(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
・複数の個別線量ショット（ａｊ）を放出するために構成された１つの放射線源と、
・少なくとも１つのデータバスシステム（１０２）と、
・前記データバスシステム（１０２）に結合された１つの一時記憶装置（１０６）と、
・前記データバスシステム（１０２）に結合された１つの処理装置（１０４）とを有する線形加速器用の逆方向放射線治療計画システムであって、
それぞれの個別線量ショットが、１つの標的領域の内側及び／又は外側の予め決定された位置及び入射角と１つの大きさと１つの形とを有し、
前記一時記憶装置（１０６）が、コンピュータ使用可能プログラムコードを有し、
前記処理装置（１０４）は、
・一組の個別線量ショット（ａｊ）を事前演算し（１０）、
・複数の個別線量ショットを得るため、１つ又は複数の制約に基づいて（２０）、１つの重み（ｓｊ）を１つずつの線量ショット（ａｊ）に関連付けて（４０）、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行するように構成されている当該システムにおいて、
・前記１つ又は複数の制約を満たすように（２０）、重み付けされた非零の前記複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために（３０）、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行することを特徴とするシステム。
【請求項２】
それぞれの個別線量ショット（ａｊ）に関連付けられた前記重み（ｓｊ）が、照射時間から成る請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
それぞれの個別線量ショット（ａｊ）に関連付けられた前記重み（ｓｊ）が、線量率から成る請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
それぞれの個別線量ショット（ａｊ）に関連付けられた前記重み（ｓｊ）が、線量分布から成る請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
・前記放射線源用の物理的な第１支持部材と、
・患者を受け取るために配置された物理的な第２支持部材とを有するシステムにおいて、  前記物理的な第１支持部材と前記物理的な第２支持部材とは、互いに相対移動されるように配置されていて、
・前記１つ又は複数の制約を満たすように（２０）、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために（３０）、前記物理的な第１支持部材が、前記物理的な第２支持部材に対して移動される期間ごとに、及び／又は、前記物理的な第２支持部材が、前記物理的な第１支持部材に対して移動される期間ごとに、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項６】
・前記１つ又は複数の制約を満たすように（２０）、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために（３０）、患者及び／又は臓器及び／又は患者の臓器の一部が移動する期間ごとに、及び／又は、患者及び／又は臓器及び／又は患者の臓器の一部が、その形を変更し、及び／又はその大きさを変更する期間ごとに、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項７】
前記システムは、治療中に照射標的を捕捉し、当該標的領域の幾何学構造及び／又は形及び／又は位置及び／又は大きさを検出し、標的の配置を適切に更新するためのセンサに接続可能であり、
・当該変更時に前記１つ又は複数の制約を満たすように（２０）、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を、当該更新された標的の配置に基づいて見つけ出すために（３０）、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
・前記１つ又は複数の制約を満たすように（２０）、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために（３０）、所定の瞬間時の患者における実際の線量分布が、計画された線量分布と違う期間ごとに、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記処理装置（１０４）は、前記１つ又は複数の制約（２０）を満たす複数の非零の重みの最小個数を見つけ出すために前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数の非零の重み（ｓｊ）の個数は、事前演算された複数の個別線量ショット（ａｊ）の個数の少なくとも１／１００である請求項１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
・複数の個別線量ショットの最適な１つの部分集合を得るように、前記制約を満たす一方で（２０）、複数の重みのベクトルの重み付けされた１つのＬ１ノルムを最小にするために、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
・複数の個別線量ショットの最適な１つの部分集合を得るように、前記制約を満たす一方で（２０）、複数の重みのベクトルの重み付けされた１つのＬ２ノルムを最小にするために、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
・１つの３次元グリッド（Ｇ）の１つの位置にある１つずつの個別線量ショット（ａｊ）の位置を特定するために、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項１〜１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記処理装置（１０４）は、前記コンピュータ使用可能プログラムコードをリアルタイムに実行するように構成されている請求項１〜１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記制約（２０）は、前記標的領域（Ｔ）、及び／又は高すぎる線量放射に対して保護されるべき損傷を受けやすい組織（Ｒ）のようなその他の領域の双方に適用される線量制約を含む請求項１〜１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
・複数の個別線量ショット（ａｊ）の前記一組の事前演算中に患者の頭部の局部解剖の物理的特性を考慮するように、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行するように構成されている請求項１〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
・凸最適化基準を適用するために（５０）、前記処理装置（１０４）が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項１〜１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記最適化基準（５０）は、治療時間を最小にすることから成る請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記放射線源は、線形加速器である請求項１〜１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２０】
前記放射線源は、コバルト源又は陽子源である請求項１〜１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２１】
