JP2018134208A - Radiotherapy planning apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は放射線治療計画装置に関するものである。 The present invention relates to a radiation therapy planning apparatus.
放射線治療では標的となる腫瘍細胞に対して放射線が照射されることによって腫瘍にダメージを与え治療を行う。治療に用いる放射線では、X線が最も広く利用されているが、標的への線量集中性が高い陽子線や炭素線に代表される粒子線(荷電粒子ビーム)の需要も高まっている。 In radiation therapy, a tumor is damaged by irradiating a target tumor cell with radiation. X-rays are the most widely used radiation for treatment, but demand for particle beams (charged particle beams) typified by proton beams and carbon beams with high dose concentration on the target is increasing.
放射線治療においては、腫瘍領域に対してできるだけ正確に、できるだけ集中するように指定した線量を照射することが治療効果の向上につながる。 In radiotherapy, irradiating a dose designated to concentrate as much as possible on the tumor area as much as possible leads to an improvement in the therapeutic effect.
粒子線治療においては線量を集中させる方法として、スキャニング法の利用が広がりつつある。これは細い粒子ビームを、治療装置内の二組の走査電磁石により偏向させ、平面内の任意の位置に導くことで腫瘍内部を塗りつぶすように照射し、腫瘍領域にのみ高い線量を付与するという方法である。スキャニング法では、患者固有の器具が基本的に必要なく、また、様々な分布を形成できるという利点がある。 In the particle beam therapy, the use of the scanning method is spreading as a method of concentrating the dose. This is a method in which a thin particle beam is deflected by two sets of scanning electromagnets in the treatment apparatus and guided to an arbitrary position in the plane so as to fill the inside of the tumor, thereby giving a high dose only to the tumor area. It is. The scanning method does not basically require a patient-specific device, and has an advantage that various distributions can be formed.
このスキャニング法を実現するためには、照射前に、放射線治療計画装置を用いて治療計画を作成する過程が極めて重要となる。治療計画装置とはCT画像等から得られる患者体内の情報を基に、患者体内での線量分布を数値計算によりシミュレートする機能を有する計算機のことである。操作者(治療計画を立案する作業者)は、治療計画装置が出力する計算結果を参照しながら、粒子線を照射する方向やビームエネルギー,照射位置,照射量等の照射条件(治療計画とも呼ぶ)を決定する。以下にその一般的な過程を、図1を用いて簡単に説明する。この治療計画作成過程の詳細は特許文献1に詳しく記されている。
In order to realize this scanning method, a process of creating a treatment plan using a radiation treatment planning apparatus before irradiation is extremely important. The treatment planning apparatus is a computer having a function of simulating a dose distribution in a patient body by numerical calculation based on information in the patient body obtained from a CT image or the like. An operator (an operator who makes a treatment plan) refers to a calculation result output by the treatment planning apparatus, and irradiation conditions (also called a treatment plan) such as a direction of beam irradiation, beam energy, irradiation position, and dose. ). The general process will be briefly described below with reference to FIG. Details of this treatment plan creation process are described in detail in
操作者は、はじめに放射線を照射すべき標的領域を入力,登録する(ステップS101)。主としてCT画像を用い、画像の各スライスに標的となる領域を入力する。入力したデータは、操作者が治療計画装置に登録することで、3次元の領域データとして治療計画装置上のメモリに保存される。必要があれば、放射線の照射量を低く抑えるべき重要臓器の位置も同様に入力し、登録する。 The operator first inputs and registers a target area to be irradiated with radiation (step S101). A CT image is mainly used, and a target region is input to each slice of the image. The input data is stored in the memory on the treatment planning apparatus as three-dimensional area data when the operator registers it in the treatment planning apparatus. If necessary, enter and register the positions of important organs where the radiation dose should be kept low.
続いて、操作者は標的のマージン量およびビームの照射方向等の照射条件を設定する(ステップS102)。マージン量は、標的となる腫瘍部分を覆うのに必要な領域よりもわずかに広い範囲(標的領域)に照射を行うために設定される。マージンを設定することで、腫瘍位置や照射位置に小さな変動が生じたとしても、大きな線量を付与したい腫瘍の部分が確実に照射されることを保証することが可能となる。 Subsequently, the operator sets irradiation conditions such as a target margin amount and a beam irradiation direction (step S102). The margin amount is set in order to irradiate a range (target region) slightly wider than the region necessary for covering the target tumor portion. By setting a margin, it is possible to ensure that a portion of a tumor to which a large dose is to be applied is reliably irradiated even if a small variation occurs in the tumor position or irradiation position.
次に、操作者は、登録した各々の領域に照射する線量の目標値(処方線量)の関連パラメータを設定する(ステップS103)。処方線量の関連パラメータの設定は登録された標的領域(標的)、および重要臓器に対して行う。 Next, the operator sets a related parameter of a target value (prescription dose) for irradiating each registered area (step S103). Prescription dose related parameters are set for registered target areas (targets) and important organs.
例えば、標的領域であれば腫瘍を死滅させるのに十分な線量が指定される。一方、重要臓器に関しては、臓器が耐えうる線量として許容線量が指定される。許容線量の指定方法には、重要臓器への最大線量を指定する方法だけでなく、リスク臓器の体積情報と線量分布から算出される線量評価指標である線量体積ヒストグラム(Dose−Volume Histogram, DVH)を用いて指定する方法がある。ここでは、重要臓器への最大線量を指定する方法を例として説明する。 For example, in the target area, a dose sufficient to kill the tumor is specified. On the other hand, regarding an important organ, an allowable dose is designated as a dose that can be tolerated by the organ. In addition to specifying the maximum dose to an important organ, a dose volume histogram (Dose-Volume Histogram, DVH) that is a dose evaluation index calculated from the volume information and dose distribution of a risk organ is included in the method of specifying an allowable dose. There is a method to specify using. Here, a method for specifying the maximum dose to an important organ will be described as an example.
