(57)【要約】本発明は、放射療法処置を計画するためのシステムに関する。システムは、放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータの値に従って生成された、第一の処置計画を取得し、少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変化させる命令を取得し、各放射成分について、前記命令に基づき、かつ、その放射成分の、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量への寄与に基づいて、その放射成分によって与えられる放射の量の変化を直接計算する。パラメータ値の上限および／または下限閾値を守るために、更新されたパラメータ値は、パラメータ値が閾値に達するまで、または所望される線量変化が実現されるまで、決定された変化をパラメータ値に逐次反復的に加算することによって、計算される。
2020522337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者の身体の領域内の標的構造の放射療法処置を計画するためのシステムであって、前記領域に送達される放射は、処置計画に基づいて個々に制御可能な複数の放射寄与を含み、当該システムは：
・前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータの値に従って生成された、患者の身体の前記領域において第一の線量分布を与える第一の処置計画を取得し、
・前記第一の線量分布に従って前記領域の少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変化させる命令を取得し、
・前記放射成分の少なくともいくつかについて、前記命令に基づき、かつ、その放射成分の、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量への寄与に基づいて、その放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の変化を直接計算し、
・前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の決定された変化に基づいて、更新されたパラメータ値を計算し、
・前記更新されたパラメータ値に基づいて第二の処置計画を決定するよう計画ユニットを有しており、
前記放射成分によって与えられる放射の量の変化を定量化するパラメータ値は、上限および／または下限閾値に束縛され、前記計画ユニットは、パラメータ値が上限または下限閾値に達するまで、または更新されたパラメータ値に基づいて生成される処置計画から帰結する線量分布が前記少なくとも一つの体積要素の前記変化した線量を含むまで、決定された変化をパラメータ値に逐次反復的に加算することによって、前記更新されたパラメータ値を計算するよう構成されている、
システム。
【請求項２】
前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量に対する前記放射成分の寄与は、局所性パラメータに基づいて、かつ寄与自体に基づいて、前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値の変化を決定するために適応される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記放射成分のそれぞれは、患者体内の複数の放射線源のうちの一つによって、滞留時間の間に放出される放射に対応し、一つの放射線源によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータは、関連する滞留時間に対応する、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記放射成分のそれぞれは、患者の身体の外部の放射線源によって発生される放射ビームの要素に対応し、放射ビームの一つの要素によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータは、関連するフルエンスに対応する、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記計画ユニットは、患者の身体の領域の個々の体積要素に対する前記放射成分の寄与を定量化する影響行列に基づいて、前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の変化を決定するよう構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記計画ユニットは、i番目の放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値の変化を
【数１】
2020522337.tif 000016
に従って決定するよう構成され、ここで、Δτiはi番目の放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値を表わし、Δdjは体積要素jに送達される放射線量の変化量を表わし、[B・(M・B)-1]ijは行列B・(Md・B)-1のi,j成分を表わし、Mdは前記少なくとも一つの体積要素に関係する影響行列の諸行を含む行列を表わし、Bは影響行列および局所性パラメータαに基づいて生成される対角行列を表わし、それが前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量に対する前記放射成分の寄与の適応を達成する、請求項２および５記載のシステム。
【請求項７】
Δτiは、i番目の放射線源の滞留時間の変化、または放射ビームのi番目の要素のフルエンスの変化を表わす、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
行列Bの各対角要素Bjjは、
【数２】
2020522337.tif 000017
に従って計算され、ここで、Pijは、行列Mdから、各行の最大成分を使って各行の成分を規格化することによって得られる行列Pの成分を表わし、局所性パラメータαは0以上の値をもつ、
請求項６記載のシステム。
【請求項９】
前記計画ユニットが、前記第一の線量分布において、最高の放射線量および／または最低の放射線量を吸収する少なくとも一つの体積要素を識別し、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変化させるための、前記放射成分によって提供される放射の量を定量化するパラメータの変化を決定するよう構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
前記計画ユニットは、前記第二の処置計画に対応する線量分布についてのグローバルな線量制約条件を受領し、前記第一の線量分布に従って少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量の変化が前記グローバルな線量制約条件の充足につながるよう該少なくとも一つの体積要素を同定し、同定された少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変化させる命令を生成するよう構成されている、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記患者の前記領域のある体積の所与の割合部分は、前記第一の線量分布に従って第一の放射線量を吸収し、前記グローバルな線量制約条件は、その割合部分に送達される放射線量が指定された第二の線量値よりも大きいことを要求し、前記計画ユニットは、前記第一および第二の放射線量の間の放射を吸収する少なくとも一つの体積要素を識別し、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射を変更する命令を生成するよう構成されている、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
患者の身体の領域内の標的構造の放射療法処置を計画するための方法であって、前記領域に送達される放射は、処置計画に基づいて個々に制御可能な複数の放射寄与を含み、当該方法は：
・前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータの値に従って生成された、患者の身体の前記領域において第一の線量分布を与える第一の処置計画を取得し、
・前記第一の線量分布に従って前記領域の少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変化させる命令を取得し、
・前記放射成分の少なくともいくつかについて、その放射成分の、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量への寄与に基づいて、その放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の変化を直接計算し、
・前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の決定された変化に基づいて、更新されたパラメータ値を計算し、
・前記更新されたパラメータ値に基づいて第二の処置計画を決定することを含み、
