JP2019170612A - 治療計画装置、放射線治療システム、治療計画方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】計算コストの高い最適化計算・線量計算を実施する回数を削減でき、治療計画の作成の効率を向上させることが可能な治療計画装置および放射線治療システムを提供する。【解決手段】操作者が定めた各門の照射角度および照射ウエイトを入力する入力装置１０２と、複数の治療計画データを記憶するデータサーバ１０７と、データサーバ１０７に記憶された複数の治療計画データに含まれる照射角度情報および照射角度毎の線量分布情報を用いて照射角度毎にＤＶＨ統計情報を作成し、ＤＶＨ統計情報と入力装置１０２で入力された各門の照射角度情報および照射ウエイトに基づいて算出した各門毎の線量ヒストグラムを用いて、全門照射での予測ＤＶＨを算出する演算処理装置１０５と、演算処理装置１０５によって算出された予測ＤＶＨを表示する表示装置１０３と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、治療計画装置、放射線治療システム、治療計画方法、及びプログラムに関するものである。

放射線の照射条件の最適化計算において、不適切な入力がなされた制約条件を容易に見出すことができる治療計画装置の一例として、特許文献１には、関心領域に放射線を照射するための放射線のビームウェイトベクトルを決定する治療計画装置において、評価関数の最適化計算中における評価項の値の経時変化を表示する表示手段を含むことが記載されている。

また、治療計画立案の短時間化および省力化を目的として、非特許文献１には、強度変調放射線治療（ＩＭＲＴ：Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ＲａｄｉｏＴｈｅｒａｐｙ）において、標的と重要臓器の位置関係と、過去の治療計画データ群と、に基づき、適切な照射が実施された際のＤＶＨ（Ｄｏｓｅ Ｖｏｌｕｍｅ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ）を予測し、目標値として示すことで操作者の治療計画立案を支援する技術が示されている。

特開２００２−２６３２０８号公報

Lindsey M. Appenzoller, et al., "Predicting dose-volume histograms for organs-at-risk in IMRT planning", Med. Phys. 39 (12), December (2012) 7446-7461

粒子線治療では標的となる腫瘍細胞に対して粒子線を照射することによって、腫瘍にダメージを与える治療を行う。

粒子線は、ビームのエネルギーによって定まる特定の深さにピークを有する線量分布（ブラッグカーブ）を形成するため、粒子線治療では、腫瘍より深い位置にある正常組織への線量を大幅に低下させることが可能になる。

このような粒子線治療では、できるだけ正確に、かつできるだけ集中するよう所望の線量を腫瘍領域に対して照射することが治療効果の向上につながる。

粒子線治療に於いて、標的に線量を集中させる方法として、スキャニング照射法の利用が広がりつつある。これは、細い荷電粒子ビームを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。スキャニング照射法では、従来の散乱体照射法で必要であったコリメータ等の患者固有の器具が基本的に必要なく、また、様々な線量分布を形成できるという利点がある。

スキャニング照射法では、照射前に、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。

ここで、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に基づいて、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であって、操作者（治療計画を立案する作業者）が設定した照射門（以下、Ｆｉｅｌｄ）および処方線量に基づいて、荷電粒子ビームの照射位置、エネルギー、照射量の組（照射スポットデータ）等の照射条件（治療計画とも呼ぶ）を算出する機能を有する計算機のことである。

治療計画は、例えば次のような過程で作成される。操作者が、標的への処方線量や重要臓器への線量制約、照射方向等、様々なパラメータを調整・設定した後、治療計画装置が目的関数を定義し、反復計算によって目的関数が最小となる解を探索することで、所望の線量分布を形成する照射条件、およびシミュレートされた線量分布等を操作者に提示し、それが適切なものであれば治療計画として決定する。

治療計画が適切かどうかの判断には、一般的に、標的や重要臓器の体積と線量分布の関係を表す線量評価指標である線量体積ヒストグラム（ＤＶＨ）が用いられる。

スキャニング照射法の治療計画の作成手法には、Ｆｉｅｌｄに均一な線量分布を形成するＳＦＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）と、各Ｆｉｅｌｄに於いては不均一な線量分布を形成し、全Ｆｉｅｌｄを足し合わせることで均一な線量分布を形成するＭＦＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｆｉｅｌｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ）の２つの方法がある。

