JP5472987B2 - 組織内光線力学的光線治療パラメータを制御し、且つ、調整するためのシステム及び方法 - Google Patents
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Description
a)治療のための少なくとも1つの治療光線放出源を提供するステップであって、前記治療光線放出源が組織部位内に組織内的に挿入されるように適合され、前記治療光線放出源がその光線線量を制御するための手段を有するステップと、
b)少なくとも1つの決定光線放出源を提供するステップであって、前記決定光線放出源が組織部位内に組織内的に挿入されるように適合され、且つ、組織状態又は感作体パラメータを決定するように適合されたステップと、
c)組織状態又は感作体に関連する少なくとも1つのパラメータを直接又は間接的に決定するステップと、
d)測定されたパラメータから光線線量分布を計算し、且つ、前記パラメータから光線引渡し条件の修正を計算するステップと、
e)前記パラメータのうちの少なくとも1つが所定のレベルに到達するまで前記決定ステップ(c)及び計算ステップ(d)を繰り返すステップと、その後、
f)前記光線力学的治療を少なくとも部分的に終了するステップと
が含まれている。
以下は、PDTの異なるパラメータを直接又は間接的に測定するために使用することができる測定方法を記述したいくつかの実施例を示したものである。測定されたパラメータを使用して、PDT治療の間、ターゲット組織の状態が決定される。また、これらのパラメータは、場合によっては、光線力学的光線治療の間、治療パラメータをモニタし、且つ、調整するための計算方法における入力データとして有用である。これらの測定方法は、本明細書において説明されている方法に限定されない。本発明による計算方法の実施形態における入力データとして有用なパラメータを提供するために適した他の適切な任意の測定方法を実施することができる。
酸素ルミネセンスのための適切な任意の技法を使用して、光線力学的治療における局部酸素濃度を決定することができる。
組織中の感作体濃度を測定するための適切な任意の技法を使用することができる。感作体濃度は、蛍光分光学技法を使用して測定することができる。好ましい方法は、たとえば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、本出願の出願人と同じ所有者の米国特許第7037325号に記載されているように、治療部位の近くに配置された一組の光ファイバを使用することである。
適切な任意の光学的方法を使用することができる。好ましい方法は、米国特許第7037325号に開示されているように、治療部位の近くに配置された一組の光ファイバを使用することである。
適切な任意の光学的方法を使用して、光線力学的治療における組織の温度を決定することができる。光線力学的治療は、光熱治療と組み合わせることができる。治療すべき組織の温度は、たとえば米国特許第7037325号に記載されているように、たとえば、治療のために使用されるPDTシステムのファイバと同じファイバを使用してモニタすることができる。
たとえば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている、本出願の出願人と同じ所有者のスウェーデン特許SE 503408に、本発明の実施形態を実施するためには場合によっては有用であるシステムが記載されている。
PDT治療パラメータを決定する目的は、所定の特定の光線線量を腫瘍中の個々のポイントに確実に引き渡すことである。組織の状態は、上で示したようにPDT治療中に変化する。したがって、フルエンス率分布も同じくPDTターゲット組織即ち腫瘍の個々のポイントで変化することになる。したがって、ターゲット線量を確実に到達させるためには、PDT治療パラメータを調整しなければならない。実施形態では、これは、放出される光パワーを調整するか、総光放出時間を調整するか、或いはその両方を調整することによって実施される。
にすぎない。したがって、ターゲット組織は、最初のターゲットDtより少ない線量で治療されることになる。したがって、総線量がDtに等しくなるよう、つまり曲線の下側の面積と長方形の下側の面積が同じ面積になるよう、延長治療時間teまで治療時間を延長しなければならない。
