JP2017518157A - 逆方向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

Abstract

本発明は、・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とを有する逆方向治療計画システムに関する。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、・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、１つの大きさ及び１つの形を有する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つずつの線量ショットａｊに関連付けて、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、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。

Description

本発明は、放射線治療の計画及びリアルタイムの制御用のシステムに関する。一般性を失わず、本発明のシステムは、例えばマルチビームガンマ線照射、線形加速器によって生成される光子ビーム、従来の高圧Ｘ線源又は放射能線源のような、様々な性質のコリメートされた放射線源による放射線治療法の治療を計画するために有用に適用され得る。

放射線治療及び放射線手術（放射線外科）は、効率的で、非侵襲で且つ外来治療と相性がいい治療手段である。本明細書では、放射線外科は、放射線のうちの高い割合の線量を対象となる領域へ向けて定位的に放出することを示す。この場合、「定位」という用語は、患者の診断画像中に見られる仮想標的と当該患者の身体中の実際の標的位置とには、正確な相関があることを意味する。

放射線外科の分野では、特に脳神経外科では、頭蓋内の疾患を治療するために一般に使用される器具が、名称「レクセルガンマナイフ（登録商標）」又は簡単に「ガンマナイフ（登録商標）」の下で商業化されている。

レクセルガンマナイフ（登録商標）は、１つのアイソセンタに焦点合わせされた複数のコバルト６０放射線源から同時に発生する複数のガンマ線と、座標系及び固定装置として作用する定位フレーム（ｓｔｅｒｅｏｔａｃｔｉｃ ｆｒａｍｅ）とを使用する。一般に、患者は、放射線源と、外科的に頭蓋骨とに固定されている特別なヘルメットを身に着ける。その結果、標的領域が、当該アイソセンタで静止している。最近、レクセルガンマナイフ（登録商標）装置が、画像案内式のフレームレス固定装置を有する非侵襲性の固定システムも備えている。

当該治療は、医療画像検査で患者の脳の疾患領域、いわゆる標的領域の位置を特定し、複数のビームの焦点合わせされた交点（すなわち、アイソセンタ）にこの標的領域を位置決めすることによって実行される。

当該治療は、１つのショットで実現され得る、すなわち標的領域の単一部分又は位置をアイソセンタに位置決めすることによって実現され得る。当該治療は、複数のショットを使用しても実現され得る、すなわち標的領域の複数の部分をアイソセンタに連続して設置することによって実現され得る。

当該ガンマナイフ（登録商標）が、成功した放射線外科の器具であると実証されている一方で、加速器に基づく放射線外科も知られている。これらのシステムは、メガボルトのＸ線ビームを発生させるためにライナック（ＬＩＮＡＣ）を使用する。加速器が、空間内で回転するガントリー上に取り付けられている一方で、患者が、移動する寝椅子上に寝ている。こうして、放出角度及び標的点が、意のままに変更され得る。当該治療が、一般に異なる角度での放射線の放射を含む一方で、頭部が、全周又は部分円弧に沿って回転する。

本発明の分野では、ショット（線量ショット）が、線量、例えば放射線の線量である。このショット（線量ショット）は、位置（すなわち、このショットの中心の位置）、大きさ及び形によって特徴付けられる。異なる複数のコリメータと遮断装置とを使用するか又は複数のビームを使用しないので、レクセルガンマナイフ（登録商標）は、異なる大きさ及び形を有する複数のショットを提供し得る。

ユーザは、それぞれのショットに対して、標的領域内のそのショットの位置と、使用されるべき複数のコリメータと遮断されるべき又は遮断されないべきレクセルガンマナイフ（登録商標）の複数のビームとをそれぞれ特定するアイソセンタの周囲で放出されるべき照射線量の大きさ及び形とを決定する必要がある。

ユーザは、それぞれのショットに対して、放射線コバルト源の線量率に関連する、いわゆるショットの重みによってパラメータ化される照射時間も決定する必要がある。

レクセルガンマナイフ（登録商標）の放射線外科は、計画段階と放出段階とから成る。当該計画段階では、患者のそれぞれの治療計画が、放射線腫瘍医及び物理学者と協力することによって作成される。最も広く使用されている計画手続きによれば、彼らは、試行錯誤の反復過程を通じて、複数のショットの大きさ、形及び重みに加えて、これらのショットの個数及び位置を決定する。治療容積が小さい場合、当該治療計画は、１つ又は２つのショットを要求するだけでよい。しかしながら、当該計画過程は、不規則に形付けられ且つより大きい大きさの標的領域に対してはより複雑になる。これらの場合に対しては、当該治療計画過程の複雑さが、レクセルガンマナイフ（登録商標）の強い性能の利点を完全に得ることを困難にする。このことは、特に最新のバージョンであるレクセルガンマナイフ（登録商標）パーフェクション（商標）において当てはまる。この場合、複数のコバルト源が、同じ大きさの複数のコリメータと一緒に整列する複数のセクタに分類されている。１つずつのセクタは、特定のコリメータの大きさに揃えられ得るか（合成ショット）又は遮断され得る。

