(57)【要約】      （修正有）【課題】放射線療法によって治療される患者の治療セッションを計画し最適化するための改良された方法およびシステムを提供する。【解決手段】放射線療法における治療計画のための本方法は、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットを推定するステップ３１０と、低線量ボクセルセットを決定するステップ３２０と、低線量ボクセルセット内のボクセルについてのフレーム記述を提供するステップ３３０と、フレーム記述を、送達される放射線を操作する最適化問題において使用するステップ３４０とを含む。【選択図】図３
2019146964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線療法における治療計画のための方法であって、最適化問題を用いて、送達される放射線が決定され、前記最適化問題は、患者の治療中に治療される少なくとも１つの標的、リスク臓器、および／または健康な組織のうちの少なくとも１つを含む関心領域に対する基準を反映する目的に従って、前記送達される放射線を操作し、前記方法は、
所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットを推定するステップであって、前記ボクセルセットは少なくとも１つの標的容積からのボクセルを含む、推定するステップと、
低線量ボクセルセットを決定するステップと、
前記低線量ボクセルセット内の前記ボクセルについてのフレーム記述を提供するステップであって、前記フレーム記述に従って、前記低線量ボクセルセットに送達される前記線量が抑制される、提供するステップと、
前記フレーム記述を、前記送達される放射線を操作する前記最適化問題において使用するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
放射線療法システムの治療計画のための方法であって、前記放射線療法システムは放射線療法ユニットを備え、ビーム形状設定を調整することによって、送達される空間線量を変更することができ、最適化問題を用いて、送達される放射線が決定され、前記最適化問題は、患者の治療中に治療される少なくとも１つの標的、リスク臓器、および／または健康な組織のうちの少なくとも１つを含む関心領域に対する基準を反映する目的に従って、前記送達される放射線を操作し、前記方法は、
所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットを推定するステップであって、前記ボクセルセットは少なくとも１つの標的容積からのボクセルを含む、推定するステップと、
低線量ボクセルセットを決定するステップと、
前記低線量ボクセルセット内の前記ボクセルについてのフレーム記述を提供するステップであって、前記フレーム記述に従って、前記低線量ボクセルセットに送達される前記線量が抑制されるように、所定の閾値を超える線量を受けるボクセルがペナルティを受ける、提供するステップと、
前記フレーム記述を、前記送達される放射線を操作する前記最適化問題において使用するステップと
を含む、方法。
【請求項３】
前記方法は、放射線療法システムの治療計画のためのものであり、前記放射線療法システムは固定放射線焦点を有する放射線療法ユニットを備え、前記方法は、
所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットを推定するステップであって、前記ボクセルセットは少なくとも１つの標的容積を含む、推定するステップと、
低線量ボクセルセットを決定するステップと、
前記低線量ボクセルセット内の前記ボクセルについてのフレーム記述を提供するステップであって、前記フレーム記述に従って、前記低線量ボクセルに送達される前記線量が抑制されるように、所定の閾値を超える線量を受けるボクセルがペナルティを受ける、提供するステップと、
前記フレーム記述を、前記送達される放射線を操作する前記最適化問題において使用するステップと
を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記低線量ボクセルセットの第１の推定値を決定するステップと、
最終的な最適化において使用されるべき重み設定または標準化された重み設定のいずれかによる少なくとも１つの最適化を実行するステップと、
先行する最適化ステップにおける最適化された線量分布に基づいて、２つの線量レベルの間の容積として定義される前記低線量ボクセルセットを更新するステップと、
前記目的関数を、更新された低線量ボクセルセットに従って修正するステップと、
前記先行する最適化からの前記更新された低線量ボクセルセットおよび前記修正された目的関数を使用して最終的な最適化を実行するステップと
をさらに含む、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
線量分布を推定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記線量分布は、各標的の外側の前記線量分布を独立して推定すること、または前記標的の外側の組み合わせ線量分布を推定することによって推定される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
所定の線量分布を適用することによって低線量ボクセルセットを決定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
所定の線量分布を適用することによって低線量ボクセルセットを決定するステップは
前記閾値線量レベルより高い線量レベルに基づいて前記ボクセルセットの外側の第１のシェル表面を計算するステップと、
前記閾値線量レベルより低い線量レベルに基づいて前記ボクセルセットの外側の第２のシェル表面を計算するステップと、
前記低線量ボクセルセットを前記第１のシェル表面と前記第２のシェル表面との間のボクセルセットとして定義するステップと
を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記低線量ボクセルセットを決定するステップは、
所定の幾何学的形状に基づいて前記ボクセルセットの外側の第１のシェル表面を計算するステップと、
所定の幾何学的形状に基づいて前記ボクセルセットの外側の第２のシェル表面を計算するステップと、
前記低線量ボクセルセットを前記第１のシェル表面と前記第２のシェル表面との間のボクセルセットとして定義するステップと
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ボクセルセットの外側の前記第１のシェル表面を計算するステップは、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受ける前記ボクセルセットの外面を均一に縮小するステップを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記ボクセルセットの外側の前記第２のシェル表面を計算するステップは、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受ける前記ボクセルセットの外面を均一に拡大するステップを含む、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
アイソセンタ位置を発見するステップと、
すべてのアイソセンタ位置についてショットコリメータ構成を決定するステップと、
送達されるすべてのショットの照射時間を決定することを含め、前記少なくとも１つの標的に送達される線量を設定するステップと、
前記決定されたショット構成および送達されるべき線量に基づいて線量分布を計算するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記計算するステップは、以下に従って距離モデルを適用するステップを含み、
【数１】
2019146964.tif 000019
式中、Ｑは定数であり得るか、または幾何学的因子および／または線量分布因子を含み得、Ｖａｄは、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受ける前記ボクセルセットの容積であり、δｒは、前記ボクセルセットの外面の拡大または縮小された距離に対応する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記計算するステップは、以下に従って距離モデルを適用するステップを含み
