(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像データ、及び、外部からの命令を入力する入力装置と、入力された画像データを外部からの命令により処理するコンピュータと、処理結果を表示する治療計画装置と、その処理結果に基づいてガントリ・治療ベッドの位置・方向、陽子線の到達距離である最大飛程、および、最大飛程の直前で形成される陽子線深部線量のピーク領域である拡大ブラッグピーク幅を制御する手段を持ち、陽子線通過経路中に病巣後緑に陽子線の最大飛程を一致させるための距離補償用フィルタの一種であるボーラスを設置可能な陽子線治療装置から構成される陽子線治療システムにおいて、
画像データを用いて組織領域を設定された人体内の病巣の形状情報を利用して、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差を最小にすることにより、陽子線の照射方向を決定する手段を有し、
前記陽子線の照射方向を決定する手段は、病巣を中心にした緯度と経度の組で照射方向を表現し、複数の照射方向において病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差を計算して、その差の分布を前記照射方向の緯度と経度を座標軸とした地図上に表示し、前記差が最小となる照射方向を前記最小となる差の値と共に前記地図上に表示することを特徴とする陽子線治療計画システム。
【請求項２】
画像データ、及び、外部からの命令を入力する入力装置と、入力された画像データを外部からの命令により処理するコンピュータと、処理結果を表示する治療計画装置と、その処理結果に基づいてガントリ・治療ベッドの位置・方向、陽子線の到達距離である最大飛程、および、最大飛程の直前で形成される陽子線深部線量のピーク領域である拡大ブラッグピーク幅を制御する手段を持ち、陽子線通過経路中に病巣後緑に陽子線の最大飛程を一致させるための距離補償用フィルタの一種であるボーラスを設置可能な陽子線治療装置から構成される陽子線治療システムにおいて、
画像データを用いて組織領域を設定された人体内の病巣の形状情報を利用して、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差を最小にすることにより、陽子線の照射方向を決定する手段を有し、
前記陽子線の照射方向を決定する手段は、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差が最小となる照射方向に沿って照射ビームを人体組織の３次元表示に３次元的に重ね合わせて表示すると共に、前記最小となる差の値を表示することを特徴とする陽子線治療計画システム。
【請求項３】
画像データ、及び、外部からの命令を入力する入力装置と、入力された画像データを外部からの命令により処理するコンピュータと、処理結果を表示する治療計画装置と、その処理結果に基づいてガントリ・治療ベッドの位置・方向、陽子線の到達距離である最大飛程、および、最大飛程の直前で形成される陽子線深部線量のピーク領域である拡大ブラッグピーク幅を制御する手段を持ち、陽子線通過経路中に病巣後緑に陽子線の最大飛程を一致させるための距離補償用フィルタの一種であるボーラスを設置可能な陽子線治療装置から構成される陽子線治療システムにおいて、
画像データを用いて組織領域を設定された人体内の病巣の形状情報を利用して、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差を最小にすることにより、陽子線の照射方向を決定する手段を有し、
前記陽子線の照射方向を決定する手段は、病巣を中心にした緯度と経度の組で照射方向を表現し、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差が最小となる照射方向の病巣を基準とした正・逆２方向の何れかを、前記照射方向の緯度と経度を座標軸として複数の照射方向における前記差の分布を表した地図上で、および人体組織の３次元表示に対し前記差が最小となる照射方向に沿って照射ビームを３次元的に重ね合わせて表示した３次元表示上で、選択できることを特徴とする陽子線治療計画システム。
【請求項４】
画像データ、及び、外部からの命令を入力する入力装置と、入力された画像データを外部からの命令により処理するコンピュータと、処理結果を表示する治療計画装置と、その処理結果に基づいてガントリ・治療ベッドの位置・方向、陽子線の到達距離である最大飛程、および、最大飛程の直前で形成される陽子線深部線量のピーク領域である拡大ブラッグピーク幅を制御する手段を持ち、陽子線通過経路中に病巣後緑に陽子線の最大飛程を一致させるための距離補償用フィルタの一種であるボーラスを設置可能な陽子線治療装置から構成される陽子線治療システムにおいて、
画像データを用いて組織領域を設定された人体内の病巣の形状情報を利用して、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差を最小にすることにより、陽子線の照射方向を決定する手段を有し、
前記陽子線の照射方向を決定する手段は、病巣を中心にした緯度と経度の組で照射方向を表現し、前記照射方向の緯度と経度を座標軸として複数の照射方向における前記差の分布を表した地図に印された病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差が最小となる照射方向を、その地図において外部からの命令に応じて任意方向に修正でき、かつ、前記地図上での前記照射方向の修正に連動して、人体組織の３次元表示に対し前記差が最小となる照射方向に沿って照射ビームを３次元的に重ね合わせて表示した３次元表示中の照射方向およびその照射方向における前記差の値も変えることを特徴とする陽子線治療計画システム。
【請求項５】
