JP6588975B2 - 逆方向放射線治療計画用のシステム及びコンピュータプログラム製品 - Google Patents
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Description
・複数の個別線量ショットを放出するために構成された1つの放射線源と、
・少なくとも1つのデータバスシステムと、
・前記データバスシステムに結合された1つの一時記憶装置と、
・前記データバスシステムに結合された1つの処理装置とを有する逆方向放射線治療計画システムであって、
それぞれの個別線量ショットが、1つの標的領域の内側及び/又は外側の予め決定された位置及び入射角と1つの大きさと1つの形とを有し、
前記一時記憶装置が、コンピュータ使用可能プログラムコードを有し、
前記処理装置は、
・一組の個別線量ショットを事前演算し、
・1つ又は複数の制約に基づいて、1つの重みを1つずつの線量ショットに関連付けるために、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行するように構成されている逆方向放射線治療計画システムによって解決される。
・前記放射線源用の物理的な第1支持部材、例えばガントリーと、
・患者を受け取るために配置された物理的な第2支持部材、例えば寝椅子とを有する。前記物理的な第1支持部材と前記物理的な第2支持部材とは、互いに相対移動されるように配置されている。好ましくは、
・前記1つ又は複数の制約を満たすように、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために、前記物理的な第1支持部材が、前記物理的な第2支持部材に対して移動される期間ごとに、及び/又は、前記物理的な第2支持部材が、前記物理的な第1支持部材に対して移動される期間ごとに、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する。
好適な実施の形態では、前記制約が、希望する線量分布による標的領域の一部の全体を少なくとも網羅することから成る。さらに、複数の制約が、標的体積の外側の線量分布を変更し、所定の組織に対する最大線量を制限するために追加されてもよい。希望であれば、複数の制約が、標的体積内の線量分布を規定するために追加されてもよい。
・彼/彼女は、希望する線量分布の実現の技術的観点に集中する必要がないが、彼/彼女はどの線量を監視したいかを検討するだけで済む。
・ターゲットの適切な照射と、その他の臓器の適切な保護とを保証するため、インタラクティブな計画ツールが、線量分布の形をリアルタイムに決定し変更することを彼/彼女に可能にする。
・計画が、直観的で、速く、したがってコスト効率が良い。
・ユーザが、最大治療期間のようなさらなる制約の問題に容易に追加し得る。例えば、システムが、希望する線量分布に可能な限り近い最良に可能な計画を提供する一方で、時間割り当て内に収める。
個別線量ショットを放出するために構成された放射線源を有する逆方向放射線治療計画システム用のコンピュータ使用可能プログラムコードを含むタンジブルなコンピュータ使用可能媒体を有するコンピュータプログラム製品であって、1つずつの線量ショットが、1つの標的領域の内側及び/又は外側の予め設定されている1つの位置と1つの大きさと1つの形とを有し、
・一組の個別線量ショットを事前演算し、
・1つ又は複数の制約に基づいて、1つの重みを1つずつの個別線量ショットに関連付けるために、前記コンピュータ使用可能プログラムコードが使用される当該コンピュータプログラム製品において、
・前記1つ又は複数の制約を満たすように、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する当該コンピュータプログラム製品にも関する。
逆方向治療計画方法によって作成された提案内容を記憶するコンピュータデータキャリアであって、以下の:
・1つずつの個別線量ショットが、1つの放射線源によって生成され、1つのターゲット領域の内側及び/又は外側の予め設定されている1つの位置及び入射角と1つの大きさと1つの形とを有する一組の個別線量ショットを事前演算するステップと、
・1つ又は複数の制約に基づいて、1つの重みを1つずつの個別線量ショットに関連付けるステップとを有する当該コンピュータデータキャリアにおいて、
・前記1つ又は複数の制約を満たすように、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために、前記処理装置が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する当該コンピュータデータキャリアにも関する。
・少なくとも1つのデータバスシステム102と、
