JP2002263208A - 放射線治療計画装置及び放射線治療計画方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射線の照射条件の最適化計算において、不
適切な入力がなされた制約条件を容易に見出すことがで
きる放射線治療計画装置を提供する。 【解決手段】 関心領域に放射線を照射するための放射
線のビームウェイトベクトルを決定する放射線治療計画
装置において、評価関数の最適化計算中における評価項
の値の経時変化を表示する表示手段を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放射線治療方法を
計画する放射線治療計画装置及び放射線治療計画方法に
関し、特に、放射線の照射条件の最適解を計算する手段
を有する放射線治療計画装置及び放射線治療計画方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は、Bortfeldらが、"Methods of im
age reconstruction from projections applied to con
formation radiotherapy" (Physics in Medicine and B
iology, 35, 1423 (1990))において提案した、放射線治
療計画装置における放射線照射の最適化条件を計算する
ためのフローチャートである。ここで放射線には、α
線、β線等のみならず、Ｘ線や核反応で放出される粒子
線等も含むものとする。

【０００３】かかる計算工程では、工程Ｓ１０１におい
て、放射線の照射条件の初期解、即ち、放射線の線量分
布が定義される。線量分布の定義法にはさまざまな方法
があるが、ここではDICOM-RT形式に準拠した方法で、放
射線が照射される関心領域のＸ線ＣＴの投影再構成法を
用いて定義される。なお、関心領域とは、放射線を照射
する領域をいい、例えば腫瘍部やその周りにある注意臓
器（正常な臓器であって、放射線に弱い臓器）が該当す
る。

【０００４】次に、工程Ｓ１０２において、初期解に対
する制約条件が、放射線科医が与える処方箋に基づき、
関心領域の線量分布に対して入力される。即ち、腫瘍部
に必要な量の放射線を照射するとともに、注意臓器の被
曝量が少なくなるような制約を加える。

【０００５】次に、工程Ｓ１０３において、この制約条
件の妥当性を判断するための評価関数が設定される。評
価関数としては、例えば以下の式１が用いられる。

【０００６】 （式１） ただし、Ａ、Ｂ、Ｒ、Ｓは、対角要素が１又は０である
対角行列であり、（Ｄｘ−ｐ１）などの各ベクトル要素
が制約条件を満たすときには対応要素位置を０とし、満
たさないときには対応要素位置を１とする。また、Ｄｘ
は評価点ベクトルｘに対する放射線の吸収線量分布ベク
トル、ｐ１、ｐ２、ｕ、ｃは線量分布に関する制約条
件、ｒ_１〜ｒ_４は制約ウェイトを示す。

【０００７】式１の右辺において、第１項は腫瘍内の最
小線量に関する制限、第２項は腫瘍内の最大線量に関す
る制限、第３項は注意臓器（放射線に弱い正常臓器）の
最大線量に関する制限、第４項は注意臓器の所定値以上
の線量を受ける体積率に関する制限を表す。

【０００８】次に、工程Ｓ１０４において、最適な放射
線照射となるように、反復計算法を用いて、照射される
放射線のビームウェイト（ビームウェイトベクトル）の
最適解が決定される。即ち、最適な放射線の照射条件
は、与えられた放射線の入射角の照射野における放射線
ビーム強度の変調パターンとして、ビームウェイトベク
トルで表される。かかる反復計算法としては、例えば準
ニュートン法が用いられる。準ニュートン法では、以下
の式２を用いて反復計算を行い、最適なビームウェイト
ベクトルｘが求められる。

【０００９】 （式２） ここで、 である。

【００１０】なお、反復される計算工程において、ビー
ムウェイトベクトルｘの各要素のうち、負の値となるも
のは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。

【００１１】最適なビームウェイトベクトルを求めるた
めの反復計算は、一般には１０〜２０回程度の反復で収
束する。図５は、評価関数の収束状況を示すグラフであ
り、横軸が計算の反復回数、縦軸が評価関数の値であ
る。図５において、（ａ）で示される反復計算では、評
価関数が０に収束しているが、（ｂ）で示される反復計
算では、評価関数が０に収束しない。従って、（ｂ）で
は、不適切な制約条件が入力されたことがわかる。

