(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビーム治療における標的線量範囲を達成するためにレンジシフタの厚さを決定するシステム（１００）であって、前記レンジシフタが、標的体積の放射線治療用装置に使用するように構成され、
データプロセッサ（１１０）と、
前記データプロセッサ（１１０）によって実行可能な命令を含むメモリ（１４０）
を備えるシステム（１００）であって、
前記データプロセッサ（１１０）は、
放射エネルギーパラメータ、
レンジシフタ物質パラメータ、
対象物幾何学的形状情報、および
ビーム特性パラメータ
を含む入力パラメータを受信するように構成され、
前記対象物幾何学的形状情報は、画像データと、前記画像データ内の１つまたは複数の領域の個々の密度に関する情報を含み、かつ
前記データプロセッサ（１１０）は、離散化レンジシフタ厚さの各々に対して対象の放射線深さに到達するためのエネルギーレベルを決定し、
決定した前記エネルギーレベルに対してブラッグピークにおけるペンシルビーム幅を決定し、かつ全てのレンジシフタ厚さに対して決定した前記ペンシルビーム幅を比較して、最小のペンシルビーム幅を見つけて、前記最小のペンシルビーム幅と対応するレンジシフタ厚さを、レンジシフタ厚さとして選択することにより、前記対象の線量収束性に関し、最適のレンジシフタ厚さを決定するように構成される、
システム（１００）。
【請求項２】
前記エネルギーパラメータは、前記放射線治療用装置が投与することができる１つまたは複数の放射エネルギーレベルを表す、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記レンジシフタ物質パラメータは、物質密度および元素組成を表す、請求項１または請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記対象物幾何学的形状情報は、治療体積を含む患者の一部の幾何学的関係を示す、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記データプロセッサ（１１０）はさらに、前記少なくとも１つの投与方向の各々に対して、計算されたレンジシフタ厚さを使用して、少なくとも１つの標的および少なくとも１つのリスク臓器に関連する治療体積に対して放射線治療計画を決定するように構成される、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
イオンビーム治療における標的線量範囲を達成するために、レンジシフタの厚さを決定する方法であって、前記レンジシフタが、標的体積の放射線治療用装置に使用するように構成され、
プロセッサにおいて、
放射エネルギーパラメータ、
レンジシフタ物質パラメータ、
対象物幾何学的形状情報、および
ビーム特性パラメータ
を含む入力パラメータを受信するステップであって、
前記対象物幾何学的形状情報が、画像データおよび前記画像データ内の１つまたは複数の領域の個々の密度に関する情報を含む、ステップと、
前記プロセッサにおいて、離散化レンジシフタ厚さの各々に対して対象の放射線深さに到達するためのエネルギーレベルを決定する、ステップと、
決定した前記エネルギーレベルに対してブラッグピークにおけるペンシルビーム幅を決定し、かつ全てのレンジシフタ厚さに対して決定した前記ペンシルビーム幅を比較して、最小のペンシルビーム幅を見つけて、前記最小のペンシルビーム幅と対応するレンジシフタ厚さを、レンジシフタ厚さとして選択することにより、前記対象の線量収束性に関し、最適のレンジシフタ厚さを決定する、ステップ、
を含む、方法。
【請求項７】
前記エネルギーパラメータは、前記放射線治療用装置が投与することができる１つまたは複数の放射エネルギーレベルを表す、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記レンジシフタ物質パラメータは、物質密度および元素組成を表す、請求項６または請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記対象物幾何学的形状情報は、治療体積を含む患者の一部の幾何学的関係を示す、請求項６〜請求項８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記ビーム特性パラメータは、アイソセンタ平面におけるペンシルビームのビーム入射角および空間角分布モーメントを表す、請求項６〜請求項９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
請求項６〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法を使用して計算された少なくとも１つのレンジシフタ厚さに基づいて、少なくとも１つの標的および少なくとも１つのリスク臓器に関連する治療体積に対して放射線治療計画を決定するステップをさらに含む、請求項６〜請求項１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
少なくとも１つのプロセッサ（１１０）のメモリ（１４０）にロード可能なコンピュータプログラムであって、前記プログラムが前記少なくとも１つのプロセッサ（１１０）上で実行されるときに請求項６〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法を実行するためのソフトウェアを含むコンピュータプログラム。
【請求項１３】