したがって、照射されるべき標的に対して放出されるべき位置及び線量と、強すぎる照射から保護されるべき領域とに基づいて、最適の線量測定をもたらすため、ガンマナイフ（登録商標）の放射線外科は、計画の臨界段階を必要とする。

この線量測定は、説明したように、１つ以上の照射アイソセンタ（すなわち、ガンマナイフの複数の放射線が集束する焦点）を使用することに基づく。標的の希望する照射に適合された線量分布を創り出すために設定されるべき技術パラメータは、主に
・照射焦点（アイソセンタ）の個数、
・これらのアイソセンタの位置、
・（レクセルガンマナイフ（登録商標）パーフェクション（商標）によって複数の合成ショットを生成することの可能性を含む）複数の照射ビームのコリメーションの大きさ及び形、
・異なる複数の照射アイソセンタの重みである。

これらの技術パラメータは、特定の線量及び等線量規定の選択を考慮しなければならない。当該計画のための従来の手続きは、比較的複雑で、時間がかかり、直観的でなく且つ遅い。当該計画手続きの期間が、生産性を減少させ、それぞれの治療のコストを増大させる。さらに、当該計画手続きの品質が、本質的にユーザの経験に左右される。この経験を得ることは、世界の数か所のリファレンスセンターで長い訓練期間を要する。

確かに、計画を立てる従来の方法は、上記のように、希望する線量分布を最終的に生成する機械の技術パラメータを規定することを必要とする。これらのパラメータと実際の線量分布との間の関係は、常に直観的とは限らない。したがって、ユーザは、専門的技術を獲得し利用することを依頼される一方で、彼／彼女は、むしろ治療の医療的な観点に集中する。

当該ユーザを支援するため、自動逆方向計画システムが提案されている。オペレータが、（例えば、ＣＴ画像又はＭＲＴ画像からの）標的領域の特性の知識に基づいて、当該標的領域内の或る特定の線量分布及び／又は特定の線量制約を規定するので、この計画は、「逆方向（ｉｎｖｅｒｓｅ）」である。自動逆方向計画システムが、予め決定された線量分布に可能な限り近い治療計画をもたらす一組のパラメータを見つけ出す。

したがって、当該古典的な逆方向計画手続きは、この標的領域と標的領域に照射されるべきその最小線量とをオペレータによって既定することを要求する。第二に、当該計画システムは、保護されるべき領域に対する線量を最小にすることも支援する。

一般に、当該逆方向計画は、最適化問題として定義される。この場合、複数の技術パラメータが、希望する線量分布と実際に達成された線量分布との差を測定するコスト関数を最小にするように自動的に探索される。様々な最適化技術が使用され得る。

現在、この解決策は、医療でめったに使用されておらず、新しいユーザにとって理解することが困難である。さらに、この解決策は、当該ユーザによる手作業の計画調整をさらに要求する。しかし、彼／彼女は、当該彼／彼女の全ての潜在能力を使用しない。何故なら、当該ユーザは、複数の技術パラメータの全ての範囲を試験しようとしないからであり、彼／彼女には、時間的制約が当該計画手続き中にあるからである。当該同じ指摘事項は、当該ユーザによって実行される完全に手作業の計画のときに当てはまる。

国際公開第２００９１３７０１０号パンフレットは、「線量塗り絵（ｄｏｓｅ−ｐａｉｎｔｉｎｇ）」の概念に基づくガンマナイフ（登録商標）の放射線外科用の動的スキームを発展させるためのシステムを記載している。球形の高い線量容積が、３次元球形「ペイントブラシ（ｐａｉｎｔｂｒｕｓｈ）」として目視される。３次元標的容積を「ペイントする（ｐａｉｎｔ）」ためのこの「ペイントブラシ」の最良のルートを見つけ出すので、治療計画が削減される。当該塗り絵の概念の下では、患者が、ロボティクス測位システムの制御下で連続して移動する。この文献では、大きな一組のポテンシャルショットが計算され、１つのショットが、制約付き最小二乗アルゴリズムを使用することによってこの一組内で選択され得る。特に、作成された線量分布と理想的な線量分布との間の差のＬ２ノルムが、２つの制約（それぞれのショットのためのビームオン時間が、閾値よりも高くなければならず、全てのショットのビームオン時間の和（すなわち、最後の放出時間）が、希望する放出時間以下でなければならない）下で最小にされる。この差を最小にすることによって、標的領域内の最小線量が、全ての点で放出されることが保証されない。同様に、許容される最大線量よりも高い照射が、損傷を受けやすい領域の幾つかの点に対して放出されないことが保証されない。理論的に主張しているものの、このシステムの背景及び理論的根拠が明瞭でなく、その臨床的関連は、依然として証明されていない。

