JP4425129B2 - 強度変調放射線治療用の逆方向治療計画法 - Google Patents

Description

本発明は、照射技術に関連する。本発明は特に、標的が設定され制御された線量分布を生じさせるために空間的に強度変調された放射線を用いた被検体の放射線治療に関連するものであり、これについて特に説明がなされる。しかしながら、本発明にはまた、画像診断法、並びに、光モデリングのための光吸収の計算等の他の放射線吸収分析といった他の用途のための放射線の制御された放出に関連する用途がある。

放射線腫瘍療法（放射線療法とも称される）は、癌の成長を抑制し、逆にし、時には除去するのにさえも使用される。癌性の腫瘍又は他の癌性の領域に、高エネルギーの光子（例えばＸ線又はガンマ線）、陽子又は中性子分子等の電離放射線が印加される。電離放射線は、細胞ＤＮＡに損傷を与え、これは照射された細胞を殺しうる。成長中の急速に増殖する癌細胞は、一般的には放射線によってより容易に損傷を受け、かかる損傷を治すのは健康な細胞の場合よりも可能でないため、通常は、癌性の組織の除去と健康な組織の生存を好む有利な生来の選択性がある。

しかしながら、照射される健康な組織は、通常は或る程度は放射線治療によってやはり損傷され、かかる放射線による損傷は、治療に非常に有害な副作用をもたらすことがあり、これは最小限とされるか回避されることが望ましい。健康な組織への損傷を減らすため、放射線治療は、一般的には、長時間に（例えば数週間）に亘って行われる一連の治療を含む。一連の治療は、治療間に損傷を受けた非癌性細胞の有益な修復を容易とする。

健康な細胞への損傷を最小限としつつ放射線治療の有益な効果である癌を殺す効果を最大限とする他のアプローチは、強度変調された放射線療法（ＩＭＲＴ）である。ＩＭＲＴ技術は、いくつかの角度又は向きで同時に又は順次に標的エリアに印加される複数の放射線ビームを用いる。空間ビーム強度プロファイルは、マルチリーフコリメータ又は他のビーム整形要素を用いて制御され、このとき、標的エリアへ放出される累積的な線量が、近傍の重要構造（critical structure）への放射線量を最小限としつつ、癌性の領域又は腫瘍を標的とする選択された放射線量プロファイルを生じさせるよう制御されるようにされる。

ＩＭＲＴ法の変形例として、断層療法（tomotherapy）がある。この方法は、ヘリカルコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）と同様の幾何学を用いる。直線電子加速器、若しくはリニアックは、ビーム開口を被検体の回りで回転させると同時に源回転の平面に対して垂直な方向に被検体を移動させる回転ガントリに取り付けられる。これは、被検体の回りのビーム開口のヘリカル軌道を生じさせる。ヘリカル軌道の周回中、ビームは、選択された放射線量プロファイルを標的エリアに与えるよう選択的に制御される。任意に、加速された電子を遮断し、標的エリアを照射する例えばＸ線又はガンマ線といった光子を発するビーム路に挿入される。

選択された放射線量プロファイルを与えるための適切な放射線療法パラメータの決定は、複雑な課題である。通常は、標的エリアの治療計画画像は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）又は他の画像診断技術を用いて取得される。ＣＴは、有利には、構造的な情報と、放射線療法放射線吸収プロファイルを決定するのに用いられる放射線減衰又は組織密度情報とをいずれも与える。ＩＭＲＴ治療計画は、最大で１万個のビームパラメータの最適化を含みうるものであり、一方で、断層療法のための治療計画は、放射線開口の連続的なヘリカル軌跡により更に複雑でありえ、約６万個のパラメータの最適化を含みうる。

本発明は、上述した限界及び他の限界を克服する改善された装置及び方法に関連する。

本発明の１つの面によれば、治療放射線量分布目的によって表わされる選択された放射線療法を被検体に投与する方法が提供される。放射線療法の投与は、その放射線出力が複数のビームレット・パラメータによって表わされる少なくとも１つの強度変調ビームの印加を含む。ビームレット・パラメータは、夫々が１つ又はそれ以上のビームレット・パラメータを含む複数のグループへと分けられる。グループに含まれるビームレット・パラメータの少なくとも一部に基づいて各グループに対してグループ重みが割り当てられる。最初のグループが選択される。治療放射線量分布目的及び最初のグループの重みに基づいて、第１の中間放射線量分布目的が計算される。ビームレット・パラメータの最初のグループは、第１の中間放射線量分布目的に対して最適化される。次のグループが選択される。治療放射線量分布目的及び次のグループの重みに基づいて、第２の中間放射線量分布目的が決定される。第２の中間放射線量分布目的に対してビームレット・パラメータの次のグループが最適化される。次のグループの選択、第２の中間目的決定、及び次のグループの最適化の段階は、全てのビームレット強度パラメータを最適化するまで繰り返される。最適化されたビームレット強度パラメータは、放射線の場の投与可能なシーケンスへ変換される。次に、投与可能なシーケンスを行うよう少なくとも１つの強度変調されたビームが印加される。