続いて、処方線量を満足する線量分布を実現する照射条件を決定する。操作者は、妥当と考える線量分布が得られるまで、治療計画装置を用いて照射スポットの照射量を探索する最適化計算を行う(ステップS104)。スポットの照射量を効率よく決定するために、処方線量からのずれを数値化した目的関数を用いて、反復計算によりスポットの照射量を最適化する方法が広く採用されている。 Subsequently, an irradiation condition for realizing a dose distribution satisfying the prescription dose is determined. The operator performs an optimization calculation for searching for the irradiation dose of the irradiation spot by using the treatment planning apparatus until a dose distribution considered to be appropriate is obtained (step S104). In order to efficiently determine the amount of irradiation of the spot, a method of optimizing the amount of irradiation of the spot by iterative calculation using an objective function that quantifies the deviation from the prescription dose is widely adopted.
治療計画装置は、反復計算により照射スポットの照射量が算出されると、得られたスポットの照射位置と照射量を基に、線量分布を算出し、画面上に表示する(ステップS105)。操作者は、表示された線量分布またはDVHに代表される線量評価指標を確認することで、治療計画の質を評価し、治療に使用する治療計画とするかどうか判定する(ステップS106)。例えば、処方された線量と大きく異なる線量が与えられた領域が確認され、操作者が作成された治療計画の質が低いと判定した場合には、処理を上述のステップS102に戻して、照射条件を変更し、再度治療計画を作成し直す。これに対し、治療に使用し得ると判定したときは処理を終了する。 When the dose of the irradiation spot is calculated by iterative calculation, the treatment planning apparatus calculates a dose distribution based on the obtained irradiation position and dose of the spot and displays it on the screen (step S105). The operator evaluates the quality of the treatment plan by checking the displayed dose distribution or the dose evaluation index represented by DVH, and determines whether or not the treatment plan is used for the treatment (step S106). For example, if an area where a dose significantly different from the prescribed dose is confirmed and the operator determines that the quality of the created treatment plan is low, the process returns to step S102 described above, and irradiation conditions And re-create the treatment plan. On the other hand, when it is determined that it can be used for treatment, the process is terminated.
処方された線量との乖離が小さい(質の高い)治療計画を作成するためには、ステップS105での最適化計算時に照射装置内の線量モニタの検出下限値(最小MU値)を考慮することが重要である、との報告がされている(例えば非特許文献1,2等参照)。
In order to create a treatment plan with a small deviation from the prescribed dose (high quality), consider the detection lower limit (minimum MU value) of the dose monitor in the irradiation apparatus during the optimization calculation in step S105. Is reported to be important (see, for example,
上述の非特許文献1,2で言及されているように、最小MU値を考慮せずにスポット照射量を最適化した場合、最小MU値以下の照射量を持ったスポットの照射量が「切り上げ」又は「切り捨て」されて照射されるため、線量分布およびDVHの悪化を引き起こすことになる。
As mentioned in
ここで、陽子線治療施設の収益面を考えると、治療のスループットを向上させ、限られた時間内で多くの患者を治療できるように、患者一人当たりの治療時間を短縮させることが望ましい。また、治療時間を低減させることは、患者の負担の低減にもつながる、との利点がある。 Here, considering the profit side of the proton therapy facility, it is desirable to shorten the treatment time per patient so that the treatment throughput can be improved and many patients can be treated within a limited time. Moreover, there is an advantage that reducing the treatment time leads to a reduction in the burden on the patient.
放射線治療で近年用いられているスキャニング照射法では、同一エネルギーの照射に関しては、2対の走査電磁石を用いてスキャン速度2.0m/s〜8.0m/sでビームを高速に照射することが可能である。 In the scanning irradiation method used in recent years in radiotherapy, with the same energy irradiation, two pairs of scanning electromagnets can be used to irradiate a beam at a high scanning speed of 2.0 m / s to 8.0 m / s. Is possible.
この一方で、エネルギーの変更に関しては、エネルギーを変更する都度ビームを加減速する必要があり、走査電磁石によるスキャンに比べてエネルギーの変更に多くの時間を要している。このエネルギー変更時間が治療を長引かせる要因の一つとなっている。 On the other hand, regarding the energy change, it is necessary to accelerate and decelerate the beam every time the energy is changed, and it takes much time to change the energy as compared with the scanning by the scanning electromagnet. This energy change time is one of the factors that prolong treatment.
最小MU値の制約を考慮して照射量を最適化した場合、相対的に照射量が小さくなる低エネルギー側のエネルギーレイヤに於いて、照射スポットが疎に配置されたエネルギーレイヤが増加することが知られている。この浅い側のエネルギーレイヤに対して、効率良くスポットとエネルギーレイヤを選択し照射計画を作成することが出来れば、エネルギーレイヤ数の削減によりエネルギー変更回数が削減され、治療時間が短縮されると予想される。しかしながら、治療計画の質を担保する必要最低限のエネルギーレイヤを決めることは難しかった。 When the irradiation amount is optimized in consideration of the restriction of the minimum MU value, the energy layer in which the irradiation spots are sparsely arranged increases in the energy layer on the low energy side where the irradiation amount becomes relatively small. Are known. If an irradiation plan can be created by efficiently selecting spots and energy layers for this shallow energy layer, the number of energy changes will be reduced by reducing the number of energy layers, and treatment time will be shortened. Is done. However, it has been difficult to determine the minimum energy layer that ensures the quality of the treatment plan.
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであって、照射エネルギーを適切に選択することができ、照射量を最適化して照射に要する時間を短縮することができる治療計画を作成することができる放射線治療計画装置を提供する。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and can create a treatment plan that can appropriately select irradiation energy, optimize the irradiation amount, and shorten the time required for irradiation. Provided is a radiotherapy planning apparatus capable of
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、照射対象に対して放射線治療を行うための治療計画情報を作成する放射線治療計画装置であって、治療計画情報を作成する演算装置と、前記演算装置によって作成された前記治療計画情報を表示する表示装置と、を備え、前記演算装置は、前記照射対象を複数のエネルギーレイヤに分割し、分割した前記複数のエネルギーレイヤ毎に設定した指標に基づいてエネルギーレイヤの削減候補を少なくとも一つ以上設定し、若しくは操作者の入力に基づきエネルギーレイヤ削減候補を設定し、前記削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数を定義して、定義した前記目的関数を用いてスポット照射量を最適化計算することを特徴とする。
In order to solve the above problems, for example, the configuration described in the claims is adopted.