・データバスシステム102に結合された、コンピュータ使用可能プログラムコードを有する一次記憶装置106と、
・データバスシステム102に結合された処理装置104とを備えている。
・可能な線量ショットの位置、大きさ及び形のリスト(又はセット)から構成されるディクショナリを事前演算し(ステップ10)、
・標的領域内の希望する線量と、例えば非常に高い線量照射から保護されるべき領域上の、潜在的な追加の制約とをユーザによって決定し(ステップ20)、
・当該計画を決定するために、すなわちこれらのショットのうちのどの程度のショットが、どの重みによって実際に使用されるかを見つけ出すために、凸問題(convex problem)を解いて(ステップ30,40及び50)、処理装置104が、当該コンピュータ使用可能プログラムコードを実行するように構成されている。
f=As
として定義され得る次元Pのベクトルfによって表され得る。
fi=ajs
、すなわちディクショナリAのi番目の行とベクトルsとの内積として表され得る。したがって、当該最適化計画は、以下の凸問題:
従来において、放射線治療計画は、以下のように分解され得る:
a.腫瘍医が、癌の診断を下し、適切な治療形態、特に放射線治療を選択する。ここでの例は、当該診断が、外部照射療法の必要を示す前立腺癌の例であると仮定する。
b.患者が、CTスキャン又は他の医療画像形成手続きを受ける。標的体積の断層画像が、計画システムに転送される。
c.放射線腫瘍医が、腫瘍へ放出されるべき標的線量を決定し、隣接している危険な臓器及び組織内に課され得る線量に対する上限値と、当該治療を実現するために必要とされる複数のフラクション(fraction:分割、断片)の個数とを設定する。
d.放射線物理学者又は放射線腫瘍医が、標的の輪郭と、危険な状態にある隣接している臓器の輪郭とを描く。ほとんどの場合、彼は、保護体積の外側であるが、当該標的のすぐ隣を画定する輪郭もトレースする。図3は、前立腺201と保護体積205と危険な状態にある臓器である直腸215及び膀胱225に対して決定された複数の輪郭を示す骨盤の横断面を図示する。図4は、複数の断層スライスに基づく複数の輪郭の3次元復元を示す。このタスクは、専用の幾つかのソフトウェア及び断層解剖アトラスを使用することによって実行されてもよい。
e.放射線物理学者が、ステップcで決定された臨床標的及び限界線量に基づいて最適化問題に対する境界条件を決定する。
f.通常、当該放射線物理学者が、この段階で、複数の放射ビームの個数及び方向を決定するか、又は回転型強度変調アーク(VMAT)療法の場合には複数の放射線アークの個数及び方向を決定する。この選択は、多くの場合に経験及び実践に基づき、したがってオペレータに左右される。いずれにしても、当該オペレータは、その労力を彼又は彼女が処理できる減少された解空間に限定しようとする。複数のビームの個数と境界条件とを決定すると、当該オペレータが、それぞれのビームのフルエンス(fluence)マップと、マルチブレードコリメータの絞りのパラメータと決定するために逆方向計画プログラムを適用する。この段階では、当該アルゴリズムは、その実行時間を許容限界値内に維持するために、放射線相互作用の単純化モデルに基づき、一般的にはペンシルビームアルゴリズムである。例えそうであっても、当該計算時間は、1つの計画のシミュレーションに対して一般に数分又は数十分である。場合によっては、より速い処理時間が、当該複数のビームの個数及び角度を変更することなしに先の解から出発して達成され得る。それにもかかわらず、この段階は、時間を非常に浪費する。こうして得られた線量分布が、図5a〜5cに示されている。
g.当該放射線物理学者が、臨床標的に適合する計画を得ると、彼は、当該線量分布の精度を向上させ、当該計画を確認するためにモンテカルロシミュレーションを多くの場合に実行する。
h.シーケンサーソフトウェアが、当該フルエンスマップを当該マルチブレードコリメータ内の複数のブレードを位置決めするためのプログラムに翻訳する。このことは、これらのブレードの個数及び厚さ、これらのブレードの最大翻訳速度、これらのブレードの伝達係数、等のような幾つかのパラメータを考慮に入れることを必要とする。
i.当該計画は、水ファントム(phantom)中の実効線量を測定することを含む品質制御ステップでさらに検査されてもよい。
j.それから、効果的な治療が実行され得る。
20 ユーザ入力ステップ(制約)
30 スパース性ステップ
40 関連付けステップ
50 最適化ステップ
100 システム
102 データバスシステム
104 処理装置
106 一時記憶装置
108 持続記憶装置
110 通信装置
112 入出力装置
114 表示装置
116 プログラムコード
118 コンピュータ可読媒体
Claims (22)
- ・複数の個別線量ショット(aj)を放出するために構成された1つの放射線源と、
