JP2016512781A - 改善された表面追跡ベースの動き管理及び適応的な外部ビーム放射線治療の動的計画の方法 - Google Patents

Abstract

治療システム及び方法は、患者１６の内部ターゲットを処置する。処置計画３６が、内部ターゲットを処置するために受け取られる。処置計画３６は、事前プロシージャの計画画像１４及び事前プロシージャの追跡データ２０に基づいて内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係を含む複数の処置フラクションを有する。複数の処置フラクションのうち選択された処置フラクションの前に、ターゲットのフラクション前計画画像５０が受け取られ、患者１６の外部体表面の追跡データ２０、５２が受け取られ、内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係３８が、受け取ったフラクション前計画画像５０及び受け取った追跡データ２０、５２に基づいて更新される。治療は、処置計画３６に従って及び更新された対応関係３８を使用して、患者１６に供給される。

Description

本願は、概して、外部ビーム放射線治療（ＥＢＲＴ）に関する。本願は、表面追跡ベースの動き管理及び動的プランニングに関連して特定の用途を見出し、特にそれに関して記述される。しかしながら、本願は、更に他の使用状況にも用途を見出し、上述した用途に必ずしも制限されないことが理解されるべきである。

ＥＢＲＴは、何週間にもわたって展開される複数のフラクション（fraction、分割照射）を通じて供給されるが、通常、単一の静的処置計画に基づいて設計される。フラクション内での動き（例えば、呼吸動き、心臓動き、その他）及びフラクション間の動き（例えば、進行性放射線損傷による腫瘍収縮）を考慮することを怠ると、ターゲット（例えば、腫瘍）の不完全な線量カバレッジ、及びリスク臓器（ＯＡＲ）を含みうる周囲正常組織に対する損傷を生じさせ得る。ターゲットの完全なカバレッジを確保するために、マージンが、通常、ターゲット周辺に加えられる。これらのマージンは、通常、静的であり、ターゲットの動きレンジの全体をカバーするに十分大きい。しかしながら、マージンは、特に呼吸周期の特定のフェーズの間に、周囲正常組織に対する損傷を増大させうる。腫瘍は、フラクションの進行中に縮小することがあり、ゆえに、処置ビームが適切に調整されない場合、周囲正常組織に対する損傷を悪化させ、処置ビームの「ホットスポット」に周囲正常組織をおいやることがある。

フラクション中の及びフラクション間の動きの問題に対処するために、動的計画ターゲットボリューム（ＰＴＶ）マージン及びデリバリゲーティングが提案されている。ＰＴＶマージンは、集められたリアルタイム動きデータ及びターゲット動き予測モデルに基づいてＰＴＶ輪郭を変えることによって動的に調整される。例えば、ターゲットの経路は、線形粒子加速器（ＬＩＮＡＣ）上のマルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）のリーフの位置を変えることによって追従される。デリバリゲーティングは、処置ビームがオン又はオフにされる必要があるかを判定するために、処置デリバリの最中に取得されたターゲットの集められたリアルタイム動きデータを利用する。リアルタイム動きを定量化するアプローチは、ワイヤレス電磁（ＥＭ）トランスポンダ、オンボードイメージング（例えば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）及び超音波（ＵＳ））、体表面追跡等を含む。体表面追跡（例えば高速カメラを使用する）は、安価な及びリアルタイム動き定量化のために実現するのが容易である。しかしながら、表面動きデータを使用するために、体表面動きと内部ターゲット動きとの間の対応関係が、正確に知られている必要がある。

体表面追跡が、ターゲット動きパターンを予測するために、事前プロシージャ(pre-procedual)の４次元（４Ｄ）コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）画像からの解剖学的データと組み合わせされることが提案されている。このようにして体表面追跡を使用することにより、外部身体形状と内部ターゲット形状との間の対応関係が、呼吸周期の各フェーズごとに規定される。従って、処置デリバリ中の任意の時間に検出された特定の体表面形状が与えられる場合、内部ターゲット形状及び位置が予測されることができる。予測の正確さは、内部器官動きにおける呼吸の現れの反復性に依存する。予測は、デリバリゲーティングスキームを実現し又は動的なＰＴＶマージンを実現するために、使用されることができ、それによって、周囲正常組織及びリスク臓器の放射線曝露に対するリスクが少なくなる。

ターゲット動きパターンを予測する上述のアプローチの課題は、上述のアプローチが、放射線処置中に生じる患者特有の腫瘍形状及びサイズの変化を定量化する能力をもたないことである。腫瘍収縮は、放射線治療の間に、特に中盤から後半のフラクションの最中に、一般的に出現するものである。事実、放射線治療は、しばしば、外科的切除の前に腫瘍を縮小するために使用される。更に、処置中、ある時間にわたって、外部身体形状と内部ターゲット形状との間の相関を変える呼吸パターン中のわずかな変化がありうる。位置合わせエラーが、処置中に蓄積し、処置デリバリに関してターゲット動きの不正確な予測を生じさせる。従って、腫瘍の元のサイズ及び形状に基づいてデリバリゲーティングスキーム及び動的処置計画を設計することは、非効率的であるだけでなく、周囲正常組織に有害な線量投与をもたらす。

本願は、上述した問題及びその他を克服する新しい及び改善されたシステム及び方法を提供する。

１つの見地によれば、患者の内部ターゲットを処置する治療システムが提供される。治療システムは、内部ターゲットを処置するために処置計画を受け取るようにプログラムされる少なくとも１つのプロセッサを有する。処置計画は、事前プロシージャの計画画像及び事前プロシージャの追跡データに基づく内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係を含む複数の処置フラクションを含む。少なくとも１つのプロセッサは更に、複数の処置フラクションのうち選択された処置フラクションの前に、ターゲットのフラクション前(pre-fraction)計画画像を受け取り、患者の外部体表面の追跡データを受け取り、受け取ったフラクション前計画画像及び受け取った追跡データに基づいて内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係を更新するようにプログラムされる。少なくとも１つのプロセッサは更に、処置計画及び更新された対応関係を、治療デリバリシステムに提供するようにプログラムされ、治療デリバリシステムは、処置計画及び更新された対応関係を使用して患者に治療を供給するように構成される。