The present invention includes a plurality of means for solving the above-described problems. For example, a radiation treatment planning apparatus for creating treatment plan information for performing radiation treatment on an irradiation target, the treatment A computing device for creating plan information; and a display device for displaying the treatment plan information created by the computing device, wherein the computing device divides the irradiation target into a plurality of energy layers, and At least one energy layer reduction candidate is set based on an index set for each of a plurality of energy layers, or energy layer reduction candidates are set based on an input from an operator, and the number of irradiation spots or irradiation amount of the reduction candidates Defining an objective function that can be selectively reduced, and using the defined objective function to optimize the spot irradiation amount, That.
本発明によれば、照射時間を短縮できる治療計画を作成することができる。 According to the present invention, it is possible to create a treatment plan that can shorten the irradiation time.
本発明の放射線治療計画装置の実施例を、図2乃至図9を用いて説明する。最初に、本実施例の放射線治療計画装置の全体構成について図2を参照して説明する。図2に本実施例の放射線治療計画装置の全体構成を示す。 An embodiment of the radiotherapy planning apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. Initially, the whole structure of the radiotherapy planning apparatus of a present Example is demonstrated with reference to FIG. FIG. 2 shows the overall configuration of the radiotherapy planning apparatus according to this embodiment.
図2において、治療計画装置(放射線治療計画装置)201は、標的領域(照射対象)402(図4参照)に対して放射線治療を行うための治療計画情報を作成するための装置である。図2に示すように、治療計画装置201は、入力装置202、表示装置203、メモリ204、演算処理装置(演算装置)205、通信装置206を備えている。
In FIG. 2, a treatment planning device (radiotherapy planning device) 201 is a device for creating treatment plan information for performing radiation treatment on a target region (irradiation target) 402 (see FIG. 4). As illustrated in FIG. 2, the
入力装置202は、治療計画を作成する際に、操作者が標的領域402に対する処方線量等の各種情報や各種処理の実行,設定変更,終了を入力するための装置であり、例えばキーボードやマウスである。
The
表示装置203は、治療計画を作成する際に必要な各種情報や各種処理の実行,設定変更,終了を入力する際に、操作者に情報などを提供するための表示装置である。
The
特に、本実施例の表示装置203では、演算処理装置205によって作成された治療計画情報が表示されるとともに、後述するエネルギーレイヤの削減候補を操作者が選択、設定するための選択画面(図8,9参照)を表示する。この表示される選択画面中には、エネルギーレイヤ削減前後のエネルギーレイヤの情報が比較表示される(図8参照)。また、表示装置203には、エネルギーレイヤ最適化に使用するパラメータを操作者が入力するための入力画面(図5参照)が表示される。これらの詳細は後述する。
In particular, in the
メモリ204は、後述する演算処理装置205における各種の演算処理の際に用いる情報を一時的に記憶する装置である。
The
演算処理装置205は、演算処理を行い、線量分布を入力装置202によって入力された処方線量に近づけるように照射条件を決定し、治療計画情報を作成する装置であり、照射スポットの最適化計算を実施する本演算部205Aと、エネルギーレイヤの最適化を実施するエネルギーレイヤ最適化演算部205Bとから構成されている。演算処理装置205は、入力装置202や表示装置203、メモリ204、通信装置206に接続されており、ネットワークを介してデータサーバ207と接続されている。具体的には、治療計画装置201の通信装置206が、ネットワークを介してデータサーバ207に接続されて患者に関するデータのやりとりをする。
The
詳しくは後述するが、本実施例の演算処理装置205では、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bによって、標的領域402を複数のエネルギーレイヤに分割し、分割した複数のエネルギーレイヤから少なくとも一つ以上のエネルギーレイヤを削減するレイヤ最適化処理を行う。
As will be described in detail later, in the
このエネルギーレイヤ最適化演算部205Bにおけるレイヤ最適化処理では、複数のエネルギーレイヤ毎に設定した指標に基づいてエネルギーレイヤの削減候補を設定し、削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数を定義して、定義した目的関数を用いてスポット照射量を最適化計算により算出する。このエネルギーレイヤの削減候補は、各エネルギーレイヤ中における最適化計算前後のスポットの残存率等の予め設定した指標に基づいて自動で決定する。
In the layer optimization processing in the energy layer
また、演算処理装置205は、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bによって、レイヤ最適化処理による目的関数値の許容変化量を演算し、許容変化量が所定基準を満たしているか否かを判定して、所定基準を満たしていないと判定されたときはエネルギー削減項の重要度を変更して、再度エネルギーレイヤの最適化を実施する。
Further, the
次に、図3乃至図8を参照して、本実施例にかかる放射線治療計画装置を用いたスキャニング照射法による粒子線治療の治療計画の立案の流れについて治療計画装置201内の各装置の機能・動作を絡めて説明する。図3は治療計画が立案されるまでの流れを表す図、図4はCTデータのスライス内における標的領域および重要臓器の入力を説明する図、図5はエネルギーレイヤ最適化に使用するパラメータを設定する画面の一例を示す図、図6は線量制約項からなる目的関数を用いた照射量最適化計算時における処理の流れを表す図、図7はエネルギーレイヤ最適化時の処理の流れを表す図、図8はエネルギーレイヤの削減効果の確認画面の一例を示す図である。
Next, referring to FIG. 3 to FIG. 8, the function of each device in the
なお、スキャニング照射法には、ある照射位置(スポット)に規定量のビームを照射後に一度ビームを停止し、次の照射すべき照射位置に移動した後に再び照射を開始するスポットスキャニング方式と、照射位置の移動中にもビームの照射を停止しないラスター方式とがある。以下、粒子線によるスポットスキャニング方式を前提として説明する。但し、ラスター方式であっても、照射条件を求める場合には離散的に計算を行うために複数の照射位置を設定する必要があるため、本発明の放射線治療計画装置は、ラスター方式を用いる治療の治療計画を作成する場合にも好適に適応可能である。 The scanning irradiation method includes a spot scanning method in which the beam is stopped once after irradiating a predetermined amount of the beam to a certain irradiation position (spot), and after moving to the irradiation position to be irradiated next, irradiation is started again. There is a raster system that does not stop the irradiation of the beam even while the position is moving. Hereinafter, description will be made on the premise of a spot scanning method using particle beams. However, even in the case of the raster method, since it is necessary to set a plurality of irradiation positions in order to perform discrete calculation when obtaining the irradiation condition, the radiation treatment planning apparatus of the present invention is a treatment using the raster method. The present invention can also be suitably applied to the preparation of a treatment plan.
