JP3530072B2 - 放射線治療用の放射線照射装置の制御装置 - Google Patents
放射線治療用の放射線照射装置の制御装置Info
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- JP3530072B2 JP3530072B2 JP13289599A JP13289599A JP3530072B2 JP 3530072 B2 JP3530072 B2 JP 3530072B2 JP 13289599 A JP13289599 A JP 13289599A JP 13289599 A JP13289599 A JP 13289599A JP 3530072 B2 JP3530072 B2 JP 3530072B2
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Description
どの粒子線で代表される放射線を人体の腫瘍に照射する
場合に用いられる放射線治療用の放射線照射装置の制御
装置に関する。
案した従来の放射線治療用の放射線照射装置の制御装置
の演算処理部における演算処理を機能ブロックで示した
図である(Physics in Medicine and Biology, 1990, Vo
l. 35, No. 10, pp.1423-1434)。101は初期解の計算
手段、102は制約条件入力手段、103は評価関数設
定手段、104は準ニュートン法による反復計算手段、
5は最適解出力手段である。これらの処理は放射線照射
装置の制御装置の演算処理部でプログラムに従って行わ
れる。
の制御装置の構成を示す図である。図12において、1
はプログラム(図示せず)に従って一連の処理を行う演算
処理部、2はディスプレイ等からなる表示部、3はキー
ボード、マウス等からなる入力部である。なお、Rは結
果を出力する対象である放射線照射装置である。
計算し(101)、その後、放射線科医が与える処方箋に
基づき制約条件が入力される(102)。次に、この制約
条件に基づき評価関数が設定され(103)、順ニュート
ン法により最適な放射線照射となるように反復計算で照
射ビームウェイトが決定され(104)、この照射ビーム
ウェイトの最適解を放射線照射装置Rに出力し、最適な
照射が実行される。実際の放射線照射装置の制御装置で
は、得られた照射条件に基づき表示部2等に計算表示さ
れる体内の放射線吸収線量分布などを放射線科医が見
て、その照射条件を採用するか判断する。この場合、体
内の放射線吸収線量分布に満足できない場合、処方箋を
多少変更して新しい制約条件を設定し、この新しい制約
の下で最適なビームウェイト解を求めることが行われ
る。評価関数としては、例えば(1)式を用いる。
る制約、第2項は腫瘍内の最大線量に関する制約、第3
項は正常組織内の最大線量に関する制約、第4項は正常
組織内の所定値以上の線量を受ける体積率に関する制約
を表し、各項の係数rは組織ごとに与えられる制約ウェ
イトである。nは正常組織の数である。準ニュートン法
では、(2)式で反復計算を行う。
トルxの各要素の内、負の値は0に置き換える。これ
は、ビームウェイトは常に0以上だからである。
放射線照射装置の制御装置では、新しい制約条件を設定
した場合の計算時間は以前の制約条件で計算した場合の
計算時間とほぼ同等であり、時間が掛かった。また、新
しい制約条件を設定するかどうかは操作者の判断に委ね
られていた。
になされたものであり、制約条件を変更した場合の計算
時間を低減するものである。さらに、この発明は制約条
件を満足したか否かを関係する人体組織ごとに自動判断
し、その結果に基づき制約条件を自動変更するものであ
る。
発明は、照射ビームウェイトの初期解を設定する初期解
の設定手段と、処方箋に基づき制約条件を入力する制約
条件入力手段と、前記制約条件に基づいて評価関数を設
定する評価関数設定手段と、最適な放射線照射となるよ
う前記評価関数が最小になるように反復計算で照射ビー
ムウェイトを決定する反復計算手段と、前記最適な照射
ビームウェイトの解を放射線照射装置に出力する最適解
出力手段と、を備えた放射線治療用の放射線照射装置の
制御装置において、制約条件を変更して変更後の制約条
件に基づく新たな評価関数を設定し最適な放射線照射と
なるように照射ビームウェイトを決定する場合に、前記
初期解の設定手段が、照射ビームウェイトの初期解とし
て、前記制約条件を変更する前に得た照射ビームウェイ
トの最適解を用いることを特徴とする放射線治療用の放
射線照射装置の制御装置にある。