別の見地によれば、患者の内部ターゲットを処置する治療方法が提供される。内部ターゲットを処置するための処置計画が受け取られる。処置計画は、事前プロシージャの計画画像及び事前プロシージャの追跡データに基づく内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係を含む複数の処置フラクションを有する。複数の処置フラクションのうち選択された処置フラクションの前に、ターゲットのフラクション前計画画像が受け取られ、患者の外部体表面の追跡データが受け取られ、内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係が、受け取ったフラクション前計画画像及び受け取った追跡データに基づいて更新される。処置計画及び更新された対応関係は、治療デリバリシステムに提供され、かかる治療デリバリシステムは、処置計画及び更新された対応関係を使用して患者に治療を供給するように構成される。

別の見地によれば、患者の内部ターゲットを処置するための治療デリバリシステムが提供される。治療システムは、内部ターゲットを処置するための処置計画を生成するように構成される計画システムを有する。処置計画は、複数の処置フラクションを有する。治療システムは更に、複数の処置フラクションのうち選択された１又は複数の処置フラクションの各々の前に、内部ターゲットのサイズ及び形状を更新し及び更新されたターゲットサイズ及び形状の処置計画を更新するよう構成される同期モジュールを有する。計画システムは、デリバリ制御システムに、更新された処置計画を提供するように構成され、デリバリ制御システムは、更新された処置計画に従って患者に治療を供給するように構成される。

１つの利点は、ターゲット動きパターンを予測する際に腫瘍収縮に考慮することにある。

別の利点は、ターゲットを囲むリスク臓器（ＯＡＲ）を含みうる正常組織に対する低減された線量にある。

別の利点は、ターゲット及びリスク臓器の動きの改善された追跡にある。

別の利点は、低減された計画ターゲットボリューム（ＰＴＶ）マージンにある。

別の利点は、改善されたデリバリゲーティングにある。

本発明の更に別の利点は、以下の詳細な説明を読み理解することにより当業者に理解されるであろう。

本発明は、さまざまなコンポーネント及びコンポーネントの取り合わせ並びにさまざまなステップ及びステップの取り合わせを取得することができる。図面は、好適な実施形態を説明するためだけにあり、本発明を制限するものとして解釈されるべきでない。

改善された治療デリバリのために体表面追跡を使用する治療システムを示す図。 図１の治療システムのワークフローの例を示す図。 図１の治療システムのワークフローの別のより詳細な例を示す図。

図１を参照して、治療システム１０（例えば外部ビーム放射線治療（ＥＢＲＴ）システム）は、患者１６のターゲット及びターゲットを囲む患者１６の正常組織の事前プロシージャの計画画像１４を生成する事前プロシージャのイメージングシステム１２を有する。周囲正常組織は、一般に、１又は複数のリスク臓器（ＯＡＲ）を含み、ターゲットは一般に、処置される病変（例えば腫瘍）である。更に、事前プロシージャの計画画像１４は、ターゲットに隣接する患者１６の外部体表面を含みうる。例えば、ターゲットが患者１６の肺の腫瘍である場合、外部体表面は、患者１６の外部胸部表面である。

事前プロシージャの計画画像１４は一般に４次元（４Ｄ）であり、その場合、複数の時間ポイントの各々について３次元（３Ｄ）画像を含む。これは、単一の時間ポイントしか含まない３Ｄ画像と対比されることができる。複数の時間ポイントは、例えば、患者１６の動き周期のフェーズ（例えば患者の呼吸周期）に対応し、複数の動き周期を適切にスパンすることができる。事前プロシージャの計画画像１４は、任意のイメージングモダリティを使用して生成されることができるが、コンピュータトモグラフィ（ＣＴ）、ポジトロンエミッショントモグラフィ（ＰＥＴ）、磁気共鳴（ＭＲ）、シングルフォトンエミッションコンピュータトモグラフィ（ＳＰＥＣＴ）、超音波（ＵＳ）、コーンビームコンピュータトモグラフィ（ＣＢＣＴ）等の１つを使用して適切に生成される。

治療システム１０の事前プロシージャの追跡システム１８は、事前プロシージャの計画画像１４の生成中、事前プロシージャの追跡データ２０を生成するために、患者１６の外部体表面を測定し、患者１６の外部体表面は、事前プロシージャの計画画像１４に含められることができる。事前プロシージャの追跡データ２０は、事前プロシージャの計画画像１４の複数の時間ポイントにおける患者１６の外部体表面（例えば、サイズ、形状、輪郭、その他）のサンプル測定を含む。一般に、事前プロシージャの追跡システム１８は、事前プロシージャの追跡データ２０を生成するために１又は複数の高速カメラを使用する。しかしながら、事前プロシージャの追跡データ２０を生成する他のアプローチが更に企図される。

治療システム１０の計画システム２２は、事前プロシージャのイメージングシステム１２から事前プロシージャの計画画像１４（例えば４Ｄ ＣＴ画像）を受け取り、事前プロシージャの追跡システム１８から事前プロシージャの追跡データ２０（例えば患者１６の外部体表面の４Ｄ画像）を受け取る。事前プロシージャの計画画像１４及び事前プロシージャの追跡データ１８は、患者１６に関する処置計画３６及び外部体表面とターゲットとの間の対応関係３８を生成するために、セグメンテーションモジュール２４、ユーザインタフェースモジュール２６、同期モジュール２８、位置合わせモジュール３０、体表面追跡モジュール３２及び最適化モジュール３４を含む計画システム２２の複数のモジュールに与えられる。

