JP2016526452A - イオン治療のための動的トリミングスポット走査の方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2013年7月5日に出願されたUnited States Provisional Patent Application No. 61/843,092、2013年11月6日に出願されたUnited States Provisional Patent Application No. 61/900,455、及び2014年2月28日に出願されたUnited States Provisional Application No. 61/946,074の優先権を主張し、そのすべてが信頼されて、参照により本明細書に完全に組み込まれる。
磁気走査を使用してイオンビームの位置を制御する機能は、光子では可能ではないイオンの好適な特性である。これは、光子が電荷を持っていないためであり、したがって、光子ビームは、磁界よりもむしろ機械式コリメーションシステムで制御される。ある態様において、SS法は、治療体積を覆う三次元デカルト格子上での、イオンビームの磁気及び/または機械式走査を必要とする。例示的な態様において、ビームスポットの深さ方向の位置は、材料をビームに挿入して陽子ペンシルビームのエネルギーを変化させることによって、陽子加速器でビームエネルギーを制御することによって、または、両方の方法の組合せによって制御される。ある態様において、材料は、加速器とガントリーとの間のビームラインのどこかに配置することができる。一般的な材料は、ベリリウム及びカーボンを含んでもよい。標的の各位置で停止するイオンの数は、イオン加速器及びビーム輸送システム(すなわち、上述のようなイオン治療源及びその構成要素)によって制御することができ、以下でさらに詳細に論じられる治療計画プロセスにおいて、(システム制御装置を介した)コンピュータ最適化によって、最初に決定することができる。
ある態様において、トリマー刃と相互作用した後、対称の入射陽子ビームレット(図21aに示される)は、図21bに示されるように、非対称にして、ビーム方向像において横に移動させることができる。例示的な態様において、非対称トリミングビームレットの側方分布は、非トリミングビームレットと同様に、ガウシアンパラメータを使用してさらに説明できる。これは、図21cに示されるように、トリミングビームレットの4つの主要な横軸、すなわち、X1、X2、Y1、及びY2のそれぞれに沿ってガウス関数を当てはめることによって達成される。次いで、この手法により、側方プロファイルは以下のようにモデル化することができる。
ここで、μx(z)及びμy(z)は対象平面における最大線量の位置であり、σx1(z)、σx2(z)、σy1(z)、σy2(z)、は深さzにおいて(μx(z),μy(z))を中心とする、各主軸に沿った4つの半ガウス分布のシグマ値である。ヘビサイドステップ関数H(...)は、(μx(z),μy(z))を中心とする対応する半分の軸に、各指数項を制限する。数値的に決定された規格化因子A(z)による乗算は、すべてのzについて
を保証する。このような方法は、コリメーションから生じるものだけでなく、任意の非対称ビームレットに適用できる。
D+(z,R)=D+(0)・(C・z+1)
ここで、D+(z,R)は、トリミングIDDを生成するために非トリミングIDDに適用される深さ依存補正を表し、D+(0)は、表面の非トリミングIDDと比較したトリミングIDDの入射線量(%)の増加であり、Cは、補正の深さ依存を決定するエネルギーの関数である定数パラメータである。以下の式は、DT(z,R)によって表されるトリミングIDDが、非トリミング積分深部線量曲線D(z,R)及び上述の補正の追加によって得ることができる方法を説明する。
DT(z,R)=D(z,R)+D+(z,R)
ある態様において、標的体積全体に格子または六角形のパターンでスポットを配置し、その後、トリマー位置を定義することを、ビームスポットを配置するために使用することができる。任意のDTSSスポット配置技術は、従来のSSで照射できるものより優れている線量分布をさらに生成する。
ここで、
別の可能なTPB検索条件は以下のとおりである。
ここで、
あるいは、検索TPB条件の重みつき組合せは、加重和として使用することができる。
ここで、wは、0と1との間で値が決められるスカラー加重係数である。
ここで、σx及びσyはそれぞれ、x及びy方向のスポット幅を定義する。
そして、Etot=ET+ENTである。各スポットのトリマー位置は、以下の最適化問題を解くことによって決定できる。
最大化ET
{X1,X2,Y1,Y2}
以下を条件とする:
ここで、制約条件(a)は正常組織に蓄積されるスポットエネルギーがユーザ指定の許容値を上回らないことを保証し、制約条件(b)は任意の1つのトリマー刃によってビームスポットの半分以下しか塞がれないことを保証し、制約条件(c)はトリマーによって定義される開口部がいくつかの最小領域ΔXminΔYminの下にないことを保証する。標的が非常に小さく、制約条件(c)に違反することなく制約条件(a)を満たすことができない場合、トリマー位置は制約条件(b)及び(c)を満たすように定義される。
そして、すべてのN位置の全トリマー移動時間はTN−1である。
ここで、n∈[0,M−1]であり、時間tm,nとtm+1,nとの間の一定トリマー加速度としてam,nを定義する。したがって、時間tm,nのトリマー速度及び位置は以下のとおりである。
