(57)【要約】  可変のコリメータ角度を有するコリメータを用いて、少なくとも１つのビーム角から送達されるべき計画を生成するための自動放射線療法治療計画作成である。いくつかの可能なコリメータ角度での送達時間が決定され、放射線を送達するときに用いられるコリメータ角度を選択するときに送達時間を考慮に入れるべく最適化問題が定義される。【選択図】図１
2021515685.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射線ビームを成形するのにコリメータが用いられる放射線療法の治療計画を生成するための治療計画作成方法であって、放射線が少なくとも１つのビーム方向から送達されるように計画され、
前記方法が、
・各ビーム方向の第１のフルエンスマップを取得することと、
・各第１のフルエンスマップについて、第１及び第２の可能なコリメータ角度のフルエンスマップの送達パラメータの第１及び第２の値をそれぞれ決定することであって、前記送達パラメータは、ビーム方向とコリメータ角度とのそれぞれの組み合わせのフルエンスマップの送達時間又はモニタ単位に基づくことと、
・前記送達パラメータに依存する目的関数を含む最適化問題を取得することと、
・前記最適化問題に関して最適化を行うことであって、前記最適化は、前記送達パラメータの第１及び第２の値に基づいて、各ビーム方向の可能なコリメータ角度のうちの少なくとも１つを選択することを含み、前記最適化からの出力はコリメータ角度軌道であることと、
・前記最適化の結果を用いて前記コリメータ角度軌道に従う治療計画を生成することと、
を含む、治療計画作成方法。
【請求項２】
前記送達パラメータが、それぞれのコリメータ角度を用いるフルエンスマップの送達時間に基づいており、前記最適化が、前記送達時間を最小にするような様態でコリメータ角度を選択することを含む、請求項１に記載の治療計画作成方法。
【請求項３】
前記送達パラメータが、それぞれのコリメータ角度を用いるフルエンスマップのモニタ単位数に基づいており、前記最適化が、前記モニタ単位数を最小にするような様態でコリメータ角度を選択することを含む、請求項１又は２に記載の治療計画作成方法。
【請求項４】
前記最適化が、すべての選択されたコリメータ角度のパラメータ値の和を最適化するような様態で行われる、先行する請求項のいずれか一項に記載の治療計画作成方法。
【請求項５】
前記最適化の結果を用いて治療計画を生成するステップが、前記選択されたコリメータ角度のフルエンスマップを制御点に変換するステップを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の治療計画作成方法。
【請求項６】
前記最適化の結果を用いて治療計画を生成するステップが、前記コリメータ角度軌道を滑らかな関数に変換するステップをさらに含む、請求項５に記載の治療計画作成方法。
【請求項７】
第１及び第２の可能なコリメータ角度のフルエンスマップの送達パラメータの第１及び第２の値をそれぞれ決定するステップが、少なくとも第１の暫定コリメータ角度を選択し、前記少なくとも第１の暫定コリメータ角度のそれぞれの送達パラメータの暫定値を決定し、前記少なくとも第１の暫定コリメータ角度の暫定値に基づいて少なくとも１つの第２の暫定コリメータ角度を選択し、前記少なくとも第２の暫定コリメータ角度のそれぞれの送達パラメータの暫定値を決定することを含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の治療計画作成方法。
【請求項８】
各ビーム方向の第２のフルエンスマップを取得し、前記第２のフルエンスマップの第１及び第２の可能なコリメータ角度の送達パラメータの第１及び第２の値をそれぞれ決定し、ビーム方向のそれぞれの第１及び第２のフルエンスマップの送達パラメータ値に依存して前記目的関数を最適化することをさらに含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の治療計画作成方法。
【請求項９】
前記最適化問題が、例えば目的関数がコリメータの回転の大きさと速度のうちの少なくとも１つに依存するという点で、前記コリメータの回転の大きさと速度のうちの少なくとも１つを制限する制約を含む、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記最適化問題が、各ビーム角の各フルエンスマップの少なくとも第１及び第２のコリメータ角度に対応するノードと、コリメータ角度間の回転に対応するエッジとを有するグラフに関するグラフ問題として定式化される、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記選択が、第１のビーム角と第２のビーム角との間の前記コリメータの回転の大きさにペナルティを課すことにより、前記コリメータを回転させるのに必要とされる時間にも基づいている、先行する請求項のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
コンピュータで実行されるときに前記コンピュータに先行する請求項のいずれか一項に記載の方法を行わせるコンピュータ可読コード手段を備えるコンピュータプログラム製品。
【請求項１３】
第１のコンピュータデバイスで動作するときに前記デバイスに請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法を行わせるコンピュータで実行可能な命令でエンコードされた非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１４】