セグメンテーションモジュール２４は、画像（例えば、事前プロシージャの計画画像１４）を受け取り、例えばターゲット及び／又はＯＡＲのような画像内の１又は複数の関心領域（ＲＯＩ）の輪郭を描写する。ＲＯＩは、一般に、画像内のＲＯＩの境界をたどる輪郭によって描写される。輪郭描写は、自動的に及び／又は手作業で実施されることができる。自動的な輪郭描写に関しては、任意の数の知られているセグメント化アルゴリズムが用いられることができる。手作業の輪郭描写に関して、セグメンテーションモジュール２４は、臨床医が、画像内の領域を手作業で輪郭描写し及び／又は画像内の領域の自動的な輪郭描写を手作業で調整することを可能にするために、ユーザインタフェースモジュール２６と協働する。

ユーザインタフェースモジュール２６は、計画システム２２のユーザ出力装置４０（例えばディスプレイ）により、ユーザインタフェースを、関連するユーザに提示する。ユーザインタフェースは、ユーザが、画像内のＲＯＩの輪郭を描写すること、画像内のＲＯＩの輪郭描写を変更すること、及び画像内のＲＯＩの輪郭描写をビューすることのうち少なくとも１つを行うことを可能にしうる。一般に、ユーザは、計画システム２２のユーザ入力装置４２（例えばコンピュータマウス）を使用して、画像上のＲＯＩの境界に沿って輪郭を描くことにより、画像のＲＯＩを輪郭描写する。更に、画像内のＲＯＩの輪郭描写は、一般に、画像上に、描写された輪郭をオーバレイすることによってビューされ、ユーザ入力装置４２を使用して描写された輪郭の大きさを変更し及び／又は再構築することによって修正される。ユーザインタフェースは、ユーザ入力装置４２を使用して、処置計画を生成し及び／又は更新するためにパラメータを入力し及び／又は規定することを可能にすることができる。

同期モジュール２８は、患者の第１の解剖学的データセット（例えば事前プロシージャのプランニング画像１４）、及び患者の第２の解剖学的データセット（例えば事前プロシージャの追跡データ２０）を受け取り、各データセットは、１又は複数の時間ポイントを含む。第１及び第２のデータセットに基づいて、同期モジュールは、患者の動き周期（例えば呼吸周期）中のフェーズに基づいて、第１のデータセットの時間ポイントを第２のデータセットの時間ポイントとアラインする（揃える）。

同期は、第１及び第２のデータセットの直接的な解析によって実施されることができる。例えば、動き周期は、第１及び第２のデータセットのフィーチャの解析（例えば画像解析）から、第１及び第２のデータセットの各々について抽出されることができる。抽出された動きサイクルは、アラインされることができ、第１及び第２のデータセットの時間ポイントをアラインするために使用されることができる。別の例として、第１及び第２のデータセットは、第１及び第２のデータセットの時間ポイントの最も妥当なアライメントを決定するために、マッチングすることができる（例えば、画像マッチングを使用する）。同期は更に、第１及び第２のデータセットのメタデータの解析によって実施されることができる。例えば、第１及び第２のデータセットにおける各々の時間ポイントは、心臓又は呼吸フェーズによって注釈を付されることができ、その場合、メタデータの心臓又は呼吸フェーズが、第１及び第２のデータセットの時間ポイントのアライメントのために使用される。別の例として、第１及び第２のデータセットの各々の時間ポイントは、タイムスタンプにより注釈を付されることができ、その場合、メタデータの時間は、第１及び第２のデータセットの時間ポイントのアライメントを実施するために使用される。同期は更に、上述のアプローチ又は同期に対する任意の他のアプローチの組み合わせによって実施されることができる。

位置合わせモジュール３０は、第１の座標フレーム内の第１の解剖学的データセット（例えば事前プロシージャの追跡データ２０）を、第２の解剖学的データセットの第２の座標フレーム（例えば事前プロシージャの計画画像１４）に合わせるように変換する。よく知られた任意の数の位置合わせアルゴリズムが、第１及び第２のデータセットによって共有される解剖学的フィーチャ又は人工的フィーチャによって用いられることができる。例えば、第１のデータセットは、第１及び第２のデータセットによって共有される解剖学的フィーチャに関して変形可能画像位置合わせ（ＤＩＲ）アルゴリズムを使用して、第２のデータセットに変形可能に位置合わせされることができる。別の例として、第１のデータセットは、患者１６に埋め込まれた、両方の第１及び第２のデータセットに共通の基準マーカを使用して、第２のデータセットに位置合わせされることができる。解剖学的フィーチャが、例えばＥＢＲＴ又は疾患進行に起因する解剖学的構造の変化により両方のデータセット上で見つけるのが困難である場合、基準のマーカは理想的である。別の例として、第１のデータセットは、第１及び第２のデータセットにおけるセグメント化された構造を使用して、第２のデータセットに位置合わせされることができる。

第１及び第２のデータセットが４Ｄである場合、位置合わせは、第１及び第２のデータセットを同期させることを含む。ある例において、これは、同期モジュール２８を使用して第１及び第２のデータセットを同期することを含む。４Ｄ位置合わせアルゴリズムが、第２の同期されたデータセットを第２の同期されたデータセットと位置合わせするために適用されることができ、又は、３Ｄ位置合わせアルゴリズムは、ペアの第１の時間ポイントに対応する第１の同期されたデータセットのデータを、ペアの第２の時間ポイントに対応する第２の同期されたデータセットのデータに位置合わせするために、アラインされた時間ポイントの各ペアについて適用されることができる。代替として、４Ｄ位置合わせアルゴリズムは、同期モジュール２８を使用して第１及び第２のデータセットを最初に同期せずに、第１のデータセットを第２のデータセットと位置合わせするために適用されることができ、それにより、第１及び第２のデータセットを同期する。例えば、４Ｄ位置合わせアルゴリズムは、第１及び第２のデータセットの時間ポイントの間で最良の空間的な合致を見つけることができる。

