(57)【要約】  粒子線を、それぞれガウス分布を有する複数のサブビームの集合で近似するサブビーム近似ステップと、複数のサブビームのそれぞれのサブビームが走査装置により偏向されて進行する状態をシミュレーションすることにより、それぞれのサブビームが患者内部に形成するそれぞれのサブビーム線量分布を演算して、演算したそれぞれのサブビーム線量分布を積算することにより粒子線が患者内部に形成する線量分布を求めるサブビーム線量分布演算ステップとを備えるようにした。
2015155819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線の進行方向に垂直な２方向であるＸＹ方向に前記粒子線を偏向して走査する走査装置により、前記粒子線を移動と停留を繰り返すように走査して、前記粒子線の停留ごとに照射対象である患者の患部の前記粒子線のエネルギーに対応した深さの位置を各照射位置としてそれぞれ照射スポットを形成するとともに、前記粒子線のエネルギーを変更して前記照射スポットの深さ方向の位置を変更することで、前記患部を含む前記患者内部に３次元の線量分布を形成する粒子線治療装置における、前記各照射位置に照射する前記粒子線のそれぞれの照射量を求める演算ユニットを備えた粒子線治療計画装置において、
前記演算ユニットは、
前記粒子線を、それぞれガウス分布を有する複数のサブビームの集合で近似するサブビーム近似部と、
前記複数のサブビームのそれぞれのサブビームが前記走査装置により偏向されて前記患者に形成するサブビーム線量分布を演算して、演算した前記サブビーム線量分布を積算することにより、前記各照射位置を照射する前記粒子線が前記患者内部に形成するそれぞれの線量分布を求めるサブビーム線量分布演算部と、
前記各照射位置を照射する粒子線が前記患者内部に形成するそれぞれの線量分布を積算して求めた前記患者内部に形成される全線量分布が治療計画で設定された目標線量分布となるように、前記各照射位置に照射する前記粒子線のそれぞれの照射量を最適化計算により求める照射量最適化部と
を備えたことを特徴とする粒子線治療計画装置。
【請求項２】
前記サブビーム近似部において、相対的に小さい数のサブビームの集合である第１のサブビームの集合、および相対的に大きい数のサブビームの集合である第２のサブビームの集合の２つのサブビームの集合でそれぞれ前記粒子線を近似し、前記照射量最適化部において前記第１のサブビームの集合を用いて求めた結果の前記各照射位置に照射する前記粒子線のそれぞれの照射量を前記最適化計算の初期値として、前記第２のサブビームの集合を用いて、前記各照射位置に照射する前記粒子線のそれぞれの照射量を求めることを特徴とする請求項１に記載の粒子線治療計画装置。
【請求項３】
ペンシルビーム状の粒子線を走査装置により偏向して患者の患部に照射するときの、患者内部に形成される線量分布をシミュレーションする粒子線照射のシミュレーション方法において、
前記粒子線を、それぞれガウス分布を有する複数のサブビームの集合で近似するサブビーム近似ステップと、
前記複数のサブビームのそれぞれのサブビームが前記走査装置により偏向されて進行する状態をシミュレーションすることにより、前記それぞれのサブビームが前記患者内部に形成するそれぞれのサブビーム線量分布を演算して、演算した前記それぞれのサブビーム線量分布を積算することにより前記粒子線が前記患者内部に形成する線量分布を求めるサブビーム線量分布演算ステップと
を備えたことを特徴とする粒子線照射のシミュレーション方法。
【請求項４】
粒子線の進行方向に垂直な２方向であるＸＹ方向に前記粒子線を偏向して走査する走査装置により、前記粒子線を移動と停留を繰り返すように走査して、前記粒子線の停留ごとに照射対象である患者の患部の前記粒子線のエネルギーに対応した深さの位置を各照射位置としてそれぞれ照射スポットを形成するとともに、前記粒子線のエネルギーを変更して前記照射スポットの深さ方向の位置を変更することで、前記患部を含む前記患者内部に３次元の線量分布を形成する粒子線治療装置における前記患者内部の線量分布をシミュレーションにより求める粒子線照射のシミュレーション方法において、
前記粒子線を、それぞれガウス分布を有する複数のサブビームの集合で近似するサブビーム近似ステップと、
前記複数のサブビームのそれぞれのサブビームが前記走査装置により偏向されて進行する状態をシミュレーションすることにより、前記それぞれのサブビームが前記患者に形成するサブビーム線量分布を演算して、前演算した前記サブビーム線量分布を積算することにより、前記各照射位置を照射する前記粒子線が前記患者内部に形成するそれぞれの線量分布を求めるサブビーム線量分布演算ステップと、
を備えたことを特徴とする粒子線照射のシミュレーション方法。
【請求項５】
前記サブビーム線量分布演算ステップにおいて求めた前記それぞれの線量分布を積算して得られる、前記患者内部に形成される全線量分布が治療計画で設定された目標線量分布となるように、前記各照射位置に照射する前記粒子線のそれぞれの照射量を最適化計算により求める照射量最適化ステップを備えたことを特徴とする請求項４に記載の粒子線照射のシミュレーション方法。
【請求項６】