プログラムが記録されているプロセッサ可読媒体（１４０）であって、前記プログラムは、前記プログラムが少なくとも１つのプロセッサ（１１０）にロードされたときに請求項６〜請求項１１のいずれか一項に記載の方法を前記少なくとも１つのプロセッサ（１１０）に実行させるためのプログラムである、プロセッサ可読媒体（１４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的には、標的体積のイオンビーム放射線治療における標的線量範囲（ｔａｒｇｅｔ  ｄｏｓｅ  ｃｏｖｅｒａｇｅ）を達成すると同時に、周囲組織への望ましくない線量を最小限に抑えるための解決策に関する。特に、本発明は、標的線量範囲および最小限の望ましくない線量の両方が実現されるように、イオンビーム治療におけるレンジシフタ設定を決定するためのシステムおよび対応する方法に関する。本発明はさらに、コンピュータプログラムおよびプロセッサ可読媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線治療は、典型的には、患者内の腫瘍のような標的に１つまたは複数の放射線ビームを照射することを伴う。理想的には、特定の放射線量が標的に投与されると同時に、周囲の組織および臓器に到達する線量を最小限に抑える必要がある。特に、腫瘍が位置する場所に応じて決まる、心臓、膀胱または脊椎のような決定組織または決定臓器への線量は、最小限に抑えられる必要がある。
【０００３】
様々な組織および臓器に対する最大線量および最小線量は、臨床目標設定において指定される。計算された放射線量を検証するために、代わりにファントムに１つまたは複数の放射線ビームが照射され得る。
【０００４】
従来の陽子線治療およびイオンビーム治療の両方における放射線治療計画の分野において、ユーザは、例えば、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナを使用して、患者の身体、ファントムなどにおける治療対象の標的体積を認識した後に、治療投与の前に治療放射線治療計画（本明細書では、以降、治療計画とも呼ぶ）を作成する。標的体積が患者内に含まれる場合、標的体積は、通常、腫瘍（例えば、癌）による影響を受ける患者の身体の中の臓器または臓器の一部である。
【０００５】
不適切な治療計画方法の使用は、不適切な放射線治療計画につながる場合が多く、そのことが不十分な標的線量範囲および／または周囲の組織および臓器に到達する望ましくない線量分布をもたらす。最悪の場合、標的体積が必要な治療線量を受けることができなくなり、および／または決定組織または決定臓器を損傷する可能性がある。
【０００６】
アクティブ技術においては、イオンは、放射線治療装置によって維持されている治療エネルギーの特定の範囲内の変調ペンシルビームによって投与される。ペンシルビームのエネルギーは、ビーム方向のイオン飛程を決定する。所望の深さに到達するために、イオン飛程は、放射線治療装置と患者もしくはファントムとの間に配置された水等価物質のレンジシフタを使用して調整され得、レンジシフタは、患者またはファントムにおけるイオン飛程を減少させる。
【０００７】
レンジシフタは、標的が位置する深さに到達するように、すなわち、標的深さ範囲（本明細書では、以降、標的範囲とも呼ぶ）を達成するために、イオン飛程を調整するのに使用される。レンジシフタは、表在標的に放射線を投与することができないという問題を克服するために、装置のエネルギー下限が浅い標的をカバーするには高すぎる場合に必要である。レンジシフタはさらに、定数のエネルギーを維持する装置と共に使用され、この場合、一定のエネルギー間の間隔は大きくなる。この場合、レンジシフタは、レンジシフタを使用しなければ標的範囲を達成することが難しいような深さ間隔をカバーするのに使用される。
【０００８】
本発明の発明者らは、健康な組織への線量を最小限に抑えるために、すなわち、標的線量収束性を実現すると同時に標的範囲を維持するために、既存のパラメータ生成および放射線治療計画を改善および／または最適化することができる新奇な方法および方策がさらに必要であることに気付いた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、改善された標的線量収束性を達成すると同時に標的範囲を維持するために、放射線治療計画のための既存のパラメータ生成を改善または最適化するための解決策を提案することである。上記目的は、異なる装置エネルギー設定に対して、改善された標的線量収束性を実現すると同時に標的範囲を維持する望ましい線量分布をもたらす、イオンビーム走査におけるレンジシフタの最適な厚さを計算して提示するための方法を提供することによって達成される。
【００１０】
標的線量収束性は、横方向線量減衰（ペナンブラ）の影響を受け、よりシャープなペナンブラ（以降、より良好な／よりシャープなラテラルペナンブラとも呼ぶ）によって改善される。
【００１１】
本発明の発明者らは、ペンシルビームが物質を通過するときにペンシルビームのペナンブラは拡がるが、一般に、高エネルギーのペンシルビームが、低エネルギーのペンシルビームよりシャープなペナンブラを有するので、高エネルギーとレンジシフタまたは厚みのあるレンジシフタとの組み合わせは、低エネルギーとレンジシフタ無し、または薄いレンジシフタとの組み合わせよりも良好な／シャープなペナンブラを生じ得ることに気付いた。したがって、最適なレンジシフタ厚さを決定することが重要である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様によれば、上記目的は、イオンビーム治療における標的範囲を達成するために、標的体積の放射線治療のための装置で使用するためのレンジシフタの厚さを決定するためのシステムであって、該システムは、データプロセッサと前記データプロセッサによって実行可能な命令を含むメモリとを備え、データプロセッサは、放射エネルギーパラメータ、レンジシフタ物質パラメータ、対象物幾何学的形状情報、およびビーム特性パラメータを含む入力パラメータを受信するように構成され、データプロセッサはさらに、少なくとも１つの投与方向の各々に対して、入力パラメータに基づいて、改善された標的線量収束性を実現すると同時に標的範囲を維持する最適な線量分布をもたらすレンジシフタ厚さを計算するように構成された、システムによって達成される。