ＳＦＯは各Ｆｉｅｌｄの線量分布が均一であり、患者のセットアップエラーや飛程誤差などの治療時の不確かさの影響を受けにくい、との特長がある。このため、治療時の不確かさの影響を受けやすいＭＦＯと比べて、簡便に・短時間で治療計画を作成できる、との利点を有している。そのため、複雑な線量分布が要求される症例を除いて、ＳＦＯは広く用いられている。

一般的に、ＳＦＯの治療計画を作成する場合、飛程の不確かさや治療時のセットアップの不確かさを軽減するために、複数の照射Ｆｉｅｌｄを用い、Ｆｉｅｌｄ毎に標的への目標線量を設定する。そのため、操作者は、各Ｆｉｅｌｄの照射方向や照射寄与割合（照射ウエイト）を試行錯誤しながら調整し、治療計画を作成する必要があった。

従来は、特許文献１に示されているように、照射方向や照射ウエイトを変更した場合のＤＶＨを確認するためには、各Ｆｉｅｌｄの照射方向や照射ウエイトのみを調整する場合に於いても計算コストのかかる最適化計算と線量計算を実施しなければならず、このことが治療計画の作成を長時間化させる恐れがあった。

計算コストのかかる最適化計算と線量計算を実施せずに、過去に作成した治療計画データに基づいて事前にＤＶＨを算出し、操作者に掲示する手法は非特許文献１に示されている。

しかしながら、この手法を用いてＤＶＨを十分な精度で算出するには、過去に作成した治療計画データと予測対象となる治療計画に於いて、各Ｆｉｅｌｄの照射角度の組み合わせおよび照射ウエイトが一致していることが必須であった。そのため、Ｆｉｅｌｄ毎に照射角度・照射量を任意に変更させることが必要となるＳＦＯの治療計画プロセスに対して、非特許文献１の手法を適用することは困難であった。

本発明は、計算コストの高い最適化計算・線量計算を実施する回数を削減でき、治療計画の作成の効率を向上させることが可能な治療計画装置、放射線治療システム、治療計画方法、及びプログラムを提供する。

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、放射線による治療計画を作成する治療計画装置であって、各門の照射角度および照射ウエイトを入力する入力装置と、複数の治療計画データを記憶するデータベースと、前記データベースに記憶された複数の前記治療計画データに含まれる照射角度情報および照射角度毎の線量分布情報を用いて照射角度毎にＤＶＨ統計情報を作成し、前記ＤＶＨ統計情報と前記入力装置で入力された各門の照射角度情報および照射ウエイトに基づいて算出した各門毎の線量ヒストグラムを用いて、全門照射での予測ＤＶＨを算出する演算装置と、前記演算装置によって算出された前記予測ＤＶＨを表示する表示装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、計算コストの高い最適化計算・線量計算を実施する回数を削減でき、治療計画の作成の効率を向上させることができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

本実施例の治療計画装置の構成を説明する図である。 本実施例の治療計画装置を用いて治療計画を作成する過程を説明する図である。 本実施例の治療計画装置に於ける角度毎のＤＶＨ統計情報の作成過程での操作画面の一例を示す図である。 本実施例の治療計画装置を用いた操作者のＤＶＨ統計情報生成過程に於ける作業フローを説明するフロー図である。 本実施例の治療計画装置のＤＶＨ統計情報生成過程に於ける動作を説明するフロー図である。 本実施例の治療計画装置のＤＶＨ統計情報の作成ステップに於ける動作を説明するフロー図である。 本実施例の治療計画装置を用いた、操作者が新しい患者に対して治療計画を作成する過程を説明するフロー図である。 本実施例の治療計画装置のＦｉｅｌｄ毎の照射角度および照射ウエイトの調整過程に於ける操作画面の一例を示す図である。 本実施例の治療計画装置を用いた操作者のＦｉｅｌｄ毎の照射角度および照射ウエイトの調整過程に於ける作業フローを説明する図である。 本実施例の治療計画装置のＦｉｅｌｄ毎の照射角度および照射ウエイトの調整過程に於ける動作を説明するフロー図である。

