(57)【要約】有効な直接パラメータ最適化（ＤＰＯ）アプローチが提供される。このアプローチでは、線量測定勾配に基づく反復的どん欲法が、候補カテーテル位置及び候補放射線源ドウェル時間の最適化を切り替えることをによって、焦点放射線治療におけるカテーテル挿入のための位置決め支援情報を決定するために適用される。フリーハンドで送達されるカテーテルの具体的な場合において、挿入点は、熟達者によって直接に選択され得る。磁気共鳴イメージング又は超音波イメージングのような更なるイメージングモダリティによるカテーテル位置の監視を用いて、方法は、治療の過程において実時間の方向付けガイダンス及び適応的線量補正を可能にする。
2020501698.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の標的ボリューム及び所与のカテーテル挿入点に対する焦点放射線治療におけるカテーテルの位置決めを支援する位置決め支援デバイスであって、
各々の候補挿入カテーテル位置、所与の候補カテーテル内の放射線源の各々の候補ドウェル位置、及び各々の関連する候補ドウェル時間によって候補カテーテルを定義する、前記所与のカテーテル挿入点に関連した候補カテーテルデータを供給するよう構成される候補カテーテル提供ユニットと、
カテーテル事前選択ユニットであり、
夫々の現在の候補カテーテルについての複合制約関数のドウェル時間に対する傾きを、当該候補カテーテルの関連する現在の候補ドウェル位置での現在の候補ドウェル時間を用いて確定及び供給し、前記複合制約関数が、前記焦点放射線治療を規定する放射線量に対する臨床目標を表す少なくとも２つの線形制約を結合し、
前記候補カテーテルの中の前記傾きの最急降下値に関連する、前記候補カテーテルからの所定数の１つ以上の候補カテーテルを事前選択する
よう構成される前記カテーテル事前選択ユニットと、
前記少なくとも２つの線形制約を結合するドウェル時間のスカラー複合制約関数の最小値を達成する、前記各々の候補ドウェル位置についての前記現在の候補ドウェル時間を、現在の事前選択された候補カテーテルを用いて確定及び事前選択するよう構成されるドウェル時間事前選択ユニットと、
複数の反復周期にわたって前記カテーテル事前選択ユニット及び前記ドウェル時間事前選択ユニットの動作を交互に駆動し、現在の反復周期において、前記カテーテル事前選択ユニットが前記候補カテーテルの中の少なくとも１つの候補カテーテルについての前記複合制約関数の前記傾きの非負値を供給していることを検出すると、現在の事前選択された前記少なくとも１つの候補カテーテルの目標カテーテル位置として次の目標カテーテル位置を示す出力を供給するよう構成される位置決め支援制御ユニットと
を有する位置決め支援デバイス。
【請求項２】
前記カテーテル事前選択ユニットは更に、
前記標的ボリューム内に既に挿入されている全てのカテーテルに関連し、各々の挿入カテーテルポジション、放射線源の各々のドウェル位置、及び前記既に挿入されているカテーテルのドウェル位置に関した各々のドウェル時間を示す挿入カテーテルデータを受け、
前記既に挿入されているカテーテルに関連したドウェル位置及びドウェル時間に関連した現在の放射線量値を決定し、
前記所与の候補カテーテルについて、前記既に挿入されているカテーテルに関連した前記現在の放射線量値を更に用いて前記複合制約関数の前記傾きを決定する
よう構成される、
請求項１に記載の位置決め支援デバイス。
【請求項３】
前記カテーテル事前選択ユニットは更に、
放射線にさらされる前記標的ボリュームの、及び該標的ボリューム内に現在挿入されている１つ以上のカテーテルの３次元画像データを受け、
前記３次元画像データから前記現在挿入されているカテーテルのカテーテルデータを決定する
よう構成される、
請求項２に記載の位置決め支援デバイス。
【請求項４】
前記カテーテル事前選択ユニットは更に、
前記３次元画像データから決定された前記カテーテルデータと、前記位置決め支援制御ユニットによって出力として当該カテーテルについて前に供給された関連する前記目標カテーテル位置との間の差を検出することによって、前記標的ボリューム内に既に挿入されている置き間違えられたカテーテルを検出すると、該置き間違えられたカテーテルを前記候補カテーテルに加える
よう構成され、
前記位置決め支援制御ユニットは更に、前記置き間違えられたカテーテルについての適応されたドウェル位置情報及び適応されたドウェル時間情報を決定及び供給するよう構成される、
請求項３に記載の位置決め支援デバイス。
【請求項５】
前記カテーテル事前選択ユニットは、夫々の現在の候補カテーテルについての前記複合制約関数のドウェル時間に対する前記傾きｇｃを
【数１】
2020501698.tif 000017
として計算するよう構成され、ここで、
ｃは、各々のカテーテルを識別するインデックスであり、
Ｎｃｔは、前記ｃ番目のカテーテルについてのドウェル位置の総数であり、
ｔは、ドウェル位置でのドウェル時間のドウェル時間ベクトルであり、
ｊは、各々のドウェル時間位置を識別するインデックスであり、
ｒ＊は、現在の挿入点を識別するインデックスであり、
Ｎｃａｔｒ＊は、前記現在の挿入点を通る分岐カテーテルの総数であり、
【数２】
2020501698.tif 000018
ｉは、各々の線形制約を識別するインデックスであり、
ｍは、線形制約の総数であり、
ｆｉ（ｔ）は、前記各々のカテーテルにおける各々の放射線源のドウェル時間ｔの関数として与えられる臨床目標を表す線形制約の組であり、
ｗｉは、所与の線形制約の優先度を示す重み係数であり、ここで、
前記ドウェル時間事前選択ユニットは、前記スカラー複合制約関数
【数３】
2020501698.tif 000019
の最小値を達成する、前記各々の候補ドウェル位置についての前記現在の候補ドウェル時間を、前記ドウェル時間についての所定の上限及び下限を考慮しながら確定するよう構成される、
請求項１に記載の位置決め支援デバイス。
【請求項６】
少なくとも１つのカテーテルが既に挿入されている場合に、
前記カテーテル事前選択ユニットは更に、前記所与の候補カテーテルについて、前記既に挿入されているカテーテルに関連した前記現在の放射線量を更に用いて前記複合制約関数の前記傾きを
【数４】
2020501698.tif 000020
として決定するよう構成され、ここで、
Ｍ０、Ｍ１、・・・、Ｍｎは、既に挿入されているインデックスｎ＝０，１，・・・，ｎのカテーテルの線量率作用行列であり、
ｔ０、ｔ１、・・・、ｔｎは、既に挿入されているインデックスｎ＝０，１，・・・，ｎの前記カテーテルに関連したドウェル時間であり、ここで、
前記ドウェル時間事前選択ユニットは、前記スカラー複合制約関数
【数５】
2020501698.tif 000021
の最小値を達成する、前記各々の候補ドウェル位置についての前記現在の候補ドウェル時間を確定するよう構成される、
請求項２及び５に記載の位置決め支援デバイス。
【請求項７】
各々の候補挿入点位置によって候補挿入点を定義する、前記所定の標的ボリュームに関連した候補挿入点データを供給するよう構成される候補挿入点提供ユニットと、
挿入点選択ユニットであり、
夫々の候補挿入点について、候補カテーテルの各々の組を前記候補カテーテル提供ユニットに要求し受け、
夫々の候補挿入点について、前記候補挿入点データ及び前記候補カテーテルデータを用いて、前記複合制約関数のドウェル時間に対する前記傾きの全ての候補カテーテルにわたる和を確定及び供給し、
前記候補挿入点から次の挿入点として、前記候補挿入点の中の、前記傾きの全ての候補カテーテルにわたる前記和の最急降下値に関連する候補挿入点を選択する
よう構成される前記挿入点選択ユニットと
を更に有する請求項１に記載の位置決め支援デバイス。
【請求項８】
前記候補挿入点提供ユニットは、
放射線にさらされる前記標的ボリュームの３次元画像データを受け、
対象の上又は中にある所定の投影面上への前記標的ボリュームの２次元軸投影を決定し、