体表面追跡モジュール３２は、ターゲット、ターゲットを囲む正常組織、一般にターゲットに隣接する外部体表面を含む解剖学的画像（例えば事前プロシージャの計画画像１４）を受け取る。更に、体表面追跡モジュール３２は、解剖学的画像におけるターゲットの輪郭描写を受け取る。代替として、解剖学的画像内のターゲットの輪郭描写は、セグメンテーションモジュール２４を使用して決定される。更に、体表面追跡モジュール３２は、外部体表面を記述する追跡データ（例えば事前プロシージャの追跡データ２０）を受け取る。追跡データは、１）解剖学的画像の生成の間の外部体表面を記述する追跡データ；２）共通ＲＯＩ（例えばターゲット）を解剖学的画像と共有し、他の解剖学的画像と同期される、別の解剖学的画像の生成の間の外部体表面を記述する追跡データ；又は、３）外部体表面を記述する他の追跡データ、でありうる。

解剖学的画像は、一般に、例えば複数の呼吸周期のような時間期間を通じて収集される３Ｄ画像（すなわち４Ｄ画像）の収集である。解剖学的画像が４Ｄである場合、追跡データは、前記時間期間にわたって又は前記時間期間と同じ長さの別の時間期間にわたって収集されるサンプル測定の集まりである。例えば、解剖学的画像が、複数の呼吸周期にわたって収集される場合、追跡データは、解剖学的画像の複数の呼吸周期と同じである必要はない複数の呼吸周期にわたって収集される。

更に、解剖学的画像が４Ｄである場合、体表面追跡モジュール３２は、位置合わせモジュール３０を使用して、解剖学的画像を追跡データと同期させ、位置合わせする。一般に、これは、解剖学的画像及び追跡データを共通座標フレームにおくように、追跡データを解剖学的画像に位置合わせし又は解剖学的画像を追跡データに位置合わせすることによって実施される。しかしながら、他のアプローチが企図される。例えば、これは、代替として、位置合わせモジュール３０を使用して、解剖学的画像及び追跡データの両方を別の解剖学的画像又は他の追跡データに位置合わせすることによって、実施されることができる。

追跡データが解剖学的画像に対応すると、位置合わせモジュール３０が、例えば、タイムスタンプを使用して解剖学的画像及び追跡データを同期させるために使用されることができる。追跡データが、共通ＲＯＩを解剖学的画像と共有する別の解剖学的画像の生成の間、外部体表面を記述し、他の解剖学的画像と同期される場合、位置合わせモジュール３０は、解剖学的画像を他の解剖学的画像と位置合わせし又は同期させることによって、解剖学的画像を追跡データと同期させることができる。追跡データが外部体表面を記述すること以外に、追跡データについて何も知られていない場合、位置合わせモジュール３０は、任意の適切なアプローチを使用して解剖学的画像を同期させることができる。

位置合わせ及び同期の後、追跡データ内の外部体表面と解剖学的画像内のターゲット輪郭描写の間の対応関係が、体表面追跡モジュール３２によって決定される。解剖学的画像及び追跡データの時間ポイントの各々のアラインされたペアごとに、外部体表面とターゲット輪郭描写との間で対応関係が、例えば距離ベクトルを生成するために決定され、距離ベクトルの各エレメントは、一対のポイントの間の距離に対応し、１つは、輪郭描写されられたターゲットに関し、１つは、外部体表面に関する。ある例において、対応関係（例えば距離ベクトル）はすべて組み合わせられる。代替として、対応関係（例えば距離ベクトル）は、動きフェーズ（例えば、呼吸フェーズ）に基づいてグループ化され、グループ内で組み合わせられることができる。例えば、対応関係は、平均化によって組み合わせられることができる。

対応関係を決定することに加えて、体表面追跡モジュール３２は、追跡データが或る時間期間にわたって収集される場合、追跡データから動きパターン（すなわち１又は複数の動き周期）を抽出することができる。例えば、追跡データが、患者の外部胸部表面を記述し、追跡データが、或る時間期間にわたって収集されるとき、呼吸パターンが抽出されることができる。適切に、追跡データは、動きパターンを抽出する前に、まず位置合わせされ、同期される。

最適化モジュール３４は、以下を含む入力データを受け取る：１）例えばユーザインタフェースモジュール２６からの、患者の処置計画を生成するための計画パラメータ；２）例えばセグメンテーションモジュール２４からの、患者の計画画像内のターゲット及びある例では周囲ＯＡＲの輪郭描写；３）一般に患者の動きパターン（例えば、ターゲットが患者の胸部にある場合に１又は複数の呼吸周期を記述する呼吸パターン）；及び４）ターゲットに供給される線量を示す供給線量分布のような他の関連する入力。計画画像が４Ｄである場合、ターゲット及び／又はＯＡＲの輪郭描写は、ターゲット及び／又はＯＡＲの動きパターンを規定する。

受け取った入力データに基づいて、最適化モジュール３４は、計画パラメータに従うように処置計画を生成し及び／又は更新する。処置計画は、ターゲット周囲のマージン及び複数のフラクションを含む計画ターゲットボリューム（ＰＴＶ）を含むことができ、各フラクションは、ビーム方向及びビームエネルギーを特定する。代替として、処置計画は、複数のＰＴＶを含むことができ、各ＰＴＶは、ターゲット周辺の異なるマージン及び複数のフラクションを含むことができ、各フラクションは、ＰＴＶに照射するためのビーム方向及びエネルギーを特定する。複数のＰＴＶは、異なる動きフェーズ（例えばターゲットが患者の胸部にあるときの呼吸フェーズ）に適切に対応する。ある例において、ＰＴＶロケーションは固定である；他の例において、ＰＴＶロケーションは、ターゲットのロケーション及び／又は動き周期に基づいて動的である。

事前プロシージャの計画画像１４及び事前プロシージャの追跡データ２０を計画システム２２のモジュールに与え、処置計画３６及び対応関係３８を生成するために、事前プロシージャの計画画像１４は、セグメンテーションモジュール２４を使用して、事前プロシージャの計画画像１４内のターゲット及び該当する場合にＯＡＲの輪郭を描写するように、セグメント化される。最適化モジュール３４が提供される：１）ターゲット、及び該当する場合にはＯＡＲ、の輪郭描写；２）（例えばユーザインタフェースモジュール２６からの）計画パラメータ；及び３）一般に患者１４の動きパターン（例えば患者の呼吸パターン）。動きパターンは、例えば体表面追跡モジュール３２を使用して事前プロシージャの追跡データ２０から決定されることができる。これらの入力に基づいて、最適化モジュール３４が処置計画３６を生成する。