本発明の他の面によれば、放射線治療を被検体へ与える放射線治療装置が提供される。診断撮像手段は、被検体の標的エリアの診断画像を取得するよう設けられる。輪郭付け手段は、診断画像に基づいて放射線治療目的を計算するよう設けられる。放射線放出手段は、被検体へ放射線治療目的を与えるよう設けられる。放射線治療中に放射線放出手段によって生成される放射線は複数のパラメータ化されたビームレットとして表わされうる。

放射線治療装置は更に、放射線治療目的に一致するビームレット・パラメータ変換を計算する逆方向治療計画手段を含む。逆方向治療計画手段は、ビームレット・パラメータを１つ又はそれ以上のビームレット・パラメータを夫々が含む複数のグループへ分けるグループ分け手段を含む。逆方向治療計画手段はまた、各ビームレット・パラメータ・グループへ寄与重みを割り当てる重み手段を含む。逆方向治療計画手段は更に、第１のビームレット・パラメータ・グループを第１のビームレット・パラメータ・グループの寄与重みによって重み付けされる放射線治療目的に対応する第１の中間標的線量目的に対して最適化させ、また、連続的なビームレット・パラメータ・グループを放射線治療目的を少なくとも現在の最適化されているビームレット・パラメータ・グループの寄与重みによって重み付けされた放射線治療目的に対応する第２の中間標的線量目的に対して最適化する最適化手段を含む。

放射線治療装置は更に、最適化されたビームレット・パラメータを放射線放出手段の設定パラメータへ変換する変換手段を含む。

本発明の１つの利点は、選択された放射線治療目的を与えるためのパラメータの計算の速度が向上することにある。本発明の他の利点は、放射線治療計画中の計算負荷が減少されることにある。本発明の更なる他の利点は、断層療法の治療計画においてパラメータ最適化処理の複雑さをかなり減少させることにある。本発明の様々な更なる利点及び利益は、望ましい実施例の以下の説明を読むことにより当業者によって明らかとなろう。

本発明は、様々な構成要素及び構成要素の配置、並びに、様々な段階及び段階の配置の形を取りうる。図面は、望ましい実施例を示すためだけのものであり、本発明を制限するものと理解されるべきではない。

図１を参照するに、放射線療法システム１０は、放射線療法治療を計画するのに用いる診断画像を得るためのコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）撮像スキャナ１２を含む。ＣＴ撮像スキャナ１２は、回転ガントリ１６に取り付けられるＸ線源１４を含む。Ｘ線源１４は、検査領域１８を通過するＸ線のファン（扇状）ビーム又はコーン（円錐状）ビームを生じさせ、これらは、検査領域において、検査領域１８内の標的エリアを直線的に移動させる支持体２０によって支持される被検体（図示せず）の標的エリアと相互作用する。直線的な被検体の動きは、被検体に対するＸ線源１４のヘリカル軌道の周回を生じさせるよう、ガントリ１６によるＸ線源１４の回転と協働する。Ｘ線検出器アレイ２２は、Ｘ線が被検体と相互作用に被検体によって部分的に吸収される検査領域１８を通過した後に、Ｘ線を受け取るよう配置される。従って、検出されたＸ線は、被検体に関連する吸収情報を含む。

ＣＴスキャナ１２は、放射線療法によって治療されるべき被検体の選択された標的エリアの選択された撮像シーケンスを実行するようＣＴ制御器３０によって操作される。撮像シーケンスは、標的エリアの診断撮像データを取得する。診断撮像データは、撮像データメモリ３２に格納される。再構成プロセッサ３４は、取得された撮像データから画像表現を再構成し、再構成された画像表現は診断画像再構成メモリ３６に格納される。

上述した画像診断撮像サブシステムは、例示としてのみ示したものである。当業者は、ヘリカルコーンビームＣＴスキャナ１２は、任意に、シングルスライス又はマルチスライスのファンビームＣＴスキャナ、又は、他の種類のＣＴ撮像スキャナによって置き換えられ得ることを認識するであろう。更に、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）スキャナ、陽子放出断層撮影（ＰＥＴ）スキャナ、単光子放出コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）スキャナ等の他の種類の診断撮像スキャナが、ＣＴスキャナ１２を置き換えるものとなりうる。

引き続き図１を参照するに、診断撮像装置１２は、放射線療法放出サブシステム６０から離れている。望ましくは、診断撮像前に被検体に信用マーカが与えられ、診断撮像と放射線療法放出の間での位置合わせを与えるよう続く放射線療法までそのままの場所とされる。診断画像取得と放射線療法の間の空間的な位置合わせのための、例えば内在的な解剖学的なマーカといった他の方法もまた考えられる。更に、診断撮像と放射線療法の間の位置合わせ誤差を減らすよう、診断撮像スキャナを放射線療法装置と一体化することも考えられる。

引き続き図１を参照するに、密度プロファイルプロセッサ５０は、オペレータ・コンソール５２上で指定された被検体の標的エリアの中又は周りの構造の物理的な密度を計算する。標的（target）及び重要（critical）構造は、診断画像再構成のディスプレイ上に手動で配置される。或いは、密度又は他の特性に基づいて様々なエリアが自動的に決定される。物理的な密度は、被検体の中へ通過するときに放射線療法で用いられる放射線の吸収又は減衰を計算するのに用いられる。