米国特許第２０１３１８８８５６号明細書は、画像誘導放射線治療用のリアルタイムの標的評価のためのシステム及び方法に関する。この文献は、予測された放射線線量が計画に応じて実際の標的に放出されることを、どのようにしてリアルタイムに評価するかを記載している。特に、変位検出が、標的に対する治療放射線ビームの任意の変位を確認するために実行される。このとき、当該標的の任意の変位が測定されると、リアルタイムのフィードバックが、リアルタイムのビームの位置を補正するために実行される。当該標的の変位が、治療中のライブ画像を取得するための測定に関するスパース性制約を使用して、記憶された複数の画像を治療中のライブ画像と比較することによって評価される。例えば頭蓋骨の実際の厚さを測定するための当該システムは、線形であり且つ凸最適化問題によって解かれる。

知られているシステムのうちで、米国特許第２０１１０８５６４３号明細書は、スパースセグメントの正則化を使用する放射線治療の逆方向治療計画を記載している。この文献は、放射線治療計画の複数の放射線セグメント（又は複数のサブフィールド）の個数を最小にするための方法を提案している。しかしながら、注目すべきは、当該出願人は、当該治療で使用される複数の照射領域の個数及びパラメータを変更すること又は最適化することを決して示唆していない。この代わりに、この文献に記載された方法は、予め設定されている一組の領域、例えば０°、７０°、１４５°、２１５°、２９０°のガントリー角度に相当する５つの領域（段落［００７９］）を有する治療計画を常に作成する。当該出願人は、これらの領域のうちのそれぞれ１つの領域に対する複数の放射線セグメントの個数を減少させることを目的とするアルゴリズムを提案する一方で、結果として作成される治療計画の当該個数及び入射角は、厳格に予め設定される。

米国特許第２０１１０８５６４３号明細書によって提案された計画方法は、１つずつの線量ショットのフルエンスを最適化するマルチリーフコリメータの設定値の設定を決定することを試みている。それ故に、この計画方法は、例えばガンマナイフ装置のようなマルチリーフコリメータを有しない装置と、１つずつの線量領域のフルエンスが変更され得ない機械とには適用され得ない。

国際公開第２００９１３７０１０号パンフレット 米国特許第２０１３１８８８５６号明細書 米国特許第２０１１０８５６４３号明細書

本発明の課題は、上記の複数の欠点のうちの１つ以上の欠点を除去又は軽減することにある。

本発明の課題は、治療の計画段階を簡単にし得る逆方向計画システムを提供することにある。

本発明の課題は、従来のシステムの代わりとなる逆方向治療計画システムを提供することにある。

本発明によれば、これらの課題は、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治療計画システムであって、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、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、１つの大きさ及び１つの形を有する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て、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当該システムよって解決される。

本発明の逆方向治療計画システムは、焦点式逆方向治療計画システムでもよい。本発明の内容では、表現「焦点治療」は、１つの標的、例えば患者の１つの異常領域（例えば、１つの腫瘍）の特定の複数の領域上に焦点合わせすることを意味する。この治療の放射線源が、当該患者の身体の外側に存在する（焦点治療の非限定の例は、ガンマナイフ（登録商標）及びＨＩＦＵＳ、すなわち高密度焦点式超音波療法である）。

焦点式逆方向治療計画システムは、放射線を使用するシステムでもよい。この場合には、当該システムは、逆方向放射線治療計画システムでもよい。放射線外科及び放射線療法は、放射線治療の非限定の例である。

逆方向放射線治療計画システムは、（例えばガンマナイフ（登録商標）における）電離放射線を使用し得る。別の実施の形態では、前記焦点式逆方向治療計画システムが、電離放射線とは違う放射線、例えば非電離放射線を含む。高密度焦点式超音波療法は、電離放射線を使用しない焦点式治療の非限定の例である。

本発明の逆方向治療計画システムは、内部局部式逆方向治療計画システムであり得る。この場合、この治療の放射線源が、患者の身体の内部にある。ブラキ治療、冷凍冷温治療、ラジオ波焼灼術及び術中治療が、内部局部治療の非限定の例である。

スパース性基準の使用は、演繹的に可能でない多くの解を排除すること、したがって１つの解に迅速に集束させることを可能にする。したがって、当該スパース性は、リアルタイムの計算を可能にする。その結果、複数のショットのリアルタイムの計算を実行することが可能である。