処置計画３６を生成することに加えて、外部体表面とターゲットとの間の対応関係が、体表面追跡モジュール３２を使用して決定される。事前プロシージャの計画画像１４が、事前プロシージャの追跡データ２０の外部体表面を含む場合、事前プロシージャの計画画像１４と事前プロシージャの追跡データ２０との間の位置合わせが、外部体表面の解剖学的フィーチャに基づき容易に実施されることができる。

処置計画３６の各々の処置フラクションについてスケジュールされた日及び時間に、患者１６は、治療システム１０の治療デリバリ装置４６の処置寝台４４上に配置される。処置計画３６の選択された処置フラクションについて、処置計画３６及び対応関係３８は、患者１６が処置寝台４４にある間、処置フラクションを実施する前に更新される。例えば、更新は、各々の処置フラクションについて実施されることができる。別の例として、更新は、予め決められた数の処置フラクションごとに、例えば１つのおきの処置フラクションごとに、又は例えば週１回のように予め決められた時間期間ごとに、実施されることができる。ある例において、更新は、第１の処置フラクションについて常に実施される。

処置フラクションについて更新を実施するために、フラクション前イメージングシステム４８は、患者１６のターゲット及びターゲットを囲む患者１６の正常組織のフラクション前計画画像５０を生成する。フラクション前計画画像５０は更に、事前プロシージャの計画画像１４に含まれる患者１６の外部体表面を含むことができる。フラクション前計画画像５０の次元は、事前プロシージャの計画画像１４の次元に等しい。例えば、事前プロシージャの計画画像１４が４Ｄである場合、フラクション前計画画像５０も４Ｄである。更に、フラクション前計画画像５０の時間ポイントは、事前プロシージャの画像１４の時間ポイントとアラインするように適切に取得される。例えば、事前プロシージャの画像１４の時間ポイントが、患者１６の呼吸周期のフェーズに対応する場合、フラクション前計画画像５０の時間ポイントは、患者１６の呼吸周期のフェーズに対応する。フラクション前計画画像５０は、任意のイメージングモダリティを使用して生成されることができるが、ＣＴ、ＰＥＴ、超音波、ＭＲ、ＳＰＥＣＴ、ＣＢＣＴ等の１つを使用して適切に生成される。線形粒子加速器（ＬＩＮＡＣ）又は他のＥＢＲＴシステムに位置付けられる患者と関連したその小さいサイズ及び準備展開のため、超音波が特に有利である。

ある例において、フラクション前(pre-fraction)の追跡データ５２は、フラクション前計画画像５０の生成の間、治療システム１０のデリバリ追跡システム５４によって生成される。フラクション前追跡データ５２は、フラクション前計画画像５０の時間ポイントにおける外部体表面のサンプル測定を含む。デリバリ追跡システム５４は、一般に、１又は複数の高速カメラを使用して患者１６の外部体表面を測定する。しかしながら、追跡データを生成する他のアプローチが企図される。

計画システム２２は、フラクション前イメージングシステム４８からフラクション前計画画像５０（例えば４Ｄ超音波画像）を受け取るとともに、ある例では、デリバリ追跡システム５４からフラクション前追跡データ５２（例えば患者１６の体表面の４Ｄ画像）を受け取る。ターゲット及び該当する場合にはＯＡＲが、セグメンテーションモジュール２４を使用して、フラクション前計画画像５０において輪郭描写される。

セグメント化を迅速に処理するために、フラクション前計画画像５０内の輪郭描写は、事前プロシージャの計画画像１４内の輪郭描写に基づくことができる。例えば、フラクション前計画画像５０は、位置合わせモジュール３０を使用して、事前プロシージャの計画画像１４に位置合わせされ、又はその逆が行われる。これは、事前プロシージャの計画画像１４内の輪郭描写が、フラクション前計画画像５０の座標フレームに合わせて変えられることを可能にし、又はその逆も同様である。別の例として、事前プロシージャの計画画像１４内の輪郭描写が、処置計画３６の第１の処置フラクションのフラクション前計画画像の座標フレームに変換される。その後、処置計画３６の次の処置フラクションのフラクション前計画画像は、変換された輪郭描写を使用するために、第１の処置フラクションのフラクション前計画画像の座標フレームに変換される。

フラクション前計画画像５０をセグメント化した後、最適化モジュール３４が供給される：１）フラクション前計画画像５０内のターゲット及び該当する場合にはＯＡＲの輪郭描写；２）計画パラメータ；及び３）一般に患者１４の動きパターン。動きパターンは、フラクション前追跡データ５２又は他の外部データに基づくことができる。これらの入力に基づいて、最適化モジュール３４は、処置ビーム方向の１又は複数、１又は複数のＰＴＶ、及び処置計画３６の他のパラメータを最適化し直すことによって、処置計画３６を更新する。

処置計画３６を更新することに加えて、外部体表面とターゲットとの間の対応関係が、体表面追跡モジュール３２を使用して更新される。更新は、フラクション前計画画像５０、及び一般にフラクション前追跡データ５２又は事前プロシージャの追跡データ２０を使用する。更新は、フラクション前計画画像５０を事前プロシージャの追跡データ２０と位置合わせし、同期させることを含む。事前プロシージャの追跡データ２０が使用される場合、フラクション前計画画像５０と事前プロシージャの追跡データ２０との位置合わせ及び同期は、事前プロシージャの計画データ１４と事前プロシージャの追跡データ２０との間で知られている同期を使用することができる。