輪郭付けプロセッサ５４は、標的、標的エリア内で放射線量が最小限とされるべき重要構造、放射線遮断構造等を含む、放射線療法のための関心領域を定義する。輪郭は、コンソール上に手動で描かれる。望ましくは、境界線は、自動的に配置された密度境界面によって電子的に厳密にされる。或いは、関心領域は、電子画像表現中で領域を互いから又は互いの組織から区別する密度又は他の特性に基づいて自動的に識別される。更なる他の選択肢として、操作者が、各領域中の１つ又は少数のシード点を指定し、密度プロファイルプロセッサ５０が、同じ密度の、又は、他の区別する特性を有する周囲のボクセルを組み込む領域を画成するよう点を成長させる。一般的には、輪郭付けプロセッサ５４は、標的エリア内の標的放射線量分布を含む放射線治療目的〔目標〕を与える。任意に、放射線治療目的には、選択された重要構造中の最大放射線量といった制約も含まれる。

例えば、８０Ｇｙの放射線量は、照射によって悪影響を受ける可能性の高い重要構造中に、この値の最大でも２０％（即ち、１６Ｇｙ）の制限と共にエリアが放射線療法を受けるよう標的が決められ得る。放射線療法目的は、任意に、源のパラメータに対する制約を含み、例えばビーム部分強度は選択された最小強度（例えばゼロ強度）と放射線源についてのビーム部分中の最大出力に対応する選択された最大強度の間で制限されうる。

引き続き図１を参照するに、放射線放出サブシステム６０は、回転ガントリ６６に取り付けられた放射線源６４を有する放射線放出装置６２を含む。ガントリ６６は、放射線源６４を回転軸６８回りに回転させる。支持体７０は、放射線源６４によって生成される強度変調された放射線ビーム７２に標的エリアが曝されるよう被検体を厳密に位置決めする。

断層療法では、被検体の回りに放射線源のヘリカル軌道の周回を生じさせるよう、ガントリ６６が放射線源６４を回転させる間、支持体７０は被検体を直線的に移動させる。光子ビームといった強度変調された放射線ビーム７２は、変化する強度及び／又は周囲を有する断面領域７４を有する。放射線ビーム７２は、ヘリカル回転中に連続的に印加されえ、又は放射線療法中に選択的にスイッチオン又はオフされうる。

適当な放射線源６４は、加速された電子ビームを生じさせる直線電子加速器又はリニアックを含む。望ましい実施例では、光子放射線療法用のＸ線又はガンマ線の光子ビーム７２を生じさせるよう、タングステン又は他の標的は加速された電子ビームによって照射される。従来技術で知られている陽子ビーム及び中性子ビームといった他の種類の放射線、又は、リニアックによって生ずる加速された電子ビームもまた、放射線療法中に被検体に印加されることが考えられる。

放射線ビーム７２の強度変調は、１つ又は他のマルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）７６を用いて適当に取得される。当業者によって知られているように、ＭＬＣは、個々に移動可能な放射線を遮断する対をなすリーフの配列を含み、全ての対が一緒になって選択可能な寸法及び形状とされる放射線開口を画成する。有利には、ＭＬＣは、単一の放射線源のための多数のアパーチャ開口を画成するように動くよう制御される。図１中、従来のリニアック装置６２を示すが、被検体の標的エリア内で交差するいくつかの放射線ビームを同時に又は連続的に印加するよう複数の非回転式、又は、ステップ・アンド・シュート式の放射線源を使用することが考えられる。また、源を患者の回りにヘリカルに軌道を周回させることにより放射線を放出する断層療法のためにいずれのシステムも使用することが考えられる。マルチビームシステムは、組み合わされたビーム強度の適切な空間変調を得るために複雑なＭＬＣを必要とする。断層療法では、空間線量変調はヘリカル回転中に空間的に且つ時間的に１つのリーフ（又はビームレット）７２を開くこと又は閉じることによって得られるため、従来のコーンビームＭＬＣの代わりに単純なバイナリファンビームＭＬＣを用いることができる。

放射線療法を以前に取得された診断画像と位置合わせするために、望ましくは信用マーカが用いられる。適当な実施例では、検出器（図示せず）は、診断撮像の前に被検体の上に配置された信用マーカを撮像するのに用いられうる低解像度ＣＴ撮像を行うよう、放射線源６４によって生成される低パワーＸ線を受け取る。任意に、例えば別個のＸ線源及び検出器アレイといった別個のＣＴスキャナが放射線放出サブシステム６０と一体化されてもよく、その場合、診断撮像は、撮像と放射線療法の間の位置合わせ誤差を減少させるよう放射線放出サブシステム６０において行われうる。

引き続き図１を参照するに、逆方向（帰納的）治療計画（Inverse planning）プロセッサ８０は、強度変調放射線ビーム７２のために最適化された放射線ビーム強度変調を計算する。放射線療法に用いられる１つ又はそれ以上のビームの強度変調を最適化させるため、ビームは、複数のビームレットへ数学的に分割され、ビームレットの強度といったパラメータは反復的に最適化される。