画像データ、及び、外部からの命令を入力する入力装置と、入力された画像データを外部からの命令により処理するコンピュータと、処理結果を表示する治療計画装置と、その処理結果に基づいてガントリ・治療ベッドの位置・方向、陽子線の到達距離である最大飛程、および、最大飛程の直前で形成される陽子線深部線量のピーク領域である拡大ブラッグピーク幅を制御する手段を持ち、陽子線通過経路中に病巣後緑に陽子線の最大飛程を一致させるための距離補償用フィルタの一種であるボーラスを設置可能な陽子線治療装置から構成される陽子線治療システムにおいて、
画像データを用いて組織領域を設定された人体内の病巣の形状情報を利用して、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差を最小にすることにより、陽子線の照射方向を決定する手段を有し、
前記陽子線の照射方向を決定する手段は、病巣を中心にした緯度と経度の組で照射方向を表現し、人体組織の３次元表示に対し前記差が最小となる照射方向に沿って照射ビームを３次元的に重ね合わせて表示した３次元表示中に前記照射ビームとして表示された病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差が最小となる照射方向を、当該３次元表示において外部からの命令に応じて任意方向に修正でき、かつ、前記３次元表示上での前記照射方向の修正に連動して、前記照射方向の緯度と経度を座標軸として複数の照射方向における前記差の分布を表した地図中の照射方向およびその照射方向における前記差の値も変えることを特徴とする陽子線治療計画システム。
【請求項６】
画像データ、及び、外部からの命令を入力する入力装置と、入力された画像データを外部からの命令により処理するコンピュータと、処理結果を表示する治療計画装置と、その処理結果に基づいてガントリ・治療ベッドの位置・方向、陽子線の到達距離である最大飛程、および、最大飛程の直前で形成される陽子線深部線量のピーク領域である拡大ブラッグピーク幅を制御する手段を持ち、陽子線通過経路中に病巣後緑に陽子線の最大飛程を一致させるための距離補償用フィルタの一種であるボーラスを設置可能な陽子線治療装置から構成される陽子線治療システムにおいて、
画像データを用いて組織領域を設定された人体内の病巣の形状情報を利用して、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差を最小にすることにより、陽子線の照射方向を決定する手段を有し、
前記陽子線の照射方向を決定する手段は、病巣を中心にした緯度と経度の組で照射方向を表現し、前記照射方向の緯度と経度を座標軸として複数の照射方向における前記差の分布を表した地図において病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差が最小となる照射方向を初期位置として、所定の探索アルゴリズムを用いて前記初期位置の前記差の値よりも小さい前記差の値を持つ照射方向を求め、あるいは、前記地図上の前記初期位置近傍で前記照射方向の角度刻みを小さくして前記地図上の前記照射方向の分布の分解能を上げて、前記初期位置の前記差の値よりも小さい前記差の値を持つ照射方向を求めることを特徴とする陽子線治療計画システム。
【請求項７】
画像データ、及び、外部からの命令を入力する入力装置と、入力された画像データを外部からの命令により処理するコンピュータと、処理結果を表示する治療計画装置と、その処理結果に基づいてガントリ・治療ベッドの位置・方向、陽子線の到達距離である最大飛程、および、最大飛程の直前で形成される陽子線深部線量のピーク領域である拡大ブラッグピーク幅を制御する手段を持ち、陽子線通過経路中に病巣後緑に陽子線の最大飛程を一致させるための距離補償用フィルタの一種であるボーラスを設置可能な陽子線治療装置から構成される陽子線治療システムにおいて、
画像データを用いて組織領域を設定された人体内の病巣の形状情報を利用して、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差を最小にすることにより、陽子線の照射方向を決定する手段を有し、
前記陽子線の照射方向を決定する手段は、病巣を中心にした緯度と経度の組で照射方向を表現し、与えられた照射方向数に対して病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差の総和が最小となる照射方向を、前記照射方向の緯度と経度を座標軸として複数の照射方向における前記差の分布を表した地図上に、および、人体組織の３次元表示に対し前記差の総和が最小となる照射方向に沿って照射ビームを３次元的に重ね合わせて表示した３次元表示上に、その最小となる差の総和と共に表示することを特徴とする陽子線治療計画システム。
【請求項８】
画像データ、及び、外部からの命令を入力する入力装置と、入力された画像データを外部からの命令により処理するコンピュータと、処理結果を表示する治療計画装置と、その処理結果に基づいてガントリ・治療ベッドの位置・方向、陽子線の到達距離である最大飛程、および、最大飛程の直前で形成される陽子線深部線量のピーク領域である拡大ブラッグピーク幅を制御する手段を持ち、陽子線通過経路中に病巣後緑に陽子線の最大飛程を一致させるための距離補償用フィルタの一種であるボーラスを設置可能な陽子線治療装置から構成される陽子線治療システムにおいて、
画像データを用いて組織領域を設定された人体内の病巣の形状情報を利用して、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差を最小にすることにより、陽子線の照射方向を決定する手段を有し、