例えば、フラクション前計画画像５０は、位置合わせモジュール３０を使用して、事前プロシージャの計画画像１４に位置合わせされ、又はその逆が行われる。これは、フラクション前計画画像５０及び事前プロシージャの計画画像１４を同期させ、その場合、事前プロシージャの追跡データ２０とフラクション前追跡データ５０との間の同期が更に決定されることができる。ある実施形態において、フラクション前及び事前プロシージャの画像１４、５０のセグメント化が、位置合わせを実施するために使用されることができる。別の例として、事前プロシージャの追跡データ２０及び第１の処置フラクションのフラクション前計画画像との間の同期が、上述したように決定される。その後、処置計画３６の次の処置フラクションのフラクション前計画画像は、第１の処置フラクションのフラクション前計画画像と同期され、それによって、事前プロシージャの追跡データ２０と次の処置フラクションのフラクション前追跡データとの間の同期が更に決定されることができる。

治療デリバリ装置４６（例えばＬＩＮＡＣ）は、例えばアブレーション治療のような治療を患者１４に供給する。治療は、一般に、例えば１又は複数のＸ線、プロトン、高密度焦点式超音波（ＨＩＦＵ）等の放射線を含む。治療デリバリ装置４６は、処置計画３６及び対応関係３８に従って治療システム１０のデリバリ制御システム５６によって制御される。

治療デリバリの間、デリバリ制御システム５６は、デリバリ追跡システム５４から、リアルタイム追跡データ５８を受け取る。リアルタイム追跡データ５８は、フラクション前計画画像５０及び事前プロシージャの計画画像１４の外部体表面を含む。処置計画３６が、異なる動きフェーズ（例えば呼吸フェーズ）に対応する複数のＰＴＶを含む場合、デリバリ制御システム５６は、リアルタイム追跡データ５８又はある他の外部データを用いて、現在動きフェーズを決定する。処置計画のパラメータ（例えばＰＴＶ）は、現在動きフェーズに基づいて動的に調整される。

更に、リアルタイム追跡データ５８を使用して現在動きフェーズを決定することに加えて、デリバリ制御システム５６は、体表面追跡モジュール６０によって、リアルタイム追跡データ５８に基づいてターゲットのロケーションを決定する。理解されるように、治療デリバリの前に、治療デリバリ装置４６の座標フレームを、処置計画３６の座標フレームにアラインすることが良く知られている。これは、デリバリ追跡システム５４の座標フレームを、処置計画３６及び対応関係３８によって共有される座標フレームにアラインするように拡張されることができる。

治療デリバリ装置４６、処置計画３６、対応関係３８及びリアルタイム追跡データの座標フレームのアライメントは、フラクション前イメージングシステム４８及び治療デリバリ装置４６の座標フレームの間の知られている関係（例えば、較正プロシージャによって決定される）に基づくことができる。フラクション前計画画像５０又はフラクション前イメージングシステム４８によって生成される他の画像を使用することにより、リアルタイム追跡データ５８の座標フレームは、例えば、リアルタイム追跡データ５８をフラクション前計画画像４８に位置合わせし及び知られている関係を使用することによって、治療デリバリ装置４６の座標フレームに変換されることができる。処置計画３６及び対応関係３８によって共有される座標フレームと治療デリバリ装置４６の座標フレームとの間の変換が更に、処置計画３６を生成し又は更新するために使用される計画画像を、フラクション前計画画像４８又はフラクション前イメージングシステム４８によって生成される他の画像と位置合わせし、知られている関係を使用することによって、実施されることができる。

リアルタイム追跡データ５８と治療デリバリ装置４６の座標フレームの間の関係が知られている場合、ターゲットのロケーションは、リアルタイム追跡データ５８を治療デリバリ装置４６の座標フレームに変換し又はその逆を行い、対応関係３８をリアルタイム追跡データ５８に適用することによって、決定されることができる。例えば、対応関係３８が距離ベクトルである場合、必要に応じて、外部体表面からの距離が加算され又は減算されることができる。ある例において、対応関係３８は、特定の動きフェーズに対応する。それゆえ、適当な対応関係が、上述のように決定される現在動きフェーズのために使用される。

ターゲットの決定されたロケーションに基づいて、デリバリ制御システム５６は、ゲートモジュール６２によってデリバリゲーティングを実施することができる。処置計画３６が動きフェーズに対応する複数のＰＴＶを含む場合、ゲートモジュール６２は、現在動きフェーズがＰＴＶの１つに対応するかどうかに基づいて処置ビームをゲーティングすることができる。更に、処置計画３６の１又は複数のＰＴＶのロケーションが、処置計画３６において規定されることができる。ターゲットの決定されたロケーションが現在ＰＴＶの外側に出てしまう場合、ターゲットがＰＴＶに戻るまで、処置ビームはオフにゲーティングされることができる。

代替として、ターゲットの決定されたロケーションに基づいて、デリバリ制御システム５６は、動的なＰＴＶモジュール６４によって、動的なＰＴＶを実施することができる。動的なＰＴＶは、ターゲットの決定されたロケーションに基づいて現在ＰＴＶのロケーションを変えることに関連する。例えば、ターゲットの経路は、線形加速器（linac）上のマルチリーフコリメータ（ＭＬＣ）のリーフの位置を変えることによって追跡される。

計画システム２２及びデリバリ制御システム５６は、１又は複数のプログラムメモリ６６、６８及び１又は複数のプロセッサ７０、７２を有する。プログラムメモリ６６、６８は、ユーザインタフェースモジュール２６、セグメンテーションモジュール２４、体表面追跡モジュール３２、６０、最適化モジュール３４、位置合わせモジュール３０、同期モジュール２８、ゲートモジュール６２、及び動的なＰＴＶモジュール６４と関連する機能を含む、計画システム２２及びデリバリ制御システム５６に関連付けられる機能を実行するためのプロセッサ実行命令を記憶する。プロセッサ７０、７２は、メモリ６６、６８に記憶されるプロセッサ実行命令を実行する。計画システム２２及び／又はデリバリ制御システム５６は更に、プロセッサ７０、７２、プログラムメモリ６６、６８、ユーザ入力装置４２、ユーザ出力装置４０の間の通信を容易にする１又は複数のシステムバス７４、７６を有する。