プロセッサ（１３）、データメモリ（１４）、及びプログラムメモリ（１６）を備え、前記プログラムメモリが、請求項１３に記載のコンピュータプログラム製品又は請求項１４に記載の非一時的なコンピュータ可読媒体を含む、コンピュータシステム（１１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線療法の治療計画作成のための、特に、強度変調放射線療法の治療計画作成のためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、患者の治療領域を治療するために該領域に向けて光子のビームが送られる放射線療法での治療に関する。周囲組織への線量を制限しながら、治療されるべき領域が所望の線量を受けるように、ビームを成形することが重要である。特に、リスク臓器として知られている放射線感受性の高い臓器は、できる限り保護されるべきである。これを達成するために、周囲組織の各部分が１つのみ又は少数のビームから線量を受ける状態ですべてのビームが標的に到達するように放射線を様々な角度からのビームで提供するために、患者の周りを回転することができるガントリがよく用いられる。ガントリは、患者の周りを完全に回転する、又はその円周のフラクションに沿って部分的に回転することができる。ガントリは、患者の周りを移動する際に放射線を連続的なアークで提供する、又は特定の角度で静的ビームを送達するべく停止することができる。治療フラクションは、複数のアーク又は静的ビーム、又はこれらの組み合わせで構成される場合がある。患者に対する照射の方向を修正するために、アークの送達中に又は静的ビームの送達間で患者カウチも回転する場合がある。ビーム方向を変えるための他の手段が存在し、例えば、放射線源が可動ロボットアーム上にマウントされる場合があるが、この説明の目的上、ガントリが具体例として用いられる。通常、光子療法では、蓄積線量が処方線量にできるだけ正確に一致するようにビームを成形するために、ビーム平面内に配置される、すなわち、ビーム中心軸に垂直な、コリメータが用いられる。
【０００３】
マルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）は、長方形の開口部と、開口部の対向する側部に沿って互いに隣接して配置されるリーフのいくつかのペアと、を有するフレームを備える。リーフペアの２つのリーフは、互いに対向して配置され、開口部の或る部分を完全に閉じる、又は開口部の或る部分のすべて又は一部を露出することができるような様態で移動可能である。各リーフペアは、ＭＬＣの線形部分を画定する。ビームの送達中のＭＬＣの移動パターンを計算するための様々な技術が存在する。例えば、スライディングウィンドウ送達では、リーフがフィールドにわたって一方向に移動し、対向するリーフ間の距離は、フルエンスマップによって決定される時間量にわたって、他の領域は遮蔽された状態で放射線に曝されるべき領域に放射線があたるように選択される。照射をオフに切り替えることなく、複数のスライディングウィンドウリーフスイープを順に送達し、リーフが治療領域上を前後に移動する移動パターンを生み出すことができる。
【０００４】
患者の幾何学的形状に応じて最も適切な様態にビームを制限するために、ＭＬＣは、ビーム中心軸の周りを様々な角度に回転することができる。ビーム中心軸に対するＭＬＣの所与の回転は、コリメータ角度と呼ばれる。患者の幾何学的形状はビーム方向に応じて変化するので、ＭＬＣを様々なガントリ角度で様々なコリメータ角度に回転させることも実行可能であり得る。ＭＬＣはまた、静的ビーム送達中に回転し得る、すなわち、コリメータ角度は、ビーム送達時間又は累積モニタ単位（ＭＵ）の関数であり得る。今日の従来の慣行では、コリメータ角度は、手動で選択され、アーク又は静的ビーム全体にわたって一定に保たれる。
【０００５】
動的なコリメータ角度による治療は、複雑な幾何学的形状を有する標的を治療する、又は特定のビーム方向のビーム経路内にあるリスク臓器を回避するのに特に有用である。連続アーク送達の場合、これは、照射方向と送達時間又は累積ＭＵの関数としてのコリメータ角度軌道の決定を含む。
【０００６】
患者の解剖学的構造に依存してコリメータ角度を適応させることが提案されている。例えば、Ｚｈａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．：  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ  ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ  ｉｎ  ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ａｒｃ  ｔｈｅｒａｐｙ：  ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｐａｒａｓｐｉｎａｌ  ＳＢＲＴ，  Ｉｎｔ．  Ｊ．  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｏｎｃｏｌｏｇｙ  Ｂｉｏｌ．  Ｐｈｙｓ．，  Ｖｏｌ．  ７７，  Ｎｏ．  ２，  ｐｐ．  ５９１−５９９，  ２０１０は、リーフの移動方向が脊髄の主方向と平行になるような様態でコリメータ角度が常に脊髄に依存して決定される、コリメータ軌道の最適化を提案している。これは、脊髄を放射線から最適に保護することができる。
【０００７】