図3において、治療計画の立案を開始すると、操作者は、入力装置202に相当するマウス等の機器を用いて、領域入力画面でCT画像のスライスごとに指定すべき領域を入力する。各スライスで入力が終わると、操作者は入力した領域を装置に登録する(ステップS301)。
In FIG. 3, when a treatment plan is started, the operator inputs a region to be specified for each slice of the CT image on a region input screen using a device such as a mouse corresponding to the
図4は操作者が表示装置203において、CT画像のあるスライス401上で標的領域402と重要臓器403を入力した状態を例として示している。照射線量を抑えるべき重要臓器403が標的領域402の近傍に存在するなど、他に評価、制御を必要とする領域がある場合、操作者はそれら重要臓器403等の位置も同様に登録する。操作者は、これら入力した標的領域402,重要臓器403の治療計画装置201への登録指示操作を行う。
FIG. 4 shows an example in which the operator inputs the
登録することで、操作者が入力したこれらの領域は治療計画装置201に登録され、3次元の位置情報としてメモリ204に保存される。
By registering, these areas input by the operator are registered in the
次に、操作者は登録された標的領域に対して照射条件(処方線量や照射角度等)を決定する(ステップS302)。すなわち、標的領域402と重要臓器403の位置に基づき、照射門数や照射方向、照射スポット間隔、およびマージン量を設定する。すべての照射条件を操作者が決めるのではなく、治療計画装置201が自動的に決める条件もある。
Next, the operator determines irradiation conditions (such as prescription dose and irradiation angle) for the registered target area (step S302). That is, the number of irradiation gates, the irradiation direction, the irradiation spot interval, and the margin amount are set based on the positions of the
続いて、操作者はエネルギーレイヤ最適化に使用するパラメータを設定する(ステップS303)。パラメータ設定の一例として、図5に示すような設定画面を用いてパラメータを設定する場合を説明する。 Subsequently, the operator sets parameters used for energy layer optimization (step S303). As an example of parameter setting, a case where parameters are set using a setting screen as shown in FIG. 5 will be described.
図5に示すように、操作者が設定するエネルギーレイヤ最適化のパラメータとしては、エネルギーレイヤ削減項の重要度の初期値501、エネルギーレイヤ最適化による目的関数値の許容差異502、上記重要度の最大変更回数503がある。これらのパラメータの詳細は後述する。ここで設定されたパラメータは、基本的に全ての照射方向に於いて共通のパラメータとして適用される。
As shown in FIG. 5, the energy layer optimization parameters set by the operator include the
次に、操作者は、標的そのものもしくはマージンを付加した標的領域402および重要臓器403への線量制約を定める(ステップS304)。線量制約は標的領域402であれば、その領域内が受けるべき処方線量、もしくはその処方線量の最小値、最大値を入力することが多い。一方、重要臓器403に対しては許容線量を設定することが多い。本実施例では、標的領域402への処方線量、重要臓器403の許容線量を指定する。以上のように設定した照射方向や処方線量は治療計画装置のメモリ204に保存される。
Next, the operator determines dose restrictions on the
説明の都合上、以下では標的領域402のみに対して目標線量pが処方線量として与えられた場合を仮定して説明する。
For convenience of explanation, the following description will be made on the assumption that the target dose p is given as a prescription dose only to the
処方線量の設定が完了すると、治療計画装置201は操作者の指示に従って線量制約項からなる目的関数を用いたスポット照射量の最適化計算を本演算部205Aにより実行する(ステップS305)。以下、照射量の最適化計算時における治療計画装置201の動作の流れを図6を用いて説明する。
When the setting of the prescription dose is completed, the
図6において、まず、治療計画装置201の演算処理装置205の本演算部205Aは標的領域に線量を評価する点(以下、線量評価点)および照射スポット候補を配置する(ステップS601)。
In FIG. 6, first, the
続いて、演算処理装置205の本演算部205Aは、各線量評価点の線量の算出に用いる線量行列Aを算出する(ステップS602)。線量行列は、各スポットへ照射したビームの線量評価点への寄与を表し、メモリ204に記憶されている照射方向やCT画像による体内情報を基に算出される。
Subsequently, the
続いて、演算処理装置205の本演算部205Aは各線量評価点での線量値と処方線量の差分(線量制約項)からなる目的関数Fgeneralを生成,定義する(ステップS603)。線量制約項からなる目的関数Fgeneralは次式(1)で表される。
Subsequently, the
ここで、diは各線量評価点の線量を表わす。 Here, d i represents the dose of each dose evaluation point.
また、diを要素とするベクトルd→(次元は線量評価点数)と、各スポットの照射量を要素とするベクトルx→(次元は全スポット数)と線量行列Aとの関係は、次式(2)で表される。 Also, a vector d → a of d i elements (dimension is dose assessment score), the relationship of the vector x → and the dose of each spot elements (dimension is the total number of spots) and dose matrix A has the formula It is represented by (2).
式(1)で表わされる目的関数Fgeneralの値が小さいほど、m個の線量評価点での線量が目標線量pに近づいていることを表す。 The smaller the value of the objective function F general represented by the equation (1), the closer the dose at m dose evaluation points is to the target dose p.
