JP2017046872A - 放射線治療シミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、放射線治療における治療線量のシミュレーション精度を向上させる放射線治療シミュレーション装置を提供することを目的とする。
【解決手段】放射線治療シミュレーション装置１０は、放射線治療で患者に照射する放射線の治療線量分布を算出する演算部５と、放射線治療の際に患者に投与される増感剤又は防護剤である投与薬剤の情報を記憶する情報記憶部３と、を備え、演算部５は、情報記憶部３に記憶された、投与薬剤の情報に基づいて治療線量分布を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線治療シミュレーション装置に関するものである。

従来、このような分野の技術として、例えば、下記特許文献１に記載の粒子線治療計画装置が知られている。この装置は、粒子線を照射する標的となる標的領域を入力する標的領域入力手段と、標的領域を包含するように設定された照射領域内において、粒子線を照射する照射スポットを決定する演算装置を備えており、この演算装置は、照射領域の輪郭上に照射スポットを配置し、かつ、隣り合う照射スポットの間隔が予め定められた設定値以下となるように、照射スポットを決定する。

特開2011-217902号公報

この種の治療計画においては、患者の正常組織に与えられる線量を低減し、腫瘍組織に対する線量を向上させるべく、治療計画精度の更なる向上が求められている。この課題を解決すべく、本発明は、放射線治療における治療線量のシミュレーション精度を向上させる放射線治療シミュレーション装置を提供することを目的とする。

本発明の放射線治療シミュレーション装置は、放射線治療で患者に照射する放射線の治療線量分布を算出する治療線量分布算出部と、放射線治療の際に患者に投与される増感剤又は防護剤である投与薬剤の情報を記憶する薬剤情報記憶部と、を備え、治療線量分布算出部は、薬剤情報記憶部に記憶された投与薬剤の情報に基づいて治療線量分布を算出する。

この装置によれば、患者に投与される増感剤又は防護剤の影響を含めた高精度の治療線量分布を得ることができる。

また、治療線量分布算出部は、放射線の照射領域内の微小領域における治療線量を算出するときに、微小領域における、投与薬剤の単位濃度当たりの放射線の影響の増加率を示す単位濃度増感比情報と、微小領域に存在する投与薬剤の濃度を示す投与薬剤濃度情報と、に基づいて微小領域の治療線量を算出するようにしてもよい。

また、治療線量分布算出部は、投与薬剤が患者に投与される場合の治療線量分布と、投与薬剤が患者に投与されない場合の治療線量分布と、を算出し、治療線量分布算出部で算出される結果に基づき、投与薬剤が患者に投与される場合の治療線量分布と、投与薬剤が患者に投与されない場合の治療線量分布と、を表示する情報表示部を更に備えるようにしてもよい。この構成によれば、ユーザが投与薬剤の影響を視覚的に知ることができる。

また、具体的には、上記の放射線は荷電粒子線、Ｘ線、ガンマ線、又は電子線であることとしてもよい。

本発明の放射線治療シミュレーション装置によれば、放射線治療における治療線量のシミュレーション精度を向上させることができる。

図１は、放射線治療シミュレーション装置の実施形態を示すブロック図である。 図２は、放射線治療シミュレーション装置のハードウエア構成を示すブロック図である。 図３は、荷電粒子線照射装置の一実施形態を示す概略図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る放射線治療シミュレーション装置の実施形態について詳細に説明する。

図１に示される本実施形態の放射線治療シミュレーション装置１０は、放射線治療装置を用いた放射線治療において、患者に向けて照射される放射線の治療線量分布を算出するものである。この放射線治療シミュレーション装置１０が対象とする上記の放射線には、例えば、荷電粒子線、Ｘ線、ガンマ線、電子線が含まれる。また、上記の荷電粒子線には、例えば、陽子線、重粒子線が含まれる。