【００１２】次に、工程Ｓ１０５において、工程Ｓ１０
４で求められた最適解が、放射線の照射条件としてビー
ムウェイトベクトルの形で出力される。

【００１３】続いて、実際に放射線を患者に照射する前
に、放射線治療計画装置で求めた最適解に基づいて放射
線を照射した場合の、患者の放射線吸収線量分布が計算
される。そして、放射線科医が、かかる放射線吸収線量
分布が妥当であると判断した場合には、放射線照射装置
により、かかる条件を用いて患者に放射線が照射され
る。

【００１４】一方、放射線科医が、かかる放射線吸収線
量分布が妥当でないと判断した場合には、工程Ｓ１０２
に戻って新しい制約条件を設定し、再度、Ｓ１０３から
Ｓ１０５の工程を行い、新たな最適解が求められる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】関心領域や注意領域ご
とに与えられる処方箋のいずれか１の処方箋の内容が不
適切で、これに基づいて入力された制約条件が不適切な
場合に、計算工程で求めた最適解が妥当な値とならない
ことが知られている。しかしながら、従来の放射線治療
計画装置では、図５に示すように、最適化計算中の評価
関数の計算値（例えば、反復されるそれぞれの計算工程
の終了時における値）は出力されていたが、評価項ごと
又は関心領域ごとにはかかる計算値が表示されず、全体
の評価関数の値として表示されているだけであった。こ
のため、例えば、評価関数の収束状況が図５の（ｂ）の
ような場合でも、不適切な条件入力がどの関心領域の処
方箋に起因するものであるかが判断ができず、複数の制
約条件を、順次、試行錯誤的に修正して、不適切な制約
条件を見出すしかなかった。

【００１６】そこで、本発明は、放射線の照射条件の最
適化計算において、不適切な入力がなされた制約条件を
容易に見出すことができる放射線治療計画装置を提供す
ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、関心領域に放
射線を照射するための該放射線のビームウェイトベクト
ルを決定する放射線治療計画装置であって、該関心領域
に照射される該放射線の線量分布を定義する手段と、該
関心領域の処方箋に基づいて、該線量分布に対する制約
条件を入力して、該関心領域についての評価項を設定す
る手段と、該評価項から評価関数を設定する手段と、該
評価関数の最適化計算を行い、該評価関数が最適となる
ように該ビームウェイトベクトルを決定する手段とを含
み、更に、上記評価関数の最適化計算中における該評価
項の値の経時変化を表示する表示手段を含むことを特徴
とする放射線治療計画装置である。このように、評価関
数の評価項毎に計算中の値を表示することにより、不適
切な制約条件が設定された評価項を容易に判別し、これ
を修正することができる。

【００１８】また、本発明は、更に、上記評価項の値の
経時変化に基づいて、上記制約条件を修正する手段を含
むことを特徴とする放射線治療計画装置でもある。

【００１９】一の上記関心領域が複数の上記評価項を有
し、上記評価関数が該評価項の和として設定されるもの
であっても良い。

【００２０】上記表示手段は、上記関心領域毎に求めら
れた該関心領域が有する上記評価項の和の値の経時変化
を表示する手段であっても良い。関心領域が複数の評価
項を有する場合には、かかる評価項の和の値を経時変化
として表示することにより、グラフに表示される情報量
を減らしてグラフを視覚的に見やすくできる。

【００２１】また、本発明は、更に、上記評価項の和の
値の経時変化に基づいて、上記制約条件の内容を修正す
る手段を含むことを特徴とする放射線治療計画装置でも
ある。

【００２２】更に、上記評価関数の最適化計算中におけ
る該評価関数の値の経時変化を表示する手段を含むこと
が好ましい。評価関数全体の値を表示することにより、
最適化計算中の評価関数全体の収束状況を監視すること
ができる。