【数２】
2019146964.tif 000020
式中、ＤＦ，ａｄは所定の閾値線量レベルより高い線量を受けるボクセルセット内の等線量であり、δＤは所定の線量分布変動であり、Ｖａｄは所定の閾値線量レベルより高い線量を受けるボクセルセットである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記最適化問題を使用して、前記放射線量プロファイルのビーム形状設定を含む特定の治療構成について線量プロファイルを計算するステップと、
前記治療構成に基づいて治療中に送達される放射線量プロファイルを決定することを含め、治療計画を作成するステップであって、各放射線量プロファイルは放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、前記空間分布の形状は前記ビーム形状設定に依存する、作成するステップと、
前記基準を満たす最適な治療計画を選択するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記最適化問題を使用して、セクタおよびコリメータ設定ならびに前記アイソセンタの照射時間を含む特定の治療構成について線量率を計算するステップと、
前記治療構成に基づいて治療中に送達されるショットを決定することを含め、治療計画を作成するステップであって、各ショットは放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、前記空間分布の形状は前記特定のセクタおよびコリメータ設定および照射時間に依存する、作成するステップと、
前記基準を満たす最適な治療計画を選択するステップと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
ビーム方向のセットを定義するステップと、
前記標的に送達されるべき放射線量プロファイルを、各々があるビームレット強度を有する複数のビームレットとしてモデル化するステップと、
前記標的に対する基準を反映する複数の目的を設定するステップと、
フルエンスマップを作成するように、前記目的に従って、前記送達される放射線を操作する最適化問題を提供するステップであって、前記フルエンスマップは、前記ビームレットの各々の前記ビームレット強度を定義する、提供するステップと、
前記フルエンスマップおよび前記標的に対する基準に基づいて治療計画を作成するステップと、
前記基準を満たす最適な治療計画選択するステップと
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
低線量ボクセルセットを決定するステップが、訓練された機械学習モデルを使用して前記低線量ボクセルセットを決定するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
放射線療法の治療計画のための治療計画作成コンピュータ構造であって、最適化問題を用いて、送達される放射線が決定され、前記最適化問題は、患者の治療中に治療される少なくとも１つの標的、リスク臓器、および／または健康な組織のうちの少なくとも１つを含む関心領域に対する基準を反映するフレーム記述に従って、前記送達される放射線を操作し、
所定の境界線量レベルよりも高い線量を受けるボクセル容積セットを推定することであって、前記ボクセル容積セットは、少なくとも１つの標的容積を含む、推定すること、所定の変化した線量分布を適用することによって低線量ボクセル容積セットを決定すること、および、前記低線量ボクセル容積セット内の前記ボクセルに対するフレーム記述を適用することであって、所定の閾値を超える線量を受けたボクセルが、前記低線量ボクセル容積に送達される前記線量が抑制されるようにペナルティを受ける、適用することによって、低線量容積を計算するための低線量容積計算モジュールと、
前記標的に送達されるべき放射線量プロファイルを生成し、前記目的に従って前記送達される放射線を操作する、前記低線量容積に対する前記フレーム記述を含む凸最適化問題を提供し、前記凸最適化問題を使用して、特定の治療構成の線量プロファイルを計算するように構成されている計算モジュールと
を備える、治療計画作成コンピュータ構造。
【請求項２０】
前記治療構成に基づいて治療中に送達される前記放射線量プロファイルを決定することを含め、治療計画を作成するように構成されている治療計画モジュールであって、各放射線量プロファイルは放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、前記空間分布の形状は前記ビーム形状設定に依存する、治療計画モジュールと、
前記基準を満たす最適な治療計画を選択するように構成されている最適化モジュールと
をさらに備える、請求項１９に記載の治療計画作成コンピュータ構造。
【請求項２１】
前記低線量容積計算モジュールは、請求項２または３に記載のステップを実行するように構成されている、請求項１９に記載の治療計画作成コンピュータ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は放射線療法の分野に関する。特に、本発明は、放射線療法システムにおける患者の治療セッションを計画し最適化するための方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
外科技術の開発は、長年にわたって大きな進歩を遂げてきた。例えば、脳外科手術を必要としている患者は、代わりに、患者への外傷を劇的に減少させる非侵襲的手術を受けることがある。
【０００３】
非侵襲的手術のためのシステムには、Ｌｅｋｓｅｌｌ  ＧａｍｍａＫｎｉｆｅ（登録商標）Ｉｃｏｎ（商標）およびＬｅｋｓｅｌｌ  ＧａｍｍａＫｎｉｆｅ（登録商標）Ｐｅｒｆｅｘｉｏｎが含まれ、これらはガンマ線照射によってそのような手術を可能にする。放射線は多数の固定放射能源から放出され、コリメータ、すなわち限定された断面のビームを得るための通路またはチャネルによって、規定の標的または治療容積に向けて集束される。各放射線源は、それ自体では介在する組織を損傷するのに十分ではない線量のガンマ放射線を供給する。しかしながら、複数の放射線源からの放射線ビームが交差または収束し、放射線が組織を破壊するレベルに達するようにする場合には、組織破壊が発生する。収束点は、以後「焦点」と呼ばれる。
【０００４】
例えばガンマナイフ放射線外科手術を含む放射線療法における治療計画最適化は、隣接する正常組織に送達される線量が最小化されるのと同時に、（例えば、腫瘍の治療において）患者内の標的容積に十分に高い線量を送達することを目的とする。治療計画最適化において、少なくとも３つの競合する要因、すなわち、標的容積に十分に高い線量を送達すること、周囲の正常または健康な組織を保全すること、および治療時間を可能な限り短くすることを考慮する必要がある。
【０００５】
治療計画最適化は、相対アイソセンタ位置またはビーム方向、ビーム形状設定（例えばコリメータ構成）およびフルエンスを最適化することを含むプロセスである。例えば、Ｌｅｋｓｅｌｌ  ＧａｍｍａＫｎｉｆｅ（登録商標）Ｉｃｏｎ（商標）およびＬｅｋｓｅｌｌ  ＧａｍｍａＫｎｉｆｅ（登録商標）Ｐｅｒｆｅｘｉｏｎでは、治療計画最適化は、使用するショット数、各ショットのコリメータ構成、ショット時間、ショットの位置の最適化を含み得る。標的容積の不規則性およびサイズは、治療を最適化するために使用される相対アイソセンタ位置またはビーム方向、ビーム形状設定（例えばコリメータ構成）、およびフルエンスに大きく影響する。
【０００６】