図２を参照して、図１の治療システム１０のワークフローの例１００が示される。事前プロシージャの計画４ＤＣＴ画像１０２は、例えば、事前プロシージャのイメージングシステム１２を使用して生成される。更に、事前プロシージャの計画４Ｄ ＣＴ画像のための体表面追跡データ１０４は、例えば事前プロシージャの体表面追跡システム１８を使用して生成される。事前プロシージャの計画４Ｄ ＣＴ画像１０２は、処置計画１０６のために使用され、それによって、処置計画を生成する。更に、事前プロシージャの計画４Ｄ ＣＴ画像１０２が、体表面追跡データ１０４に関連して使用されることにより、患者１６の外部体表面から患者１６のターゲットの内側表面に及ぶ距離ベクトルが生成される（１０８）。外部体表面は、体表面追跡データ１０４から決定され、内部ターゲット表面は、事前プロシージャの４Ｄ ＣＴ画像１０２から決定される。

処置フラクションの選択の前に、フラクション前計画画像１１０（例えば４Ｄ超音波画像）が、例えばフラクション前イメージングシステム４８を使用して生成される。更に、フラクション前計画画像１１０のための体表面追跡データ１０４は、例えば、フラクション前体表面追跡システム５４を使用して生成される。フラクション前計画画像１１０は、（例えば、より早期のフラクションから収縮により小さくなったターゲット及びＰＴＶを考慮するために、）対応する処置フラクションの前に処置計画を更新するために使用される。例えば、更新は、事前プロシージャの４Ｄ ＣＴ計画画像１４をフラクション前４Ｄ超音波画像５０に位置合わせし、変換することを含む。更に、フラクション前計画画像１１０が、患者１６の外部体表面から患者１６のターゲットの内側表面に及ぶ距離ベクトルを更新（１０８）するために、体表面追跡データ１０４に関連して使用される。理解されるように、事前プロシージャの計画４Ｄ ＣＴ１０２、体表面追跡データ１０４及びフラクション前計画画像１１０は、例えば呼吸フェーズのような動きフェーズに基づいて時間的に同期される。

処置フラクションについてスケジュールされた時間であって、当該処置フラクションについて処置計画及び／又は距離ベクトルを更新した後に、更新された計画及び対応関係が利用可能な場合、患者は、例えば治療デリバリ装置４６を使用して治療デリバリ１１２を受ける。治療は、処置計画、距離ベクトル及びリアルタイム体表面追跡データ１０４に基づいて、例えばゲーティング及び動的ＰＴＶのような適応的な方法を使用して供給される。

図３を参照して、図１の治療システム１０のワークフローの別のより詳細な例１５０が示される。患者の肺の中のターゲットＴ、周囲正常組織、及び外部胸部表面を含む事前プロシージャの計画４Ｄ ＣＴ画像１５２が生成される。更に、外部胸部表面の追跡データ１５４が生成される。追跡データ１５４は、事前プロシージャの計画４Ｄ ＣＴ画像１５２の外部胸部表面１５８と位置合わせされ（１５６）、患者の呼吸パターン１６０を識別するために使用される。更に、事前プロシージャの計画４Ｄ ＣＴ画像１５２が、例えばターゲットのようなＲＯＩの輪郭を描写するために、セグメント化される（１６２）。

輪郭描写に基づいて、肺及びターゲットの動きモデル１６４が決定され、ベクトルｑによって表現される。更に、位置合わせされた表面追跡データに基づいて、外部の胸部表面の表面動きモデル１６６が決定され、ベクトルＳによって表現される。動きモデル１６４、１６６及び呼吸フェーズに基づいて、外部の胸部表面とターゲットとの間の距離ベクトルが、例えばｑ及びＳの差を得ることによって、決定される（１６８）。更に、動きモデル１６４、１６６及び呼吸フェーズに基づいて、動的なＰＴＶ１７０を伴う処置計画が決定される（１６８）。ＰＴＶは、概して卵形のライン周囲によって示され、ターゲットＴからわずかに間隔を置いて配置される。

選択された処置フラクションの前に、フラクション前４Ｄ画像１７２（例えば４Ｄ ＭＲ画像）が生成される。フラクション前４Ｄ画像１７２は、ターゲット、ターゲットの周囲正常組織及び一般に患者の外部胸部表面を含む。更に、外部胸部表面の付加の追跡データ１５４が生成される。フラクション前４Ｄ画像１７２及び付加の追跡データ１５４は、ベクトルｑ'によって表現される肺及びターゲット動きモデル１６４、及びベクトルＳ'によって表現される表面動きモデル１６６を更新（１７４）するために使用される。次に、これらの更新されたモデルは、動的なＰＴＶ１７０を調整（１７６）するために使用される。ターゲット及びＰＴＶは、元の又はより早期のＰＴＶ１７０のほぼ円形の形状から、調整されたＰＴＶ１７６におけるより小さく、よりインゲン豆に似た形状に縮小した。

処置フラクションについてスケジュールされた時間であって、処置フラクションについて処置計画及び／又は距離ベクトルを更新した後に、更新された計画及び対応関係が利用可能な場合、患者は治療デリバリ１７８を受ける。治療は、処置計画、距離ベクトル及びリアルタイム追跡データ１５４に基づいて、例えばゲーティング及び動的なＰＴＶのような適応的な方法を使用して供給される。

ここで使用されるとき、メモリは、非一時的コンピュータ可読媒体、磁気ディスク又は他の磁気記憶媒体；光学ディスク又は他の光学記憶媒体；ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、又は他の電子メモリ装置又はチップ又は機能的に相互接続されたチップの組；記憶された命令がインターネット／イントラネット又はローカルエリアネットワークを通じて取り出されることができるインターネット／イントラネットサーバ；又は、その他、の１又は複数を含む。更に、本明細書で用いられるとき、プロセッサは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、その他の１又は複数を含む；コントローラは、少なくとも１つのメモリ及び少なくとも１つのプロセッサを含み、プロセッサは、メモリ上のプロセッサ実行命令を実行する；ユーザ入力装置は、マウス、キーボード、タッチスクリーンディスプレイ、１又は複数のボタン、１又は複数のスイッチ、１又は複数のトグルスイッチ等の１又は複数を含む；及び、ディスプレイ装置は、ＬＣＤディスプレイ、ＬＥＤディスプレイ、プラズマディスプレイ、投影ディスプレイ、タッチスクリーンディスプレイ等の１又は複数を含む。

