(57)【要約】【課題】計算時間の増大を抑制することができる放射線治療シミュレーション装置を提供する。【解決手段】患者の対象部位に照射された放射線による線量分布を演算する放射線治療シミュレーション装置であって、複数の照射条件について所定の体型の人体モデルに対して放射線を照射した際のそれぞれの線量分布のデータを記憶する記憶部と、患者に放射線を照射する際に適用される照射条件及び患者の体型情報を入力する入力部と、患者の体型情報及び人体モデルの体型情報に基づいて、記憶部に記憶された線量分布のデータを補正する補正部と、を備える構成とする。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の対象部位に照射された放射線による線量分布を演算する放射線治療シミュレーション装置であって、
複数の照射条件について所定の体型の人体モデルに対して放射線を照射した際のそれぞれの線量分布のデータを記憶する記憶部と、
前記患者に放射線を照射する際に適用される照射条件及び前記患者の体型情報を入力する入力部と、
前記患者の体型情報及び前記人体モデルの体型情報に基づいて、前記記憶部に記憶された線量分布のデータを補正する補正部と、を備える、放射線治療シミュレーション装置。
【請求項２】
前記補正部は、前記患者の体型情報を含むＣＴ画像情報と、前記人体モデルの体型情報とを比較して、前記人体モデルの体型情報における位置情報を、前記患者の体型情報における位置情報に変換し、当該位置情報の変換に応じて前記記憶部に記憶された線量分布のデータを補正する、請求項１に記載の放射線治療シミュレーション装置。
【請求項３】
前記補正部は、前記患者に適用される照射条件に関する位置情報を、前記人体モデルの体型情報における位置情報に変換して、変換された位置情報に対応する線量分布のデータを前記記憶部に記憶された線量分布のデータから抽出し、抽出された前記線量分布のデータを、前記患者の体型情報に基づく位置情報に変換することで補正する、請求項２に記載の放射線治療シミュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放射線治療シミュレーション装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
放射線治療を行う際、腫瘍の周辺の正常な組織への照射線量を抑え、腫瘍への照射線量を増やすことができる最適な照射条件を治療に先立ち計画する必要がある。そこで、近年は粒子の挙動を正確にモデル化できるモンテカルロ法を用いたシミュレーションが行われている。従来の放射線治療のモンテカルロ法による線量分布の計算では、患者のＣＴ（Computed Tomography）、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）、又はＰＥＴ（Positron Emission Tomography）等の医療用画像データを基に人体の３次元モデルを作成して、これを計算モデルに変換して線量分布を算出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−８８７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
体内では密度が大きく異なる部位（体組織）が存在するため、人体に入射した粒子は複雑な挙動を示す。モンテカルロ法を用いたシミュレーションは、粒子一つ一つの挙動を計算するため、正確な線量分布を計算することができるが、計算時間が長くなる。そのため、照射条件を変更したシミュレーションを何度も行って好適な線量分布となる照射条件を求めようとすると、そのための合計の計算時間も必然的に長くなる。
【０００５】
そこで、合計の計算時間の増大を抑えつつ、適切な照射条件を決定できることが求められている。本発明は、計算時間の増大を抑制することができる放射線治療シミュレーション装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の放射線治療シミュレーション装置は、患者の対象部位に照射された放射線による線量分布を演算する放射線治療シミュレーション装置であって、複数の照射条件について所定の体型の人体モデルに対して放射線を照射した際のそれぞれの線量分布のデータを記憶する記憶部と、患者に放射線を照射する際に適用される照射条件及び患者の体型情報を入力する入力部と、患者の体型情報及び人体モデルの体型情報に基づいて、記憶部に記憶された線量分布のデータを補正する補正部と、を備える。
【０００７】
