JP3746679B2

JP3746679B2 - 放射線治療中のメガボルトコンピューター断層撮影

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Publication number: JP3746679B2
Application number: JP2000609134A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．ルカーラ，ケネス; エイチ．オリベラ，グスタボ; アール．マッキー，トーマス
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 1999-04-02
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2006-02-15
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: IL145292A; WO2000059576A1; JP2002540862A; WO2000059576A9; DE60018394D1; ATE289844T1; EP1165182A1; EP1165182B1; AU4180200A; CA2368764A1; DE60018394T2; CA2368764C; US6618467B1; IL145292A0

Description

【０００１】
（発明の背景）
体外放射線治療では、患者内の癌組織を照射する発散放射線ビームが使用される。
【０００２】
断層撮影法は体外放射線治療の一形態であり、放射線源が患者を通る軸の回りを１平面内で回転するガントリー上に置かれる。患者はその回転中にその平面を横切るように移動し、患者とガントリー上の１つの点の間で相対的な螺旋運動となる。この回転中、放射線ビームは放射線ビームを独立に制御し得る放射線に分割する複数リーフコリメーター（ＭＣＬ）または他の変調装置で変調される。各放射線の強度をガントリー角の関数として制御することにより、放射線量を体内の任意の断面領域に正確に当てることができる。この様な断層撮影装置の製造法および操作法は米国特許第５，３１７，６３６号（１９９４年５月３１日発行）「放射線治療の方法と装置」、および本発明の譲受人に譲渡され本明細書に参考資料として含まれる米国特許第５，５４８，６２７号（１９９６年８月２０日発行）「束縛回転自由度の放射線治療システム」に記載されている。
【０００３】
放射線量を正確に決めることのできる断層撮影法の能力に対して、処置領域を正確に画像化し、治療中に患者の位置を正確に決めることが重要になる。本発明の譲受人に譲渡され、本明細書に参考資料として含まれる米国特許第５，７２４，４００号（１９９８年３月３日発行）「束縛回転自由度の放射線治療システム」は、造影と患者の正確な表示の双方が可能なコンピューター断層撮影装置（ＣＴ）と放射線断層撮影装置との組み合せを記載している。
【０００４】
ＣＴでは、キロボルトエネルギーＸ線の平面ビームが、断層撮影法で行われているものとよく似ているが、ＭＬＣによる放射線ビームの変調を行わずに様々なガントリー角で患者に投射される。身体の構造が放射線を減衰し、この減衰が検出器で検出される。断面像が各ガントリー角での放射線の減衰データの「投影」から、「断層撮影投影セット」を決めるガントリー角の範囲にわたって再構築される。典型的な断層撮影投影セットには、少なくとも１８０°のガントリー角にわたる患者全体の幅に広がる放射線が含まれる。１つの断層撮影投影セットよりも小さいものから画像を再構築することは、重要な身体の構造をぼやけさせる重大な人工画像を生じ得る。
【０００５】
通常のＣＴは放射線治療に用いられるＸ線よりはるかに低いエネルギーを有するキロボルトＸ線を使用するが、放射線治療に用いられる同じメガボルトＸ線を用いて画像が構築されることは公知である。この方法では、別のキロボルトＸ線源の必要はなくなる。メガボルト画像には、身体の構造によるメガボルトレベルの放射線の吸収をより良く現しているという、それ以上の利点があり、そのためこれらの画像は治療計画や線量決定により優れている。米国特許第５，６７３，３００号（１９９７年９月３０日発行）「患者に対する放射線治療計画の決定法」は、患者の位置を正確に決め、線量を決定するためにメガボルトＸ線で検出器を使用する方法を教示している。これらの特許も本明細書に参考資料として含まれる。
【０００６】
しかしながら、ＣＴ像を生成するためのメガボルトＸ線の使用（ＭＶＣＴ）には、いくつかの欠点がある。まず、完全な断層撮影投影セットを得るには通常、放射線治療前に患者を予備走査する必要がある。この予備走査処理は治療の全時間を増加させ、必然的に走査と治療の間に患者が動く可能性を伴う。予備走査は、リアルタイム補正または確認のためにＭＶＣＴを使用する能力を失わせるものである。さらに、必要な断層撮影投影セットにわたる高コントラストＭＶＣＴは、患者に対する線量を顕著に増加させる。
【０００７】
（発明の簡潔な要約）
本発明は、放射線治療中にＣＴデータの少なくとも一部を収集することにより、ＭＶＣＴを撮影するのに必要な追加時間を減らし若しくは無くし、および／またはＭＶＣＴで必要な追加線量を最小にする。変調された放射線治療用放射線でえられる、不可避的に不完全な投影に由来する人工画像の問題は、この「高線束」放射線治療データを、予備走査中または放射線治療中に別に得られる低線束データで補うことにより克服される。断層撮影投影セットは、低および高線束データの混合から形成される。
【０００８】