前記放射成分によって与えられる放射の量の変化を定量化するパラメータ値は、上限および／または下限閾値に束縛され、前記更新されたパラメータ値は、パラメータ値が上限または下限閾値に達するまで、または更新されたパラメータ値に基づいて生成される処置計画から帰結する線量分布が前記少なくとも一つの体積要素の前記変化した線量を含むまで、決定された変化をパラメータ値に逐次反復的に加算することによって、計算される、
方法。
【請求項１３】
プログラム・コードを有するコンピュータ・プログラムであって、該プログラム・コードは、コンピュータ装置において該プログラム・コードが実行されるときに、請求項１２記載の方法を実行するようコンピュータ装置に命令するためのものである、コンピュータ・プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概括的には、放射療法処置の、ユーザーによって案内される計画立案に関する。より詳細には、本発明は、患者の身体の領域内の標的構造の放射療法処置のための処置計画を生成するためのシステム、方法、およびコンピュータ・プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
放射療法では、癌細胞の増殖を制御したり、癌細胞を死滅させたりするために、患者の身体内の腫瘍などの標的構造が、放射性もしくは電磁放射または超音波によって処置される。同時に、処置は、通例危険臓器（organ  at  risk、OAR）とも称される周囲の健康な構造に送達される放射または熱の投下ができるだけ低くなるように行なわれる。
【０００３】
ある例示的な放射療法手順は、いわゆる一時的近接照射療法（temporary  brachytherapy）であり、所定の放射線量を腫瘍細胞に特に適用するために、アプリケータを用いて、所定の短い時間区間（通例、滞留時間と称される）にわたって処置領域内に一つまたは複数の放射活性放射線源を配置する。さらなる放射療法手順は、集束され特異的に形作られた外部放射ビームを標的組織に向ける外部ビーム放射療法である。放射療法手順のさらなる例は、高周波（RF）およびマイクロ波処置ならびにレーザー・アブレーションを含む。さらに、本明細書で使用される放射療法という用語は、特定の高強度集束超音波（HIFU）などの他のアブレーション療法モダリティーをも包含する。
【０００４】
処置を制御するための処置パラメータは、計画立案システムにおいて生成される処置計画において定義される。処置計画を決定するために、いわゆる逆計画手順が実行されてもよい。そのような手順では、標的構造および周囲のOARが同定され、処置目標が指定される。そのような処置目標は、患者のある種の領域に送達される線量についての、満たされるべき要件を指定しうるソフト制約条件、および／またはある種の領域に送達される線量についての、満たされなければならないハード制約条件を含む。次いで、指定された処置目標を満たす処置計画を見つけるために最適化プロセスが実行される。
【０００５】
最終的な処置計画を見つけるための一つのアプローチによれば、予備最適化された処置計画が数サイクルでさらに最適化される、オペレーター案内式の逐次反復最適化手順が実行される。この手順では、各最適化サイクルにおいて処置計画の自動的な最適化がなされ、各最適化サイクル後に、計画システムのオペレーター（典型的には医師）がそれぞれのサイクルで計算された処置計画をレビューして、それぞれの処置計画から帰結する線量分布に満足するかどうかを確認することができる。そうでない場合、オペレーターは、所望の線量分布を達成するために最適化問題に修正を加えることができ、処置計画の次の自動最適化が、修正された最適化問題に基づいて実行されることができる。
【０００６】
処置計画の自動最適化は、ソフト制約条件およびハード制約条件に基づいて定式化された最適化問題を解くことに関わる。典型的な計画システムでは、最適化問題は、個々の目的関数の加重和であるコスト関数の最小化に対応し、各個々の目的関数は一つのソフト制約条件を表わす。加えて、ハード制約条件が満たされることを確実にしなければならない。典型的な目的関数は、標的構造のある領域に送達される最小線量と、OARに送達される最大線量とに関係する。ここで、対応する目的関数は、これらの線量要件が満たされたときに（グローバルな）最小をもつように構成される。
【０００７】
このようなシステムにおいて一つの最適化サイクルで生成された処置計画を適応させるために、線量要件自体は一般には修正されることはできない。なぜなら、これらの要件は、通例、最適化手順の開始時、すなわち、最初の最適化サイクルの前に、すでに、所望の線量分布に対応するように設定されるからである。代わりに、ユーザーは、典型的には、コスト関数における個々の目的関数の重みを修正する。たとえば、ユーザーがOARに高すぎる線量が送達されると判断する場合、ユーザーは、関連するOARの最大線量要件を表わす個別の目的関数の重みを増加させることができる。
【０００８】
目的関数に割り当てられた重みを修正することによってでは、ユーザーは次の最適化サイクルにおいて計算される線量分布に間接的に影響を与えることができるだけである。したがって、所望の線量分布に近い線量分布が達成できるのは、通例、試行錯誤アプローチにおける逐次反復的な修正によってのみである。これは、しばしば非常に時間がかかり、不満足な結果につながることもある。
【０００９】
特許文献１は、ユーザーが局所線量変動を対話的に指定することができ、入力された局所線量変動を考慮するようにシステムが予備的な処置計画を修正する放射線処置計画システムを開示している。処置計画を修正するために、システムは、局所線量がユーザーによって規定されたように変化するように、ビクセル重みの好適な調整を計算する。この目的のためには、関連するボクセルの線量に寄与するビクセルの重みは、同じ仕方で変化させられてもよい。代替として、局所線量への最も高い寄与をもつビクセルのみが修正されてもよく、または、局所線量への相対的な寄与が所定の閾値を超えるビクセルが修正されてもよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】EP2260902A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、予備最適化された処置計画の、より容易かつ迅速な適応を許容することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第一の側面によれば、本発明は、患者の身体の領域内の標的構造の放射療法処置を計画するためのシステムを提案する。前記領域に送達される放射は、処置計画に基づいて個々に制御可能な複数の放射寄与を含む。システムは、(i)前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータの値に従って生成された、患者の身体の前記領域において第一の線量分布を与える第一の処置計画を取得し、(ii)前記第一の線量分布に従って前記領域の少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変更する命令を取得し、(iii)前記放射成分の少なくともいくつかについて、その放射成分の、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量への寄与に基づいて、その放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の変化を直接計算し、(iv)前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の決定された変化に基づいて、更新されたパラメータ値を計算し、(v)前記更新されたパラメータ値に基づいて第二の処置計画を決定するよう計画ユニットを有する。放射成分によって与えられる放射の量の変化を定量化するパラメータ値は、上限および／または下限閾値に束縛され、計画ユニットは、更新されたパラメータ値を計算するよう構成される該計算は、パラメータ値が上限または下限閾値に達するまで、または更新されたパラメータ値に基づいて生成される処置計画から帰結する線量分布が前記少なくとも一つの体積要素の前記変化した線量を含むまで、決定された変化をパラメータ値に逐次反復的に加算することによる。
【００１３】
放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の変化を直接計算する提案は、最適化問題を解くことに基づくこれらの変化を間接的な決定を回避する計算手順を指す。そのような直接計算は、より少ない計算量で処置計画を修正することを許容し、それにより、処置計画のより容易かつ迅速な修正が達成される。
【００１４】
さらに、提案されるシステムは、特定の体積要素について線量変化を直接指定することを許容する。これは、処置計画から帰結する線量分布の修正を間接的に制御するためにユーザーが最適化問題を修正しなければならない従来の手順と比較して、ユーザーにとって、処置計画の修正を特に単純化する。
【００１５】
放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値の変化の計算は、好ましくは、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量に寄与する放射成分に関してのみ実行される。さらに、関連する放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値は、好ましくは、計算において、これらの放射成分によって関連する少なくとも一つの体積要素に与えられる放射線量に関してのみ適応される。