治療計画において、逆方向治療計画がますます関心を集めている。逆方向計画とは、一般的に、いくつかの基準が満たされるように、達成可能な治療計画が模索される、治療計画における段階を指す。逆方向計画は、施術者が手動でショットを配置し、量を調整し、形成する順方向計画とは対照的であり得る。逆方向計画は、より短い計画時間およびより高品質の計画を約束する。逆方向計画は時として、例えば、Ｌｅｋｓｅｌｌ  Ｇａｍｍａ  Ｋｎｉｆｅに付属のソフトウェアであるＬｅｋｓｅｌｌＧａｍｍａＰｌａｎ（登録商標）において、順方向計画と密接に統合される。これは相対等線量に基づいており、放射線外科ではよく知られている測定基準を使用する。これは、順方向計画から逆方向計画への移行が容易にし、逆方向計画が広く採用された理由の１つと考えられる。相対等線量ベースの逆方向計画手段および目的の複雑さの欠点は、結果として生じる最適化問題が本質的に解決するのが困難であるということである。現実的な症例において、計算時間と局所最適条件が悪くなる危険性との間の妥協が必要である。これにより、特に複数の相反する目的を有する複雑な症例において、どのようなトレードオフが達成可能であるかを調べることが困難になる。例えば、少なくとも１回の転移が危険のある臓器に隣接している複数転移症例がある。ついでながら、そのような症例では、満たさなければならないいくつかの基準を指定することが望ましい場合もある。現在の逆方向計画手段では、リスク臓器（ＯＡＲ）の基準を設定することはできない。
【０００７】
歴史的には、ガンマナイフ放射線外科手術の逆方向治療計画において、相対等線量が基本的な関心目的である。これは、線量減少が、標的境界と一致するはずである特定の等線量レベルにおいて最も急峻であることによって動機付けられる発見的問題解決である。ちなみに、これはシングルショットには当てはまるが、線量分布が複数のショットからの寄与の合計であるときには必ずしも当てはまるとは限らない。急勾配を利用することは高い位置正確度を前提としていることに留意されたい。アイソセンタについて、最適化変数は位置、コリメータ構成、およびビームオン時間である。アイソセンタ位置は最適化中に移動され、コリメータ構成はすべての可能なコリメータ構成のセットの中の個別の要素として扱われる。リスク臓器は、目的関数内で明示的に処理されず、これは厳しい制限になる可能性がある。明らかに、リスク臓器に対する許容線量は絶対線量で与えられるが、現在の計画モードでは、絶対線量は計画を完成した後にのみ割り当てられる。これは最適化問題をもたらし、それはいずれの解法も大規模な計算を必要とするかまたは満足できない解を返す危険性があるという意味で非常に難しい。
【０００８】
本出願人によって提供される改善された逆方向治療計画方法では、患者の治療中に治療される標的を含む、関心領域の臨床基準を反映する複数の目的、リスク臓器および／または健康な組織が設定され、標的に送達される放射線量プロファイルが生成される。目的に従って送達される放射線を操作する凸最適化問題が提供され、放射線線量プロファイルに対するビーム形状設定を含む特定の治療構成に対する線量プロファイルが凸最適化問題を使用して計算される。その後、治療構成に基づいて治療中に送達される放射線量プロファイルを決定することを含む治療計画が作成され、各放射線量プロファイルは放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、空間分布の形状は、ビーム形状設定に応じて決まり、臨床基準を満たす最適な治療計画が選択される。
【０００９】
しかしながら、大量の正常組織が同じく比較的低い線量で照射されることによって有害な認知作用が起こり得ることを示す豊富な臨床データが存在する。したがって、計画方法の重要な目的は、１つまたは複数の標的容積を取り囲む正常組織への低線量送達を達成することであり、これは複数の標的が互いに接近している場合には特に困難である。最適化における主な問題は、照射容積内のボクセルのセットが線量分布に依存し、最適化中に変化し、これによって、一般に解くことが困難である非凸最適化問題をもたらすことである。
【００１０】
したがって、治療を計画し最適化するためのより効率的な方法が依然として必要とされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、放射線療法によって治療される患者の治療セッションを計画し最適化するための改良された方法およびシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的および他の目的は、独立請求項によって規定されるような本発明によって達成される。好ましい実施形態が、従属請求項によって規定されている。
【００１３】
「標的」または「標的容積」という用語は、放射線療法中に治療される患者の標的の表現を指す。標的は放射線療法によって治療される腫瘍であり得る。典型的には、標的の表現は、例えば、Ｘ線または核磁気共鳴を用いた非侵襲的画像捕捉によって得られる。
【００１４】
「ショット」という用語は、所定のレベルの放射線および空間分布を有する標的容積内の所定の位置への放射線の送達を指す。ショットは、セクタの状態のうちの１つを使用して、治療システムのコリメータの少なくとも１つのセクタを介して所定の期間（「ビームオン」時間）の間に送達される。「複合ショット」とは、異なるセクタに対して異なるコリメータサイズを使用した焦点に対する放射線の送達を指す。
【００１５】
用語「ビームオン時間」は、その間にショットが標的容積に送達される所定の期間を指す。
【００１６】
「制約」という用語は、直接的には、例えば、負でないビームオン時間を強制し、または間接的には、特定の容積に対する最小線量の送達を強制する、最適化変数に対する制約を指す。また、制約は、違反してはならない制約（ハード制約）および／または違反が許されるが目的関数においてペナルティが課される制約（ソフト制約）を指すことができる。
【００１７】
「ボクセル」という用語は、本出願の文脈において使用され、三次元空間において異方性であり得る格子上の容積要素を指す。
【００１８】
用語「フレーム記述」は少なくとも、ボクセルのセットに対する目的関数および／または制約を含む。
【００１９】
本発明は、例えば放射線療法において使用することができる。放射線療法は、哺乳動物（例えば、ヒトおよび動物）の組織における癌および他の病気を治療するために使用される。そのような放射線療法装置の１つはガンマナイフであり、これは標的（例えば、腫瘍）において高強度かつ高精度で収束する多量の低強度ガンマ線を患者に照射する。別の放射線療法装置は、高エネルギー粒子（例えば、光子、電子など）を腫瘍に照射する線形加速器を使用する。さらに別の放射線療法装置であるサイクロトロンは、陽子および／またはイオンを使用する。放射線療法の別の形態は近接照射療法であり、放射線源が治療を必要としている領域の内側または隣に配置される。腫瘍が処方された放射線量を確実に受けるように放射線ビームの方向と形状を正確に制御する必要があり、また、ビームからの放射線は、リスク臓器（ＯＡＫ）（複数可）と呼ばれることが多い、周囲の健康な組織への損傷を最小限に抑える必要がある。治療計画を使用して放射線ビームパラメータを制御することができ、放射線療法装置は空間的に変化する線量分布を患者に送達することによって治療を実行する。
【００２０】
本発明は、例えば、コリメータ通路のいくつかのグループまたはセットを備えたコリメータ本体を有する放射線療法システムによって提供される治療の治療計画に関連して使用され、各セットが、固定焦点に向けたそれぞれの特定の断面の放射線ビームを提供するように設計されている。適切には、コリメータ通路の各セットの入口は、線源キャリア構成上の線源のパターンに本質的に対応するパターンを有する。コリメータ通路入口のこれらのセットは、セットごとに変更することが可能であり、それによって結果として生じるビーム断面および焦点を囲む空間線量分布を変更することが可能であるように構成することができる。異なる直径を有するコリメータ通路のセットの数は、２つより多くてもよく、例えば、３つもしくは４つ、またはさらにそれより多くてもよい。コリメータの典型的な実施形態は、各々が４つの異なる状態（ビームオフ、４ｍｍ、８ｍｍ、および１６ｍｍ）を有する８つのセクタを含む。焦点を中心とする放射線の空間分布を変えるために、セクタを個々に調整することができ、すなわち各セクタに対して異なる状態を選択することができる。
【００２１】
本発明は、強度変調放射線療法（ＩＭＲＴ）治療のための治療計画において使用され得る。
【００２２】
本発明はさらに、近接照射療法に使用することができる。近接照射療法は、放射線源が治療を必要としている領域の内側または隣に配置される、放射線療法の一形態である。近接照射療法は、短距離放射線源（放射性同位元素、例えばヨウ素１２５）を癌性腫瘍の部位に直接的に精密に配置することを含む。近接照射療法治療計画は、指定されたアプリケータ経路に沿った放射能源の滞留時間および滞留位置を計算するための最適化方法を含むことが多い。近接照射療法のための逆方向計画法は、適切な標的範囲および重要な構造の最大限の保全を得ることを目的としている。幾何学的最適化において、相対的滞留時間は、隣接する線源位置からの線量寄与に反比例する、各滞留位置における滞留時間に対する個々の重み付け係数を割り当てることによって、インプラントの幾何学的形状によって決定される。