個別線量ショット（ａｊ）を放出するために構成された放射線源を有する逆方向放射線治療計画システム用のコンピュータ使用可能プログラムコードを含むタンジブルなコンピュータ使用可能媒体を有するコンピュータプログラム製品であって、１つずつの線量ショットが、１つの標的領域の内側及び／又は外側の予め設定されている１つの位置と１つの大きさと１つの形とを有し、
一組の個別線量ショット（ａｊ）を事前演算し（１０）、
１つ又は複数の制約に基づいて（２０）、１つの重み（ｓｊ）を１つずつの個別線量ショット（ａｊ）に関連付けるために、コンピュータ使用可能プログラムコードが使用されるコンピュータプログラム製品において、
複数の個別線量ショットを得るため、１つ又は複数の制約を満たすように（２０）、重み付けされた非零の複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために（３０）、処理装置（１０４）が、コンピュータ使用可能プログラムコードを実行することを特徴とするコンピュータプログラム製品。
【請求項２２】
逆方向放射線治療計画方法によって作成された提案内容を備えるコンピュータ使用可能プログラムコードを記憶するコンピュータ可読媒体であって、
１つずつの個別線量ショットが、１つの放射線源によって生成され、１つの標的領域の内側及び／又は外側の予め設定されている１つの位置及び入射角と１つの大きさと１つの形とを有する一組の個別線量ショット（ａｊ）を事前演算するステップ（１０）と、
複数の個別線量ショットを得るため、１つ又は複数の制約に基づいて（２０）、１つの重み（ｓｊ）を１つずつの個別線量ショット（ａｊ）に関連付けるステップと
を備えるコンピュータ使用可能プログラムコードにおいて、
１つ又は複数の制約を満たすように（２０）、重み付けされた非零の複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために（３０）、処理装置（１０４）に、コンピュータ使用可能プログラムコードを実行させることを特徴とするコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、放射線治療の計画及びリアルタイムの制御用のシステムに関する。一般性を失わず、本発明のシステムは、例えばマルチビームガンマ線照射、線形加速器によって生成される光子ビーム、従来の高圧Ｘ線源又は放射能線源のような、様々な性質のコリメートされた放射線源による放射線治療法の治療を計画するために有用に適用され得る。本発明は、荷電ビーム、例えば電子、イオン又はハドロン、による治療照射を計画し制御するためにも有用に採用され得る。
【背景技術】
【０００２】
放射線治療及び放射線外科システムを含む多くの放射線治療システムが、身体の標的領域を照射するためにγ放射性同位元素又は単一の放射線ビームを生成する粒子加速器（一般には、ＬＩＮＡＣと略記して知られた線形電子加速器）を使用する。例え光子治療が普及しているとしても、粒子ビーム、例えば電子及び陽子による照射も、使用され、当該粒子ビームのそれぞれの応用分野において非常に高い確率で成功を収めている。光子治療の場合と同様な、不安定な組織の選択的な照射の困難性が存在し、本発明が、放射線治療のあらゆる形態に有益に適用され得る。
【０００３】
最適な治療効果を達成し、健康な組織に放出される線量を可能な限り減少させるために当該線量の供与パターンを制御するための取り組みにおいて、幾つかの種類のコリメータ及び照射幾何構造が、頻繁に相当な成功を伴って開発されている。
【０００４】
ＬＩＮＡＣに基づく放射線治療システムでは、照射が、標的に対する放射線ビームの予め決定された一定の位置及び方向に対応する単一の入射角（すなわち、ワンショット）の下だけで実行されるのではなくて、当該照射は、線量の放出の適合性を向上させるために連続する複数の入射角を使用する。多数の入射角が、いわゆるＬＩＮＡＣに基づく放射線外科を実行するために使用される。
【０００５】
ビームの横断面が、前者の場合には一般に１０ｃｍ〜３０ｃｍ、例えば２０ｃｍの範囲内にあり、後者の場合には選択されたコリメータの大きさに応じて４，８又は１６ｍｍの範囲でもよい。ＬＩＮＡＣに基づく放射線治療は、選択された治療計画に応じて横方向のブームの寸法を変更するために多くの場合にコリメータ装置を備える。最近の幾つかの放射線治療及び放射線外科システムは、ミリメートルの範囲内の幾何学精度で任意の形をした放射線ビームを生成するために治療中に制御され得る自動式のマルチリーフコリメータ及びマイクロマルチリーフコリメータを含む。
【０００６】
ほとんどの場合、線形加速器の照射が、標的に対する放射線ビームの予め決定された一定の位置及び方向に対応する単一の入射角（すなわち、ワンショット）の下で実行されないが、線量の放出の適合性を向上させるために連続する複数の入射角にしたがって実行される。多数の入射角が、いわゆるＬＩＮＡＣに基づく放射線外科を実行するために使用される。
【０００７】
本発明の構成では、名詞「重み」は、ショットの１つ以上のパラメータ、例えば限定することなしに、照射時間及び／又は線量率及び／又は線量分布等の意味で使用される。
【０００８】
ほとんどのＬＩＮＡＣに基づく放射線治療システムでは、放射ヘッドが、患者を中心にして全周又は全周の一部にわたって機械的に回転され得る（「ガントリー」と呼ばれる）物理的な支持部材に取り付けられている。患者が寝ている（「寝椅子」と呼ばれる）台も、場合によってはリニアステップで又は角度ステップで移動され得る。複数の放射線ビームの強度及び形が、入射が増すごとに基づいて適合されるか、又は単一の入射角度内でさえも、ＬＩＮＡＣを適切に制御することによって且つマルチリーフコリメータを自動式に制御することによって適合される。
【０００９】
当該ガントリーの移動及び／又は寝椅子の移動の組み合わせが、標的位置（いわゆるアイソセンタ）での連続する複数の放射線ビームの交差を可能にする結果、当該標的内の高い総線量をもたらすと同時に、その周りの領域内の放射放射線が、より低くなる。
【００１０】
その他の幾つかのシステム、すなわちアキュレイ社によって商品化されたサイバーナイフが、ロボティックアーム上に取り付けられた小さい大きさのＬＩＮＡＣを使用する結果、当該ＬＩＮＡＣを保持するロボットヘッドの移動の大きい自由度を可能にし、したがってＬＩＮＡＣの多様な位置及び入射角を可能にする。
【００１１】
ＩＲ機器、例えば、エレクタ社のＶＭＡＴ（回転型強度変調アーク療法）システムも存在する。このシステムでは、放射線線量が、複数の入射角の離散数によって放出されるのではなくて、放射線ビーム源が、患者の身体の周りの複数の連続円弧に沿って走査する一方で、複数のビームパラメータが同時に制御される。これらのシステムは、治療時間を減少させようとする。
【００１２】
患者の移動及び／又は標的臓器の移動も考慮して、放射線の放出をリアルタイムに制御するために、複数の画像処理技術又は位置決め技術を使用することが知られている。例えば、標的領域の位置を、例えば蛍光透視法によって監視すること、及び当該標的が基準位置にあることを確認する信号によって、放射線源を閉鎖することが知られている。患者又は標的臓器が、既定の閾値を超えたときに、これらのシステムが、例えば照射を停止する。これまでは、依然として、非常に多数の入力値の変化と、放射線ビームをリアルタイムに制御することの困難性とが、これらの労力の効力を制限していて、身体の局所領域を選択的に治療することは、依然として困難であり、現状の装置は、その一部しか達成し得ない。
【００１３】
これらの全てのシステムでは、希望する線量分布を標的領域に放出する一方で、必要ならば、周囲の損傷を受けやすい領域を高すぎる照射線量から保護するために、計画段階が、最も一般的な場合において、連続する複数の照射ショットの個数、位置、入射角、形、及び重みを決定することが必要である。