【００１６】
このように、放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値の変化の計算は、すべての線量変化が、線量変化が指定された対象である体積要素のみに影響するという仮定の下で効果的に実行される。これにより、計算の次元、よって、その計算量がさらに低減され、計算は非常に高速に実行できる。
【００１７】
ある実施形態では、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量に対する放射成分の寄与は、局所性パラメータに基づいて、かつ寄与自体に基づいて、放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値の変化を決定するために適応される。局所性パラメータに基づいて、ある体積要素によって吸収される放射線量に対する放射成分の寄与は、変更されたパラメータ値を決定するプロセスにおいて、より低い寄与が、より高い寄与に比べてさらに低下させられるよう、特に適応されうる。結果として、放射成分の変化は「局所的」に保たれることができる。すなわち、放射成分の変化は、本質的には少数の放射成分に制約されることができる。それにより、処置計画の修正が、最初の処置計画によってすでに満たされた線量制約条件の違反につながる可能性を低減することが可能である。特に、上述した、前記少なくとも一つの体積要素に放射を与える放射成分、およびこれらの放射成分によって前記少なくとも一つの体積要素に与えられる放射に、計算を限定することの悪影響を防止することが可能である。
【００１８】
提案されるシステムは、特に近接照射療法処置を計画するために使用されることができる。ある関係した実施形態では、放射成分のそれぞれは、滞留時間の間、患者体内の複数の放射線源のうちの一つによって放出される放射に対応し、一つの放射線源によって与えられる放射の量を定量化するパラメータは、関連する滞留時間に対応する。
【００１９】
同様に、提案されるシステムは、外部ビーム放射療法を計画するために好適である。ある関係した実施形態では、放射成分のそれぞれは、患者の身体の外部の放射線源によって発生された放射ビームの要素に対応し、放射ビームの一つの要素によって与えられる放射の量を定量化するパラメータは、関連するフルエンスに対応する。
【００２０】
あるさらなる実施形態では、計画ユニットは、患者の身体の領域の個々の体積要素に対する放射成分の寄与を定量化する影響行列に基づいて、放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値の変化を決定するよう構成される。影響行列に基づいて、患者の身体の関連する領域の体積要素によって吸収される線量の、放射成分によって与えられる（放出された）線量の関数としての線形近似が可能である。特に、影響行列の各成分は、ある放射成分によって与えられる放射の単位量当たりに、ある体積要素によって吸収される線量の量を定量化することができる。放射の単位量は、放射成分によって与えられる放射の量に影響する好適な量に従って測定されることができる。
【００２１】
近接照射療法処置の場合、この量は特に、放射線源の滞留時間に対応してもよい。このように、影響行列の各成分は、ある位置におけるある放射線源からの放出に起因する、単位時間当たりにあるボクセルによって吸収される線量の量を定量化することができる。外部ビーム放射療法処置の場合、その量は特に、ビーム要素のフルエンスに対応してもよい。このように、影響行列は、単位フルエンス当たりにあるビーム要素における放出に起因する、ある体積要素によって吸収される線量の量を定量化することができる。
【００２２】
ある実施形態では、計画ユニットは、i番目の放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値の変化を
【数１】
2020522337.tif 000003
に従って決定するよう構成される。ここで、Δτiはi番目の放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値を表わし、Δdjは体積要素jに送達される放射線量の変化量を表わし、[B・(M・B)-1]ijは行列B・(Md・B)-1のi,j成分を表わし、Mdは前記少なくとも一つの体積要素に関係する影響行列の諸行を含む行列を表わし、Bは影響行列および局所性パラメータαに基づいて生成される対角行列を表わし、それが前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量に対する放射成分の寄与の適応を達成する。
【００２３】
近接照射療法処置の場合、Δτiは、i番目の放射線源の滞留時間の変化に対応しうる。外部ビーム放射療法処置の場合、Δτiは、外部ビーム放射療法処置の場合の放射ビームのi番目の要素のフルエンスの変化に対応しうる。
【００２４】
あるさらなる実施形態では、行列Bの各対角要素Bjjは、
【数２】
2020522337.tif 000004
に従って計算される。ここで、Pijは、行列Mdから、各行の最大成分を使って各行の成分を規格化することによって得られる行列Pの成分を表わし、局所性パラメータαは0以上の値をもつ。好ましくは、局所性パラメータαの値は0より大きい。
【００２５】
第一の線量分布に従って領域の少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変更する命令は、たとえば第一の線量分布のレビューの際に、計画ユニットのユーザーによって手動で提供されてもよい。この点に関し、ある実施形態は、計画ユニットが、第一の線量分布において、最高の放射線量および／または最低の放射線量を吸収する少なくとも一つの体積要素を識別し、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変化させるための、放射成分によって提供される放射の量を定量化するパラメータの変化を決定するよう構成されることを含む。最高の放射線量を吸収する体積要素（いわゆる最高のホットスポット）および最低の放射を吸収する体積要素（いわゆる最低のコールドスポット）は、吸収される線量が修正されるべき体積要素に対応する可能性が最も高い。このように、計画ユニットによる最高のホットスポットおよび／または最低のコールドスポットの自動的な決定は、吸収される放射線量の変化が必要である可能性がある体積要素を特定する際に、ユーザーを支援する。
【００２６】
さらに、計画ユニットは、第二の処置計画に対応する線量分布についてのグローバルな線量制約条件を受領するように構成されてもよい。そのようなグローバルな線量制約条件は、計画ユニットのユーザーによって、たとえば、第一の線量分布の線量体積ヒストグラムに基づいて、指定されてもよい。グローバルな線量制約条件に関して、計画ユニットは、第一の線量分布に従って少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量の変化がグローバルな線量制約条件の充足につながるような該少なくとも一つの体積要素を同定し、同定された少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変化させる命令を生成するよう構成されてもよい。これにより、ユーザーは、特定の体積要素に送達される線量の変化に基づく修正への追加または代替として、グローバルな線量制約条件に基づいて処置計画の修正を制御することができ、これらの変更に関係する命令は、この実施形態における線量制約条件に基づいてシステムによって自動的に生成される。
【００２７】
ある関係した実施形態では、前記患者の前記領域のある体積の所与の割合部分は、第一の線量分布に従って第一の放射線量を吸収し、グローバルな線量制約条件は、その割合部分に送達される放射線量が指定された第二の線量値よりも大きいことを要求する。この場合、計画ユニットは、第一および第二の放射線量の間の放射を吸収する少なくとも一つの体積要素を識別し、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射を変更する命令を生成するよう構成されてもよい。
【００２８】
あるさらなる実施形態では、計画ユニットは、ユーザーに第一の線量分布のグラフィカルな視覚化をレンダリングするためのグラフィカルユーザーインターフェースを提供し、該視覚化において、前記少なくとも一つの体積要素を選択するためのユーザー入力を受領するよう構成される。
【００２９】