【００１３】
このシステムは、治療計画装置によって投与される各々の放射線ビームに対して、レンジシフタ選択／レンジシフタ設定を含むシステム設定において迅速で、安価で、かつ正確な決定基盤を提供するので、有利である。
【００１４】
このことが、ひいては、改善された、または維持された標的範囲と組み合わせたシャープなペナンブラに関して、最適な放射線治療につながる治療計画を作成するための基盤を改善する。
【００１５】
改善された、または維持された標的範囲と組み合わせたシャープなペナンブラは、改善された線量分布をもたらす。すなわち、患者に対して副作用をもたらし得る標的への過小投与量および／または健康な組織への過大投与量のリスクが低減される。
【００１６】
本発明のこの態様の一実施形態によれば、データプロセッサはさらに、少なくとも１つの投与方向の各々に対して、計算された対応レンジシフタ厚さを使用して、少なくとも１つの標的および（多くの場合）少なくとも１つリスク臓器に関連する治療体積に対して放射線治療計画を決定するように構成される。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、上記目的は、イオンビーム治療における標的範囲を達成するために、標的体積の放射線治療のための装置で使用するためのレンジシフタの厚さを決定するための方法であって、プロセッサにおいて、放射エネルギーパラメータ、レンジシフタ物質パラメータ、対象物幾何学的形状情報、およびビーム特性パラメータを含む入力パラメータを受信するステップを含み、少なくとも１つの投与方向の各々に対して、入力パラメータに基づいて、最適な線量収束性をもたらすレンジシフタ厚さを計算するステップをさらに含む上記方法によって達成される。
【００１８】
本発明のこの態様の一実施形態によれば、該方法はさらに、少なくとも１つの投与方向の各々に対して、計算された対応レンジシフタ厚さを使用して、少なくとも１つの標的および（多くの場合）少なくとも１つリスク臓器に関連する治療体積に対して放射線治療計画を決定するステップを含む。
【００１９】
本開示の方法の実施形態の利点は、提案されるシステムに関する上記説明から明らかである。
【００２０】
本発明のさらに別の態様によれば、上記目的は、少なくとも１つのプロセッサのメモリにロード可能なコンピュータプログラムであって、前記プログラムが少なくとも１つのプロセッサ上で実行されるときに上記で提案されている方法を実装するように設計されたソフトウェアを含むコンピュータプログラムによって達成される。
【００２１】
本発明のさらに別の態様によれば、上記目的は、プログラムが記録されるプロセッサ可読媒体であって、該プログラムは、少なくとも１つのプロセッサにロードされたときに上記で提案されている方法を実行するように少なくとも１つのプロセッサを制御するためのプログラムである、プロセッサ可読媒体によって達成される。
【００２２】
本発明のさらなる利点、長所および応用は、以下の説明および従属クレームから明らかになるであろう。
【００２３】
例として開示される好適な実施形態を使用して、添付図面を参照しながら本発明についてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態のシステムの概略図である。
【図２】提案される方法の一実施形態を示すフロー図である。
【図３】提案される方法の実施形態を示すフロー図である。
【図４】最適なレンジシフタ厚さを計算する方法の実施形態を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の発明者らは、より良好な線量収束性を実現すると同時に標的範囲を維持するために、放射線治療計画のための既存のパラメータ生成を改善または最適化する必要があることに気付いた。
【００２６】
本明細書内で提示されている実施形態の目的は、標的体積の放射線治療のための装置で使用されるときに、所与の放射線深さにおける最もシャープなペナンブラを実現すると同時に、標的範囲を最大化する、または維持することによって、放射線治療計画作成のための改善または最適化されたパラメータ生成を実現することである。
【００２７】
本発明が適用可能であるイオンビーム治療は、パッシブ技術とアクティブ技術とに分けられ得る。パッシブ技術では、広い照射野が適用され、できる限り正確に標的に合致するようにビームを成形するのに物理的要素が使用される。本発明は、パッシブ技術に適用可能であるが、主としてアクティブ技術内で使用される。
【００２８】
現在のイオンビーム放射線療法では、ユーザは、異なる装置エネルギー設定に対して最もシャープなペナンブラを生成するレンジシフタの最適な厚さに関する情報を取得することができない。むしろ、クリニックは、一定の厚さを有する標準セットのレンジシフタを有し、これらの厚さは、経験に基づいて使用するために選択され、多くの場合、最適な標的線量収束性をもたらさない。レンジシフタは、典型的には、保守的に、例えば、場合によっては薄いレンジシフタより厚いレンジシフタを優先することで選択されるが、経験に基づく手動の手法を使用して、その選択が実際に最もシャープなペナンブラを生成するかどうかを決定することはできない。
【００２９】