【００１４】
本発明の構成では、１つのショット（又は線量ショット）は、所定の形及び重みを有する所定の１つの位置及び入射角から放出された放射線線量である。１つの治療セッションが、異なる大きさ及び形の複数のショットから成り得る。拡大解釈すると、１つの「ショット」は、回転型強度変調アーク療法における１つのアークにも相当し得る。
【００１５】
規定されるべきパラメータが、システムの種類に応じて上記のパラメータよりも限定されてもよい。１つの例としては、ＬＩＮＡＣが、固定された寝椅子を有する回転式ガントリー上に取り付けられているときに、一組の入射角が、当該ガントリーの回転によって成される入射角に限定される。
【００１６】
ユーザ、すなわち医者及び／又は物理学者・内科医が、それぞれのショットに対して、標的領域内のそのショットの位置及び入射角並びにアイソセンタの周りに放出されるべき照射線量の大きさ及び形を決定する必要がある。
【００１７】
放射線源の線量率に関連する照射時間（すなわち、ＬＩＮＡＣが稼働している期間）が、それぞれのショットに対して決定されなければならない。ＶＭＡＴ（エレクタ）及びラピッドアーク（バリアン）のような最も先進的なシステムでは、当該線量率（すなわち、単位時間当たりの放射線量）及び当該ショットのその他のパラメータ、例えば、非限定的に、線量領域内の照射分布（例えば、ガウス分布、平面分布等）を予め決定する必要がある。当該計画段階では、それぞれの患者の治療計画が、一般に、物理学者（内科医）と一緒に働いている放射線腫瘍医によって作成される。最も広く使用される計画手続きによれば、彼らは、試行錯誤の反復プロセスを通じて、複数のショットの大きさ、形及び重さに加えて、これらのショットの個数、位置及び入射角並びに直近の線量率を決定する。
【００１８】
ＬＩＮＡＣ及びその他の放射線治療機器用の逆方向放射線治療計画システムでは、一般に、複数のショットの個数、位置及び入射角が、入力パラメータとして与えられ、希望する線量分布に関連する複数の照射パラメータの最適な組み合わせが計算されることが要求される。既に説明したように、或る計画及び制御システムは、放射線を放出するときに、例えば患者が呼吸するときに、当該患者の動きを或る程度考慮するか、又は当該患者の動いている１つ以上の臓器の動きを或る程度考慮する。しかしながら、当該既知のシステムは、十分な精度でこれらのシステムをこれらの動きに適合するように、これらのショットをリアルタイムに計算することはできず、当該システム自体が、これらのショットをしばしば抑制し、これらの抑制したショットが、当該患者の動きに起因して標的から外れる。
【００１９】
既知の逆方向放射線治療計画システムは、十分に正確でない。その結果、標的、例えば腫瘍の周りの領域の保護が、特により大きい腫瘍において非常に有効でない。このことは、放射線治療、例えば放射線療法、の複数のセッションを必要とする。
【００２０】
さらに、当該計画のための従来の手続きは、比較的複雑で、時間がかかり、直観的でなく且つ遅い。当該計画手続きの期間が、生産性を減少させ、それぞれの治療のコストを増大させる。さらに、当該計画手続きの品質が、本質的にユーザの経験に左右される。この経験を得ることは、長い訓練期間を要する。
【００２１】
確かに、計画を立てる従来の方法は、希望する線量分布を最終的に生成する機械の技術パラメータ及び操作パラメータを規定することを必要とする。これらのパラメータと実際の線量分布との間の関係は、常に直観的とは限らない。したがって、医療ユーザは、専門的技術を獲得し利用することを依頼され、ほとんどの場合に医療物理学者による助けを必要とする一方で、彼／彼女は、むしろ治療の医療的な観点に集中する。
【００２２】
逆方向計画システムは、（例えば、ＣＴ画像又はＭＲＴ画像からの）標的領域の特性の知識に基づいてショットの重みを決定することによって上記の負担を軽減しようとし、オペレータが、標的領域内の或る特定の線量分布及び／又は特定の線量制約を規定する。自動式の逆方向計画システムが、一組のパラメータを見つけ出す結果、既定の線量分布に可能な限り近い治療計画を作成する。
【００２３】
したがって、従来の逆方向計画手続きは、標的領域と当該標的領域へ放出されるべき最小線量とをオペレータによって決定することを必要とする。第二に、当該計画システムは、保護されるべき領域に対する線量を最小にすることも支援する。
【００２４】
一般に、当該逆方向計画は、最適化問題として定義される。この場合、複数の技術パラメータが、希望する線量分布と実際に達成された線量分布との差を測定するコスト関数を最小にするように自動的に探索される。様々な最適化技術が使用され得る。
【００２５】
現在使用されているこのような逆方向計画システムは、遅い最適化技術を使用し、物理学者によって幾つかのパラメータの一部を手動で決定することにほとんどの時間を必要とするので、当該逆方向計画システムは、時間がかかる。したがって、腫瘍内科医が、当該結果に満足しない場合は、当該プロセスが繰り返される必要があり、物理学者チームにより多くの作業及び時間を要求される。当該プロセスをさらに延長するためには、逆方向計画システムは、取り扱い可能な期間内に結果を出すために、放射線の相互作用の簡略化されたモデル（いわゆる、「ペンシルビーム」近似）に依存し、当該モデルが、１つの解に集束すると、この解は、より高い精度であるが、例えばモンテカルロシミュレーションのような、より遅いシミュレーションによっても検証される必要がある。
【００２６】
当該既知の計画システムは、多くの放射線パラメータが予め規定されなければならないという意味で、一般に静的でもある。多くの場合、例えば、複数のショットの個数とこれらのショットの角度とが、入力パラメータとして予め規定される。既知の計画システムは、治療中に実際に放出される線量を適合する能力を非常に制限されていて、当該能力の制限は、当該計画システムの精度を低下させる。
【００２７】
知られているシステムのうちで、米国特許第２０１１０８５６４３号明細書は、スパースセグメントの正則化を使用する放射線治療の逆方向治療計画を記載している。この文献は、放射線治療計画の複数の放射線セグメント（又は複数のサブフィールド）の個数を最小にするための方法を提案している。しかしながら、注目すべきは、当該出願人は、当該治療で使用される複数の照射領域の個数及びパラメータを変更すること又は最適化することを決して示唆していない。この代わりに、この文献に記載された方法は、予め設定されている一組の領域、例えば０°、７０°、１４５°、２１５°、２９０°のガントリー角度に相当する５つの領域（段落［００７９］）を有する治療計画を常に作成する。当該出願人は、これらの領域のうちのそれぞれ１つの領域に対する複数の放射線セグメントの個数を減少させることを目的とするアルゴリズムを提案する一方で、結果として作成される治療計画の当該個数及び入射角は、厳格に予め設定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２８】
【特許文献１】米国特許第２０１１０８５６４３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明の課題は、上記の複数の欠点のうちの１つ以上の欠点を除去又は軽減することにある。
【００３０】
米国特許第２０１１０８５６４３号明細書によって記載されている方法のもう１つの制約は、当該方法がマルチリーフコリメータを必ず必要とする点である。本発明は、マルチリーフコリメータと組み合わせて特に有益に適用され得る一方で、この設備を含まない放射線治療（ＲＴ）機器にも有益に提供され得る方法を提唱する。さらに、米国特許第２０１１０８５６４３号明細書の方法は、集束を達成するために、パラメータ空間をパレート（Ｐａｒｅｔｏ）領域内に限定し、この理由のためにこの限定の外側に存在する良好な解を見つけ出すことに失敗するかもしれない。