【００２３】
したがって、好ましい実施形態では凸最適化問題である最適化問題は、送出される放射線を目的に従って操作し、線源強度および／または滞留時間を含む特定の治療構成に対する線量プロファイルが、最適化問題を使用して計算される。その後、治療構成に基づいて治療中に送達される放射線量プロファイルを決定することを含む治療計画を作成することができ、各放射線量プロファイルは放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、空間分布の形状は、設定に応じて決まり、基準を満たす最適な治療計画を選択することができる。
【００２４】
本発明の一態様によれば、放射線療法ユニットを含む放射線療法システムの線量または治療計画のための方法が提供され、ビーム形状設定を調整することによって送達される空間線量を変更することができ、最適化問題を用いて、送達される放射線が決定される。最適化問題は、患者の治療中に治療される少なくとも１つの標的、リスク臓器、および／または健康な組織のうちの少なくとも１つを含む関心領域に対する基準を反映する目的に従って、送達される放射線を操作する。この方法は、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットを推定するステップを含み、このボクセルセットは少なくとも１つの標的容積からのボクセルを含む。さらに、低線量ボクセルセットが決定され、低線量ボクセルセット内のボクセルについてのフレーム記述が提供され、所定の閾値を超える線量を受けるボクセルは、そのフレーム記述に従って、低線量ボクセルセットに送達される線量が抑制されるように、ペナルティを受ける。次に、フレーム記述は、送達される放射線を操作する最適化問題において使用される。
【００２５】
好ましい実施形態では凸最適化問題である最適化問題は、送出される放射線を目的に従って操作し、放射線量プロファイルのビーム形状設定を含む特定の治療構成に対する線量プロファイルが、最適化問題を使用して計算される。その後、治療構成に基づいて治療中に送達される放射線量プロファイルを決定することを含む治療計画を作成することができ、各放射線量プロファイルは放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、空間分布の形状は、ビーム形状設定に応じて決まり、基準を満たす最適な治療計画を選択することができる。本発明の別の態様によれば、固定放射線焦点を有する放射線療法ユニットを備える放射線療法システムの治療計画のための方法が提供され、焦点を取り巻く空間線量分布を、コリメータ設定を含む、ビーム形状設定を調整することによって変更することができる。コリメータは複数のセクタに構成され、療法システムの線源キャリア構成の放射能源から放出される放射線を焦点に向けて方向付ける複数のコリメータ通路入口を有する。この方法は、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットを推定するステップを含み、ボクセルセットは少なくとも１つの標的容積を含む。次に、低線量ボクセルセットが決定され、低線量ボクセルセットに供給される線量が抑制されるように、低線量ボクセルセット内のボクセルに対する基準を反映するフレーム記述が決定される。次に、フレーム記述は、送達される放射線を操作する最適化問題において使用される。
【００２６】
好ましい実施形態では凸最適化問題である最適化問題は、送出される放射線を目的に従って操作し、セクタおよびコリメータ設定ならびにアイソセンタの照射時間を含む特定の治療構成に対する線量率が、最適化問題を使用して計算される。次いで、治療構成に基づいて治療中に送達されるショットを決定することを含む治療計画を作成することができ、各ショットは、三次元ボクセル表現によって表される放射線の空間線量容積分布によってモデル化される。空間分布の形状は、特定のセクタおよびコリメータの設定および照射時間に応じて異なる。最後に、基準を満たす最適な治療計画を選択することができる。
【００２７】
本発明の実施形態によれば、線量分布が推定される。低線量ボクセルセットの第１の推定値が決定される。最終的な最適化において使用されるべき重み設定または標準化された重み設定のいずれかによる少なくとも１つの最適化が実行され、先行する最適化ステップにおける最適化された線量分布に基づいて、２つの線量レベルの間の容積として定義される低線量ボクセルセットが更新される。フレーム記述が、更新された低線量ボクセルセットに従って修正される。先行する最適化からの更新された低線量ボクセルセットおよび修正されたフレーム記述を使用して最終的な最適化が実行される。
【００２８】
本発明の実施形態では、線量分布は、各標的の外側の線量分布を独立して推定すること、または標的の外側の組み合わせ線量分布を推定することによって推定される。
【００２９】
特に、低線量リングまたは容量が、反復手法を使用して生成される。最初に、Ｎ個の標的の各々について、標的ｉの外側の線量分布ｄｉ（ｒ）が推定される。すなわち、ｉ＝１，．．．，Ｎである。推定値は幾何学的要因、例えば、標的面積Ａ、標的容積Ｖ、および、標的上の一点から問題の位置までのベクトルｒ（または標的からの距離および／または方向などの導出される特性）に依存し得る。さらに、線量分布推定値は処方線量ＤＴを用いてスケーリングすることができる。複数の標的がある場合、標的の外側のすべての線量分布が、重みｗを使用して重み付けされる可能性のある合計によって組み合わされる。一実施形態では、組み合わせ線量分布は、以下によって与えられる。
【数１】
2019146964.tif 000003
【００３０】
組み合わせ線量分布に基づいて、低線量容積の最初の推定値が決定される。例では、２つの線量レベル、例えばこれらのレベルの間の容量は、最小処方線量の４０％〜６０％として選択することができる。その後、例えば、目的関数に、閾値線量Ｄｌｒを超える線量を有するボクセルにペナルティを課すペナルティ項を追加することによってフレーム記述が修正される。例えば、ペナルティ項は以下のようになり得る。
【数２】
2019146964.tif 000004
式中、ｗｌｒは重みであり、Ｎｌｒは低線量容積内のボクセルの数である。原則として、低線量容積における閾値線量は、可能性として、表面からの距離に依存し得る。次に、最適化が、最終的な最適化問題において使用される重み設定または標準化された重み設定のいずれかを用いて実行される。その後、アルゴリズムは、例えば所定の回数の反復の後に、反復プロセスが終了したか否かを判定する。そうである場合、最終的な治療計画最適化を、低線量容積を使用して実施することができる。そうでない場合、先行する最適化ステップにおける最適化された線量分布に基づいて、更新された低線量容積が、以前と同じである可能性がある２つの線量レベル間の容積として定義され、それに応じてフレーム記述への寄与が修正される。最終的な治療計画最適化は、反復最適化ステップからの低線量容積を用いて行われる。
【００３１】
本発明の実施形態によれば、方法は、所定の線量分布を適用することによって低線量ボクセルセットを決定することをさらに含む。
【００３２】
本発明の実施形態では、所定の線量分布を適用することによって低線量ボクセルセットを決定するステップは、閾値線量レベルより高い線量レベルに基づいてボクセルセットの外側の第１のシェル表面を計算するステップと、閾値線量レベルより低い線量レベルに基づいてボクセルセットの外側の第２のシェル表面を計算するステップと、低線量ボクセルセットを第１のシェル表面と第２のシェル表面との間のボクセルセットとして定義するステップとを含む。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、低線量ボクセルセットを決定するステップは、所定の幾何学的形状に基づいてボクセルセットの外側の第１のシェル表面を計算するステップと、所定の幾何学的形状に基づいてボクセルセットの外側の第２のシェル表面を計算するステップと、低線量ボクセルセットを第１のシェル表面と第２のシェル表面との間のボクセルセットとして定義するステップとを含む。
【００３４】