あるさらなる側面によれば、本発明は、患者の身体の領域内の標的構造の放射療法処置を計画するための方法を提案する。前記領域に送達される放射は、処置計画に基づいて個々に制御可能な複数の放射寄与を含む。本方法は、次の段階を含む：(i)前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータの値に従って生成された、患者の身体の前記領域において第一の線量分布を与える第一の処置計画を取得し、(ii)前記第一の線量分布に従って前記領域の少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量を変更する命令を取得し、(iii)前記放射成分の少なくともいくつかについて、その放射成分の、前記少なくとも一つの体積要素に送達される放射線量への寄与に基づいて、その放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の変化を直接計算し、(iv)前記放射成分によって与えられる放射の量を定量化する前記パラメータ値の決定された変化に基づいて、更新されたパラメータ値を計算し、(v)前記更新されたパラメータ値に基づいて第二の処置計画を決定する。放射成分によって与えられる放射の量の変化を定量化するパラメータ値は、上限および／または下限閾値に束縛され、更新されたパラメータ値は、パラメータ値が上限または下限閾値に達するまで、または更新されたパラメータ値に基づいて生成される処置計画から帰結する線量分布が前記少なくとも一つの体積要素の変化した線量を含むまで、決定された変化をパラメータ値に逐次反復的に加算することによって計算される。
【００３０】
あるさらなる側面によれば、本発明は、プログラム・コードを有するコンピュータ・プログラムを提案する。該プログラム・コードは、コンピュータ装置において該プログラム・コードが実行されるときに、前記方法を実行するようコンピュータ装置に命令するためのものである。
【００３１】
請求項１のシステム、請求項１２の方法および請求項１３のコンピュータ・プログラムは同様のおよび／または同一の、特に従属請求項に記載される、好ましい実施形態をもつことが理解される。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態が、従属請求項または上記の実施形態の、それぞれの独立請求項との任意の組み合わせであってもよいことが理解される。
【００３３】
本発明のこれらおよび他の側面は、以下に記載される実施形態から明らかになり、説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】近接照射療法システムの構成要素を概略的かつ例示的に示す図である。
【図２】外部ビーム放射療法システムの構成要素を概略的かつ例示的に示す図である。
【図３】処置計画を修正するための手順の概略的かつ例示的なステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１および図２は、ヒトまたは動物の患者の体内の標的構造に放射療法処置を施すためのシステムの実施形態を概略的かつ例示的に示している。標的構造は、特に、身体のある種の領域内の腫瘍であってもよい。図１に概略的に示されている一つの例示的実施形態では、システムは、高線量率（high-dose  rate、HDR）近接照射療法処置または別の形の時間的近接照射療法処置を施すように構成されうる、時間的近接照射療法システムとして構成される。図２に概略的に示されるさらなる例示的実施形態では、システムは、外部ビーム放射療法処置システムとして構成される。
【００３６】
（近接照射療法システム）
近接照射療法システムでは、標的構造は、一つまたは複数の放射線源によって照射され、該放射線源は、標的構造の近傍の処置領域に一時的に配置される（以下では、複数の放射線源が使用されるとする）。処置は、一度にまたは複数の部分に分けて（すなわち、放射線源は数回、処置領域内に配置される）施すことができる。
【００３７】
近接照射療法システムは、放射線源を処置領域に送達するためのアプリケータ１を有する。放射線源は、特に、標的構造を処置するために電離活性放射を放出する放射活性粒子を含んでいてもよい。アプリケータ１は、放射線源を受け取るためのカテーテルを含む。カテーテルを介して、放射線源は、処置領域に送達され、滞留位置とも称される所定の位置に、滞留時間とも称される所定の諸時間期間にわたって保持されることができる。図１に示される実施形態では、放射線源は、アフターローダー装置２からアプリケータ１に遠隔的に送達される。さらなる諸実施形態では、放射線源は、手動で同様にアプリケータ１に送達されることができる。
【００３８】
さらに、システムは、患者の体内の処置領域の画像を取得するよう構成された撮像装置３を有する。好ましくは、撮像装置３は、処置領域の三次元画像を生成するよう構成される。この目的のために、撮像装置３は、当業者に知られているいかなる好適な撮像モダリティーを用いてもよい。撮像装置３によって用いられる例示的な撮像モダリティーは、コンピュータ断層撮影（CT）、超音波撮像または磁気共鳴撮像（MRI）を含む。原理的には、撮像装置３が、X線撮像、超音波撮像、または他の撮像技法によって、処置領域の二次元画像を取得するよう構成されることも可能である。画像に基づいて、処置領域の解剖学的構成が検査されることができ、アプリケータ１が処置領域に位置されている間に画像が取得される場合、標的構造およびOARに対する放射線源およびアプリケータ１の相対位置を決定することができる。
【００３９】
処置は、処置計画に従って送達され、処置計画は、特に滞留時間を含む関連する処置パラメータを指定し、計画ユニット４において生成される。計画ユニット４は、のちにより詳細に説明する。システムにおいて実際の放射線処置を開始する前に、処置領域内の一つまたは複数の適切な滞留位置が、計画ユニット４の位置決めモジュール７において決定され、アプリケータ１は、放射線源がアプリケータ１に挿入される際に、決定された滞留位置に配置されるように、処置領域内に位置される。
【００４０】
滞留位置は、標的構造およびOARの位置に基づいて、発見的決定手順を適用することにより、決定されうる。そのような手順の既知の例は、いわゆるk平均クラスタリング手順およびいわゆる重心ボロノイ分割（centroidal  Voronoi  tessellation）を含む。標的構造およびOARの位置は、撮像装置３によって取得された処置領域の画像を使って決定されてもよい。画像では、標的構造およびOARは、標的構造およびOARの輪郭を決定するために輪郭描出され、位置は決定された輪郭に基づいて決定されてもよい。標的構造およびOARの輪郭描出は、当業者に知られている手動、半自動または自動手順を使ってできる。
【００４１】
標的構造およびOARに対する滞留位置の配置に基づいて、処置計画は、滞留位置、標的構造および周囲のOARを含む患者の身体の関連領域の画像を使って、計画ユニット４の計画モジュール８において決定される。処置計画は特に、処置領域が放射線源によって照射される滞留時間を定義する。処置領域内にアプリケータ１を位置決めし、放射線源の滞留位置のための処置計画を決定すると、放射線源がアプリケータ１に送達され、処置計画に従ってアプリケータ１内の所定の位置に保持される。
【００４２】
（外部ビーム放射療法システム）
外部ビーム放射療法システムは、処置ゾーン２１内に電離放射線を放出するように動作させることができる放射線源２０を有する。処置領域２１には患者の身体が、患者テーブルのような好適な支持体（図示せず）上に位置される。関連する身体領域に関する放射線源２０の相対的な位置および配向は、位置および配向のある範囲にわたって変化させることができる。この目的のために、放射線源２０は、異なるビーム方向で放射を送達するために、放射線源２０１が、360°以下であってもよいある角度範囲内で処置ゾーン２１のまわりで回転させることができるように、回転可能なガントリー２２上に取り付けられてもよい。さらに、ガントリー２２および／または患者支持体は、ガントリー２２の回転軸に平行な方向および／または垂直な方向に移動可能であってもよい。これにより、標的構造が放射アイソセンター内に配置されるよう、患者と放射アイソセンターとの間の、ある相対位置を設定することが可能である。さらに、支持体をガントリー２２の回転軸に垂直な軸のまわりに回転させることも可能でありうる。
【００４３】
放射線源２０は、電離放射線ビームを生成するための線形粒子加速器または別の放射線源を含んでいてもよい。別の放射線源の一例は、コバルト線源のような放射活性源である。さらに、放射線源２０は、放射ビームを整形するためのコリメーター２３が設けられてもよい。コリメーター２３は、特に、所定の仕方で放射ビームを横断して放射強度を変化させることを許容しうる。この目的のために、コリメーター２３は、マルチリーフコリメーターとして構成されてもよい。
【００４４】
放射療法処置の送達の間、放射は、変化するビーム方向で標的構造に送達され、放射線源２０によって放出される放射の強度は変化させられてもよい。さらに、コリメーター２３の構成は処置計画に基づいて変更されてもよく、それにより時間変化する形状をもつ放射ビームが送達される。ビーム方向と強度およびコリメーター構成を含む関係する処置パラメータは、処置計画において定義される。
【００４５】
ある実装では、放射療法処置は、一連のセグメントに従って送達され、各セグメントは、処置計画において定義された処置パラメータの一つの構成に対応する。二つのセグメントの間に、構成は、第一のセグメントの構成から第二のセグメントの構成に変更される。この期間中は、放射ビームはオフにされてもよい（これは通例、ステップ・アンド・シュート（step-and-shoot）手法とも称される）。同様に、放射ビームを中断することなく、諸セグメントに応じて構成を連続的に変更することが可能である。この手法は、たとえば、いわゆる体積変調アーク療法（volume  modulated  arc  therapy、VMAT）に適用される。
【００４６】