・少なくとも1つのデータバスシステム(102)と、
・前記データバスシステム(102)に結合された1つの一時記憶装置(106)と、
・前記データバスシステム(102)に結合された1つの処理装置(104)とを有する線形加速器用の逆方向放射線治療計画システムであって、
それぞれの個別線量ショットが、1つの標的領域の内側及び/又は外側の予め決定された位置及び入射角と1つの大きさと1つの形とを有し、
前記一時記憶装置(106)が、コンピュータ使用可能プログラムコードを有し、
前記処理装置(104)は、
・一組の個別線量ショット(aj)を事前演算し(10)、
・複数の個別線量ショットを得るため、1つ又は複数の制約に基づいて(20)、1つの重み(sj)を1つずつの線量ショット(aj)に関連付けて(40)、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行するように構成されている当該システムにおいて、
・前記1つ又は複数の制約を満たすように(20)、重み付けされた非零の前記複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために(30)、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行することを特徴とするシステム。 - それぞれの個別線量ショット(aj)に関連付けられた前記重み(sj)が、照射時間から成る請求項1に記載のシステム。
- それぞれの個別線量ショット(aj)に関連付けられた前記重み(sj)が、線量率から成る請求項1に記載のシステム。
- それぞれの個別線量ショット(aj)に関連付けられた前記重み(sj)が、線量分布から成る請求項1に記載のシステム。
- ・前記放射線源用の物理的な第1支持部材と、
・患者を受け取るために配置された物理的な第2支持部材とを有するシステムにおいて、 前記物理的な第1支持部材と前記物理的な第2支持部材とは、互いに相対移動されるように配置されていて、
・前記1つ又は複数の制約を満たすように(20)、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために(30)、前記物理的な第1支持部材が、前記物理的な第2支持部材に対して移動される期間ごとに、及び/又は、前記物理的な第2支持部材が、前記物理的な第1支持部材に対して移動される期間ごとに、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項1〜4のいずれか1項に記載のシステム。 - ・前記1つ又は複数の制約を満たすように(20)、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために(30)、患者及び/又は臓器及び/又は患者の臓器の一部が移動する期間ごとに、及び/又は、患者及び/又は臓器及び/又は患者の臓器の一部が、その形を変更し、及び/又はその大きさを変更する期間ごとに、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項1〜5のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記システムは、治療中に照射標的を捕捉し、当該標的領域の幾何学構造及び/又は形及び/又は位置及び/又は大きさを検出し、標的の配置を適切に更新するためのセンサに接続可能であり、
・当該変更時に前記1つ又は複数の制約を満たすように(20)、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を、当該更新された標的の配置に基づいて見つけ出すために(30)、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項1〜5のいずれか1項に記載のシステム。 - ・前記1つ又は複数の制約を満たすように(20)、複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために(30)、所定の瞬間時の患者における実際の線量分布が、計画された線量分布と違う期間ごとに、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項1〜5のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記処理装置(104)は、前記1つ又は複数の制約(20)を満たす複数の非零の重みの最小個数を見つけ出すために前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項1〜7のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記複数の非零の重み(sj)の個数は、事前演算された複数の個別線量ショット(aj)の個数の少なくとも1/100である請求項1〜7のいずれか1項に記載のシステム。