その後、演算処理装置205の本演算部205Aは、この目的関数Fgeneralを最小にするスポットの照射量を反復計算により探索し、照射スポットを算出する(ステップS604)。
Thereafter, the
照射スポットの探索が終了すると、演算処理装置205の本演算部205Aは、算出された照射スポットをメモリ204に保存する(ステップS605)。
When the search for the irradiation spot is completed, the
図3に戻って、続いて、演算処理装置205内のエネルギーレイヤ最適化演算部205Bによる、治療に使用するエネルギーレイヤを効率よく選択するためのエネルギーレイヤ数を考慮したスポット照射量の最適化計算のプロセスに遷移する(ステップS306)。このエネルギーレイヤの最適化プロセスを有することが、本発明の治療計画装置の最大の特徴である。図7を用いて、本実施例におけるエネルギーレイヤの最適化処理のフローを説明する。
Returning to FIG. 3, the energy layer
図7において、エネルギーレイヤの最適化プロセスが開始されると、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは、まず、ステップS604で実施された最適化計算の前後におけるエネルギーレイヤ毎のスポット数の変化から、スポット残存率を算出する(ステップS701)。k番目のエネルギーレイヤのスポット残存率は、エネルギーレイヤkの最適化計算前の照射スポット候補数Nkと最適化計算後の照射スポット数nkを用いて、次式で定義される。
In FIG. 7, when the energy layer optimization process is started, the energy layer
続いて、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは、式(3)で計算したスポット残存率に基づいて、エネルギーレイヤの削減候補を設定する(ステップS702)。本実施例の治療計画装置201のエネルギーレイヤ最適化演算部205Bでは、エネルギーレイヤの削減候補は以下の3つの手順で設定される。
1.全エネルギーレイヤの内、スポット残存率が小さい側30%に含まれているエネルギーレイヤを削減候補として設定する。
2.最高エネルギーのエネルギーレイヤは削減候補から除外する。
3.隣り合ったエネルギーのエネルギーレイヤが削減候補内に存在する場合は、残存率のより大きい側のエネルギーレイヤを削減候補から除外する。
Subsequently, the energy layer
1. Among all the energy layers, an energy layer included in 30% where the spot remaining rate is small is set as a reduction candidate.
2. The energy layer with the highest energy is excluded from the reduction candidates.
3. When adjacent energy layers exist in the reduction candidates, the energy layer having the larger remaining rate is excluded from the reduction candidates.
エネルギーレイヤの削減候補設定後、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは、エネルギーレイヤ削減(最適化)用の目的関数Fを設定する(ステップS703)。エネルギーレイヤ削減用の目的関数Fは次式(4)で定義される。
After setting the energy layer reduction candidate, the energy layer
ここで、第1項はステップS603で設定された線量制約項((1)式参照)を表し、第2項はエネルギーレイヤ削減項を表わす。Skはk番目のエネルギーレイヤがステップS702で選択した削減候補に含まれているかどうかを表わす変数であり、削減候補に含まれている場合はSk=1となり、含まれていない場合はSk=0となる。このような定義の変数Skを導入することで、削減候補に含まれたエネルギーレイヤ内のスポット数が選択的に削減されるよう目的関数Fを定義することが可能となる。また、Xk,jはk番目のエネルギーレイヤのj番目のスポットの照射量を表し、Weはエネルギーレイヤ削減項の重要度を表わす。 Here, the first term represents the dose constraint term (see equation (1)) set in step S603, and the second term represents the energy layer reduction term. S k is a variable indicating whether or not the k-th energy layer is included in the reduction candidate selected in step S702. If it is included in the reduction candidate, S k = 1, and if not included, S k k = 0. Such By introducing the definition of variables S k, it is possible to spot number in the energy layers included to reduce the candidate to define the objective function F to be reduced selectively. Further, X k, j represents a dose of the j-th spot of the k-th energy layer, W e represents the importance of the energy layer reduction section.
次いで、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは、エネルギーレイヤ削減項の変更回数が設定値以下か否かを判定する(ステップS704)。設定値以下であると判定されたときは処理をステップS705に進め、設定値より大きいと判定されたときは処理をステップS709に進める。
Next, the energy layer
次いで、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは、エネルギーレイヤ削減項の重要度Weの初期値を読み込むことで設定を行う(ステップS705)。この重要度Weに大きな値が設定されるほど、エネルギーレイヤの削減を重視した解が得られる。重要度Weの初期値は、上述のように、ステップS303にて、操作者が入力装置202を介して治療計画作成前に設定されている。
Then, the energy-layer
次いで、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは、ステップS703で定義された目的関数を用いてエネルギーレイヤ数を考慮した最適化計算を実施する(ステップS706)。
Next, the energy layer
最適化計算終了後、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは、先のステップS706におけるエネルギーレイヤ最適化処理によって照射スポット数が残存していないエネルギーレイヤが導出されたか否かを判定する(ステップS707)。最適化計算の結果、照射スポット数が存在しないエネルギーレイヤが導出されたと判定された場合、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは、照射スポットが存在しないエネルギーレイヤをステップS601で設定した照射スポット候補から削除して(ステップS708)、再度、線量制約項のみからなる目的関数を用いてスポット照射量の最適化計算を実施する(ステップS710)。
After completion of the optimization calculation, the energy layer
一方、ステップS707において照射スポットが存在しないエネルギーレイヤが導出されなかったと判定された場合は、ステップS605で保存された線量制約項のみからなる目的関数によって最適化された照射スポット情報をスポット照射量に設定し(ステップS709)、スポット照射量の最適化を終了する。 On the other hand, if it is determined in step S707 that an energy layer having no irradiation spot has not been derived, the irradiation spot information optimized by the objective function including only the dose constraint term stored in step S605 is used as the spot irradiation amount. Set (step S709), the optimization of the spot irradiation amount is completed.