図２を参照するに、典型的なマルチビーム放射線放出装置について説明する。マルチビーム放射線療法では、所望の強度変調を得るために一般的には順次に多数の交差するビームが標的エリアに印加される。図２は、典型的な９ビーム放射線放出システムの放射線ビームを、ビームが均等な４０°の角度的な間隔で配置されるものとして図式的に示す。各ビームは、複数のビームレットへ数学的に分割される。例えば、１０×１０ｃｍ²のビームは、夫々が面積０．５×０．５ｃｍ²を有する４００個のビームレットへ分割されうる。９ビームシステムでは、各ビームレットの角度及び向きが一定に維持されると想定すると、３６００個のビームレット強度パラメータに対応する。

図２に示すビームは、回転するステップ・アンド・シュート・モードで動作する回転ガントリに取り付けられる１つ又はそれ以上の放射線源によって順次に生成されうる。更に、対応する３６００個のパラメータを伴う９つのビームのみが示されているが、より多くのビームが使用されてもよく、及び／又は、ビームレットの分解能が高められ、更なるパラメータを生じさせてもよい。１００００個又はそれ以上のビームレットを用いる放射線療法計画は、複雑なマルチビーム放射線療法手順において正確な計画分解能及び精度を与えることが考えられる。望ましくは、ビームは対向しないように配置され、即ち、いずれの２つのビームも１８０°の角度的な間隔では配置されない。また、図２の９つのビームは同一平面上にあるが、同一平面上にないビームを使用することも考えられる。

断層療法装置では、放射線断層療法中、少なくとも１つのビームがヘリカルに回転される。連続的に回転するビームは、ヘリカル回転中、強度変調され、時間的に強度変調されたビームは、回転するビームの小さい角度的な間隔に対応する短い持続時間の複数の仮想ビームによって示されうる。各仮想ビームは、回転するビームの時間的な強度変調を最適化するようビームレットへ分割される。本発明の放射線断層療法システムでは、放射線断層療法中に印加されるべき空間的且つ時間的に変調されたビーム強度が適切に分解され最適化されるよう、望ましくは６００００個以上のビームレット強度パラメータが最適化される。

引き続き図１を参照するに、多くのビームレット・パラメータの最適化は非常に多くの計算を必要とするため、パラメータは複数のグループ、即ちＮ個のグループ８２、８４、．．．、８６へ分割される。最適化は、累積的にグループ毎に行われる。例えば、Ｎ個のパラメータグループが等しい強度の等しい数のビームレットを含むと想定すると、第１のパラメータグループ８２は、望ましくは輪郭付けプロセッサ５４によって生成される放射線治療目的に応じて最適化されるが、第１のグループ８２のビームレットは全体の放射線の１／Ｎのみを与えることが予想されるため、１／Ｎのスケーリングファクタで重み付けされる。第２のグループ８４は次に、第１のグループ８２のビームレット（それらのパラメータはここでは一定である）によって生じたシミュレートされた放射線を現在最適化されている値を有する第２のグループ８４のビームレットによって生じたシミュレートされた放射線と組み合わせたものを用いて、放射線治療目的を（２／Ｎ）の係数でスケーリングされたものに対して最適化される。この処理は、他のＮ−１グループのパラメータ値を一定に保ちつつ、Ｎ番目のグループ８６が完全な放射線治療目的に対して最適化され（即ち、Ｎ／Ｎ＝１のスケーリングファクタでスケーリングされ）るまで続く。

或いは、各Ｎ個のグループが１／Ｎでスケーリングされ、他のグループとは独立に最適化されうる。次に、各位置におけるＮ個の強度が合計される。しかしながら、この最適化方法は、不利なことに、累積的な強度の誤差を生じさせ、これはグループを連続的に最適化させ、現在のパラメータグループの最適化において以前に最適化されたパラメータによって生ずるシミュレートされた放射線を含めることによって減らされうる。

典型的な９ビーム放射線放出システムの放射線ビームを、ビームが４０°の等しい角度的な間隔で平面上に配置された状態について示す図２を参照して、ビームレットの望ましいグループ分けについて以下詳述する。グループ毎の最適化によるビームレット・パラメータの最適化の偏りを減少させるため、ビームレットは、望ましくは各ビームはその全ての成分ビームレットが単一のグループになるよう分けられる。更に、各グループ中のビームは、望ましくは、ビームが最大に角度的に間隔が開いているよう選択される。図２に示す典型的な９ビームシステムでは、第１のグループ１はＡ、Ｄ及びＧを含み、第２のグループ２はＢ、Ｅ及びＨを含み、第３のグループ３はＣ、Ｆ及びＩを含む。各グループ中の３つのビームは、この９ビーム構成に対する各グループ中のビームの最大の角度的な分離に対応する１２０°だけ分離される。９つにビーム夫々が同じ面積を有し、等しい数のビームレットへ分けられると想定すると、各グループは、望ましくは、１／３の重み係数が割り当てられる。