を使用して評価される組織の実効減衰係数μeffである。上式で、指標iは、検出器ファイバiからの測定値を表しており、また、riは、光源から個々の検出器ファイバまでの距離である。iは1以上の整数であり、PDTシステムに使用されているファイバの数を表しており、たとえば6本、12本、18本又はそれ以上のファイバの数を表している。さらに、Pは、ファイバIのために使用されている治療光線源の光出力パワーを表しており、また、μaは吸収係数である。したがって、μeff及び拡散方程式を使用することにより、組織内におけるフルエンス率を計算することができる。
Dj=<αj,t>
で表すことができる。上式で、
であり、ai jは、ポイントjにおけるソースiによるフルエンス率を表しており、tiは、ソースiの光線放出時間を表している。i個の光源が存在しており、iは1以上の整数である。
で表される。Jは総離散ポイント数である。閾値線量Dt j及びDs jは、個々に定義することも、或いは組織中のポイントのブロックに対して定義することもできる。不等式の系が得られるが、これはこのような系を解くための方法によって数学的に解くことができる。
PDT 光線力学的治療
Φ フルエンス率(W/m2)
Dt ターゲット線量(J/m2)
DB 周囲の健康な組織に対する閾値線量(J/m2)
t 時間(s)
ai j ポイントjにおける光源iによるフルエンス率
i 光源に対する指標
j 組織中の離散ポイントに対する指標
I 総光源数
J 総離散組織ポイント数
μeff 実効減衰係数(l/m)
μa 吸収係数(l/m)
本発明者等の実時間線量測定ソフトウェアの序文を提供すると、節Aでは、臨床治療手順並びにIPDT計装に関連するいくつかの技術的な詳細の概要が簡単に記述されている。節B、C、D及びEでは、それぞれ、三次元幾何構造を生成し、前立腺内におけるファイバ位置を計算し、光実効減衰係数を評価し、そして最後に個々のファイバの照射時間を計算するために使用される手順及びソフトウェアモジュールが記述されている。これらのソフトウェアモジュールの組合せが、いわゆる実時間線量測定モジュールを構成している。節Fでは、現実に即した前立腺幾何構造内における光線の分布を模擬するためのFEMの使用が記述されており、したがって実時間線量測定モジュールを構成しているアルゴリズムのための現実に即した試験データが提供されている。
上で言及した、最大18本の光患者ファイバを利用したIPDT装置上で実行するべく、図6にその概要が示されている線量測定ソフトウェアからなるIPDT治療600が開発された。患者ファイバは、たとえば、治療光線を引き渡すための直径400μmのベア−エンド光ファイバであってもよい。治療光線は、光感作体Temoporfinの吸収帯域のうちの1つと整合するほぼ652nmの光線であってもよい。内部光学ユニットにより、機器は、治療モード(このモードの間、すべてのファイバが治療照射を放出する)と診断測定モード(このモードではその時に1本のファイバがアクティブになり、隣接する6本のファイバが透過する光を検出する)の間を切り換えることができる。検出ユニットは、630nmと840nmの間のスペクトル間隔をカバーする6つの分光計からなっている。
幾何構造モデルは、ここでは前立腺であるターゲット器官と、危険にさらされる器官として、隣接する尿道、直腸、上部括約筋、下部括約筋及び空洞性神経束の三次元ボクセル表現である。三次元患者データセットの中で器官の位置を手動又は半自動で決定する場合、内科医は、6個ないし10個の超音波画像の中にたとえば5個ないし20個のポイントをマークし、その特定の断面に存在している異なる組織タイプの周囲に正確に線を描く。次に、これらのポイントが線形補間によって接続され、それにより接続された器官の輪郭が形成される。超音波調査から、横方向の画像が身体の上の方から下に向かって5mm毎に分割される。
最適ファイバ位置を見出すタスクは、ターゲット器官、ここでは前立腺内における光線フルエンス率の最大化として、また、治療すべきターゲット器官に隣接する、危険にさらされる器官(OAR)内における光線分布の最小化として、明確に系統立てて説明することができる。最適化アルゴリズムは、模擬アニーリングタイプアルゴリズムと同様の反復ランダム探索アルゴリズムである。最適ファイバ位置の探索は、前立腺内におけるソース位置のランダム構成を生成することによって初期化される。ベア−エンドファイバは等方性点光源としてモデル化され、ボクセルiにおけるソースによるボクセルjにおけるフルエンス率φijは、無限同次媒体中における拡散方程式に対する解析的な解によって近似される。