本発明の治療計画装置、放射線治療システム、治療計画方法、及びプログラムの実施例について図１乃至図１０を用いて説明する。本実施例では、陽子や、陽子より質量の大きい粒子、例えばヘリウムイオンや炭素イオン等の粒子線をスキャニング法によって標的に照射する粒子線治療を行う際の治療計画を作成する治療計画装置や治療システムに適用することを前提として説明する。

なお、以下の本発明においては、線量ヒストグラムとは、治療対象となる標的と正常組織の放射線の線量に対する度合いを意味する。ＤＶＨとは、標的と正常組織の各体積に対する放射線の線量をグラフとして表示させたものである。Ｆｉｅｌｄ情報とは、操作者（治療計画を立案する作業者）が設定した照射門に関する情報であり、例えば照射角度に関する情報である。照射寄与割合（照射ウエイト）とは、標的への処方線量に対するＦｉｅｌｄ毎に設定された標的への目標線量の割合を意味する。体系情報とは、標的や重要臓器に関する様々な情報であり、標的や重要臓器の３次元位置や形状、分類等の情報である。輪郭情報とは、標的や重要臓器の境界に関する情報である。

まず、スキャニング照射について説明する。スキャニング照射には、スポットスキャニング方式とラスター方式がある。

このうち、スポットスキャニング方式とは、標的を複数のある点（スポット）に分割して、あるスポットに規定量のビームを照射後、一度ビームを停止し、次の照射すべきスポットに移動した後に再び照射を開始することで粒子線を順次照射する方式である。

ラスター方式は、照射位置の移動中にもビームを停止せずに粒子線を順次照射する方式である。

本発明はスポットスキャニング方式とラスター方式とのいずれにも適用可能であり、スキャニング照射法を例に実施例を説明するが、スキャニング照射に限らず、他の照射法にも適用できる。

最初に、粒子線治療システムや治療計画装置の全体構成の概要について図１を用いて説明する。図１は治療計画装置の全体構成を示す図である。

図１において、粒子線治療システムは、粒子線を標的に照射する治療計画を作成するための治療計画装置１００と、治療計画装置１００によって作成された治療計画に基づいて標的に対して粒子線を照射する粒子線照射装置１０８と、を備えている。

粒子線照射装置１０８は、標的に対して粒子線を照射するための装置であり、粒子を所定エネルギーまで加速する加速装置１０８Ｂと、粒子線を成形し、照射する照射装置１０８Ｃと、加速装置１０８Ｂおよび照射装置１０８Ｃを構成する各機器の動作を制御する制御装置１０８Ａとを備える。なお、例として粒子線治療装置１０８を用いて説明を行っているが、Ｘ線治療装置等、他の放射線治療装置を用いてもよい。

治療計画装置１００は、図１に示すように、処理装置１０１と、データサーバ１０７とを有する。

データサーバ１０７は、複数の治療計画データ、特には過去の複数の治療計画データに含まれる照射角度情報および照射角度毎の線量分布情報を記憶する治療計画データベースを有しており、有線または無線のネットワーク回線を介して処理装置１０１内の通信装置１０６および粒子線照射装置１０８の制御装置１０８Ａとデータの授受を行っている。

処理装置１０１は、入力装置１０２、表示装置１０３、メモリ１０４、演算処理装置１０５、および通信装置１０６を有する。具体的に、処理装置１０１とは、パーソナルコンピュータやサーバ等が挙げられる。

入力装置１０２は、操作者が予め準備された治療計画用のＣＴ画像中から、標的や重要臓器等の被照射体の位置を指定するとともに、各門の照射角度や照射ウエイト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。

表示装置１０３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設定画面（図３、図８参照）を表示するための装置である。本実施例では、また、後述する演算処理装置１０５によって算出された予測ＤＶＨを表示する。

メモリ１０４は、後述する演算処理装置１０５に於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記憶装置である。

演算処理装置１０５は、主に、統計情報生成処理と、予測ＤＶＨ計算処理と、主演算処理とを実行する。具体的に、演算処理装置１０５は、１または複数のプロセッサ、ＣＰＵ等である。統計情報処理、予測ＤＶＨ処理、主演算処理とは、それぞれプログラムであり、データサーバ１０７またはメモリ１０４に格納され、演算処理装置１０５によって読みだされ、実行される。なお、統計情報処理、予測ＤＶＨ処理、主演算処理は、１つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに別れていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェアで実現してもよく、また、モジュール化されていても良い。各種プログラムはプログラム配布サーバや記憶メディアによって各計算機にインストールされてもよい。