低線束データを使用することにより、ＭＶＣＴで必要な患者に対する余分な放射線を最小にする一方、低線束データを使用することに伴う高いノイズは、その治療で得られる高線束データで実質的に補正される。またある状況では、低線束データのみが用いられる。
【０００９】
具体的には、本発明は、一般的に１つの軸に沿って向けられた（directed）複数の放射線で形成される放射線ビームを向けさせる（directing）メガボルト放射線源を具備してなる、組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置を提供する。ガントリーが放射線源を保持し、該軸の角度を治療空間の回りに回転させ、放射線検出器は放射線源に対向して治療空間を横切ってガントリー上に位置し、投影データを提供する。変調器が放射線源と治療空間の間に置かれ、放射線束を変調する。
【００１０】
変調器と連通する電子計算機が変調器を制御し、放射線治療計画に従って選択された高線束放射線を選択された軸角度で治療空間内の患者に向ける。選択された放射線と角度は断層撮影投影セットよりも小さくおさめられており（comprising less than、小さいものを含むともいう）、従って高線束の不完全な断層撮影投影セットを生成する。低線束放射線も治療空間内の患者に向けられ、低線束データを得る。低線束データは高線束不完全断層撮影投影セットと組み合わされ、増幅された完全な断層撮影投影を作成し、画像に再構築される。
【００１１】
従って、本発明の目的の１つは、放射線治療に用いられた放射線を、それが断層撮影の目的には全く不完全であってもＣＴ画像作成に用いることである。低線束データは不完全な高線束データを増幅し、患者に対する全線量を過剰に増加させることなく断層撮影画像を提供する。
【００１２】
収集された低線束データは完全な断層撮影投影セットであってもよく、または不完全な断層撮影投影セットであってもよい。
【００１３】
従って、低線束データの取得に大きな柔軟性を持たせることが本発明の他の目的である。
【００１４】
実施態様の１つは、変調器は放射線を通過又は遮蔽するために開閉し得る多数のリーフを具備する複数リーフコリメーターであり、低線束データは閉じたリーフを通る漏れから得られる。
【００１５】
従って、本発明の他の目的は、放射線治療装置で低線束データを生成する簡単な方法を提供することである。
【００１６】
放射線治療計画に従って軸角度が増加する間の一定時間、リーフが開き、高線束不完全断層撮影投影セットを作成し、電子計算機が角度増加開始後の開放状態の時間の割合を設定するように内蔵プログラムを実行し、それにより角度増加の開始時に低線束データを収集する。
【００１７】
従って、本発明の他の目的は、放射線治療そのものの間に一定間隔の時間で低線束データの完全な断層撮影投影セットを得る簡単な手段を提供することである。
【００１８】
また、低線束放射線はリーフを開けて放射線治療計画に必要のない放射線を通過させることでも得られる。
【００１９】
従って、本発明の他の目的は低線束データの完全な断層撮影投影セットを得る手段を提供することである。
【００２０】
電子計算機は、各々の角度増加におけるリーフが開放状態にある時間割合の中心値を決定し、各々の角度増加の中心で低線量データを収集するように内蔵プログラムを実行する。あるいは、その上に、電子計算機は放射線治療計画に従ってリーフの開閉パターンを最適化し、低線束データを生成するのに必要なリーフの開放状態を予測する。
【００２１】
従って、本発明の他の目的は、放射線治療に伴う最大量の線束が発生する時点の断層撮影投影セットデータを取得し、それにより完全な投影を最小の追加的線量で得ることである。
【００２２】
電子計算機はさらに、放射線治療計画に従って患者のいない治療空間に選択した高線束放射線を選択した角度で向けさせるように変調器を制御することによって、正規化高線束不完全断層撮影投影セット（「高線束空気走査」）を取得し、低放射線束を患者のいない治療空間に向けさせるように変調器を制御することによって、放射線検出器から正規化低線束データを取得するように作動する（「低線束空気走査」）。高線束不完全断層撮影投影セットと低線束データを組み合せて増幅断層撮影投影セットを作成する前に、正規化高線束不完全断層撮影投影で高線束不完全断層撮影投影セットを正規化し、低線束データを正規化低線束データで正規化する。
【００２３】
従って、本発明の他の目的は、広範囲な線束速度を単一の断層撮影投影走査に過度の人工画像が混入することなくより良く組み込むことである。空気走査は、高および低線束データの間で組み合され得る減衰の共通単位を提供する。上述したように、変調器が任意の時点で放射線を排除または通過させる状態間を移動するリーフを具備する場合、リーフが停止または作動し、再構築のための放射線検出器から取得するデータはリーフが停止している時のみ得ることができる。
【００２４】
従って、本発明の別の目的は反復可能な空気走査と通常の空気走査を、必要あれば高および低線束データの組み合せに対してＭＬＣを用いて行う方法を提供することである。本発明者らは、このウインドウ工程により、機械的ＭＬＣを用いて十分な反復性が得られることを確認した。
【００２５】
本発明の前記およびその他の目的と利点は、以下の説明で明白であると考えられる。この説明において、本発明の一部を形成し、本発明の好ましい実施態様を図示する付属図面が参照される。しかしながら、この様な実施態様とその特定の目的と利点は本発明の範囲を規定するものでなく、従って本発明の範囲を理解するためには特許請求の範囲を参照しなければならない。