Pは光源効果を表しており、この例では0.15Wに設定されている。また、実効減衰係数は、
で与えられる。μa及びμs’は、それぞれ0.5cm−1及び9.7cm−1に設定された。個々のファイバは、反復毎に限られた長さだけ無作為の方向に移動された。
は正であり、この特定の領域に光線を引き渡す際の適合値に建設的に寄与している。したがって式(2)の第2の合計には、最大フルエンス率を特徴とする、OAR即ち尿道、直腸、上部括約筋、下部括約筋及び空洞性神経束内のボクセルの25%が含まれている。対応する組織重みは上の表1に示されており、それぞれ
であり、それにより危険にさらされる器官内のあらゆるフルエンス率は総合適合関数値に罰則を与えている。したがって式(2)は、前立腺内における最小フルエンス率値の最大化を探求し、且つ、ターゲット組織外の最大フルエンス率値の最小化を探求している。
における拡散と見なすことができるため、得られるファイバ位置は、この距離だけ短くなった深さ座標を使用して提供される。
治療セッションの間に測定シーケンスが実行されるため、光透過信号から組織の光学的特性を評価するために使用されるスキームは、高速で、且つ、限られた計算コストを必要とするものであることが極めて重要である。測定は、すべて、ソース−検出器分離が10mmないし25mm程度の定常状態で実施され、拡散光伝搬であることが仮定されている。したがって吸収係数と散乱係数を分離する可能性は存在していない。その代わりに、評価スキームが、前立腺の体積全体にわたって一定の縮小散乱係数が維持されることを条件として、実効減衰係数μeffの定量化を目的としている。測定シーケンスの間、個々の個別ソースファイバとその6本の隣接するファイバの間の光透過信号がモニタされる。検出ファイバの数を6本に制限することにより、探針される組織の体積がソースファイバの近くの領域に限定される。透過信号は、ソースファイバ毎に逐次モニタされ、したがって局部化され、且つ、部分的に重畳した18個のサブ幾何構造が生成される。個々のサブ幾何構造内では、組織は均質であることが仮定されており、また、ファイバ特化μeffを特徴としている。さらに、組織内的に配置されるソースファイバを等方性点光源としてモデル化することにより、拡散方程式に対するGreen解を使用してフルエンス率を記述することができる。
で定義される。
Cimmino最適化アルゴリズムを使用して放射線治療の治療を計画することができ、また、前立腺IPDT治療計画における光線ディフューザの位置、長さ及び強度を決定することができる。この実施形態では、I個の等方性点光源の個々の照射時間tiを見出すインバースプロブレムのためにBlock−Cimmino最適化アルゴリズムが利用されている。このアルゴリズムは、治療ファイバi毎の照射時間を計算するために、組織の光学的特性及び組織の幾何構造に関する情報を受け取っている。最適化条件は、ターゲット組織、つまりこの実施形態では前立腺組織に、所定の閾値線量を超える光線線量を引き渡し、且つ、ここでは尿道、直腸及び周囲の正常組織として定義されているOARへの線量を最少化するための要求事項として表すことができる。したがって最適化問題は、フルエンスの不等式の以下の系、つまり、すべての組織ボクセル内において、照射時間tが掛け合わされたフルエンス率φ
を満足するものとして、明確に系統立てて説明することができる。
上式で、Jは組織ボクセル数であり、Lj及びUjは、それぞれ、組織のタイプに特化された下位閾値線量及び上位閾値線量を表している。表3は、この実施例に使用されている閾値を示したものである。これらの閾値レベルは、臨床ワークから合理的に見出されたものである。φijは式(3)によって与えられ、個々のソースファイバは、節Dで説明した特定のμeff(i)を特徴としている。この実施例では、すべてのファイバに対して、0.15Wのファイバ出力パワーが仮定されている。他の実施形態では、他のファイバ出力を選択するか、或いは個々のファイバ毎に異なる出力パワーを選択することができる。フルエンス率分布を計算する場合、吸収係数及び縮小散乱係数が分離される。ここでは、μs’=8.7cm−2が設定され、また、μeff(i)からμa(i)が決定される。