この目的は、標的線量収束性に対する最適なレンジシフタ厚さを決定するための本明細書内で提示されているシステム、方法、およびコンピュータプログラムによって達成される。
【００３０】
最適なレンジシフタ厚さは、放射線治療装置のエネルギー限界値に依存する。それは、エネルギー限界値は装置固有のパラメータであるためである。最適なレンジシフタ厚さは、さらにビーム固有のパラメータであり、したがって、出力ビームの特性にも依存する。さらに、シャープなペナンブラに対する最適なレンジシフタ厚さは、異なる評価深さによって異なり得、例えば、標的体積の最も近位の点における最適なレンジシフタ厚さは、標的体積の最も遠位の点における最適なレンジシフタ厚さと同じ厚さではない可能性がある。
【００３１】
本明細書内で提示されている全ての実施形態では、結果は最適なレンジシフタ厚さになる。クリニックが直ちに使用するためにちょうどこの厚さを有するレンジシフタを有していない場合、利用可能な最善の厚さのレンジシフタを使用するか、本明細書に従う厚さのレンジシフタを製造することができる。
【００３２】
１つまたは複数の実施形態によれば、本明細書内で提示されている方法は、一般にイオンビームで動作するように適用され、本明細書内で提示されているシステムは、一般にイオンビームで動作するように構成される、すなわち、ビームが２つ以上のサブビームに分割される状況で等しく適用可能である。
【００３３】
従来の解決策では、レンジシフタ／レンジシフタ厚さの選択は、典型的には、標的範囲を達成するために、経験、大まかな推定および／または反復試験による試行錯誤手法に基づいて、手動で行われる。多くの場合、このことは、レンジシフタ厚さ、またはエネルギーレベルとレンジシフタ厚さとの組み合わせの次善の選択につながり、そのことが次善の線量収束性をもたらす。
【００３４】
本明細書に記載されている方法で、本明細書に記載されている様々な態様および実施形態に従ってシステムおよびコンピュータプログラムによって実行される方法は、全てコンピュータ化され、１つまたは複数のデータプロセッサによって自動的に実行される。本発明の方法は、実際には、関係する計算が極めて複雑であるため、手動で実行するのは不可能であろう。必要な計算の実行を試みる人は、密度などを考慮しながら、各々のボクセルを通る各々のペンシルビームを手動で追跡する必要がある。レンジシフタ選択に関する決定につながる治療計画に必要な計算全体は、計算を行う人（例えば、治療プランナ）が放射エネルギーレベルとレンジシフタパラメータと複雑な対象物の形状との多数の組み合わせを考慮しなければならないため、数日さらにはもっと時間を要することになる。当然、治療計画のための数日またはそれ以上の時間はかかり過ぎるし、別の方法ではコストが高くなる。本明細書内で提示されている全ての実施形態に従う自動計算は、数秒の間に行うので、放射線治療装置によって投与される各々の放射線ビームに対するレンジシフタ選択／レンジシフタ設定を含む装置設定における迅速で、安価で、かつ正確な決定基盤を提供する。すなわち、本明細書内で提示されている全ての実施形態は、改善された、または維持された標的範囲と組み合わせたシャープなペナンブラに関して最適な放射線治療につながるパラメータ生成および／または放射線治療計画の作成のための基盤を改善する。
【００３５】
本明細書内で提示されている解決策はさらに、線量分布を改善する、すなわち、標的への過小投与量および／または患者に対して副作用をもたらし得る健康な組織への過大投与量のリスクを低減するという利点を有する。
【００３６】
図１は、本発明の一実施形態に従う、標的線量範囲を達成するためにイオンビーム治療におけるレンジシフタの厚さを決定するためのシステム１００の概略図である。システム１００は、データプロセッサ１１０と、前記データプロセッサ１１０によって実行可能な命令を含むメモリ１４０とを含む。すなわち、メモリ１４０は、プロセッサ１１０上で実行されているときに後述する手順を実行するためのソフトウェアを記憶するように構成される。システム１００はさらに、第１のインターフェース１２０と、第２のインターフェース１３０とをそれぞれ備え得る。提示するために、図１は、インターフェース１２０とインターフェース１３０とを別個の存在として示している。しかしながら、実際の実施態様では、２つ以上のインターフェースが共通のユニットに組み込まれ得る。
【００３７】
上述したように、使用されるイオンビーム治療技術は、アクティブまたはパッシブ技術であり得る。本明細書内で提示されているシステムおよび方法が有利に使用され得るアクティブ技術の非限定的な一例は、ペンシルビーム走査である。
【００３８】
第１のインターフェース１２０は、グラフィックディスプレイ上に表示するために画像データを出力するように構成される。いくつかの実施形態では、第１のインターフェース１２０は、グラフィックディスプレイ上にグラフィカル・ユーザ・インターフェース（ＧＵＩ）に対応するグラフィックデータを出力するように構成される。ＧＵＩは、情報および選択可能なオプションを提示し得、これにより、治療プランナは、１つまたは複数の最適なレンジシフタ厚さを計算するために本明細書に記載されているシステムおよび方法に対して入力を行うことができ、さらに随意選択で、１つまたは複数の計算されたレンジシフタ厚さを使用して治療計画を作成することができる。画像データは、プロセッサ１１０からの制御命令に応答して出力される。
【００３９】
データプロセッサ１１０は、放射エネルギーパラメータ、レンジシフタ物質パラメータ、対象物幾何学的形状情報、およびビーム特性パラメータを含む入力パラメータを受信するように構成される。
【００４０】