放射線源２０、コリメーター２３、ガントリー２２および患者支持体を含む放射療法処置システムの構成要素を処置中に制御するために、処置システムは制御ユニット２４を含む。好ましくは、制御ユニット５は、制御ユニットによって実行される制御ルーチンを含み、放射療法処置システムのさらなる諸構成要素に結合されたコンピュータ装置において実行されるソフトウェア・プログラムとして実装される。
【００４７】
処置計画は、処置の前に、標的構造および周囲のOARを含む関連する身体領域の画像に基づいて、計画ユニット２５において、そこに含まれる計画モジュール２９によって生成されてもよい。この画像は本稿では計画画像とも称される。計画画像は、システムに含まれていてもよい、好適な撮像モダリティーに従って構成された撮像装置２６を使って取得されてもよい。システムがそのような撮像装置２６を含む場合、当業者に知られた仕方で、処置中に取得された画像に基づいて、処置過程中に処置計画を適応させることも可能であってもよい。代替として、計画画像は、システムの外部の撮像装置を使って取得されてもよい。
【００４８】
（処置計画の生成）
処置計画の生成は、一般に、それぞれの放射療法システムにおいて利用可能な個々に制御可能な放射成分によって提供される放射の量が最適化されるような仕方で実行される。最適化は、十分な放射線量が標的構造に送達され、OARに送達される放射線量が事前に定義された閾値より下に維持されるように行なわれる。この目的のために、放射療法システムの計画ユニット４、２５は、個々に制御可能な放射成分によって提供される放射の量を定量化するパラメータの値を決定する最適化手順を実行し、これらのパラメータ値に基づいて処置計画を生成する。
【００４９】
近接照射療法システムでは、個々に制御可能な放射成分（radiation  component）は、患者の体内に配置された放射線源によって放出される放射に対応する。近接照射療法システムの計画において最適化されるべきパラメータは、特に、処置中に放射線源によって放出される放射の量を決定する、放射線源の滞留時間に対応してもよい。外部ビーム放射療法システムでは、個々に制御可能な放射成分（radiation  component）は、利用可能なビームレット、すなわち、システム内で特に標的構造に対する可能なビーム方向および可能なコリメーター構成に従って生成できるビームレットに対応し、一つのビームレットは、ビームが好ましくは規則的なグリッドを使って分割されるときの放射ビームの一部分に対応する。最適化されるべきパラメータは、具体的には、ビームレットのフルエンスに対応してもよく、最適化されたフルエンスに基づいて、計画ユニット４は、処置計画において指定されるべき機械パラメータを決定することができる。同様に、機械パラメータが直接最適化されることも可能である。
【００５０】
両方のシステムにおける処置計画を生成するための計画ユニット４、２５は、同様の仕方で構成される。特に、各計画ユニット４、２５は、放射療法処置の実行を制御するための処置計画を生成するための処置計画ソフトウェアを実行する処理ユニットを備える、たとえばパーソナル・コンピュータのようなコンピュータ装置として構成されてもよい。各計画ユニット４、２５は、上記で説明されたように取得された計画画像を受領するための好適なインターフェースを備える。さらに、各計画ユニット４、２５は、ユーザー（これはたとえば医師であってもよい）と対話するためのユーザー・インターフェースを備えるか、またはそれに結合される。ユーザー・インターフェースは、特に、ディスプレイ・ユニット５、２７および入力装置６、２８を有していてもよい。入力装置６、２８は、特に、ディスプレイ・ユニット５、２７上に設けられたグラフィカル・ユーザー・インターフェース内をナビゲートすることを許容しうる。この目的のために、入力装置６、２８は、特に、たとえば、コンピュータ・マウス、トラックパッド、またはトラックボールのようなポインティングデバイスを含んでいてもよい。同様に、ディスプレイ・ユニット５、２７は、入力装置６、２８としても機能するタッチ感応性モニターを有していてもよい。
【００５１】
各計画ユニット４、２６において、処置計画は、対応する計画モジュール８、２９において、患者のための臨床処方に基づいて生成され、該臨床処方は特に、標的構造に関する処置目標を指定してもよい。これらの処置目標には、処置中に標的構造に対してある最小の放射線量を送達することを含んでいてもよい。さらに、OARに関する処置目標が指定されてもよい。これらの処置目標は、OARに送達される最大放射線量の送達を含んでいてもよい。さらに、処置計画は、計画画像に従って決定された、標的構造およびOARの位置に対して生成される。この目的のために、標的構造およびOARの輪郭は、手動、半自動または自動の輪郭描出手順でありうる好適な輪郭描出手順を使って、計画画像において決定される。
【００５２】
処置目標に基づいて、一組のソフト制約条件および／またはハード制約条件が決定され、それらの制約条件を少なくとも近似的に充足する予備最適化された処置計画（pre-optimized  treatment  plan）が生成される。この目的のために、制約条件に基づいて最適化問題が定式化され、この最適化問題が少なくとも近似的に解かれる。
【００５３】
ソフト制約条件は、線量分布が充足すべき要件に対応する。可能なソフト制約条件は、特に、処置領域内の特定の位置または領域への最大および最小の放射線量の送達を含む。最小線量要件は、通例、標的構造に関係する。よって、標的構造の一つまたは複数の位置または領域に送達される最小の放射線量が、特に指定されうる。最大線量要件は通例、OARに関係する。これに関し、OARの一つまたは複数の位置または領域に送達される最大放射線量が、特に指定されうる。さらに、たとえば、処置体積のある領域（これは通例、標的構造の領域であろう）への一様な線量分布の送達のような、さらなるソフト制約条件が定義されてもよい。
【００５４】
ハード制約条件は、一般にソフト制約条件と同じ要件に対応する。しかしながら、ソフト制約条件として実装される要件は厳密に満たされる必要はないが、線量分布は、ハード制約条件として実装される要件を破ってはならない。
【００５５】
特定の患者について指定されたソフト制約条件およびハード制約条件に基づいて、予備最適化された処置計画を自動的に生成するために、計画モジュール８、２９は、好適な最適化アルゴリズムを使ってコスト関数Fを最小化してもよい。コスト関数Fは、個々の目的関数Fkの集合を含んでいてもよく、各個別の目的関数Fkは、一つのソフト制約条件を表わす。ある実施形態では、コスト関数Fは特に、目的関数Fkの加重和、すなわち
【数３】
2020522337.tif 000005
に対応してもよい。ここで、τは決定されるべき処置パラメータの集合を表わし、パラメータwkは目的関数Fkの重みを表わす。重み付けのため、ソフト制約条件が互いに矛盾する場合に、より大きな重みをもつソフト制約条件が満たされる可能性が、より低い重みをもつソフト制約条件よりも高い。よって、重みは、処置の成功に関するソフト制約条件の重要性に従って選択される。
【００５６】
ハード制約条件は、最適化問題の解によって満たされなければならない副条件に対応する。特に、ハード制約条件は関数C(τ)によって表わされてもよく、計画モジュール８、２９は前述の関数F(τ)を最小化し、同時に
C(τ)≧0またはC(τ)＝0
が満たされることを保証してもよい。
【００５７】
目的関数および個々のハード制約条件は、通例、処置計画から帰結する可変放射線量および患者の身体の関連する領域のある種の体積要素についての関係した線量目標に依存する。ここで、これらの体積要素は、含まれる計画画像として、計画体積のボクセルに対応してもよい。特に、これらのボクセルは、規則的なグリッドに従った計画体積の分割から帰結してもよい。
【００５８】
一例として、ある体積Vについての最大／最小放射線量を表わす目的関数は、
【数４】
2020522337.tif 000006
によって与えられる。ここで、最大線量が指定される場合はf(di,dk)＝H(di−dk)、最小線量が指定される場合はf(di,dk)＝H(dk−di)である。Δviはボクセルiの体積を表わし、di＝di(τ)は、放射パラメータτが使用されるときにボクセルiに送達される放射線量、dkは、体積Vに送達される最大／最小放射線量、Hは
【数５】
2020522337.tif 000007
によって定義されるヘビサイド・ステップ関数である。
【００５９】
たとえば、最大線量要件に対応するハード制約条件についての対応する関数Cは、C＝dk−diであってもよく、最小線量要件に対応するハード制約条件についての関数Cは、C＝di−dkであってもよい。ハード制約条件が満たされるように最適化問題を（近似的に）解くために、たとえば、既知のラグランジュ乗数法が適用できる。
【００６０】
可変放射線量（すなわち、前述の実施例における線量di）は、決定されるべき処置パラメータの関数である。近接照射療法システムの場合、放射線量は、滞留位置についての滞留時間の関数である。外部ビーム放射療法システムの場合、放射線量は、処置の異なるセグメントで生成される放射ビームのビームレットのフルエンスの関数である。
【００６１】
特に、患者の身体の関連する領域のボクセルiによって吸収される放射線量は、影響行列に基づいて線形に近似されてもよい。近接照射療法システムの場合、近似は、
【数６】
2020522337.tif 000008