前記陽子線の照射方向を決定する手段は、病巣を中心にした緯度と経度の組で照射方向を表現し、与えられた照射方向数に対して病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣と病巣周囲を覆う領域との差の総和が最小となる照射方向のすべての方向を、前記照射方向の緯度と経度を座標軸として複数の照射方向の前記差の分布を表した地図上に、および、人体組織の３次元表示に対し前記差の総和が最小となる照射方向に沿って照射ビームを３次元的に重ね合わせて表示した３次元表示上に表示し、前記地図および前記３次元表示のどちらにおいても外部からの命令に応じて前記照射方向を任意方向に修正でき、かつ、前記地図と前記３次元表示の一方に対する前記照射方向の修正に連動して、前記地図と前記３次元表示の他方中の照射方向およびその照射方向における前記差の総和も変えることを特徴とする陽子線治療計画システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明のシステムは、体表からある深さで線量がブラッグピークを持つ陽子線を使用することを前提にして、正常組織への被曝を極力抑え、かつ、病巣へ線量を効果的に与えるような陽子線治療計画の立案に利用するものである。
【０００２】
【従来の技術】
放射線治療では正常組織への被曝を極力抑え、病巣へ十分な治療効果のある線量を与えなければならない。そのため、Ｘ線ＣＴ装置などの画像診断装置で撮影した画像データを用いて、治療前にどの方向からどの程度の強さの放射線を照射すべきかを、線量分布のシミュレーション結果などに基づいて決定する治療計画が必要となる。特に、陽子線という放射線には「ブラッグピーク」と呼ばれる特性がある。陽子線を物質に照射すると、表面からある深さのところで線量が急激に大きくなって最大値を持ち、それよりも深いところでは線量が急激に０まで減少する。この線量が最大値を持つ位置をブラッグピークと呼ぶ。したがって、ブラッグピークの位置をコントロールすれば、ほぼ病巣の形状に合わせて、そこに高い線量を与えることが可能で、病巣の背後にはほとんど線量を与えないで済む。そのため、治療計画では病巣の形状とその周囲の正常組織と病巣との位置関係をよく把握して照射方向を決定することが重要になる。
【０００３】
治療計画はコンピュータシステム上に実現されたソフトウェアで実施する。治療計画ではまず画像データを利用して病巣とその周囲にある注目すべき正常組織の３次元領域を設定して、その座標をメモリに記憶させる。次に病巣の大きさに合わせて決めた照射範囲（照射野と呼ぶ）と、仮に決めた照射方向を照射強度に基づき、ある物理モデルに従って画像データを用いて人体内部の３次元線量分布を計算する。結果の評価には各種の評価手段を用いる。すなわち、病巣や各正常組織に対して線量とその線量値を持つ組織体積の関係を表わすグラフであるＤＶＨ（Dose Volume Histogram）、断層像に線量分布を重ね合わせた２次元等線量線図、あるいは、人体組織に線量分布を３次元データのまま重ね合わせ、半透明で立体的に表示する３次元表示などである。これらによって、線量分布が望ましいものであると判断されれば、仮に決めた照射方向と照射強度を治療に採用し、そうでなければ、再び照射方向と照射強度を決め直して、線量分布計算の結果を再評価する。治療計画では一般にこのような繰り返し過程によって治療に採用する照射方向と照射強度を決定する。
【０００４】
人がこの繰り返し過程によって治療計画を行うのは、非常に手間がかかる作業となる。そこで、数理的な処理により照射方向と照射強度を計算する方法がいくつか提案されている。例えば、A.Brahme，P.Kallman，B.lind：”Optimization of the Probability of Achieving Complication Free Ymor Control Using a 3D Pencil Beam Scanning Technique for Protons and Heavy Ions”，Proceedings form the NIRS international workshop on heavy charged particle therapy and related subjects．Chiba，Japan，124/142，1991や、B.Lind，A.Brahme：”Photon Field Quantities and Units for Kernel Based Radiation Therapy Planning and Treatment Optimization”，Phys．Med．Biol.，Vol.37，891/909，1992がある。これらは、最小２乗法に基づいて最適な線量分布を与えるような照射方向と照射強度を計算するものである。これらの方法は、人体内部の所望の線量分布から照射方向と照射強度を求める、いわゆる逆問題の形式を採っている。汎用的な計算アルゴリズムを駆使したものなので陽子線治療計画にも適用は可能ではあるが、計算が複雑になり、計算時間が長くなる欠点がある。人体内部の所望の線量分布を入力として与えることが前提であるため、３次元の治療計画を扱う場合には、その入力にかかる手間が膨大になってしまう問題点もある。つまり、従来は陽子線に固有なブラッグピーク特性を積極的に活用して効率的に行い、照射方向と照射強度を短時間に決定するため手段がなかったと言える。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ブラッグピーク特性を活用して、陽子線の照射方向を自動的に決定するための手段を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
陽子線は媒体内のある深さで線量がピーク値を持つ「ブラックピーク」と呼ばれる特性があることは前述したが、これを治療時にどのように利用するかを説明する。
【０００７】