【００２６】
（発明の詳細な説明）
図１を参照すると、本発明による断層撮影治療ＣＴ装置１０は、患者と患者支持体（図示せず）を受け入れるための中心孔１４を具備する環状ガントリー１２を備えている。ガントリーは中央コンピューター２２と連通するアクチュエーター２０によって、中心孔軸１８の回りに回転することができる。アクチュエーター２０はコンピューター２２から信号を受け取り、ガントリー１２の回転を制御し、コンピューター２２に位置情報を送る。
【００２７】
線形加速器等のメガボルトＸ線源２４はガントリー１２の直径の一端に搭載され、直径に沿って孔１４の開口部を横切りＸ線ビーム２６を検出器２８に照射（project）する。検出器２８には多くの素子が含まれ、該素子は１組の放射線３０のそれぞれに沿ってビーム２６を別々に測定することを提供する。検出器２８はＸ線強度の測定値をコンピューター２２に送る。
【００２８】
Ｘ線源２４はオン／オフすることも、公知の方法によりパルス速度を制御して線束速度を変化させることも、コンピューター２２により制御される。放射線３０の平均流を個々に制御する速量複数リーフコリメーター３２がＸ線源２４と孔１４の間に置かれる。
【００２９】
コンピューター２２にはディスプレー３４とキーボード等の入力装置３６が含まれ、断層撮影装置１０の末端部、オフライン機器、または両者の組み合せであってもよい。
【００３０】
図２を参照すると、好ましい実施態様中の複数リーフコリメーター３２には多数の放射線不透過リーフ３８が含まれ、それぞれが検出器２８で受け取られるビーム２６の１本の放射線３０の角度に対応する。ここで言う、公知である「放射線不透明」とは、リーフ３８全体の特性のことであるが、あらゆる物理的材料と同様、Ｘ線はそれらを通って若干漏れる。
【００３１】
リーフ３８はアクチュエーター機構４０に取り付けられ、ビーム２６の軸上の内外にリーフを動かし、個々の放射線３０を遮断若しくは通過させる。センサー４２がリーフ３８の位置を確認する信号を提供する。
【００３２】
ビーム２６中のリーフの作動サイクル、すなわち一定の間隔中におけるリーフの個々の放射線３０を遮断若しくは通過させる時間の割合を制御することにより、放射線３０の平均線束を連続した範囲内で制御し得る。作動サイクル変調は公知であり、本明細書に参考資料として含まれる先に引用した特許に記載されている。
【００３３】
図１および３を参照すると、断層撮影治療の目的でガントリー１２は軸１８の回りを回転し、様々な角度θで放射線を患者に照射する。角回転は図３に大きく拡大して示される一連の不連続な角度間隔４４（θ_i）に分割される。それぞれの角度間隔４４はリーフの作動サイクルが変調される基準を決める。例えば、θ_iにおける線束５０％変調では、リーフ３８は角度間隔４４でガントリー１２を移動させる所定時間の半分は閉じられている。
【００３４】
最大量の重なり合いを生じる様に隣り合ったリーフ３８の開放が同調し、閉じたリーフ３８の稜線の周辺のＸ線の減衰、およびリーフを支えるために用いられる舌状の溝部品等のリーフ支持構造（図示せず）の影で生じる効果が最小になることが望ましい。さらに、リーフ３８の開放時間を角度間隔４４内の中心に置き、治療計画を単純にするためそれぞれの角間隔４４の中心の回りに対称的である線量パターンを作成することが望ましい。
【００３５】
図３で、３枚のリーフ３８の状態４６ａ〜ｃが、１回の角度間隔４４の角度位置θの関数として示される。状態４６ａおよび４６ｂでは角度間隔４４が閉じた位置４８として始まり、角度位置４４内に中心がある開放位置５０（異なった持続期間の）へ移動する。閉じた位置４８と開放位置５０の間、または逆に開放位置５０と閉じた位置４８の間に状態４６ａと４６ｂ双方に対する移行期間５２が生じる。対照的に、状態４６ｃは全角度間隔４４中に閉じたままである。開放時間の割合が最も大きい状態４６ａが最高の平均線束を与え、状態４６ｂより大きい作動サイクルを有し、一方で状態４６ｃより高い平均線束を有することが理解される。
【００３６】
移行期間５２は、複数リーフコリメーター３２の動作の測定に基づいて見積るか、またはセンサー４２を使用するか、または検出器２８が受け取る信号の移行をモニターするか、または様々な他の手段で検出することができる。リーフの位置の検出には、本発明と同じ譲受人に譲渡され、本明細書に参考資料として含まれる米国特許第５，３９４，４５２号（１９９５年２月２８日発行）、「放射線治療の確認システム」で教示される技術を使用してもよい。
【００３７】
図４を参照すると、それぞれの角度間隔θ_iに対して変数φ_iで指定される各リーフ３８の作動サイクルの決定は、当業者が理解し得る様にシノグラム５４で記述される。シノグラム５４の列の各要素５６は、与えられたガントリー角における各リーフφ_iに対する作動サイクルまたは平均線束変調を示し、一方、行はガントリー角における異なった角度間隔θ_iを示す。特定の放射線治療計画に対するシノグラムを決定するいくつかの方法が公知であり、上記に引用した先行特許に記載されている。
【００３８】
本発明はガントリー１２が放射線治療中に連続回転を維持することを予想するが、それを要求するものではない。この様な連続回転では、行内のθオフセットは一般に時間に対応し、従って各要素５６は対応するリーフ３８の実際の時間変調パターンを示し、斜線を引いたリーフが閉じた領域５８はリーフ閉鎖を示し、ブランクリーフ開放領域６０はリーフ開放を示す。作動サイクルは、角度間隔４４の全持続時間で分割されたリーフ開放領域６０である。点線はリーフ開放領域６０とリーフ閉鎖領域５８にまたがる移行期間５２の境界６２を示す。