図１及び図２の例では、各グループ中のビームレットの数は同じであった。いくつかのグループがより多くのビームレットを含む場合、グループの重み付けは、望ましくはそれに応じて調整される。第１のグループが２０００個のビームレットを有する一方で第２のグループ及び第３のグループが夫々１０００個のビームレットを有する３つのグループの場合、望ましい重みは、第１のグループの２０００個に対しては０．５であり、夫々が１０００個のビームレットを有する第２のグループ及び第３のグループに対しては０．２５となる。かかる状況は、放射線療法を行うために異なるエリアを有するビームが組み合わされるマルチビームシステムにおいて生じうる。

図１に戻って参照するに、逆方向治療計画プロセッサ８０は、放射線治療目的に密接に関連する放射線療法ビームの強度変調を表わす、例えば最適化されたビームレット強度といった最適化されたビームレット・パラメータを計算する。変換プロセッサ９０は、ビームレット強度を、例えば放射線放出装置６２のＭＬＣ７６に対する選択された時間的に変化する設定といった、放射線放出サブシステム６０に対する制御パラメータへ変換する。放射線放出装置制御器９２は、選択された放射線療法を与えるために、放射線放出サブシステム６０を制御する。

図３を参照し、被検体に対して放射線療法を行なう方法１００について説明する。診断画像は、ステップ１０４において、ＣＴ、ＰＥＴ、又は他の撮像態様１２を用いて取得される。放射線減衰プロファイルは、ステップ１０８において診断画像に基づいて密度プロファイルプロセッサ５０によって計算される。放射線減衰プロファイルは、放射線療法で用いられる放射線の種類に対応する。光子に基づく放射線療法及びＣＴ診断撮像法について、減衰係数は、ＣＴスキャンのためのＸ線及び放射線療法の光子に対して略同様であり、これは光子放射線療法のために減衰プロファイルを推定するうえで補正係数等の使用を最小限とする。

医用撮像に用いられる放射線が、放射線療法に用いられる放射線とは吸収性質がかなり異なる場合、適切な変換パラメータが用いられることが望ましい。人間である被検体（被検者）に対する適当な減衰変換では、骨、脂肪、及び他の組織の種類に対する減衰係数は、各構造の組織の種類の識別に基づいて診断画像中で識別された解剖学的構造に割り当てられる。

放射線療法のための１つ又は複数の標的構造は、ステップ１１２において輪郭付けプロセッサ５４によって、標的エリア内の放射線への被曝が最小限とされるべき全ての重要構造に沿って輪郭が描かれる。適当な実施例では、輪郭を描くこと１１２は、診断撮像段階１０４から生じたインタラクティブな画像又は画像レンダリングを介したコンソール５２におけるユーザ入力を含む。任意に、輪郭を描くこと１１２は、放射線プロファイルを計算する段階１０８と統合され、なぜならば各輪郭が描かれたエリアの組織の種類は、都合よく輪郭を付けている間に識別され、対応する減衰係数が割り当てられるからである。

放射線治療目的は、ステップ１１６において、操作者によって、又はルックアップテーブルを参照して指定される。一般的には、治療目的は、各標的構造中の標的放射線量及び各標的構造のための最適な限界（最小及び／又は最大線量）を含む。治療目的はまた、重要構造中の限界を含み、これは一般的には、１つ又は複数の重要構造を過剰な放射線被曝から保護する最大の線量の限界である。治療目的はまた、例えば放射線源が生成することが可能な強度レベル範囲に対応するビームの強度出力に対する限界を含みうる。

放射線療法放出技術、並びに、関連するビーム及びビーム配置は、ステップ１２０において、ユーザにより、放射線療法の種類、及び、使用されるべき放射線放出装置６０の種類に基づいて選択される。図２に概略的に示されるようなマルチビーム放射線放出システムでは、ビーム選択は、離散放射線源に、又はステップ・アンド・シュート放射線療法シーケンス中の複数のビーム位置に対応する。断層療法では、連続的にヘリカルに回転するビームは、ヘリカルに回転するビームの小さい角度の間隔に対応する短い持続時間の複数の静止したビームによって近似される。

ビームレット・パラメータは、ステップ１２４において定義される。各ビームは、ビクセル（bixel）とも称される複数のビームレットへ分割され、これらの強度はビームの強度変調を表わす。例えば、１０×１０ｃｍ²ビームは、１０×１０ｃｍ²ビームの断面積を網羅する４００個の０．５×０．５ｃｍ²ビームレットへ分割されうる。典型的には、ビームレット・パラメータは、各ビームレットの強度を含む。しかしながら、ビームレット印加時間、ビームレット角度等の他のビームレット・パラメータもまた考えられる。

上述のように、ビームレット・パラメータの数は、一般的には数千個乃至数万個である。ビームレット・パラメータの最適化の計算的な効率を改善するため、ビームレット・パラメータは、ステップ１２８において複数のグループへグループ分けされる。望ましくは、各ビームに対するビームレット・パラメータは単一のグループに含まれ、各グループ内のビームは望ましくは最大に角度的に分離される。

ビームレット・パラメータは、ステップ１３２においてグループ毎に最適化される。最適化されたビームレットは、ステップ１３６において放出可能なフィールドのシーケンスへ変換される。この変換は、１つ又はそれ以上のＭＬＣに対するリーフ対アパーチャ設定を選択すること、スリットコリメータ開口を選択すること等を含みうる。放射線断層療法では、変換は、ＭＬＣ設定又はスリット開口の時間的な変化を、回転するビームの角度的な間隔を表わす仮想ビームに基づいて計算することを含む。放射線放出装置は、放射線療法を行うため、投与可能なフィールドのシーケンスを実行する。