統計情報生成処理では、データサーバ１０７に記憶された過去の複数の治療計画データに含まれる照射角度情報および照射角度毎の線量分布情報を用いてＦｉｅｌｄ単位でＤＶＨ統計情報を作成する。

予測ＤＶＨ計算処理では、統計情報生成処理によってＦｉｅｌｄ単位で作成されたＤＶＨ統計情報と入力装置１０２で入力された各門の照射角度情報および照射ウエイトの情報を用いてＦｉｅｌｄ毎の線量ヒストグラムを算出する。またこの算出したＦｉｅｌｄ毎の線量ヒストグラムを用いて、最適化計算および線量計算の結果として算出されうる、全門照射での予測ＤＶＨを算出する。その上で、算出した全門照射での予測ＤＶＨ情報を表示装置１０３に出力し、表示装置１０３に表示させる。

また、予測ＤＶＨ計算処理では、照射角度毎の線量ヒストグラムを用いて線量分布が最適となる角度を自動で探索し、表示装置１０３に表示させることが可能である。この場合は、入力された処方線量を最も満たすＤＶＨとなる照射条件を自動で選択するものとする。

主演算処理では、予測ＤＶＨに基づいて目的関数を計算し、この目的関数の値が最も小さくなる照射パラメータを算出する照射スポットデータの最適化計算と、算出した照射パラメータを基に線量分布を算出する線量計算が実施される。

また、演算処理装置１０５は、入力装置１０２、表示装置１０３、メモリ１０４、および通信装置１０６に接続されており、ネットワークを介してデータサーバ１０７と接続されている。また、データサーバ１０７は、ネットワークを介さずに接続されていてもよい。

通信装置１０６は、ネットワークを介して、データサーバ１０７に記憶された患者に関するデータおよび過去に立案された治療計画データのやりとりを行う。

続いて、本実施例の治療計画装置を用いて、スキャニング照射法による粒子線治療の治療計画を作成する流れについて図２を用いて説明する。図２は本実施例の治療計画装置による治療計画の作成過程を説明するフロー図である。以後、演算処理装置１０５または治療計画装置１００を主語に説明するが、プログラムによって定められた処理を演算装置１０５が実行することにより処理を行っていることから、演算処理装置１０５またはプログラム主語とした説明としてもよい。また、操作者を主語として説明もするが、これは操作者が入力装置１０２を介して入力した情報を演算処理装置１０５が読み込み、演算処理装置１０５によって設定される。

本実施例の治療計画装置１００による治療計画の作成過程は、図２に示すように、主にステップＳ２０１，Ｓ２０２，Ｓ２０３の３つのステップに分かれる。

第一のステップでは、治療計画装置１００の演算処理装置１０５は、データサーバ１０７に記憶された過去の治療計画データに基づいて、角度毎のＤＶＨ統計情報を角度毎の線量分布と体系情報に基づいて作成する（ステップＳ２０１）。本ステップＳ２０１が統計情報生成処理に相当する。

続いて、第二のステップでは、治療計画装置１００の演算処理装置１０５は、ステップＳ２０１で作成したＤＶＨ統計情報に基づいて計算された線量ヒストグラムを用いて算出される予測ＤＶＨを確認しながら、Ｆｉｅｌｄ毎の照射角度および照射ウエイトを調整する（ステップＳ２０２）。本ステップＳ２０２が予測ＤＶＨ計算処理に相当する。

最後の第三のステップ（ステップＳ２０３）では、治療計画装置１００の演算処理装置１０５は、ステップＳ２０２で決定した、照射角度および照射ウエイトを用いて照射スポットデータの最適化計算および線量計算を実施し、治療計画を作成する。本ステップＳ２０３が主演算処理に相当する。

まず、ステップＳ２０１に於いて角度毎のＤＶＨ統計情報が作成されるまでの過程について、図３乃至図６を用いて説明する。図３は本ステップＳ２０１に於ける治療計画装置の操作画面の一例を示す図、図４は本ステップＳ２０１に於ける操作者の作業フローを示す図、図５は本ステップＳ２０１に於ける本実施例の治療計画装置の動作フローを示す図である。図６は、図５のステップＳ５０４にて実施される統計情報生成の処理フローの詳細を示す図である。