【００２３】上記評価項の値、又は上記評価項の和の値
に基づいて、内容の修正が必要な上記制約条件を特定
し、該制約条件の内容を自動的に修正する自動修正手段
を含むことが好ましい。

【００２４】また、本発明は、関心領域に放射線を照射
するための該放射線のビームウェイトベクトルを決定す
る放射線治療計画方法であって、該関心領域に照射され
る該放射線の線量分布を定義する工程と、該関心領域の
処方箋に基づいて、該線量分布に対する制約条件を入力
して、該関心領域についての評価項を設定する工程と、
該評価項から評価関数を設定する工程と、該評価関数の
最適化計算を行い、該評価関数が最適となるように該ビ
ームウェイトベクトルを決定する工程とを含み、更に、
該評価関数の最適化計算中における該評価項の値の経時
変化から、内容の修正が必要な該制約条件を特定し、該
制約条件の内容を修正する修正工程を含むことを特徴と
する放射線治療計画方法でもある。このように、評価関
数の評価項毎に計算中の値を表示して、かかる表示に基
づいて不適切な制約条件が設定された評価項を判別し、
これを修正することにより、容易にかつ経験の少ない者
でも適切な放射線のビームウェイトベクトルを決定する
ことができる。

【００２５】一の上記関心領域が複数の上記評価項を有
し、上記評価関数が該評価項の和として設定され、上記
修正工程が、上記関心領域が有する複数の上記評価項の
和の値の経時変化から、内容の修正が必要な上記制約条
件を特定し、該制約条件の内容を修正する工程であるこ
とが好ましい。

【００２６】上記修正工程は、上記制約条件の内容を自
動的に修正する自動修正工程であることが好ましい。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施の形態にか
かる放射線治療計画装置で行なわれる放射線照射の最適
化条件を計算するためのフローチャートである。かかる
最適化条件の計算方法は、評価項、又は関心領域ごとに
まとめられた評価項の、最適化計算中の値を表示する工
程（工程Ｓ５）、その結果によりどの評価項または関心
領域ごとにまとめられた評価項に関する制約条件を修正
するかを判断する工程（工程Ｓ６）を有する点で、図５
に示した従来の工程とは異なっている。

【００２８】ここで、評価項とは、例えば式１の右辺
の、足し算演算子で結合された４つの各項を意味する。
ただし、実際には、Σ記号でさらに関心領域ごとの総和
が取られているので、評価項の数はさらに多くなる。ま
た、関心領域ごとにまとめられた評価項とは、同一の関
心領域（腫瘍又は注意臓器）についての評価項を意味
し、例えば、式１では、腫瘍に関する評価項である第１
項と第２項とをいう。

【００２９】以下に、図１のフローチャートについて簡
単に説明する。まず、工程Ｓ１において、DICOM-RT形式
に準拠した方法で、放射線が照射される関心領域のＸ線
ＣＴの投影再構成法を用いて、放射線の照射条件の初期
解、即ち、関心領域（特に腫瘍）に放射線を照射するた
めの放射線の線量分布が定義される。

【００３０】次に、工程Ｓ２において、初期解に対する
制約条件が、放射線科医が与える処方箋に基づき、工程
Ｓ１で求めた線量分布に入力される。即ち、腫瘍部に必
要な量の放射線を照射するとともに、その周りの注意臓
器の被曝量が少なくなるように、それぞれの関心領域
（上記式１の右辺のそれぞれの項目）に対する線量分布
に対して制約が加えられる。

【００３１】次に、工程Ｓ３において、この制約条件の
妥当性を判断するための評価関数が設定される。評価関
数としては、上記式１が用いられる。

【００３２】次に、工程Ｓ４において、最適な放射線照
射となるように、反復計算法を用いて、照射される放射
線のビームウェイト（ビームウエイトベクトル）の最適
解が、例えば準ニュートン法を用いて計算される。計算
方法は、上述のBortfeldらが用いている計算方法に従
う。