図４を参照するに、グループ毎にビームレット・パラメータを最適化するステップ１３２を実行するのに適した方法について説明する。ステップ１５０において、各グループに寄与重みが割り当てられる。各グループが等しい数のビームレットを含む均一グループ分けでは、寄与重みは一般的に１／Ｎ（但し、Ｎはグループの数）である。

均一でないグループ分けでは、寄与重みは、望ましくはグループ中のビームレットの数をビームレット・パラメータの総数で割った比率（均一なグループ分けでは１／Ｎと約分される）として割り当てられる。例えば、５００００個のビームレットが１６０００個、１４０００個、及び２００００個のビームレットの３つのグループへとグループ分けされた場合、各グループの重みは、１６０００／５００００＝０．３２、１４０００／５００００＝０．２８、及び２００００／５００００＝０．４として選択される。均一なグループ分け又は均一でないグループ分けのいずれについても、全てのグループの重みの合計は１となることが認められる。

グループは、ステップ１５４において、現在のグループとして第１のグループを選択することにから始めて、反復的に処理される。中間放射線量分布目的は、ステップ１５８において、放射線治療目的を第１のグループの重みで重み付けしたものとして選択される。第１のグループは、ステップ１６２において中間放射線量分布目的に対して最適化される。反復的な最小平方最小化は、ステップ１６２において、以下の式のようなフィギュア・オブ・メリット（figure of merit）を用いて適用され、

但し、添え字ｉは被検体の関心領域の全てのボクセルを網羅し、Ｄ_iは現在の反復のビームレット・パラメータを用いて計算されたｉ番目のボクセルにおけるシミュレートされた線量であり、Ｄ_objは中間放射線量分布目的のｉ番目のボクセルの放射線量である。しかしながら、当業者は、最小平方フィギュア・オブ・メリットは、例示的なものにすぎず、その代わりに他の適当なフィギュア・オブ・メリットが置き換えられ得ることを認識するであろう。

最小平方最適化は、シミュレートされた線量Ｄ_iを関心領域において目的線量Ｄ_objに最適に近くするようフィギュア・オブ・メリットを最小化する準ニュートン勾配に基づく反復的な最適化方法を用いて行われる。しかしながら、当業者は、準ニュートン勾配に基づく方法は例示的なものにすぎず、その代わりに他の適当なパラメータ最適化方法が置き換えられ得ることを認識するであろう。

決定段階１６６は、最適化されるべき更なるグループがあることを認識し、ステップ１７０において他のグループが現在のグループとして選択される。ステップ１５８は、新しい中間放射線量分布目的を、放射線治療線量目的を現在のグループ及び全ての以前に最適化されたグループの結合された重みによって重み付けたものとして計算する。このことは、ステップ１７０において選択された現在のグループの重みによって中間放射線量分布目的を増加又はスケールアップさせることとなることが認識されよう。

ステップ１６２は、現在のグループのパラメータのみを増加された中間放射線量分布目的に対して最適化する。式（１）のフィギュア・オブ・メリットは依然として使用されるが、シミュレートされた線量Ｄ_iは以前に最適化されたグループ（即ちステップ１５４において選択された第１のグループ）のビームレットの寄与をステップ１７０において選択された現在最適化されたグループのビームレットの寄与と結合させることを含む。しかしながら、準ニュートン勾配に基づく反復的な最適化方法は、ステップ１７０において選択された現在のグループのパラメータを最適化するだけである。ステップ１５４において選択された第１のグループといった以前に最適化されたグループのビームレット・パラメータは最適化されず、なぜならば以前の反復で最適化されているためである。

決定段階１６６及びグループ選択段階１７０は、グループを通じて反復し、毎回、新しい現在のグループの重みに従ってステップ１５８を通じて中間放射線量分布目的を増加させ、現在のグループのビームレット及び以前に最適化されたグループのビームレットの両方からのシミュレートされた線量Ｄ_iに対する寄与を含む式（１）のフィギュア・オブ・メリットに対してステップ１６２において現在のグループのビームレット・パラメータのみを最適化する。

決定段階１６６が（Ｎ−１）番目のグループに達すると、選択段階１７０は最適化のために最後の（Ｎ番目の）グループを選択する。この最後のループ反復では、ステップ１５８は、通常の方法で、全ての以前に最適化されたグループに現在のグループを足したものの結合された重みで重み付けされたものとして放射線治療目的を計算する。この最後の（Ｎ番目の）反復では、しかしながら、計算された重みは１に等しく、なぜならば、ステップ１５０においてグループは全ての重みの和が１となるよう重み付けられるからである。従って、最後の反復では、中間放射線量分布目的は放射線治療目的と等しくなる。最後のグループは、ステップ１６２において放射線治療目的に対して最適化され、シミュレートされた放射線量は全てのグループ中の全てのビームレットからの寄与を含むが、通常通り、準ニュートン勾配に基づく反復的な最適化方法は、現在の、即ち最後の（Ｎ番目の）グループのビームレット・パラメータのみを最適化する。