いくつかの実施形態では、メモリ１４０は、知識データベースまたは所定入力パラメータを記憶するように構成される。メモリ１４０はさらに、恐らくデータプロセッサ１１０からの制御信号に応答して、記憶されている知識データベースからの入力パラメータまたは記憶されている所定の入力パラメータをデータプロセッサ１１０に送信するように構成され得る。したがって、これらの実施形態では、データプロセッサ１１０は、制御信号を送信する、および／またはメモリ１４０から入力パラメータを受信するように構成される。
【００４１】
いくつかの実施形態では、第２のインターフェース１３０は、入力パラメータをデータプロセッサ１１０に転送するように構成される。これらの実施形態では、データプロセッサ１１０は、第２のインターフェース１３０から入力パラメータを受信するように構成される。これらの実施形態では、入力パラメータは、好ましくは、入力装置（例えば、キーボードおよび／またはコンピュータのマウスもしくは他のポインティングデバイス、タッチスクリーンまたは任意の他の適切な入力装置）を介して入力されたユーザコマンドに応答して生成される。入力は、第１のインターフェース１２０によってディスプレイ上に提示されるＧＵＩを介して表示され得る。
【００４２】
１つまたは複数の実施形態によれば、エネルギーパラメータ２０１は、放射線治療装置によって維持される１つまたは複数の放射エネルギーレベルを表す。いくつかの実施形態では、エネルギーパラメータ２０１は、放射線治療装置が投与することができる最小エネルギーレベルと最大エネルギーレベルとを有する連続エネルギーレベルの間隔または治療エネルギーの範囲を表す。当然、装置が維持する最小エネルギーレベルと最大エネルギーレベルは、装置によって投与されたビームが標的の内側に到達し得る最小および最大の放射線深さにそれぞれ相当する。
【００４３】
１つまたは複数の実施形態によれば、レンジシフタ物質パラメータ２０３は、レンジシフタの物質密度および元素組成を表す。
【００４４】
１つまたは複数の実施形態によれば、対象物幾何学的形状情報２０５は、標的体積を含む患者（人または動物）の一部の幾何学的関係を示す。これらの実施形態では、標的体積は腫瘍である。
【００４５】
別の実施形態によれば、対象物幾何学的形状情報２０５は、標的体積を含むファントムの一部の幾何学的関係を示す。これは、例えば、治療放射線量の品質評価のケースであり得る。
【００４６】
１つまたは複数の実施形態によれば、対象物は、患者、ファントムまたはその他の対象物であり得、対象物幾何学的形状情報２０５は、画像データおよび画像データ内の１つまたは複数の領域の個々の密度に関する情報を含み、そのため、データプロセッサ１１０は、画像データおよび画像内の１つまたは複数の領域の密度に関する情報を処理するように構成され得る。画像データは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）データであり得るが、標的対象物（すなわち、照射すべき対象物）の幾何学的形状に関する情報を含む、磁気共鳴（ＭＲ）データ、合成ＣＴデータ、または別のソースからの画像データでもあり得る。
【００４７】
１つまたは複数の実施形態によれば、ビーム特性パラメータ２０７は、アイソセンタ平面におけるペンシルビームのビーム入射角および空間角分布モーメントを含む。空間角分布モーメントは、エネルギー依存モーメントであり、アイソセンタにおけるペンシルビームの半径方向の角拡散およびそれらの間の共分散を示す。ペンシルビームをレンジシフタおよび患者の幾何学的形状に通過させるときの空間角分布モーメントの展開が、ペンシルビームのラテラルペナンブラを決定し、ひいては、標的線量収束性に影響を及ぼす。
【００４８】
１つまたは複数の実施形態では、データプロセッサ１１０はさらに、少なくとも１つの投与方向の各々に対して、入力パラメータに基づいて、最適な線量収束性をもたらすレンジシフタ厚さを計算するように構成される。
【００４９】
上述したように、本明細書に記載されている実施形態に従う入力パラメータ２０１、２０３、２０５、２０７に基づくレンジシフタ厚さの計算結果は、最適な線量収束性をもたらすと同時に標的範囲を維持する最適なレンジシフタ厚さとなる。
【００５０】
本明細書内で提示されている実施形態のシステムおよび対応する方法は、イオンビーム治療計画装置によって投与される各々の放射線ビームに対して、レンジシフタ選択／レンジシフタ設定を含むシステム設定において迅速で、安価で、かつ正確な決定基盤を提供する。すなわち、本明細書内で提示されている実施形態は、治療計画を作成するための基盤を改善するので、既存のパラメータ生成および／または放射線治療計画を改善する、または最適化する。いくつかの実施形態では、データプロセッサ１１０はさらに、少なくとも１つの計算されたレンジシフタ厚さを使用して、少なくとも１つの標的および少なくとも１つのリスク臓器に関連する治療体積に対して放射線治療計画を決定するように構成される。少なくとも１つの計算されたレンジシフタ厚さを使用することは、計算された厚さを有するレンジシフタが利用可能であれば、そのようなレンジシフタを選択すること、最適な選択であれば、レンジシフタを使用しないことを選択すること、または計算された最適なレンジ厚さに最も相当するレンジシフタを選択し、イオンビームはレンジシフタを通過するときに拡がり、ひいては横方向の線量ペナンブラは悪くなるので、場合によっては、薄いレンジシフタを優先することを含み得る。
【００５１】
したがって、最良のまたは最適な選択オプションは、この文脈においては、放射線治療装置で使用されるときに、最良の／最もシャープなペナンブラを形成すると同時に、標的範囲を改善するまたは維持するオプションである。
【００５２】
図２および図３のフロー図を参照しながら、本発明について説明する。
【００５３】
図２は、本発明の一実施形態の方法のフロー図である。
【００５４】