照射装置内に設置された散乱体によるブラッグピークを拡大し、ある一定幅だけ平坦な領域を持つように特性をコントロールできる。この一定幅の平坦な領域を拡大ブラックピーク（ＳＯＢＰ：Spread Out of Bragg Peak）と呼ぶ。また、照射装置で陽子線の入射エネルギーを調整して、ＳＯＢＰの位置もコントロールできる。したがって、体表から病巣までの水等価深さと、その病巣の深さ方向の水等価厚がわかれば、その病巣にＳＯＢＰをうまく一致させることが可能になる。体表から病巣までの水等価深さと、その病巣の深さ方向の水等価厚はＸ線ＣＴ装置で撮影した画像データを用いて求める。以上を図示したものが図３である。人体３０１の内部には病巣３０２があり、ここに向けて陽子線３０３を照射する。ただし、その途中に距離補償用フィルタの一種であるボーラス３０４を入れておく。ボーラス３０４はＳＯＢＰ３０８の後端を病巣３０２の後端に合わせる役目をするものである。ボーラス３０４の形状は、ボーラス３０４から病巣３０２の後縁までの水等価深さが一定値となるように決める。そうすれば、陽子線３０３を照射したときの深部線量分布３０７は、ＳＯＢＰ３０８が病巣３０２に一致するようになる。ここで、線量３０６はＳＯＢＰ３０８での線量を１００％としたときの相対線量Ｄ［％］で表わし、深さ３０７をｚで表わしてある。
【０００８】
以上のような方法で病巣に陽子線を照射する場合、病巣にＳＯＢＰを完全に一致させられるのは、病巣の水等価厚が最大になる位置だけであり、その他の位置ではＳＯＢＰは病巣の前縁方向にはみ出すことになる。つまり、病巣近傍の正常組織のいくらかには１００％の線量が与えられてしまうことになる。この照射方法が、「病巣近傍の正常組織の被曝量が大きくなったとしても、病巣は全域で高い線量が与えられなければならない」という方針に従って生まれたものであるから、このようなはみ出し部分が存在することはやむを得ないが、その量が小さい方が望ましいことは確かである。そこで、そのはみ出し部分を最小にする観点から照射方向を決定する方法を考えることにする。
【０００９】
まず、簡単のため２次元断面における陽子線照射を考える。図４のように照射方向４０１を決めたとき、病巣４０２を覆うＳＯＢＰ領域において、照射方向の長さは病巣４０２の縦方向最大長さ４０３と等しいからどこでも一定で、照射方向に垂直な方向の広がりは病巣の横方向長さ４０４と等しい。したがって、ＳＯＢＰの面積は病巣の縦方向最大長さ４０３と横方向長さ４０４の積に等しい。一方、病巣の面積は抽出処理によって求められるので既知であり、かつ、一定値である。前者から後者を引けば、それがはみ出し部分４０５の面積になる。結局のところ、はみ出し部分４０５の面積が最小になるのは、病巣のある方向の最大長さ４０３とそれに垂直な横方向長さ４０４の積が最小になるような方向に照射方向を選んだときである。図４にはその他の例として、病巣が円の場合と、矩形の場合を挙げておく。病巣が円の場合、病巣の縦方向最大長さ４０７と横方向最大長さ４０８は円の直径と等しく、どんな照射方向を選んでも一定である。したがって、はみ出し部分４０９は照射方向に関係なく一定値となる。病巣が矩形の場合、各辺に垂直な照射方向においてはみ出し部分４１３は完全に０となる。これから、一般に病巣が円に近いものほどはみ出し量を最小にする効果が小さく、矩形に近いものほど効果は大きいと考えられる。
【００１０】
これを３次元に拡張して考えると図５のようになる。すなわち、はみ出し部分が最小になるのは、病巣５０２のある方向の最大長さ５０３とその方向の病巣の射影面積５０４の積が最小になるような方向に照射方向５０１を選んだときである。
【００１１】
はみ出し部分が最小になる方向を求めるには数理的な探索アルゴリズムを用いるアプローチも考えられるが、以下のような方法を考案した。
【００１２】
方向を緯度と経度の組で表わし、緯度と経度に対してある角度刻みでその方向の候補点をあらかじめ求めておく。これらの候補点すべてに対して上記の積の値を求め、それが最小となる方向を選択する。なお、候補点を単位球面上の点として考えれば、この最小化問題には少なくともある方向とその逆方向の対称性があるので半球面に対してだけ候補点を考えればよいことになる。ただし、得られた解にはこの対称性から少なくとも２つの候補があるので、そのどちらを実際の照射に適用するかは別の観点から吟味する必要がある。
【００１３】
臨床現場の状況を考えれば、この角度刻みをそれほど小さくする必要はないので、計算すべき候補点の数は膨大になることはなく、実用的な処理時間で最小解を求められる。また、このとき、その積の分布を緯度と経度を使って地図上の、例えば、等高線などとして表示すれば、得られた解の妥当性を視覚で簡単に確認できる。また、地図の上で選んだ最小点を初期点として何らかの探索アルゴリズムで真の最小点を求めることもできるし、その初期点近傍だけ角度刻みを小さくして、さらに高分解能で最小点を求めることもできる。
【００１４】
上記の方法は照射方向が１つの場合に適用可能である。複数ある場合は、この地図の上でその数の分だけ候補点を選んでそれらの和が最小になるものを、最終的な解とすることもできる。
【００１５】
解の対称性から少なくとも２つある候補のどれかを選択するには、３次元表示で確認することが有効である。すなわち、病巣と共にその周囲にいくつかの正常組織を３次元表示し、ここに上記の最小化方法で見付けた照射方向の候補に対応した陽子線ビームを３次元で重ね合わせて表示する。選択すべき陽子線ビームを交互に表示したり、表示対象全体を任意方向から観察したりして、適切な照射方向を選択する。あるいは、３次元表示で照射方向を決定したのち、これらの照射方向を上記の地図上に表わしてその方向の妥当性を確認することも有効な手段である。３次元表示の様子を図６に示す。これは、体表６０１の内部に、脊柱６０２、心臓６０３、左肺６０４、右肺６０５、及び、病巣６０６が表示された例である。照射方向６０７に対応して病巣６０６から陽子線ビーム６０８が体表６０１まで伸びている。照射方向の確認のために観察する場合、これら全体を３次元空間内で回転させて、任意方向から観察できるものとする。３次元画像を使って照射方向を決定する場合、陽子線ビーム６０８をマウスカーソルなどでドラッグして方向を設定する。照射方向を多方向決定する場合は、指定本数だけ陽子線ビーム６０８を表示して、１つだけの場合と同様に適切な場所にマウスカーソルなどで回転移動する。
【００１６】
本発明の陽子線治療計画システムで上記の内容を実現するには以下の手段が必要となるので、それらを提供する。
【００１７】
１．組織領域設定方法