前記サブビーム近似ステップにおいて、相対的に小さい数のサブビームの集合である第１のサブビームの集合、および相対的に大きい数のサブビームの集合である第２のサブビームの集合の２つのサブビームの集合でそれぞれ前記粒子線を近似し、前記照射量最適化ステップにおいて前記第１のサブビームの集合を用いて求めた結果の前記各照射位置に照射する前記粒子線のそれぞれの照射量を前記最適化計算の初期値として、前記第２のサブビームの集合を用いて前記各照射位置に照射する前記粒子線のそれぞれの照射量を求めることを特徴とする請求項５に記載の粒子線照射のシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、粒子線を患部に照射して、がんなどを治療する粒子線治療装置における照射パラメータを決定する粒子線治療計画装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療は、加速器等の機器を用いて陽子や炭素イオンなどの荷電粒子を核子数百メガ電子ボルト程度まで加速し、加速された荷電粒子の束である粒子線を患者に照射することで体内の腫瘍に線量を付与し、腫瘍を治療する方法である。実際の照射においては、腫瘍に対して医師により指示される線量分布に出来るだけ近い線量分布を形成することが重要である。医師により指示される線量分布を目標線量分布と呼ぶ。多くの場合目標線量分布は、腫瘍内において線量が均一であり、かつ腫瘍外において腫瘍内よりも線量が出来るだけ低くなるような分布である。【０００３】
一般的に、加速器で加速された粒子線を物体（人体含む）に照射した場合、物体内での３次元線量分布はある一点で線量最大ピークを持つという特性がある。この線量最大ピークをブラッグピークと呼ぶ。また、３次元空間において一点の線量最大ピークを持つ場合、そのピーク位置をその粒子線の「照射位置」として定義する。このようなピーク構造を持つ粒子線を用いて、３次元の目標線量分布を形成するためには何らかの工夫が必要である。【０００４】
目標線量分布を形成するため方法のひとつに、スキャニング照射法がある。この方法を実施するためには、電磁石等を用いて、粒子線の照射方向を、粒子線の進行方向であるＺ方向に対して垂直な方向であるＸＹの２次元方向に任意に偏向する機能、および、粒子エネルギーの調整によりブラッグピークが形成される位置、すなわち照射位置をＺ方向に任意に調整する機能が必要である。一般的に、粒子線発生装置である加速器はエネルギー調整機能も備えている。そして腫瘍内に複数の照射位置（照射スポットとも呼ぶ）を設定し、上記２つの機能を用いて、それぞれの照射位置に対して粒子線を順に照射していく。スキャニング照射法では、各照射位置に照射する粒子線の照射量のバランスをあらかじめ決めておき、各照射位置に照射したときに形成されるそれぞれの線量分布を合算することで、結果的に目標線量分布を形成する。【０００５】
そこで、合算した３次元線量分布が腫瘍を治療するために腫瘍範囲をカーバする分布になるように、各照射位置に対して照射すべき粒子線の量（粒子の個数）を決定するには、各照射位置に照射したときに形成される線量分布をシミュレーションにより求める必要がある。【０００６】
従来の線量分布を計算するシミュレーション装置においては、ビームをパルス関数状のビームレットに分割し、各ビームレットの照射を重ね合わせることにより患者体内における線量分布を計算するようにしているものがある（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−２１７８８０号公報（図４、図５など）
【特許文献２】国際公開ＷＯ００／０１５２９９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ビームレットに分割して線量分布を計算する計算方法では、１個のビームスポットを照射することにより患者体内に形成される３次元線量分布を正確に計算するためには、多くのビームレットを発生させる必要がある。このため、ビームレットに分割する計算方法を、複数のビームスポットにより患部全体を照射するスキャニング照射法に適用する場合、計算時間が膨大になるという問題があった。【０００９】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、粒子線を患部に走査しながら順次照射スポットを照射することにより患者体内に形成される３次元線量分布を効率的に精度よく計算できる粒子線治療計画装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の粒子線治療計画装置は、粒子線の進行方向に垂直な２方向であるＸＹ方向に粒子線を偏向して走査する走査装置により、粒子線を移動と停留を繰り返すように走査して、粒子線の停留ごとに照射対象である患者の患部の粒子線のエネルギーに対応した深さの位置を各照射位置としてそれぞれ照射スポットを形成するとともに、粒子線のエネルギーを変更して照射スポットの深さ方向の位置を変更することで、患部を含む前記患者内部に３次元の線量分布を形成する粒子線治療装置における、各照射位置に照射する粒子線のそれぞれの照射量を求める演算ユニットを備えた粒子線治療計画装置において、演算ユニットは、粒子線を、それぞれガウス分布を有する複数のサブビームの集合で近似するサブビーム近似部と、複数のサブビームのそれぞれのサブビームが走査装置により偏向されて患者に形成するサブビーム線量分布を演算して、演算したサブビーム線量分布を積算することにより、各照射位置を照射する粒子線が患者内部に形成するそれぞれの線量分布を求めるサブビーム線量分布演算部と、各照射位置を照射する粒子線が患者内部に形成するそれぞれの線量分布を積算して求めた患者内部に形成される全線量分布が治療計画で設定された目標線量分布となるように、各照射位置に照射する粒子線のそれぞれの照射量を最適化計算により求める照射量最適化部とを備えるようにしたものである。【００１１】