前記標的ボリュームの前記２次元軸投影の幾何学中心を決定し、
中心点として質量中心を有している所定の２次元グリッドのグリッド点として前記候補挿入点を決定する
よう構成される、
請求項７に記載の位置決め支援デバイス。
【請求項９】
放射線にさらされる標的ボリュームの、及び該標的ボリューム内に現在挿入されている１つ以上のカテーテルの３次元画像データを供給するよう構成されるイメージングデバイスと、
請求項１に記載の位置決め支援デバイスであり、前記３次元画像データを受け、該３次元画像データに対して位置合わせされた形で前記次の目標カテーテル位置を供給するよう構成される前記位置決め支援デバイスと
を有する焦点放射線治療装置。
【請求項１０】
前記位置決め支援デバイスから前記目標挿入点及び前記目標カテーテル位置を受け取り、該受け取られた目標挿入点及び目標カテーテル位置を用いてカテーテルを対象に挿入するよう構成されるカテーテル挿入ロボットを更に有する
請求項９に記載の焦点放射線治療装置。
【請求項１１】
所定の標的ボリューム及び所与のカテーテル挿入点に対する焦点放射線治療におけるカテーテルの位置決めを支援する位置決め支援方法であって、
各々の候補挿入カテーテル位置、所与の候補カテーテル内の放射線源の各々の候補ドウェル位置、及び各々の関連する候補ドウェル時間によって候補カテーテルを定義する、前記所与のカテーテル挿入点に関連した候補カテーテルデータを供給することを有する候補カテーテル提供段階と、
カテーテル事前選択段階であり、
夫々の現在の候補カテーテルについての複合制約関数のドウェル時間に対する傾きを、当該候補カテーテルの関連する現在の候補ドウェル位置での現在の候補ドウェル時間を用いて確定及び供給し、前記複合制約関数が、前記焦点放射線治療を規定する放射線量に対する臨床目標を表す少なくとも２つの線形制約を結合する、ことと、
前記候補カテーテルの中の前記傾きの最急降下値に関連する、前記候補カテーテルからの所定数の１つ以上の候補カテーテルを事前選択することと
を有する前記カテーテル事前選択段階と、
前記少なくとも２つの線形制約を結合するドウェル時間のスカラー複合制約関数の最小値を達成する、前記各々の候補ドウェル位置についての前記現在の候補ドウェル時間を、現在の事前選択された候補カテーテルを用いて確定及び事前選択することを有するドウェル時間事前選択段階と、
複数の反復周期にわたって前記カテーテル事前選択段階及び前記ドウェル時間事前選択段階の動作を交互に駆動し、現在の反復周期において、前記カテーテル事前選択段階が前記候補カテーテルの中の少なくとも１つの候補カテーテルについての前記複合制約関数の前記傾きの非負値を供給していることを検出すると、現在の事前選択された前記少なくとも１つの候補カテーテルの目標カテーテル位置として次の目標カテーテル位置を示す出力を供給することを有する位置決め支援制御段階と
を有する位置決め支援方法。
【請求項１２】
コンピュータのプロセッサによって実行される場合に請求項１１に記載の方法を実行する実行可能コードを有す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、高密度焦点式超音波（high  intensity  focused  ultrasound）（ＨＩＦＵ）焼灼、無線周波数（radio  frequency）（ＲＦ）焼灼、マイクロ波焼灼、レーザ焼灼、又は高線量率（High  Dose  Rate）（ＨＤＲ）小線源治療のような、焦点放射線治療の分野にある。より具体的には、それは、所定の標的ボリューム及び所与のカテーテル挿入点に対する焦点放射線治療におけるカテーテルの位置決めを支援するデバイス及び方法に関係がある。
【背景技術】
【０００２】
高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）焼灼、無線周波数（ＲＦ）焼灼、マイクロ波焼灼、レーザ焼灼、又は高線量率（ＨＤＲ）小線源治療などのような焦点放射線治療は、種々の臓器内の腫瘍を治療する最良の方法であることが示されてきた。前立腺の焦点式治療（focal  therapy）では、小線源治療が、周囲組織を取っておきながら腫瘍のみを治療するために使用される。従来の腺全体の小線源治療と比較して、焦点式小線源治療は、治療の副作用を減らしながら同様に有効であることを目的としている。
【０００３】
例えば、ＨＤＲ小線源治療は、患者にとって素晴らしい生存及び局所制御率並びにごく限られた副作用を有することが照明されている。特に、ＨＤＲ小線源治療は、前立腺癌及び乳癌を治療する最良の方法であることが示されてきた。理想的なＨＤＲドウェル位置及びドウェル時間を決定すべく、いわゆるインバース・プランニング（inverse  planning）法が治療を決定するために使用される。標的ボリューム及び決定臓器の決定に基づき、危険にさらされている臓器に対する目標線量並びに制約及び夫々の重要度係数が与えられる。次いで、全ての入力基準に最も良く一致する治療計画を見つけるために最適化が実行され、このようにして、解かれるべき連立一次方程式を形成する線形関係の組として通常は表現される制約に加えて、標的ボリュームのための目標を考慮しながら、放射線量が最適化される。
【０００４】
“Adaptive  planning  strategy  for  high  dose  prostate  brachytherapy-  a  simulation  study  on  needle  positioning  errors”，M  Battisti  et  al.，2016，Phys.  Med.  Biol.  61，pp  2177-2195（非特許文献１）には、ニードル位置に関するフィードバックを伴ったＨＤＲ前立腺小線源治療のための線量計画適応ストラテジが記載されている。線量計画は、インターベンションプロシージャの開始時に作られ、起こり得るニードル位置決めエラーを補償するために夫々のニードル挿入後に更新される。
【０００５】
同様のアプローチは、“Toward  adaptive  stereotactic  robotic  brachytherapy  for  prostate  cancer:  Demonstration  of  an  adaptive  workflow  incorporating  inverse  planning  and  an  MR  stealth  robot”，J  Cunha  et  al.，Minim  Invasive  Ther  Allied  TechnoL，2010，19(4)，pp  189-202（非特許文献２）に記載されている。インバース・プランニングがシード配置計画を生成するために使用され、１０個のニードル及び２９個のシードについての座標がロボットに転送される。２つのニードルが設置されるたびに、画像が捕捉される。設置されたシードは、次の２つのニードルにおいてシードを設置する前に、識別及び確認される。シードの埋め込みの前に、ニードルカテーテルが誤った位置にある場合には調整が決定される。
【０００６】
“An  automated  optimization  tool  for  high-dose-rate  (HDR)  prostate  brachytherapy  with  divergent  needle  pattern”，M  Battisti  et  al.，2015，Phys.  Med.  Biol.  60，pp  7567-7583（非特許文献３）には、分岐構成におけるニードル挿入による焦点式ＨＤＲ前立腺小線源治療のための自動の逆線量計画最適化ツールが記載されている。（１）回転の中心の位置、（２）ニードル角度（angulation）、及び（３）ドウェル時間を含む完全なオプティマイザ・ワークフローが提案されている。
【０００７】