であり、上式で
である。
実時間線量測定モジュールに現実に即した入力を提供するために、FEM(Multiphysics 3.3 R0、Comsol AB、スウェーデン、ストックホルム)を使用して、図7に示されている幾何構造720内におけるフルエンス率分布φijをモデル化することができる。ターゲット器官及び危険にさらされる器官は、正常な組織を表す組織ブロックによって囲まれている。辺長が60mmであるこの実施例の場合、このブロックは、解に影響を及ぼさない境界効果のためには十分な大きさである。フルエンス率は、定常状態拡散方程式
−▽・(D▽φij)+μaφij=S(ri) i=1,...,18 (8)
を解くことによって決定される。
で実施された。
以下の最初の2つの節は、それぞれ、ターゲット組織の光学的特性及び個々のファイバの照射時間の評価に関する結果を示したものである。それに続く節では、2つのソフトウェアモジュールが結合され、したがって、IDOSEモジュールとも呼ばれている、異なる模擬治療シナリオで試験され、且つ、検証される実時間線量測定モジュールが示されている。
前立腺内における5つの光減衰レベルに対するFEMによって模擬された光透過データが、実効減衰係数を評価するために開発されたソフトウェアモジュールのための入力として使用された。図8aは、前立腺711内における異なる吸収レベル800に対してモデル化されたデータセットから評価された個々のμeff(i)を示したものである。FEMを利用して、現実に即した前立腺幾何構造内における光透過信号に関するデータが提供された。ここでは、すべてのシミュレーションに対して、前立腺内においてμs’=8.7cm−1である。図8bでは、データは、18本のソースファイバに対して吸収レベル820毎に平均化されている。
で与えられる。
直腸に対する重要性重みを変化させた後の予測照射時間及び引き渡される光線線量を研究することにより、危険にさらされる器官(OAR)に可変感度を課す可能性が調査された。一例として、図10aは、直腸に対する重要性重みが0.01の場合に引き渡される光線線量の線量体積ヒストグラム(DVH)1000を示したものである。残りの器官に対する重みは、表3に示されている値で一定に維持された。すべての計算に対して、ターゲット組織内ではμeff(i)=3.7cm−1である。Block−Cimmino最適化アルゴリズムによって予測された照射時間及びFEMによってモデル化されたフルエンス率に基づいてすべてのDVHが計算された。ダッシュ線は、このセットの重要性重みの場合、直腸の約43%が閾値光線線量に露出されることを示すために使用されている。以下では治療分画として参照されている対応する図は、前立腺組織の場合は98%であり、このセットの重要性重みの場合、ほとんど腺全体がターゲットにされることを示している。
から、治療された、つまり閾値を超える光線線量と、未治療、つまり閾値に満たない光線線量との間の移行ゾーン即ち領域は、実効減衰係数が大きいほどより狭くなることは明らかである。したがって、無限均質媒体の前提の下では、ターゲット組織とOARの間を弁別することは、理論的にはより簡単である。この効果は、ソース距離が長い場合にとりわけ顕著であり、Cimmino最適化アルゴリズムにその影響が及んで同じく前立腺の周囲がターゲットになる。要するにμaが大きくなり、OARの過剰治療を犠牲にして前立腺のより良好なターゲッティングが得られる。
実際の治療手順の間、光透過データから実効減衰係数が評価され、個々のソースファイバの照射時間を予測するためにBlock−Cimmino最適化アルゴリズムのための入力として使用される。
Claims (22)
- 身体の組織に組織内光線力学的治療を提供するためのシステムであって、
前記組織中の光感作体物質と相互作用する治療光線を前記組織に伝達するための少なくとも1本の光ファイバであって、その遠位端領域が前記組織中に挿入される、光ファイバと、
前記光ファイバの前記遠位端領域における前記組織内光線力学的治療の少なくとも1つの光線力学的治療パラメータを評価するためのデバイスと、
前記光線力学的治療パラメータの評価に応答して前記組織内光線力学的治療の前記治療光線の特性を修正するためのデバイスと、
前記光線力学的治療パラメータのうちの1つの少なくとも1つの属性に応じて、前記治療光線の前記伝達を少なくとも一時的に制限するようになされた制御デバイスと