ステップ２１０において、プロセッサにおいて、放射エネルギーパラメータ２０１、レンジシフタ物質パラメータ２０３、対象物幾何学的形状情報２０５、およびビーム特性パラメータ２０７を含む入力パラメータを受信する。
【００５５】
１つまたは複数の実施形態によれば、エネルギーパラメータ２０１は、放射線治療装置が投与することができるエネルギー限界、または装置が一定の離散エネルギーを維持する場合には、放射線治療装置が照射することができる１つまたは複数の放射エネルギーレベルを表す。
【００５６】
１つまたは複数の実施形態によれば、レンジシフタ物質パラメータ２０３は、レンジシフタの物質密度および元素組成を表す。
【００５７】
１つまたは複数の実施形態によれば、対象物幾何学的形状情報２０５は、標的体積を含む患者の一部の幾何学的関係を示す。これらの１つまたは複数の実施形態では、放射線治療は、放射線療法であり、標的体積は、例えば、腫瘍であり得る。
【００５８】
別の実施形態によれば、対象物幾何学的形状情報２０５は、標的体積を含むファントムの一部の幾何学的関係を示す。
【００５９】
１つまたは複数の実施形態によれば、対象物幾何学的形状情報２０５は、画像データおよび画像データ内の１つまたは複数の領域の個々の密度に関する情報を含む。
【００６０】
上述したように、画像データは、ＣＴデータであり得るが、標的対象物（すなわち、照射すべき対象物）の幾何学的形状に関する情報を含む、磁気共鳴（ＭＲ）データ、合成ＣＴデータ、または別のソースからの画像データでもあり得る。
【００６１】
１つまたは複数の実施形態によれば、ビーム特性パラメータ２０７は、アイソセンタ平面におけるペンシルビームのビーム入射角および空間角分布モーメントを含む。空間角分布モーメントは、エネルギー依存モーメントであり、アイソセンタにおけるペンシルビームの半径方向の角拡散およびそれらの間の共分散を示す。ペンシルビームをレンジシフタおよび患者の幾何学的形状に通過させるときの空間角分布モーメントの展開が、ペンシルビームのラテラルペナンブラを決定し、ひいては、標的線量収束性に影響を及ぼす。
【００６２】
ステップ２２０において、少なくとも１つの投与方向の各々に対して、入力パラメータに基づいて、最適な線量収束性をもたらすレンジシフタ厚さ２０９を計算する。
【００６３】
１つまたは複数の実施形態では、本明細書内で提示されている方法はさらに、計算された最適なレンジシフタに基づいて最適なレンジシフタを選択するステップを含み、および／またはデータプロセッサ１１０はさらに、少なくとも１つのビーム方向の各々に対して、各々の利用可能なエネルギーに対して、標的をカバーするのに必要な関連する水等価厚を計算し、利用可能なエネルギーと関連する水等価厚との全ての組み合わせから、最もシャープなペナンブラを形成する組み合わせを決定することによって、計算された最適なレンジシフタに基づいて、最適なレンジシフタを選択するように構成される。水等価物質の最適なレンジシフタであれば、この厚さを有する。水等価物質でない物質で形成される最適なレンジシフタの厚さは、当分野で周知の方法で、水等価厚さに基づいて計算され得る。しかしながら、本明細書に記載されているような最適な厚さのレンジシフタが、クリニックで利用できない可能性もある。したがって、最適なレンジシフタは、放射線治療装置内の利用可能なレンジシフタと比較され、不十分な標的線量収束性をもたらすレンジシフタよりも良好な標的線量収束性をもたらすレンジシフタを優先することによって、最も近いものが選択される。自動選択の結果、レンジシフタを使用すべきでない可能性もある。このことは、レンジシフタの不必要な使用を防ぐという利点を有し、レンジシフタを使用しないことがレンジシフタを使用する場合よりも良好なラテラルペナンブラを形成するので望ましい。
【００６４】
最適なレンジシフタはさらに、ＧＵＩを介してユーザに提示され、レンジシフタの将来の購入のための指針として使用され得る。これらの実施形態のうちの１つまたは複数の実施形態では、本明細書内で提示されているいずれかの実施形態の方法はさらに、例えば、ＧＵＩを介して、グラフィックディスプレイ上に最適なレンジシフタを表すグラフィックデータを出力して、最適なレンジシフタまたは最適なレンジシフタ厚さをユーザに提示するステップを含む、および／または第１のインターフェース１２０はさらに、例えば、ＧＵＩを介して、グラフィックディスプレイ上に最適なレンジシフタを表すグラフィックデータを出力して、最適なレンジシフタまたは最適なレンジシフタ厚さをユーザに提示するように構成される。
【００６５】
いくつかの実施形態では、計算された最適なレンジシフタ厚さは、評価目的で使用され得る。例えば、計算された最適なレンジシフタ厚さを使用する治療計画が作成され、クリニックにあるレンジシフタを使用する実施可能な治療計画と比較され得る。したがって、最適なレンジシフタ厚さを使用する計画品質に対する効果が評価され、レンジシフタ使用の改善の指針となり得る。
【００６６】