本発明の放射線治療シミュレーション装置では、複数の照射条件について、人体モデルに対して放射線を照射した際のぞれぞれの線量分布を事前計算しておき、予め計算した線量分布を照射条件に関連付けて記憶部に記憶する。この放射線治療シミュレーション装置は、患者に放射線を照射する際に適用される照射条件及び患者の体型情報を入力部によって入力し、入力された患者の体型情報及び人体モデルの体型情報に基づいて、記憶部に記憶されている線量分布のデータを補正する。これにより、予め計算された線量分布を、患者の体型情報に応じて補正することができ、補正された線量分布を用いることができる。そのため、最適な線量分布となる照射条件を見つけるために、何度もモンテカルロ法を用いた計算を試行する必要がないので、合計の計算時間の増大を抑制することができる。
【０００８】
また、補正部は、患者の体型情報を含むＣＴ画像情報と、人体モデルの体型情報とを比較して、人体モデルの体型情報における位置情報を、患者の体型情報における位置情報に変換し、当該位置情報の変換に応じて記憶部に記憶された線量分布のデータを補正してもよい。これにより、患者の体型情報を含むＣＴ画像情報に、人体モデルの体型情報を合わせるように、位置情報を変換して、この位置情報の変換を、記憶部に記憶された線量分布のデータに適用して、患者の体型情報に応じた位置情報に変換することができる。その結果、患者の体型に合った線量分布のデータを算出することができ、精度の高いデータを得ることができる。
【０００９】
また、補正部は、患者に適用される照射条件に関する位置情報を、人体モデルの体型情報における位置情報に変換して、変換された位置情報に対応する線量分布のデータを記憶部に記憶された線量分布のデータから抽出し、抽出された線量分布のデータを、患者の体型情報に基づく位置情報に変換することで補正することができる。これにより、患者に適用される照射条件に関する位置情報を、人体モデルの体型情報における位置情報に変換し、この変換された照射条件で放射線を人体モデルに対して照射した際の線量分布を抽出し、この線量分布を患者の体型情報に応じた位置情報に変換して補正を行うことができる。その結果、精度の高いデータを得ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、試行の計算回数を抑えることができるので、合計の計算時間の増大を抑制することが可能な放射線治療シミュレーション装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態の放射線治療シミュレーション装置を示すブロック図である。
【図２】放射線治療が施される人体の外観を示す模式図である。
【図３】放射線治療が施される人体の長手方向に直交する断面を示す断面図である。
【図４】記憶部に記憶された人体モデルに対する線量分布、患者の体型情報、及び補正後の線量分布を示す模式図である。
【図５】放射線治療シミュレーション装置における処理手順を示すフローチャートである。
【図６】患者の頭部における線量分布を示す画像である。
【図７】照射された線量と体積との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１に示す放射線治療シミュレーション装置１は、例えばＢＮＣＴ（中性子捕捉療法；Boron Neutron Capture Therapy）装置などの放射線治療装置において、治療計画を作成する際に利用可能な装置である。放射線治療装置としては、例えば、Ｘ線治療装置、陽子線治療装置、炭素線（重粒子線）治療装置などがある。
【００１４】
放射線治療シミュレーション装置１は、放射線治療において、患者の対象部位に照射された放射線による線量分布を演算する。放射線治療シミュレーション装置１は、線量分布を演算するための治療計画端末２を備え、この治療計画端末２には、入力部３及び出力部４が電気的に接続されている。
【００１５】
入力部３は、線量分布の演算に必要な各種情報を入力するものである。線量分布の演算に必要な各種情報としては、患者の体型情報、及び照射条件に関する情報がある。患者の体型情報としては、例えば、筋肉、骨、臓器、腫瘍などの位置、大きさ及び形状に関する情報を含む。入力部３は、体型情報として例えば患者のＣＴ（Computed Tomography：コンピュータ断層撮影）画像情報を入力することができる。入力部３は、ＣＴ画像情報に代えて、その他の撮影装置によって撮影された画像情報を入力してもよい。入力部３は、例えば、撮影装置に接続されて、直接、画像情報を入力してもよく、画像情報が記録された記録媒体に接続され、記録媒体に記録された画像情報を入力してもよい。
【００１６】