- ・複数の個別線量ショットの最適な1つの部分集合を得るように、前記制約を満たす一方で(20)、複数の重みのベクトルの重み付けされた1つのL1ノルムを最小にするために、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項1〜9のいずれか1項に記載のシステム。
- ・複数の個別線量ショットの最適な1つの部分集合を得るように、前記制約を満たす一方で(20)、複数の重みのベクトルの重み付けされた1つのL2ノルムを最小にするために、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載のシステム。
- ・1つの3次元グリッド(G)の1つの位置にある1つずつの個別線量ショット(aj)の位置を特定するために、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項1〜11のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記処理装置(104)は、前記コンピュータ使用可能プログラムコードをリアルタイムに実行するように構成されている請求項1〜12のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記制約(20)は、前記標的領域(T)、及び/又は高すぎる線量放射に対して保護されるべき損傷を受けやすい組織(R)のようなその他の領域の双方に適用される線量制約を含む請求項1〜13のいずれか1項に記載のシステム。
- ・複数の個別線量ショット(aj)の前記一組の事前演算中に患者の頭部の局部解剖の物理的特性を考慮するように、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行するように構成されている請求項1〜14のいずれか1項に記載のシステム。
- ・凸最適化基準を適用するために(50)、前記処理装置(104)が、前記コンピュータ使用可能プログラムコードを実行する請求項1〜15のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記最適化基準(50)は、治療時間を最小にすることから成る請求項17に記載のシステム。
- 前記放射線源は、線形加速器である請求項1〜18のいずれか1項に記載のシステム。
- 前記放射線源は、コバルト源又は陽子源である請求項1〜18のいずれか1項に記載のシステム。
- 個別線量ショット(aj)を放出するために構成された放射線源を有する逆方向放射線治療計画システム用のコンピュータ使用可能プログラムコードを含むタンジブルなコンピュータ使用可能媒体を有するコンピュータプログラム製品であって、1つずつの線量ショットが、1つの標的領域の内側及び/又は外側の予め設定されている1つの位置と1つの大きさと1つの形とを有し、
一組の個別線量ショット(aj)を事前演算し(10)、
1つ又は複数の制約に基づいて(20)、1つの重み(sj)を1つずつの個別線量ショット(aj)に関連付けるために、コンピュータ使用可能プログラムコードが使用されるコンピュータプログラム製品において、
複数の個別線量ショットを得るため、1つ又は複数の制約を満たすように(20)、重み付けされた非零の複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために(30)、処理装置(104)が、コンピュータ使用可能プログラムコードを実行することを特徴とするコンピュータプログラム製品。 - 逆方向放射線治療計画方法によって作成された提案内容を備えるコンピュータ使用可能プログラムコードを記憶するコンピュータ可読媒体であって、
1つずつの個別線量ショットが、1つの放射線源によって生成され、1つの標的領域の内側及び/又は外側の予め設定されている1つの位置及び入射角と1つの大きさと1つの形とを有する一組の個別線量ショット(aj)を事前演算するステップ(10)と、
複数の個別線量ショットを得るため、1つ又は複数の制約に基づいて(20)、1つの重み(sj)を1つずつの個別線量ショット(aj)に関連付けるステップと
を備えるコンピュータ使用可能プログラムコードにおいて、
1つ又は複数の制約を満たすように(20)、重み付けされた非零の複数の個別線量ショットの最もスパースな部分集合を見つけ出すために(30)、処理装置(104)に、コンピュータ使用可能プログラムコードを実行させることを特徴とするコンピュータ可読媒体。
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