いくつかの実施形態によれば、作成される治療計画の各々のビームに対して、ユーザ／治療プランナはさらに、データプロセッサ１１０によってレンジシフタを自動的に選択すべきかどうかを指定することができる。いくつかの実施形態では、第１のインターフェース１２０は、ＧＵＩにおいて、治療プランナがデータプロセッサ１１０によってレンジシフタを自動的に選択すべきかどうかに関して本明細書に記載されているシステムおよび方法に対して入力を行うことができるようにする１つまたは複数の選択可能なオプションを出力するように構成される。次に、第２のインターフェース１３０は、データプロセッサ１１０によってレンジシフタを自動的に選択すべきかどうかに関するユーザ入力選択を表す入力パラメータをデータプロセッサ１１０に転送するように構成され得る。これらの実施形態では、データプロセッサ１１０は、第２のインターフェース１３０から入力パラメータを受信するように構成される。これらの実施形態では、データプロセッサはさらに、入力パラメータがデータプロセッサ１１０によってレンジシフタを自動的に選択すべきであることをユーザが選択したことを示す場合に、計算された最適なレンジシフタに基づいてレンジシフタを選択するように構成される。本明細書に記載されているように、これらの実施形態では、入力パラメータは、好ましくは、入力装置（例えば、キーボードおよび／またはコンピュータのマウスもしくは他のポインティングデバイス、タッチスクリーンまたは任意の他の適切な入力装置）を介して入力されたユーザコマンドに応答して生成される。入力は、第１のインターフェース１２０によってディスプレイ上に提示されるＧＵＩを介して表示され得る。
【００６７】
したがって、いくつかの実施形態では、本明細書内で提示されているいずれかの実施形態の方法はさらに、ＧＵＩにおいて、治療プランナがレンジシフタを自動的に選択すべきかどうかに関して本明細書に記載されているシステムおよび方法に対して入力を行うことができるようにする１つまたは複数の選択可能なオプションを出力するステップと、レンジシフタを自動的に選択すべきかどうかに関するユーザ入力選択を表す入力パラメータを受信するステップと、入力パラメータがレンジシフタを自動的に選択すべきであることを示す場合に、計算された最適なレンジシフタに基づいてレンジシフタを選択するステップと、を含み得る。
【００６８】
一般に、プロセッサ１１０は、コンピュータプログラムを実行することによって上記の手順を実行するように構成されるのが有利である。したがって、プロセッサ１１０は、好ましくは、プロセッサによって実行可能な命令を含むコンピュータプログラム製品を記憶するメモリユニットに通信可能に接続され、そのことにより、プロセッサ１１０は、コンピュータプログラム製品がプロセッサ１１０上で実行されたときに上記動作を実行するように動作可能である。
【００６９】
レンジシフタ厚さ２０９は、入力パラメータと組み合わせて、イオンビーム放射線治療用のシステムで使用されたときに最適なまたは最良の標的線量収束性をもたらすように、計算される。
【００７０】
図３に示されている別の態様によれば、図２に関連して提示されている方法の実施形態のいずれかに従う方法であって、さらに、
ステップ３１０において、本明細書内で提示されている方法の実施形態のいずれかを使用して計算された少なくとも１つのレンジシフタ厚さ２０９に基づいて、少なくとも１つの標的および少なくとも１つのリスク臓器に関連する治療体積に対して放射線治療計画を決定するステップを含む方法が提供される。
【００７１】
レンジシフタ厚さ２０９は、１つまたは複数の実施形態では、数式１で示されているように、放射エネルギーＥｐ（装置によって維持されるエネルギーレベル）、レンジシフタ物質ＲＳｐ（密度および元素組成）、対象物幾何学的形状Ｏｇｅｏ、およびビーム特性Ｂｐ（ペンシルビームの入射角および空間角分布）の関数である。
ＲＳ＿厚さ＝ｆ（Ｅｐ，ＲＳｐ、Ｏｇｅｏ，Ｂｐ）            （数式１）
【００７２】
最良の実現可能な線量分布を決定するパラメータは、標的範囲（最終的にはレンジシフタを含む、標的にイオンが到達しなければならない）およびペンシルビーム幅に依存する横方向線量減衰（ペナンブラ）を含む。ほとんどの場合、シャープなペナンブラが望ましく、したがって、ペナンブラのサイズは最小限に抑えられる必要がある。
【００７３】
ステップ２２０において実行されるレンジシフタ厚さの計算のときに、ブラッグピークにおける、すなわち、ペンシルビームによって投与される線量が最大になる場合のペンシルビーム幅の評価が行われる。ペンシルビーム幅が評価される標的体積内の位置は、例えば、対象の特定の放射線深さの位置、標的の最大放射線深さの位置、または標的全体の平均深さの位置などであり得る。評価のための位置または深さは、ユーザ入力に応答して設定され得る。
【００７４】
本明細書に記載されている方法の実施形態のいずれにおいても、レンジシフタ厚さの計算は、連続目的関数および実現可能集合を有する非線形最適化問題である。このクラスの問題に関して、内点法および逐次二次計画法のような複数の標準アルゴリズムが存在する。また、実現可能集合は一次元であるので、実現可能集合の精密な離散化に適用される網羅的列挙によって、単一レンジシフタ厚さの最適化を近似的に解決することも、計算的に実行可能である。対象の特定の放射線深さにおいてペンシルビーム幅が最小限に抑えられる必要があるケースでは、後者の逐次二次計画法が、例えば、図４に関して後述する１つまたは複数の実施形態に従って実行され得る。
【００７５】
図４は、最適なレンジシフタ厚さを計算する方法の実施形態を示すフロー図であり、これに関して、以下の入力、前提条件、および関係が定義される。
入力：ｍｉｎ＿ｒａｄｄｅｐｔｈおよびｍａｘ＿ｒａｄｄｅｐｔｈ、ここで、
ｍｉｎ＿ｒａｄｄｅｐｔｈ＝最小放射線深さ、すなわち、標的の最小水等価深さ
そして
ｍａｘ＿ｒａｄｄｅｐｔｈ＝最大放射線深さ、すなわち、標的の最大水等価深さ
前提条件：ｍａｘ＿ｒａｄｄｅｐｔｈ＜Ｒ＿ｍａｘ、ここで、
Ｒ＿ｍａｘ＝エネルギーＥ＿ｍａｘを有するイオンの水中での飛程
そして
Ｅ＿ｍａｘ＝装置のエネルギー上限
関係：
Ｅ＿ｍｉｎ＝装置のエネルギー下限
Ｒ＿ｍｉｎ＝エネルギーＥ＿ｍｉｎを有するイオンの水中での飛程
ＲＳ＿ｍｉｎ＝レンジシフタ厚さ下限、そして
ＲＳ＿ｍａｘ＝レンジシフタ厚さ上限
【００７６】
図４に示されている方法の１つまたは複数の実施形態では、少なくとも１つの投与方向の各々に対して、入力パラメータに基づいて、最適な線量収束性をもたらすレンジシフタ厚さを計算する方法ステップ２２０はさらに、