【００３１】
本発明の課題は、治療の計画段階を簡単にし得る逆方向放射線治療計画システムを提供することにある。
【００３２】
本発明の課題は、患者の動きと、標的の解剖上の変更とを考慮して、複数のショットを動的なこの標的に適合させるように、これらのショットのリアルタイムの計算を実行し得る逆方向放射線治療計画システムを提供することにある。
【００３３】
本発明のさらなる課題は、例えば複数のショットの個数、これらのショットの角度及び重みから成る照射パラメータを動的に適合し得る放射線治療計画システムを提供すること、及び当該計画した照射パターンからの偏差をリアルタイムに補正することにある。
【００３４】
本発明のさらなる課題は、逆方向放射線治療計画システムを既知のシステムよりも正確に提供することにある。
【００３５】
本発明の課題は、従来のシステムの代わりとなる逆方向治療計画システムを提供することにある。
【００３６】
本発明の治療計画システムは、放射線源としての線形加速器（ＬＩＮＡＣ）の使用に限定されず、任意の種類のその他の放射線源、例えば、非限定的に、コバルト源又は陽子源を使用し得る。
【００３７】
より一般的な意味では、本発明の範囲は、外部ビーム放射線治療の計画に限定されないで、本発明の方法が適用可能であるその他の医療手続きの計画を含む。
【００３８】
本発明の方法は、治療が最適化された位置及び強度を有する個々の放射線源を設置することから成らなければならないことを考慮することによって短治療（ｂｒａｃｈｙ  ｔｈｅｒａｐｙ）療法の計画に類推的に適用され得る。本発明の１つの観点によれば、一組の個別放射線源を事前演算し、その放射線源の放射線強度に関連付けされ得る１つの重みをそれぞれの放射線源に関連付け、例えば、腫瘍と近接している危険臓器とへ放出される総線量に関して、複数の個別放射線のうちの、放射線腫瘍医によって決定された複数の制約を満たす最もスパースな部分集合を見つけ出すことによって、個々の放射線源の位置及び強度が計算され得る。
【００３９】
また、本発明の方法は、ロボット用機器によって外科用メス、温熱切除用プローブ、凍結療法用プローブ又はその他の任意の外科器具の個々の動きの組み合わせに分解されるロボット手術の手続きに類推的に適用され得る。この場合、本発明の方法は、所定の複数の制約を満たす最もスパースな一組の動きを決定するために使用され得る。
【課題を解決するための手段】
【００４０】
本発明によれば、これらの課題は、添付された特許請求の範囲の対象によって解決される。すなわち、これらの課題は、
・複数の個別線量ショットを放出するために構成された１つの放射線源と、
・少なくとも１つのデータバスシステムと、
・前記データバスシステムに結合された１つの一時記憶装置と、
・前記データバスシステムに結合された１つの処理装置とを有する逆方向放射線治療計画システムであって、
それぞれの個別線量ショットが、１つの標的領域の内側及び／又は外側の予め決定された位置及び入射角と１つの大きさと１つの形とを有し、
前記一時記憶装置が、コンピュータ使用可能プログラムコードを有し、
前記処理装置は、
・一組の個別線量ショットを事前演算し、
・１つ又は複数の制約に基づいて、１つの重みを１つずつの線量ショットに関連付けるために、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行するように構成されている逆方向放射線治療計画システムによって解決される。
【００４１】
１つの実施の形態では、それぞれの個別線量ショットに関連付けられた前記重みが、照射時間から成る。
【００４２】
別の実施の形態では、それぞれの個別線量ショットに関連付けられた前記重みが、線量率から成る。
【００４３】
別の実施の形態では、それぞれの個別線量ショット（ａｊ）に関連付けられた前記重み（ｓｊ）が、線量分布から成る。
【００４４】
別の実施の形態では、それぞれの個別線量ショットに関連付けられた前記重みが、前記線量ショットの任意のその他のパラメータから成る。
【００４５】
本発明の逆方向治療計画システムは、放射線源として線形加速器（ＬＩＮＡＣ）を使用し得る。
【００４６】
１つずつの個別線量領域、すなわちそれぞれの線量ショットのフルエンスを最適化する既知の方法に比べて、本発明は、複数の個別ショットの最適化を可能にする計画方法を提唱する。換言すれば、位置及び入射角並びに大きさ及び形によって特徴付けられる一組の可能な複数の線量ショットから出発して、本発明の方法は、複数の個別ショット（又は複数の個別領域）から成る最適な１つの部分集合の選択を操作する。注目すべきは、可能な一組の線量ショットを開始することは、理論的には機械の可能な全ての構成を含む非常に大規模なものになり得る点である。本発明の方法の大きな利点は、まさに、限定された個数のショットを有する最適な１つの計画を大きい可能性の組から抽出する本発明の方法の能力にある。重要なことは、本発明の方法は、個々の線量領域のフルエンスが変更され得ない、より早い世代の機械でも使用され得る。
【００４７】
本発明は、逆方向治療計画システム用の自動化された方法を提唱する。この場合、放出される完全な線量分布が、予め規定されたディクショナリから選択された複数のビームのスパース線形結合としてモデル化される。好ましくは、１つ以上の制約が、対応する結果として生じる線量分布に関連付けされ得る。
【００４８】
好ましくは、前記重みが、単一又は個々の線量ショットの照射時間を示し得る。
【００４９】
スパース性基準の使用が、演繹的には可能でない多くの解を排除することを可能にし、したがって１つの解に迅速に集束させることを可能にする。したがって、当該スパース性は、リアルタイムの計算を可能にする。その結果、複数のショットのリアルタイムの計算を実行すること、インタラクティブな計画を可能にすること、並びにこれらのショットを患者の動き及び／又は患者の臓器の動きに適合させること、及び／又はこれらのショットを放射線源の物理的な支持部材（ガントリー）と患者の物理的な支持部材（寝椅子）との間の相対的な動きに適合させることが可能である。
【００５０】
さらに、本発明によるシステムは、既知のシステムよりも正確であり、より直観的である制約を規定し、これらの制約を実現することを可能にする。その結果、標的、例えば腫瘍を包囲している領域の保護が、より効果的である。このことは、放射線外科において放射線治療の幾つかのセッション、例えば１つから５つのセッション、又は分割放射線治療において必要なときは多数のセッションを必要とする。
【００５１】
好適な実施の形態では、当該システムは、
・前記放射線源用の物理的な第１支持部材、例えばガントリーと、
・患者を受け取るために配置された物理的な第２支持部材、例えば寝椅子とを有する。前記物理的な第１支持部材と前記物理的な第２支持部材とは、互いに相対移動されるように配置されている。好ましくは、
・前記１つ又は複数の制約を満たすように、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために、前記物理的な第１支持部材が、前記物理的な第２支持部材に対して移動される期間ごとに、及び／又は、前記物理的な第２支持部材が、前記物理的な第１支持部材に対して移動される期間ごとに、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する。
【００５２】
別の実施の形態では、前記１つ又は複数の制約を満たすように、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために、患者及び／又は臓器及び／又は患者の臓器の一部が移動する期間ごとに、及び／又は、患者及び／又は臓器及び／又は患者の臓器の一部が、その形を変更し、及び／又はその大きさを変更する期間ごとに、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する。