【００３３】次に、工程Ｓ５において、最適化計算中に
おける評価関数の値が、評価項毎に表示される。図２
は、評価関数の値を評価項毎に示すグラフであり、横軸
が最適化計算の反復回数、縦軸が評価関数の値である。
図中、１０は腫瘍の最小線量にかかる評価項（式１の右
辺第１項）、１２は腫瘍の最大線量にかかる評価項（同
第２項）、１４は第１の注意臓器の最大線量にかかる評
価項（同第３項）、１６は第１の注意臓器の所定値以上
の線量を受ける体積率にかかる評価項（同第４項）を示
す。なお、第２、第３の腫瘍や注意領域がある場合に
は、必要に応じてこれらの評価項の値も表示される。

【００３４】また、関心領域が非常に多い場合は、評価
項ごとに値を表示したのでは、グラフが非常に見にくく
なる。このため、関心領域ごとに、別のグラフとして表
示しても良い。あるいは、１の関心領域に関する複数の
評価項の値をまとめて（例えば合計して）、表示しても
良い。

【００３５】次に、工程Ｓ６で、放射線科医等は、工程
Ｓ５で示されたグラフ（図２）を見て、制約条件の修正
が必要か否かを判断する。特に、修正が必要な場合に
は、式１の評価関数を構成する評価項のうち、どの評価
項に対する制約条件を修正すべきかを判断する。図２の
グラフでは、１０で示される評価項の値が０に近づか
ず、最適化計算上の問題となっていることがわかる。ま
た、１２で示される評価項にも、問題があることがわか
る。従って、図２の結果から、式１の第１項（腫瘍の最
大線量に関する制約）、第２項（腫瘍の最小線量に関す
る制約）の制約条件が妥当でないことがわかる。評価関
数の値が、１０や１２で示されるような曲線になる場合
は、処方箋の内容そのものに物理的に無理がある場合が
多い。また、条件設定を行う者が経験不足のため、不適
当な制約条件を誤って入力してしまう場合もある。

【００３６】工程Ｓ６で、所定の評価項の制約条件が不
適切で、修正が必要と判断された場合、再度、工程Ｓ２
に戻ってその評価項の制約条件を変更する。

【００３７】続いて、工程Ｓ３〜Ｓ５を繰り返して、再
度、最適化計算の反復回数と評価関数の値との関係を表
示する。図４は、修正後の関係を表したグラフである。
図４から明らかなように、１０、１２、１４、１６のい
ずれの評価項の評価関数の値も０近傍に収束しており、
変更後の評価項の制約条件が適当であることがわかる。

【００３８】工程Ｓ６において、変更した制約条件が妥
当であると判断した場合、工程Ｓ７に進み、最適化計算
で得られたビームウェイトベクトルｘの最適解が出力さ
れる。なお、制約条件がまだ不適切と判断される場合に
は、再度、工程Ｓ２に戻って制約条件を変更して工程Ｓ
３〜Ｓ６を繰り返す。

【００３９】かかるビームウェイトベクトルｘの最適解
の値は、放射線治療装置に入力され、かかる最適解に基
づいて放射線が関心領域に照射されて患者の治療が行わ
れる。なお、放射線治療計画装置は、放射線治療装置と
一体の装置としてもかまわない。

【００４０】なお、図５に示すような、最適化計算の反
復回数と評価関数全体の値の関係を、図２に示すグラフ
と同一のグラフ上、あるいは別のグラフ上で、併せて表
示することが好ましい。評価関数全体の値を表示するこ
とにより、最適化計算中の評価関数全体の収束状況が監
視することができるからである。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
にかかる放射線治療計画装置では、評価項毎、又は夫々
の関心領域の評価項毎に最適化計算中の評価関数の値を
表示するため、不適切な制約条件が設定された評価項を
容易に識別し、これを修正することができる。