本発明の実施形態では、ボクセルセットの外側の第１のシェル表面を計算するステップは、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットの外面を均一に縮小するステップを含む。
【００３５】
本発明の実施形態では、ボクセルセットの外側の第２のシェル表面を計算するステップは、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットの外面を均一に拡大するステップを含む。
【００３６】
本発明の実施形態では、方法は、アイソセンタ位置を発見するステップと、すべてのアイソセンタ位置についてショットコリメータ構成を決定するステップと、送達されるすべてのショットの照射時間を決定することを含め、少なくとも１つの標的に送達される線量を設定するステップと、決定されたショット構成および送達されるべき線量に基づいて線量分布を計算するステップとをさらに含む。
【００３７】
本発明の実施形態では、低線量ボクセルセットは、均一なボクセル厚を有する球形シェルである。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、計算するステップは、以下に従って距離モデルを適用するステップを含む。
【数３】
2019146964.tif 000005
式中、Ｑは定数であり得るか、または幾何学的因子および／または線量分布因子を含み得、Ｖａｄは、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットの容積であり、δｒは、ボクセルセットの外面の拡大または縮小された距離に対応する。
【００３９】
本発明の実施形態では、計算するステップは、以下に従って距離モデルを適用するステップを含む。
【数４】
2019146964.tif 000006
式中、ＤＦ，ａｄは所定の閾値線量レベルより高い線量を受けるボクセルセット内の等線量であり、δＤは所定の線量分布変動であり、Ｖａｄは所定の閾値線量レベルより高い線量を受けるボクセルセットである。
【００４０】
本発明の実施形態によれば、方法は、最適化問題を使用して、放射線量プロファイルのビーム形状設定を含む特定の治療構成について線量プロファイルを計算するステップと、治療構成に基づいて治療中に送達される放射線量プロファイルを決定することを含め、治療計画を作成するステップであって、各放射線量プロファイルは放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、空間分布の形状はビーム形状設定に依存する、作成するステップと、基準を満たす最適な治療計画を選択するステップとをさらに含む。
【００４１】
本発明の実施形態において、方法は、最適化問題を使用して、セクタおよびコリメータ設定ならびにアイソセンタの照射時間を含む特定の治療構成について線量率を計算するステップと、治療構成に基づいて治療中に送達されるショットを決定することを含め、治療計画を作成するステップであって、各ショットは放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、空間分布の形状は特定のセクタおよびコリメータ設定および照射時間に依存する、作成するステップと、基準を満たす最適な治療計画を選択するステップとを含む。
【００４２】
本発明の実施形態によれば、この方法は、ビーム方向のセットを定義するステップと、標的に送達されるべき放射線量プロファイルを、各々があるビームレット強度を有する複数のビームレットとしてモデル化するステップと、標的に対する基準を反映する複数の目的を設定するステップと、フルエンスマップを作成するように、目的に従って、送達される放射線を操作する最適化問題を提供するステップであって、フルエンスマップは、各ビームレットのビームレット強度を定義する、提供するステップと、フルエンスマップおよび標的に対する基準に基づいて治療計画を作成するステップと、基準を満たす最適な治療計画選択するステップとをさらに含む。
【００４３】
本発明の実施形態によれば、方法は、固定アイソセンタ位置を生成することを含め、患者に対する放射線源（複数可）を位置決めするステップを含む。
【００４４】
本発明の実施形態では、放射線源位置は、基底関数に基づいて標的容積内の連続する点のセットとして生成され、点は治療計画中に固定される。
【００４５】
本発明の実施形態によれば、目的は、標的への送達される線量、標的を取り巻く境界空間への送達される線量、リスク臓器として分類される領域への送達される線量、および／またはビームオン時間ペナライゼーションを含む。
【００４６】
本発明によって決定される最適化線量計画は、患者の治療に使用するために放射線療法システムに転送することができる。本発明によって決定される線量計画はまた、または代替的に、本発明による容積充填中に定義されるショット数、ショットの位置およびショットサイズが、ショット数、それぞれのショットの位置およびビームオン時間、ならびにショットサイズの最適化における基礎として役立つ治療最適化手順における入力として使用され得る。
【００４７】
本発明のさらに別の態様によれば、本発明による方法を実施することができる治療計画作成コンピュータ構造が提供される。
【００４８】
本発明の実施形態では、治療計画コンピュータ構造は、本発明による方法を利用することができ、少なくとも１つの放射線ビームを生成する放射線源を含む強度変調放射線治療（ＩＭＲＴ）を送達するためのシステムに統合することができる。ビーム整形装置、例えばマルチリーフコリメータまたは円錐形コリメータを放射線源と患者との間に配置することができる。コリメータは治療計画作成コンピュータ構造に通信可能に接続され、最適な治療計画、すなわち決定されたビーム形状設定に基づくフルエンスマップに従って患者に送達するように複数のビームレットを変調するように構成される。
【００４９】
本発明の実施形態では、低線量ボクセルセットが、治療計画のデータベース上で訓練される機械学習アルゴリズムを使用して行われる予測に基づいて決定される。機械学習アルゴリズムは、例えば、線形回帰モデル、ロジスティック回帰モデル、サポートベクタマシン、ガウス過程モデル、ランダムフォレスト、マルコフ確率場、条件付き確率場、人工ニューラルネットワーク、または畳み込みニューラルネットワークなどの深層学習ネットワーク。
【００５０】
本発明のさらなる実施形態において、治療計画コンピュータ構造は、本発明による方法を利用することができ、コリメータ通路のいくつかのグループまたはセットを備えたコリメータ本体を有する放射線療法システムに統合することができ、各セットが、固定焦点に向けたそれぞれの特定の断面の放射線ビームを提供するように設計されている。適切には、コリメータ通路の各セットの入口は、線源キャリア構成上の線源のパターンに本質的に対応するパターンを有する。コリメータ通路入口のこれらのセットは、セットごとに変更することが可能であり、それによって結果として生じるビーム断面および焦点を囲む空間線量分布を変更することが可能であるように構成することができる。コリメータ本体は、最適治療計画に従って患者に送達するために、治療計画作成コンピュータ構造に通信可能に接続される。
【００５１】
当業者には理解されるように、本発明による方法のステップ、およびその好ましい実施形態は、コンピュータプログラムとして、またはコンピュータ可読媒体として実現するのに適している。
【００５２】
本発明のさらなる目的および利点が、例示的な実施形態を用いて以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１ａ】本発明を使用することができるコリメータ本体を取り囲む線源キャリア構成を備えるアセンブリの斜視図である。
【図１ｂ】図１のアセンブリを使用することができる放射線療法装置を示す図である。
【図２ａ】本発明を使用することができる放射線療法装置、ガンマナイフを示す図である。
【図２ｂ】本発明を使用することができる別の放射線療法装置、線形加速器を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す流れ図である。
【図４】本発明の別の実施形態による逆方向計画問題の幾何学的形状の単純化された二次元図である。
【図５】本発明による治療計画作成コンピュータ構造の一実施形態を示す図である。
【図６】本発明のさらなる実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