同じタイプの考慮事項に基づいて、Ｙａｎｇ  ｅｔ  ａｌ．：  Ｃｈｏｒｅｏｇｒａｐｈｉｎｇ  ｃｏｕｃｈ  ａｎｄ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ  ｉｎ  ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ａｒｃ  ｔｈｅｒａｐｙ，  Ｉｎｔ．  Ｊ．  Ｒａｄｉａｔｉｏｎ  Ｏｎｃｏｌｏｇｙ  Ｂｉｏｌ．  Ｐｈｙｓ．，  Ｖｏｌ．  ８０，  Ｎｏ．  ４，  ｐｐ．  １２３８−１２４７，  ２０１１は、リーフの移動方向が標的とリスク臓器との重なりの主方向と平行になるような様態でコリメータ角度が常に決定される、コリメータ軌道の最適化を提案している。
【０００８】
したがって、上記引用の２つの文献のどちらも、リーフがリスク臓器を可能な限り完全に遮蔽できるようにコリメータを配向することに焦点をあてている。
【０００９】
ＭａｃＤｏｎａｌｄ  ｅｔ  ａｌ．：  Ｄｙｎａｍｉｃ  ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ  ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ  ａｌｇｏｒｉｔｈｍ  ｆｏｒ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｍｅｔａｓｔａｓｅｓ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｃｏｎｆｏｒｍａｌ  ａｒｃ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｐｌａｎｎｉｎｇ，  Ｍｅｄ．  Ｐｈｙｓ．  ４５（１），  Ｊａｎｕａｒｙ  ２０１８は、各可能なコリメータ角度で放射線ビームからの暴露に露出される非標的領域の量を判定し、この暴露される非標的組織を最小にすることに基づくアルゴリズムを開示している。
【００１０】
患者の幾何学的形状に基づくコリメータ角度の決定は、上記のＹａｎｇ他、Ｚｈａｎｇ他、ＭａｃＤｏｎａｌｄ他によって対処された状況などの特定の状況では有用であり得る。しかしながら、このような推論は、一般的なケースに適用することはできない。患者の幾何学的形状は、特に適切なコリメータ角度の特定を常に可能にするわけではない。
【発明の概要】
【００１１】
本発明の目的は、放射線治療計画作成におけるコリメータ角度軌道の最適化を可能にすることである。
本発明は、放射線ビームを成形するのにコリメータが用いられる放射線療法の治療計画を生成するための治療計画作成方法であって、放射線が少なくとも１つのビーム方向から送達されるように計画され、
前記方法は、
・少なくとも１つのビーム方向の又はそのそれぞれの第１のフルエンスマップを取得するステップと、
・各第１のフルエンスマップについて、第１及び第２の可能なコリメータ角度のフルエンスマップの送達パラメータの第１及び第２の値をそれぞれ決定するステップであって、送達パラメータは、ビーム方向とコリメータ角度とのそれぞれの組み合わせのフルエンスマップの送達時間又はモニタ単位に基づくステップと、
・送達パラメータに依存する目的関数を含む最適化問題を取得するステップと、
・最適化問題に関して最適化を行うステップであって、前記最適化は、送達パラメータの第１及び第２の値に基づいて、各ビーム方向の可能なコリメータ角度のうちの少なくとも１つを選択することを含み、最適化からの出力はコリメータ角度軌道であるステップと、
・最適化の結果を用いてコリメータ角度軌道に従う治療計画を生成するステップと、
を含む、方法に関する。
【００１２】
最初の３つのステップは、任意の適切な順序で行われてよい。送達パラメータは、それぞれのコリメータ角度を用いるフルエンスマップの送達時間に基づくことができ、最適化は、送達時間を最小にするような様態でコリメータ角度を選択することを含む。代替的に又は加えて、送達パラメータは、それぞれのコリメータ角度を用いるフルエンスマップのＭＵに基づくことができ、最適化は、ＭＵを最小にするような様態でコリメータ角度を選択することを含む。
【００１３】
送達時間とＭＵ数は直接の加算量であるため、これらの量の最小化に基づくコリメータ角度の選択は、フルエンスマップごとにコリメータ角度を個別に選択できるという利点を有し、したがって、最適化問題をいくつかの個別のより単純な問題に分割することが可能となり、これらは最終結果を生成するために加算され得る。送達時間及び／又はモニタ単位に加えて、異なるフルエンスマップ間でコリメータを回転させるのに必要とされる時間が最適化において考慮されるべきであるが、アルゴリズムは、依然として時間の寄与の線形加算のみを含むことになる。
【００１４】
この方法は、フルエンスが考慮される治療計画の最適化に特によく適しているが、他の治療計画作成方法で用いられてもよい。最適な静的コリメータ角度を選択する必要がある場合、角度軌道は一点で構成され得る。
【００１５】
最適化は、すべての選択されたコリメータ角度のパラメータ値に基づいて値を最適化するような様態で行われる。最も単純なケースでは、これは、すべての選択されたコリメータ角度のパラメータ値の和、すなわち加重和を最適化することを含み得る。
【００１６】
最適化の結果を用いて治療計画を生成するステップは、通常、選択されたコリメータ角度のフルエンスマップを制御点にマッピングするステップを含む。好ましい実施形態において、最適化の結果を用いて治療計画を生成するステップはまた、コリメータの移動をより滑らかにするために、コリメータ角度軌道を滑らかな関数に変換するステップを含む。
【００１７】