エネルギーレイヤが削減されて照射計画が作成された場合、プランの質がエネルギーレイヤの削減前に比べて悪化する可能性がある。これを防ぐため、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは、ステップS710における再度の最適化計算後に、作成されたプランの質が許容可能であるかの判定を実施する(ステップS711)。本ステップS711では、エネルギーレイヤ削減前後での目的関数値の変化量を用いて、プランの質の許容可否を判定する。判定式を式(5)に示す。
When the energy layer is reduced and the irradiation plan is created, the quality of the plan may be deteriorated as compared to before the energy layer is reduced. In order to prevent this, the energy layer
ここで、Fgeneral,Rは、エネルギーレイヤ削減後の照射スポット候補を用いて最適化計算を実施した結果(ステップS708の結果)得られる(1)式による目的関数の収束値を、Fgeneral,baseはエネルギーレイヤ削減前の照射スポット候補を用いて最適化計算を実施した結果(ステップS604の結果)得られる(1)式の目的関数の収束値を表す。また、θはエネルギーレイヤ最適化による目的関数値の許容変化量を表す。この許容変化量θは、ステップS303にて、操作者が入力装置202を介して治療計画作成前に設定することが可能である。
Here, F general, R is the result of performing optimization calculation using the irradiation spot candidates after the energy layer reduction (result of step S708), and the convergence value of the objective function according to the equation (1) obtained is expressed as F general, “base” represents the convergence value of the objective function of the equation (1) obtained as a result of the optimization calculation using the irradiation spot candidate before the energy layer reduction (result of step S604). Further, θ represents an allowable change amount of the objective function value by energy layer optimization. The allowable change amount θ can be set by the operator via the
式(5)を満たさず、目的関数の収束値の変化が許容できないと判定された場合は、エネルギーレイヤ最適化演算部205Bは処理をステップS712に移行して、エネルギー削減項の重要度Weの値を減少させ(ステップS712)、処理をステップS704に戻して、再度エネルギーレイヤの最適化を実施する(ステップS704〜ステップS711)。式(5)を満たすまでステップS704〜ステップS711を繰り返して式(5)を満たした場合はスポット照射量の最適化が終了する。
If it is determined that Expression (5) is not satisfied and the change in the convergence value of the objective function is not acceptable, the energy layer
もしくは、エネルギー削減項の重要度Weの変更回数がステップS303で設定した最大変更回数を超えた場合(ステップS704においてエネルギーレイヤ削減項の変更回数が設定値より大きいと判定された場合)は、必要以上にエネルギーレイヤ最適化に時間が掛かることを抑制するために、ステップS707において照射スポットが存在しないエネルギーレイヤが導出されなかったと判定された場合と同様にステップS605で保存された線量制約項のみからなる目的関数によって最適化された照射スポット情報をスポット照射量に設定し(ステップS709)、スポット照射量の最適化を終了する。 Or, if the number of changes of importance W e of energy reduction section exceeds the maximum number of changes set in step S303 (if the number of changes in energy layer reduction term is determined to be greater than the set value in step S704), the In order to prevent the energy layer optimization from taking more time than necessary, only the dose constraint term saved in step S605 as in the case where it is determined in step S707 that an energy layer without an irradiation spot is not derived. The irradiation spot information optimized by the objective function consisting of is set as the spot irradiation amount (step S709), and the optimization of the spot irradiation amount is finished.
図3に戻り、スポット照射量が定まると、治療計画装置201は、演算処理装置205の本演算部205Aを用いて、最終的に得られたスポット位置と各スポットへの照射量を用いて、線量分布を計算する(ステップS307)。
Returning to FIG. 3, when the spot irradiation amount is determined, the
次いで、治療計画装置201は、演算処理装置205の本演算部205Aを用いてDVHの値を計算した上で計算した結果を表示装置203に表示する。操作者は、指定した線量が標的領域に過不足なく与えられているのかを表示装置203上で確認する(ステップS308)。標的領域402への線量分布の確認には、DVH(Dose Volume Histogram)と呼ばれるヒストグラムも広く利用される。
Next, the
操作者は、表示装置203に表示された線量分布やDVHを使って線量分布結果を解析し、線量分布が目標とする条件を満たしているか否かを判定する(ステップS309)。目標を十分に満たしており、望ましい結果が得られた、と判定されたときは、処理をステップS310に移行し、得られた照射条件は、ネットワークを通じてデータサーバ307に出力,保存されて(ステップS310)、治療計画の立案は終了する。これに対し、目標を満たしておらず、望ましくない分布になっていたと判定されたときは処理をステップS302に戻し、照射条件を設定し直す。修正する設定には照射方向やスポット間隔の変更が含まれる。条件を変更した場合は、操作者の指示により治療計画装置201がスポットと照射量を算出し(ステップS303〜S308)、新しい線量分布結果が表示装置203に表示され、目標を満たすまで修正を繰り返す。
The operator analyzes the dose distribution result using the dose distribution or DVH displayed on the
上記ステップS309において、エネルギーレイヤの削減効果を照射方向毎に確認するために、確認画面を表示することも可能である。エネルギーレイヤの削減項の確認画面の例を図8に示す。図8中左側には、エネルギーレイヤ最適化前(ステップS604で最適化された状態)の情報を、図8中右側に、エネルギーレイヤ最適化後の情報を示す。 In step S309, a confirmation screen can be displayed in order to confirm the energy layer reduction effect for each irradiation direction. An example of a confirmation screen for energy layer reduction terms is shown in FIG. The left side in FIG. 8 shows information before energy layer optimization (the state optimized in step S604), and the right side in FIG. 8 shows information after energy layer optimization.
図8において、表示装置203に表示される確認画面は、照射方向表示部801、エネルギーレイヤ数表示部802、エネルギーレイヤ情報表示部803の3つの表示部からなる。
In FIG. 8, the confirmation screen displayed on the
最初に、操作者は入力装置202を操作して、照射方向表示部801で、エネルギーレイヤの削減効果を確認したい照射方向を選択する。エネルギーレイヤ情報表示部803では、各エネルギーレイヤの総照射MU値を表形式で表示している。ここで、照射量MU値が0となっているエネルギーレイヤに関してはグレーアウトされて項目が表示される。
First, the operator operates the
また、エネルギーレイヤ情報表示部803右側の表の最も左側の列は、ステップS702においてエネルギーレイヤ最適化時に削減候補であったかどうかを示す列であり、候補であったエネルギーレイヤにチェックマークが表示される。本列を見ることで、操作者は削減候補と設定されたエネルギーレイヤの内、どの程度の割合でエネルギーレイヤを削減できたのか確認することが可能である。
Further, the leftmost column in the table on the right side of the energy layer
また、最適化処理前後のエネルギーレイヤ数表示部802をそれぞれ参照することで、エネルギーレイヤ最適化処理によってどの程度の数のレイヤが削除されたかを確認することができる。
In addition, by referring to the energy layer
ここまで、エネルギーレイヤの削減候補の選択法として最適化計算前後でのスポットの残存率を基に自動で算出する場合を例として説明してきたが、どうしても削減したいエネルギーレイヤや削減したくないエネルギーレイヤが存在する場合に対応するために、エネルギーレイヤの削減候補を操作者が選択的に設定することも可能である。以下図9を参照してその態様について説明する。図9はエネルギーレイヤの削減候補の選択画面の一例を示す図である。 Up to this point, we have explained the case of calculating automatically based on the remaining rate of spots before and after optimization calculation as a method for selecting energy layer reduction candidates. However, energy layers that you want to reduce or do not want to reduce In order to cope with the case where there is, it is also possible for the operator to selectively set energy layer reduction candidates. Hereinafter, the embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a selection screen for energy layer reduction candidates.