米国特許出願公開第２０１３／０１０２８３１（Ａ１）号（特許文献１）は、中空ニードルを用いて動物の身体の前もって選択された解剖学的部分の放射線治療を行う際に使用される実時間放射線治療計画システムに関係がある。発明の実施形態に従って、システムは、少なくとも１つの単又は多目的解剖学ベース遺伝的最適化アルゴリズムを用いて、イメージング手段により取得された画像データを解剖学的部分の３次元画像に変換するために、前もって選択された解剖学的部分内の１つ以上の特定の臓器に対して、及びニードルに対して３次元イメージングアルゴリズム及び３次元画像セグメンテーションアルゴリズムを実行するよう構成された処理手段を含んでよい。プレプランニング又は仮想シミュレーションの目的で、処理手段は、ニードルの最適な数及びそのうちの１つの位置、ニードル内のエネルギ放出源の位置、並びにその位置でのエネルギ放出源のドウェル時間を実時間において決定するよう構成される。ポストプランニングの目的で、処理手段は、３次元画像情報に基づき、実際のニードル位置及びその位置についてのエネルギ放出源のドウェル時間を実時間において決定するよう構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０１０２８３１（Ａ１）号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“Adaptive  planning  strategy  for  high  dose  prostate  brachytherapy-  a  simulation  study  on  needle  positioning  errors”，M  Battisti  et  al.，2016，Phys.  Med.  Biol.  61，pp  2177-2195
【非特許文献２】“Toward  adaptive  stereotactic  robotic  brachytherapy  for  prostate  cancer:  Demonstration  of  an  adaptive  workflow  incorporating  inverse  planning  and  an  MR  stealth  robot”，J  Cunha  et  al.，Minim  Invasive  Ther  Allied  TechnoL，2010，19(4)，pp  189-202
【非特許文献３】“An  automated  optimization  tool  for  high-dose-rate  (HDR)  prostate  brachytherapy  with  divergent  needle  pattern”，M  Battisti  et  al.，2015，Phys.  Med.  Biol.  60，pp  7567-7583
【発明の概要】
【００１０】
腫瘍が治療テンプレートに対して最適に位置決めされない困難な場合に、より良く適合された線量分布を提供するように、カテーテルのプランレスのフリーハンド配置において人のフリーハンド及び／又はロボットアームを介してカテーテル挿入を実行するグリッドレスのカテーテル挿入技術のための位置決め支援を提供することが望ましい。
【００１１】
本発明の第１の態様に従って、所定の標的ボリューム及び所与のカテーテル挿入点に対する焦点放射線治療におけるカテーテルの位置決めを支援する位置決め支援デバイスが提供される。位置決め支援デバイスは、
各々の候補挿入カテーテル位置、所与の候補カテーテル内の放射線源の各々の候補ドウェル位置、及び各々の関連する候補ドウェル時間によって候補カテーテルを定義する、前記所与のカテーテル挿入点に関連した候補カテーテルデータを供給するよう構成される候補カテーテル提供ユニットと、
カテーテル事前選択ユニットであり、
夫々の現在の候補カテーテルについての複合制約関数のドウェル時間に対する傾きを、当該候補カテーテルの関連する現在の候補ドウェル位置での現在の候補ドウェル時間を用いて確定及び供給し、前記複合制約関数が、前記焦点放射線治療を規定する放射線量に対する臨床目標を表す少なくとも２つの線形制約を結合し、
前記候補カテーテルの中の前記傾きの最急降下値に関連する、前記候補カテーテルからの所定数の１つ以上の候補カテーテルを事前選択する
よう構成される前記カテーテル事前選択ユニットと、
前記少なくとも２つの線形制約を結合するドウェル時間のスカラー複合制約関数の最小値を達成する、前記各々の候補ドウェル位置についての前記現在の候補ドウェル時間を、現在の事前選択された候補カテーテルを用いて確定及び事前選択するよう構成されるドウェル時間事前選択ユニットと、
複数の反復周期にわたって前記カテーテル事前選択ユニット及び前記ドウェル時間事前選択ユニットの動作を交互に駆動し、現在の反復周期において、前記カテーテル事前選択ユニットが前記候補カテーテルの中の少なくとも１つの候補カテーテルについての前記複合制約関数の前記傾きの非負値を供給していることを検出すると、現在の事前選択された前記少なくとも１つの候補カテーテルの目標カテーテル位置として次の目標カテーテル位置を示す出力を供給するよう構成される位置決め支援制御ユニットと
を有する。
【００１２】
本発明の第１の態様の位置決め支援デバイスは、グリッドレスのフリーハンドの焦点放射線治療においてドウェル時間最適化（dwelling  time  optimization）（ＤＴＯ）と組み合わせてカテーテル位置決め最適化（catheter  positioning  optimization）（ＣＰＯ）の形で位置決め支援を達成する。それは、ＣＰＯとＤＴＯとの間を反復的に切り替えることによって位置決め支援情報を提供する直接パラメータ最適化（direct  parameter  optimization）（ＤＰＯ）を実行して、全ての臨床目標を満足するカテーテル位置及び対応するドウェル時間の最良の組を決定する。
【００１３】
位置決め支援デバイスは、最初から計画を立てる必要がない。そのようなものとして、位置決め支援デバイスは、カテーテルのプランレスのフリーハンド配置を支援し、その中で、個々のカテーテルを実際の配置する前に適応も行われる。ニードルが患者の皮膚にあるか又は患者にまさに入るとき、位置決め支援デバイスは、最適な位置を提案し、供与される線量に最も良い影響を与える角度で挿入するようユーザを導くことができる。２本目のニードルを挿入するとき、同じ挿入点にあっても他の挿入点にあっても、それは、最良のニードル角度及び位置付けを示すことができる。
【００１４】
このようにして、焦点放射線治療の過程における方向付けガイダンス及び適応的線量補正を含む位置決め支援が可能になる。カテーテルが執刀医によって又はロボットアームによって位置決めされるたびに、追跡された如何なる位置ずれも、線量精度、均質性及び適合性を回復するためにカテーテル及び対応するドウェル時間の残りの組を適応的に最適化し直すよう考慮され得る。その技術的概念のち密且つ洗練された性質を考えると、提案されている位置決め支援デバイスは、効率的且つ正確な計画が、インバース・プランニング工程及びカテーテル挿入に関わる医療専門家の作業量を減らしながら、所定の臨床プロトコルのために実装されることを確かにする。
【００１５】
以下では、本発明の位置決め支援デバイスの実施形態が記載される。
【００１６】
位置決め支援デバイスは、望ましくは、以下本明細書中で記載される好適な実施形態との関連で提供される更なる特徴によってサポートされる実時間での支援のために実装される。
【００１７】
更なるカテーテルの挿入中の位置決めを支援するために、一実施形態において、前記カテーテル事前選択ユニットは更に、
前記標的ボリューム内に既に挿入されている全てのカテーテルに関連し、各々の挿入カテーテルポジション、放射線源の各々のドウェル位置、及び前記既に挿入されているカテーテルのドウェル位置に関した各々のドウェル時間を示す挿入カテーテルデータを受け、