まず、ＤＶＨ統計情報の作成を開始するために、操作者は、入力装置１０２を操作して、ＤＶＨ統計情報を作成したい部位を、表示装置１０３に表示された図３に示す設定画面３００中の部位入力フォーム３０１に入力する（図４、ステップＳ４０１）。

部位入力フォーム３０１に部位が入力されると、続いて、治療計画装置１００の通信装置１０６はデータサーバ１０７と通信し、データサーバ１０７内の治療計画データベースにアクセスし、選択された部位に対応する治療計画データを読み込んで（図５、ステップＳ５０１）、設定画面３００中の治療計画データリスト３０２に読み込んだ治療計画の一覧を表示する。

続いて、操作者は、必要があれば、治療計画データリスト３０２の中から、ＤＶＨ統計情報の生成に使用する治療計画データを選択する（図４、ステップＳ４０２）。本ステップは任意の構成とすることができる。

必要に応じたＤＶＨ統計情報作成のための治療計画データの選択作業が終了すると、治療計画装置１００は治療計画データリスト３０２内の治療計画データをＤＶＨ統計情報作成用のデータとして登録し、メモリ１０４に保存する（図５、ステップＳ５０２）。

ＤＶＨ統計情報作成用データの登録後、操作者はＤＶＨ統計情報の角度グループを設定するため、設定画面３００の角度グループ設定フォーム３０３に角度間隔や基準角度（オフセット）等の角度情報を入力する（図４、ステップＳ４０３）。ここで、角度グループとは、角度情報に基づいて治療計画データに含まれるＦｉｅｌｄ情報とＦｉｅｌｄの線量分布データとのセットを分類するためのグループである。

角度情報の入力後は、治療計画装置１００は、その入力情報に応じて複数の角度グループを設定し、治療計画データリスト３０２内の治療計画データのＦｉｅｌｄ情報およびＦｉｅｌｄの線量分布データをガントリ角度情報等に基づいて、各角度グループに弁別する（図５、ステップＳ５０３）。弁別結果は、Ｆｉｅｌｄ情報と共に設定画面３００のＦｉｅｌｄ情報表示部３０４に表示される。例えば、角度間隔が１０°でオフセットが０°の場合、ガントリ角度が０°から１０°のＦｉｅｌｄ情報とＦｉｅｌｄの線量分布データは、角度グループ０、ガントリ角度が１０°から２０°のＦｉｅｌｄ情報とＦｉｅｌｄの線量分布データは、角度グループ１、というように弁別される。

角度グループ設定後、操作者は、ＤＶＨ統計情報を作成するため、統計情報生成ボタン３０５を押下し、ＤＶＨ統計情報の作成を指示する（図４、ステップＳ４０４）。操作者からＤＶＨ統計情報の生成指示が出されると、治療計画装置１００の演算処理装置１０５は、統計情報生成処理として角度グループ毎にＤＶＨ統計情報の生成を開始する（図５、ステップＳ５０４）。

以下、このステップＳ５０４に於けるＤＶＨ統計情報の作成方法の詳細について図６を用いて説明する。図６は、図５のステップＳ５０４にて実施される統計情報生成の処理フローの詳細を示す図である。

ＤＶＨ統計情報は、過去の治療計画データにおいて、標的と危険臓器の位置関係および線量分布の関係をモデル化することで作成する。

標的と危険臓器の位置関係を表す指標としては、重要臓器内の各位置から標的辺縁までの最小距離から生成されるＤＴＨ（Ｄｉｓｔａｎｃｅ−ｔｏ−Ｔａｒｇｅｔ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍ）や、標的を拡大させた際に重要臓器と標的と重複する領域情報（Ｏｖｅｒｌａｐ Ｖｏｌｕｍｅ：以下、ＯＶ）が用いられる。本実施例では、ＯＶを用いた手法を例として説明するが、いずれの手法も用いることができる。

演算処理装置１０５は、操作者よりＤＶＨ統計情報の生成指示を受けると、まず図５に示すステップＳ５０２で登録された治療計画データリスト３０２内の治療計画データの読み込みを開始する（図６、ステップＳ６０１）。