期解を設定する初期解の設定手段と、処方箋に基づき制
約条件を入力する制約条件入力手段と、前記制約条件に
基づいて評価関数を設定する評価関数設定手段と、最適
な放射線照射となるよう前記評価関数が最小になるよう
に反復計算で照射ビームウェイトを決定する反復計算手
段と、前記最適な照射ビームウェイトの解を放射線照射
装置に出力する最適解出力手段と、を備えた放射線治療
用の放射線照射装置の制御装置において、最適化した上
記照射ビームウェイトに対する線量分布に基づき制約条
件を満足したか否かを人体組織ごとに判定し、制約条件
を満足しない人体組織に関する制約条件を自動変更し、
改めて最適化を行わせる制約条件変更手段をさらに備え
たことを特徴とする放射線治療用の放射線照射装置の制
御装置にある。
後の制約条件に基づく新たな評価関数を設定し最適な放
射線照射となるように照射ビームウェイトを決定する場
合に、前記制約条件変更手段が、照射ビームウェイトの
初期解として、前記制約条件を変更する前に得た照射ビ
ームウェイトの最適解を用いることを特徴とする請求項
2に記載の放射線治療用の放射線照射装置の制御装置に
ある。
条件として、関与する正常組織のそれぞれに対して、吸
収線量の最大値と所定値以上の線量を受ける体積率を用
いることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記
載の放射線治療用の放射線照射装置の制御装置にある。
が、吸収線量の最大値と所定値以上の線量を受ける体積
率からなる制約条件の少なくともいずれか一方を満足し
ない正常組織に関する制約条件を自動変更し、吸収線量
の最大値と所定値以上の線量を受ける体積率の双方の制
約条件を同時変更することを特徴とする請求項2ないし
4のいずれかに記載の放射線治療用の放射線照射装置の
制御装置にある。
用の放射線照射装置の制御装置を説明するための人体断
面図と照射ビーム15の2次元モデルを表す。10、1
1、12は正常組織であり、13が腫瘍である。14は
人体断面16内部から10、11、12、13の領域を
除いた残りの領域である。放射線ビームは15aから1
5gまでの7方向から腫瘍に対して照射される。各放射
線ビームは横方向に1次元のビームウェイト分布を与え
ることができるようになっている。この結果、任意の腫
瘍形状に一致した高い線量分布を形成すると共に、周囲
の正常組織(10、11、12、14)が受ける放射線量
を低減することができる。実際の人体は3次元であるの
で、各放射線ビームは横方向および紙面に垂直な方向に
2次元のビームウェイト分布を与えることができるよう
になっているが、ここでは簡単のために2次元モデルで
説明する。
算処理を与える図である。図11とほぼ同じ機能ブロッ
クで示されているが、違うのは初期解の設定手段10
1’であり、図11では初期解をX線CTの投影再構成
法も用いた原理で計算していたが、この発明では単純に
定数(例えば、0、1)を用いる。もちろん、図11と同
じように計算してもよい。
いくことを表している。20回の反復で収束し、その結
果得られた照射ビームウェイトの解による90%以上の
線量を与える領域は図4の(a)で与えられる。照射ビー
ムウェイトの解の一部を図4の(b)に示す。これは、1
5aの方向から照射するビームの照射ビームウェイトの
解である。図5では40%、50%、60%、70%、
80%、90%の線量の等強度線と腫瘍13、正常組織
10、11、12を重ねて表示している。
と規格化した線量が0.2以上の体積率を示す。本計算
では、制約条件として正常組織10の内部の規格化線量
の最大値を0.33以下、規格化線量が0.2以上になる
体積率を20%以下になるように設定した。最大値は設
定通りになったが、規格化線量が0.2以上になる体積
率は38%と目標の20%を大幅に越えた値となった。
形態による放射線治療用の放射線照射装置の制御装置の
演算処理部の演算処理を機能ブロックで示したものであ
る。なお、全体の構成は図12に示したものと同じであ
る。新しい制約条件を入力して改めて最適化計算を実行
するわけであるが、初期解の設定手段110で前回の制
約条件による最適な照射ビームウェイトの解を初期解に
採用する。あとは、図2と同じである。この結果、図8
に示すように5回の反復で評価関数はかなり低減した。
本計算では、制約条件として正常組織10の内部の規格
化線量の最大値を0.2以下、規格化線量が0.15以上
になる体積率を20%以下になるように設定した。この
結果、図9のごとく最大値が0.24、規格化線量が0.