いったんこの最後の反復がステップ１６２において最後の（Ｎ番目の）グループのビームレット・パラメータを最適化させると、決定段階１６６は、最適化されるべき更なるグループはないこと、また、全てのグループ中のビームレット・パラメータは最適化されたビームレット・パラメータ１７４に集合的に対応することを認識する。

本発明の実施例による典型的な放射線療法装置を概略的に示す図である。 ９ビーム放射線療法投与システムをビームの強度変調の逆方向治療計画のための３つのグループへまとめた典型的なグループ分けを示す図である。 本発明の１つの実施例による選択された放射線療法を行う方法を示す図である。 グループ毎にビームレット・パラメータ最適化を行う適切な方法を示す図である。

Claims (19)

1. 治療放射線量分布目標によって表わされる選択された放射線療法を被検体に投与するための放射線を発生させるために放射線治療装置によって実行される方法であって、前記放射線療法の投与は、その放射線出力が複数のビームレット・パラメータによって表わされる少なくとも１つの強度変調ビームの印加を含み、
   前記方法は、
   （ａ）前記ビームレット・パラメータを、夫々が１つ又はそれ以上のビームレット・パラメータを含む複数のグループへと分ける段階と、
   （ｂ）前記グループに含まれる前記ビームレット・パラメータの少なくとも一部に基づいて各グループに対してグループ重みを割り当てる段階と、
   （ｃ）最初のグループを選択する段階と、
   （ｄ）前記治療放射線量分布目標及び前記最初のグループの重みに基づいて、第１の中間放射線量分布目標を計算する段階と、
   （ｅ）前記ビームレット・パラメータの最初のグループを前記第１の中間放射線量分布目標に対して最適化する段階と、
   （ｆ）次のグループを選択する段階と、
   （ｇ）少なくとも前記治療放射線量分布目標及び前記次のグループの重みに基づいて、第２の中間放射線量分布目標を決定する段階と、
   （ｈ）前記第２の中間放射線量分布目標に対して前記ビームレット・パラメータの次のグループを最適化する段階と、
   （ｉ）ビームレット強度パラメータの全てのグループを最適化するよう前記段階（ｆ）乃至（ｈ）を繰り返す段階と、
   （ｊ）前記最適化されたビームレット強度パラメータを前記放射線治療装置のパラメータに変換する段階と、
   （ｋ）前記放射線治療装置の前記パラメータに従って少なくとも１つの強度変調されたビームを発生させる段階とを含む方法。
2. 前記少なくとも１つの強度変調されたビームは、少なくとも２つのビームの向きを含み、前記分ける段階（ａ）は、
   前記ビームレット・パラメータを、各ビームの向きに関連付けられるビームレット・パラメータが単一のグループに含まれるよう、複数のグループへ分けることを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記分ける段階（ａ）は、
   各ビームの向きに関連付けられる前記ビームレット・パラメータを、各グループ中の前記ビームが最大に空間的に離されるよう、単一のグループへ分けることを更に含む、請求項２記載の方法。
4. 前記第１の中間放射線量分布目標を計算する段階（ｄ）は、
   前記中間放射線量分布目標を、前記治療放射線量分布目標を前記最初のグループの重みで乗算したもので初期化することを含む、請求項１乃至３のうちいずれか一項記載の方法。
5. 前記第２の中間放射線量分布目標を決定する段階（ｇ）は、
   前記第１の中間放射線量分布目標を、前記治療放射線量分布目標を前記次のグループの重みで乗算したものだけ増加させることを含む、請求項４記載の方法。
6. 前記グループ重みを割り当てる段階（ｂ）は、
   グループ重みを、前記グループに含まれるビームレット・パラメータの数を全てのグループ中のビームレット・パラメータの総数で割り算したものとして割り当てることを含む、請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の方法。
7. 前記ビームレット・パラメータの最初のグループを最適化する段階（ｅ）は、
   前記ビームレット・パラメータの最初のグループに基づきシミュレートされた放射線量分布を計算すること、及び、
   前記シミュレートされた放射線量分布が前記第１の中間放射線量分布目標に略一致するよう前記ビームレット・パラメータの最初のグループを反復的に最適化することを含む、請求項１乃至６のうちいずれか一項記載の方法。
8. 前記ビームレット・パラメータの次のグループを最適化する段階（ｈ）は、
   ビームレット・パラメータの以前に最適化されたグループに基づいて第１のシミュレートされた放射線量分布を計算すること、
   前記ビームレット・パラメータの次のグループに基づいて第２のシミュレートされた放射線量分布を計算すること、
   全体のシミュレートされた放射線量分布を得るよう前記第１のシミュレートされた放射線量分布及び前記第２のシミュレートされた放射線量分布を組み合わせること、及び、
   前記全体のシミュレートされた放射線量分布が前記第２の中間放射線量分布目標に略一致するよう、ビームレット・パラメータの次のグループを反復的に最適化することを含む、請求項１乃至７のうちいずれか一項記載の方法。
9. 前記最適化する段階（ｅ）及び（ｈ）は、
   前記最適化を、前記被検体の選択された部分に対する放射線量制限によって制約することを含む、請求項１乃至８のうちいずれか一項記載の方法。