【００５３】
別の実施の形態では、前記１つ又は複数の制約を満たすように、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために、患者及び／又は臓器及び／又は患者の臓器の一部が移動する期間ごとに、患者及び／又は臓器及び／又は患者の臓器の一部が、その形を変更し、又はその大きさを変更する期間ごとに、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する。
【００５４】
別の実施の形態では、これらの１つ又は複数の制約を満たすように、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために、所定の瞬間時の患者における実際の線量分布が、計画された線量分布と違う期間ごとに、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する
好適な実施の形態では、前記制約が、希望する線量分布による標的領域の一部の全体を少なくとも網羅することから成る。さらに、複数の制約が、標的体積の外側の線量分布を変更し、所定の組織に対する最大線量を制限するために追加されてもよい。希望であれば、複数の制約が、標的体積内の線量分布を規定するために追加されてもよい。
【００５５】
本発明の１つの観点によれば、前記処理装置が、１つ又は複数の制約を満たすように複数のショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する。
【００５６】
本発明による独創的なシステムは、リアルタイムの逆方向計画システムを通じて放射線外科計画を劇的に簡単にすることを可能にする。
【００５７】
好適な実施の形態では、前記処理装置は、前記１つ又は複数の制約を満たす複数の非零の重みの最小個数を見つけ出すために前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する。
【００５８】
本発明による独創的なシステムは、線量分布に課せられる制約を得るために照射の最適な技術パラメータを計算することを可能にする。手作業の計画中にユーザによって規定され得る複数のパラメータの個数を検討すれば、最適な解を見つけ出すことは、特に複雑な形の標的の治療において、経験のあるユーザによっても、実際にほとんど不可能である。
【００５９】
本発明による独創的なシステムは、ユーザが放出されるべき線量に関する制約を、ターゲットの縁部又は対象となる容量の任意の場所での集束、大きさ及び勾配においてインタラクティブに規定することを可能にする。
【００６０】
ユーザにとっての利点は、少なくとも以下の事項である：
・彼／彼女は、希望する線量分布の実現の技術的観点に集中する必要がないが、彼／彼女はどの線量を監視したいかを検討するだけで済む。
・ターゲットの適切な照射と、その他の臓器の適切な保護とを保証するため、インタラクティブな計画ツールが、線量分布の形をリアルタイムに決定し変更することを彼／彼女に可能にする。
・計画が、直観的で、速く、したがってコスト効率が良い。
・ユーザが、最大治療期間のようなさらなる制約の問題に容易に追加し得る。例えば、システムが、希望する線量分布に可能な限り近い最良に可能な計画を提供する一方で、時間割り当て内に収める。
【００６１】
本発明によるシステムによって実行される計画手続きは、特にターゲットの複雑な形において、既知の解決策よりも遥かに簡単で、速く且つユーザーフレンドリーである。
【００６２】
凸制約最適化問題が、治療計画、例えば複数のビームの個数並びにビームの方向、大きさ、形及び重み（又は考慮されるシステムの物理特性に依存するこれらのパラメータの部分集合）を決定し、希望する線量放出分布を生成するために使用され得る。
【００６３】
当該最適化問題は、標的領域と、高い放射線線量から保護されるべき損傷を受けやすい組織のようなその他の領域との双方に適用される線量の制約を含み得る。
【００６４】
一組の可能なビーム位置、入射角、大きさ及び形を全体的に又は部分的に網羅する一組の多数のビームによって構成されるディクショナリが計算され得る。この計算の後に、凸最適化問題が、当該最適化計画、すなわちこれらのビームの最適な部分集合とこれらのビームの振幅とを決定し、所定の制約に合致させるために解かれ得る。
【００６５】
本発明は、
個別線量ショットを放出するために構成された放射線源を有する逆方向放射線治療計画システム用のコンピュータ使用可能プログラムコードを含むタンジブルなコンピュータ使用可能媒体を有するコンピュータプログラム製品であって、１つずつの線量ショットが、１つの標的領域の内側及び／又は外側の予め設定されている１つの位置と１つの大きさと１つの形とを有し、
・一組の個別線量ショットを事前演算し、
・１つ又は複数の制約に基づいて、１つの重みを１つずつの個別線量ショットに関連付けるために、前記コンピュータ使用可能プログラムコードが使用される当該コンピュータプログラム製品において、
・前記１つ又は複数の制約を満たすように、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する当該コンピュータプログラム製品にも関する。
【００６６】
本発明は、
逆方向治療計画方法によって作成された提案内容を記憶するコンピュータデータキャリアであって、以下の：
・１つずつの個別線量ショットが、１つの放射線源によって生成され、１つのターゲット領域の内側及び／又は外側の予め設定されている１つの位置及び入射角と１つの大きさと１つの形とを有する一組の個別線量ショットを事前演算するステップと、
・１つ又は複数の制約に基づいて、１つの重みを１つずつの個別線量ショットに関連付けるステップとを有する当該コンピュータデータキャリアにおいて、
・前記１つ又は複数の制約を満たすように、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する当該コンピュータデータキャリアにも関する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の形態にしたがうコンピュータプログラム製品のコンピュータ使用可能プログラムコードが実行され得る、データ処理システムの実施の形態の例である。
【図２】本発明による逆方向治療計画システムの実施の形態で実行され得る方法のフローチャートを示す。
【図３】目標臓器及び危険な状態にある臓器を示す、シミュレートされた前立腺癌患者に対する人体の骨盤の横断層像である。
【図４】目標臓器及び危険な状態にある臓器の３次元モデルである。
【図５ａ】同じにシミュレートされた患者に関する５ビーム治療に対する線量分布を横断面で示す。
【図５ｂ】同じにシミュレートされた患者に関する５ビーム治療に対する線量分布を矢状面で示す。
【図５ｃ】同じにシミュレートされた患者に関する５ビーム治療に対する線量分布を冠状面で示す。
【図６】従来の５ビーム治療に対する線量分布のヒストグラムと、本発明の方法によって得られた線量分布のヒストグラムとを示す。
【図７ａ】同じにシミュレートされた患者に関する１０ビーム治療に対する線量分布を本発明の方法で得られた横断面で示す。
【図７ｂ】同じにシミュレートされた患者に関する１０ビーム治療に対する線量分布を本発明の方法で得られた矢状面で示す。
【図７ｃ】同じにシミュレートされた患者に関する１０ビーム治療に対する線量分布を本発明の方法で得られた冠状面で示す。
【図８】５ビーム治療と１０ビーム治療との間の線量分布ヒストグラムに関する比較である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