サブステップ４１０において、イオン飛程限界（Ｒ＿ｍｉｎ、Ｒ＿ｍａｘ）内の標的範囲に対するＲＳ＿ｍｉｎおよびＲＳ＿ｍａｘを決定するステップを含む。
【００７７】
イオン飛程限界（Ｒ＿ｍｉｎ、Ｒ＿ｍａｘ）内の標的範囲に対するＲＳ＿ｍｉｎおよびＲＳ＿ｍａｘを決定するステップは、
・Ｒ＿ｍｉ＞ｍｉｎ＿ｒａｄｄｅｐｔｈである場合、
ＲＳ＿ｍｉｎ＝（ＲＳ＿ｍｉｎ−ｍｉｎ＿ｒａｄｄｅｐｔｈ）を設定するステップを含み、
・Ｒ＿ｍｉ≦ｍｉｎ＿ｒａｄｄｅｐｔｈである場合、
ＲＳ＿ｍｉｎ＝０を設定するステップを含み、
そして、
・ＲＳ＿ｍａｘ＝Ｒ＿ｍａｘ−ｍｉｎ＿ｒａｄｄｅｐｔｈを設定するステップを含み得る。
【００７８】
サブステップ４２０において、所定のステップサイズに応じて間隔［ＲＳ＿ｍｉｎ，ＲＳ＿ｍａｘ］におけるレンジシフタ厚さを離散化する。
【００７９】
離散エネルギーを維持する装置では、サブステップ４２０はさらに、遠位標的合致を実現するために、装置の離散エネルギーと組み合わせることができない厚さを除外することによって、離散化レンジシフタ厚さのサブセットを決定するステップを含む。
【００８０】
図４の方法はさらに、離散化レンジシフタ厚さの各々に対して、または離散化レンジシフタ厚さのサブセットが決定されている場合に離散化レンジシフタ厚さのサブセット内の各々のレンジシフタ厚さに対して、
サブステップ４３０において、対象の放射線深さに到達するために関連するエネルギーレベルを決定するステップを含み、
ステップ４４０において、サブステップ４３０の決定エネルギーに対して、レンジシフタ厚さおよび患者の幾何学的形状を通過した後のブラッグピークにおけるペンシルビーム幅を決定するステップを含む。
【００８１】
本明細書において上述したように、所与の放射線深さにおけるペンシルビーム幅を計算するためにＣＴデータ（密度＋物質＋ビーム位相空間パラメータ）などの使用を伴うこれらの計算は、非常に複雑であり、時間がかかり過ぎるので、手動で行うことは不可能である。
【００８２】
図４の方法はさらに、
サブステップ４５０において、最小幅を見つけるために、サブステップ４３０、４４０で使用された全てのレンジシフタ厚さに対して、決定ペンシルビーム幅を比較するステップと、最小幅に対応するレンジシフタ厚さをレンジシフタ厚さ２０９として選択するステップとを含む。
【００８３】
したがって、レンジシフタ厚さ２０９は、イオンビーム放射線治療用のシステムで使用されたときに最適なまたは最良の標的線量収束性をもたらすように、現在の状態に対して最適化される。
【００８４】
データプロセッサ１１０はさらに、上記の方法の実施形態のいずれかを使用してレンジシフタ厚さの計算を実行するように構成され得る。
別の実施形態
【００８５】
図２、図３、および図４を参照しながら上述したプロセスステップの全ておよびステップのいずれかのサブシーケンスは、プログラム式プロセッサによって制御され得る。さらに、添付図面を参照しながら上述した本発明の実施形態はプロセッサおよび少なくとも１つのプロセッサ内で実行されるプロセスを含むが、本発明はさらに、コンピュータプログラム、特に、本発明を実現するように設計された、担体上または担体内のコンピュータプログラムにまで及ぶ。プログラムは、ソースコード、オブジェクトコード、特にコンパイラ型のようなソースコードとオブジェクトコードとの中間のコードの形式、または本発明のプロセスの実装に使用するのに適した任意の他の形式であり得る。プログラムは、オペレーティングシステムの一部または別個のアプリケーションのいずれかであり得る。担体は、プログラムを担持することが可能な任意のエンティティまたはデバイスであり得る。例えば、担体は、フラッシュメモリ、ＲＯＭ（読み取り専用メモリ）、例えば、ＤＶＤ（デジタルビデオ／バーサタイルディスク）、ＣＤ（コンパクトディスク）、もしくは半導体ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ）、ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能プログラマブル読み取り専用メモリ）、または磁気記録媒体、例えば、フロッピーディスクもしくはハードディスクのような記憶媒体を含み得る。さらに、担体は、無線手段もしくは他の手段によって電気ケーブルもしくは光ケーブルを介して搬送され得る電気信号もしくは光信号のような伝送可能な担体であり得る。ケーブルまたは他のデバイスもしくは手段によって直接搬送され得る信号にプログラムが組み込まれる場合、担体は、このようなケーブルまたはデバイスもしくは手段で構成され得る。あるいは、担体は、プログラムが組み込まれた集積回路であり得、集積回路は、関連プロセスを実行するように、または関連プロセスの実行で使用するために設計される。
【００８６】
用語「備える」は、本明細書内で使用される場合、記載されている特徴、整数値、ステップまたは構成要素の存在を明示するものである。しかしながら、この用語は、１つまたは複数の追加の特徴、整数値、ステップ、もしくは構成要素、またはこれらのグループの存在または追加を除外するものではない。
【００８７】
本発明は、図面に記載されている実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載されている範囲内で自由に変更され得る。
【図１】
0006745999.tif 000002
【図２】
0006745999.tif 000003
【図３】
0006745999.tif 000004
【図４】
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