本発明のシステムでは、ボクセルから成る３次元配列に格納された３次元画像データから、例えば、画像濃度のしきい値を使う方法や組織の連結情報を使う領域拡張法などの半自動的な抽出方法、あるいは、表示装置に出力された各スライス像において注目する組織領域を人がなぞっていく領域指定法などによって、人体組織全体、病巣、及び、重要組織の３次元座標を得る手段を提供する。病巣は１つ、重要組織は複数個設定できるものとする。以上の操作は対話的に実行可能で、その結果を直ちに見ることができるものとする。
【００１８】
２．３次元表示
本発明のシステムでは、組織と陽子線ビームを３次元的に重ね合わせて、両者を半透明で２次元投影面に表示する方法を提供する。陽子線ビームは病巣を中心として任意本数生成可能で、各ビームを任意方向に設定することができるものとする。病巣中心点は病巣に外接する直方体の対角線交点として与えられるが、その位置を調整できるものとする。組織領域設定を行った組織のうち任意組織に対して表示／非表示を選択できるものとする。表示対象を任意回転させて表示したり、任意断面で切断して内部を表示したりすることが可能であるとする。また、はみ出し量分布地図の上で設定した照射方向に対応させて、陽子線ビームを表示させることも可能であるとする。以上の操作は対話的に実行可能で、その結果を直ちに見ることができるものとする。３次元表示では組織と陽子線ビームとの３次元空間における位置関係を直感的に把握することができる。
【００１９】
３．はみ出し量分布マップ
本発明のシステムでは、組織領域設定で得られた病巣の形状情報に基づいて、各方向における１００％線量域の病巣からのはみ出し量を計算してその分布地図を表示し、最小となる方向にマークを表示する手段を提供する。（その方向は２つある。）緯度・経度の角度刻みを調整して、はみ出し量を計算する方向を設定することができるものとする。はみ出し量の分布地図は、色の付いた等高線、あるいは、等高線間をある色で塗りつぶす方法によって表示する。等高線の本数は、色は任意に設定可能であるとする。上記のマークの付いた最小方向を初期位置として、探索的なアルゴリズムで真の最小方向を計算することも可能であるとする。ただし、そのアルゴリズム自体は本発明とは独立なので、ここではその内容に関しては述べない。はみ出し量分布地図は３次元表示と連動させることが可能で、はみ出し量最小の方向は正・逆方向のどちらかを選択すれば、それに応じて陽子線ビームの３次元表示も切り替わるものとする。この分布地図上で複数の照射方向を設定することが可能であるものとする。このとき、はみ出し量の総和を表示できるものとする。照射方向の数を指定して、はみ出し量の総和が最小となる方向を表示することも可能であるとする。ただし、設定された緯度・経度の格子点から最小となる組を選択する。照射方向が複数ある場合にも、各方向に対して正・逆方向のどちらかを選択すれば、それに応じて陽子線ビームの３次元表示も切り替わるものとする。
【００２０】
上記の手段をどのように用いれば、課題を解決できるかを以下の実施例で説明する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
最初に本発明が適用可能な陽子線治療システム、治療計画装置の一例を示し、次に本発明を実現することが可能な陽子線治療システムの構成例を示す。最後に本発明の陽子線治療計画システムにおける具体的な実施例をいくつか記述する。
【００２２】
図１１に陽子線治療システムの一例を示す。Ｘ線ＣＴ装置１１０１から得られる人体断層像は治療計画装置１１０２に入力される。治療計画装置１１０２では、各種パラメータ１１０３に基づいて線量分布計算をし、結果の評価・判定を行う。これらのパラメータ１１０３を何回か変更して最も最適な照射条件を決定する。決定された照射条件は治療装置１１０４内の制御装置１１０５へ入力され、その照射条件に従って陽子線の最大飛程１１０６、陽子線のＳＯＢＰ１１０７、ガントリー１１０８の回転角度、照射ノズル１１０９内に設置された各種機器のパラメータ、治療ベッド１１１０の位置や回転角度などがコントロールされる。
【００２３】
治療計画装置１１０２とは図１２のようなコンピュータシステムを指す。このシステムはコンピュータ本体１２０１の他にデータを入力するための入力装置１２０２、結果を表示するための表示装置１２０３、及び、治療計画用ソフトウェア自体や出力結果を保存しておくための記憶装置１２０４から構成される。
【００２４】
図１３に治療計画装置１１０２の内容の一例を示す。治療計画装置１１０２では、組織領域設定１３０２、線量分布計算１３０３、表示計算１３０４などの計算処理部分が、入出力部であるインターフェイス１３０１を介して、画像データ１３０５、抽出データ１３０６、パラメータ１３０７、結果表示１３０８、照射条件１３０９などの記憶装置や表示装置内の入出力データを接続している。治療計画ではまず画像データ１３０５を入力して、組織領域設定１３０２の処理に従って抽出範囲などをパラメータ１３０７として抽出結果を得る。その結果を抽出データ１３０６として記憶装置に保存する。次に照射条件１３０９を入力する度に、線量分布計算１３０３の処理を繰り返して行い、最終的な照射条件１３０９を求め、これを記憶装置に保存する。この過程で表示計算１３０４により、例えば、線量分布の状態を結果表示１３０８として出力することも行う。
【００２５】
図１４に本発明の陽子線治療計画システムの操作画面の一例を示す。これは、はみ出し量分布マップ１４０１、および、３次元表示１４０２の表示内容をマウスカーソルのピック操作でコントロールする画面例である。門数設定用スクロールバー１４０３、緯度刻み設定用スクロールバー１４０４、経度刻み設定用スクロールバー１４０５でそれぞれ門数、緯度刻み、経度刻みを指定する。初期化ボタン１４０６をピックすれば、これらが初期値に戻る。等高線表示種類選択ボタン１４０７をピックすることで、色の付いた等高線、あるいは、等高線間をある色で塗りつぶす方法の選択を行う。等高線本数設定用スクロールバー１４０８で等高線本数を設定し、その初期化には初期化ボタン１４０９を使用する。等高線色パレット１４１０から色を選択して、それを等高線色設定領域１４１１へ置くことで等高線の色を設定する。角度刻み高分解能化選択ボタン１４１２をピックすれば、角度刻みを細かくして、再度はみ出し量最小の照射方向１４２２を計算し、探索アルゴリズム開始ボタン１４１３をピックすれば、その段階で求められているはみ出し量最小の照射方向１４２２を初期位置として真のはみ出し量最小の照射方向１４２２を探索して求める。いずれの場合も、はみ出し量分布マップ１４０１、および、３次元表示１４０２にその結果を表示する。