特定のビーム方向で考慮されるべきすべてのコリメータ角度は、一度に決定することができ、その後、対応する送達パラメータ値を決定することができる。代替的に、第１のセットの１つ以上の暫定コリメータ角度とそれらの対応する送達パラメータを最初に決定し、次いで、１つ以上の第２の暫定コリメータ角度を選択し、それらのそれぞれの送達パラメータ値を決定することができる。１つ以上の第２の暫定コリメータ角度は、第１のセットの暫定値と送達パラメータに基づいて選択することができる。これは、最適化に用いられるべき、各ビーム方向の可能な最良のコリメータ角度を選択するために、反復プロセスで望まれる回数だけ繰り返すことができる。
【００１８】
各ビーム方向の線量投与のために１つ以上のコリメータ角度を用いることができる。各ビーム方向で１つよりも多いコリメータ角度が用いられる場合、この方法は、ビーム方向のそれぞれの第２のフルエンスマップを取得し、第２のフルエンスマップの第１及び第２の可能なコリメータ角度の送達パラメータの第１及び第２の値をそれぞれ決定し、ビーム方向のそれぞれの第１及び第２のフルエンスマップの送達パラメータ値に依存して目的関数を最適化することをさらに含む。
【００１９】
好ましい実施形態において、最適化問題は、コリメータの回転の大きさと速度のうちの少なくとも１つを制限する制約を含む。通常、これは、目的関数がコリメータの回転の大きさと速度のうちの少なくとも１つに依存することを意味するが、大きさ及び／又は速度は、代替的に、制約の形態で含まれてよい。
【００２０】
好ましい実施形態において、最適化問題は、各ビーム角の各フルエンスマップの少なくとも第１及び第２のコリメータ角度に対応するノードと、コリメータ角度間の回転に対応するエッジとを有するグラフに関するグラフ問題として定式化される。グラフ問題を解くための公知の方法には、最短経路アルゴリズム、最小費用流アルゴリズム、及び線形計画法アルゴリズムがある。
【００２１】
本発明の方法によって得られる計画は、ビームの移動中に照射するように構成されたシステムでの送達、又は照射中にビームを静的に保つように構成されたシステムでの送達が意図される。
【００２２】
好ましくは、コリメータの回転はまた、第１のビーム角と第２のビーム角との間のコリメータの回転の大きさにペナルティを課すことによって拘束される。これは、目的関数値にごくわずかな利点しかもたらさないコリメータの回転が回避されることを保証し、これにより、最適化された治療計画が不必要に幾何学的に複雑にならないことが保証される。
【００２３】
本発明はまた、コンピュータで実行されるときにコンピュータに前述の方法を行わせるコンピュータ可読コード手段を備えるコンピュータプログラム製品に関する。本発明はまた、第１のコンピュータデバイスで動作するときにデバイスに前述の方法を行わせるコンピュータで実行可能な命令でエンコードされた非一時的なコンピュータ可読媒体に関する。本発明はまた、プロセッサ、データメモリ、及びプログラムメモリを備え、プログラムメモリが、前述のコンピュータプログラム製品又は非一時的なコンピュータ可読媒体を含む、コンピュータシステムに関する。
【００２４】
テストでは、本発明の方法を用いて最適化された計画の送達時間は、固定の最適化されたコリメータ角度を有する計画に比べて大幅に短縮できることが示されている。送達時間に関して最適には及ばない手動で選択された固定のコリメータ角度に比べて、より一層大きな時間節約が可能であり得る。短い送達時間は、患者の不快感の低減、照射中の動きに起因する幾何学的誤差のリスクの低減、並びに散乱及び漏れ照射の潜在的な低減などのいくつかの利点を有する。さらに、放射線療法の治療計画作成では、送達時間と計画の品質との間にトレードオフが存在することがよくある。したがって、動的なコリメータの回転によってもたらされる時間の節約は、治療計画の品質にもプラスの影響を与える可能性がある。
【００２５】
提案した方法は、任意の身体部分及び任意の腫瘍構成に用いられ得るという点で、上記で概説した従来技術の方法よりも一般的に適用可能である。この方法は、スライディングウィンドウリーフモーションパターンがＭＬＣに用いられる場合に主に有用である。しかしながら、この方法は、フルエンスを変調するためにＭＬＣを用いるあらゆるタイプの外部ビーム投与に適用することができる。
【００２６】
本発明に係る方法は、手動で定義されるコリメータ角度軌道の代替として、あらゆるフルエンスベースの放射線治療計画作成システムに組み込むことができる。
図面の簡単な説明
【００２７】
本発明を、例として添付図を参照して以下でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る方法が実施され得る放射線療法送達システムを示す。
【図２】ビームとコリメータと標的との関係性を概略的に示す。
【図３ａ】同じ標的に対する異なるコリメータ角度の影響を例示する。
【図３ｂ】同じ標的に対する異なるコリメータ角度の影響を例示する。
【図４】異なるコリメータ角度へのフルエンスマップのマッピングを例示する。
【図５】ＭＬＣのリーフの移動を例示する。
【図６ａ】様々なガントリ角度でのコリメータ角度に依存する送達時間を描写するグラフを示す。
【図６ｂ】様々なガントリ角度でのコリメータ角度に依存する送達時間を描写するグラフを示す。
【図６ｃ】様々なガントリ角度でのコリメータ角度に依存する送達時間を描写するグラフを示す。
【図７ａ】最短経路問題の形態の治療計画作成のための入力データとして用いられる送達時間を例示する。
【図７ｂ】最短経路問題の形態の治療計画作成のための入力データとして用いられる送達時間を例示する。