また、本発明の粒子線照射のシミュレーション方法は、粒子線を、それぞれガウス分布を有する複数のサブビームの集合で近似するサブビーム近似ステップと、複数のサブビームのそれぞれのサブビームが走査装置により偏向されて進行する状態をシミュレーションすることにより、それぞれのサブビームが患者内部に形成するそれぞれのサブビーム線量分布を演算して、演算したそれぞれのサブビーム線量分布を積算することにより粒子線が患者内部に形成する線量分布を求めるサブビーム線量分布演算ステップとを備えるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、粒子線をスキャニング照射法により照射するときに患者体内に形成される３次元線量分布を効率的に精度よく計算できる粒子線治療計画装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による粒子線治療計画装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１による粒子線治療計画装置のシミュレーションにおけるサブビームの断面の概念を説明する模式図である。
【図３】本発明の実施の形態１による粒子線治療計画装置のシミュレーションにおけるサブビームによる近似の例を示す模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１による粒子線治療計画装置のシミュレーションの概念を説明する模式図である。
【図５】本発明の実施の形態１による粒子線治療計画装置のシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１による粒子線治療計画装置のシミュレーションにおけるサブビームによる近似の別の例を示す模式図である。
【図７】本発明の実施の形態２による粒子線治療計画装置のシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態２による粒子線治療計画装置の要部の構成を示すブロック図である。
【図９】粒子線を患部にスキャニング照射法により照射する方法の概念を示す模式図である。
【図１０】スキャニング照射法により照射したときの、粒子線の進行方向である深さ方向（Ｚ方向）に形成される線量分布を説明するための線図である。
【図１１】スキャニング照射法により照射したときの、粒子線の進行方向に垂直な一方向（Ｘ方向）に形成される線量分布を説明するための線図である。
【図１２】粒子線を患部に照射する場合の状態の概念を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
まず図９〜１２を参照して、スキャニング照射法により、腫瘍などの患者の患部に粒子線を照射して患者体内に粒子線の線量分布を形成する方法について説明する。スキャニング照射法を用いた粒子線治療装置では、図９に示すように、粒子線発生装置１から発生された粒子線を、走査装置２によって進行方向と直行する横方向ＸＹ２次元に偏向して走査する。偏向される粒子線は細いペンシルビーム状になっている。図９では、走査された粒子線を、粒子線Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３で示している。各粒子線は患者の体表面６から入射し、患部７の所定深さ位置で停止する。患部７の全領域をカーバするように、粒子線の照射位置が配置され、各照射位置に照射したとにき形成される各線量分布（体内で吸収される線量の分布）の合計が、患者体内に形成される線量分布となる。治療計画において、この合計の線量分布が患部７の領域とほぼ一致するように計画される。治療計画においては、患部には治療に必要な高い線量を与え、患部以外の正常組織にはなるべく低い線量が照射されるように、各照射位置に照射する粒子線の照射量が最適化される。
【００１５】
図１０と図１１は患部を走査する粒子線によって３次元線量分布が形成される様子を一次元ずつ示している。図１０は粒子線の進行方向である深さ方向（Ｚ方向）の線量分布の例を示している。ａ〜ｆで示す曲線は、それぞれ粒子線のエネルギーが異なる場合の深さ方向の線量分布の例を示している。図１０に示すように、粒子線のエネルギーが異なることにより吸収線量のピーク位置、すなわちブラッグピークの位置が異なり、粒子線のエネルギーを変えることで深さ方向の照射位置を変えることができる。エネルギーが異なるａ〜ｆの粒子線を照射した場合、各照射位置に照射したときの線量分布の合計、すなわちａ〜ｆの曲線で示される線量を積算して形成される線量分布が患者に照射される線量分布となる。図１０では患者に照射される線量分布を破線で示している。図１０に示すように、通常、合計の線量分布が患者の患部の領域でフラットな分布となるよう照射する。
【００１６】
一方、図１１は、粒子線の進行方向と直交する一方向の、ある深さ、例えばブラッグピーク位置での線量分布の例を示している。ここではスキャニング照射法のうち、照射位置をステップ状に移動させて照射するスポットスキャニング照射法の例を示している。スポットスキャニング照射法では、ある照射位置に粒子線を停留させて照射を行い、照射線量が目標線量に達した後、粒子線を隣の照射位置に移動させて停留させ照射する。この工程を繰り返して、粒子線を患部の横方向の全領域に移動することにより患部の横方向の全領域に線量分布を形成する。図１１のｇ〜ｌの曲線が、それぞれ各照射位置に停留して照射される粒子線により形成される線量分布を示し、破線が各照射位置に停留して照射される粒子線により形成される線量分布を合成して得られる合計線量分布を示している。図１１ではＸ方向の分布を示しているが、Ｙ方向も同様である。
【００１７】
以上のように、深さ方向は粒子線のエネルギーを変えて、横方向は走査装置２によって粒子線を移動させて、患部の各照射位置を照射することにより、３次元の患部に線量分布を形成する。粒子線治療においては、治療計画装置において、この線量分布が目標の線量分布になるように、照射する粒子線の各種パラメータを決定する。治療計画装置において各種パラメータを決定するためには、患部に吸収される吸収線量を演算により求める、すなわちシミュレーションする必要がある。シミュレーションはできるだけ精度よく行う必要がある。本発明は、このシミュレーションをできるだけ精度良く、かつ効率的に行うことができる治療計画装置を提供するために考案された。