【００３９】
本発明者らは、移行期間５２は実際の機械システムではかなり変化し得ることを認めている。移行期間５２で与えられる実際の放射線を測定し、これらの変化をその後の放射線治療で補償することにより、この可変性を放射線治療に取り入れることができる。しかしながら、減衰の様に見えるが実際はシャッターの変化である減少から患者によって生じる減衰量の正確な抽出を妨げるので、この可変性は高および低線束データの組み合せを妨害する。
【００４０】
従って本発明は、リーフが運動状態にないか、または運動が無視し得ると考えられるシノグラムの領域を見出すと考えられるシノグラム５４に「ウインドウ」を開ける。従って、シノグラムのウインドウ領域内で患者を通って送られる線束は繰り返し測定で同じでなければならない。
【００４１】
図５および６を参照すると、ウインドウ付きシノグラム５５の生成は、あるリーフ３８における変数としてのシノグラム５４の列全体（図５に示す）が、散乱および屈折により隣り合ったリーフ３８の放射線３０に沿って受け取った放射線に影響することを考慮している。別な実施態様では、ウインドウ化プロセスはシノグラム５４の列全体よりも小さく、変化するリーフ３８の所定の距離内にある要素５６のみを考慮し、従ってその放射線３０は変化するリーフ３８の放射線の散乱でも影響を受けると思われる。２個の要素５６ａおよび５６ｂが示される。ウインドウ付きシノグラムを生成する第一段階で、各要素５６ａおよび５６ｂに対する移行期間５２が組み合わされ、列の全ての要素５６ａおよび５６ｂの全ての移行期間５２（およびガントリー角）時の結合である列の幅の移行領域５７が生成する。列の幅の移行領域５７は、その列の全ての要素５６の移行期間５２をカバーする。次いでこの列の幅の移行領域５７が各要素５６ａおよび５６ｂに作用し、列の幅の移行領域５７の外側のリーフ閉鎖領域５８のサブセットであるウインドウ付きリーフ閉鎖領域６４を定義し、列の幅の移行領域５７の外側のリーフ開放領域６０のサブセットであるウインドウが開いた領域６６を定義する。
【００４２】
今後、データが検出器２８から収集される場合、閉じたリーフ３８でデータが収集される場合はデータが領域６４から収集され、リーフ３８が開いている場合にデータを収集するならばデータが領域６６から収集されることが理解し得ると思われる。この様にして、以下に述べる様に再現性のあるデータを収集し得る。
【００４３】
再び図４を参照すると、上に述べた様に、断層撮影投影セットが一般にシノグラム５４の寸法に対応して収集されることが、断層撮影データの再構築には必要である。従って、複数の角度θ_iにおいて、３６０°広がる最も簡単な場合は、各放射線φ_iを含む投影を収集しなければならない。完全な断層撮影投影セットの収集ができなければ人工画像が生成し、放射線が収集されなかった領域ばかりでなく、データが収集されたこれらの領域外の範囲もぼやける結果となる。
【００４４】
しかしながら、典型的なシノグラム５４は治療計画では放射線が透過しないことが必要である広い範囲５９（斜線で示してある）を有する。従って、放射線が透過する開放リーフ３８のみを断層撮影再構築に使用した場合、不完全なデータが得られる。
【００４５】
図７を参照すると、要素５６ａ〜５６ｅを有するシノグラム列の例が示され、要素５６ａおよび５６ｅは断層撮影投影セットを完成するのに必要な、対応する放射線３０を遮断する閉じたリーフに相当する。本発明者らは、投影は開放リーフ３８による放射線からは得られず、完全に不透明ではないが、実際は幾分かの漏れ放射線が通過可能で、この漏れ放射線が断層撮影投影セットを得るのに十分であることを認識していた。最も簡単に言えば、断層撮影データを７０ａが列θ_iを定義する角度間隔４４の開始時点７０ａで得られる。上記の通り、データはウインドウリーフが閉じた領域６４の外でのみ収集される。データは走査間で再現性がある。さらに、それぞれの角度間隔４４の最初に全てのリーフ３８が閉じているので、リーフ制御の好ましい実施態様によれば、完全な断層撮影投影セットは放射線治療中に正規のガントリー角度で容易に得られる。
【００４６】
この様なデータは閉じたリーフ３８を通過する線束の低い放射線３０から収集されるので、データ収集は放射線治療中の患者が受ける線量を不当に増加させない。低線束放射線はＳ／Ｎ比の低い画像を生成するが、本発明者らは体内で高コントラスト構造を映像化する多くの作業にとってこの様な画像が適当であることを決定した。
【００４７】
図８を参照すると、第２実施態様ではこの低線束データを、例えば間隔４４中に実際に開いている開放リーフ５６ｂ〜５６ｄによる高線束データで増幅することができる。この場合もまた、これらの失われている要素を満たすために高線束データで増幅されている限り、収集した低線束データは完全な断層撮影投影データである必要はない。角度間隔４４の中央のサンプリング時間７０ｂで図８に示す様に、低線束データは要素５６ａ〜５６ｅで得られ、要素５６ｂ〜５６ｄで得られる高線束データで補われる。サンプリング間隔７０ｂを間隔４４の中央に置くことにより、開放リーフがそのデータを増幅する確率が大きくなる。
【００４８】
高線束データと低線束データの組み合せを以下に述べる。
【００４９】
高線束データと低線束データの組み合せは、それらをまず以下に述べる「空気走査」を用いて減衰値に変換することにより可能になる。一般的に、シノグラム５４の各列では、患者を置かない空気を通る放射線の測定がウインドウ期間中に行われ、この測定が患者を置いた同じ列に対する測定と比較される。各要素５６ａ〜５６ｅの減衰が計算され、断層撮影投影セットに対する共通の単位基盤を提供するために用いられる。この方法で、減衰により高および低線束データの組み合せに対する共通の単位が得られる。空気走査および実際の走査双方に対する図８のウインドウが開いた期間のみを用いることにより、許容し得る精度でこの比較を行うことができる。