最初に図１ａおよび図１ｂを参照すると、本発明を使用して開発される治療計画が患者の治療のために使用され得る例示的な放射線療法装置が示されている。
【００５５】
図１ａは、コリメータ本体４を取り囲む線源キャリア構成２を備えるアセンブリの斜視図である。線源キャリア構成２およびコリメータ本体４は両方とも円錐台の形状を有する。線源キャリア構成２は、コリメータ本体４の環状円周に沿って分配された６つのセグメント６を含む。各セグメント６は、コバルトのような放射能源を含む容器が中に配置される複数の開口８を有する。コリメータ本体４にはコリメータ通路またはチャネルが設けられており、チャネルの内部口１０が図に示されている。
【００５６】
各セグメント６は、２つの直線状側面１２と２つの湾曲側面１４ａ、１４ｂとを有する。一方の湾曲側面１４ａはより長い円弧を形成し、円錐の底部付近に位置し、一方で、他方の湾曲側面１４ｂはより短い円弧を形成する。セグメント６は直線的に変位可能であり、すなわちそれらはコリメータ本体４の周りを回転するのではなく、その代わりに短い方の湾曲側面１４ｂの中心から長い方の湾曲側面１４ａの中心へと引かれる仮想線に沿って前後に可動である。このような並進変位には、新しい軸が古い軸と平行になるような座標変換の効果がある。
【００５７】
図１ａから分かるように、放射能源を受けるための開口８の数よりも多数の内部口１０またはコリメータ通路の穴が存在する。この特定の事例では、例えば１８０個の開口および５４０個のコリメータ通路など、放射能源を受けるための開口の数の３倍の数のコリメータ通路が存在する。この理由は、コリメータ本体４内に３つの異なるサイズのコリメータ通路、または焦点に向かって３つの異なる直径を有する放射線ビームを方向付ける通路があることである。直径は、例えば、４、８、および１６ｍｍであり得る。３つの異なるタイプのコリメータ通路は各々、線源キャリア構成内の開口のパターンに対応するパターンで配置されている。所望のサイズまたはタイプのコリメータ通路は、所望のコリメータ通路と見当合わせされるように、線源キャリア構成のセグメント６をコリメータ本体に沿って直線的に変位させることによって選択される。
【００５８】
図１ｂには、図１ａに示すような線源キャリア構成を有する放射線療法装置１３０と患者位置決めユニット２０とを含む放射線療法システムが示されている。したがって、放射線療法ユニット１３０には、放射能源、放射能源ホルダ、コリメータ本体、および外部遮蔽要素が設けられている。コリメータ本体は、図１ａに示すように、共通の焦点に向けられた多数のコリメータチャネルを含む。
【００５９】
患者位置決めユニット２０は、剛性フレームワーク２２と、スライド可能または可動キャリッジ２４と、フレームワーク２２に対してキャリッジ２４を動かすためのモータ（図示せず）とを備える。キャリッジ２４には、患者を全体的に担持し動かすための患者用ベッド２６がさらに設けられている。キャリッジ２４の一端には、患者固定ユニットまたはインターフェースユニットを受け入れて固定するための固定装置２８が設けられている。固定ユニットの座標は固定ユニット座標系によって定義され、固定ユニット座標系は治療容積との固定関係を通して治療容積の輪郭を画定するためにも使用される。動作時には、焦点が固定ユニット座標系の意図された座標に正確に位置決めされるように、固定ユニット、したがって固定ユニット座標系が固定放射線焦点に対して動かされる。
【００６０】
図２ａは、本発明を使用することができる放射線療法装置１３０、ガンマナイフを示す。患者２０２は、手術または放射線療法を受けている患者の身体部分（例えば頭部）を安定に保つために、座標フレーム２２０を着用することができる。座標フレーム２２０および患者位置決めシステム２２２は空間座標系を確立することができ、それは患者を撮像している間または放射線手術中に使用することができる。放射線療法装置１３０は、ビームチャネル２１６を通じて放射線ビーム（例えばビームレット）を生成するための複数の放射線源２１２を封止するための保護ハウジング２１４を含むことができる。複数のビームは、複数の異なる位置からアイソセンタ２１８に集束するように構成されてもよい。各個々の放射線ビームの強度は相対的に低いものであり得るが、異なる放射線ビームからの複数の線量がアイソセンタ２１８に蓄積すると、アイソセンタ２１８は比較的高レベルの放射を受けることができる。特定の実施形態では、アイソセンタ２１８は、腫瘍のような、手術または治療を受けている標的に対応し得る。
【００６１】
図２ｂは、本発明を使用することができる他の放射線療法装置４０、線形加速器１０を示す。線形加速器４０を使用して、患者４２は、治療計画によって決定された放射線量を受けるために患者テーブル４３上に位置決めすることができる。線形加速器４０は、放射線ビーム４６を生成する放射ヘッド４５を含むことができる。放射ヘッド４５全体は、水平軸４７を中心に回転可能であり得る。さらに、患者テーブル４３の下には、アイソセンタ４１の周りで放射ヘッド４５と同期して回転することができるフラットパネルシンチレータ検出器４４を設けることができる。軸４７と、放射ヘッド４５によって生成されるビーム４６の中心との交点は、通常、「アイソセンタ」と呼ばれる。患者テーブル４３は、患者４２が、腫瘍部位がアイソセンタ４１にまたはその近くにあるように位置決めされ得るように動力供給され得る。放射ヘッド４５は、治療計画に従って複数の異なる線量の放射線を患者４２に提供するために、ガントリ４７の周りを回転することができる。
【００６２】
ここで図３を参照して、本発明による一般的な方法３００を説明する。この方法は、例えば近接照射療法、放射線外科手術、および強度変調放射線療法ならびに強度変調回転照射法における治療計画に使用することができる。線形加速器では、電子銃、導波管および誘導用磁石を含む電子加速器によって電子ビームが生成される。電子ビームは、高原子番号材料からなる標的に衝突し、それによって電離放射線を生成する。電離放射線は、フルエンスマップに従ってモデル化することができるビームレット強度を各々が有する複数のビームレットとしてモデル化することができる。フルエンスマップは最適化において決定される。その上、本方法はまた、コリメータ通路のいくつかのグループまたはセットを備えたコリメータ本体を有する放射線療法システムの治療計画に使用することもでき、各セットが、固定焦点に向けたそれぞれの特定の断面の放射線ビームを提供するように設計されている。適切には、コリメータ通路の各セットの入口は、線源キャリア構成上の線源のパターンに本質的に対応するパターンを有する。コリメータ通路入口のこれらのセットは、セットごとに変更することが可能であり、それによって結果として生じるビーム断面および焦点を囲む空間線量分布を変更することが可能であるように構成することができる。異なる直径を有するコリメータ通路のセットの数は、２つより多くてもよく、例えば、３つもしくは４つ、またはさらにそれより多くてもよい。コリメータの典型的な実施形態は、各々が４つの異なる状態（ビームオフ、４ｍｍ、８ｍｍ、および１６ｍｍ）を有する８つのセクタを含む。焦点を中心とする放射線の空間分布を変えるために、セクタを個々に調整することができ、すなわち各セクタに対して異なる状態を選択することができる。
【００６３】
方法３００において最初に、ステップ３１０において、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットが特定され、このボクセルセットは少なくとも１つの標的容積からのボクセルを含む。
【００６４】
次に、ステップ３２０において、低線量ボクセルセットが決定される。これは所定の線量分布を適用することによって行うことができる。本発明の一実施形態では、これは、閾値線量レベルよりも高い線量レベルに基づいてボクセルセットの外側の第１のシェル表面を計算するステップと、閾値線量レベルよりも低い線量レベルに基づいてボクセルセットの外側の第２のシェル表面を計算するステップとを含み得る。その後、低線量ボクセルセットが、それぞれ第１のシェル表面と第２のシェル表面との間のボクセルセットとして定義される。
【００６５】
本発明の別の実施形態において、これは、好ましくは、所定の幾何学的形状に基づいてボクセルセットの外側の第１のシェル表面を計算するステップと、所定の幾何学的形状に基づいてボクセルセットの外側の第２のシェル表面を計算するステップと、低線量ボクセルセットを第１のシェル表面と第２のシェル表面との間のボクセルセットとして定義するステップとを含み得る。