【００２６】
現段階で求められているはみ出し量最小の照射方向１４２２を調整して、最終的な照射方向を決定するときには、まず、照射方向調整モード切り替えボタン１４１４をピックして、方向調整が可能な状態にする。その後、はみ出し量最小の照射方向１４２２をマウスカーソルでドラッグするか、あるいは、３次元画像１４０２において、はみ出し量最小の照射方向のビーム１４２３をマウスカーソルでドラッグするか、あるいは、θ方向移動用スクロールバー１４１５、φ方向移動用スクロールバー１４１６を用いて位置を移動する。最後に、照射方向調整モードを切り替えボタン１４１４をピックして方向調整を行えない状態に戻す。
【００２７】
３次元表示モードボタン１４１７をピックすれば、３次元表示１４０２が表示され、はみ出し量分布マップ１４０１と連動する。再度、３次元表示モードボタン１４１７をピックすれば、３次元表示１４０２は消える。３次元画像緯度回転用スクロールバー１４１８、３次元画像経度回転用スクロールバー１４１９を操作すれば、３次元表示１４０２内の表示物が回転する。３次元画像表示対象選択ボタン１４２０をピックして３次元表示１４０２内のどの臓器を表示するかを指定する。再度、３次元画像表示対象選択ボタン１４２０をピックすれば、その臓器の表示は消える。照射方向選択ボタン１４２１をピックすることで、どの照射方向のビーム１４２３を３次元表示し、はみ出し量分布マップ１４０１内のどの照射方向１４２２のマークを強調表示するかを選択する。
【００２８】
以下に４つの実施例に関して説明する。
【００２９】
１．実施例１
本実施例は照射方向が１つの場合に、はみ出し量分布のマップ表示で示した照射方向を基準として最終的な照射方向を決定する場合である。マップ表示の結果を３次元表示で表わして、これらを連動させながら照射方向の確認や方向調整を行うことができる。病巣周囲に重要組織がない場合、重要組織があってもそれらが小さい場合、あるいは、重要組織が病巣から離れている場合は、病巣形状から直接照射方向を決めるマップ表示で十分であり、３次元表示は主に照射方向の定性的な確認に使用する。
【００３０】
〔ステップ７０１〕マップ表示
組織領域設定処理によって得られた病巣の形状情報に基づいて、はみ出し量の分布を緯度・経度の組で表わしたマップ上の等高線として表示する。マップは、色の付いた等高線、あるいは、等高線間をある色で塗りつぶす方法のどちらかを選択できる。初めてマップを表示するときは、事前に設定された緯度・経度の角度刻み、等高線本数、及び、等高線色を使い、そうでない場合は、直前に設定された値で表示する。また、はみ出し量最小となる正逆２方向にマークを付けて表示する。
【００３１】
〔ステップ７０２〕角度刻み変更の判定
緯度・経度の角度刻みを変更するかどうか指定する。
【００３２】
〔ステップ７０３〕角度刻み変更
緯度・経度の角度刻みを指定された値に変更する。緯度・経度をそれぞれ独立に変更できる。
【００３３】
〔ステップ７０４〕等高線本数変更の判定
等高線本数を変更するかどうか指定する。
【００３４】
〔ステップ７０５〕等高線本数変更
等高線本数を指定された値に変更する。
【００３５】
〔ステップ７０６〕等高線色変更の判定
等高線色を変更するかどうかを指定する。
【００３６】
〔ステップ７０７〕等高線色変更
等高線色を色パレットから選択された色に変更する。
【００３７】
〔ステップ７０８〕３次元表示の判定
マップ表示に連動させて３次元表示を行うかどうかを指定する。
【００３８】
〔ステップ７０９〕３次元表示
マップ表示で設定された照射方向、あるいは、３次元表示で指定された照射方向に対応した陽子線ビームを人体組織に３次元的に重ね合わせて表示する。陽子線ビームは正逆２方向のうち一方だけを表示する。
【００３９】
〔ステップ７１０〕方向交互切り替え
正逆の照射方向を交互に切り替え、適切な方向を選択する。本機能はマップ表示と３次元表示で連動する。
【００４０】
〔ステップ７１１〕方向調整の判定
照射方向を調整するかどうかを指定する。
【００４１】
〔ステップ７１２〕方向調整
マウスカーソルやキー入力などによって指定された方向に照射方向を移動させる。
【００４２】
〔ステップ７１３〕初期状態移行の判定
照射方向を調整前の初期状態に戻すかどうかを指定する。
【００４３】
〔ステップ７１４〕方向保存の判定
照射方向を記憶装置に保存するかどうかを指定する。
【００４４】
〔ステップ７１５〕方向保存
照射方向を記憶装置に保存する。
【００４５】
２．実施例２
本実施例は照射方向が１つの場合に、３次元表示で示した照射方向を基準として最終的な照射方向を決定する場合である。３次元表示の結果をマップ表示で表わして、これらを連動させながら、照射方向の確認や方向調整を行うことができる。重要組織が病巣に接近している場合、重要組織が病巣から離れていても大きい場合は、病巣とそれらの３次元空間での位置関係が重要となるので、３次元表示で照射方向を決める方が効率的である。マップ表示は主に照射方向の定量的な確認に使用し、はみ出し量最小の照射方向は目安的な役目に用いる。
【００４６】
〔ステップ８０１〕方向設定
組織だけが表示された３次元表示の状態で、照射方向をマウスカーソルやキー入力で設定する。
【００４７】
〔ステップ８０２〕３次元表示
直前に設定された照射方向に基づいて陽子線ビームを人体組織に３次元的に重ね合わせて表示する。
【００４８】
〔ステップ８０３〕マップ表示