【００５０】
図７、８の各技術を放射線治療そのものの間に行うことができる。これらの映像化技術を用いる治療時間が長くなる欠点はない。さらに、図７、８の技術は患者に対する線量を増加させない。
【００５１】
別の実施態様における図９を参照すると、通常は閉じているリーフ３８が規則的な角度間隔で各要素５６ａ〜５６ｅに対し短時間開かれる予備治療走査が行われる。直接再構築されるか、以下に述べる放射線治療中に得た高線束データで増幅される断層撮影投影セット全体にサンプリング間隔７０ｃにおける所望の低線量データを提供するために、開放時間を制御することもできる。
【００５２】
別な実施態様における図１０を参照すると、リーフ５６ａ〜５６ｅが開いたままになり、活性期間７２中に線形加速器がパルス照射するか他の方法でゲートを開くことにより、上記の様に用いられるサンプリング期間７０ｅで完全低線量断層撮影投影セットの収集が行われる。
【００５３】
最後に図１１を参照すると、図９および８の技術を間隔４４内に中心を置く間隔７０ｆで収集されたデータと組み合わし、リーフ５６ａおよび５６ｅ（シノグラムの走査で通常は閉じている）が無視することにより間隔４４の中心でこれらのリーフを短時間開くことができる。この技術は、複数リーフのコリメーターの追加生成により放射線不透過性が増し、断層撮影画像を生成するために十分な漏れが遮断される場合に必要になり、一般に漏れが無いデータとして画質が優れる。
【００５４】
画像は図７、９および１０の技術により収集された低線量データから完全に再構築されるが、本発明の重要な特徴は、低線束データで作成した断層撮影画像のＳ／Ｎ比をかなり改善するために放射線治療用放射線を使用し得ることである。この方法では、余分な線量が低くＳ／Ｎ比が高い画像が得られる利点がある。
【００５５】
図１２を参照すると、低線束データの増幅プロセスは低線束空気走査８０と高線束空気走査８２で始まる。前者は図７〜１１で説明した低線束データの収集であり、後者は放射線治療に付随する高線束データの収集である。ある場合は、例えば図７、８および１１で説明した低線束走査８０と高線束走査８２を同時に行うことが可能で、他の場合には低線束走査８０と高線束走査８２を１回の走査または異なった操作内の異なった時点で行われることが理解されると思われる。
【００５６】
しかしながら、これらの空気走査を用いることに対する批判は、図５に関して先に述べた様に、データがシノグラムパターンのウインドウが開いた部分のみで収集されるということである。ウインドウが開いた期間を選ぶこのプロセスは低線量空気走査８０のウインドウを開放するプロセスブロック８４と、高線束空気走査８２のデータのウインドウを開くプロセスブロック８６で示される。
【００５７】
次に患者を所定の位置に置き、患者の低線束データがプロセスブロック８８で得られ、患者の高線束データがプロセスブロック９０で得られる。低線束空気走査８０と高線束空気走査８２で用いられたものと同じシノグラムがプロセスブロック８８および９０で用いられ、両者の一致性がプロセスブロック８８で収集されたウインドウ９２と、プロセスブロック９０で収集されたデータ上で作動するウインドウ９４で確認される。
【００５８】
対数減衰ブロック９６でブロック８４および９２からのデータが比較され、公知の式による減衰値がえられる。
【００５９】
【数１】

【００６０】
ここでλ（ｘ）は与えられた要素５６における減衰であり、Φ₀は対応する空気走査データであり、Φ_iは対応する患者の走査データである。
【００６１】
完全な低線束断層撮影投影セットを表しても表さなくてもよいプロセスブロック９６からの減衰値を、プロセス９８からの高線束データの選択された又は全ての減衰値と組み合せることによりプロセスブロック１００で断層撮影投影セットを形成することができる。シノグラム（従って断層撮影投影セット）の与えられた要素に対し複数の減衰値が存在する場合は、線束で荷重を付けた後、要素を平均してもよい。高線束データを追加せず、低線束断層撮影投影セットのいくつかを使用することも可能である。
【００６２】
増幅された断層撮影投影セットは次に、プロセスブロック１０２におけるフィルター付きバック投影等の公知の技術に従って再構築される。この様にして、低線束データが高線束放射線治療データと組み合わされ、再構築データのＳ／Ｎ比をかなり改善する。
【００６３】
更に別な実施態様では、低線量データに用いられた様なプロセスブロック８２、９０、８６、９４および９８のパターン後に走査時に様々な点で収集された他の低線束データで、低線束データを増幅してもよい。図１２のプロセスブロックは一般に、検出器２８の正規化、ビーム硬化補正等の標準断層撮影補正技術を更に含む。本発明は部分走査技術で用いられる。
【００６４】
図１３を参照すると例えば、別なデータ収集が放射線治療計画に追加して図９〜１１に示す低線束データを得る場合、この線束を放射線治療計画１０１からシノグラム５４を作成するために用いられた最適化プロセスに組み込み、全線量の増加に対するその効果を低減し得る。
【００６５】
図１３に示す様に、典型的な放射線治療計画プロセスには、医師による放射線治療計画１０１の作成が含まれ、一般に患者の異なった部位における望ましい線量が記載される。公知の近似または他の技術で得られた初期シノグラム５４が、そのシノグラムで患者に加えられる線量を計算する予測モデル１０４に提供される。予測モデルには減衰係数を決定するための患者の断層撮影像が含まれる。