【００１８】
図１２は、患部７に粒子線を実際に照射する場合の状態を概念的に示す図である。図１２では、走査された粒子線３の断面サイズが照射位置８に向かって、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄと変化していく様子を示している。図１２では、粒子線３の一部は患部７に到達するまでに骨領域２２の付近を通過している。粒子線を１本のビームとして扱う場合、粒子線の一部が異なる組織を通過する状態を精度よくシミュレーションできない。
【００１９】
そこで、ペンシルビームである粒子線を、それぞれガウス分布を有する複数のサブビームの集合で近似する。図１は、本発明の実施の形態１による粒子線治療計画装置の要部の構成を示すブロック図である。図２〜図４は、本発明の実施の形態１による粒子線治療計画装置によるシミュレーションの概念を示す模式図である。図２は粒子線の断面を示す模式図であり、実線がペンシルビームである粒子線（以後実ビームと称する）の断面の輪郭を示す。このような実ビームを破線で示す複数のサブビームの集合で近似する。図２で示す、Ｘ軸上に配置したサブビーム＃１〜＃５の強度分布を図３に示す。図３において、実線で示す実ビームの強度分布を、断面サイズが実ビームの断面サイズより小さく、それぞれガウス分布の強度分布を有するサブビーム＃１〜＃５の集合に分解して近似することができる。
【００２０】
実ビームの分布Ｆ（ｘ、ｙ）をＮ個のサブビームｆ（ｘ-ｘｉ、ｙ-ｙｉ）（ｉ＝１〜Ｎ）で近似する。ｆ（ａ、ｂ）をガウス分布の関数とすると、ｆ（ｘ-ｘｉ、ｙ-ｙｉ）は位置（ｘｉ、ｙｉ）を中心とするガウス分布の関数となる。すなわち、ｆ（ｘ-ｘｉ、ｙ-ｙｉ）はｉ番目のサブビーム、すなわちサブビーム＃ｉの分布を表す。図３に示されるように、ピーク強度が異なるサブビームを合成して実ビームの分布を近似する。すなわち、ガウス分布の関数であるサブビーム＃ｉに重みＷｉを付けて全てのサブビームを合成して、
Ｆ（ｘ、ｙ）≒ΣＷｉ*ｆ（ｘ−ｘｉ、ｙ−ｙｉ）            （１）
となるように、サブビームの集合を決定する。
【００２１】
本発明による粒子線治療計画では、各照射位置に照射される粒子線により形成される患者体内の各線量分布を、式（１）の右辺のそれぞれのサブビームを用いてシミュレーションする。３次元線量分布を計算する際は、図５に示すようなフローでシミュレーションする。まず治療計画で必要な患者３次元ＣＴ画像と、照射方向などその他の照射に必要な照射パラメータを用意する（ステップＳＴ１）。次に、走査ピッチ、最適化計算用条件、等の計算条件を設定する（ステップＳＴ２）。そして、実ビームを、断面において、より小さい断面サイズのガウス分布を有するＮ個のサブビームを用いて近似する。それぞれのサブビームの中心位置（ｘｉ、ｙｉ）、及びその重み計数Ｗｉ（ｉ＝１、２、３……Ｎ）を最適化計算にて求め、その合成した分布形状が実ビーム３の分布形状を近似的に再現するように、すなわち式（１）を満足するようにサブビームの集合を決定する（ステップＳＴ３）。この近似は、後述するサブビームの線量分布計算に基づく実ビームの３次元線量分布の精度を保障するものであり、本発明の重要特徴である。特に、図３に示すように、サブビームの強度分布をガウス分布を有するものにしたことと、そのガウス分布の分布幅を実ビームの分布幅よりも小さい分布幅を有するものにしたことが重要である。
【００２２】
そして、走査された粒子線３の患者体内における３次元線量分布の計算を次のようにして行う。患者体内における３次元線量分布は、それぞれのサブビームが体内に形成する３次元線量分布のそれぞれの計算結果に、それぞれの重み計数Ｗｉ（ｉ＝１、２、３……Ｎ）を乗算し、合計して（重みつきたたき込み計算）算出することで求めることができる。例えば、図４に示すように、走査された粒子線３の５番目のサブビーム＃５は骨領域２２を通過して、骨領域２２と照射位置８の間で停止するように、３次元線量分布を形成する。一方、サブビーム＃３は骨領域２２以外の部分を通過し、照射位置８に停止するまで、その軌跡において３次元線量分布を形成する。そして、サブビーム＃１も同様に、骨領域２２以外の、別の軌跡に沿って、照射位置８に向かって所定の３次元線量分布を形成する。
【００２３】
全てのサブビームについて、それぞれの３次元線量分布を計算し、その結果に各々の重み計数Ｗｉを乗算して、その合計を実ビームの３次元線量分布とする（ステップＳＴ４）。ステップＳＴ４では、各照射スポットを照射する実ビームの、それぞれの実ビームについてこの計算を実施する。ステップＳＴ４では、例えば各照射スポットを単位照射量で照射した場合のそれぞれの３次元線量分布が計算される。各照射スポットを単位照射量で照射した場合のそれぞれの３次元線量分布を用いて、各照射スポットに照射する粒子線の照射量をＭＵｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ：Ｍはスポットスキャニング照射におけるスポットの個数）として、各照射スポットに照射した場合の３次元線量分布を積算することにより患部全体の３次元線量分布を算出することができる。ここで、最適計算により各ＭＵｊを決定する。最適化計算は、ステップＳＴ１とステップＳＴ２で他のパラメータと一緒に入力した最適化アルゴリズムを用いて、患部全体の線量分布が目標線量分布に近い線量分布となるように各ＭＵｊを決定することで実行する（ステップＳＴ５）。決定した照射量ＭＵｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）のリストと、患者体内の線量分布などを出力する（ステップＳＴ６）。実際の粒子線治療では、ここで出力された各スポットにおける粒子線の照射量ＭＵｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）に基づいて、粒子線が患者に照射される。