本発明は、放射線源のＬＩＮＡＣに関連してより詳しく説明されるものの、本発明は、ここでは上記で説明したようにその他の多くの放射線源に関連する適応性を発見し得る。例えば、本発明は、ガンマ線源のようなその他の放射線源、例えば６０Ｃｏ源、又はＸ線、又はｋｅＶ若しくはＭｅＶの範囲内の制動放射線、又は粒子、特に陽子のビームを使用し得るが、イオン、電子又は放射線線量を標的へ放出可能なその他の適切な任意の放射線も使用し得る。
【００６９】
図１は、本発明の実施の形態にしたがうコンピュータプログラム製品のコンピュータ使用可能プログラムコードが実行され得る、データ処理システム１００の実施の形態の例である。
【００７０】
本発明による逆方向治療計画システム１００は、
・少なくとも１つのデータバスシステム１０２と、
・データバスシステム１０２に結合された、コンピュータ使用可能プログラムコードを有する一次記憶装置１０６と、
・データバスシステム１０２に結合された処理装置１０４とを備えている。
【００７１】
図２は、本発明による逆方向（ｉｎｖｅｒｓｅ）治療計画システム１００の実施の形態で実行され得る方法のフローチャートを示す。
【００７２】
好ましくは、
・可能な線量ショットの位置、大きさ及び形のリスト（又はセット）から構成されるディクショナリを事前演算し（ステップ１０）、
・標的領域内の希望する線量と、例えば非常に高い線量照射から保護されるべき領域上の、潜在的な追加の制約とをユーザによって決定し（ステップ２０）、
・当該計画を決定するために、すなわちこれらのショットのうちのどの程度のショットが、どの重みによって実際に使用されるかを見つけ出すために、凸問題（ｃｏｎｖｅｘ  ｐｒｏｂｌｅｍ）を解いて（ステップ３０，４０及び５０）、処理装置１０４が、当該コンピュータ使用可能プログラムコードを実行するように構成されている。
【００７３】
好適な１つの実施の形態では、事前演算された一組の線量ショット（ステップ１０）の位置が、３次元空間内の一定の解像度から成る３次元（３Ｄ）離散グリッド上で特定され得る。
【００７４】
説明したように、図２の第１ステップ（ステップ１０）は、３次元グリッド上の可能な全ての位置で特定される（集中される）可能な複数の線量ショット（若しくは複数の線量分布パターン）又は複数の線量ショット（若しくは複数の線量分布パターン）の部分集合（例えば、当該標的領域内だけで特定される複数の線量ショット（若しくは複数の線量分布パターン））のリスト・ディクショナリを作成することである。
【００７５】
好適な１つの実施の形態では、当該それぞれの３次元グリッド上の連続する２つの位置が、１ｍｍ未満、例えば０．５ｍｍの間隔だけ離間されている。
【００７６】
したがって、当該ディクショナリは、一組の関数
【００７７】
【数１】
0006588975.tif 000002
である。ここで、Ｎは、当該ディクショナリのサイズを示す。
【００７８】
当該ディクショナリのそれぞれの成分ａｊが、「原子」と名付けられる。
【００７９】
完全な線量分布が、それぞれの原子からの寄与度の重み付けされた和として計算され得る。３次元空間の任意の点（ｘ、ｙ、ｚ）の線量ｄが、
【００８０】
【数２】
0006588975.tif 000003
として計算され得る。
【００８１】
ここで、ｓｊは、ｊ番目の原子に関連付けされた重みを示す。
【００８２】
例えば、回転式ガントリーと移動式寝台とを使用する所定のシステムのために、当該ディクショナリが、離散グリッドを球面上に作成するために当該ガントリーの複数の回転角度と当該寝台の複数の位置とを離散化させることによって、及びそれぞれの離散位置及び方向に対して異なるビームの大きさ及び形を検討することによって、取得され得る。
【００８３】
所定のＬＩＮＡＣの位置及び方向に対する別の例としては、マルチリーブコリメータを通過するビームが、離散化された小さい連続した互いに平行な複数の「ビームレット」として離散化され得る。当該それぞれのビームレットが、決定されなければならないそれらに固有の重みを有する。特定のより新しいシステムに対しては、線量率の変調も離散化され得る。
【００８４】
好適な１つの実施の形態では、このステップは、異なる位置、方向、大きさ及び形を有する一組の個別ビームによって生成された、事前演算された個々の線量プロファイルを検討することによって、及びこれらの個別ビームを検討された全てのグリッド点に翻訳することによって、実行され得る。このステップは、例えば当該計画のために取得された医療画像に基づいて、患者の解剖図の物理的特性を考慮することによっても実行され得る。
【００８５】
逆方向計画方法の課題は、ステップ２０でユーザによって課される制約が満たされるように、複数の非零の重みｓｊの最小個数を見つけ出すことである。
【００８６】
完全な線量分布ｄが、３次元空間内の既定の複数の点で、例えば複数の点Ｐの既定のグリッドＧ上で計算され得る。
【００８７】
この線量分布ｄは、
ｆ＝Ａｓ
として定義され得る次元Ｐのベクトルｆによって表され得る。
【００８８】
ここで、Ａは、Ｐ×Ｎの行列である。このＡの複数の列が、グリッドＧのそれぞれの点での各原子によって放出された線量の値である。また、ｓは、次元Ｎの複数の原子の複数の重みの１つのベクトルである。
【００８９】
本発明によれば、ｓは、スパース（ｓｐａｒｓｅ）である必要がある。すなわち、ｓの非零の係数の数Ｋが、Ｎよりも非常に小さい必要がある。代表的な例では、Ｎは、１００，０００以上の大きさである一方で、Ｋは、２０以下の小ささである。
【００９０】
ｓ内の複数の非零成分の複数の位置は、ディクショナリ内のどの原子が治療で使用されるかを決定する。すなわち、これらの位置は、実際の複数のショット形状及びそれらの位置を決定する。
【００９１】
ｓの当該複数の値が、複数のショット重みを決定する。
【００９２】
ディクショナリＡ（図２のステップ１０）を作成すると、複数の非零成分の最小個数による１つのベクトルｓが、ステップ２０でユーザによって規定された線量制約を満たすことによって計算される。
【００９３】
たとえ、図２の線量制約が、当該ディクショナリの事前演算の後にユーザによって入力されるとしても、この入力は、事前演算ステップ１０の前に実行されてもよいことが分かる。
【００９４】
可能な最適化基準は、ベクトルｓの重み付けされたＬ１ノルム（すなわち、ベクトルｓの複数の成分の和）を最小にし、全ての線量制約に合致させる計画を見つけ出すことである。ｓの当該重み付けされたＬ１ノルムは、治療時間に密に関連する。個々の線量ショットの重みだけが最適化されるので、この最適化問題は、凸最適化問題（ステップ５０）として有益に考案され得る（線量制約が、非凸最適化問題に帰着することを保証するため、実際には、個々の線量ショットの位置、大きさ、形及び重みを同時に最適化する）。別の実施の形態では、ベクトルｓの重み付けされたＬ０ノルム（すなわち、零とは違うベクトルｓの複数の成分の個数）を最小にし、全ての線量制約に合致させる計画が提唱されている。別の実施の形態では、ベクトルｓの重み付けされたＬ２ノルムを最小にし、全ての線量制約に合致させる計画が提唱されている。文字Ｔは、標的領域に属する複数の点に対応するベクトルｆの一組のインデックスを示し、文字Ｒは、保護されるべき損傷を受けやすい領域に属する複数の点に対応するベクトルｆの一組のインデックスを示し、Ｑは、残りの一組のインデックスを示す。文字ａｊは、行列Ａのｉ番目の行を示す。ベクトルｆのｉ番目の成分が、
ｆｉ＝ａｊｓ
、すなわちディクショナリＡのｉ番目の行とベクトルｓとの内積として表され得る。したがって、当該最適化計画は、以下の凸問題：
【００９５】
【数３】
0006588975.tif 000004
を解くことによって計算される。
【００９６】
この場合、
【００９７】
【数４】
0006588975.tif 000005