照射条件に関する情報としては、例えば、アイソセンタ（照射目標点）の位置を示す座標（ｒ、θ、ｚ）、照射角度（φ、ψ）、照射される粒子の種類、粒子のエネルギ、コリメータ径Ｋなどがある。図２は、放射線治療が施される人体の外観を示す模式図であり、図３は、放射線治療が施される人体の長手方向（体軸方向）に直交する断面を示す断面図である。アイソセンタの位置は、照射野中心軸上を直進する粒子が到達する位置である。例えば治療される腫瘍などの対象部位は、アイソセンタに配置される。アイソセンタの位置座標（ｒ、θ、ｚ）としては、円筒座標系を使用することができ、図２及び図３に示されるように、半径ｒ、角度θ、高さｚによって表される。アイソセンタの位置座標としては、例えば直交座標系などその他の座標系を用いて表現してもよい。
【００１７】
照射角度（φ、ψ）は、対象部位に対して粒子が進行する角度である。例えば、角度φは鉛直方向に延在する軸周りの角度である方位角であり、角度ψは水平方向に延在する軸周りの角度である仰角である。照射される粒子の種類とは、例えば、中性子、陽子、重粒子などである。照射される粒子のエネルギとは、例えば、粒子の運動エネルギなどである。コリメータは、粒子の進行を遮蔽する部材から構成されたものであり、粒子が照射される範囲を限定して照射野を形成するために用いられるものでる。コリメータ径Ｋは、粒子を通過させるための開口部の内径である。例えば、腫瘍の大きさに応じて、コリメータ径Ｋを選択することで、粒子が照射される範囲を限定する。
【００１８】
入力部３としては、例えば、キーボード、マウス、タッチパネル、スキャナー、その他の情報処理端末、撮影装置などを用いることができる。
【００１９】
出力部４は治療計画端末２による演算結果を出力するものである。演算結果としては、線量分布を示す画像データなどが挙げられる。出力部４としては画像表示装置、プリンターなどが挙げられる。例えば、演算結果を他の情報処理端末に出力してもよい。
【００２０】
治療計画端末２は、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶部となるＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）、入力信号回路、出力信号回路、電源回路などを備える。治療計画端末２は、線量分布を演算する演算部５と、演算部５で演算された線量分布を補正する補正部６と、線量分布を演算又は補正する際に利用される各種情報を記憶する記憶部７と、を有する。
【００２１】
放射線治療シミュレーション装置１では、標準的な人体模型（人体アトラスデータ）を用いて、複数の照射条件で粒子を照射した際のそれぞれの線量分布について事前に演算しておき、演算された線量分布のデータを記憶部７に記憶しておく。記憶部７には、標準的な人体模型の体型情報が記憶されている。
【００２２】
標準的な人体模型とは、例えば、多くの人の体型情報に基づいて、設定された体型情報であり、標準的であると仮定された人の筋肉、骨、臓器などの形状及び位置に関する情報が含まれている。この人体模型に対して粒子を照射した際の線量分布について、事前に演算した結果が記憶部７に記憶されている。線量分布のデータは、それぞれの照射条件に関連付けられて記憶されている。この標準的な人体模型に対する線量分布は、この放射線治療シミュレーション装置１の演算部５で演算されたものでもよく、他の情報処理端末で事前に演算されたものでもよい。
【００２３】
標準的な人体模型に対する線量分布として、例えば、５ｃｍ間隔、５度間隔に設定された複数のアイソセンタに対して、異なる複数の方向から粒子を照射した際のそれぞれの線量分布について演算されている。記憶部７には例えば数千通りの照射条件に対応する線量分布のデータが記憶されている。
【００２４】
演算部５は、従来から知られているモンテカルロ法を用いて、線量分布を演算するものである。モンテカルロ法では、人体の体型情報（例えば患者のＣＴ画像情報）を基に人体の３次元モデルを作成し、この３次元モデルを計算モデルに変換して線量分布を演算する。
【００２５】
補正部６は、入力部３から入力された患者の体型情報Ｍ１（図４（ｂ）参照）と、記憶部７に記憶された人体アトラスデータの体型情報Ｍ０（図４（ａ）参照）とに基づいて、入力された照射条件に対応する線量分布Ｄ０（標準の線量分布Ｄ０）のデータを補正する。補正部６は、患者の体型情報Ｍ１を含むＣＴ画像情報と、人体アトラスデータの体型情報Ｍ０とを比較して、人体アトラスデータの体型情報Ｍ０における位置情報を、患者の体型情報Ｍ１における位置情報に変換し、当該位置情報の変換に応じて記憶部７に記憶された線量分布Ｄ０のデータを補正する。補正部６は、患者のＣＴ画像に含まれる体型情報Ｍ１に対して人体アトラスデータの体型情報Ｍ０を合わせて、人体アトラスデータ上の位置座標を、患者のＣＴ画像上の位置座標に変換するための変換行列を求める。補正部６は、記憶部７に記憶されている人体アトラスデータに対する線量分布Ｄ０のデータを、変換行列を用いて、患者の体型情報Ｍ１に応じた線量分布Ｄ１のデータに変換して補正する。