【００２４】
以上のフローは、図１のブロック図に示すように、粒子線治療計画装置１０における演算ユニット２０において実行される。ステップＳＴ１において準備した照射パラメータや、ステップＳＴ２で設定した計算条件などは、治療計画データ記憶部に記憶される。ステップＳＴ３はサブビーム近似部１１において、ステップＳＴ４はサブビーム線量分布演算部１２において、ステップＳＴ５は照射量最適化部１３において、それぞれ実行される。
【００２５】
このように、粒子線をスキャニング照射法により照射して、患部領域に３次元の所定線量分布を形成するため、粒子線の強度分布をガウス形状に近似させ、更にそのガウス形状をガウス分布を有する複数のサブビームの集合により近似する。この複数のサブビームのそれぞれのサブビームが走査装置により偏向されて進行する状態をシミュレーションすることにより、患者体内に形成される３次元線量分布を計算するようにした。そのため、患者体内に存在する骨領域２２などの付近を通過した際、骨領域の影響を正確に考慮して、粒子線の３次元線量分布を計算することが可能である。また、それぞれのサブビームの位置（ｘｉ、ｙｉ）、及びその重み計数Ｗｉ（ｉ＝１、２、３……Ｎ）を最適化計算にて求め、その合成した形状が実ビームの分布を近似的に再現するようにした。このため、実ビームの近似として、精度を保障し、高い精度にて、走査された実ビームによる３次元線量分布を計算できる効果がある。この近似は、特に、サブビームの強度分布をガウス分布としたことと、そのガウス分布の分布幅を実ビームの分布幅よりも小さくしたことが重要である。そうすることにより、高い精度で実ビームの強度分布を近似でき、高い計算精度が得られる。
【００２６】
本発明では、複数のサブビームのそれぞれのサブビームが走査装置により偏向されて進行する状態をシミュレーションする。すなわち、サブビームの軌跡をそれぞれ別々に演算することにより、それぞれのサブビームが異なる位置を進むようシミュレーションできるため、実ビームが進行方向に沿って進むと共にビームサイズが大きくなっていく現象を精度よく再現できる効果がある。特にビームの媒質が不均一であった場合に、ビームの進行とともにビームサイズが大きくなっていく過程が位置により異なる現象を精度よく再現できる。さらに一般的には、媒質中を進む粒子線のＸＹ方向の分布はガウス分布で精度良く近似できることが知られており（例えばHighlandの式。[参考文献：V.L.Highland,  “Some  practical  remarks  on  multiple  scattering”,  Nucl.Instrum  &  Methodb,74,497,1993]）、サブビームの分布としてガウス分布を用いることで、走査された粒子線により患者体内に形成される３次元線量分布をより高い精度で計算できる。この点からも精度の高い粒子線治療計画装置を得ることが可能である。
【００２７】
以上では、実ビームの強度分布がガウス分布に近似できる場合を例に説明したが、実際の実ビームの分布は、必ずしもガウス分布であるとは限らない。特に粒子線が炭素線である場合、実ビームの軸付近ではガウス分布で近似できるものの軸から遠い位置では「大角度成分」と呼ばれる広く裾を引く分布が存在し、この影響により、実ビームをガウス分布で近似する方法では最終的な線量分布を精度よく計算できない可能性がある。この場合でも図６のように、大角度成分に対応する１つ以上のガウス分布のサブビームを導入することによって、実ビームの裾の分布を再現でき、上記した方法で患者体内に形成される線量分布を計算できる。
【００２８】
実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２による粒子線治療計画装置のシミュレーションの手順を示すフローチャート、図８は本発明の実施の形態２による粒子線治療計画装置の構成を示すブロック図である。以下、この発明の実施の形態２を図７および図８に基づいて説明する。まず治療計画で必要な患者３次元ＣＴ画像と、照射方向などその他のパラメータを用意する（ステップＳＴ１）。次に、走査ピッチ、最適化計算用条件、等の計算条件を設定する（ステップＳＴ２）。次に、サブビームの個数を例えばＮ１個（Ｎ１＝１、３、５、７、９、、のいずれか）とし、図１に示す粒子線３（実ビーム）を、図２に示すように実ビームの断面において、実ビームよりも小さい断面サイズ（但し、Ｎ１＝１とした場合は実ビームと同じ断面サイズ）を有するガウス形状の分布を有するサブビームを用いて近似する（ステップＳＴ１１）。すなわち、それぞれのサブビームの中心位置（ｘｉ、ｙｉ）、及びその重み計数Ｗｉ（ｉ＝１、２、３……Ｎ１）を最適化計算にて求め、その合成した形状が実ビーム３の分布を近似的に再現するように、すなわち式（１）を満足するようにサブビームの集合を決定する。このＮ１個のサブビームの集合を第１のサブビームの集合とする。
【００２９】