を備えており、
前記制御デバイスが閾値デバイスであり、前記属性が前記光線力学的治療パラメータのうちの1つの現在の値(P)に対する閾値であり、
前記閾値が、第1の閾値(th1)、第2の閾値(th2)及び第3の閾値(th3)からなり、前記第3の閾値(th3)が前記第2の閾値(th2)より小さく、前記第2の閾値(th2)が前記第1の閾値(th1)より小さく、
前記組織内光線力学的治療の間、前記第1の閾値(th1)、前記第2の閾値(th2)及び前記第3の閾値(th3)を動的に調整することができる、システム。 - 前記閾値デバイスが、前記治療光線の前記伝達を、完全に停止することなく少なくとも一時的に抑制するようになされた、請求項1に記載のシステム。
- 前記閾値デバイスが、前記治療光線の前記伝達を少なくとも一時的に停止するようになされた、請求項1に記載のシステム。
- 前記閾値デバイスが、前記光線力学的治療パラメータの実際の値と所望の値の間の差に基づくレギュレータである、請求項1〜3のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記第1の閾値(th1)、前記第2の閾値(th2)及び前記第3の閾値(th3)が、それぞれ、前記少なくとも1つの光線力学的治療パラメータのうちの1つの所望の初期値又は測定値の一部である、請求項1に記載のシステム。
- 前記閾値デバイスが、前記光線力学的治療パラメータのうちの1つの前記値(P)が前記少なくとも1つの光線力学的治療パラメータの前記1つの前記第3の閾値(th3)未満である場合、前記治療光線の前記伝達を停止するようになされた、請求項5に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの光線力学的治療パラメータの前記1つが前記組織中における前記光感作体物質の濃度である、請求項6に記載のシステム。
- 前記第3の閾値が前記組織中における前記光感作体物質の初期濃度の定義済み部分である、請求項7に記載のシステム。
- 前記閾値デバイスが、前記光線力学的治療パラメータの前記1つの前記値(P)が前記第2の閾値(th2)未満で、且つ、前記第3の閾値(th3)より大きい場合、前記治療光線の前記伝達を少なくとも一時的に制限するようになされ、また、前記閾値デバイスが、次に、前記光線力学的治療パラメータの前記1つの前記値(P)が前記第3の閾値(th3)より大きい場合、前記治療光線の非制限の伝達動作を再開するようになされた、請求項1、5及び6のいずれか一項に記載のシステム。
- 前記光線力学的治療パラメータの前記1つの前記値(P)が前記第2の閾値(th2)未満になって前記治療光線の前記伝達が少なくとも一時的に停止されるとタイマを起動するようになされ、また、前記タイマが動的に調整可能な時間値を最終的に超えると前記治療光線の前記伝達を停止するようになされたタイマデバイスを備える、請求項9に記載のシステム。
- 前記光線力学的治療パラメータが、前記組織の状態又は前記組織中の光感作体物質の状態に関するパラメータである、請求項10に記載のシステム。
- 前記光線力学的治療パラメータが前記組織の実効減衰係数であり、
前記光線力学的治療パラメータを評価するための前記デバイスが、前記治療中に、前記組織の実効減衰係数を評価するためのデバイスであり、
前記治療光線の前記特性を修正するための前記デバイスが、前記組織の前記実効減衰係数の評価に応答して前記治療光線の前記特性を修正するためのデバイスである、
請求項1又は11に記載のシステム。 - 前記組織内光線力学的治療のための少なくとも1つの治療光線放出源であって、前記少なくとも1本の光ファイバを介して前記治療光線を前記組織に提供するようになされた治療光線放出源と、
光線線量及び/又は前記治療光線放出源からの前記治療光線の照射の一時的な放出を制御するためのデバイスと
を備える、請求項11又は12に記載のシステム。 - 前記閾値デバイスが、
少なくとも1つの決定光線放出源であって、組織部位内に挿入されるように適合され、且つ、組織状態又は感作体パラメータを決定するように適合された決定光線放出源と、
測定されたパラメータから光線線量分布を計算し、且つ、前記パラメータから光線伝達条件の修正を計算するためのデバイスと