2以上になる体積率が19%と前回の最適化に比べて大
幅に改善できた。
以上になる体積率を低減するためには、規格化線量の最
大値をより厳しく小さな値に設定することが有効であっ
た。すなわち、規格化線量の最大値と規格化線量が所定
の値以上になる体積率の間には、相関があるので、いず
れかを低減しようとする場合は、両者を同時により厳し
い小さな値に設定した制約条件を用いることが有効であ
ることがわかる。
施の形態による放射線治療用の放射線照射装置の制御装
置の演算処理部の演算処理を機能ブロックで示したもの
である。なお、全体の構成は図12に示したものと同じ
である。1061〜1064で示される制約条件変更手
段106により、与えられた制約条件をすべて満足する
場合以外は、不満足な人体組織に対する制約条件を自動
変更し、さらに初期解として、前回の最適化において求
まった最適解を採用する。この結果、最初に与えたすべ
ての制約条件を満足する最適な照射ビームウェイトを効
率よく探索することができる。実際上は、設定値に無理
がある極端な制約条件だけは不満足な状態で残ってしま
うが、多くの制約条件を満足させることが可能である。
と規格化線量が所定の値以上になる体積率の間には、相
関があるので、いずれかを低減しようとする場合は、両
者を同時により厳しい小さな値に設定した制約条件を用
いると有効である。
として前回の最適化において求まった最適解を採用する
ことはオプションとして、必要に応じて選択的に加える
ことができる。
ri(i=0,1,・・・,n)は、制約条件の1つと
して入力された値そのままではなくて、対応する人体組
織の体積Viで除してから評価関数(1)に代入するこ
とが好ましいことがわかった。例えば、処方箋で与えら
れた制約ウェイトとして、腫瘍に対してr0、正常組織
に対してr1,r2としたとき、各体積V0,V1,V2を
計算して、
て式(1)に代入する。この結果、体積が大きくなる各
組織においても、制約ウェイト入力値としては、1〜1
0程度でうまく計算できた。
制約ウェイトで計算すると、体積の小さい組織に対する
評価は、ほとんど無視されてしまい期待される結果が得
られなかった(評価関数が収束しなかった)。例えば、
添字0は腫瘍、1〜nは正常組織に対して、V0=10
00,V1=130,V2=20000の場合、入力する
制約ウェイトr0=1,r1=5,r2=1のままでは、
評価関数は10までしか低減しなかったが、
により、評価関数が1以下に収束した。
れば、照射ビームウェイトの初期解を設定する初期解の
設定手段と、処方箋に基づき制約条件を入力する制約条
件入力手段と、前記制約条件に基づいて評価関数を設定
する評価関数設定手段と、最適な放射線照射となるよう
前記評価関数が最小になるように反復計算で照射ビーム
ウェイトを決定する反復計算手段と、前記最適な照射ビ
ームウェイトの解を放射線照射装置に出力する最適解出
力手段と、を備えた放射線治療用の放射線照射装置の制
御装置において、制約条件を変更して変更後の制約条件
に基づく新たな評価関数を設定し最適な放射線照射とな
るように照射ビームウェイトを決定する場合に、前記初
期解の設定手段が、照射ビームウェイトの初期解とし
て、前記制約条件を変更する前に得た照射ビームウェイ
トの最適解を用いることを特徴とする放射線治療用の放
射線照射装置の制御装置としたので、制約条件を変更し
た場合の計算時間を低減できる。
ムウェイトの初期解を設定する初期解の設定手段と、処
方箋に基づき制約条件を入力する制約条件入力手段と、
前記制約条件に基づいて評価関数を設定する評価関数設
定手段と、最適な放射線照射となるよう前記評価関数が
最小になるように反復計算で照射ビームウェイトを決定
する反復計算手段と、前記最適な照射ビームウェイトの
解を放射線照射装置に出力する最適解出力手段と、を備
えた放射線治療用の放射線照射装置の制御装置におい
て、最適化した上記照射ビームウェイトに対する線量分
布に基づき制約条件を満足したか否かを人体組織ごとに
判定し、制約条件を満足しない人体組織に関する制約条
件を自動変更し、改めて最適化を行わせる制約条件変更
手段をさらに備えたことを特徴とする放射線治療用の放
射線照射装置の制御装置としたので、制約条件を満足し
たか否かを関係する人体組織ごとに自動判断し、その結
果に基づき制約条件を自動変更できる。
変更して変更後の制約条件に基づく新たな評価関数を設
定し最適な放射線照射となるように照射ビームウェイト
を決定する場合に、前記制約条件変更手段が、照射ビー
ムウェイトの初期解として、前記制約条件を変更する前
に得た照射ビームウェイトの最適解を用いるようにした
ので、制約条件の自動変更と共に制約条件を変更した場
合の計算時間を低減することができる。
約条件として、関与する正常組織のそれぞれに対して、
吸収線量の最大値と所定値以上の線量を受ける体積率を
用いいるようにすることにより、より適切な放射線治療
を実現できる。
が、吸収線量の最大値と所定値以上の線量を受ける体積
率からなる制約条件の少なくともいずれか一方を満足し
ない正常組織に関する制約条件を自動変更し、吸収線量
の最大値と所定値以上の線量を受ける体積率の双方の制