【００２６】
また、補正部６は、患者に適用される照射条件に関する位置情報を、人体アトラスデータ上の位置情報に変換する。補正部６は、変換された位置情報に対応する線量分布のデータを記憶部７に記憶された線量分布Ｄ０のデータから抽出する。補正部６は、抽出された線量分布Ｄ０のデータを患者の体型情報に基づく位置情報に変換することで補正する。
【００２７】
次に、放射線治療シミュレーション装置１における処理手順について、図５のフローチャートを参照して説明する。
【００２８】
まず、作業者は、入力部３を用いて、照射条件を入力する（ステップＳ１）。ここでは、患者に放射線治療を行う際の照射条件を入力する。次に、作業者は、治療が行われる患者の体型情報を入力する（ステップＳ２）。ここでは、入力部３として機能する断層画像撮影装置から、患者のＣＴ画像情報を入力する。
【００２９】
次に、補正部６は、記憶部７に記憶されている人体アトラスデータの体型情報を読み込む（ステップＳ３）。次に、補正部６は、患者の体型情報と、人体アトラスデータとの位置合わせを行い、変換行列を算出する（ステップＳ４）。このとき、人体アトラスデータを任意の軸線方向に拡大又は縮小して、人体アトラスデータの体型情報を患者の体型情報に合わせる。
【００３０】
次に、入力部３から入力された照射条件における位置情報を人体アトラスデータにおける位置情報に変換する（ステップＳ５）。ここでは、照射条件における位置情報として、アイソセンタの位置を示す座標（ｒ、θ、ｚ）及び照射角度（φ、ψ）を、変換行列を用いて、人体アトラスデータにおける位置情報に変換する。
【００３１】
次に、補正部６は、照射条件に対応する線量分布Ｄ０を補正する（ステップＳ６）。具体的には、ステップＳ５で変換された照射条件に対応する線量分布Ｄ０を抽出して、この線量分布Ｄ０について変換行列を用いて、患者の体型情報に応じた位置情報に変換することで補正後の線量分布Ｄ１を演算する。
【００３２】
次に、補正後の線量分布Ｄ１が適正であるか否かを判定する（ステップＳ７）。例えば、演算部５は、補正後の線量分布Ｄ１に基づいて、図６に示されるような線量分布の画像を作成する。また、演算部５は、補正後の線量分布に基づいて、図７に示されるようなグラフ（Ｄｏｓｅ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ）を作成する。図７のグラフは、横軸に線量（Ｄｏｓｅ）を示し、縦軸に体積（Ｖｏｌｕｍｅ（％））を示している。図７では、図６に示されるように、患者の頭部の腫瘍に対して放射線治療を行うと想定したときの、線量と体積の関係を示しており、Ｖ１は、放射線が照射された領域のうち正常な脳組織が占める体積割合（％）であり、Ｖ２は、放射線が照射された領域のうち腫瘍が占める体積割合（％）である。
【００３３】
Ｖ２の線では、線量が約０から約４０までの間は、体積が１００％となっている。つまり、腫瘍部分の１００％に線量約４０以上の放射線が照射されていることを理解できる。また、Ｖ２の線では、線量が約６０に対して体積が約６０％となっている。つまり、腫瘍部分の６０％に線量約６０以上の放射線が照射されていることを理解できる。Ｖ１の線では、線量が１０に対して体積がほぼ０％となっている。つまり、正常な脳組織には線量約１０以上の放射線は照射されていないことを理解できる。これらから、腫瘍部分には高い線量の放射線が照射され、正常な脳組織には低い線量の放射線しか照射されていないことを理解することができる。
【００３４】
出力部４である表示部（液晶表示部）は、例えば、図６に示される線量分布の画像や図７に示されるグラフの画像を表示する。作業者は、表示部に表示されたこれらの画像を見て、補正後の線量分布が適正であるか否かを判定する。
【００３５】
補正後の線量分布Ｄ１が適正でない場合（ステップＳ７：ＮＯ）には、ステップＳ１に戻り、再び、ステップＳ１〜ステップＳ７までの処理を繰り返す。補正後の線量分布Ｄ１が適正である場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）には、ステップＳ８に進む。この補正後の線量分布Ｄ１に対応する照射条件を実際の治療に採用される照射条件として決定する。
【００３６】