前記既に挿入されているカテーテルに関連したドウェル位置及びドウェル時間に関連した現在の放射線量値を決定し、
前記所与の候補カテーテルについて、前記既に挿入されているカテーテルに関連した前記現在の放射線量値を更に用いて前記複合制約関数の前記傾きを決定する
よう構成される。
【００１８】
実時間の動作は、望ましくは、前記カテーテル事前選択ユニットが更に、
放射線にさらされる前記標的ボリュームの、及び該標的ボリューム内に現在挿入されている１つ以上のカテーテルの３次元画像データを受け、
前記３次元画像データから前記現在挿入されているカテーテルのカテーテルデータを決定する
よう構成されることによって、位置決め支援デバイスのこの実施形態においてサポートされる。
【００１９】
位置決め支援デバイスとの関連で置き間違えられたカテーテルの特に有利な対処は、前記カテーテル事前選択ユニットは更に、
前記３次元画像データから決定された前記カテーテルデータと、前記位置決め支援制御ユニットによって出力として当該カテーテルについて前に供給された関連する前記目標カテーテル位置との間の差を検出することによって、前記標的ボリューム内に既に挿入されている置き間違えられたカテーテルを検出すると、該置き間違えられたカテーテルを前記候補カテーテルに加える
よう構成され、
前記位置決め支援制御ユニットが更に、前記置き間違えられたカテーテルについての適応されたドウェル位置情報及び適応されたドウェル時間情報を決定及び供給するよう構成される
ところの実施形態において達成される。
【００２０】
位置決め支援デバイスの好適な実施形態における分岐カテーテルの位置決めの場合に、前記カテーテル事前選択ユニットは、夫々の現在の候補カテーテルについての前記複合制約関数のドウェル時間に対する前記傾きを
【数１】
2020501698.tif 000003
として計算するよう構成され、ここで、
ｇｃは、各々の現在の候補カテーテルについての前記複合制約関数のドウェル時間に対する傾きであり、
ｃは、各々のカテーテルを識別するインデックスであり、
Ｎｃｔは、前記ｃ番目のカテーテルについてのドウェル位置の総数であり、
ｔは、ドウェル位置でのドウェル時間のドウェル時間ベクトルであり、
ｊは、各々のドウェル時間位置を識別するインデックスであり、
ｒ＊は、現在の挿入点を識別するインデックスであり、
Ｎｃａｔｒ＊は、前記現在の挿入点を通る分岐カテーテルの総数であり、
【数２】
2020501698.tif 000004
ｉは、各々の線形制約を識別するインデックスであり、
ｍは、線形制約の総数であり、
ｆｉ（ｔ）は、前記各々のカテーテルにおける各々の放射線源のドウェル時間ｔの関数として与えられる臨床目標を表す線形制約の組であり、
ｗｉは、所与の線形制約の優先度を示す重み係数である。
【００２１】
この実施形態で、前記ドウェル時間事前選択ユニットは、望ましくは、前記スカラー複合制約関数
【数３】
2020501698.tif 000005
の最小値を達成する、前記各々の候補ドウェル位置についての前記現在の候補ドウェル時間を、前記ドウェル時間についての所定の上限及び下限を考慮しながら確定するよう構成される。
【００２２】
少なくとも１つのカテーテルが既に挿入されている場合にこの概念を拡張する実施形態において、前記カテーテル事前選択ユニットは適切に更に、前記所与の候補カテーテルについて、前記既に挿入されているカテーテルに関連した前記現在の放射線量を更に用いて前記複合制約関数の前記傾きを
【数４】
2020501698.tif 000006
（式（３））として決定するよう構成され、ここで、
Ｍ０、Ｍ１、・・・、Ｍｎは、既に挿入されているインデックスｎ＝０，１，・・・，ｎのカテーテルの線量率作用行列であり、
ｔ０、ｔ１、・・・、ｔｎは、既に挿入されているインデックスｎ＝０，１，・・・，ｎの前記カテーテルに関連したドウェル時間である。
【００２３】
かような実施形態で、前記ドウェル時間事前選択ユニットは、望ましくは、前記スカラー複合制約関数
【数５】
2020501698.tif 000007
の最小値を達成する、前記各々の候補ドウェル位置についての前記現在の候補ドウェル時間を確定し、それらを出力として供給するよう構成される。
【００２４】
位置決め支援デバイスは、いくつかの実施形態では、候補挿入点の組の選択を支援する更なる機能を設けられる。かような実施形態で、位置決め支援デバイスは、
各々の候補挿入点位置によって候補挿入点を定義する、前記所定の標的ボリュームに関連した候補挿入点データを供給するよう構成される候補挿入点提供ユニットと、
挿入点選択ユニットであり、
夫々の候補挿入点について、候補カテーテルの各々の組を前記候補カテーテル提供ユニットに要求し受け、
夫々の候補挿入点について、前記候補挿入点データ及び前記候補カテーテルデータを用いて、前記複合制約関数のドウェル時間に対する前記傾きの全ての候補カテーテルにわたる和を確定及び供給し、
前記候補挿入点から次の挿入点として、前記候補挿入点の中の、前記傾きの全ての候補カテーテルにわたる前記和の最急降下値に関連する候補挿入点を選択する
よう構成される前記挿入点選択ユニットと
を更に有する。
【００２５】
位置決め支援デバイスのそれらの実施形態において実時間の動作を支援するために、前記候補挿入点提供ユニットは、望ましくは、
放射線にさらされる前記標的ボリュームの３次元画像データを受け、
対象の上又は中にある所定の投影面上への前記標的ボリュームの２次元軸投影を決定し、
前記標的ボリュームの前記２次元軸投影の幾何学中心を決定し、
中心点として質量中心を有している所定の２次元グリッドのグリッド点として前記候補挿入点を決定する
よう更に構成される。
【００２６】
位置決め支援デバイスは、既に使用されている既存の焦点放射線治療装置の機能を拡張及び強化するよう別個のアドオンデバイスとして提供され得る。それは、さもなければ、焦点放射線治療装置の一体部分として設けられ得る。いずれの場合にも、本発明を実装する焦点放射線治療装置は、少なくとも、
放射線にさらされる標的ボリュームの、及び該標的ボリューム内に現在挿入されている１つ以上のカテーテルの３次元画像データを供給するよう構成されるイメージングデバイスと、
本発明の第１の態様又はその実施形態の１つに従う位置決め支援デバイスであり、前記３次元画像データを受け、該３次元画像データに対して位置合わせされた形で前記次の目標カテーテル位置を供給するよう構成される前記位置決め支援デバイスと
を有する。
【００２７】
焦点放射線治療装置のいくつかの実施形態は、前記位置決め支援デバイスから前記目標挿入点及び前記目標カテーテル位置を受け取り、該受け取られた目標挿入点及び目標カテーテル位置を用いてカテーテルを対象に挿入するよう構成されるカテーテル挿入ロボットを更に有する。
【００２８】
本発明の第２の態様に従って、所定の標的ボリューム及び所与のカテーテル挿入点に対する焦点放射線治療におけるカテーテルの位置決めを支援する位置決め支援方法が提供される。位置決め支援方法は、
各々の候補挿入カテーテル位置、所与の候補カテーテル内の放射線源の各々の候補ドウェル位置、及び各々の関連する候補ドウェル時間によって候補カテーテルを定義する、前記所与のカテーテル挿入点に関連した候補カテーテルデータを供給することを有する候補カテーテル提供段階と、
カテーテル事前選択段階であり、
夫々の現在の候補カテーテルについての複合制約関数のドウェル時間に対する傾きを、当該候補カテーテルの関連する現在の候補ドウェル位置での現在の候補ドウェル時間を用いて確定及び供給し、前記複合制約関数が、前記焦点放射線治療を規定する放射線量に対する臨床目標を表す少なくとも２つの線形制約を結合する、ことと、
前記候補カテーテルの中の前記傾きの最急降下値に関連する、前記候補カテーテルからの所定数の１つ以上の候補カテーテルを事前選択することと
を有する前記カテーテル事前選択段階と、