したがって、それぞれ以下のとおりである。
ここで、
式(10)によりTnの簡単な計算を行うことができる。
ここで、
式(19)の構成要素は以下のとおりである。
及び、
ここで、
は、間隔nの間の平均加速度である。n’=n+1の場合の式(22)がn’=nの場合の式(19)によって決まり、n’>n+1の場合の式(22)がn’−1の場合の式(22)によって決まるため、式(19)の計算は再帰処理である。
式(29)の第2の偏導関数は、式(15)のγnを書き換えることによって計算することができ、am,nが和に配置されるところを示すことができる。
式(30)の右側の第1項はam,nから独立しており、括弧内の第1項及び第3項(和)もそうである。よって、am,nに対するそれらの導関数は消滅し、以下が得られる。
式(19)は、以下のように連鎖法則を適用することによって得られる。
式(29)の第2の偏導関数は、式(15)のγnを書き換えることによって計算することができ、am,nが和に配置されるところを示すことができる。
式(30)の右側の第1項はam,nから独立しており、及び、括弧内の第1項及び第3項(和)もそうである。よって、am,nに対する導関数は消滅し、以下が得られる。
式の右側の第1の偏導関数は、式(12)にvm,n=vM,n’−1=Vn’を設定することによって得られ、次いで、Vn’−1に対する結果を区別する。式(32)の第2の偏導関数は)(式(22)の場合のように)、先のn’の値からの式(22)の評価から、再帰的に得られる。
Claims (33)
- a.少なくとも1つの走査マグネットを備えるイオン治療源であって、標的の多数のスポット位置に粒子ペンシルビームを順次向けるように構成される、イオン治療源と、
b.前記イオン治療源の前記少なくとも1つの走査マグネットの下流に取り付けられるように構成される動的トリミングコリメータであって、
i.前記少なくとも1つの走査マグネットの下流に配置されて、そして、前記ペンシルビームの一部を遮断するように構成される少なくとも1つのトリマーと、
ii.前記少なくとも1つのトリマーを移動させるために構成される少なくとも1つの駆動機構とを備える、動的トリミングコリメータと、
c.前記標的の前記多数のスポット位置に前記粒子ペンシルビームを順次向けて照射することによってスポット照射の手順を実行するために前記イオン治療源を制御し、前記多数のスポット位置のそれぞれの関数として前記少なくとも1つのトリマーの位置を制御するように構成される制御装置と
を備える、
スポット走査(SS)イオン治療システム。 - 前記少なくとも1つの駆動機構が、第1の運動軸に沿って前記少なくとも1つのトリマーを移動させるために構成される、
請求項1に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記第1の軸が、前記ペンシルビームに実質的に垂直である、
請求項2に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記少なくとも1つのトリマーが、第2の運動軸を移動するようにさらに構成され、
前記第2の運動軸が、前記ペンシルビームに実質的に平行である、
請求項3に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記少なくとも1つの駆動機構が、前記少なくともあるトリマーを移動させるための第1の運動軸及び第2の運動軸を備える、
請求項1に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記第1の軸及び前記第2の軸が、前記ペンシルビームに実質的に垂直である、
請求項5に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記第1及び第2の運動軸は、前記少なくとも1つのトリマーを移動させるための直動軸であり、前記直動軸が平行ではない軸である、
請求項5に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 第1の運動軸が直動軸であり、第2の運動軸が回転軸である、
請求項5に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記少なくとも1つのトリマーが、第3の運動軸を移動するようにさらに構成され、
前記第3の運動軸が、前記ペンシルビームに実質的に平行である、
請求項5に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記少なくとも1つのトリマーが、前記ペンシルビームの位相空間を変更するように適合される厚さ及び形状を有する、
請求項1に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記制御装置が、前記ビームがオフ状態のときのみ前記少なくとも1つのトリマーが動くことを許可するために、ビームのオン/オフ状態情報を示す信号を受けるためにさらに構成される、
請求項1に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記制御装置が、スポット照射の前記手順の前記実行と同期して、前記少なくとも1つのトリマーを動的に移動させるために構成される、