は、重みｗｉ≧０を有するベクトルｓの重み付けされたＬ１ノルムを示し、ｂｍｉｎは、標的領域Ｔでの最小線量であり、ｂｍａｘは、損傷を受けやすい領域Ｒでの最大許容線量であり、ｓ≧０は、ｓの値に関する正の制約を示す。
【００９８】
追加の制約が、等価な制約又は非等価な制約としてステップ２０で上記式に追加され得る。このことは、例えば、希望する線量勾配インデックス、又は標的領域の異なる部分へ放出される最小線量の異なる値、又は保護されるべき領域へ放出される最大線量の異なる値に関連付けられ得る。このとき、この最適化問題は、任意の凸最適化方法によって、例えば凸線形プログラミングアルゴリズムによって解決され得る。
【００９９】
重み付けされたＬ１ノルムは、スパース解を求める凸関数である。すなわち、この制約された最小化問題を解くことは、全ての線量制約に合致する最もスパースなベクトルｓを決定する。
【０１００】
複数のビームの個数とこれらのビームの重みの和とを最小にすることは、治療時間を最小にすることと同じである。グループスパース性を促進するＬ０、Ｌ１又はＬ２ノルムのような構造化されたスパース性を促進するその他の種類の凸ペナルティ（ｃｏｎｖｅｘ  ｐｅｎａｌｔｙ）が採用されてもよい。このアプローチの背後にある思想は、特定のＬＩＮＡＣ技術の特定の構造を活用することである。
【０１０１】
このとき、この最適化問題は、任意の凸最適化方法によって、例えば凸線形プログラミングアルゴリズムによって解決され得る。
【０１０２】
さらに、本発明のシステムが、逆方向治療計画システムを提唱する。この場合、完全な線量分布が、事前演算された複数のシングルショット線量の事前演算ディクショナリ又はライブラリから選択されたシングルショット線量のスパース線形結合としてモデル化されている。
【０１０３】
凸制約最適化手続きは、当該治療計画を決定するために使用される。ショット重みが、スパース性の制約の下で、線量分布に関する制約が満たされることを保証するために最適化される。
【０１０４】
当該最適化手続きは、ユーザが最初のショット位置を提供することを必要とせず、当該凸最適化の策定は、標的領域と高すぎる線量放射に対して保護されるべき損傷を受けやすい組織のようなその他の領域との双方に適用される線量制約を含み得る。
【０１０５】
図１は、本発明によるシステム１００の実施の形態である。図１のシステム１００は、典型的にはクライアント、サーバ等を有し、この図に示されていないコンピュータネットワークの任意のノードに構築されてもよく及び／又はさもなければ稼働してもよい。図１に示された実施の形態では、システム１００は、処理装置１０４と一時記憶装置１０６と持続記憶装置１０８と通信装置１１０と入出力（Ｉ／Ｏ）装置１１２と表示装置１１４との間の通信を提供する通信構造１０２を有する。
【０１０６】
処理装置１０４は、一時記憶装置１０６内に転送され得るソフトウェアのための命令を実行する。処理装置１０４は、１つ以上から構成される一組のプロセッサでもよく、特定の実行に依存するマルチプロセッサコアでもよい。さらに、処理装置１０４は、メインプロセッサが二次プロセッサと一緒にシングルチップ上に存在する異なる１つ以上のプロセッサシステムを使用して実行されてもよい。別の実例としては、処理装置１０４は、同じ種類のマルチプロセッサを有する対称マルチプロセッサシステムでもよい。
【０１０７】
幾つかの実施の形態では、図１に示された一時記憶装置１０６は、ランダムアクセスメモリ又はその他の任意の適切な揮発性記憶装置若しくは不揮発性記憶装置でもよい。持続記憶装置１０８は、特定の実行に応じて様々な方式を採用し得る。例えば、持続記憶装置１０８は、１つ以上の素子又はデバイスを有してもよい。持続記憶装置１０８は、ハードドライブ、フラッシュメモリ、書換形光ディスク若しくは書換形磁気テープ又はこれらの幾つかの組み合わせでもよい。持続記憶装置１０８によって使用される当該記憶媒体は、取り外し式ハードドライブに限定されないものの、取り外し式の記憶媒体でもよい。
【０１０８】
図１に示された通信装置１１０は、その他のデータ処理システム又は装置との通信を提供する。これらの例では、通信装置１１０は、ネットワークインタフェースカードである。モデム、ケーブルモデム及びイーサネットカードが、今現在入手可能な種類のネットワークインタフェースアダプタのいくつかである。通信装置１１０は、物理的な通信リンク若しくは無線の通信リンク又はこれらの両方の通信リンクの使用を介した通信を提供し得る。
【０１０９】
図１に示された入出装置１１２は、システム１００に接続され得るその他の装置とのデータの入力及び出力を可能にする。幾つかの実施の形態では、入出力装置１１２は、キーボード及びマウスを介したユーザ入力のための接続部を提供してもよい。さらに、入出力装置１１２は、プリンタに出力を送信してもよい。表示装置１１４が、ユーザに情報を表示するための機構を提供する。
【０１１０】
オペレーティングシステム用の命令及びアプリケーション又はプログラムが、持続記憶装置１０８上に実装されている。これらの命令は、処理装置１０４による実行のために一時記憶装置１０６内に転送されてもよい。異なる実施の形態の処理が、一次記憶装置１０６のような記憶装置に実装し得るような、コンピュータに実装された複数の命令を使用して処理装置１０４によって実行されてもよい。これらの命令は、処理装置１０４内のプロセッサによって読み取られ実行されるプログラムコード、コンピュータ使用可能プログラムコード又はコンピュータ可読プログラムコードと記される。異なる実施の形態におけるプログラムコードが、一時記憶装置１０６又は持続記憶装置１０８のような物理的な又は実体的な異なるコンピュータ可読媒体上で具現されてもよい。
【０１１１】
プログラムコード１１６は、コンピュータ可読媒体１１８上に関数形式で実装されている。このコンピュータ可読媒体１１８は、選択的に取り外し可能であり、処理装置１０４による実行のためにシステム１００上に転送されてもよく又はシステム１００に送信されてもよい。プログラムコード１１６及びコンピュータ可読媒体１１８は、これらの例におけるコンピュータプログラム製品を構成する。１つの例では、コンピュータ可読媒体１１８は、例えば、持続記憶装置１０８の一部であるハードディスクのような記憶装置上に転送するための持続記憶装置１０８の一部であるドライブ又はその他の装置内に差し込まれるか若しくは設置される光ディスク又は磁気ディスクのような実体的な構成でもよい。１つの実体的な構成では、コンピュータ可読媒体１１８は、システム１００に接続されているハードドライブ、サムドライブ又はフラッシュメモリのような持続記憶装置の構成を採用してもよい。コンピュータ可読媒体１１８の当該実体的な構成は、コンピュータ記録可能記憶媒体とも記される。幾つかの例では、コンピュータ可読媒体１１８は、取り外し可能でなくてもよい。
【０１１２】
この代わりに、プログラムコード１１６が、通信装置１１０に対する通信リンクを通じて及び／又は入出力装置１１２に対する接続を通じてコンピュータ可読媒体１１８からシステム１００に転送されてもよい。実際の例では、当該通信リンク及び／又は当該接続は、物理的でもよく又は無線式でもよい。当該コンピュータ可読媒体は、プログラムコードを有する通信リンク又は無線式の転送のような非実態的な媒体の構成を採用してもよい。
【０１１３】
データ処理システム１００に対して図示された様々な構成要素は、様々な実施の形態が実装され得る態様に対してアーキテクチャ上の制限を課そうとするものではない。データ処理システム１００に対して図示された当該複数の構成要素に加えて又はこれらの構成要素の代わりに、様々な実際の実施の形態が、複数の構成要素を有するデータ処理システム内に実装されてもよい。図１に示されたその他の構成要素が、当該図示された実際の例から変更され得る。例えば、システム１００内の１つの記憶装置は、データを記憶し得る任意のハードウェア装置である。一時記憶装置１０６、持続記憶装置１０８及びコンピュータ可読媒体１１８は、実体的な構成における記憶装置の例である。