【００６６】
ステップ３３０において、低線量ボクセルセット内のボクセルについての目的関数が提供され、所定の閾値を超える線量を受けるボクセルは、低線量ボクセルセットに送達される線量が抑制されるように、ペナルティを受ける。
【００６７】
その後、ステップ３４０において、目的関数が、送達される放射線を操作する最適化問題において使用される。したがって、好ましい実施形態では凸最適化問題である最適化問題は、送出される放射線を目的に従って操作し、放射線量プロファイルのビーム形状設定を含む特定の治療構成に対する線量プロファイルが、最適化問題を使用して計算される。その後、治療構成に基づいて治療中に送達される放射線量プロファイルを決定することを含む治療計画を作成することができ、各放射線量プロファイルは放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、空間分布の形状は、ビーム形状設定に応じて決まり、基準を満たす最適な治療計画を選択することができる。
【００６８】
ここで、本発明による方法を、特に図４を参照してより詳細に説明する。しかしながら、図４は、逆方向計画問題の幾何学的形状を単純化された二次元図において示していることに留意すべきである。構造はリングとして示されているが、標的容積は三次元であるため、リングは結果的にシェルまたは球体層形状であり、標的容積（または腫瘍値）を包含する。
【００６９】
しかしながら、大量Ｖａｄの正常組織が比較的低い線量で照射されることによって有害な認知作用が起こり得ることを示す豊富な臨床データが存在する。特に、これは、複数の標的が互いに接近している場合に当たる。主な問題は、容積がＶａｄに等しいボクセルのセットが線量分布に依存し、最適化中に変化し、これによって、一般に解くことが困難である非凸最適化問題をもたらすことである。それゆえ、凸定式化を達成するためには、線量がペナルティを受ける固定された幾何学形状を有することが必要である。
【００７０】
本発明によれば、容積充填手順または充填アルゴリズム、例えば、Ｌｅｋｓｅｌｌ  ＧａｍｍａＰｌａｎで使用される充填アルゴリズムが適用される。適切な充填アルゴリズムの一例は、同一出願人による同時係属中の、未公開の特許出願に記載されている。
【００７１】
充填アルゴリズムの使用に基づいて、ボクセルの図４に示すような固定された低線量リングＲを少なくとも１つの標的（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３）を囲む容積内に作成することができる。この固定容積のボクセルは、その後、効率的な低線量ペナライゼーションを与えるペナルティを課され得る。ペア（Ｖａｄ，Ｄａｄ）が存在すると仮定される。ここで、Ｄａｄは、容積が少なくともＶａｄである場合に悪影響が顕著になる線量である。図４を参照されたい。例えば、１０Ｇｙを超える線量を受ける容積が１３ｃｃを超える場合、放射線壊死のリスクが高まることを示唆する臨床的証拠があるが、ユーザは他の値を指定し得る。本発明によれば、このような悪影響は、最適化問題にペナルティ項を導入することによって大幅に軽減または排除することができる。上述のように、充填アルゴリズムが最初に使用される。これは最適化の前段階である。アイソセンタ位置を提供することに加えて、充填アルゴリズムは各アイソセンタに対するショットコリメータ構成も与える。すべてのショットについて重みを強制的に１にする処方線量を設定することによって、現実的な線量分布を計算することができる。大きい容積に対する線量を抑制するために、低線量リングが作成され、低線量リングを作成するためのアルゴリズムは次のステップから構成される。したがって、アイソセンタ位置を発見し、すべてのアイソセンタ位置についてショットコリメータ構成を決定するために充填アルゴリズムが使用される。標的（複数可）の処方線量Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が設定される。これはすべてのショットの照射時間を与える。その後、上記構成から線量分布が計算される。
【００７２】
その後、（標的容積を追加した後の）容積がＶａｄに等しい線量分布の３Ｄ等線量容積内のボクセルＳＶａｄが特定される。次に、ボクセルのリングＲ（Ｒ＝２δｒ）が、例えば以下の距離モデルを使用して、図４を参照して、ＳＶａｄの縮小と拡大との間の設定差として定義される。
【数５】
2019146964.tif 000007
【数６】
2019146964.tif 000008
【数７】
2019146964.tif 000009
【数８】
2019146964.tif 000010
【００７３】
ここでＤＦ，ａｄはＶａｄに対応するＧｙ単位の等線量である。１Ｇｙに対応する「リングサイズ」は、最適化において過度に多くのボクセルを導入することなく様々な線量分布を含めるための合理的な選択である。しかしながら、上記に示す距離モデルは１つの特定の例であり、本発明の実施形態によれば、計算するステップは、以下に従ってより一般的な距離モデルを適用するステップを含むことが留意されるべきである。
【数９】
2019146964.tif 000011
式中、Ｑは定数であり得るか、または幾何学的因子および／または線量分布因子を含み得、Ｖａｄは、所定の閾値線量レベルよりも高い線量を受けるボクセルセットの容積であり、δｒは、ボクセルセットの外面の拡大または縮小された距離に対応する。本発明の実施形態では、計算するステップは、以下に従って距離モデルを適用するステップを含む。
【数１０】
2019146964.tif 000012
式中、ＤＦ，ａｄは所定の閾値線量レベルより高い線量を受けるボクセルセット内の等線量であり、δＤは所定の線量分布変動であり、Ｖａｄは所定の閾値線量レベルより高い線量を受けるボクセルセットである。
【００７４】
次に、線量が閾値線量を超えるボクセルにペナルティを課すペナルティ項が目的関数に追加される。本発明の実施形態において、それは以下の形態であり得る。
【数１１】
2019146964.tif 000013
ここで、合計は低線量リングのボクセルをまたいでおり、ｗｌｒは最適化重みである。このリングは、最適化における外側リング（複数可）と同じように扱われる。
【００７５】
ここで、図５を参照して、本発明による方法を実施することができる治療計画作成コンピュータ構造について説明する。治療計画作成コンピュータ構造５００は、患者の容積を三次元ボクセル表現としてモデル化するため、またはそのような三次元ボクセル表現を得るために構成されたモデル化モジュール５１０を含むことができる。容積は、放射線療法ユニットにおける患者の治療中に治療される標的容積を含む。
【００７６】
低線量容積計算モジュール５２０は、所定の境界線量レベルよりも高い線量を受けるボクセル容積セットを推定することであって、ボクセル容積セットは、少なくとも１つの標的容積を含む、推定すること、所定の変化した線量分布を適用することによって低線量ボクセル容積セットを決定すること、および、低線量ボクセル容積セット内のボクセルに対する目的関数を適用することであって、所定の閾値を超える線量を受けたボクセルが、低線量ボクセル容積に送達される線量が抑制されるようにペナルティを受ける、適用することによって、低線量容積を計算または決定する。より詳細には、低線量容積計算モジュールは、図４を参照して上述した方法または手順を適用する。
【００７７】
さらに、計算モジュール５３０は、標的に送達されるべき放射線量プロファイルを生成し、目的に従って送達される放射線を操作する、低線量容積に対する目的関数を含む凸最適化問題を提供し、凸最適化問題を使用して、放射線量プロファイルのビーム形状設定を含む特定の治療構成の線量プロファイルを計算するように構成されている。治療計画モジュール５４０は、治療構成に基づいて治療中に送達される放射線量プロファイルを決定することを含む治療計画を作成するように構成されており、各放射線量プロファイルは、三次元ボクセル表現によって表される放射線の空間線量容積分布によってモデル化され、空間分布の形状は、ビーム形状設定に応じて決まる。最適化モジュール５５０は、臨床基準を満たす最適な治療計画を選択するように構成される。本発明の実施形態では、最適化、すなわち臨床基準を満たす最適な治療計画の選択が実行され、次いで治療構成に基づいて治療中に送達される放射線量プロファイルを決定することを含む治療計画が作成される。