次いで、演算処理装置１０５は、読み込んだ治療計画データより、標的の領域データおよび重要臓器の領域データを抽出するとともに、標的をある一定の間隔（例えば３ｍｍ間隔）で複数回拡大させて各重要臓器とのＯＶを計算する（図６、ステップＳ６０２）。本ステップＳ６０２では、ｊ−１回目の拡大を受けた標的とｊ回目の拡大を受けた標的との差をＯＶ_ｊとする。

続いて、演算処理装置１０５は、先のステップＳ６０１で読み込んだ治療計画データよりＦｉｅｌｄ毎の線量分布データを取得し（図６、ステップＳ６０３）、各ＯＶ_ｊに付与される線量のヒストグラムをＦｉｅｌｄ毎にモデル化する（図６、ステップＳ６０４）。

ＯＶ_ｊの線量ヒストグラムのモデル化は、線量ヒストグラムをＦｉｅｌｄ毎の標的への処方線量およびＯＶ_ｊの体積に基づいて規格化した後、ある関数系（正規分布や歪正規分布等）でヒストグラムをフィッティングすること等によって行われる。

その後、演算処理装置１０５は、決定されたフィッティングパラメータ（以下モデル化パラメータ）をＦｉｅｌｄが所属する角度グループ毎に保存する（図６、ステップＳ６０５）。

その後は、演算処理装置１０５は、治療計画データ内の全てのＦｉｅｌｄでモデル化パラメータが保存されたか否かを判定する（図６、ステップＳ６０６）。保存されたと判定されたときは処理をステップＳ６０７に進め、保存されていないと判定されたときはステップＳ６０３まで処理を戻し、ステップＳ６０１で読み込まれた治療計画データ内の全てのＦｉｅｌｄの処理を終えるまでステップＳ６０３からステップＳ６０５の処理を繰り返し実行する。

演算処理装置１０５は、治療計画リストに複数の治療計画データが登録されている場合は、次いで、治療計画リスト内の全ての治療計画データでモデル化パラメータが保存されたか否かを判定する（図６、ステップＳ６０７）。演算処理装置１０５は、保存されたと判定されたときは処理をステップＳ６０８に進め、保存されていないと判定されたときは処理をステップＳ６０１まで戻し、治療計画リスト内の全ての治療計画データの処理を終えるまでステップＳ６０１からステップＳ６０５の処理を繰り返し実行する。

演算処理装置１０５は、全ての治療計画データに対して、モデル化パラメータの算出が完了すると、ステップＳ６０５で角度グループ毎に保存したモデル化パラメータに基づいて、角度グループ毎に各ＯＶの線量ヒストグラムの平均モデルを作成して（図６、ステップＳ６０８）、ＤＶＨ統計情報の作成処理が終了する。

図４および図５に戻り、全ての重要臓器に対してＤＶＨ統計情報の生成が完了すると、操作者は設定画面３００の保存ボタン３０６を押下し、ＤＶＨ統計情報の保存指示を行う（図４、ステップＳ４０５）。操作者から保存指示がなされると、治療計画装置１００はＤＶＨ統計情報を保存し、メモリ１０４に記録する（図５、ステップＳ５０５）。

続いて、ステップＳ２０１で生成したＤＶＨ統計情報を用いて、操作者が新しい患者に対して治療計画を作成する過程を、図７を用いて説明する。図７は操作者が本実施例の治療計画装置を用いて新しい患者に対して治療計画を作成する過程を説明するフロー図である。

図７に示すフローのうちステップＳ７０１からステップＳ７０３の過程が図２に示したステップＳ２０２であり、図７に示すフローのうちステップＳ７０４からステップＳ７０７の過程が図２に示したステップＳ２０３である。

操作者は、始めに、入力装置１０２を用いて粒子線を照射すべき標的を治療計画装置１００に入力する（図７、ステップＳ７０１）。これは、例えば、事前に取得された患部のＣＴ画像の各スライスに対して標的の輪郭を入力することでなされる。操作者が入力した標的に関する情報（輪郭情報）は、操作者が治療計画装置１００に登録することで、３次元の位置情報からなる標的データとして治療計画装置１００上のメモリ１０４に保存される。必要があれば、照射を避けることが望ましい重要臓器の位置も同様に入力して登録することが望ましい。