図１は、放射線治療シミュレーション装置１０の機能的要素をブロックで示すブロック図である。放射線治療シミュレーション装置１０は、情報入力部２と、情報記憶部３（薬剤情報記憶部）と、演算部５（治療線量分布算出部）と、情報表示部７（情報表示部）と、を有する。

情報入力部２は、シミュレーション装置ごとにユーザからの情報入力を受け付ける。情報記憶部３は、シミュレーション演算に必要な情報を一時的又は長期的に記憶する。情報記憶部３に記憶される情報としては、例えば、情報入力部２からユーザが入力した入力情報等がある。また、情報記憶部３には、シミュレーション演算に必要な所定の定数等も予め定められ記憶されている。

演算部５は、分布演算部５ａと分布表示処理部５ｂとを有している。分布演算部５ａは、情報記憶部３から付与される情報に基づき、所定のアルゴリズムで、放射線の照射領域における治療線量分布を算出する。具体的には、分布演算部５ａは、照射領域を微小領域に分割し、各微小領域の治療線量をそれぞれ算出する。そして、各微小領域の治療線量の集合として、照射領域の治療線量分布が得られる。分布表示処理部５ｂは、例えば、分布演算部５ａで得られた治療線分布に基づく画像処理を実行し、例えば治療線分布を示すコンター図を作成する。情報表示部７は、演算部５の演算結果としての照射領域の治療線量分布を画面表示する。例えば、情報表示部７は、コンピュータのディスプレイ表示装置で構成される。

ここで、放射線治療シミュレーション装置１０の物理的な構成の一例について説明する。図２は、放射線治療シミュレーション装置１０のハードウエア構成図である。放射線治療シミュレーション装置１０は、物理的には、図に示すように、ＣＰＵ２１１、主記憶装置であるＲＡＭ２１２及びＲＯＭ２１３、ハードディスク等の補助記憶装置２１５、入力デバイスであるキーボード及びマウス等の入力装置２１６、ディスプレイ等の出力装置２１７、ネットワークカード等のデータ送受信デバイスである通信モジュール２１４などを含むコンピュータシステムとして構成されている。図１において説明した各機能は、図２に示すＣＰＵ２１１、ＲＡＭ２１２等のハードウエア上に所定のコンピュータソフトウェアを読み込ませることにより、ＣＰＵ２１１の制御のもとで通信モジュール２１４、入力装置２１６、出力装置２１７を動作させるとともに、ＲＡＭ２１２や補助記憶装置２１５におけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

ところで、放射線治療においては、治療の際に増感剤や防護剤が患者に投与される場合がある。例えば、低酸素状態に陥っている腫瘍組織は放射線抵抗性が強くなっており、このような腫瘍組織にあっては放射線照射の効果が低いといった問題がある。この対策として、低酸素状態を解放するための薬剤等が患者に投与される。このような低酸素状態を解放するための薬剤等が、上記の増感剤の一例として挙げられる。また、放射線によるＤＮＡ鎖切断効果を低減する薬剤が、上記の防護剤の一例として挙げられる。この薬剤は、正常組織へのダメージを低減すべく患者の正常組織に投与されることで、腫瘍への照射量の増加を可能にする。この種の増感剤や防護剤は、その使用目的から理解される通り、治療線量に影響を与える。従って、治療線量を算出するときに患者に投与される増感剤や防護剤による影響を考慮に含めれば、更に精度の高い治療線量分布を得ることができる。

この知見に鑑み、放射線治療シミュレーション装置１０では、治療時に患者に投与される増感剤や防護剤（以下「投与薬剤」という）に関する情報を考慮に含めた治療線量分布が得られるようになっている。

以下、放射線治療シミュレーション装置１０による具体的な演算処理について説明する。

放射線治療シミュレーション装置１０には、シミュレーション処理毎に必要な情報がユーザによって入力され、情報記憶部３に記憶される。また、シミュレーション処理毎に変動しない定数等は、予め情報記憶部３に記憶されている。