好ましくは、１つ以上の制約が、結果として生じる線量分布に関連付けされ得る。

好ましくは、重みが、単一又は個々の線量ショットの照射時間の代表値になり得る。

個別線量ショットの大きさ及び形が、それぞれのセクタに対して使用される複数のコリメータの大きさと、これらのコリメータの可能な遮断とに基づき得る。

好適な実施の形態では、当該制約が、希望する線量分布による標的領域部分の全体を少なくとも網羅することから成る。さらに、制約が、標的容量の外側の線量分布を変更するために、及び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。必要ならば、制約が、標的領域内の線量分布を規定するために追加されてもよい。

本発明によれば、
・１つ又は複数の制約を満たすように、複数の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。

本発明による独創的なシステムは、リアルタイムの逆方向計画システムによって放射線手術計画を劇的に簡単にする。

好適な実施の形態では、前記１つ又は複数の制約を満たすように、複数の非零の重みの最小個数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。

本発明による独創的なシステムは、線量分布に課せられる制約を得るために照射の最適な技術パラメータを計算することを可能にする。手作業の計画中にユーザによって規定され得る複数のパラメータの個数を検討すれば、最適な解を見つけ出すことは、特に複雑な形の標的の治療において、経験のあるユーザによっても、実際にほとんど不可能である。

本発明による独創的なシステムは、ユーザが放出されるべき線量に関する制約を、標的の縁部又は対象となる容量の任意の場所での集束、大きさ及び勾配においてインタラクティブに規定することを可能にする。

ユーザにとっての利点は、少なくとも以下の事項である：
・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。
・標的の適切な照射と、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。

本発明によるシステムによって実行される計画手続きは、特に標的の複雑な形において、既知の解決策よりも遥かに簡単で、速く且つユーザーフレンドリーである。

さらに、本発明によるシステムによって一回の手続きで複数の標的（例えば、転移性脳腫瘍）を照射することは、妥当な時間・期間において実用的である。

本発明は、逆方向治療計画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（有形：ｔａｎｇｉｂｌｅ）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にも関し、
・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、１つの大きさ及び１つの形を有する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、例えば結果として生じる対応する線量分布に基づいて、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ことを特徴とする。

本発明は、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にも関し、以下の：
・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、１つの大きさ及び１つの形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、例えば結果として生じる対応する線量分布に基づいて、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ことを特徴とする。

本発明は、例によって与えられ、図面によって示された実施の形態の説明の助けを借りてより良好に理解される。

本発明の実施の形態にしたがうコンピュータプログラム製品のコンピュータ使用可能プログラムコードが実行され得る、データ処理システムの実施の形態の例である。 本発明による逆方向治療計画システムの実施の形態で実行され得る方法のフローチャートを示す。 神経鞘腫（青；７０）の輪郭と蝸牛殻（紫；７５）の輪郭とが描かれた、前庭神経鞘腫によって侵された患者のＭＲＩ画像及びＣＴ画像を示す。 複数のガンマナイフショットの位置の特定による可能な治療計画と、複数の等線量曲線とを示す。

本発明は、その用途が専ら頭蓋であるガンマナイフ（登録商標）の放射線外科に関連してより詳しく説明されるものの、本発明は、ここでは上記で説明したようにその他の多くの分野に関連する適用範囲を発見し得る。例えば、本発明は、頭蓋外の放射線外科技術、又は、例えば線形加速器（例えば、エレクタ（Ｅｌｅｋｔａ）によるＶｅｒｓａ ＨＤ）を使用する分割放射線療法技術において、あらゆる種類の電離放射線を使用する治療にも適用され得る。本発明は、ロボット外科又はコンピュータ支援外科にも適用され得る。

図１は、本発明の実施の形態にしたがうコンピュータプログラム製品のコンピュータ使用可能プログラムコードが実行され得る、データ処理システム１００の実施の形態の例である。

本発明による逆方向治療計画システム１００は、
・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。

図２は、本発明による逆方向（ｉｎｖｅｒｓｅ）治療計画システム１００の実施の形態で実行され得る方法のフローチャートを示す。

好ましくは、
・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ショットが、どの程度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。

好適な１つの実施の形態では、事前演算された一組の線量ショット（ステップ１０）の位置が、３次元空間内の一定の解像度から成る３次元（３Ｄ）離散グリッド上で特定され得る。

好適な１つの実施の形態では、当該それぞれの３次元グリッド上の連続する２つの位置が、１ｍｍ未満、例えば０．５ｍｍの間隔だけ離間されている。

説明したように、図２の第１ステップ（ステップ１０）は、３次元グリッド上の可能な全ての位置で特定される（集中される）可能な複数の線量ショット（若しくは複数の線量分布パターン）又は複数の線量ショット（若しくは複数の線量分布パターン）の部分集合（例えば、当該標的領域内だけで特定される複数の線量ショット（若しくは複数の線量分布パターン））のリスト・ディクショナリを作成することである。