に従って計算されてもよい。ここで、MBijは、近接照射療法についての影響行列MBのi,j成分を表わし、tjは、滞留位置jの処置時間を表わす。影響行列の各成分MBijは、滞留位置jにある放射線源からの放出に起因して単位時間当たりにボクセルiによって吸収される線量の量を定量化する。影響行列は、滞留位置（上記で説明したように決定される）、患者の身体の関連する領域の解剖学的構成、および放射線源によって放出される既知の放射強度に基づいて計算されうる。
【００６２】
外部放射療法システムの場合、ボクセルiによって吸収される放射線量は、
【数７】
2020522337.tif 000009
に従って近似されてもよい。ここで、MEijは外部ビーム放射療法の影響行列MEのi,j成分を表わし、φjはビームレットｊのフルエンスを表わす。影響行列の各成分MEijは、ビームレットjからの単位フルエンス当たりにボクセルiによって吸収される線量の大きさを定量化する。影響行列MEは、放射ビームおよび対応するビームレットの関連するビーム方向についての患者の身体の関連する領域の解剖学的構成に基づいて決定されうる。
【００６３】
これらの近似は、目的関数Fkおよび処置計画を決定するための制約条件を生成する際に使用することができる。同様に、たとえば、非線形モデルに基づく近似のような他の近似も、この目的のために使用されうる。近接照射療法システムの場合、生成された目的関数Fkおよび制約条件は、決定されるべき最適化パラメータとしての滞留時間tiの関数である。外部ビーム放射療法システムの場合、生成された目的関数Fkおよび制約条件は、フルエンスφjの関数であってもよく、これらのフルエンスが決定されるべき最適化パラメータに対応しうる。最適化されたフルエンスから、計画ユニット４は、放射線源１およびコリメーター４のモデルの機械パラメータを決定することができ、これらの機械パラメータが処置計画に含められることができる。このアプローチはフルエンス・マップ最適化（fluence  map  optimization、FMO）とも称される。
【００６４】
外部ビーム放射療法システムについての処置計画を決定する代替的なアプローチとして、最適化パラメータは、システムの機械パラメータに対応する。このアプローチは、直接機械パラメータ最適化（direct  machine  parameter  optimization、DMPO）とも称される。この変形では、フルエンスを機械パラメータに結びつける放射線源２０およびコリメーター２３のモデルが最適化問題に組み込まれ、機械パラメータが直接、最適化される。このモデルを使うと、線量分布は、フルエンスの関数ではなく、DMPOにおける機械パラメータの関数として、目的関数Fkに含められる。
【００６５】
最適化問題を解いて、予備最適化された処置計画を生成するために、計画モジュール８、２９は、自動的な数値計算を実行することができる。任意的に、いくつかのステップを含むユーザー案内式の逐次反復的な最適化手順を実行することも可能である。各ステップにおいて、計画モジュール８、２９は、最適化問題の解を近似することによって予備的な処置計画を自動的に計算する。次いで、計画モジュール８、２９は、この処置計画に対応する線量分布を決定し、計画ユニット４、２６のユーザーに対して線量分布を可視化する。ユーザーは、線量分布をレビューして、線量分布におおむね満足しているかどうかを決定する（ここで、のちに述べるように、処置目標を完全に満たす必要はない）。あるステップにおいてそうなる場合、そのステップで計算された処置計画が、予備最適化された処置計画として使用される。ユーザーが満足しない場合、最適化問題は、ユーザーのレビューの結果としてユーザーによって指定された変更に従って修正される。次いで、計画モジュール８は、次のステップで新しい予備的な処置計画を計算する。
【００６６】
このステップにおいて、計画モジュール８、２９は、従来の処置計画立案手順を実行する。しかしながら、従来の処置計画立案のほかは、前述の諸ステップでは予備最適化された処置計画のみが生成され、それが後述するその後のステップでさらに最適化されて、最終的な処置計画を生成する。最終的な処置計画とは対照的に、予備最適化された処置計画は処置目標を完全には満たさなくてもよく、特に、いまだ所望よりも低い放射線量を受ける体積（コールドスポット）または所望よりも高い放射線量を受ける体積（ホットスポット）が生じる。そのような不完全な予備最適化された処置計画は、完全に自動化された数値計算において、または前述のユーザー案内式の最適化手順のわずかなステップにおいて、比較的迅速に計算することができる。特に、ユーザー案内式の最適化手順が実行される場合、オペレーターは、処置目標がほぼ達成されている場合、すでに手順を停止することができる。これは、典型的には、わずかなステップ後に実現される。
【００６７】
予備最適化された処置計画を生成したら、計画モジュール８、２９は、一つまたは複数のボクセルによって吸収される線量を変更する命令を取得する。これらの命令は、予備最適化された処置計画から帰結する線量分布において線量制約条件が破られる一つまたは複数のボクセルに関係することがある。よって、線量変化が指定されるボクセルは、以下では、違反ボクセルとも称される。前記命令は、線量が変更されるべき関連するボクセルと、それらのボクセルの線量値の変化の量または達成されるべきそれらのボクセルのターゲット線量値を指定する。
【００６８】
これらの命令に基づいて、計画モジュール８、２９は、患者の身体の関連する領域に送達される放射の別個に制御可能な放射成分のそれぞれについて、その放射成分によって提供される放射の量を定量化するパラメータ値の変化を決定する。パラメータ値の変化は、違反ボクセルによって吸収される放射線量に対する各放射成分の寄与に基づいて決定される。この目的のために、パラメータ値の変化は、特に、影響行列Mに基づいて決定されてもよく、該影響行列は、上記で説明したように、患者の身体の関連する領域のボクセルに対する放射成分の影響を定量化する。
【００６９】
上記ですでに説明したように、近接照射療法システムでの別個に制御可能な放射成分（radiation  component）は、患者の体内に配置された異なる放射線源によって放出される放射に対応し、これらの放射成分によって提供される放射の量を定量化するパラメータは、放射線源の滞留時間に対応しうる。外部ビーム放射療法システムでは、別個に制御可能な放射成分（radiation  component）はビームレットに対応し、これらの放射成分によって提供される放射の量を定量化するパラメータはビームレットのフルエンスに対応しうる。
【００７０】
放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値の変化の計算は、好ましくは、違反ボクセルに送達される放射線量に寄与する放射成分のみに基づいて実行され、関連する放射成分によって与えられる放射の量を定量化するパラメータ値は、これらの放射成分によって違反ボクセルに与えられる放射線量に関してのみ適応される。このアプローチは、高速計算を許容する。しかしながら、処置計画の適応の結果として、関連するボクセルによって吸収される線量のみが変化するという仮定を含んでいる。この仮定は、通例、一つまたは複数の放射成分によって提供される放射の量の適応から帰結する実際の線量変化を反映しない近似に対応する。
【００７１】
さらに、このため、パラメータ値の変化は、局所性パラメータに基づいて計算されうる。局所性パラメータを使うと、変更されたパラメータ値を決定するプロセスにおいて、あるボクセルによって吸収される放射線量に対する放射成分の寄与が、より低い寄与がより高い寄与に比べてさらに低減されるように、追加的に修正されることがある。これにより、放射成分によって与えられる放射の量のより大きな変化が、線量値が変更されるべきボクセルによって吸収される放射線量に対する最大の寄与をもつ放射成分についてのみ生じることが達成される。よって、放射成分の変化は「局所的」に保たれる。これにより、予備最適化された処置計画（これはすでに処置目標をかなり達成している）のわずかな不備が、全体的な処置計画を損なうことなく除去できる。特に、上述した近似の有害な影響が、防止されるか、または少なくとも低減されることができる。
【００７２】
近接照射療法システムにおける局所性パラメータの利用の結果として(そして局所性パラメータの値に依存して)、違反ボクセルのより近くに置かれた放射線源によって提供される放射量は、これらのボクセルからより大きな距離を有する放射線源によって提供される放射の量よりも大きく。外部ビーム放射療法システムでは、（適切な値をもつ）局所性パラメータの利用のため、より短い距離で違反ボクセルを通過するビームレットの放射の量が、より大きく修正される。
【００７３】
ある実施形態では、放射線源によって提供される放射の量を定量化するパラメータ値の変化は、
【数８】
2020522337.tif 000010
に従って、あるいはΔτの個々の成分については
【数９】
2020522337.tif 000011
に従って計算される。ここで、Δτは、違反ボクセル（すなわち、吸収される線量が修正されるべきボクセル）によって吸収される線量に寄与する放射成分iによって提供される放射の量を定量化するパラメータに対応する成分Δτiをもつベクトルを表わし、Δdは、患者の身体の関連する領域の違反ボクセルjによって吸収される放射線量の所望の変化を指定する成分Δdjをもつベクトルを表わす。Mdは、違反ボクセルに関係する、それぞれの処置モダリティーについての影響行列Mの行を含む行列を表わす。Bは対角成分Biiが0でないの正方対角行列である（行列Bの他の成分Bij、i≠jは0）。