組織領域設定処理によって得られた病巣の形状情報に基づいて、はみ出し量の分布を緯度・軽度の組で表わしたマップ上に等高線として表示する。マップは、色の付いた等高線、あるいは、等高線間をある色で塗りつぶす方法のどちらかを選択できる。初めてマップを表示するときは、事前に設定された緯度・経度の角度刻み、等高線本線、及び、等高線色を使い、そうでない場合は、直前に設定された値で表示する。設定された照射方向にはマークを付けて表示する。また、はみ出し量最小となる正逆２方向にマークを付けて表示する。
【００４９】
〔ステップ８０４〕角度刻み変更の判定
緯度・経度の角度刻みを変更するかどうか指定する。
【００５０】
〔ステップ８０５〕角度刻み変更
緯度・経度の角度刻みを指定された値に変更する。緯度・経度をそれぞれ独立に変更できる。
【００５１】
〔ステップ８０６〕等高線本数変更の判定
等高線本数を変更するかどうか指定する。
【００５２】
〔ステップ８０７〕等高線本数変更
等高線本数を指定された値に変更する。
【００５３】
〔ステップ８０８〕等高線色変更の判定
等高線色を変更するかどうかを指定する。
【００５４】
〔ステップ８０９〕等高線色変更
等高線色を色パレットから選択された色に変更する。
【００５５】
〔ステップ８１０〕方向調整の判定
照射方向を調整するかどうかを指定する。
【００５６】
〔ステップ８１１〕方向調整
マウスカーソルやキー入力などによって指定された方向に照射方向を移動させる。
【００５７】
〔ステップ８１２〕初期状態移行の判定
照射方向を調整前の初期状態に戻すかどうかを指定する。
【００５８】
〔ステップ８１３〕方向保存の判定
照射方向を記憶装置に保存するかどうかを指定する。
【００５９】
〔ステップ８１４〕方向保存
照射方向を記憶装置に保存する。
【００６０】
３．実施例３
本実施例は実施例１の変形版であり、はみ出し量分布のマップ表示で求めた照射方向を初期位置として、何らかの探索アルゴリズムを適用して真のはみ出し量最小方向を見つけ出したり、その初期位置近辺だけ角度刻みを細かくして、さらに高分解能ではみ出し量最小方向を求める場合である。ここでも、マップ表示の結果を３次元表示で表わして、これらを連動させながら照射方向の確認や方向調整を行うことができる。実施例１と同様に、病巣周囲に重要組織がない場合、重要組織があってもそれらが小さい場合、あるいは、重要組織が病巣から離れている場合に適しているが、病巣形状が複雑な場合に特に効果がある。一般に、病巣形状が複雑であると、照射方向の微小は変化ではみ出し量が大きく変わるため、かなり高分解能ではみ出し量最小の照射方向を求めておいた方が良いからである。
【００６１】
〔ステップ９０１〕角度刻み変更の判定
緯度・経度の角度刻みを変更するかどうか指定する。
【００６２】
〔ステップ９０２〕角度刻み変更
緯度・経度の角度刻みを指定された値に変更する。緯度・経度をそれぞれ独立に変更できる。
【００６３】
〔ステップ９０３〕マップ表示
組織領域設定処理によって得られた病巣の形状情報に基づいては、はみ出し量の分布を緯度・経度の組で表わしたマップ上に等高線として表示する。マップは、色の付いた等高線、あるいは、等高線間をある色で塗りつぶす方法のどちらかを選択できる。初めてマップを表示するときは、事前に設定された緯度・経度の角度刻み、等高線本数、及び、等高線色を使い、そうでない場合は、直前に設定された値で表示する。また、はみ出し量最小となる正逆２方向にマークを付けて表示する。
【００６４】
〔ステップ９０４〕等高線本数変更の判定
等高線本数を変更するかどうか指定する。
【００６５】
〔ステップ９０５〕等高線本数変更
等高線本数を指定された値に変更する。
【００６６】
〔ステップ９０６〕等高線色変更の判定
等高線色を変更するかどうかを指定する。
【００６７】
〔ステップ９０７〕等高線色変更
等高線色を色パレットから選択された色に変更する。
【００６８】
〔ステップ９０８〕マップ詳細表示の判定
現段階で得られているはみ出し量最小の照射方向をさらに正確に求めるかどうかを指定する。
【００６９】
〔ステップ９０９〕マップ詳細表示
マップ表示と同様のことを行うが、現段階で得られているはみ出し量最小の方向を初期位置として探索アルゴリズムなどで真の最小方向を見つけたり、あるいは、初期位置近傍に限定して角度刻みを細かくし、さらに高分解能ではみ出し量最小を見つけて、マップにその点をマークを付けて表示する。
【００７０】
〔ステップ９１０〕３次元表示の判定
マップ表示に連動させて３次元表示を行うかどうかを指定する。
【００７１】
〔ステップ９１１〕３次元表示
マップ表示で設定された照射方向、あるいは、３次元表示で指定された照射方向に対応した陽子線ビームを人体組織に３次元的に重ね合わせて表示する。陽子線ビームは正逆２方向のうち一方だけを表示する。
【００７２】
〔ステップ９１２〕方向交互切り替え
正逆の照射方向を交互に切り替え、適切な方向を選択する。本機能はマップ表示と３次元表示で連動する。
【００７３】
〔ステップ９１３〕方向調整の判定
照射方向を調整するかどうかを指定する。
【００７４】
〔ステップ９１４〕方向調整
マウスカーソルやキー入力などによって指定された方向に照射方向を移動させる。
【００７５】
〔ステップ９１５〕初期状態移行の判定
照射方向を調整前の初期状態に戻すかどうかを指定する。
【００７６】
〔ステップ９１６〕方向保存の判定
照射方向を記憶装置に保存するかどうかを指定する。
【００７７】
〔ステップ９１７〕方向保存
照射方向を記憶装置に保存する。
【００７８】
４．実施例４
本実施例は、照射方向が複数の場合（普通、多門照射と呼ぶ）に、はみ出し量分布のマップ表示で示した照射方向を基準として最終的な照射方向を決定する場合である。実施例１の他方向版である。ここでも、マップ表示の結果を３次元表示で表わして、これらを連動させながら照射方向の確認や方向調整を行うことができる。病巣周囲に重要組織がない場合、重要組織があってもそれらが小さい場合、あるいは、重要組織が病巣から離れている場合は、病巣形状から直接照射方向を決めるマップ表示で十分であり、３次元表示は主に照射方向の定性的な確認に使用する。