【図８】本発明の方法の一実施形態の全体的なフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、放射線治療のイメージング及び／又は計画作成のためのシステム１の概要である。理解されるように、このようなシステムは、任意の適切な様態に設計されてよく、図１に示された設計は単なる例である。患者２は、治療カウチ３上に配置される。システムは、カウチ３上に配置された患者に向けて放射線を放出するためのガントリ７にマウントされた放射線源５を備える。通常は、カウチ３とガントリ７は、患者に可能な限り柔軟且つ正確に放射線を送達できるようにするべく、互いに対していくつかの次元に移動可能である。特に、ガントリは、特定の角度間又はカウチ全体の周りの全３６０°のいずれかでカウチの周りを回転することができる。このようなシステムは、当業者にはよく知られている。ガントリは、対応するビーム方向で患者に放射線が進入するように放射線を患者に向けて放出するために特定のガントリ角度で止まる、又は連続的に回転しながら放射線を放出するように構成される。後者のケースでは、本発明の目的上、回転ガントリによって描かれるアークは、アークセクタに離散化される。
【００３０】
システムはまた、放射線治療計画作成のため及び／又は放射線治療の制御のために用いられ得るコンピュータ１１を備える。理解されるように、コンピュータ１１は、イメージングユニットに接続されない別個のユニットであり得る。コンピュータ１１は、プロセッサ１３、データメモリ１４、及びプログラムメモリ１５を備える。好ましくは、キーボード、マウス、ジョイスティック、音声認識手段、又は任意の他の利用可能なユーザ入力手段の形態の、１つ以上のユーザ入力手段１８、１９も存在する。ユーザ入力手段はまた、外部メモリユニットからデータを受信するように構成され得る。
【００３１】
データメモリ１４は、治療計画を得るのに用いられる臨床データ及び／又は他の情報を備える。データメモリ１４はまた、本発明の実施形態に係る治療計画作成に用いられる１人以上の患者のための１つ以上の線量マップを備える。プログラムメモリ１５は、最適化問題を含む、治療計画の最適化のために構成された、それ自体が公知のコンピュータプログラムを保持する。
【００３２】
治療計画作成の目的上、その計算が、外部のイメージングシステムから提供されるデータに基づいている、コンピュータ１１と類似しているが治療又はイメージングシステムに接続されない、別個のコンピュータシステムが用いられ得る。
【００３３】
目的関数の最小化に基づく最適化は、当該技術分野ではよく知られている。この場合、最適化問題は、前述のように送達時間又はＭＵを制限することに基づく目的関数を含む。
【００３４】
理解されるように、データメモリ１４とプログラムメモリ１５は、概略的にのみ図示され説明されている。それぞれ１つ以上の異なるタイプのデータを保持するいくつかのデータメモリユニット、又はすべてのデータを適切に構造化された様態で保持する１つのデータメモリが存在してよく、同じことがプログラムメモリにも当てはまる。１つ以上のメモリはまた、他のコンピュータ上に格納されてよい。例えば、コンピュータは、方法のうちの１つだけを行うように構成され、最適化を行うための別のコンピュータが存在してよい。
【００３５】
図２は、矢印２５で示される特定のビーム角から照射されている標的、すなわち治療体積２３を有する患者２１を概略的に示す。ビーム内に、コリメータ２７が配置される。コリメータは、いくつかのリーフペア２９ａ、２９ｂ、…、２９ｆを備え、そのそれぞれは、ペア２９ａなどのようにビームを遮蔽するために閉じる、又はペア２９ｂ、２９ｃ、２９ｄなどのようにビームを通過させることができる。リーフペアは、患者に可能な最良の線量分布を提供するべくフルエンスを制御するように設計された領域をコリメータの開口部が露出するように制御される。より複雑な状況では、放射線を受けるべき１つよりも多い治療体積及び／又は放射線から保護されるべき１つ以上のリスク臓器が存在し得る。
【００３６】
図３ａ及び図３ｂは、治療体積３１のビーム方向像がほぼＵ字形の例を用いて、コリメータ角度の変化の影響を例示している。図３ａでは、コリメータリーフ３３は、Ｕの脚に対して垂直に移動し、これは、図でわかるように、Ｕ字形３１の内部の組織が放射線に曝されることを意味する。図３ｂでは、コリメータは、図３ａに示された状況に比べて９０°回転されている。図でわかるように、コリメータリーフ３３は、Ｕ字形の治療体積３１の内部と周りとの両方の周囲組織を遮蔽するのに用いることができる。複数の標的及び／又は標的に近いリスク臓器が存在する場合に同様の状況が生じ得る。
【００３７】
ガントリが患者の周りを移動する際に、ビームから見た場合の、標的の輪郭と、リスク臓器に対する標的の位置が変化することになり、したがって、各ガントリ角度での幾何学的形状に合わせてコリメータ角度を変更する必要がある。コリメータの動的な動きは、線量分布の改善と、治療送達時間の短縮につながる可能性がある。同時に、調整の大きさに応じて、各ガントリ角度でのコリメータ角度の調整には時間がかかる。
【００３８】
患者の周りのガントリの移動に対するコリメータ角度のコンスタントな調整、または送達時間又は累積ＭＵ数の関数としてのコリメータ角度の調整は、コリメータ角度軌道を構成し、これは、例えば最短経路問題として任意の適切な様態で最適化され得る。コリメータ軌道は、すべてのフルエンスマップの送達時間の和と、好ましくはフルエンスマップ間での各コリメータ角度の調整に必要とされる時間も考慮に入れて最適化される。コリメータ角度の最適化の目的関数は、コリメータ角度調節の大きさ又は速度に対するペナルティなどの他の項をさらに含み得る。これは、新しいガントリ角度ごとにコリメータ角度を調整するのにかかる時間が特定のコリメータ角度を用いることによって得られる時間に勝る場合、又はコリメータの回転に対するペナルティが特定のコリメータ角度を用いることによって得られる時間に勝る場合に、最短の送達時間と関連付けられるコリメータ角度を厳密に選択することが実行可能又は最適ではない可能性があることを意味する。大きすぎる又は時間がかかりすぎる回転を防ぐために、コリメータ角度の最適化に制約を含めることもできる。最小化するべき、コリメータ角度の最適化のための全体的な目的関数は、すべてのフルエンスマップにわたる送達時間及び他のペナルティと、適用可能な場合にはガントリ角度間のコリメータ角度の各調整に必要とされる時間との和である。