約条件を同時変更することにより、より適切な放射線治
療を実現できる。
置の制御装置を説明するための人体断面図と照射ビーム
の2次元モデルを表す図である。
図である。
の図である。
ムウェイトの解による線量分布を示す図である。
示した図である。
範囲の体積率を示す図である。
の放射線照射装置の制御装置の演算処理部の演算処理を
機能ブロックで示した図である。
の図である。
範囲の体積率を示す図である。
療用の放射線照射装置の制御装置の演算処理部の演算処
理を機能ブロックで示した図である。
御装置の演算処理部における演算処理を機能ブロックで
示した図である。
制御装置の構成を示す図である。
約条件入力手段、103 評価関数設定手段、104
反復計算手段、105 最適解出力手段、106 制約
条件変更手段、110 初期解の設定手段、R 放射線
照射装置。
Claims (5)
- 【請求項1】 照射ビームウェイトの初期解を設定する
初期解の設定手段と、 処方箋に基づき制約条件を入力する制約条件入力手段
と、 前記制約条件に基づいて評価関数を設定する評価関数設
定手段と、 最適な放射線照射となるよう前記評価関数が最小になる
ように反復計算で照射ビームウェイトを決定する反復計
算手段と、 前記最適な照射ビームウェイトの解を放射線照射装置に
出力する最適解出力手段と、 を備えた放射線治療用の放射線照射装置の制御装置にお
いて、 制約条件を変更して変更後の制約条件に基づく新たな評
価関数を設定し最適な放射線照射となるように照射ビー
ムウェイトを決定する場合に、前記初期解の設定手段
が、照射ビームウェイトの初期解として、前記制約条件
を変更する前に得た照射ビームウェイトの最適解を用い
ることを特徴とする放射線治療用の放射線照射装置の制
御装置。 - 【請求項2】 照射ビームウェイトの初期解を設定する
初期解の設定手段と、 処方箋に基づき制約条件を入力する制約条件入力手段
と、 前記制約条件に基づいて評価関数を設定する評価関数設
定手段と、 最適な放射線照射となるよう前記評価関数が最小になる
ように反復計算で照射ビームウェイトを決定する反復計
算手段と、 前記最適な照射ビームウェイトの解を放射線照射装置に
出力する最適解出力手段と、 を備えた放射線治療用の放射線照射装置の制御装置にお
いて、 最適化した上記照射ビームウェイトに対する線量分布に
基づき制約条件を満足したか否かを人体組織ごとに判定
し、制約条件を満足しない人体組織に関する制約条件を
自動変更し、改めて最適化を行わせる制約条件変更手段
をさらに備えたことを特徴とする放射線治療用の放射線
照射装置の制御装置。 - 【請求項3】 制約条件を変更して変更後の制約条件に
基づく新たな評価関数を設定し最適な放射線照射となる
ように照射ビームウェイトを決定する場合に、前記制約
条件変更手段が、照射ビームウェイトの初期解として、
前記制約条件を変更する前に得た照射ビームウェイトの
最適解を用いることを特徴とする請求項2に記載の放射
線治療用の放射線照射装置の制御装置。 - 【請求項4】 処方箋に基づく上記制約条件として、関
与する正常組織のそれぞれに対して、吸収線量の最大値
と所定値以上の線量を受ける体積率を用いることを特徴
とする請求項1ないし3のいずれかに記載の放射線治療
用の放射線照射装置の制御装置。 - 【請求項5】 上記制約条件変更手段が、吸収線量の最
大値と所定値以上の線量を受ける体積率からなる制約条
件の少なくともいずれか一方を満足しない正常組織に関
する制約条件を自動変更し、吸収線量の最大値と所定値
以上の線量を受ける体積率の双方の制約条件を同時変更
することを特徴とする請求項2ないし4のいずれかに記
載の放射線治療用の放射線照射装置の制御装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP13289599A JP3530072B2 (ja) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | 放射線治療用の放射線照射装置の制御装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP13289599A JP3530072B2 (ja) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | 放射線治療用の放射線照射装置の制御装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP2000317000A JP2000317000A (ja) | 2000-11-21 |
JP3530072B2 true JP3530072B2 (ja) | 2004-05-24 |
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JP13289599A Expired - Fee Related JP3530072B2 (ja) | 1999-05-13 | 1999-05-13 | 放射線治療用の放射線照射装置の制御装置 |
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