治療計画装置201の表示装置203には、ステップS305終了後に、図9に示すエネルギーレイヤの削減候補選択画面が表示される。
The energy layer reduction candidate selection screen shown in FIG. 9 is displayed on the
操作者は図9を用いてエネルギーレイヤの削減候補を照射方向毎に選択する。まず、初めに照射方向表示部901を用いて、エネルギーレイヤの削減候補を設定する照射方向を選択する。照射方向が選択されると、ステップS305の結果に基づいて、エネルギーレイヤ情報をエネルギーレイヤ情報表示部902に表形式で表示する。この表の最も左側の列は図8と同様に、削減候補であるかどうかを表わす列である。操作者がエネルギーレイヤごとに、チェックの有無を入力装置202を用いて設定することで、削減候補を任意に設定することが出来る。全ての照射方向に対して、削減候補を選択した後、最適化計算実行ボタン903を押下することで、ステップS306以降の処理が実行され、エネルギーレイヤの最適化が実施される。
The operator uses FIG. 9 to select energy layer reduction candidates for each irradiation direction. First, using the irradiation
次に、本実施例の効果について説明する。 Next, the effect of the present embodiment will be described.
上述した本実施例の標的領域402に対して放射線治療を行うための治療計画情報を作成する治療計画装置201は、治療計画情報を作成する演算処理装置205と、演算処理装置205によって作成された治療計画情報を表示する表示装置203と、を備え、演算処理装置205は、標的領域402を複数のエネルギーレイヤに分割し、分割した複数のエネルギーレイヤ毎に設定した指標に基づいてエネルギーレイヤの削減候補を少なくとも一つ以上設定し、若しくは操作者の入力に基づきエネルギーレイヤ削減候補を設定し、削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数を定義して、定義した目的関数を用いてスポット照射量を最適化計算する(レイヤ最適化処理)ものである。
The
このようなレイヤ最適化処理を行う治療計画装置201によれば、エネルギーレイヤ毎に設定した指標若しくは操作者の入力に基づいてエネルギーレイヤの削減候補が設定され、削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数によって最適化計算が行われるため、治療計画の質を担保しつつ可能なエネルギーレイヤが選択的に削減することができ、放射線照射時のエネルギー変更回数を削減した治療計画が作成することが可能となる。このため、照射量を最適化することができ、照射に要する時間を短縮することができるとともに、治療効果を十分に確保することができる。
According to the
また、操作者が標的領域402に対する処方線量若しくは照射条件の少なくとも一方を入力する入力装置202を有していることにより、操作者の意図をより反映したエネルギーレイヤの削減候補を設定することができる。
In addition, since the operator has the
更に、演算処理装置205が、操作者が入力した処方線量若しくは照射条件に基づき計算した治療計画情報より、削減候補の照射スポット数または照射量が選択的に削減されるような目的関数を用いた最適化計算の後に計算した治療計画情報の方が、エネルギーレイヤ数が少ないため、放射線照射時のエネルギー変更回数を削減した治療計画が作成することが可能となる。
Furthermore, the
また、表示装置203は、エネルギーレイヤの削減候補を操作者が選択、設定するための選択画面を表示することで、治療計画装置201の操作者は、エネルギーレイヤの削減効果を照射方向毎に確認することができる。よって、治療計画の質が担保されているか否かをより容易に把握することができ、治療効果の高い照射を短時間で実施することが可能となる。
Further, the
更に、表示装置203は、選択画面中にエネルギーレイヤ削減前後のエネルギーレイヤの情報を比較表示することにより、治療計画装置201の操作者は、エネルギーレイヤの削減効果を照射方向毎により容易に確認することができる。
Further, the
また、演算処理装置205は、エネルギーレイヤの削減候補を、予め設定した指標に基づいて自動で決定することで、治療計画装置201の操作者が試行錯誤を繰り返すことなく適切なエネルギーレイヤの削減候補が選択され、治療計画の作成に要する時間の短縮も図ることができる。
In addition, the
更に、予め設定した指標は、各エネルギーレイヤ中における最適化計算前後のスポットの残存率であることにより、治療計画の質を担保することが可能なエネルギーレイヤがより効率的に選択され、治療効果の高い照射を短時間で実施することにより大きく寄与することができる。 Furthermore, the preset index is the remaining rate of spots before and after optimization calculation in each energy layer, so that an energy layer that can ensure the quality of the treatment plan is selected more efficiently, and the treatment effect It is possible to make a significant contribution by carrying out high irradiation in a short time.