【００３９】
静的なコリメータ角度の選択の場合、コリメータ角度軌道は一点に減少し、ガントリ角度間のコリメータ角度の調整に必要とされる時間はゼロに減少する。
【００４０】
ガントリ角度ごとに、治療領域の各部分に適用されるべき放射線の量を示すフルエンスマップが計算される。図４は、ビームがページに向けて誘導されているかのように見える、ビーム平面内で第１の配向を有するコリメータ４１上へのフルエンスマップのマッピングを示す。フルエンスマップは、サブエリア４３に分割される。理解されるように、コリメータの異なる配向４１’を示す破線で例示されるようにコリメータが回転される場合、コリメータ上へのフルエンスマップの新しいマッピングが決定されなければならず、結果的に新しいサブエリア４３’が生じる。回転されたコリメータを表す更新されたマッピングは、バイリニア補間又は最近隣補間などの適切な補間法を用いてオリジナルのフルエンスマップを回転されたグリッド上にリサンプリングすることによって計算することができる。
【００４１】
図５は、このリーフペアによって覆われ得る又は露出され得る線形領域である領域に適用されるフルエンスに依存する、スライディングウィンドウ方式の移動における一対のコリメータリーフの移動を例示する。ａとマークされている図５の上側部分は、線形領域にわたるフルエンスの線図である。図でわかるように、それぞれ第１の位置ｐ１と第２の位置ｐ２に２つのピークが存在し、大量の放射線に曝されるべき第１の領域及び第２の領域に対応する。この例での線形領域の残りの部分は、放射線に曝されるべきではない。
【００４２】
図５の下側部分は、フルエンス線図に関連して示されている、スライディングウィンドウアルゴリズムによって計算される、１つのリーフペアのリーフペア位置の時間系列である。第１の位置ｂ１では、リーフは閉じており、コリメータ開口部の一番左の位置にある。次いで、リーフは、線図の下の矢印で示すように左から右へ一緒に移動する。第１のピークの最も左のエッジに到達すると、ｂ２に示すように、左のリーフが停止し、右のリーフが、第１のフルエンスピークに対応する領域全体が露出されるまで移動し続ける。正確な移動パターンと露出時間は、露出領域への所望のフルエンスによって決まる。一定時間後に、左のリーフが右のリーフに追従し、それらはｂ３に示すように第１のピークの右のエッジで閉じられ、第２のピークの最も左のエッジに到達するまで一緒に移動し続ける。ここで、ｂ４に示すように、左のリーフが停止し、右のリーフが、第２のフルエンスピークに対応する領域全体が露出されるまで移動し続ける。一定時間後に、左のリーフが右のリーフに追従し、それらはｂ５に示すように第２のピークの右のエッジで閉じられ、コリメータ開口部の最も右のエッジまで一緒に移動する。次の移動は、次のガントリ角度で、通常は異なるコリメータ角度で、図面で見た場合に右から左となる。
【００４３】
図６ａ、図６ｂ、及び図６ｃは、それぞれ、１つのガントリ角度での、各可能なコリメータ角度での送達時間を表す、３つの異なる線図を示す。本発明によれば、対応する情報は、いくつかのガントリ角度で、例えば１０°間隔で３６０°にわたって、すなわち、３６の線図で決定される。
【００４４】
０°のガントリ角度に対応する図６ａに示された第１の線図では、およそ６０°のコリメータ角度で目的関数の最小値が達成される。技術的な理由から、−９０°〜９０°の範囲の１８０°の角度領域が適用される。およそ６０°に別のほぼ最小値が存在する。およそ４０°のガントリ角度に対応する図６ｂに示された第２の線図では、約３０°のコリメータ角度で可能な最短の送達時間が達成される。９０°のガントリ角度に対応する図６ｃに示された第３の線図では、約−４０°のコリメータ角度で可能な最短の送達時間が達成される。理解されるように、これらは単なる任意の例であり、曲線の真のセットは全く異なるように見えることがある。また、本発明によれば、どの様態においても必ずしも曲線を決定又は表示する必要はない。
【００４５】
図７ａ及び図７ｂは、ソースノードｓ及びシンクノードｔと、ソースノードとシンクノードの間のビーム方向及びコリメータ角度の各組み合わせに関する、送達時間をリストするノードを備える例示的なグラフを示す。グラフのアルゴリズムでは、ノードは頂点とも呼ばれる場合がある。この例では、１つのビーム方向から次のビーム方向への変更ごとに、コリメータ角度を自由に変更することができる。ノードの各ペア間で、コリメータ角度の変化の大きさに対応して有向エッジが定義される。可視性のために、異なるノードから始まるエッジに異なるパターンが用いられる。選択されるビーム方向は、フルエンスマップに対応する。図１に示すようにガントリを動かすことによってビーム方向が変更された実際の実装では、グラフは、ガントリ軌道全体のフルエンスマップごとに１つの層を備え、各層は、いくつかの可能なコリメータ角度での値をもつノードを有する。各層のノードの数は、コリメータの可能な最大回転によって制限され得る、又はノードは、０°から３６０°のすべての角度の離散化であり得る。図７ａ及び図７ｂは、０°から２０°の３つだけのビーム方向と、ビーム方向ごとに３つだけのコリメータ角度０°、２°、及び４°を示す。これらの値は、原理を例示するための単なる例として選択されている。図７ａでは、各ノードは、フルエンス送達時間を数値として表示し、各エッジには、コリメータ角度の変化に関係したペナルティが割り当てられる。この例では、コリメータの２°の回転ごとに１のペナルティがエッジに割り当てられる。これは、図７ａに、エッジのそれぞれに割り当てられた数値０、１、又は２でそれぞれ示されている。同じコリメータ角度に対応する２つのノード間のエッジはペナルティを受けないため、数値は０である。２°の差がある２つのノード間のエッジは、１のペナルティを受ける。０から４度の、又はその逆の、４°の差がある２つのノード間のエッジは、２のペナルティを受ける。もちろん、フルスケールの例では、より大きいペナルティとなる、コリメータ角度間のより大きい差も考慮しなければならない。