好適な１つの実施の形態では、このステップは、個々の線量分布と異なる複数の大きさ及び複数の形との事前演算された複数のパターン（いわゆるカーネル）を考慮することによって、及びこれらのパターン（いわゆるカーネル）を当該考慮された全てのグリッドの位置に翻訳することによって実行され得る。このステップは、例えば当該計画のために取得された医療用画像に基づいて、患者の頭の構造の物性を考慮することによっても実行され得る。

したがって、当該ディクショナリは、一組の関数

である。ここで、Ｎは、当該ディクショナリのサイズを示す。

当該ディクショナリのそれぞれの成分ａ^ｊが、「原子」と名付けられる。

完全な線量分布が、それぞれの原子からの寄与度の重み付けされた和として計算され得る。３次元空間の任意の点（ｘ、ｙ、ｚ）の線量ｄが、

として計算され得る。

ここで、ｓ_ｊは、ｊ番目の原子に関連付けされた重みを示す。

逆方向計画方法の課題は、ステップ２０でユーザによって課される制約が満たされるように、複数の非零の重みｓ_ｊの最小個数を見つけ出すことである。

完全な線量分布ｄが、３次元空間内の既定の複数の点、例えば複数のＰ点の既定のグリッドＧで計算され得る。

この線量分布ｄは、
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。

ここで、Ａは、Ｐ×Ｎの行列である。このＡの複数の列が、グリッドＧのそれぞれの点での各原子によって放出された線量の値である。また、ｓは、次元Ｎの複数の原子の複数の重みの１つのベクトルである。

本発明によれば、ｓは、スパース（ｓｐａｒｓｅ）である必要がある。すなわち、ｓの非零の係数の数Ｋが、Ｎよりも非常に小さい必要がある。代表的な例では、Ｎは、１００，０００以上の大きさである一方で、Ｋは、２０以下の小ささである。

ｓ内の複数の非零成分の複数の位置は、ディクショナリ内のどの原子が治療で使用されるかを決定する。すなわち、これらの位置は、実際の複数のショットの形及びそれらの位置を決定する。

ｓの当該複数の値が、複数のショット重みを決定する。

ディクショナリＡ（図２のステップ１０）を作成すると、複数の非零成分の最小個数による１つのベクトルｓが、ステップ２０でユーザによって規定された線量制約を満たすことによって計算される。

たとえ、図２の線量制約が、当該ディクショナリの事前演算の後にユーザによって入力されるとしても、この入力は、事前演算ステップ１０の前に実行されてもよいことが分かる。

ベクトルｓの重み付けされたＬ１ノルム（すなわち、ベクトルｓの複数の成分の和）を最小にし、全ての線量制約に合致させる計画が、最適化基準として提唱されている。ｓの当該重み付けされたＬ１ノルムは、治療時間に密に関連する。個々の線量ショットの重みだけが最適化されるので、この最適化問題は、凸最適化問題（ステップ５０）として有益に考案され得る（線量制約が、非凸最適化問題に帰着することを保証するため、実際には、個々の線量ショットの位置、大きさ、形及び重みを同時に最適化する）。別の実施の形態では、ベクトルｓの重み付けされたＬ０ノルム（すなわち、零とは違うベクトルｓの複数の成分の個数）を最小にし、全ての線量制約に合致させる計画が提唱されている。別の実施の形態では、ベクトルｓの重み付けされたＬ２ノルムを最小にし、全ての線量制約に合致させる計画が提唱されている。文字Ｔは、標的領域に属する複数の点に対応するベクトルｆの一組のインデックスを示し、文字Ｒは、保護されるべき損傷を受けやすい領域に属する複数の点に対応するベクトルｆの一組のインデックスを示し、Ｑは、残りの一組のインデックスを示す。文字ａ_ｊは、行列Ａのｉ番目の行を示す。ベクトルｆのｉ番目の成分が、
ｆ_ｉ＝ａ_ｊｓ
、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：

を解くことによって計算される。

この場合、

は、重みｗ_ｉ≧０を有するベクトルｓの重み付けされたＬ１ノルムを示し、ｂ_ｍｉｎは、標的領域Ｔでの最小線量であり、ｂ_ｍａｘは、損傷を受けやすい領域Ｒでの最大許容線量であり、ｓ≧０は、ｓの値に関する正の制約を示す。

追加の制約が、等価な制約又は非等価な制約としてステップ２０で上記式に追加され得る。このことは、例えば希望する線量勾配インデックスに関連付けられ得る。

重み付けされたＬ１ノルムは、スパース解を求める凸関数である。すなわち、この制約された最小化問題を解くことは、全ての線量制約に合致する最もスパースなベクトルｓを決定する。重みｗ_ｉが、ディクショナリ内の複数のカーネル（ｋｅｒｎｅｌ）に対して異なるペナルティを課す。例えば、一組のカーネルが、その処理中により多くの時間を要することを経験的に知っている場合、当該関連付けされた重みが、残りの重みよりも大きい。その結果、その処理時間を最小にする最適化問題が得られる。上記放出時間についての経験的な情報がない場合、全ての重みが、１つの重みに設定され得る。