前記少なくとも２つの線形制約を結合するドウェル時間のスカラー複合制約関数の最小値を達成する、前記各々の候補ドウェル位置についての前記現在の候補ドウェル時間を、現在の事前選択された候補カテーテルを用いて確定及び事前選択することを有するドウェル時間事前選択段階と、
複数の反復周期にわたって前記カテーテル事前選択段階及び前記ドウェル時間事前選択段階の動作を交互に駆動し、現在の反復周期において、前記カテーテル事前選択段階が前記候補カテーテルの中の少なくとも１つの候補カテーテルについての前記複合制約関数の前記傾きの非負値を供給していることを検出すると、現在の事前選択された前記少なくとも１つの候補カテーテルの目標カテーテル位置として次の目標カテーテル位置を示す出力を供給することを有する位置決め支援制御段階と
を有する。
【００２９】
第２の態様の位置決め支援方法は、本発明の第１の態様の位置決め支援デバイスの利点を共有する。それは特に、プログラム可能なプロセッサハードウェア上の実行可能なソフトウェアの実装の形態でも、又は特定用途向け集積回路による実行の形態でも、自動処理に適している。
【００３０】
本発明の第３の態様に従って、コンピュータのプロセッサによって実行される場合に、第２の態様又はその実施形態の１つに記載の方法を実行する実行可能コードを有するコンピュータプログラムが提供される。
【００３１】
請求項１に記載の位置決め支援デバイス、請求項９に記載の焦点放射線治療装置、請求項１１に記載の位置決め支援方法、及び請求項１２に記載のコンピュータプログラムは、特に、従属請求項で定義されるような、類似した及び／又は同じ好適な実施形態を有している点が理解されるべきである。
【００３２】
本発明の好適な実施形態はまた、従属請求項又は上記の実施形態と各々の独立請求項との如何なる組み合わせであることもできる点が理解されるべきである。
【００３３】
本発明のそれら及び他の態様は、以降で記載される実施形態から明らかであり、それらを参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】所定の標的ボリューム及び所与のカテーテル挿入点に対する焦点放射線治療におけるカテーテルの位置決めを支援する位置決め支援デバイスの実施形態の略ブロック図である。
【図２】置き間違えられたカテーテルに対処する追加の手段を備えた位置決め支援デバイスの更なる実施形態の略ブロック図である。
【図３】置き間違えられたカテーテルへの対処及び挿入点位置決め支援のための追加の手段を備えた位置決め支援デバイスの更なる実施形態の略ブロック図である。
【図４】位置決め支援デバイスを含む焦点放射線治療装置の略ブロック図である。
【図５】所定の標的ボリューム及び所与のカテーテル挿入点に対する焦点放射線治療におけるカテーテルの位置決めを支援する位置決め支援方法の実施形態のフロー図である。
【図６】図５の方法におけるステップ５０４の更なる詳細を示すフロー図である。
【図７】図５の方法におけるステップ５０８の更なる詳細を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、本発明の実施形態に従う、所定の標的ボリューム及び所与のカテーテル挿入点に対する焦点放射線治療におけるカテーテルの位置決めを支援する位置決め支援デバイス１００の略ブロック図である。
【００３６】
焦点放射線治療は、周囲組織を取っておきながら腫瘍のみを治療するために使用される。放射線治療における従来の腺全体のアプローチと比較して、例えば、焦点式小線源治療のような、焦点放射線治療は、治療の副作用を減らしながら同様に有効であることを目的としている。位置決め支援デバイス１００の本実施形態は、グリッドレスの適応的焦点放射線治療における適用のために特に設計されている。この場合に、人のフリーハンド、ロボットアーム、又は両方の組み合わせが、異なるドウェル位置でカテーテルを埋め込んで線量を供与ために使用される。
【００３７】
位置決め支援デバイス１００は、候補カテーテル提供ユニット１０２を有する。候補カテーテル提供ユニット１０２は、候補カテーテルデータを供給するよう構成される。候補カテーテルデータは、各々の候補挿入カテーテル位置、所与の候補カテーテル内の放射線源の各々の候補ドウェル位置、及び各々の関連する候補ドウェル時間によって候補カテーテルを定義する。候補挿入カテーテル位置は、挿入後のカテーテルの候補目標位置を定義する。それは、焦点放射線治療によって治療される標的ボリュームの位置及び範囲を示すのにも役立つ所与の座標系に関してこの可能性がある挿入カテーテル位置を適切に表す。標的ボリュームは、通常は、治療される腫瘍の位置及び範囲を示す。所与の候補カテーテル内の放射線源の候補ドウェル位置は、対象カテーテル内の所定の放射線源（例えば、放射性シード）の候補位置を示す。ドウェル位置は、候補挿入カテーテル位置及び標的ボリュームと同じ座標系に関して適切に定義される。候補ドウェル時間は、各々の放射線源に関連し、各々の放射線源による標的ボリュームの放射線治療の可能性がある有限なタイムスパンを定義する。
【００３８】
そのような候補カテーテルデータは、所与のカテーテル挿入点に関連する。このカテーテル挿入点は、候補カテーテル提供ユニット１０２への入力を形成し、よって、本実施形態では所与のものと見なされる。カテーテル挿入点は、人の手による自由な制御によってセット可能であり、位置合わせユニット（図１に図示せず。）と組み合わせて、焦点放射線治療装置においてカテーテルの現在位置をモニタする適切なイメージングモダリティのような既知の技術的解決法を使用して、上記の座標系に関してカテーテル挿入点データとして候補カテーテル提供ユニット１０２へ供給される。
【００３９】
候補カテーテル提供ユニット１０２は、複数の候補カテーテルを定義する候補カテーテルデータを供給する。複数の候補カテーテルの中の所定数のみが位置決め支援デバイス１００によって選択されるべきである。選択されるカテーテルの数は、手動入力によって夫々のカテーテル選択ステップで個別的に又は大域的に前もってセットされ得る。
【００４０】
カテーテル選択は、カテーテル事前選択ユニット１０４によって実行される事前選択を伴う。現在の候補カテーテルの夫々の候補カテーテルデータは、カテーテル事前選択ユニット１０４の傾き算出ユニット１０６へ供給される。
【００４１】
傾き算出ユニット１０６は、複合制約関数を含む事前入力によって前もってプログラムされている。複合制約関数は、所与の患者について焦点放射線治療を規定する放射線量に対する臨床目標を表す少なくとも２つの線形制約を結合する。換言すれば、それらの線形制約は、焦点放射線治療の工程において危険にさらされる臓器についての、更には標的ボリュームについての臨床目標を表す。線形制約は、所定の臨床プロトコル、すなわち、所定の臨床目標の所与のリストを、対応する線量ベースの数学的目的関数（例えば、凸２次関数（convex  quadratic  functions）を形成する。）に変形するよう気をつける計画者によって定義され入力として供給される。一般に、全ての関心領域、すなわち、腫瘍及び危険にさらされる臓器、についての臨床目標は、クラスＣ２の対応する両側又は片側の閉じた真凸２次関数に変換される。例えば、それらは、最小、最大、及び一様な線量制約を形成する。線量ボリュームヒストグラム（dose  volume  histogram）（ＤＶＨ）の臨床目的の使用も非常に一般的である。ここで、以前に顕在化された最小、最大及び一様な線量目標が、関心領域のボリュームのほんの一部にわたって順守され得る。
【００４２】
臨床目標を表す線形制約の数ｍの組は、様式
【数６】
2020501698.tif 000008
において線量ボクセルベクトルｄの関数として数学的に表され得る。ここで、ｎは、線量ボクセル位置の数を示す。
【００４３】