また、演算処理装置205は、レイヤ最適化処理による目的関数値の許容変化量θを演算し、許容変化量θが所定基準を満たしているか否かを判定して、所定基準を満たしていないと判定されたときはエネルギー削減項の重要度Weを変更して、再度エネルギーレイヤの最適化を実施することで、より確実に治療計画の質を担保することができる。
Further, the
更に、演算処理装置205は、予め設定された、若しくは操作者により設定された、重要度Weの変更回数の上限に基づき最適化計算を実施することによって、必要以上にエネルギーレイヤ最適化処理がかかることを抑制することができ、治療計画の作成に要する時間の短縮化が可能となる。
Furthermore, the
また、表示装置203は、重要度Weの変更回数の上限、重要度Weの初期値、許容変化量θを設定する設定画面を表示することで、操作者がより容易に治療計画の質の担保と治療計画の作成に要する時間の短縮化との両立を図ることができる。
The
<その他>
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
<Others>
In addition, this invention is not restricted to said Example, A various deformation | transformation and application are possible. The above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
201…治療計画装置
202…入力装置
203…表示装置
204…メモリ
205…演算処理装置
205A…本演算部
205B…エネルギーレイヤ最適化演算部
206…通信装置
207…データサーバ
401…CTデータのスライス
402…標的領域
403…重要臓器
501…エネルギーレイヤ削減項の重要度の初期値の入力部分
502…目的関数変化量の許容値の入力部分
503…エネルギーレイヤ削減項の最大変更回数
801…エネルギーレイヤ削減効果確認画面の照射方向表示部
802…エネルギーレイヤ削減効果確認画面のエネルギーレイヤ数表示部
803…エネルギーレイヤ削減効果確認画面のエネルギーレイヤ情報表示部
901…エネルギーレイヤの削減候補選択画面の照射方向表示部
902…エネルギーレイヤの削減候補選択画面のエネルギーレイヤ情報表示部
903…エネルギーレイヤの削減候補選択画面の最適化計算実行ボタン
201 ...
Claims (10)
治療計画情報を作成する演算装置と、
前記演算装置によって作成された前記治療計画情報を表示する表示装置と、を備え、
前記演算装置は、前記照射対象を複数のエネルギーレイヤに分割し、分割した前記複数のエネルギーレイヤ毎に設定した指標に基づいてエネルギーレイヤの削減候補を少なくとも一つ以上設定し、若しくは操作者の入力に基づきエネルギーレイヤ削減候補を設定し、前記削減候補の照射スポット数又は照射量が選択的に削減されるような目的関数を定義して、定義した前記目的関数を用いてスポット照射量を最適化計算する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 A radiotherapy planning apparatus for creating treatment plan information for performing radiotherapy on an irradiation target,
A computing device for creating treatment plan information;
A display device for displaying the treatment plan information created by the arithmetic device,
The arithmetic unit divides the irradiation target into a plurality of energy layers, and sets at least one energy layer reduction candidate based on an index set for each of the divided energy layers, or an operator input Based on the above, energy layer reduction candidates are set, an objective function that selectively reduces the number of irradiation spots or the irradiation amount of the reduction candidates is defined, and the spot irradiation amount is optimized using the defined objective function A radiation therapy planning device characterized by calculating.
操作者が前記照射対象に対する処方線量若しくは照射条件の少なくとも一方を入力する入力装置を有する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 In the radiotherapy planning apparatus according to claim 1,
A radiotherapy planning apparatus, comprising: an input device through which an operator inputs at least one of a prescription dose or an irradiation condition for the irradiation target.
前記演算装置が、操作者が入力した前記処方線量若しくは照射条件に基づき計算した治療計画情報より、前記削減候補の照射スポット数または照射量が選択的に削減されるような目的関数を用いた最適化計算の後に計算した治療計画情報の方が、エネルギーレイヤ数が少ない
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 In the radiotherapy planning device according to claim 2,
Optimal using an objective function such that the number of irradiation spots or dose of the reduction candidate is selectively reduced from the treatment plan information calculated based on the prescription dose or irradiation condition input by the operator by the arithmetic unit The radiotherapy planning apparatus characterized in that the treatment plan information calculated after the computerization calculation has a smaller number of energy layers.
前記表示装置は、前記エネルギーレイヤの削減候補を操作者が選択、設定するための選択画面を表示する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 In the radiotherapy planning apparatus according to claim 1,
The display apparatus displays a selection screen for an operator to select and set the energy layer reduction candidates.
前記表示装置は、前記選択画面中にエネルギーレイヤ削減前後のエネルギーレイヤの情報を比較表示する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 In the radiotherapy planning device according to claim 4,
The said display apparatus compares and displays the information of the energy layer before and behind energy layer reduction in the said selection screen. The radiotherapy planning apparatus characterized by the above-mentioned.
前記演算装置は、前記エネルギーレイヤの削減候補を、予め設定した指標に基づいて自動で決定する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 In the radiotherapy planning apparatus according to claim 1,
The said arithmetic unit determines the reduction candidate of the said energy layer automatically based on the parameter | index set beforehand. The radiotherapy planning apparatus characterized by the above-mentioned.
前記予め設定した指標は、各エネルギーレイヤ中における最適化計算前後のスポットの残存率である
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 In the radiotherapy planning device according to claim 6,
The pre-set index is a remaining rate of spots before and after optimization calculation in each energy layer.
前記演算装置は、レイヤ最適化処理による目的関数値の許容変化量を演算し、前記許容変化量が所定基準を満たしているか否かを判定して、所定基準を満たしていないと判定されたときはエネルギー削減項の重要度を変更して、再度エネルギーレイヤの最適化を実施する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 In the radiotherapy planning apparatus according to claim 1,
When the arithmetic device calculates an allowable change amount of the objective function value by the layer optimization process, determines whether the allowable change amount satisfies a predetermined criterion, and determines that the predetermined criterion is not satisfied Is a radiotherapy planning device characterized by changing the importance of the energy reduction term and optimizing the energy layer again.
前記演算装置は、予め設定された、若しくは操作者により設定された、前記重要度の変更回数の上限に基づき最適化計算を実施する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 The radiotherapy planning apparatus according to claim 8, wherein
The said arithmetic unit performs optimization calculation based on the upper limit of the frequency | count of the change of the said importance set beforehand or set by the operator. The radiotherapy planning apparatus characterized by the above-mentioned.
前記表示装置は、前記重要度の変更回数の上限、前記重要度の初期値、前記許容変化量を設定する設定画面を表示する
ことを特徴とする放射線治療計画装置。 In the radiotherapy planning device according to claim 9,
The display device displays a setting screen for setting an upper limit of the number of changes of the importance, an initial value of the importance, and the allowable change amount.
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