そして、走査された粒子線３の患者体内における３次元線量分布の計算を次のようにして行う。患者体内における３次元線量分布は、それぞれのサブビームが体内に形成する３次元線量分布のそれぞれの計算結果に、それぞれの重み計数Ｗｉ（ｉ＝１、２、３……Ｎ）を乗算し、合計して（重みつきたたき込み計算）算出することで求めることができる。例えば、図４に示すように、走査された粒子線３の５番目のサブビーム＃５は骨領域２２を通過して、骨領域２２と照射位置８の間で停止するように、３次元線量分布を形成する。一方、サブビーム＃３は骨領域２２以外の部分を通過し、照射位置８に停止するようにその飛程において３次元線量分布を形成する。そして、サブビーム＃１も同様に、骨領域２２以外の、別の軌跡に沿って、照射位置８に向かって所定の３次元線量分布を形成する。
【００３０】
このように、第１のサブビームの集合の全てのサブビームについて、それぞれの３次元線量分布を計算し、その結果に各々の重み計数Ｗｉを乗算して、その合計を実ビーム３の３次元線量分布とする（ステップＳＴ１２）。ステップＳＴ１２では、各スポットを照射する実ビームの、それぞれの実ビームについてこの計算を実施する。ステップＳＴ１２では、例えば各照射スポットを単位照射量で照射した場合のそれぞれの３次元線量分布が計算される。各照射スポットを単位照射量で照射した場合のそれぞれの３次元線量分布を用いて、各照射スポットに照射する粒子線の照射量をＭＵｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ：Ｍはスポットスキャニング照射におけるスポットの個数）として、各照射スポットに照射した場合の３次元線量分布を積算することにより患部全体の３次元線量分布を算出することができる。ここで、最適計算により各ＭＵｊを決定する。最適化計算は、ステップＳＴ１とステップＳＴ２で他のパラメータと一緒に入力した最適化アルゴリズムを用いて、患部全体の線量分布が目標線量分布に近い線量分布となるように各ＭＵｊを決定することで実行する（ステップＳＴ１３）。
【００３１】
ここまでは、基本的に実施の形態１に示した粒子線治療計画装置の動作フローと同じである。本実施の形態２においては、次に、サブビームの個数をＮ１よりも大きいＮ２に設定して、Ｎ１個のサブビームの集合である第１のサブビームの集合の個数よりも多いＮ２個のサブビームの集合である第２のサブビームの集合により実ビームを近似する（ステップＳＴ１４）。そして、ステップ１２と同様に、第２のサブビームの集合について、それぞれの３次元線量分布を計算し、その結果に各々の重み計数Ｗｉ（ｉ＝１、２、３……Ｎ２）を乗算して、その合計を実ビーム３の３次元線量分布とする。各スポットを照射する実ビームの、それぞれの実ビームについてこの計算を実施する（ステップＳＴ１５）。そして、ステップＳＴ１６において、ステップＳＴ１３と同様に、各実ビームの照射量を最適化計算にて算出する。ステップＳＴ１６においては、最適化計算の各実ビームの初期照射量として、ステップＳＴ１３で得たＭＵ１ｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）を用いる。最適化計算により得られた照射量をＭＵ２ｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）とし、ＭＵ２ｊのリストと、患部全体の線量分布などを出力する（ステップＳＴ１７）。実際の粒子線治療では、ここで出力された各スポットにおける粒子線の照射量ＭＵ２ｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）に基づいて、粒子線が患者に照射される。
【００３２】
以上のフローは、図８に示すように、粒子線治療計画装置１０における演算ユニット２０において実行される。ステップＳＴ１において準備した照射パラメータや、ステップＳＴ２で設定した計算条件などは、治療計画データ記憶部１５に記憶される。ステップＳＴ１１およびステップＳＴ１４はサブビーム近似部１１において、ステップＳＴ１２およびステップＳＴ１５はサブビーム線量分布演算部１２において、ステップＳＴ１３およびステップＳＴ１６は照射量最適化部１３において、それぞれ実行される。
【００３３】
このように、本実施の形態２では、最初にサブビームの数を相対的に小さい数のＮ１に設定し、まず荒く各実ビームの照射量ＭＵ１ｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）を計算する。続いて、サブビームの数を相対的に大きい数のＮ２に設定して、患部における３次元線量分布を高い精度で計算することにより、最終的に高い精度の各粒子線の照射量ＭＵ２ｊを算出できる。ここでは、Ｎ１を例えば１か３など相対的に小さな数にして、Ｎ２は例えば２１など相対的に大きな数にする。第１のサブビームの集合の数であるＮ１は小さい。３次元線量分布の計算に必要な時間はほぼＮ１に比例するため、最初のステップＳＴ１１〜ＳＴ１３は高速に実行できる。一旦、近似的に各照射位置に照射する粒子線の照射量ＭＵ１ｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）を得た後、ステップＳＴ１４においてサブビームの数をＮ１より大きなＮ２として第２のサブビームの集合を決定し、ステップＳＴ１６において、各粒子線の照射量ＭＵ１ｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）を初期値として最適化計算を実行することにより、少ない回数にて、収束した各粒子線の照射量ＭＵ２ｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）を得ることができる。以上により、計算精度と計算速度の妥協を図ることができ、より効率的に、且つ比較的短時間に、粒子線の照射量ＭＵ２ｊ（ｊ＝１、２、３……Ｍ）を得ることができる。従って、本発明によれば、計算速度が速く、計算精度が高い粒子線治療計画を得ることが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