【００７８】
本発明の実施形態では、治療計画コンピュータ構造５００は、図３および図５に記載されているような方法を利用することができ、少なくとも１つの放射線ビームを生成する放射線源および複数のビームレットを生成するための構造を含む、強度変調放射線治療（ＩＭＲＴ）を送達するためのシステムに統合することができる。ビーム整形装置、例えばマルチリーフコリメータまたは円錐形コリメータを放射線源と患者との間に配置することができる。コリメータは治療計画作成コンピュータ構造に通信可能に接続され、最適な治療計画、すなわち決定されたビーム形状設定に基づくフルエンスマップに従って患者に送達するように複数のビームレットを変調するための複数のリーフを有する。
【００７９】
本発明による本明細書に記載の方法はさらに、標的を包含し、各標的と関連付けられる内側シェルおよび外側シェルと組み合わせて使用され得、それぞれ内側シェルが選択性を促進し、外側シェルが勾配率を促進する。各シェルのフレーム記述は、各ボクセルを個別に検討できるように定式化されている。一実施形態によれば、フレーム記述の項は、積分、すなわち、これらの項が標的（複数可）容積の外面からの距離ｒにあるボクセルに対応する合計の近似であり、以下によって与えられ得る。
【数１２】
2019146964.tif 000014
式中、ｘは各アイソセンタ、セクタ、コリメータ設定の照射時間であり、Ｄ（ｒ）は標的線量を標的表面からの距離の関数として表す関数であり、ｒは標的表面（複数可）からの距離のベクトルであり、Ｎｊは距離ｒｊにあるボクセルの数であり、ｗｉｊはスカラー重みであり、それは実施形態においてはボクセルごとに変化し得る。本発明の実施形態では、所望の線量が異なる方向において変化することを記述する項Ｄ（ｒ）が使用される。標的の容積に応じたサイズまたは容積を有する２つのシェルが適用される。これら２つのシェルにおける線量のペナライゼーションは、それぞれ２つの非凸量選択性および勾配率の促進に対応する。外側シェルのサイズまたは容積は、所望の高倍率を達成することができるように選択されるのが好ましい。
【００８０】
目的関数は、標的および２つの包囲するシェルに対してボクセルごとに定式化することができる。本発明の実施形態によれば、ＯＡＲもビームオン時間ペナライゼーションも有しない、２つ以上の標的に容易に一般化することができる、１つの標的、したがって２つのシェルに対する最小の目的関数を、以下のように定式化することができる。
【数１３】
2019146964.tif 000015
【数１４】
2019146964.tif 000016
式中、ｘは各アイソセンタ、セクタおよびコリメータ設定に対する照射時間であり、ｗ１，ｗ２，ｗ３はそれぞれ標的、内側リングおよび外側リングに対する重みであり、ＤＴは処方線量であり、Ｎｉは構造ｉ∈｛Ｔ，ＩＲ，ＯＲ｝内の標的ボクセルの数であり、φｉはそれぞれの構造における線量率である。第１の項は標的の過少投与にペナルティを課し、第２の項は内側シェルの過量投与を課し、第３の項はＤＴ／２を超える外側シェル内の線量にペナルティを課し、勾配率は、ＤＴを超える線量の容積に対する、ＤＴ／２を超える線量を有する容積として定義される。３つの項はそれぞれ、カバレッジ、選択性、勾配率の良好な凸サロゲートである。目的関数は、３つの重みｗ１，ｗ２，ｗ３が異なる目的の相対的な重要性、したがってそれぞれカバレッジ、選択性、および勾配率の重要性を決定付ける加重和である。各臨床測定基準に対応する１つの重み、または少なくとも１つの重みを用いて、最適化が実行される前に目的関数の重みを調整することによって、臨床目的の所望の計画品質への変換を得ることができる。
【００８１】
本発明の実施形態によれば、低線量リングまたは容積は反復手法を使用して生成される。ここでこの手法６００を、図６を参照して説明する。まず、ステップ６１０において、標的（複数可）の各々の外側の線量分布が、以下に従って推定される。
【数１５】
2019146964.tif 000017
これは、幾何学的要因、標的からの距離、および場合によっては標的からの方向に依存し得る。さらに、線量分布推定値は処方線量ＤＴを用いてスケーリングされる。標的表面上の線量はＤＴであると仮定される。複数の標的がある場合、標的の外側のすべての線量分布がともに加算される。加算は場合によって重み付けされる可能性がある。
【００８２】
ステップ６２０において、組み合わせ線量分布に基づいて、低線量容積の最初の推定値が決定される。例では、２つの線量レベルの間の容量、例えばこれらのレベルは、最も低い処方線量に対して４０％〜６０％として選択することができる。
【００８３】
次に、ステップ６３０において、線量が閾値線量Ｄｌｒを超えるボクセルにペナルティを課すペナルティ項がフレーム記述に追加される。例えば、ペナルティ項は以下のようになり得る。
【数１６】
2019146964.tif 000018
式中、ｗｌｒは重みであり、Ｎｌｒは低線量容積内のボクセルの数である。原則として、低線量容積における閾値線量は、可能性として、表面からの距離に依存し得る。
【００８４】
次に、ステップ６４０において、最適化が、最終的な最適化問題において使用される重み設定または標準化された重み設定のいずれかを用いて実行される。
【００８５】
その後、ステップ６５０において、反復プロセスが終了したか否かが判定される。例えば、所定の回数の反復後である。そうである場合、ステップ６８０において、最終的な治療計画最適化を、低線量容積を使用して実施することができる。そうでない場合、手順６００はステップ６６０に進み、更新された低線量容積が、ステップ６２０と同じである可能性がある２つの線量レベル間の容積として定義され、それに応じてフレーム記述への寄与が修正される。目的関数の項が、それに応じてステップ６７０において修正される。
【００８６】
本発明の例示的な実施形態を示し説明してきたが、本明細書に記載したような本発明に対して複数の変更、修正、または改変を加えることができることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の上記の説明および添付の図面は、非限定的と考えられるべきであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００８７】
２  線源キャリア構成
４  コリメータ本体
６  セグメント
８  開口
１０  内部口、線形加速器
１２  直線状側面
１４ａ  湾曲側面
１４ｂ  湾曲側面
２０  患者位置決めユニット
２２  剛性フレームワーク
２４  可動キャリッジ
２６  患者用ベッド
２８  固定装置
４０  線形加速器、放射線療法装置
４１  アイソセンタ
４２  患者
４３  患者テーブル
４４  フラットパネルシンチレータ検出器
４５  放射ヘッド
４６  放射線ビーム
４７  水平軸、ガントリ
１２５  ヨウ素
１３０  放射線療法装置、放射線療法ユニット
２０２  患者
２１２  放射線源
２１４  保護ハウジング
２１６  ビームチャネル
２１８  アイソセンタ
２２０  座標フレーム
２２２  患者位置決めシステム
３００  方法
３１０  ステップ
３２０  ステップ
３３０  ステップ
３４０  ステップ
５００  治療計画作成コンピュータ構造
５００  治療計画コンピュータ構造
５１０  モデル化モジュール
５２０  低線量容積計算モジュール
５３０  計算モジュール
５４０  治療計画モジュール
５５０  最適化モジュール
６００  手順、手法
６１０  ステップ
６２０  ステップ
６２０  ステップ
６３０  ステップ
６４０  ステップ
６５０  ステップ
６６０  ステップ
６７０  ステップ
６８０  ステップ
Ｒ  低線量リング
Ｔ１  処方線量
Ｔ２  処方線量
Ｔ３  処方線量
【図１ａ】
2019146964.tif 000021
【図１ｂ】
2019146964.tif 000022
【図２ａ】
2019146964.tif 000023
【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
2019146964.tif 000026
【図５】
2019146964.tif 000027
【図６】
2019146964.tif 000028
【外国語明細書】
2019146964000001.pdf