【００６６】
予測モデル１０４からの計算線量が、比較ブロック１０６における放射線治療計画１０１の線量と比較され、その線量と放射線治療計画１０１の線量との間の一致を改善するために計算されるシノグラム５４を変化させる修正アルゴリズム１０８を駆動するために用いられる。公知のこの一般化プロセスの変形において、シノグラム５４は例えば、これらのリーフが変化し得ない変形アルゴリズム１０８をプログラムすることにより開放にロックされた、あるリーフを有する。ロックされたリーフは、断層撮影画像化のための低線束データを作成するために開放である必要のあるリーフ（例えば図１１の技術で）に相当する。これらのリーフをロックし、予測モデル１０４を繰り返し用いることにより、断層撮影に対し必要なリーフ開放が実際の放射線治療計画に組み込まれるか、または計画の後の部分で他のリーフ開放で補償され、断層撮影画像化に必要な余分な線量があればそれを最小にする。
【００６７】
本発明を開発するにあたり本発明者らは、患者内のある部位でのみ高線束放射線を集中する放射線治療計画で得られた画像で、患者の問題の領域外の部位に向けられた放射線から得られた低線束データと、患者の問題の領域に向けられた高線束データの組み合せが、高線束（均一に低Ｓ／Ｎ比）断層撮影投影セットを用いないにも拘わらず、重大な人工画像もなく、問題の領域の画質の良い画像を提供することに注目した。
【００６８】
これは、画質が重要でない患者の領域で線量を減少するために、ＣＴ線量が力学的に制御される従来のＣＴ画像技術を示唆する。問題の領域に広がる人工画像のため、一般に問題の領域のオフ領域で線量を完全に除去することができないことに気づくだろう。
【００６９】
従って、通常のキロボルトＸ線チューブ２０２と複数リーフコリメーター２０４を具備するＣＴ装置２００の製作、または他の方法によりビームを変調すると、上記断層撮影装置を用いて得られるものより分解能の低いビームとなる可能性がある。従来の方法では、チューブ２０２とコリメーター２０４が回転ガントリー２０６に搭載されている。ＣＴ検出器２１０はガントリーの孔２０８に対向している。
【００７０】
この様なＣＴシステムは複数リーフコリメーター２０４を使用し、低強度領域２１２で線束を減少するが除去せず、問題の構造２１６の周辺の関心の高い領域２１４により高い線束を与える。実際の領域２１２および２１４は、シノグラム型制御戦略を用いるコリメーター２０４で追跡されるガントリー２０６の角回転で変化する。最後に、図１２に示す様に低線束および高線束データを組み合せ、線量を減少して画像を得る。
【００７１】
問題の領域がガントリー２０６の回転軸付近に中心がある場合は、複数リーフコリメーターを所定の減衰パターンを与える固定フィルターで置き換えることができる。この様なＣＴ装置は例えば、小児科の患者に有用である。
【００７２】
本発明は特定の複数リーフコリメーター設計に限定されず、個々の放射線の線束が制御され、断層撮影投影セットが収集される任意の放射線治療システムに使用し得ることが認識されると思われる。
【００７３】
具体的には、本発明は、本明細書に含まれる実施態様および実施例に限定されず、実施態様の一部および異なった実施態様の要素の組み合せを含む、以下のクレームの範囲にあるこれらの実施態様の変形も含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に使用するに適した断層撮影装置の簡略化した斜視図であって、放射線ビームを生成する制御可能な放射線源、複数リーフコリメーター、および電子計算機制御下にガントリー上で回転する検出器を備える。
【図２】図２は本発明の複数リーフコリメーターの斜視図であって、電子計算機制御に従って放射線ビームを出入りするリーフの運動を示す。
【図３】図３は３枚リーフに対するリーフのビーム出入り運動の拡大角度表示の極点グラフ表示であって、角度増加範囲内のリーフの中心位置決めを示す。
【図４】図４は図３の異なった角度増加に対する放射線治療計画によるリーフの運動を制御するためのシノグラムの簡略化したグラフ表示であって、展開した形、シノグラムの１回の角度増加に対する１つのリーフの開閉を示し、点線で開および閉状態の間のリーフの移動を点線で示す。
【図５】図５は図４の展開した形と同様な図であって、一定の角度増加中およびリーフの運動中の２枚の隣り合ったリーフの開閉、および全てのリーフが運動を止めた時間中のみのデータ取得可能時間を示す「ウインドウ付き」シノグラムの生成を示す。
【図６】図６はウインドウ付き低線束および高線束データの位置を示す図である。
【図７】図７は図４のウインドウ付きシノグラムの１本の列の例を簡単に示すもので、本発明の第１の実施態様における低線束データを得るためのデータ取得位置を示す。
【図８】図８は図７と同様な図であって、本発明の第２の実施態様における低および高線束混合データを得るための第２の位置を示す。
【図９】図９は図７、８と同様な図であって、全てのリーフの短時間の開閉により低線束データを取得する第３の実施態様を示す。
【図１０】図１０は図７〜９と同様な図であって、第４の実施態様として、全てのリーフを開き、放射線源からの放射線の照射を正確に制御することによる低線束データを取得する方法を示す。
【図１１】図１１は図７〜１０と同様な図であって、放射線治療中に通常は閉じているリーフのみを短時間開いて低線束データを得る、第５の実施態様における方法を示す。