【００４６】
この例でわかるように、０°のガントリ角度でのフルエンスの可能な最短の送達時間は、０°のコリメータ角度で４秒である。１０°のガントリ角度での可能な最短の送達時間は、４°のコリメータ角度で２秒である。２０°のガントリ角度での可能な最短の送達時間は、２°のコリメータ角度で５秒である。したがって、各ガントリ角度でフルエンスを実際に送達する時間だけを考えた場合、コリメータ角度は、０°から４°から２°の軌道に従うべきである。しかしながら、全体的な目的関数値はまた、エッジに割り当てられたペナルティに依存する。したがって、場合によっては、一方又は両方のガントリ角度で、送達時間が僅かにより長いが、コリメータ角度の調整のためのペナルティに起因する寄与を制限することによって全体的な目的関数値が減少する、コリメータ角度を選択するほうがよい。しかしながら、通常のケースでは、コリメータの回転の送達時間は、対応するフルエンスマップの送達時間に含まれる。このケースでは、コリメータの回転には既にペナルティが存在する。このようなケースであっても、コリメータの回転にペナルティを追加して、コリメータの角度軌道が不必要に複雑にならないようにすることは依然として実行可能であり得る。
【００４７】
図７ｂは、図７ａと同じ状況を示しており、ノードのウェイトを入射エッジに伝達することによって標準の有向非巡回グラフに再定式化される。図でわかるように、各エッジには、該エッジによって表されるコリメータ角度の変化に関係したペナルティと、図７ａから得られた次のノードのフルエンス送達時間との和である数値が割り当てられる。例えば、ガントリ角度が１０°でコリメータ角度が０°の場合、ビーム方向が１０°でコリメータ角度が０°、２°、及び４°を表すノードからのエッジには、それぞれ３＋０＝３、５＋１＝６、及び３＋２＝５が割り当てられる。同様に、ガントリ角度が２０°でコリメータ角度が２°の場合、ガントリ角度が０°でコリメータ角度が０°、２°、及び４°を表すノードからのエッジには、それぞれ５＋１＝６、５＋０＝５、及び５＋１＝６が割り当てられる。
【００４８】
一般に、最適化問題には、２つのガントリ角度間のコリメータの角度移動の大きさを減少させるように設計された制限関数が含まれている必要がある。制限関数は、移動を最大の角度差に厳密に制限する、制約として設計され得る。制限関数はまた、コリメータが２つのガントリ角度間で行う角度移動に応じて、計算された合計送達時間に或る時間量を追加するためのペナルティとして設計され得る。例えば、ペナルティは、ｎ度までの自由な移動を可能にし、ｎを超える各°に固定時間を追加することができ、ｎは、０から３６０の間の任意の数である。もちろん、２つの組み合わせ、すなわち、角度移動の厳しい制限と移動の大きさを制限するために設定されたペナルティとの両方が適用されてもよい。
【００４９】
図８は、本発明の方法の一実施形態のフローチャートである。このフローチャートの結果は、最適化された治療計画として用いられ得る、又はさらなる最適化のための開始点として用いられ得る。
【００５０】
第１のステップの前に又は間に、ガントリの移動によって描かれるアークは、例えば、それぞれ１０°をカバーする、いくつかのアークセクタに離散化される。このセクタへの離散化は、照射中にガントリの移動が連続している場合に有用である。他の送達システムでは、ガントリは、事前定義された角度間を移動し、放射線が送達されるときに静止状態となる。この後者の場合、ガントリが放射線を送達する角度は、第１のステップＳ８１において又はその前に特定される必要がある。考慮されるべきステップへのコリメータ角度の離散化はまた、第２のステップＳ８２の前に又はその一部として行われる。ステップＳ８４の前に、目的関数が、送達時間及び／又はモニタ単位数を最小にする、任意の他の様態で定義される又は得られる。
【００５１】
第１のステップＳ８１で、ケースに応じてセクタごとに又はガントリ角度ごとに、フルエンスマップの最適化が行われる。フルエンスマップの最適化は、静的ビームに対して行われるが、通常のケースでは、ビームは静的ではない。アークセクタの離散化は、フルエンスマップの離散化とは異なる場合がある。例えば、アークセクタを表すために１つよりも多いフルエンスマップが用いられる場合がある。
【００５２】
第２のステップＳ８２で、ガントリ角度ごとに最適化されたフルエンスマップが、以前に離散化されたように、コリメータの可能な配向上に回転され、回転されたフルエンスマップが、各コリメータ角度でのオリジナルのフルエンスプロファイル上に再サンプリングされる。図４で例示されるように、これは、補間、例えば、線形補間を含む。
【００５３】