を備え、前記少なくとも1つの決定光線放出源及び光線線量分布を計算するための前記デバイスが、前記パラメータのうちの少なくとも1つが所定のレベルに到達するまで前記決定及び計算を反復し、その後、前記光線力学的治療を少なくとも部分的に終了するように動作接続され、且つ、配置された、請求項1又は13に記載のシステム。 - 前記少なくとも1つの光線力学的治療パラメータが、光線フルエンス率分布、前記組織の実効減衰係数、前記組織の酸素化、前記組織の血流、前記組織の温度又は前記組織中の感作体濃度のリストに含まれ、当該システムが、
前記少なくとも1つの光線力学的治療パラメータを測定するためのデバイス
を備える、請求項1〜14のいずれか一項に記載のシステム。 - 前記少なくとも1つの光線力学的治療パラメータが複数の前記光線力学的治療パラメータからなる、請求項13に記載のシステム。
- 光線フルエンス率分布と、前記治療のために前記治療光線放出源の治療光線がターンオンされている時間を掛け合わせた初期光パワーとから後者を計算するようになされた、光線線量分布を計算するためのデバイスを備える、請求項13又は16に記載のシステム。
- 前記光線力学的治療パラメータが前記組織の酸素化であり、
前記閾値デバイスが、前記光線力学的治療パラメータの前記1つの前記値(P)が前記第2の閾値(th2)未満であり、且つ、前記第3の閾値(th3)より大きい場合、光線治療を少なくとも一時的に中断するか或いは抑制するようになされ、
前記閾値デバイスが、次に組織酸素化が前記光線力学的治療パラメータの前記第1の閾値(th1)より大きくなると、前記光線治療を再開するようになされた、請求項1に記載のシステム。 - 前記治療中、組織の状態を決定するための計算デバイスを備え、且つ/又は
前記組織内光線力学的治療の少なくとも1つの光線力学的治療パラメータを評価するための前記デバイスが、実際の総光線線量又は測定された総光線線量が前記光ファイバの前記遠位端で前記組織に伝達されると、前記光ファイバによる前記組織内光線力学的治療を停止するようになされ、且つ/又は
前記組織と、前記組織と隣接する、堆積する光線線量の点で危険にさらされる器官との間を弁別するようになされたBlock−Cimminoアルゴリズム内における組織重要性重み付けのためのデバイスを備える、請求項1〜18のいずれか一項に記載のシステム。 - コンピュータによって処理するためのコンピュータプログラムであって、
身体の組織に組織内光線力学的治療を提供するためのシステムにおいて、被検者の光線力学的治療における光線治療を前記コンピュータに制御させ、且つ、調整させるためのコードセグメントを備え、前記システムが、前記コンピュータと、前記組織中の光感作体物質と相互作用する治療光線を前記組織に伝達するための少なくとも1本の光ファイバとを備え、前記光ファイバが、その遠位端領域が前記組織中に挿入される、コンピュータプログラムにおいて、前記コードセグメントは、
前記光ファイバの前記遠位端領域における前記組織内光線力学的治療の少なくとも1つの光線力学的治療パラメータを前記コンピュータに評価させるための第1のコードセグメントと、
前記光線力学的治療パラメータの評価に応答して前記組織内光線力学的治療の前記治療光線の特性を前記コンピュータに修正させるための第2のコードセグメントと、
前記光線力学的治療パラメータのうちの1つの少なくとも1つの属性に応じて、前記治療光線の前記伝達を少なくとも一時的に前記コンピュータに制限させるための第3のコードセグメントであって、該第3のコードセグメントが閾値化セグメントであり、前記属性が前記光線力学的治療パラメータのうちの1つの現在の値(P)に対する閾値であり、前記閾値が、第1の閾値(th1)、第2の閾値(th2)及び第3の閾値(th3)からなり、前記第3の閾値(th3)が前記第2の閾値(th2)より小さく、前記第2の閾値(th2)が前記第1の閾値(th1)より小さく、前記組織内光線力学的治療の間、前記第1の閾値(th1)、前記第2の閾値(th2)及び前記第3の閾値(th3)が動的に調整可能である、第3のコードセグメントと
を備えたコンピュータプログラム。 - コンピュータ可読媒体上に記憶された、請求項20に記載のコンピュータプログラム。
- 組織内光線力学的治療のための請求項20に記載のコンピュータプログラムを実行するように構成された医療ワークステーション。
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