請求項1に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記少なくとも1つのトリマーを配置するための既定の位置に対応する、前記スポット照射のうちの1つまたは複数を定義するために構成される、位置計画制御装置をさらに備える、
請求項1に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記少なくとも1つのトリマーが複数のトリマーをさらに備え、
前記少なくとも1つの駆動機構が、前記複数のトリマーに対応する複数の駆動機構を備え、
前記制御装置が、前記複数のトリマーのそれぞれの前記位置を、前記スポット位置の関数として、独立して制御するために構成される、
請求項1に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 二次元照射のためにさらに構成される、
請求項1に記載のスポット走査イオン治療システム。 - 前記制御装置が、前記多数のスポット位置のそれぞれの前記トリマー位置を定義するデータを受けるように構成される、
請求項1に記載のスポット走査イオン治療システム。 - a.二次元走査イオンビームからの放射線の漏出を制限するように構成される少なくとも1つのトリマーと、
b.前記少なくとも1つのトリマーを移動させるために構成される少なくとも1つの駆動機構であって、前記動的トリミングコリメータが、標的の多数のスポット位置へ前記二次元走査イオンビームを順次、発生させるように構成されるイオン治療源の下流に取り付けられることが可能であり、前記動的トリミングコリメータが、前記標的での前記二次元走査イオンビームの放射線の漏出を制限するために、前記多数のスポット位置のそれぞれの関数として、前記少なくとも1つのトリマーの前記位置を制御することが可能である、少なくとも1つの駆動機構と
を備える、
動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つのトリマーが、前記二次元走査イオンビームを部分的に遮断することによって放射線の漏出を制限するように構成される、
請求項17に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つのトリマーが、前記二次元走査イオンビームの軸に実質的に垂直な第1の経路に沿って移動するように構成される、
請求項14に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つのトリマーが、前記二次元走査イオンビームの前記軸に実質的に平行な第2の経路に沿って移動するようにさらに構成される、
請求項19に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記第1の軸及び前記第2の軸が互いに平行でない、
請求項20に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つのトリマーが、前記二次元走査イオンビームの前記軸に実質的に平行な第3の経路に沿って移動するようにさらに構成される、
請求項17に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つの駆動機構がリニアモータを備える、
請求項19に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つのトリマーは、実質的に垂れ下がった円弧で移動するように構成される、
請求項19に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つのトリマーが長方形の形状を備える、
請求項19に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つのトリマーは、前記二次元走査イオンビームの飛程より大きい放射線学的厚さを有するように構成される、
請求項19に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記装置が、患者の皮膚の近くに前記少なくとも1つのトリマーを配置するように構成される、
請求項19に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つのトリマーが、前記二次元走査イオンビームと同期して移動するように構成される、
請求項19に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記少なくとも1つのトリマーが複数のトリマーを備えて、前記少なくとも1つの駆動機構が複数の駆動機構を備え、
前記複数のトリマーの少なくともそれぞれが、前記複数の駆動機構の少なくとも1つと関連する、
請求項19に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記複数のトリマーの少なくとも1つが、少なくとも2つの駆動機構と関連する、
請求項29に記載の動的トリミングコリメータ。 - レンジシフタをさらに備える、
請求項17に記載の動的トリミングコリメータ。 - リッジフィルタをさらに備える、
請求項17に記載の動的トリミングコリメータ。 - 前記動的トリミングコリメータは、前記イオン治療源のノズルに取り付けられるようにさらに構成される、
請求項17に記載の動的トリミングコリメータ。
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