本発明は、好適な実施形態に関して記述された。変形及び変更は、先行する詳細な説明を読み理解することにより当業者に思いつくことができる。このような変形及び変更が添付の請求項又はその等価なものの範囲内にある限り、本発明は、すべてのこのような変形及び変更を含むものとして解釈されることが意図される。

Claims (20)

1. 患者の内部ターゲットを処置するための治療計画システムであって、
   内部ターゲットを処置するために、事前プロシージャの計画画像及び事前プロシージャの追跡データに基づく内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係を含む複数の処置フラクションを有する処置計画を受け取り、
   前記複数の処置フラクションのうち１又は複数の選択された処置フラクションの前に、ターゲットのフラクション前計画画像を受け取り；患者の外部体表面の追跡データを受け取り；及び、前記受け取ったフラクション前計画画像及び前記受け取った追跡データに基づいて前記内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係を更新し、
   前記処置計画に従って及び前記更新された対応関係を使用して患者に治療を供給する治療デリバリシステムに、前記処置計画及び前記更新された対応関係を提供する、
   ようにプログラムされた少なくとも１つのプロセッサを有する、治療計画システム。
2. 前記少なくとも１つのプロセッサが更に、前記受け取ったフラクション前計画画像及び前記受け取った追跡データに基づいて前記処置計画を更新するようにプログラムされる、請求項１に記載の治療計画システム。
3. 前記処置計画は、ターゲットを含む事前プロシージャの計画画像を使用して生成され、前記受け取った追跡データは、前記事前プロシージャの計画画像の生成に対応する、請求項１又は２に記載の治療計画システム。
4. 前記フラクション前計画画像が４次元である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の治療計画システム。
5. 前記治療デリバリシステムが更に、治療のデリバリの間、前記更新された対応関係を使用して前記処置計画の計画ターゲットボリュームを動的に調整するように構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の治療計画システム。
6. 前記治療デリバリシステムが更に、治療のデリバリの間、前記更新された対応関係を使用して治療ビームをゲーティングする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の治療計画システム。
7. 前記少なくとも１つのプロセッサが更に、前記受け取ったフラクション前計画画像を、前記受け取った追跡データと時間的に同期させるようにプログラムされる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の治療計画システム。
8. 前記時間的な同期が患者の呼吸フェーズに基づく、請求項７に記載の治療計画システム。
9. 前記処置計画は、ターゲットを含む事前プロシージャの計画画像を使用して生成され、前記少なくとも１つのプロセッサが更に、前記事前プロシージャの計画画像を、前記受け取ったフラクション前計画画像と時間的に同期させるようにプログラムされる、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の治療計画システム。
10. 患者の内部ターゲットを処置する治療デリバリ方法であって、
    内部ターゲットを処置するために処置計画を受け取るステップであって、前記処置計画が、事前プロシージャの計画画像及び事前プロシージャの追跡データに基づく内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係を含む複数の処置フラクションを有する、ステップと、
    前記複数の処置フラクションのうち選択された１又は複数の処置フラクションの前に、ターゲットのフラクション前計画画像を受け取り；患者の外部体表面の追跡データを受け取り；及び、前記受け取ったフラクション前計画画像及び前記受け取った追跡データに基づいて、内部ターゲットと外部体表面との間の対応関係を更新する、ステップと
    前記処置計画に従って及び前記更新された対応関係を使用して前記患者に治療を供給する治療デリバリシステムに、前記処置計画及び前記更新された対応関係を提供するステップと、
    を含む治療デリバリ方法。
11. 前記受け取ったフラクション前計画画像及び前記受け取った追跡データに基づいて前記処置計画を更新するステップを更に含む、請求項１０に記載の治療デリバリ方法。
12. 前記処置計画が、ターゲットの事前プロシージャの計画画像を使用して生成され、前記受け取った追跡データが、事前プロシージャの計画画像の生成に対応する、請求項１０又は１１に記載の治療デリバリ方法。
13. 前記フラクション前計画画像が４次元である、請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載の治療デリバリ方法。
14. 治療のデリバリの間、前記更新された対応関係を使用して前記処置計画の計画ターゲットボリュームを動的に調整するステップを更に含む、請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の治療デリバリ方法。
15. 治療のデリバリの間、前記更新された対応関係を使用して治療ビームをゲーティングするステップを更に含む、請求項１０乃至１４のいずれ１項に記載の治療デリバリ方法。
16. 前記受け取ったフラクション前計画画像を前記受け取った追跡データと時間的に同期させるステップを更に含む、請求項１０乃至１５のいずれか１項に記載の治療デリバリ方法。
17. 前記時間的な同期は、患者の呼吸フェーズに基づく、請求項１６に記載の治療デリバリ方法。
18. 請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の治療デリバリ方法を実施するようプログラムされた１又は複数のプロセッサ。
19. 請求項１０乃至１７のいずれか１項に記載の治療デリバリ方法を実施するよう１又は複数のプロセッサを制御するソフトウェアを担持した非一時的コンピュータ可読媒体。
20. 患者の内部ターゲットを処置するための治療デリバリシステムであって、
    内部ターゲットを処置するための処置計画を生成する計画システムであって、前記処置計画が、複数の処置フラクションを有する、計画システムと、
    前記複数の処置フラクションのうち選択された処置フラクションの前に、内部ターゲットのサイズ及び形状を更新し、前記更新された内部ターゲットのサイズ及び形状について前記処置計画を更新する同期モジュールと、
    を有し、前記計画システムが、前記更新された処置計画に従って患者に治療を供給するデリバリ制御システムに、前記更新された処置計画を提供する、治療デリバリシステム。

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