つづくステップＳ８では、演算部５は、決定された照射条件についてモンテカルロ法を用いて、正確な線量分布を計算する。ここで算出された最終結果は、出力部４に出力される。
【００３７】
このような放射線治療シミュレーション装置１では、複数の照射条件について、標準的な人体モデル（人体アトラスデータ）に対して放射線を照射した際のぞれぞれの線量分布Ｄ０を事前計算しておき、予め計算した線量分布Ｄ０を照射条件に関連付けて記憶部７に記憶している。この放射線治療シミュレーション装置１は、患者に放射線を照射する際に適用される照射条件及び患者の体型情報を入力部３によって入力し、入力された患者の体型情報及び人体モデルの体型情報に基づいて、記憶部７に記憶されている線量分布Ｄ０のデータを補正する。これにより、予め計算された線量分布Ｄ０を、患者の体型情報に応じて補正することができ、補正された線量分布Ｄ１を用いることができる。そのため、最適な線量分布となる照射条件を見つけるために、何度もモンテカルロ法を用いた計算を行う必要がないので、合計の計算時間の増大を抑制することができる。
【００３８】
補正部６は、患者の体型情報を含むＣＴ画像情報と、人体アトラスデータの体型情報とを比較して、人体アトラスデータの体型情報における位置情報を、患者の体型情報における位置情報に変換し、当該位置情報の変換に応じて記憶部７に記憶された線量分布のデータを補正することができる。これにより、患者の体型情報を含むＣＴ画像情報に、人体アトラスデータの体型情報を合わせるように、位置情報を変換して、この位置情報の変換を、記憶部７に記憶された線量分布Ｄ０のデータに適用して、患者の体型情報に応じた位置情報に変換することができる。その結果、患者の体型に合った線量分布のデータを算出することができ、精度の高いデータを得ることができる。
【００３９】
補正部６は、患者に適用される照射条件に関する位置情報を、人体アトラスデータの体型情報における位置情報に変換して、変換された位置情報に対応する線量分布Ｄ０のデータを記憶部７に記憶された線量分布Ｄ０のデータから抽出し、抽出された線量分布Ｄ０のデータを、患者の体型情報に基づく位置情報に変換することで補正することができる。これにより、患者に適用される照射条件に関する位置情報を、人体アトラスデータの体型情報における位置情報に変換し、この変換された照射条件で放射線を人体アトラスデータに対して照射した際の線量分布Ｄ０を抽出し、この線量分布Ｄ０を患者の体型情報に応じた位置情報に変換して補正を行うことができる。その結果、精度の高いデータを得ることができる。
【００４０】
なお、照射条件及び患者の体型情報を用いて、人体アトラスデータに対応する線量分布Ｄ０のデータを補正することで当該照射条件により適当な線量分布を得られることを確認した後に、モンテカルロ法を用いた計算を行って、当該照射条件によって放射線を照射した際の線量分布のデータを得るようにしてもよい。これにより、合計の計算時間の増大を抑制しつつ、より正確な線量分布のデータを得ることができる。
【００４１】
本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。
【００４２】
上記実施形態では、標準的な体型の人体アトラスデータにおける線量分布を事前に演算しているが、人体モデルは、標準的ではない体型の人体モデルでもよい。また、複数種類の体型の人体モデルを設定して、それぞれの人体モデルにおける線量分布を記憶部に記憶させてもよい。
【００４３】
また、上記実施形態では、患者の体型情報として、ＣＴ画像情報を採用しているが、その他の検査データを患者の体型情報として採用してもよい。
【００４４】
また、図５に示される処理手順は、適宜順番を入れ替えて実行してもよい。例えば、照射条件の入力は、患者体型情報を入力した後に実行してもよい。照射条件の入力は、照射条件の人体モデル上の座標に変換する前に実行すればよい。
【００４５】
また、演算部を備える端末と、補正部を備える端末とを別々に備える構成として、これらの端末間においてデータ通信を行う構成でもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１…放射線治療シミュレーション装置、２…治療計画端末、３…入力部、４…出力部、５…演算部、６…補正部、７…記憶部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図４】
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【図６】
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