第３のステップＳ８３で、ステップＳ８２で決定されたフルエンスマップのそれぞれを送達するのに必要とされる送達時間が決定される。上で述べ、図５に関連して説明したように、送達時間は、スライディングウィンドウリーフの動きに関して又は別のタイプのコリメータリーフの移動によって計算され得る。フルエンスマップのスライディングウィンドウ送達に必要とされる時間は、各リーフペアに対応するフルエンスマップの線形部分の送達に必要とされる最小時間を求め、これらの数の最大値をとることによって計算され得る。単一のリーフペアに関連する一次元フルエンスプロファイルを再現するのに必要な最小時間は、リーフのそれぞれに関する事前に選択された開始位置及び終了位置が与えられた場合、最大リーフ速度での開始位置から終了位置へのリーフの移動時間と、図５に関連して説明したようにフルエンスを変調するためにリーフが静的位置にある必要がある時間との和として計算することができる。リーフは、フルエンスプロファイルの正の勾配の和によって与えられるモニタ単位数にわたって静的位置にある必要がある、すなわち、
ＭＵ＝ｘ１＋Σｉ＝２，．．．，ｎｍａｘ（ｘｉ−ｘｉ−１，０）
ここで、ｘは、連続する位置での離散化されたフルエンス値のベクトルである。モニタ単位数は、治療マシンの線量率（時間単位あたりのＭＵ数）が一定の場合、時間に正比例する。
【００５４】
ステップＳ８２及びＳ８３で、１つ以上の暫定コリメータ角度が選択され、これらの各暫定コリメータ角度での送達時間が決定される、反復手順が適用され得る。これらの送達時間に応じて、暫定コリメータ角度及びそれらのそれぞれでの送達時間が後続の最適化で用いられてよく、又は新しい暫定コリメータ角度が選択され、新しい暫定コリメータ角度のセット上にフルエンスマップが回転されてよい。新しい暫定コリメータ角度の選択は、好ましくは、第１の暫定コリメータ角度の送達時間に依存して、例えば、最良の送達時間をもたらす第１の暫定コリメータ角度に近くなるようになされる。代替的に、いくつかのコリメータ角度が一度に選択され、それらの決定された送達時間と共に、後続の最適化で用いられてよい。
【００５５】
第４のステップＳ８４で、好ましくは最大コリメータ回転速度の制約を受ける、目的関数を最小にするコリメータ角度軌道が計算される。この例では、目的関数を最小にすることは、全体的な送達時間を最小にすることに等しい。これは、層がフルエンスマップに対応し、各層のノードが個別のコリメータ角度に対応する、層状の有向グラフ上でソースノードからシンクノードへの最短経路問題を解くことによって達成することができる。代替的に、最小費用流アルゴリズム又は線形計画法アルゴリズムが適用され得る。最短経路アルゴリズム、最小費用流アルゴリズム、及び線形計画法アルゴリズムはすべて、当業者には公知である。グラフは、図７ａ及び図７ｂで例示されるように、層のすべてのノードから次の層のすべてのノードへのエッジを有する。各エッジの長さは、該エッジの起源であるノードと関連付けられた送達時間、すなわちモニタ単位と、該エッジが接続する２つのノード間の角度差に比例するペナルティ項の和である。最大速度でのコリメータの回転によって実現され得る角度差よりも大きい角度差をもつノードのペアを接続するエッジには、無限の長さが与えられる。
【００５６】
第５のステップＳ８６で、選択されたコリメータ角度のフルエンスマップが、制御点に変換される。コリメータが、スライディングウィンドウ方式のコリメータである場合、これは、隣接するフルエンスマップ間の結合を考慮に入れたスライディングウィンドウシーケンサを用いることを含む。この計算の結果は、コリメータ角度が各アークセクタ内で一定に保たれ、１つのアークセクタから次のアークセクタへの遷移時に次のコリメータ角度に回転する、一連の制御点である。
【００５７】
第６のステップＳ８７で、コリメータ角度軌道が、最大コリメータ回転速度に関して実行可能な軌道を表す、滑らかな関数に変換される。この平滑化は、任意の適切な方法によって、例えば、最大コリメータ回転速度の違反を防ぐ線形制約を受ける、ステップＳ８６で述べたオリジナルの一定の角度への最小二乗適合によって実施することができる。
【００５８】
コリメータ角度の選択は、ステップＳ８４で決定されたコリメータ角度の選択に従ってステップＳ８１のフルエンスマップが回転される状態でステップＳ８１〜Ｓ８４を適切な回数繰り返すことによって洗練され得る。これは、ステップＳ８４とステップＳ８６の間の決定ステップＳ８５として図８に示されている。計画が洗練されるべきであると判断される場合、ステップＳ８４で決定されたコリメータ角度が次の繰返しで用いられるように設定され、プロセスはステップＳ８１に戻る。そうでない場合、手順は、前述のステップＳ８６に続く。
【００５９】
ステップＳ８７の結果は、制御点のセットであり、これらは、そのまま用いられてよく、又は直接マシンパラメータ最適化を用いてさらに最適化されてよい。制御点は、ＭＬＣのリーフ位置と、ジョーなどの存在し得る他のビーム制限デバイスの構成を定義する。各制御点はまた、次の制御点までに送達されるべきモニタ単位数も指定する。制御点の正確なフォーマットは、送達マシンのタイプによって異なる。
【図１】
2021515685.tif 000003
【図２】
2021515685.tif 000004
【図３ａ】
2021515685.tif 000005
【図３ｂ】
2021515685.tif 000006
【図４】
2021515685.tif 000007
【図５】
2021515685.tif 000008
【図６ａ】
2021515685.tif 000009
【図６ｂ】
2021515685.tif 000010
【図６ｃ】
2021515685.tif 000011
【図７ａ】
2021515685.tif 000012
【図７ｂ】
2021515685.tif 000013
【図８】
2021515685.tif 000014
【国際調査報告】
2021515685.tif 000015
2021515685.tif 000016
2021515685.tif 000017