このとき、この最適化問題は、凸最適化方法によって、例えば凸線形プログラミングアルゴリズムによって解決され得る。

さらに、本発明のシステムが、逆方向治療計画システムを提唱する。この場合、完全な線量分布が、事前演算された複数のシングルショット線量の事前演算ディクショナリ又はライブラリから選択されたシングルショット線量のスパース線形結合としてモデル化されている。

凸制約された最適化手続きは、当該治療計画を決定するために使用される。ショット重みが、スパース性の制約の下で、線量分布に関する制約が満たされることを保証するために最適化される。

当該最適化手続きは、ユーザが最初のショット位置を提供することを必要とせず、当該凸最適化の策定は、標的領域と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のようなその他の領域との双方に適用される線量制約を含み得る。

図１は、本発明によるシステム１００の実施の形態である。図１のシステム１００は、典型的にはクライアント、サーバ等を有し、この図に示されていないコンピュータネットワークの任意のノードに構築されてもよく及び／又はさもなければ稼働してもよい。図１に示された実施の形態では、システム１００は、処理装置１０４と一時記憶装置１０６と持続記憶装置１０８と通信装置１１０と入出力（Ｉ／Ｏ）装置１１２と表示装置１１４との間の通信を提供する通信構造１０２を有する。

処理装置１０４は、一時記憶装置１０６内に転送され得るソフトウェアのための命令を実行する。処理装置１０４は、１つ以上から構成される一組のプロセッサでもよく、特定の実行に依存するマルチプロセッサコアでもよい。さらに、処理装置１０４は、メインプロセッサが二次プロセッサと一緒にシングルチップ上に存在する異なる１つ以上のプロセッサシステムを使用して実行されてもよい。別の実例としては、処理装置１０４は、同じ種類のマルチプロセッサを有する対称マルチプロセッサシステムでもよい。

幾つかの実施の形態では、図１に示された一時記憶装置１０６は、ランダムアクセスメモリ又はその他の任意の適切な揮発性記憶装置若しくは不揮発性記憶装置でもよい。持続記憶装置１０８は、特定の実行に応じて様々な方式を採用し得る。例えば、持続記憶装置１０８は、１つ以上の素子又はデバイスを有してもよい。持続記憶装置１０８は、ハードドライブ、フラッシュメモリ、書換形光ディスク若しくは書換形磁気テープ又はこれらの幾つかの組み合わせでもよい。持続記憶装置１０８によって使用される当該記憶媒体は、取り外し式ハードドライブに限定されないものの、取り外し式の記憶媒体でもよい。

図１に示された通信装置１１０は、その他のデータ処理システム又は装置との通信を提供する。これらの例では、通信装置１１０は、ネットワークインタフェースカードである。モデム、ケーブルモデム及びイーサネットカードが、今現在入手可能な種類のネットワークインタフェースアダプタのいくつかである。通信装置１１０は、物理的な通信リンク若しくは無線の通信リンク又はこれら両方の通信リンクの使用を介した通信を提供し得る。

図１に示された入出装置１１２は、システム１００に接続され得るその他の装置とのデータの入力及び出力を可能にする。幾つかの実施の形態では、入出力装置１１２は、キーボード及びマウスを介したユーザ入力のための接続部を提供してもよい。さらに、入出力装置１１２は、プリンタに出力を送信してもよい。表示装置１１４が、ユーザに情報を表示するための機構を提供する。

オペレーティングシステム用の命令及びアプリケーション又はプログラムが、持続記憶装置１０８上に実装されている。これらの命令は、処理装置１０４による実行のために一時記憶装置１０６内に転送されてもよい。異なる実施の形態の処理が、一時記憶装置１０６のような記憶装置に実装し得るような、コンピュータに実装された複数の命令を使用して処理装置１０４によって実行されてもよい。これらの命令は、処理装置１０４内のプロセッサによって読み取られ実行されるプログラムコード、コンピュータ使用可能プログラムコード又はコンピュータ可読プログラムコードと記される。異なる実施の形態におけるプログラムコードが、一時記憶装置１０６又は持続記憶装置１０８のような物理的な又は実体的な異なるコンピュータ可読媒体上で具現されてもよい。