【００４２】このため、放射線照射に用いる最適なビー
ムウエイトベクトルｘを、迅速に求めることが可能とな
る。

【００４３】また、経験の浅い者でも、不適切な条件設
定が行なわれた評価項を容易に発見して修正することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態にかかる放射線治療計画
方法のフローチャートである。

【図２】 本発明の実施の形態にかかる最適化計算の反
復回数と評価関数の値の関係である。

【図３】 本発明の実施の形態にかかる最適化計算の反
復回数と評価関数の値の関係である。

【図４】 従来の放射線治療計画方法のフローチャート
である。

【図５】 従来の最適化計算の反復回数と評価関数の値
の関係である。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 関心領域に放射線を照射するための該放
   射線のビームウェイトベクトルを決定する放射線治療計
   画装置であって、 該関心領域に照射される該放射線の線量分布を定義する
   手段と、 該関心領域の処方箋に基づいて、該線量分布に対する制
   約条件を入力して、該関心領域についての評価項を設定
   する手段と、 該評価項から評価関数を設定する手段と、 該評価関数の最適化計算を行い、該評価関数が最適とな
   るように該ビームウェイトベクトルを決定する手段とを
   含み、 更に、上記評価関数の最適化計算中における該評価項の
   値の経時変化を表示する表示手段を含むことを特徴とす
   る放射線治療計画装置。
2. 【請求項２】 更に、上記評価項の値の経時変化に基づ
   いて、上記制約条件を修正する手段を含むことを特徴と
   する請求項１に記載の放射線治療計画装置。
3. 【請求項３】 一の上記関心領域が複数の上記評価項を
   有し、上記評価関数が該評価項の和として設定されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の放射線治療計画装置。
4. 【請求項４】 上記表示手段が、上記関心領域毎に求め
   られた該関心領域が有する上記評価項の和の値の経時変
   化を表示する手段であることを特徴とする請求項３に記
   載の放射線治療計画装置。
5. 【請求項５】 更に、上記評価項の和の値の経時変化に
   基づいて、上記制約条件の内容を修正する手段を含むこ
   とを特徴とする請求項４に記載の放射線治療計画装置。
6. 【請求項６】 更に、上記評価関数の最適化計算中にお
   ける該評価関数の値の経時変化を表示する手段を含むこ
   とを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の放射線
   治療計画装置。
7. 【請求項７】 上記評価項の値、又は上記評価項の和の
   値に基づいて、内容の修正が必要な上記制約条件を特定
   し、該制約条件の内容を自動的に修正する自動修正手段
   を含むことを特徴とする請求項１又は４に記載の放射線
   治療計画装置。
8. 【請求項８】 関心領域に放射線を照射するための該放
   射線のビームウェイトベクトルを決定する放射線治療計
   画方法であって、 該関心領域に照射される該放射線の線量分布を定義する
   工程と、 該関心領域の処方箋に基づいて、該線量分布に対する制
   約条件を入力して、該関心領域についての評価項を設定
   する工程と、 該評価項から評価関数を設定する工程と、 該評価関数の最適化計算を行い、該評価関数が最適とな
   るように該ビームウェイトベクトルを決定する工程とを
   含み、 更に、該評価関数の最適化計算中における該評価項の値
   の経時変化から、内容の修正が必要な該制約条件を特定
   し、該制約条件の内容を修正する修正工程を含むことを
   特徴とする放射線治療計画方法。
9. 【請求項９】 一の上記関心領域が複数の上記評価項を
   有し、上記評価関数が該評価項の和として設定され、 上記修正工程が、上記関心領域が有する複数の上記評価
   項の和の値の経時変化から、内容の修正が必要な上記制
   約条件を特定し、該制約条件の内容を修正する工程であ
   ることを特徴とする請求項８に記載の放射線治療計画方
   法。
10. 【請求項１０】 上記修正工程が、上記制約条件の内容
    を自動的に修正する自動修正工程であることを特徴とす
    る請求項７又は８に記載の放射線治療計画方法。