傾き算出ユニット１０６で、線形制約のこの組は、よく知られている線形マップｄ＝Ｍｔを実行することによって、各々のドウェル位置でのカテーテル内の放射線源のドウェル時間ｔに関する線形制約として変形された形で動作の前に前もってプログラムされる。ここで、Ｍは、よく知られた線量率作用行列（dose  rate  influence  matrix）である。読みやすさのために、本明細書では、行列Ｍは、多くの式で無視され。必要とされる場合にのみ明示的に顕在化される。
【００４４】
傾き算出ユニット１０６は、複合制約関数のドウェル時間に対する傾き値を、候補カテーテルの関連する現在の候補ドウェル位置での現在の候補ドウェル時間を用いて確定し出力として供給するよう構成される。本実施形態では、傾き算出ユニット１０６は、夫々の現在の候補カテーテルについての複合制約関数のドウェル時間に対する傾き値ｇｃを
【数７】
2020501698.tif 000009
（式（１））として計算するよう構成され、ここで、
ｃは、各々のカテーテルを識別するインデックスであり、
Ｎｃｔは、ｃ番目のカテーテルについてのドウェル位置の総数であり、
ｔは、ドウェル位置でのドウェル時間のドウェル時間ベクトルであり、
ｊは、各々のドウェル時間位置を識別するインデックスであり、
ｒ＊は、現在の挿入点を識別するインデックスであり、
Ｎｃａｔｒ＊は、現在の挿入点を通る分岐カテーテルの総数であり、
【数８】
2020501698.tif 000010
ｉは、各々の線形制約を識別するインデックスであり、
ｍは、線形制約の総数であり、
ｆｉ（ｔ）は、各々のカテーテルにおける各々の放射線源のドウェル時間ｔの関数として与えられる臨床目標を表す線形制約の組であり、
ｗｉは、所与の線形制約の優先度を示す重み係数である。重み係数は、通常は、所与の患者についての放射線治療計画の出力として供給され、線形制約と同様に、前もってプログラムされる。
【００４５】
カテーテル事前選択ユニット１０４は、事前選択制御ユニット１０８を更に有する。事前選択制御ユニット１０８は、候補カテーテルから所定数の１つ以上の候補カテーテルを事前選択するよう構成される。すなわち、事前選択される１つ以上の候補カテーテルは、候補カテーテルの中の傾きの１つ以上の最急降下値に関連する。換言すれば、傾き算出ユニット１０６によって決定された最も負の傾き値を有しているそれらの候補カテーテルは、事前選択制御ユニット１０８によって前もって選択される。
【００４６】
少なくとも１つのカテーテルが既に挿入されている場合に、カテーテル事前選択ユニット１０４の傾き算出ユニット１０６は、所与の候補カテーテルについて、別の方法で複合制約関数の傾きを決定する。それは更に、標的ボリュームニスでに挿入されている全てのカテーテルに関連する挿入カテーテルデータを受け取る。挿入カテーテルデータは、既に挿入されているカテーテルの各々の挿入カテーテル位置、放射線源の各々のドウェル位置、及びドウェル位置に関連した各々のドウェル時間を示す。傾き算出ユニット１０６は、既に挿入されているカテーテルに関連したドウェル位置及びドウェル時間に関連した現在の放射線量値を決定する。それは更に、所与の候補カテーテルについて、既に挿入されているカテーテルに関連した現在の放射線量値を更に用いて複合制約関数の傾きを決定する。具体的に、傾き値は、この場合に、
【数９】
2020501698.tif 000011
（式（３））として決定される。ここで、
Ｍ０、Ｍ１、・・・、Ｍｎは、既に挿入されているインデックスｎ＝０，１，・・・，ｎのカテーテルの線量率作用行列であり、
ｔ０、ｔ１、・・・、ｔｎは、既に挿入されているインデックスｎ＝０，１，・・・，ｎのカテーテルに関連したドウェル時間である。
【００４７】
前もって選択された候補カテーテルは、カテーテル位置決め最適化（catheters  positioning  optimization）（ＣＰＯ）の中間出力を形成する。
【００４８】
なお、位置決め支援デバイス１００は、位置決め支援出力を供給する前の評価に更に入る。それは、最良の候補カテーテルを見つけるためにドウェル時間最適化（ＤＴＯ）を更に考慮する。前もって選択された候補カテーテルは、よって、ドウェル時間事前選択ユニット１１０への入力としてカテーテル事前選択ユニット１０４によって供給される。
【００４９】
ドウェル時間事前選択ユニット１１０は、少なくとも２つの線形制約を結合するドウェル時間のスカラー複合制約関数の最小値を達成する、各々の候補ドウェル位置についての現在の候補ドウェル時間を、現在の事前選択された候補カテーテルを用いて確定及び事前選択するよう構成される。本実施形態で、ドウェル時間事前選択ユニット１１０は、スカラー複合制約関数
【数１０】
2020501698.tif 000012
の最小値を達成する、各々の候補ドウェル位置についての現在の候補ドウェル時間を、入力パラメータとして供給されるドウェル時間についての所定の上限及び下限を考慮しながら確定するよう構成される。少なくとも１つのカテーテルが既に挿入されている場合に、ドウェル時間事前選択ユニットは、別な方法で、すなわち、既に挿入されているインデックスｎ＝０，１，・・・，ｎのカテーテルの線量率作用行列も考慮しながら、スカラー複合制約関数
【数１１】
2020501698.tif 000013
の最小値を達成する候補ドウェル時間を識別することによって、各々の候補ドウェル位置についての現在の候補ドウェル時間を確定する。
【００５０】
位置決め支援制御ユニット１１２は、カテーテル事前選択ユニット１０４によって決定された、前もって選択された候補カテーテルのうちの少なくとも１つについての複合制約関数の現在決定されている傾き値を受け取る。それは、カテーテル事前選択ユニット１０４が１つ以上の候補カテーテルについての複合制約関数の非負値を提供しているかどうかをチェックする。そうでない場合には、位置決め支援制御ユニット１１２は、カテーテル事前選択ユニット１０４によるカテーテル位置決め最適化（ＣＰＯ）と、ドウェル時間事前選択ユニット１１０によるその後のドウェル時間最適化（ＤＴＯ）との次の反復周期をトリガする。現在の反復周期において、カテーテル事前選択ユニット１０４が少なくとも１つの候補カテーテルについての複合制約関数の傾きの非負値を供給していることが検出されるときにのみ、現在の前もって選択された少なくとも１つの候補カテーテルの目標カテーテル位置として次の目標カテーテル位置を示す位置決め支援出力が供給される。さもなければ、位置決め支援制御ユニット１１２は、複数の反復周期にわたってカテーテル事前選択ユニット１０４及びドウェル時間事前選択ユニット１１０の動作を交互に駆動する。
【００５１】
この反復プロセスは、配置される次のカテーテルを決定するために繰り返され得る。それは、カテーテルの所望の最大数に達すると直ぐに、及び／又は計画者の指示する線量ベースの品質が達成されると直ぐに、中止される。
【００５２】
いくつかの実施形態では、１つの候補カテーテルしか事前選択ユニットによって前もって選択されず、よって、ただ１つのカテーテルのための位置決め支援が最終的に位置決め支援デバイス１００によって提供される。全体の計算費用を減らすよう、他の実施形態は、１つよりも多い新たなカテーテル位置を実行ごとに前もって選択する。これは、線量正確性に関するいくらかの劣化を犠牲にして、最良の解を見つけるために必要とされる反復周期の数を減らす。
【００５３】
このようにして、位置決め支援デバイス１００は、候補カテーテル位置及び放射線源ドウェル時間の最適化を切り替えながら、反復的に最適化された、カテーテル位置決め及びドウェル時間に関するプロシージャパラメータの組を決定する。候補カテーテル事前選択ユニット１０４は、ドウェル時間を一定に保ち、最急勾配降下基準に従って最も適切な候補カテーテルを前もって選択する。次いで、１つ以上の前もって選択されたカテーテル位置が一定に保たれ、最も適切なドウェル時間が前もって選択され、以降、少なくとも１つの現在の前もって選択されたカテーテルが複合制約関数の傾きの非負値を達成するまで続く。
【００５４】