【０１１４】
治療計画の決定の例
従来において、放射線治療計画は、以下のように分解され得る：
ａ．腫瘍医が、癌の診断を下し、適切な治療形態、特に放射線治療を選択する。ここでの例は、当該診断が、外部照射療法の必要を示す前立腺癌の例であると仮定する。
ｂ．患者が、ＣＴスキャン又は他の医療画像形成手続きを受ける。標的体積の断層画像が、計画システムに転送される。
ｃ．放射線腫瘍医が、腫瘍へ放出されるべき標的線量を決定し、隣接している危険な臓器及び組織内に課され得る線量に対する上限値と、当該治療を実現するために必要とされる複数のフラクション（ｆｒａｃｔｉｏｎ：分割、断片）の個数とを設定する。
ｄ．放射線物理学者又は放射線腫瘍医が、標的の輪郭と、危険な状態にある隣接している臓器の輪郭とを描く。ほとんどの場合、彼は、保護体積の外側であるが、当該標的のすぐ隣を画定する輪郭もトレースする。図３は、前立腺２０１と保護体積２０５と危険な状態にある臓器である直腸２１５及び膀胱２２５に対して決定された複数の輪郭を示す骨盤の横断面を図示する。図４は、複数の断層スライスに基づく複数の輪郭の３次元復元を示す。このタスクは、専用の幾つかのソフトウェア及び断層解剖アトラスを使用することによって実行されてもよい。
ｅ．放射線物理学者が、ステップｃで決定された臨床標的及び限界線量に基づいて最適化問題に対する境界条件を決定する。
ｆ．通常、当該放射線物理学者が、この段階で、複数の放射ビームの個数及び方向を決定するか、又は回転型強度変調アーク（ＶＭＡＴ）療法の場合には複数の放射線アークの個数及び方向を決定する。この選択は、多くの場合に経験及び実践に基づき、したがってオペレータに左右される。いずれにしても、当該オペレータは、その労力を彼又は彼女が処理できる減少された解空間に限定しようとする。複数のビームの個数と境界条件とを決定すると、当該オペレータが、それぞれのビームのフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）マップと、マルチブレードコリメータの絞りのパラメータと決定するために逆方向計画プログラムを適用する。この段階では、当該アルゴリズムは、その実行時間を許容限界値内に維持するために、放射線相互作用の単純化モデルに基づき、一般的にはペンシルビームアルゴリズムである。例えそうであっても、当該計算時間は、１つの計画のシミュレーションに対して一般に数分又は数十分である。場合によっては、より速い処理時間が、当該複数のビームの個数及び角度を変更することなしに先の解から出発して達成され得る。それにもかかわらず、この段階は、時間を非常に浪費する。こうして得られた線量分布が、図５ａ〜５ｃに示されている。
ｇ．当該放射線物理学者が、臨床標的に適合する計画を得ると、彼は、当該線量分布の精度を向上させ、当該計画を確認するためにモンテカルロシミュレーションを多くの場合に実行する。
ｈ．シーケンサーソフトウェアが、当該フルエンスマップを当該マルチブレードコリメータ内の複数のブレードを位置決めするためのプログラムに翻訳する。このことは、これらのブレードの個数及び厚さ、これらのブレードの最大翻訳速度、これらのブレードの伝達係数、等のような幾つかのパラメータを考慮に入れることを必要とする。
ｉ．当該計画は、水ファントム（ｐｈａｎｔｏｍ）中の実効線量を測定することを含む品質制御ステップでさらに検査されてもよい。
ｊ．それから、効果的な治療が実行され得る。
【０１１５】
本発明の方法は、上記のステップｆ．の複数のビーム円弧の個数とこれらのビーム円弧の方向とを決定するステップの自動化を可能にする。当該方法は、従来の技術で使用された方法よりも遥かに速く多数の解から最適な１つの解を計算することも可能にする。オペレータが、最良の計画を数分又は数十分のうちではなくて、数秒のうちに取得し得る。また、本発明の方法は、人間のオペレータによって対処することが非常に困難である作業を、多数のビームを用いた一回の作業で最適な計画を見つけ出し得る。図６は、熟練の放射線物理学者によって決定された治療計画（破線）と本発明の方法によって見つけ出された治療計画との比較を示す。両計画は、５つのビームを有する。１つの比較は、人間によってコンピュータ化（作成）された計画と本発明によって得られた計画とが標的内の標的線量に達することを可能にすることを示す（曲線２１０及び２１５）。危険な状態にある臓器の分析は、直腸（人間によって作成された計画に対する曲線２２０及び本発明の方法によって作成された計画に対する曲線２２５）が両場合において同等の線量を受ける一方で、膀胱（曲線２３０及び２３５）が本発明の方法によって作成された計画によって遥かに良好に保護されることを示す。当該計画は、数秒内に取得されるので、当該放射線物理学者は、複数のビーム、複数の輪郭又は複数の境界条件の最大個数を変更することのような、より大きい解空間及びテストバリエーションを探索することの可能性を有する。
【０１１６】
当該アルゴリズムは、従来の手段によってほとんど対処され得ないより多くのビームを有する計画も提唱し得る。例えば、図７ａ〜７ｃは、同じにシミュレートされた患者において本発明の方法によって得られた１０ビーム計画に対する線量分布を示す。このことは、危険な状態にある臓器内の線量が何に関係するかに関して、より良好な計画をもたらす。図８は、分布曲線２１９，２２９及び２３９によって示された１０ビーム計画（破線）と５ビーム計画（実線；曲線２１５，２２５，２３５）との比較を示す。１０ビーム計画が、標的の照射と危険な状態にある臓器を保護する照射との双方の点で優れていることが認識され得る。
【０１１７】
重要なことは、複数のビームの個数及びこれらのビームの方向が、本発明のアルゴリズムにおいて制約され得ない点である。しかしながら、多くのビームを有する治療が、より多くの移動段階を有し、より長い期間になる傾向にあるので、複数のビームの個数に上限を設定することが可能である。当該治療の期間が重要でない場合、最大にスパースな解の選択に起因して、本発明の方法は、複数のビームの個数の制約なしに実行され得、最小個数のビームを使用することで標的と境界条件とに合致する計画を提供する。
【０１１８】
１つの実施の形態によれば、本発明によるシステムは、単一のコンピュータの処理装置（ＣＰＵ）上に実装されている。別の実施の形態では、本発明によるシステムは、マルチコアコンピュータ上に実装されている。当該複数のコアが、並列に稼働する。別の実施の形態では、本発明によるシステムは、１つのコンピュータのグラフィックスプロセッシングユニット（ＧＰＵ）上に実装されている。別の実施の形態では、本発明によるシステムは、全体的に並列に又は部分的に並列に稼働する複数のコンピュータ上に実装されている。
【０１１９】
本発明の独自の観点によれば、本発明によるシステムは、（テレトレーニング及び遠隔指導を含む）革新的な複数の訓練シナリオに分配され得る。１つの実施の形態では、インタラクティブな逆方向計画が、テレサービスとして提供される。当該システムは、保護されたインターネット接続を超えてユーザによってアクセスされる１つの処理センタ内で稼働する。
【符号の説明】
【０１２０】
１０    事前演算ステップ
２０    ユーザ入力ステップ（制約）
３０    スパース性ステップ
４０    関連付けステップ
５０    最適化ステップ
１００  システム
１０２  データバスシステム
１０４  処理装置
１０６  一時記憶装置
１０８  持続記憶装置
１１０  通信装置
１１２  入出力装置
１１４  表示装置
１１６  プログラムコード
１１８  コンピュータ可読媒体
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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