プログラムコード１１６は、コンピュータ可読媒体１１８上に関数形式で実装されている。このコンピュータ可読媒体１１８は、選択的に取り外し可能であり、処理装置１０４による実行のためにシステム１００上に転送されてもよく又はシステム１００に送信されてもよい。プログラムコード１１６及びコンピュータ可読媒体１１８は、これらの例におけるコンピュータプログラム製品を構成する。１つの例では、コンピュータ可読媒体１１８は、例えば、持続記憶装置１０８の一部であるハードディスクのような記憶装置上に転送するための持続記憶装置１０８の一部であるドライブ又はその他の装置内に差し込まれるか若しくは設置される光ディスク又は磁気ディスクのような実体的な構成でもよい。１つの実体的な構成では、コンピュータ可読媒体１１８は、システム１００に接続されているハードドライブ、サムドライブ又はフラッシュメモリのような持続記憶装置の構成を採用してもよい。コンピュータ可読媒体１１８の当該実体的な構成は、コンピュータ記録可能記憶媒体とも記される。幾つかの例では、コンピュータ可読媒体１１８は、取り外し可能でなくてもよい。

この代わりに、プログラムコード１１６が、通信装置１１０に対する通信リンクを通じて及び／又は入出力装置１１２に対する接続を通じてコンピュータ可読媒体１１８からシステム１００に転送されてもよい。実際の例では、当該通信リンク及び／又は当該接続は、物理的でもよく又は無線式でもよい。当該コンピュータ可読媒体は、プログラムコードを有する通信リンク又は無線式の転送のような非実態的な媒体の構成を採用してもよい。

データ処理システム１００に対して図示された様々な構成要素は、様々な実施の形態が実装され得る態様に対してアーキテクチャ上の制限を課そうとするものではない。データ処理システム１００に対して図示された当該複数の構成要素に加えて又はこれらの構成要素の代わりに、様々な実際の実施の形態が、複数の構成要素を有するデータ処理システム内に実装されてもよい。図１に示されたその他の構成要素が、当該図示された実際の例から変更され得る。例えば、システム１００内の１つの記憶装置は、データを記憶し得る任意のハードウェア装置である。一時記憶装置１０６、持続記憶装置１０８及びコンピュータ可読媒体１１８は、実体的な構成における記憶装置の例である。

１つの実施の形態によれば、本発明によるシステムは、単一コンピュータの処理装置（ＣＰＵ）上に実装されている。別の実施の形態では、当該システムは、複数のコアが並列に稼働するマルチコアコンピュータ上に実装されている。別の実施の形態では、当該システムは、１つのコンピュータのグラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）上に実装されている。別の実施の形態では、当該システムは、全体的に又は部分的に並列に稼働する複数のコンピュータ上に実装されている。

本発明の独立した観点によれば、本発明によるシステムは、（遠隔訓練及び遠隔指導を含む）革新的な複数の訓練シナリオで共有され得る。１つの実施の形態では、インタラクティブな逆方向計画が、テレサービスとして提供される。当該システムが、安全なインターネット接続を通じてユーザによってアクセスされた処理センタ内で稼働する。

１つのバリエーションによれば、本発明の放射線計画システムが、治療中に照射標的を捕捉することを可能にし、当該標的領域の幾何構造が変化したときに、情報を提供する画像センサ又は位置センサを備えているか又は当該センサに接続されている。当該システムは、例えば患者の不随意運動若しくは呼吸に起因して、又はその他の任意の理由に起因して、何時標的臓器又は臓器の一部の形、位置及び大きさが既定の閾値を超えて変化したのかを認識するように適合されている。本発明の逆方向放射線治療計画は、事前に選択した解から開始して、当該標的の更新された形に対する新しい解を見つけ出し、その代わりに、当該変化が、治療を安全の範囲内で続行できない程度であるときに、当該治療を停止する上記のような最適化手続きを繰り返すように配列されてもよい。好ましくは、本発明のシステムは、定位フレームをより低侵襲の位置決めシステムに交換し、定位フレームが適用され得ない領域を治療するために使用され得る。