候補カテーテルデータ及び関連するドウェル時間は、演繹的知識（a-priori  knowledge）を利用することによって初期化され得る。かような初期化が利用可能でない場合には、完全に空の初期設定が使用される。記載される反復的ストラテジは、カテーテルごとに位置決めを支援し、よって、使用されるカテーテルの組をポピュレートする。
【００５５】
図２は、置き間違えられたカテーテルに対処する追加の手段を備えた位置決め支援デバイス２００の更なる実施形態を示す。位置決め支援デバイス２００の構造及び動作は、図１の実施形態とかなり似ている。従って、以下の記載は、追加の際立った特徴に焦点を当てる。その他の点については、図１の記載が参照される。より簡単な比較を可能にするよう、図１及び２の実施形態における対応するユニット３桁の参照符号は、最後の２つの数字が同じであり、最初の数字のみが異なっており、図２では“２”であり、図１では“１”である。
【００５６】
位置決め支援デバイス２００のカテーテル事前選択ユニット２０４は、放射線にさらされるべき標的ボリューム内に現在挿入されている１つ以上のカテーテルを含む標的ボリュームの３次元画像を受けるよう構成される画像評価ユニット２１６を更に有する。カテーテル画像評価ユニット２１６は、現在挿入されているカテーテルのカテーテルデータを画像データから決定するよう構成される。画像データは、上記の共通座標系に関して位置合わせされた形で供給される。もしそうでないなら、画像評価ユニット２１６は、それ自体が周知である方法を用いて位置合わせ（registration）を実行するよう構成される。現在挿入されているカテーテルの位置データは、画像データに現れるカテーテルのコントラスト特徴に適用される既知のパターン認識ソリューションを用いて決定され得る。カテーテル位置決定は、挿入されているカテーテル上の所定の位置に配置された、画像データにおいてコントラスト特徴として現れるマーカ特徴を使用することによって、特に容易且つ正確に行われ得る。
【００５７】
画像評価ユニット２１６は、このようにして決定された挿入カテーテル位置データを、位置決め支援制御ユニット１１２によって位置決め支援出力として供給された前に決定された目標カテーテル位置と比較する。画像データから決定された挿入カテーテル位置データと位置決め支援制御ユニット１１２によって出力としてこのカテーテルについて前に供給された関連する目標カテーテル位置データとの間の差を検出することによって、標的ボリューム内に既に挿入されている置き間違えられたカテーテルを検出すると、画像評価ユニット２１６は、候補カテーテル提供ユニット２０２によって供給される候補カテーテルに、その置き間違えられたカテーテルを加える。
【００５８】
位置決め支援制御ユニット２１２は更に、置き間違えられたカテーテルについての適応されたドウェル位置情報及び適応されたドウェル時間情報を決定及び供給するよう構成される。
【００５９】
その他の点については、位置決め支援デバイス２００の構造及び動作は、図１の位置決め支援デバイス１００のそれと同様である。
【００６０】
図３は、置き間違えられたカテーテルへの対処（図２の実施形態と同様。）及び更なる挿入点位置決め支援のための手段を備えた位置決め支援デバイス３００の更なる実施形態の略ブロック図である。位置決め支援デバイス３００の構造及び動作は、図２の実施形態とかなり似ている。従って、以下の記載は、追加の際立った特徴に焦点を当てる。その他の点については、図１及び２の記載が参照される。より簡単な比較を可能にするよう、図２及び３の実施形態における対応するユニット３桁の参照符号は、最後の２つの数字が同じであり、最初の数字のみが異なっており、図２では“２”であり、図３では“３”である。
【００６１】
位置決め支援デバイス３００は、挿入点の選択における位置決めガイダンスを更に提供する。
【００６２】
候補挿入点提供ユニット３１８は、共通座標系に関して各々の候補挿入点位置によって候補挿入点を定義する、所定の標的ボリュームに関連した候補挿入点データを供給するよう構成される（ここでは、簡単のために、固定された患者位置を仮定する。）。候補挿入点提供ユニット３１８による候補挿入点の供給は、簡単な実施では、最初の候補挿入点の初期ユーザ入力に基づいており、そして、最初の候補挿入点の周りの更なる候補挿入点の規則的に間隔をあけられたグリッド点の組を加える。他の実施では、候補挿入点提供ユニット３１８は、放射線にさらされる標的ボリュームの３次元画像データを受けるよう構成される。この画像データは、位置決め支援デバイス３００のカテーテル事前選択ユニット３０４へも供給される。候補挿入点提供ユニット３１８は次いで、患者内又は皮膚上で患者に対して位置付けられた所定の投影面上への標的ボリュームの２次元軸投影を決定する。候補挿入点提供ユニット３１８は次いで、標的ボリュームの２次元軸投影の幾何学重心を決定する。それは次いで、中心点として質量中心（重心）を有している所定の２次元グリッドのグリッド点として候補挿入点を決定する。
【００６３】
挿入点選択ユニット３２０は、候補挿入点の組を受け取り、候補挿入点の夫々について、候補カテーテルの各々の組を候補カテーテル提供ユニット３０２に要求し受け取るよう構成される傾き重み決定ユニット３２２を有する。傾き重み決定ユニット３２２は、夫々の候補挿入点について、候補挿入点データ及び候補カテーテルデータを用いて、複合制約関数のドウェル時間に対する傾きの全ての候補カテーテルにわたる和を確定及び供給する。このようにして、所与の候補挿入点ｒについて、傾き累積重みｇｒが傾き重み決定ユニット３２２によって計算される。傾き累積重みｇｒは、ｒ番目の挿入点を通る全てのカテーテルの全てのドウェル時間に対する負の線量ベース関数勾配のみの和を表す：
【数１２】
2020501698.tif 000014
ここで、ｒ及びｃは、現在の候補挿入点及び現在の候補カテーテルのインデックスを夫々表す。Ｎｃａｔｒは、候補挿入点ｒから出る候補カテーテルの総数である。ｇｃは、式（１）及び（３）において本明細書中で先に定義されている。任意の所与の挿入点に加えて次の挿入点を位置決めするのを支援するために、既に使用されている所与の挿入点についての線量を含む、ｇｃについての上記の式（３）が、適用可能である。
【００６４】
全ての候補挿入点についてのｇｃの決定された値は、挿入点選択制御ユニット３２４へ供給される。挿入点選択制御ユニット３２４は、最も負の傾き値ｇｒに対応する候補挿入点ｒ＊を選択し、オペレータへ、更には候補カテーテル供給ユニット３０２へ供給する：
【数１３】
2020501698.tif 000015
【００６５】
その他の点については、位置決め支援デバイス３００の構造及び動作は、図２の位置決め支援デバイス２００のそれと同様である。
【００６６】
図４は、本発明の実施形態に従う焦点放射線治療装置４００の略ブロック図である。焦点放射線治療装置４００は、放射線にさらされる標的ボリュームの、及び標的ボリューム内に現在挿入されている１つ以上のカテーテルの３次元画像データを供給するよう構成されたイメージングデバイス４０２を有する。イメージングデバイス４０２は適切に、磁気共鳴イメージングデバイス若しくは超音波イメージングデバイス、又はそれらのイメージングモダリティの両方を組み合わせたデバイスである。焦点放射線治療装置４００は、図２又は３の記載と関連して先に記載された実施形態の１つに従うカテーテル位置決め支援デバイス４０４を更に有する。カテーテル位置決め支援デバイス４０４は、画像データを受け取り、画像データに対して位置合わせされた形で次の目標カテーテル位置を供給するよう構成される。
【００６７】
任意に、焦点放射線治療装置４００は、カテーテル挿入ロボットを更に有する。カテーテル挿入ロボットは、目標挿入点及び目標カテーテル位置を位置決め支援デバイスから受け取り、受け取られた目標挿入点及び目標カテーテル位置を用いてカテーテルを対象内に挿入するよう構成される。
【００６８】