前述の通り、演算部５の分布演算部５ａは、放射線の照射領域を微小領域に分割し、情報記憶部３に記憶された情報に基づいて、各微小領域の治療線量をそれぞれ算出する。そして、各微小領域の治療線量の集合として、照射領域の治療線量分布が得られる。このとき、分布演算部５ａでは、放射線照射領域内の１つの微小領域における治療線量D[Gy-eq]は、以下の式(1)で表される計算アルゴリズムで算出される。

但し、
D :治療線量[Gy-eq]
T :照射時間[s]
f_r :放射線種rの線量換算係数[Gy/(n/cm²)]
φ_r :放射線種rの線束[n/cm²/s]
RBE_r :放射線種rの放射線生物学的効果比[Gy-eq/Gy]
CF_r,c :投与薬剤ｃの単位濃度当たりの放射線種rに対する増感比（ただし、c=0(薬剤無し)の場合、CF=1とし、影響無しとする）
ρ_c :投与薬剤ｃの濃度（ただし、c=0(薬剤無し)の場合、ρ=1とし、影響無しとする）
r :放射線の線種
c :投与薬剤の種類

例えば、治療線量Dの算出において考慮すべき放射線の線種が２種類（例えば、陽子線ｒ１とガンマ線ｒ２）存在し、患者に投与する考慮すべき投与薬剤が２種類（ｃ１，ｃ２とする）存在する場合には、式(1)は、以下のように書き表すことができる。
D=T×（f_r1×φ_r1×RBE_r1
+f_r1×φ_r1×RBE_r1×CF_r1,c1×ρ_c1
+f_r1×φ_r1×RBE_r1×CF_r1,c2×ρ_c2
+f_r2×φ_r2×RBE_r2
+f_r2×φ_r2×RBE_r2×CF_r2,c1×ρ_c1
+f_r2×φ_r2×RBE_r2×CF_r2,c2×ρ_c2） (1)'

上記の式(1)に入力される各パラメータの一部（例えば、照射時間Ｔ）は、シミュレーション処理毎にユーザから放射線治療シミュレーション装置１０に入力され、情報記憶部３に記憶される。また、上記の式(1)に入力される各パラメータの他の一部は、上記のようにユーザから入力され情報記憶部３に記憶された情報に基づいて、分布演算部５ａによって算出される。例えば、投与薬剤の濃度ρ_cは、シミュレーション処理毎にユーザから放射線治療シミュレーション装置１０に入力された情報（例えば、患者に投与した投与薬剤の量など）に基づいて、分布演算部５ａにより公知の演算式によって算出される。

また、上記の式(1)に入力される各パラメータの更に他の一部は、定数として予め情報記憶部３に記憶されている。例えば、投与薬剤に関する情報であるCF_r,cの値は、投与薬剤の種類・放射線の線種の組合せごとに定められ、情報記憶部３に記憶されており、演算時に分布演算部５ａに引き渡される。なお、CF_r,c（単位濃度増感比情報）は、ある投与薬剤ｃの単位濃度（1ppm）当たりの、ある放射線ｒの、注目する微小領域に対する放射線の影響の増加率を示す。また、ρ_c（投与薬剤濃度情報）は、注目する微小領域に存在するある投与薬剤ｃの濃度を示す。

分布演算部５ａは、上記の演算を照射領域内のすべての微量領域に対して実行し、すべての微小領域に対応する治療線量Dを算出する。そして分布演算部５ａでは、各微小領域の治療線量Dの集合として、照射領域全体の治療線量分布（以下「第１の治療線量分布」と言う）が得られる。

次に、分布演算部５ａは、上記と同一の照射条件下において投与薬剤が患者に投与されないと仮定した場合における照射領域全体の治療線量分布（以下「第２の治療線量分布」と言う）を算出する。第２の治療線量分布を算出する演算手法としては、例えば、式(1)においてCF_r,c×ρ_c＝１とすればよい。

