化計算前後のスポットの残存率であることにより、治療計画の質を担保することが可能なエネルギーレイヤがより効率的に選択され、治療効果の高い照射を短時間で実施することにより大きく寄与することができる。
【００９２】
また、演算処理装置２０５は、レイヤ最適化処理による目的関数値の許容変化量θを演算し、許容変化量θが所定基準を満たしているか否かを判定して、所定基準を満たしていないと判定されたときはエネルギー削減項の重要度Ｗｅを変更して、再度エネルギーレイヤの最適化を実施することで、より確実に治療計画の質を担保することができる。
【００９３】
更に、演算処理装置２０５は、予め設定された、若しくは操作者により設定された、重要度Ｗｅの変更回数の上限に基づき最適化計算を実施することによって、必要以上にエネルギーレイヤ最適化処理がかかることを抑制することができ、治療計画の作成に要する時間の短縮化が可能となる。
【００９４】
また、表示装置２０３は、重要度Ｗｅの変更回数の上限、重要度Ｗｅの初期値、許容変化量θを設定する設定画面を表示することで、操作者がより容易に治療計画の質の担保と治療計画の作成に要する時間の短縮化との両立を図ることができる。
【００９５】
＜その他＞  
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
【符号の説明】
【００９６】
２０１…治療計画装置
２０２…入力装置
２０３…表示装置
２０４…メモリ
２０５…演算処理装置
２０５Ａ…本演算部
２０５Ｂ…エネルギーレイヤ最適化演算部
２０６…通信装置
２０７…データサーバ
４０１…ＣＴデータのスライス
４０２…標的領域
４０３…重要臓器
５０１…エネルギーレイヤ削減項の重要度の初期値の入力部分
５０２…目的関数変化量の許容値の入力部分
５０３…エネルギーレイヤ削減項の最大変更回数
８０１…エネルギーレイヤ削減効果確認画面の照射方向表示部
８０２…エネルギーレイヤ削減効果確認画面のエネルギーレイヤ数表示部
８０３…エネルギーレイヤ削減効果確認画面のエネルギーレイヤ情報表示部
９０１…エネルギーレイヤの削減候補選択画面の照射方向表示部
９０２…エネルギーレイヤの削減候補選択画面のエネルギーレイヤ情報表示部
９０３…エネルギーレイヤの削減候補選択画面の最適化計算実行ボタン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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