このようにして、位置決め支援は、（図３の実施形態を用いて）カテーテル挿入点の位置決めに関して、フリーハンド操作において所与の挿入点を用いて個々のカテーテルを選択及び位置決めするために熟達者へ、又はロボットアームへ提供され得る。熟達者が挿入点に対する位置決め支援を望まない場合には、図２の実施形態が使用され得る。夫々の選択された３Ｄ挿入点で、上記の反復アプローチが、カテーテルの最良の組を位置付けるのを支援するために使用される。夫々の挿入点を経て送達すべきカテーテルの最大数は、適切なＧＵＩを介してユーザによってセットされてよい。
【００６９】
新たに埋め込まれるカテーテルは、それらの３Ｄ位置によって、イメージングデバイス４０２を用いて実時間で連続的に追跡される。図２の実施形態に関連して記載されたように、計画された位置に対するカテーテルの位置ずれが検出される場合に、それらの追跡された位置ずれは、線量精度、均質性及び適合性を確立し直すためにカテーテル及び対応するドウェル時間の残りの組を適応的に最適化し直すよう考慮され得る。
【００７０】
提案されている位置決め支援は、このようにして、グリッドレスのフリーハンド及び／又はＭＲベースの適応的焦点治療を最適化するよう適用され得る。例えば、最適な挿入点及び選択されるカテーテルの最適な数、適応的な投与線量補正、実時間の方向付けガイダンス、実時間の相互作用、並びに臨床病巣治療計画プロセスに関するロバストな品質管理に関して、大きな効率の向上が達成される。
適用分野は、小線源治療、特に高線量率（ＨＤＲ）小線源治療及び／又は熱焼灼処置を包含する。
【００７１】
図５は、所定の標的ボリューム及び所与のカテーテル挿入点に対する焦点放射線治療におけるカテーテルの位置決めを支援する位置決め支援方法５００の実施形態のフロー図である。図５のフロー図は方法の概観を提供する。方法は、候補カテーテル提供段階５０２を有する。段階５０２で、各々の候補挿入カテーテル位置、所与の候補カテーテル内の放射線源の各々の候補ドウェル位置、及び各々の関連する候補ドウェル時間によって候補カテーテルを定義する、所与のカテーテル挿入点に関連した候補カテーテルデータが供給される。
【００７２】
続くカテーテル事前選択段階５０４で、候補カテーテルからの所定数の１つ以上の候補カテーテルが事前選択される。選択は、夫々の現在の候補カテーテルについての複合制約関数のドウェル時間に対する傾きの最急降下値を有している候補カテーテルを見つけることに基づく。事前選択段階５０４で実行される処理ステップの更なる詳細は、図６を参照して以下で記載される。図６は、図５の方法におけるステップ５０４の更なる詳細を示すフロー図である。カテーテル事前選択段階５０４を実行することにおいて、所与の挿入点について候補カテーテルデータが、候補カテーテル提供段階５０２からステップ５０４．１で受け取られる。このデータは、各々の候補カテーテルの関連する現在の候補ドウェル位置での現在の候補ドウェル時間を有する。このデータと、焦点放射線治療を規定する放射線量に対する臨床目標を表す少なくとも２つの線形制約を結合する複合制約関数とを用いて、傾きｇｃが、ステップ５０４．２で所与のカテーテル候補について決定される（定義は上記を参照。）。ステップ５０４．３で、全ての傾きｇｃが、ステップ５０４．１で受け取られた全ての候補カテーテルについて決定されたかどうかがチェックされる。そうでない場合には、ステップ５０４．２は、次の候補カテーテルデータを用いて繰り返される。全ての傾きｇｃが決定された後、候補カテーテルの中の傾きの最急降下値に関連する、すなわち、最も大きい数を有するｇｃの負値を有している、候補カテーテルの組からの１つの候補カテーテル又は所定数の候補カテーテルが、ステップ５０４．４で識別される。このようにして識別された候補カテーテルのデータは、ステップ５０４．５で津ぢのドウェル時間事前選択段階５０６へ出力される。
【００７３】
ドウェル時間事前選択段階５０６で、事前選択段階５０４によって供給された現在の事前選択された候補カテーテルを用いて、少なくとも２つの線形制約を結合するドウェル時間のスカラー複合制約関数の最小値を達成する、各々の候補ドウェル位置についての現在の候補ドウェル時間が、確定及び事前選択される。スカラー複合制約関数は、本実施形態では：
【数１４】
2020501698.tif 000016
（式（２））として定義される。
【００７４】
この関数の全てのシンボルは、本明細書内で先に定義されている。
【００７５】
位置決め支援制御段階５０８が更に実行される。位置決め支援制御段階５０８は、現在の反復周期において、カテーテル事前選択段階５０４が少なくとも１つの候補カテーテルについての複合制約関数の傾きの非負値を供給していることを検出するまで、複数の反復周期にわたってカテーテル事前選択段階５０４及びドウェル時間事前選択段階５０６の動作を交互に駆動することを有する。カテーテル事前選択段階５０４が少なくとも１つの候補カテーテルについての複合制約関数の傾きの非負値を供給していることが検出される場合には、現在の事前選択された少なくとも１つの候補カテーテルの目標カテーテル位置として次の目標カテーテル位置を示す出力が、続くステップ５１０で供給される。方法５００の位置決め支援制御段階５０８の更なる詳細は、以下図７を参照して記載される。
【００７６】
位置決め支援制御段階５０８は、ステップ５０８．１で、カテーテル事前選択段階５０４によって供給される事前選択された候補カテーテルデータと、ドウェル時間事前選択段階５０６によって供給される事前選択されたドウェル時間値とを受けることを有する。続いて、複合制約関数の傾きｇｃが、ステップ５０８．２で、事前選択されたドウェル時間の所与の組について決定される。
【００７７】
次いで、ステップ５０８．２で、候補カテーテルについての複合制約関数の傾き値ｇｃのいずれかが非負値を示すかどうかが判定される。そうでない場合には、方法はステップ５０８．５に分岐し、カテーテル事前選択段階５０４及びドウェル時間事前選択段階５０６を実行する新たな反復周期がトリガされ、その後にステップ５０８．１が続いて、トリガされた反復周期が実行された後に、事前選択された候補カテーテルデータ及び候補ドウェル時間が再び受け取られる。
【００７８】
候補カテーテルについての複合制約関数の傾き値ｇｃの少なくとも１つが非負値を示すことがステップ５０８．３で決定される場合に、関連する候補カテーテルデータが、位置決め支援情報として出力のために選択される。
【００７９】
要約すると、線量測定勾配に基づく反復的どん欲法（dosimetry  gradient-based  iterative  greedy  technique）が、候補カテーテル位置及び候補放射線源ドウェル時間の最適化を切り替えることをによって、焦点放射線治療におけるカテーテル挿入のための位置決め支援情報を決定するために適用されるところの有効な直接パラメータ最適化（ＤＰＯ）アプローチが提供される。フリーハンドで送達されるカテーテルの具体的な場合において、挿入点は、熟達者によって直接に選択され得る。磁気共鳴イメージング又は超音波イメージングのような更なるイメージングモダリティによるカテーテル位置の監視を用いて、方法は、治療の過程において実時間の方向付けガイダンス及び適応的線量補正を可能にする。
【００８０】
記載されるいくつかの実施形態では、可能性がある実時間の追跡された位置ずれが、最適な線量精度、均質性及び適合性を確立し直すためにカテーテル及び対応するドウェル時間の残りの組を適応的に最適化し直すよう考慮され得る。
【００８１】
提供されるデバイス及び方法は、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）焼灼、無線周波数（ＲＦ）焼灼、マイクロ波焼灼、レーザ焼灼、又は高線量率（ＨＤＲ）小線源治療などのような焦点放射線治療に適用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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