分布演算部５ａは、第１の治療線量分布と第２の治療線量分布とを分布表示処理部５ｂに引き渡す。そして分布表示処理部５ｂは、第１の治療線量分布及び第２の治療線量分布を、例えばコンター図等の画像情報に変換する。この画像情報は情報表示部７に引き渡され、例えば、第１の治療線量分布のコンター図と第２の治療線量分布のコンター図とが並列して画面表示される。

続いて、放射線治療シミュレーション装置１０による作用効果について説明する。前述の式(1)に対し、一般的に知られている従来の治療線量の計算アルゴリズムの一例は、下記の式(2)で表される。

放射線治療シミュレーション装置１０で使用される式(1)では、式(2)に比較して、治療時に患者に投与される投与薬剤の情報（CF_r,c及びρ_c）に基づく治療線量分布が得られるようになっている。すなわち式(1)では、式(2)に比較して、投与薬剤に関連する(CF_r,c×ρ_c)の項が追加されている。以下、(CF_r,c×ρ_c)の項を、薬剤関連項と呼ぶ。

式(1)における上記の薬剤関連項の存在により、投与薬剤の影響が定量的に治療線量Dに反映される。従って、式(1)の計算アルゴリズムを採用する放射線治療シミュレーション装置１０によれば、患者に投与される増感剤や防護剤の影響を含めた高精度の治療線量分布を得ることができ、その結果、放射線治療における治療線量のシミュレーション精度を向上させることができる。

また、情報表示部７によって、投与薬剤が患者に投与される場合の治療線量分布（第１の治療線量分布）と、投与薬剤が患者に投与されない場合の治療線量分布（第２の治療線量分布）と、が表示されるので、ユーザは両方の治療線量分布を比較することで投与薬剤の影響を視覚的に知ることができる。

上述した本実施形態の放射線治療シミュレーション装置１０は、例えば、次に説明するような荷電粒子線治療装置における荷電粒子線照射領域の治療線量分布の算出に使用することができ、治療計画に利用され得る。以下、図３を参照しながら荷電粒子線治療装置１を詳細に説明する。なお、「上流」「下流」の語は、出射する荷電粒子線の上流（加速器側）、下流（患者側）をそれぞれ意味している。

図３に示すように、荷電粒子線治療装置１は、放射線療法によるがん治療等に利用される装置であり、荷電粒子を加速して荷電粒子線を出射する加速器１１と、荷電粒子線を被照射体へ照射する照射ノズル１２（照射部）と、加速器１１から出射された荷電粒子線を照射ノズル１２へ輸送するビーム輸送ライン１３（輸送ライン）と、ビーム輸送ライン１３に設けられ、荷電粒子線のエネルギーを低下させて荷電粒子線の飛程を調整するデグレーダ（エネルギー調整部）１８と、ビーム輸送ライン１３に設けられた複数の電磁石２５と、荷電粒子線治療装置１全体を制御する制御部３０と、を備えている。本実施形態では、加速器１１としてサイクロトロンを採用するが、これに限定されず、荷電粒子線を発生させるその他の発生源、例えば、シンクロトン、シンクロサイクロトン、ライナック等であってもよい。

荷電粒子線治療装置１では、治療台２２上の患者Ｐの腫瘍（被照射体）に対して加速器１１から出射された荷電粒子線の照射が行われる。荷電粒子線は電荷をもった粒子を高速に加速したものであり、例えば陽子線、重粒子（重イオン）線等がある。

照射ノズル１２は、治療台２２の周りを３６０度回転可能な回転ガントリ２３の内側に取り付けられており、回転ガントリ２３によって任意の回転位置に移動可能とされている。照射ノズル１２には、電磁石２５、スキャニング電磁石２１、真空ダクト２８が含まれている。スキャニング電磁石２１は、照射ノズル１２の中に設けられている。スキャニング電磁石２１は、荷電粒子線の照射方向と交差する面においてＸ方向へ荷電粒子線を走査するＸ方向走査電磁石と、荷電粒子線の照射方向と交差する面においてＸ方向と交差するＹ方向へ荷電粒子線を走査するＹ方向走査電磁石と、を有している。また、スキャニング電磁石２１により走査された荷電粒子線はＸ方向及び／又はＹ方向へ偏向されるため、スキャニング電磁石よりも下流側の真空ダクト２８は、その径が下流側ほど拡大されている。