【図１２】図１２は本発明で使用し得る患者の様々な走査におけるデータの取得を示すフロー図であり、低線束データが放射線治療中に得た高線束データによって増幅されることを示している。
【図１３】図１３はシノグラム最適化プロセスで低線量データを得るのに必要なリーフの運動を組み入れることによって図４のシノグラムを放射線治療計画から得る方法のフロー図である。
【図１４】図１４は本発明の原理を用いることができるようなＣＴ装置の簡略化した立面図であって、該ＣＴ装置は画像化に関係しない領域における線量を低減することを提供する。

Claims

１つの軸に沿って向けられた放射線から形成される放射線ビームを向けさせるメガボルト放射線源と、
該放射線源を保持し、該軸の角度を治療空間の回りに回転させるガントリーと、
該放射線源に対向して該治療空間を横切って該ガントリー上に位置し、放射線量を受けて測定し投影データを与える放射線検出器と、
前記治療空間を通過する放射線束を変調する変調器と、
電子計算機
とを具備してなる組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置であって、該電子計算機が、
（ｉ）前記変調器を制御し、放射線治療計画に従って選択されたガントリーの回転角度で放射線治療計画に従って選択された第１の放射線を前記治療空間内の患者に照射して（ただし、前記の選択されたガントリーの回転角度並びに選択された放射線の照射量は断層撮影投影セットの作成に必要なガントリーの回転角度並びに放射線の照射量よりも小さい範囲である）、前記放射線検出器から前記第１の放射線による不完全断層撮影投影セットを取得し、
（ｉｉ）前記治療空間内の患者に第１の放射線よりも低い線束密度を有する第２の放射線を照射して、前記放射線検出器から前記第２の放射線によるデータを取得し、
（ｉｉｉ）前記の第１の放射線による不完全断層撮影投影セットと前記の第２の放射線によるデータとを組み合せて、増幅された完全な断層撮影投影セットを作成し、そして
（ｉｖ）該増幅された完全な断層撮影投影セットから患者の断層撮影画像を再構築する
ように内蔵プログラムを実行することを特徴とする組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記の第２の放射線によるデータが完全断層撮影投影セットを含むことを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記の第２の放射線によるデータが不完全断層撮影投影セットを含むことを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記変調器が放射線を通過又は遮断するための開放および閉鎖位置を有する複数リーフを含み、該リーフを通過する漏れから前記第２の放射線が得られることを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記変調器が閉鎖および開放状態の間で可動して放射線を遮断および通過させるリーフのセットであり、各リーフにおいて開放状態にある時間の割合が放射線治療計画に従いガントリー回転角度の間隔中に制御されることにより前記の第１の放射線による不完全断層撮影投影セットが作成され、前記電子計算機が前記内蔵プログラムを実行して、それぞれの角度間隔の開始後に開放状態にある時間の割合を設定し、前記の第２の放射線によるデータをそれぞれの角度間隔の開始時に収集することを特徴とする請求項４に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記変調器が放射線を通過または遮断させるように開放および閉鎖位置を有する複数のリーフを含み、リーフを開放して放射線治療計画に必要のない放射線を通過させて前記第２の放射線を得ることを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記変調器が放射線を遮断または通過させる閉鎖および開放状態の間で可動な二元作動リーフのセットであり、各リーフにおいて開放状態にある時間の割合が放射線治療計画に従いガントリー回転角度の間隔中に制御されることにより前記の第１の放射線による不完全断層撮影投影セットを作成し、前記電子計算機が前記内蔵プログラムを実行してそれぞれの角度間隔内の開放状態中の時間の割合の中心を探し、且つそれぞれの角度間隔の中心で前記の第２の放射線によるデータを収集することを特徴とする請求項６に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記変調器が放射線を変調するために操作することができる制御可能なリーフのセットを与え、前記の第２の放射線によるデータを生成するためのリーフの開放があったとき、前記電子計算機が前記内蔵プログラムを実行することによりリーフの開放パターンを最適化し、放射線治療計画を遂行することを特徴とする請求項７に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記放射線源が放射線の制御された放出を与え、且つ該放射線源を制御することにより前記第２の放射線が得られることを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記電子計算機が、
前記変調器を制御し、放射線治療計画に従って選択されたガントリーの回転角度で放射線治療計画に従って選択された前記第２の放射線を治療空間内で患者に照射して（ただし、前記の選択されたガントリーの回転角度並びに選択された放射線の照射量は断層撮影投影セットの作成に必要なガントリーの回転角度並びに放射線の照射量よりも小さい範囲である）、前記放射線検出器から前記第２の放射線による不完全断層撮影投影セットを取得し、そして