２  走査装置、３  実ビーム、１０  粒子線治療計画装置、
１１  サブビーム近似部、１２  サブビーム線量分布演算部、
１３  照射量最適化部、２０  演算ユニット。
【図１】
2015155819.tif 000003
【図２】
2015155819.tif 000004
【図３】
2015155819.tif 000005
【図４】
2015155819.tif 000006
【図５】
2015155819.tif 000007
【図６】
2015155819.tif 000008
【図７】
2015155819.tif 000009
【図８】
2015155819.tif 000010
【図９】
2015155819.tif 000011
【図１０】
2015155819.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2015155819.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成28年7月8日(2016.7.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明による粒子線治療計画では、各照射位置に照射される粒子線により形成される患者体内の各線量分布を、式（１）の右辺のそれぞれのサブビームを用いてシミュレーションする。３次元線量分布を計算する際は、図５に示すようなフローでシミュレーションする。まず治療計画で必要な患者３次元ＣＴ画像と、照射方向などその他の照射に必要な照射パラメータを用意する（ステップＳＴ１）。次に、走査ピッチ、最適化計算用条件、等の計算条件を設定する（ステップＳＴ２）。そして、実ビームを、断面において、より小さい断面サイズのガウス分布を有するＮ個のサブビームを用いて近似する。それぞれのサブビームの中心位置（ｘi、ｙi）、及びその重み係数Ｗi（ｉ＝１、２、３……Ｎ）を最
適化計算にて求め、その合成した分布形状が実ビーム３の分布形状を近似的に再現するように、すなわち式（１）を満足するようにサブビームの集合を決定する（ステップＳＴ３）。この近似は、後述するサブビームの線量分布計算に基づく実ビームの３次元線量分布の精度を保障するものであり、本発明の重要特徴である。特に、図３に示すように、サブビームの強度分布をガウス分布を有するものにしたことと、そのガウス分布の分布幅を実ビームの分布幅よりも小さい分布幅を有するものにしたことが重要である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
そして、走査された粒子線３の患者体内における３次元線量分布の計算を次のようにして行う。患者体内における３次元線量分布は、それぞれのサブビームが体内に形成する３次元線量分布のそれぞれの計算結果に、それぞれの重み係数Ｗi（ｉ＝１、２、３……Ｎ
）を乗算し、合計して（重みつきたたみ込み計算）算出することで求めることができる。例えば、図４に示すように、走査された粒子線３の５番目のサブビーム＃５は骨領域２２を通過して、骨領域２２と照射位置８の間で停止するように、３次元線量分布を形成する。一方、サブビーム＃３は骨領域２２以外の部分を通過し、照射位置８に停止するまで、その軌跡において３次元線量分布を形成する。そして、サブビーム＃１も同様に、骨領域２２以外の、別の軌跡に沿って、照射位置８に向かって所定の３次元線量分布を形成する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２３】
全てのサブビームについて、それぞれの３次元線量分布を計算し、その結果に各々の重み係数Ｗiを乗算して、その合計を実ビームの３次元線量分布とする（ステップＳＴ４）
。ステップＳＴ４では、各照射スポットを照射する実ビームの、それぞれの実ビームについてこの計算を実施する。ステップＳＴ４では、例えば各照射スポットを単位照射量で照射した場合のそれぞれの３次元線量分布が計算される。各照射スポットを単位照射量で照射した場合のそれぞれの３次元線量分布を用いて、各照射スポットに照射する粒子線の照射量をＭＵj（ｊ＝１、２、３……Ｍ：Ｍはスポットスキャニング照射におけるスポット
の個数）として、各照射スポットに照射した場合の３次元線量分布を積算することにより患部全体の３次元線量分布を算出することができる。ここで、最適計算により各ＭＵjを
決定する。最適化計算は、ステップＳＴ１とステップＳＴ２で他のパラメータと一緒に入力した最適化アルゴリズムを用いて、患部全体の線量分布が目標線量分布に近い線量分布となるように各ＭＵjを決定することで実行する（ステップＳＴ５）。決定した照射量Ｍ
Ｕj（ｊ＝１、２、３……Ｍ）のリストと、患者体内の線量分布などを出力する（ステッ
プＳＴ６）。実際の粒子線治療では、ここで出力された各スポットにおける粒子線の照射量ＭＵj（ｊ＝１、２、３……Ｍ）に基づいて、粒子線が患者に照射される。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
このように、粒子線をスキャニング照射法により照射して、患部領域に３次元の所定線量分布を形成するため、粒子線の強度分布をガウス形状に近似させ、更にそのガウス形状をガウス分布を有する複数のサブビームの集合により近似する。この複数のサブビームのそれぞれのサブビームが走査装置により偏向されて進行する状態をシミュレーションすることにより、患者体内に形成される３次元線量分布を計算するようにした。そのため、患者体内に存在する骨領域２２などの付近を通過した際、骨領域の影響を正確に考慮して、粒子線の３次元線量分布を計算することが可能である。また、それぞれのサブビームの位置（ｘi、ｙi）、及びその重み係数Ｗi（ｉ＝１、２、３……Ｎ）を最適化計算にて求め