【００７４】
行列Bは好ましくは、行列Mdによって定量化される前記違反によって吸収される線量に対する放射成分の寄与の前述の修正を達成するために、それぞれの処置モダリティーの影響行列Mおよび正の局所性パラメータαに基づいて生成される。この目的のために、発見的手順が適用されてもよい。ある関係した実装では、要素Bjjは
【数１０】
2020522337.tif 000012
に従って計算されてもよい。ここで、αは0以上の値をもつ局所性パラメータであり、Pijは行列Mdから各行の成分をそれぞれの行の最大成分を使って規格化することによって得られる行列Pの成分を表わす。上述した式の最大は、Pの列j内で諸行iにわたって計算される。上述した規格化をすると、違反するボクセルxによって吸収される線量に対する最大の寄与を有する放射成分yに関係する行列Pの成分Pxyは、値Pxy＝1をもつ。
【００７５】
上述した式の局所性パラメータ（locality  parameter）αは、上述した意味で放射成分によって与えられる放射の量の変化の「局所性」を決定する。α＝0については、線量分布の所望される修正を達成するために、すべての放射成分が等しく重要であるとして扱われる。この場合、行列Bは単位行列に対応する。しかしながら、α＞0については、違反ボクセルによって吸収される線量に対する寄与が少ない放射成分によって提供される放射の量ほど、より小さな度合いで修正される。
【００７６】
局所性パラメータαの値は、計画モジュール８、２９内で事前に構成設定されていてもよく、または計画ユニット４、２５のオペレーターによって指定されてもよい。良好な結果を達成するための値は、1から5までの間である。
【００７７】
上述の原理によれば、近接照射療法システムの計画モジュール８は、特に、ベクトル
【数１１】
2020522337.tif 000013
を計算することによって、滞留時間tiの変化Δtiを決定することができる。ここで、ベクトルΔtの成分は滞留時間Δtiに対応し、BBは、上記で説明したように影響行列MBから得られる行列に対応する。
【００７８】
同様に、外部ビーム放射療法システムの計画モジュール２９は、
【数１２】
2020522337.tif 000014
を計算することによって、予備最適化された処置計画において考慮されるビームレットiのフルエンスの変化Δφiを決定することができる。ここで、ベクトルΔφの成分はフルエンスΔφiに対応し、BEは、上記で説明したように影響行列MEから得られた行列に対応する。
【００７９】
あるさらなる実施形態では、放射線源によって提供される放射の量を定量化するパラメータ値の変化は、違反ボクセルについての所望される線量変化の加重和に基づいて、各放射成分jについて計算され、ここで、重みは、違反ボクセルによって吸収される線量に対する各放射成分jによって提供される放射の影響に基づいて決定される。これらの影響は、影響行列Mを使って再び決定されてもよい。さらに、変化は、好ましくは、上記の効果を有する局所性パラメータαに基づいて再び計算される。この実施形態のある個別的な実装では、変化は
【数１３】
2020522337.tif 000015
に従って計算される。ここで、Ndは違反ボクセルの数、Ntは放射成分の数である。このアプローチは、同様に、局所性パラメータαに基づいて、放射成分によって与えられる放射の量の修正の「局所性」を保証する。上述した実施形態と比較すると、行列の逆を求める必要がないことがこの実施形態の利点であり、これは必ずしもすべての場合において可能であるとは限らない。
【００８０】
放射成分によって提供される放射の量を定量化するパラメータ値の変化に基づいて、計画モジュール８、２９は、予備最適化された処置計画の基礎となるパラメータの値に前記変化を加算することによって、これらのパラメータの新しい値を決定する。次いで、新しい値を使って、計画モジュール８、２９は、更新された処置計画を決定する。この処置計画は、上述の仕方でさらに補正されてもよく、または計画ユニット４のオペレーターが該更新された処置計画から帰結する線量分布に満足する場合は、処置を制御するために使用されてもよい。
【００８１】
実際には、近接照射療法システムおよび外部放射療法システムにおける滞留時間およびビームレット・フルエンスのような、放射成分によって提供される放射の量を定量化するパラメータは、上限および／または下限閾値によって束縛されてもよい。よって、計算された変化に基づいて決定された更新されたパラメータは、上限閾値より高い、または下限閾値より低い無効な値をもつことがある。
【００８２】
規定された境界内で更新されたパラメータを決定するために、計画モジュール８、２９は、決定された変化をパラメータ値に逐次反復的に加算してもよい。逐次反復手順の各ステップにおいて、計画モジュール８、２９は、決定された変化を、前のステップで計算されたパラメータ値に、または、最初のステップでは、予備最適化された処置計画の基礎となっているパラメータ値に加算することができる。関係した変化を加えると上限閾値を超えるまたは下限閾値を下回るパラメータ値についてのみ例外が適用される。これらのパラメータ値は、それぞれの閾値に設定されてもよく、手順の残りの部分についてこれらの値に維持されてもよい。次いで、計画モジュール８、２９は、結果として得られたパラメータ値に基づいて決定される処置計画が、あるボクセルによって吸収される線量値の所望される変化を含む線量分布につながるかどうかを評価する。そうでない場合は、次の反復ステップが実行される。それ以外の場合は、手順が終了し、それぞれの反復ステップのパラメータ値が、更新された処置計画を決定するためにさらに使用される。同様に、手順は、計画ユニット４、２５のオペレーターによって指定されうるある数の反復ステップの完了時に終了してもよい。この場合、線量分布の所望される変化が達成できないため、更新された処置計画は作成されない。
【００８３】
予備最適化された処置計画を適応させるための上述した手順は、計画ユニット４、２５のオペレーターによって、計画ユニットにより提供されるグラフィカル・ユーザー・インターフェースを使って、制御されうる。このグラフィカル・ユーザー・インターフェースにおいて、計画ユニット４、２５は、予備最適化された処置計画から帰結する線量分布の可視化を提供することができる。任意的に、この可視化は、オペレーターの方向付けを容易にするために、関連する計画画像の上に重ねられてもよい。
【００８４】
グラフィカル・ユーザー・インターフェースにおいて、オペレーターは、可視化された線量分布に対応する値に関係して吸収線量が変化させられるボクセルを指示することができる。この目的のために、オペレーターは、たとえば、カーソルをこれらのボクセルに移動させ、入力装置で入力動作を実行することによって、関連するボクセルを選択することができる。さらに、オペレーターは、選択されたボクセルについての線量値の変化を、対応するユーザー入力によって指定することができる。特定のボクセルおよびこれらのボクセルに送達されるべき線量値を示すこれらの命令に基づいて、計画モジュール８、２９は、次いで、上記で説明したように、放射成分によって提供される放射の量を定量化する更新されたパラメータ値を計算し、更新された処置計画を決定する。
【００８５】
さらに、計画ユニット４は、予備最適化された処置計画から帰結する線量分布に従って最高放射線量が送達されるいくつかのボクセルと、この線量分布に従って最低放射線量が送達されるいくつかのボクセルとを自動的に検出するよう構成されてもよい。これらのボクセルは、線量分布の「最高のホットスポット」および「最低のコールドスポット」に対応し、オペレーターがこれらのボクセルについての線量値を修正することを望む可能性が最も高い。よって、これらのボクセルは、グラフィカル・ユーザー・インターフェース内でハイライトされ、かつ／またはリスト内で指定されてもよい。これにより、ユーザーは、これらのボクセルを容易に識別し、上記で説明したようにそれらの線量値を適応させるためにそれらを選択することができる。
【００８６】
上記の実施形態では、計画モジュール８、２９は、結果として得られる線量分布の局所的なホットスポットまたはコールドスポットが除去されるように、処置計画を修正する。さらに、計画モジュールは処置計画を修正するよう構成されていてもよく、結果として得られる線量分布が、修正されたグローバルな線量制約条件を満たすようにしてもよい。
【００８７】
そのようなグローバルな線量制約条件は、特に、標的構造のようなある種の体積のどの割合が少なくともある放射線量を吸収するかを示す、いわゆる累積線量体積ヒストグラム（dose  volume  histogram、DVH）に関係する。より具体的には、そのようなDVHは、横軸上に放射線量を、縦軸上に関連する体積の割合を用いてプロットすることができ、図中で与えられる値は、少なくとも関連する線量値を吸収する体積の割合を指定する。
【００８８】
DVHに関する線量制約条件は、DおよびV制約条件を含んでいてもよい。D制約条件は、D[v%]＞[d]Gyと書かれてもよく、標的構造の体積のようなある種の体積のv%によって吸収される放射線量がd  Gyよりも大きいことを要求する。たとえば、標的構造についての線量制約条件「D95＞19Gy」では、標的構造の体積の95%が19Gyを超える線量を吸収することを要求する。V制約条件は、V[x  Gy]＞[y]%と書かれてもよく、ある体積の、少なくともx  Gyの線量を吸収する割合が、その体積のy%より大きいことを要求する。