【００７９】
〔ステップ１００１〕門数設定
照射方向の数（門数と呼ぶ）を設定する。
【００８０】
〔ステップ１００２〕マップ表示
組織領域設定処理によって得られた病巣の形状情報に基づいて、はみ出し量の分布を緯度・経度の組で表わしたマップ上に等高線として表示する。マップは、色の付いた等高線、あるいは、等高線間をある色で塗りつぶす方法のどちらかを選択できる。初めてマップを表示するときは、事前に設定された緯度・経度の角度刻み、等高線本数、及び、等高線色を使い、そうでない場合は、直前に設定された値で表示する。設定された門数に対してはみ出し量の総和が最小となる照射方向の組を選択し、それらをマップ上にマークを付けて表示する。このとき、総和量も数値で表示する。ただし、はみ出し量が等しくなる正逆２方向には同一のマークを付けて、他の方向と識別する。
【００８１】
〔ステップ１００３〕角度刻み変更の判定
緯度・経度の角度刻みを変更するかどうか指定する。
【００８２】
〔ステップ１００４〕角度刻み変更
緯度・経度の角度刻みを指定された値に変更する。緯度・経度をそれぞれ独立に変更できる。
【００８３】
〔ステップ１００５〕等高線本数変更の判定
等高線本数を変更するかどうか指定する。
【００８４】
〔ステップ１００６〕等高線本数変更
等高線本数を指定された値に変更する。
【００８５】
〔ステップ１００７〕等高線色変更の判定
等高線色を変更するかどうかを指定する。
【００８６】
〔ステップ１００８〕等高線色変更
等高線色を色パレットから選択された色に変更する。
【００８７】
〔ステップ１００９〕３次元表示の判定
マップ表示に連動させて３次元表示を行うかどうかを指定する。
【００８８】
〔ステップ１０１０〕３次元表示
マップ表示で設定された照射方向、あるいは、３次元表示で指定された照射方向に対応した陽子線ビームを人体組織に３次元的に重ね合わせて表示する。陽子線ビームは病巣を中心として任意本数生成可能で、各ビームを任意方向に設定することができるものとする。病巣中心点は病巣に外接する直方体の対角線交点として与えられるが、その位置を調整できるものとする。陽子線ビームは正逆２方向のうち一方だけを表示する。
【００８９】
〔ステップ１０１１〕方向交互切り替え
複数ある照射方向をそれぞれ独立に、正逆の照射方向を交互に切り替え、適切な方向を選択する。本機能はマップ表示と３次元表示で連動する。
【００９０】
〔ステップ１０１２〕方向調整の判定
照射方向を調整するかどうかを指定する。
【００９１】
〔ステップ１０１３〕方向調整
マウスカーソルやキー入力などによって指定された方向に照射方向を移動させる。ただし、複数ある照射方向をそれぞれ独立に調整できる。
【００９２】
〔ステップ１０１４〕初期状態移行の判定
複数ある照射方向すべてを調整前の初期状態に戻すかどうかを指定する。
【００９３】
〔ステップ１０１５〕門数変更の判定
門数を変更するかどうかを指定する。
【００９４】
〔ステップ１０１６〕方向保存の判定
照射方向を記憶装置に保存するかどうかを指定する。
【００９５】
〔ステップ１０１７〕方向保存
照射方向を記憶装置に保存する。
【００９６】
【発明の効果】
本発明の陽子線治療計画システムを使用すれば、病巣とそれを覆う拡大ブラッグピーク領域との差である、高線量域の病巣外へのはみ出し量が最小になる方向を求める方針により、陽子線の照射方向を自動的に決定することが可能でる。その結果は２次元マップ上、及び、３次元表示において確認することが可能であり、そこで照射方向を修正することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】はみ出し量分布マップ。
【図２】座標系。
【図３】陽子線の特性。
【図４】照射方向とはみ出し量の関係（２次元）。
【図５】照射方向とはみ出し量の関係（３次元）。
【図６】３次元表示。
【図７】実施例１のフローチャート。
【図８】実施例２のフローチャート。
【図９】実施例３のフローチャート。
【図１０】実施例４のフローチャート。
【図１１】陽子線治療システムの構成。
【図１２】コンピュータシステム。
【図１３】治療計画装置の内部処理機構。
【図１４】操作画面例。
【符号の説明】
１０１…はみ出し量分布マップ、１０２…緯度、１０３…経度、１０４…等高線、１０５…はみ出し量最小点、２０１…人体、２０２…病巣、２０３…照射方向、２０４…緯度、２０５…経度、３０１…人体、３０２…病巣、３０３…陽子線照射、３０４…ボーラス、３０５…深さ、３０６…相対線量、３０７…線量分布曲線、３０８…拡大ブラッグピーク、４０１…照射方向、４０２…病巣（一般形）、４０３…縦方向最大長さ、４０４…横方向最大長さ、４０５…はみ出し領域、４０６…病巣（円形）、４０７…縦方向最大長さ、４０８…横方向最大長さ、４０９…はみ出し領域、４１０…病巣（直方体）、４１１…縦方向最大長さ、４１２…横方向最大長さ、４１３…はみ出し領域、５０１…照射方向、５０２…病巣、５０３…縦方向最大長さ、５０４…射影、６０１…体表、６０２…脊桂、６０３…心臓、６０４…左肺、６０５…右肺、６０６…病巣、６０７…照射方向、６０８…陽子線ビーム。
【図１】
0003932667.tif 000002
【図２】
0003932667.tif 000003
【図３】
0003932667.tif 000004
【図４】
0003932667.tif 000005
【図５】
0003932667.tif 000006
【図６】
0003932667.tif 000007
【図７】
0003932667.tif 000008
【図８】
0003932667.tif 000009
【図９】
0003932667.tif 000010
【図１０】
0003932667.tif 000011
【図１１】
0003932667.tif 000012
【図１２】
0003932667.tif 000013
【図１３】
0003932667.tif 000014
【図１４】
0003932667.tif 000015