前記増幅された断層撮影投影セットと前記の第２の放射線による不完全断層撮影投影セットを組み合せる
ように内蔵プログラムをさらに実行することを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記電子計算機が、
前記変調器を制御し、治療計画に従って選択されたガントリーの回転角度で放射線治療計画に従って選択された前記第１の放射線を患者のいない前記治療空間に照射して（ただし、前記の選択されたガントリーの回転角度並びに選択された放射線の照射量は断層撮影投影セットの作成に必要なガントリーの回転角度並びに放射線の照射量よりも小さい範囲である）、前記放射線検出器から正規化した第１の放射線による不完全断層撮影投影セットを取得し、
前記第２の放射線を患者のいない前記治療空間に照射することにより前記放射線検出器から正規化した第２の放射線によるデータを取得し、
前記の第１の放射線による不完全断層撮影投影セットと前記の第２の放射線によるデータを組み合せて増幅完全断層撮影投影セットを作成する前に、前記の第１の放射線による不完全断層撮影投影セットを該正規化した第１の放射線による不完全断層撮影投影で正規化し、且つ前記の第２の放射線によるデータを該正規化した第２の放射線によるデータで正規化する
ようにさらに作動することを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
再構築のために前記放射線検出器から取得したデータが、放射線ビームが変調されていない時にのみ得られることを特徴とする請求項１１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記の第１の放射線による不完全断層撮影投影セットの取得が、前記ガントリー回転角度が変化する程、前記の第２の放射線によるデータの取得によりインタリーブされることを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記変調器が放射線を遮断および通過するための閉鎖および開放状態間で可動な作動したリーフのセットであり、各リーフにおいて開放状態にある時間の割合が放射線治療計画に従いガントリー回転角度の間隔中に制御されることにより前記の第１の放射線による不完全断層撮影投影セットを作成し、前記電子計算機が、それぞれの角度間隔開始後に開放状態にある時間の割合を設定するように前記内蔵プログラムを実行し、前記の第２の放射線によるデータをそれぞれの角度間隔の開始時に収集することを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
１つの軸に沿って向けられた放射線から形成される放射線ビームを向けさせるメガボルト放射線源、
該放射線源を保持し、該軸の角度を治療空間の回りに回転させるガントリー、
該放射線源に対向して該治療空間を横切って該ガントリー上に位置し、放射線量を受けて測定し投影データを与える放射線検出器、
前記治療空間を通る放射線束を変調する変調器、及び
電子計算機
を具備してなる組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置であって、該電子計算機が、
（ｉ）前記変調器を制御し、放射線治療計画に従って選択されたガントリーの回転角度で放射線治療計画に従って選択された第１の放射線を前記治療空間内の患者に照射して（ただし、前記の選択されたガントリーの回転角度並びに選択された放射線の照射量は断層撮影投影セットの作成に必要なガントリーの回転角度並びに放射線の照射量よりも小さい範囲である）、前記放射線検出器から前記第１の放射線による不完全断層撮影投影セットを取得し、
（ｉｉ）前記変調器を制御し、リーフを閉じて、第１の放射線よりも低い線束密度を有する第２の放射線を前記治療空間内の患者に照射して、前記放射線検出器から前記第２の放射線によるデータを取得し、
（ｉｉｉ）前記の第１の放射線による不完全断層撮影投影セットと前記の第２の放射線によるデータとを組み合せて増幅された完全断層撮影投影セットを生成し、そして
（ｉｖ）該増幅された完全断層撮影投影セットから患者の断層撮影画像を再構築する
ように内蔵プログラムを実行することを特徴とする組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
各リーフが開放状態にある時間の割合が放射線治療計画に従いガントリー回転角度の間隔中に制御されることにより前記の第１の放射線による不完全断層撮影投影セットを作成し、前記電子計算機がそれぞれの角度間隔の開始後に開放状態にある時間の割合を設定するように前記内蔵プログラムを実行し、それぞれの角度間隔の開始時に前記の第２の放射線によるデータを収集することを特徴とする請求項１５に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。
前記変調器が、閉鎖状態と開放状態の間で可動な、放射線を遮断および通過させるための二元作動リーフのセットを与え、各リーフにおいて開放状態にある時間の割合を時間間隔中に制御することができ、
前記装置がさらに、患者の断層撮影画像を再構築するために使用される、前記放射線検出器から断層撮影データを収集するために前記変調器のリーフが実質的に静止している、ウィンドウの開いている時間を測定する手段を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の組み合せの放射線治療と断層撮影画像化装置。