ビーム輸送ライン１３は、荷電粒子線が通る真空ダクト１４を有している。真空ダクト１４の内部は真空状態に維持されており、輸送中の荷電粒子線を構成する荷電粒子が空気等により散乱することを抑制している。

また、ビーム輸送ライン１３は、加速器１１から出射された所定のエネルギー幅を有する荷電粒子線から所定のエネルギー幅よりも狭いエネルギー幅の荷電粒子線を選択的に取り出すＥＳＳ（Energy Selection System）１５と、ＥＳＳ１５によって選択されたエネルギー幅を有する荷電粒子線を、エネルギーが維持された状態で輸送するＢＴＳ（Beam Transport System）１６と、ＢＴＳ１６から回転ガントリ２３に向けて荷電粒子線を輸送するＧＴＳ（Gantry Transport System）１７と、を有している。

デグレーダ１８は、通過する荷電粒子線のエネルギーを低下させて当該荷電粒子線の飛程を調整する。患者の体表から被照射体である腫瘍までの深さは患者ごとに異なるため、荷電粒子線を患者に照射する際には、荷電粒子線の到達深さである飛程を調整する必要がある。デグレーダ１８は、加速器１１から一定のエネルギーで出射された荷電粒子線のエネルギーを調整することにより、患者体内の所定の深さにある被照射体に荷電粒子線が適切に到達するように調整する。このようなデグレーダ１８による荷電粒子線のエネルギー調整は、被照射体をスライスした層毎に行われる。

本発明は、上述した実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した様々な形態で実施することができる。また、上述した実施形態に記載されている技術的事項を利用して実施例の変形例を構成することも可能である。各実施形態の構成を適宜組み合わせて使用してもよい。

３…情報記憶部、５…演算部、７…情報表示部、１０…放射線治療シミュレーション装置。

Claims (4)

1. 放射線治療で患者に照射する放射線の治療線量分布を算出する治療線量分布算出部と、
   前記放射線治療の際に前記患者に投与される増感剤又は防護剤である投与薬剤の情報を記憶する薬剤情報記憶部と、を備え、
   前記治療線量分布算出部は、
   前記薬剤情報記憶部に記憶された前記投与薬剤の情報に基づいて前記治療線量分布を算出する、放射線治療シミュレーション装置。
2. 前記治療線量分布算出部は、前記放射線の照射領域内の微小領域における治療線量を算出するときに、
   前記微小領域における、前記投与薬剤の単位濃度当たりの前記放射線の影響の増加率を示す単位濃度増感比情報と、
   前記微小領域に存在する前記投与薬剤の濃度を示す投与薬剤濃度情報と、
   に基づいて前記微小領域の治療線量を算出する、請求項１に記載の放射線治療シミュレーション装置。
3. 前記治療線量分布算出部は、
   前記投与薬剤が前記患者に投与される場合の前記治療線量分布と、前記投与薬剤が前記患者に投与されない場合の前記治療線量分布と、を算出し、
   前記治療線量分布算出部で算出される結果に基づき、前記投与薬剤が前記患者に投与される場合の前記治療線量分布と、前記投与薬剤が前記患者に投与されない場合の前記治療線量分布と、を表示する情報表示部を更に備える、請求項１又は２に記載の放射線治療シミュレーション装置。
4. 前記放射線は荷電粒子線、Ｘ線、ガンマ線、又は電子線である、請求項１〜３の何れか１項に記載の放射線治療シミュレーション装置。

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