治療計画の決定の例
放射線外科における治療計画の決定は、多くの場合に以下のステップから成る：
ａ．脳神経外科医が、診断を行い、適切な方式の治療、例えばガンマナイフ放射線外科処置を選択する。
ｂ．患者が、医療画像形成手続きを受ける。標的容積の断層画像が、計画システムに転送される（図３、前庭神経鞘腫によって侵された対象のＣＴ画像及びＭＲＩ画像）。
ｃ．当該脳神経外科医が、標的容積へ放出されるべき標的総線量を決定し、隣接している危険な臓器及び組織、この場合には当該標的に隣接した内耳組織、内に課され得る線量に対する上限値を設定する。
ｄ．当該脳神経外科医が、標的７０の輪郭と、危険な状態にある隣接している臓器７５の輪郭とを描く。この目的のため、当該脳神経外科医は、特別な自動セグメンテーションソフトウェア及び断層解剖アトラスを使用してもよい。図３は、神経鞘腫７０（青）の異なる複数の輪郭と、照射を回避されなければならない蝸牛殻（紫）の異なる複数の輪郭とを示す。
ｅ．当該脳神経外科医が、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．当該外科医が、この段階で、複数の臨床目標地点（図４）に適合する線量分布を導く複数のショットを決定するために逆方向計画ソフトウェアを適用する。各ショットが、それぞれのガンマナイフセクタごとのコリメータの絞り径によって特徴付けられ、図中に複数の地点８０によって示されている。これらの地点８０は、当該ショット軸と画面との交点に相当する。黄色の輪郭８２と緑色の輪郭８４は、１２グレイの等線量曲線及び４グレイの等線量曲線に相当する。当該線量測定の結果が、満足しない場合、当該計画者が、これらの目標地点と最適化境界条件とを適合させることによって当該治療計画を改良してもよい。当該計画者は、可能であるならば、これらのショット、それらの期間、強度及び位置を手動で修正してもよい。この計画は、当該治療計画が当該臨床医によって画定された全ての境界条件を満たすときに完了する。この計画は、非常に時間がかかり、計画を計算するために必要とされる時間は、経験を積んだ専門家によれば数分又は数時間のオーダーである。
ｇ．当該計画が、この段階で、放射線物理学者によって頻繁に検査される。ステップｅ〜ｆが、当該外科医によって固定された複数の臨床目標地点に基づいて放射線物理学者によって実行されてもよい。
ｈ．次いで、当該計画が、照射機用の命令に変換され、この照射機にアップロードされる。このアップロード後に、治療が開始し得る。

実際には、入手可能な逆方向計画ソフトウェアが遅いとみなしている若干の脳神経外科医は、フォワードプランニングによって治療計画を設定すること、すなわちコリメータの絞りを手動で設定し、長い経験に頼る試行錯誤によって当該絞りを調整することの方を好む。この技術は、より速く且つより効率的であると多くの場合にみなされている。

本発明の方法は、項目（ｆ．）で説明されたショットの個数を決定するステップを自動化することを可能にする。当該方法は、当該分野で使用された方法よりも遥かに速く多数の解から最適な１つの解を計算することも可能にする。オペレータが、最良の計画を数分又は数十分のうちではなくて、数十秒のうちに取得し得る。このため、脳神経外科医が、最適な計画を直ちに取得でき、最初の計画に妥協するか又はその後の次に最適な計画を使用するか、は必要がない。

本発明の方法は、数秒内に解答を付与するので、脳神経外科医は、最適な境界条件及び輪郭に適合させることのような、さらなるバリエーションを探索する余った時間を得るだろう。当該スパース性を最適化基準として使用すると、標的とされる構造内の治療レベルが均一になり、危険臓器への照射がより良好に回避される。

１０ 事前演算ステップ
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
７０ 標的の構造（神経鞘腫）
７５ 危険臓器（蝸牛殻）
８０ ショット
８２ １２グレイの等線量曲線
８４ ４グレイの等線量曲線
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 (17)

1. ・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）とを有する逆方向治療計画システムであって、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、
   ・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、１つの大きさ及び１つの形を有する一組の個別線量ショット（ａ^ｊ）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（ｓ_ｊ）を１つずつの線量ショット（ａ^ｊ）に関連付けて（４０）、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）、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。
2. ・前記１つ又は複数の制約を満たすように（２０）、複数の非零の重みの最小個数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請求項１に記載のシステム。
3. 前記複数の非零の重み（ｓ_ｊ）の個数は、事前演算された複数の個別線量ショット（ａ^ｊ）の個数の少なくとも１／１００である請求項１又は２に記載のシステム。
4. ・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１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. ・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Ｌ０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１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
6. ・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１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
7. ・１つの３次元グリッド（Ｇ）の１つの位置にある１つずつの線量ショット（ａ^ｊ）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１〜６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 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１〜７のいずれか１項に記載のシステム。
9. 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１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
10. ・一組の個別線量ショット（ａ^ｊ）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ように構成されている請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
11. ・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１〜１０のいずれか１項に記載のシステム。
12. 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１１に記載のシステム。
13. 前記システムは、焦点式逆方向治療計画システムである請求項１〜１２のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記システムは、逆方向放射線治療計画システムである請求項１３に記載のシステム。
15. 前記システムは、例えば陽子、ガンマ線、Ｘ線若しくは制動放射線、イオン、及び／又はＨＩＦＵＳを含む非電離放射線のような、電離放射線を含む逆方向放射線治療計画システムである請求項１４に記載のシステム。
16. 逆方向治療計画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、１つの大きさ及び１つの形を有する一組の個別線量ショット（ａ）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（ｓ_ｊ）を１つずつの線量ショットに関連付けて（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（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コンピュータプログラム製品。
17. 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、１つの大きさ及び１つの形を有する一組の個別線量ショット（ａ^ｊ）を事前演算するステップ（１０）と、
    ・１つ又は複数の制約に基づいて（２０）、１つの重み（ｓ_ｊ）を１つずつの個別線量ショット（ａ^ｊ）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（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コンピュータデータキャリア。

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