10. 前記最適化されたビームレット強度パラメータを前記放射線治療装置のパラメータに変換する段階（ｊ）は、前記コリメータ出力が前記最適化されたビームレット・パラメータを表わすよう、前記放射線治療装置のマルチリーフ・コリメータのパラメータを計算することを含む、請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の方法。
11. 少なくとも１つの強度変調されたビームを発生させる段階（ｋ）は、
    複数の強度変調されたビームを略同時に発生させること、
    前記放射線治療装置の放射線源が前記被検体のまわりを回転するにつれて、強度変調されたビームを連続的に発生させること、及び、
    前記放射線治療装置の放射線源が前記被検体のまわりで一連の角度的な向きを通じて動くにつれて、強度変調されたビームを順次的な放射線パルスとして発生させること、
    のうちの１つを含む、請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の方法。
12. 前記ビームレット・パラメータは、
    前記少なくとも１つの強度変調されたビームを表わすよう前記ビームレットが組み合わされるビームレット強度を含む、請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載の方法。
13. 放射線治療を被検体へ与える放射線治療装置であって、
    前記被検体の標的エリアの診断画像を取得する診断撮像手段と、
    前記診断画像に基づいて放射線治療目標を計算する輪郭付け手段と、
    前記被検体へ前記放射線治療目標を与える放射線放出手段であって、前記放射線治療中に前記放射線放出手段によって生成される放射線は複数のパラメータ化されたビームレットとして表わされる、放射線放出手段と、
    前記放射線治療目標に一致するビームレット・パラメータ変換を計算する逆方向治療計画手段とを含み、前記逆方向治療計画手段は、
    前記ビームレット・パラメータを１つ又はそれ以上のビームレット・パラメータを夫々が含む複数のグループへ分けるグループ分け手段と、
    各ビームレット・パラメータ・グループへ寄与重みを割り当てる重み付け手段と、
    第１のビームレット・パラメータ・グループを、前記第１のビームレット・パラメータ・グループの寄与重みによって重み付けされた前記放射線治療目標に対応する第１の中間標的線量目標に対して最適化し、また、相続くビームレット・パラメータ・グループを、少なくとも現在の最適化されているビームレット・パラメータ・グループの寄与重みによって重み付けされた前記放射線治療目標に対応する第２の中間標的線量目標に対して最適化する、最適化手段と、
    前記最適化されたビームレット・パラメータを前記放射線放出手段の設定パラメータへ変換する変換手段とを含む、放射線治療装置。
14. 前記診断撮像手段は、
    回転ガントリに取り付けられたＸ線源と、前記Ｘ線源によって生成される放射線を受信よう配置されるＸ線受信器アレイとを含む、コンピュータ断層撮影スキャナを含む、請求項１３記載の放射線治療装置。
15. 前記放射線放出手段は、
    放射線源であって、前記放射線源を前記被検体の標的エリアのまわりに回転させる回転ガントリに取り付けられ、前記複数のパラメータ化されたビームレットは選択された時間間隔に亘って前記回転放射線源によって生じた放射線を表わす、放射線源と、
    前記被検体の標的エリアのまわりに間隔を置いた選択されたビームの向きでビームを生じさせる１つ又はそれ以上の放射線源であって、前記複数のパラメータ化されたビームレットは前記１つ又はそれ以上の放射線源によって生じた放射線を表す、１つ又はそれ以上の放射線源と、
    のうちの一方を含む、請求項１３又は１４記載の放射線治療装置。
16. 前記放射線放出手段は、前記被検体をヘリカル軌道で周回する放射線アパーチャから放射線のビームを前記被検体へ放出する断層療法装置を含む、請求項１３乃至１５のうちいずれか一項記載の放射線治療装置。
17. 前記放射線放出手段は、Ｘ線、ガンマ放射線、陽子放射線、及び中性子放射線のうちの１つを放出する、請求項１３乃至１６のうちいずれか一項記載の放射線治療装置。
18. 前記放射線放出手段は、強度変調された放射線ビームを生成するマルチリーフ・コリメータを含む、請求項１３乃至１７のうちいずれか一項記載の放射線治療装置。
19. 前記最適化手段は、
    以前に最適化された及び現在最適化されているビームレット・パラメータ・グループの放射線分布をシミュレートするシミュレーション手段と、
    前記シミュレートされた放射線分布を、前記放射線治療目標を前記以前に最適化された及び現在最適化されているビームレット・パラメータ・グループの結合された寄与重みによって重み付けしたものに対応する前記第２の中間標的線量目標と比較する比較手段と、
    前記以前に最適化されたビームレット・パラメータ・グループについてのパラメータ値を不変のままに維持しつつ前記現在最適化されているビームレット・パラメータ・グループについての改善されたパラメータ値を推定する補正手段と、
    前記現在最適化されているビームレット・パラメータ・グループを反復的に最適化するよう前記計算手段、比較手段、及び補正手段を反復的に呼び出すループ手段を含む、請求項１３乃至１８のうちいずれか一項記載の放射線治療装置。

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