、その合成した形状が実ビームの分布を近似的に再現するようにした。このため、実ビームの近似として、精度を保障し、高い精度にて、走査された実ビームによる３次元線量分布を計算できる効果がある。この近似は、特に、サブビームの強度分布をガウス分布としたことと、そのガウス分布の分布幅を実ビームの分布幅よりも小さくしたことが重要である。そうすることにより、高い精度で実ビームの強度分布を近似でき、高い計算精度が得られる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
実施の形態２．
図７は本発明の実施の形態２による粒子線治療計画装置のシミュレーションの手順を示すフローチャート、図８は本発明の実施の形態２による粒子線治療計画装置の構成を示すブロック図である。以下、この発明の実施の形態２を図７および図８に基づいて説明する。まず治療計画で必要な患者３次元ＣＴ画像と、照射方向などその他のパラメータを用意する（ステップＳＴ１）。次に、走査ピッチ、最適化計算用条件、等の計算条件を設定する（ステップＳＴ２）。次に、サブビームの個数を例えばＮ１個（Ｎ１＝１、３、５、７、９、、のいずれか）とし、図１に示す粒子線３（実ビーム）を、図２に示すように実ビームの断面において、実ビームよりも小さい断面サイズ（但し、Ｎ１＝１とした場合は実ビームと同じ断面サイズ）を有するガウス形状の分布を有するサブビームを用いて近似する（ステップＳＴ１１）。すなわち、それぞれのサブビームの中心位置（ｘi、ｙi）、及びその重み係数Ｗi（ｉ＝１、２、３……Ｎ１）を最適化計算にて求め、その合成した形状が実ビーム３の分布を近似的に再現するように、すなわち式（１）を満足するようにサブビームの集合を決定する。このＮ１個のサブビームの集合を第１のサブビームの集合とする。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
そして、走査された粒子線３の患者体内における３次元線量分布の計算を次のようにして行う。患者体内における３次元線量分布は、それぞれのサブビームが体内に形成する３次元線量分布のそれぞれの計算結果に、それぞれの重み係数Ｗi（ｉ＝１、２、３……Ｎ
）を乗算し、合計して（重みつきたたみ込み計算）算出することで求めることができる。例えば、図４に示すように、走査された粒子線３の５番目のサブビーム＃５は骨領域２２を通過して、骨領域２２と照射位置８の間で停止するように、３次元線量分布を形成する。一方、サブビーム＃３は骨領域２２以外の部分を通過し、照射位置８に停止するようにその飛程において３次元線量分布を形成する。そして、サブビーム＃１も同様に、骨領域２２以外の、別の軌跡に沿って、照射位置８に向かって所定の３次元線量分布を形成する。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
このように、第１のサブビームの集合の全てのサブビームについて、それぞれの３次元線量分布を計算し、その結果に各々の重み係数Ｗｉを乗算して、その合計を実ビーム３の３次元線量分布とする（ステップＳＴ１２）。ステップＳＴ１２では、各スポットを照射する実ビームの、それぞれの実ビームについてこの計算を実施する。ステップＳＴ１２では、例えば各照射スポットを単位照射量で照射した場合のそれぞれの３次元線量分布が計算される。各照射スポットを単位照射量で照射した場合のそれぞれの３次元線量分布を用いて、各照射スポットに照射する粒子線の照射量をＭＵj（ｊ＝１、２、３……Ｍ：Ｍは
スポットスキャニング照射におけるスポットの個数）として、各照射スポットに照射した場合の３次元線量分布を積算することにより患部全体の３次元線量分布を算出することが
できる。ここで、最適計算により各ＭＵjを決定する。最適化計算は、ステップＳＴ１と
ステップＳＴ２で他のパラメータと一緒に入力した最適化アルゴリズムを用いて、患部全体の線量分布が目標線量分布に近い線量分布となるように各ＭＵjを決定することで実行
する（ステップＳＴ１３）。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
ここまでは、基本的に実施の形態１に示した粒子線治療計画装置の動作フローと同じである。本実施の形態２においては、次に、サブビームの個数をＮ１よりも大きいＮ２に設定して、Ｎ１個のサブビームの集合である第１のサブビームの集合の個数よりも多いＮ２個のサブビームの集合である第２のサブビームの集合により実ビームを近似する（ステップＳＴ１４）。そして、ステップ１２と同様に、第２のサブビームの集合について、それぞれの３次元線量分布を計算し、その結果に各々の重み係数Ｗi（ｉ＝１、２、３……Ｎ
２）を乗算して、その合計を実ビーム３の３次元線量分布とする。各スポットを照射する実ビームの、それぞれの実ビームについてこの計算を実施する（ステップＳＴ１５）。そして、ステップＳＴ１６において、ステップＳＴ１３と同様に、各実ビームの照射量を最適化計算にて算出する。ステップＳＴ１６においては、最適化計算の各実ビームの初期照射量として、ステップＳＴ１３で得たＭＵ１j（ｊ＝１、２、３……Ｍ）を用いる。最適
化計算により得られた照射量をＭＵ２j（ｊ＝１、２、３……Ｍ）とし、ＭＵ２jのリストと、患部全体の線量分布などを出力する（ステップＳＴ１７）。実際の粒子線治療では、ここで出力された各スポットにおける粒子線の照射量ＭＵ２j（ｊ＝１、２、３……Ｍ）
に基づいて、粒子線が患者に照射される。
【国際調査報告】
2015155819.tif 000015
2015155819.tif 000016