【００８９】
予備最適化された処置計画から帰結する線量分布を評価するために、計画ユニット４、２５のオペレーターは、対応するDVHをレビューしてもよく、DおよびV制約条件に基づいてDVHを操作することによって線量分布を修正することができる。これらの制約条件は、オペレーターによって新たに指定されてもよく、あるいはオペレーターが予備最適化された処置計画を決定するためにすでに使用された対応する制約条件を修正してもよい。
【００９０】
新しいD制約条件が、体積のある割合についてオペレーターによって指定されるとき、計画モジュール８、２９は、この制約条件を破るボクセルの集合を決定する。特に、計画モジュール８、２９は、関連する割合についての予備最適化された処置計画から帰結する線量分布のDVHに含まれる線量値と、D制約条件の中でオペレーターによって指定された線量値との間の線量を吸収するボクセルを決定する。こうして、予備最適化された処置計画から帰結する線量分布に従って体積のv%がd0の線量を吸収し、オペレーターがこの体積のv%がdnewの線量を吸収すると指定する場合、計画モジュールは、d0からdnewまでの間の線量を吸収する体積のボクセルを決定する。
【００９１】
当業者が理解するであろうように、前記新しいD制約条件は、このようにして決定されたボクセルによって吸収される線量が、オペレーターによって指定される新しい線量値に対応するように修正されるときに満たされる。これは、少なくとも線量d0を吸収するボクセルが（DVHによれば）関連する体積のv%に対応するという事実のためである。よって、これらのすべてのボクセルが少なくともdnewの線量を吸収すると、前記新しいD制約条件が満たされる。これは、dnewより少ない線量を現在吸収している関連するボクセルによって吸収される線量を、この値まで変化させることによって達成されることができる。これらのボクセルは、現在の線量分布に従ってd0からdnewまでの間の線量を吸収するボクセルに対応する。
【００９２】
よって、計画モジュール８、２９は、新しい線量制約条件のためにユーザーによって入力された線量値dnewを、上述した仕方で識別されたボクセルについてのターゲット線量値として自動的に指定し、上記で説明したように、これらのターゲット値を使って新しい処置計画を決定する。
【００９３】
オペレーターが新しいV制約条件を指定するとき、計画モジュール８、２９は、このV制約条件を対応するD制約条件に変換してもよい。よって、オペレーターが新しい体積制約条件「Vx＞y%」を指定する場合、計画モジュールはこの体積制約条件を線量制約条件「Dy＞x  Gy」に変換する。DVH曲線は単調減少しているので、この線量制約条件は、新しい体積制約条件も満たされることを保証する。変換したら、計画モジュール８、２９は、D制約条件に関連して上述したように、新しい処置計画を決定することができる。
【００９４】
さらに、処置計画がこれまでに述べたように修正される場合、修正された処置計画は、修正手順において違反ボクセルとして同定されていないボクセルについて吸収線量が変更される線量分布を与えることがありうる。そのような変更は、予備最適化された処置計画から帰結する線量分布において満たされていた線量制約条件の違反を招く可能性がある。これに鑑み、ある実施形態は、オペレーターが「ロックされた」線量制約条件を指定しうることを提供する。かかる制約条件は、修正された処置計画から帰結するの線量分布によって、（引き続き）満たされなければならない。
【００９５】
上記で説明したように、予備最適化された処置計画の第一の修正を実行すると、計画モジュール８、２９は、修正された処置計画から帰結する線量分布がロックされた線量制約条件を満たすかどうかをチェックしてもよい。そうでない場合、計画モジュール８、２９は、これらの線量制約条件に違反するボクセルを決定することができ、破られた線量制約条件に従ってこれらのボクセルについての修正された線量値を自動的に指定することができ、ロックされた線量制約条件が満たされる（またはあらかじめ定義された反復回数に達する）まで、修正された線量値に基づいて上記の手順を逐次反復的に適用して処置計画を修正することができる。逐次反復手順の各ステップにおいて、計画モジュールは、前の反復ステップで決定された処置計画から帰結する線量分布における関連する線量制約を（引き続き）破っているボクセルを決定し、現在のステップにおける修正された処置計画の決定のために、これらのボクセルについての修正線量値を線量制約条件に従って指定する。
【００９６】
図３は、上記の近接照射療法システムまたは外部放射療法システムにおいて、予備最適化された処置計画を修正するための手順の例示的なステップを示している。ステップ３０１において、計画ユニット４、２５の計画モジュール８、２９は、予備最適化された処置計画を取得する。次いで、計画モジュール８、２９は、予備最適化された処置計画から帰結する線量分布を決定し、ステップ３０２においてディスプレイ・ユニット５、２７によってオペレーターに対してこの線量分布を可視化する。任意的に、計画モジュール８、２９はまた、線量分布内の最高のホットスポットおよび最低のコールドスポットを検出してもよく、これらのスポットを、たとえば線量分布の可視化において対応するボクセルをハイライトすることによって、オペレーターに呈示することができる（ステップ３０３）。さらに、計画モジュール８、２９は、線量分布のDVHを決定し、それをオペレーターに呈示することができる。
【００９７】
ステップ３０４において、計画モジュール８、２９は、一つまたは複数のボクセルに送達される線量の変化を指定するユーザー入力を受け取る。加えて、計画モジュールは、特に、上記のようにDおよび／またはV制約条件を含む、ユーザーによって指定された一つまたは複数のグローバルな線量制約を受け取ってもよい。これらのグローバルな線量制約条件について、計画モジュール８、２９は、上記で説明したように、違反ボクセルを決定し、これらのボクセルに送達される放射線量の変更された値を指定する（ステップ３０５）。すると、一つまたは複数のボクセルに送達される放射線量を変更する命令が、計画モジュール８、２９に存在する。これらの命令は、ユーザーが線量値を直接指定したボクセルについてのステップ３０４におけるユーザー入力に直接対応し、それらは、グローバルな線量制約条件に基づいて、ステップ３０５で識別されたボクセルについて計画モジュールによって自動的に生成される。
【００９８】
ステップ３０６において、計画モジュール８、２９は、上記で説明したように、それぞれのシステムの関連する放射成分によって提供される放射の量を定量化するパラメータ値の変化を決定する。これらの変化に基づいて、計画モジュール８、２９は、関連するパラメータの更新された値を計算する（ステップ３０７）。これらの更新された値を使って、計画モジュール８、２９は、ステップ３０８において、修正された処置計画を決定する。
【００９９】
ステップ３０９において、計画モジュール８、２９は、修正された処置計画から帰結する線量分布を決定することができ、この線量分布を検査のためにオペレーターに対して視覚化することができる。オペレーターがその線量分布に満足する場合、修正された処置計画は、処置を行なうために使用されうる。オペレーターが満足しない場合、第一の修正と同様の、線量分布および処置計画のさらなる修正がなされてもよい。
【０１００】
そのようにして、近接照射療法処置または外部ビーム放射療法処置のための予備最適化された処置計画の容易かつ迅速な最適化が実行できる。同様に、処置計画は、HIFU、高周波（RF）およびマイクロ波処置ならびにレーザー・アブレーションなどの他のアブレーション処置モダリティーにおいて生成され、最適化されることができる。HIFUでは、関連する線量は熱投下量に対応してもよく、放射は超音波に対応してもよく、それも、本願で使用される放射という用語に包含される。
【０１０１】
開示された実施形態の変形が、図面、本開示、および添付の請求項の吟味から、請求項記載の発明を実施する際に当業者によって理解され、実施されることができる。
【０１０２】
請求項において、単語「含む／有する」は、他の要素またはステップを除外せず、不定冠詞「a」または「an」は複数を除外しない。
【０１０３】
単一のユニットまたは装置が、請求項に記載されたいくつかの項目の機能を満たしてもよい。ある種の施策が互いに異なる従属請求項に記載されているというだけの事実が、これらの施策の組み合わせが有利に利用できないことを示すものではない。
【０１０４】
コンピュータ・プログラムは、他のハードウェアと一緒にまたはその一部として供給される光記憶媒体または固体媒体のような好適な媒体上で記憶／頒布されてもよいが、インターネットまたは他の有線または無線遠隔通信システムを介してなど、他の形で頒布されてもよい。
【０１０５】
請求項に参照符号があったとしても、その範囲を限定するものと解釈すべきではない。
【図１】
2020522337.tif 000018
【図２】
2020522337.tif 000019
【図３】
2020522337.tif 000020
【国際調査報告】
2020522337.tif 000021
2020522337.tif 000022
2020522337.tif 000023