次に、操作者は、登録した標的について目標とすべき線量値となる処方線量を設定する（図７、ステップＳ７０２）。必要があれば、先に登録された重要臓器に対しても処方線量を設定する。

続いて、操作者はＦｉｅｌｄ毎の照射角度および照射ウエイトの調整を行う（図７、ステップＳ７０３）。

なお、本ステップＳ７０３は、演算処理装置１０５において、照射角度毎の線量ヒストグラムを用いて線量分布が最適となる角度を自動で探索するものとすることも可能である。この場合は、先のステップＳ７０２で入力された処方線量に最も適したＤＶＨ統計情報を用いて自動で選択するものとする。

ここで、図７に示すステップＳ７０３に於いて照射角度および照射ウエイトの調整を完了する処理の過程の詳細について図８乃至図１０を用いて説明する。図８は本ステップＳ７０３に於ける治療計画装置の操作画面の一例を示す図、図９は操作者の作業フローを示す図、図１０は治療計画装置の処理フローを示す図である。

まず、操作者は図８に示す設定画面８００の処方読み込みボタン８０１を押下して、治療計画装置１００に対して処方データの読み込み指示を行う（図９、ステップＳ９０１）。この読み込み指示を受けて、治療計画装置１００はステップＳ７０１で設定した輪郭情報とステップＳ７０２で各輪郭情報に設定した処方情報を読み込み、設定画面８００の処方表示部８０２に各種情報を表示する（図１０、ステップＳ１００１）。

次いで、操作者は、設定画面８００の統計情報選択フォーム８０３に於いて、予測ＤＶＨの算出に使用する線量ヒストグラムのＤＶＨ統計情報を選択する（図９、ステップＳ９０２）。ここで、治療計画を作成する患者の部位に対応するＤＶＨ統計情報が選択されることが望ましい。ＤＶＨ統計情報が選択されると、治療計画装置１００は選択されたＤＶＨ統計情報をメモリ１０４内に保存する（図１０、ステップＳ１００２）。

続いて、操作者は、設定画面８００のＦｉｅｌｄ情報設定フォーム８０４にて、Ｆｉｅｌｄ毎の照射角度および照射ウエイトを設定する（図９、ステップＳ９０３）。その後は、設定画面８００の計算開始ボタン８０５を押下し、治療計画装置１００に対して予測ＤＶＨの算出指示を行う（図９、ステップＳ９０４）。

操作者より予測ＤＶＨの算出指示がなされたことを認識したら、治療計画装置１００の演算処理装置１０５は、まずＯＶを作成する（図１０、ステップＳ１００３）。

本ステップＳ１００３は、図６に示すステップＳ６０２と同様の処理であり、演算処理装置１０５は、ステップＳ１００１で読み込んだ標的の領域データおよび重要臓器の領域データに基づいて、標的をある一定の間隔（例えば３ｍｍ間隔）で複数回拡大させ、重要臓器とのＯＶを計算する。ｊ−１回目の拡大を受けた標的とｊ回目の拡大を受けた標的との差をＯＶ_ｊとし、ＯＶ_ｊの体積をｄＶ_ｊとする。

続いて、演算処理装置１０５は、ステップＳ１００２で保存したＤＶＨ統計情報に基づいて、Ｆｉｅｌｄ毎の線量ヒストグラムを算出する（図１０、ステップＳ１００４）。Ｆｉｅｌｄ情報設定フォーム８０４で設定したＦｉｅｌｄの照射角度を読み込み、照射角度に対応する角度グループの線量ヒストグラムの平均モデルを用いて、各ＯＶ_ｊの線量ヒストグラムを算出する。

次いで、演算処理装置１０５は、ステップＳ１００４でＦｉｅｌｄ毎に算出したＯＶ_ｊの線量ヒストグラムを用いて、全門を用いて計画されうる予測ＤＶＨを算出する（図１０、ステップＳ１００５）。

以下、２つのＦｉｅｌｄ（Ｆｉｅｌｄ１、Ｆｉｅｌｄ２）の治療計画を例として、全門を合算した計画の予測ＤＶＨの算出方法について説明する。前提として、Ｆｉｅｌｄ１の平均モデルより算出されるＯＶ_ｊの線量ヒストグラムをＦ_ｊ ^１（Ｘ）、Ｆｉｅｌｄ２の平均モデルより算出されるＯＶ_ｊの線量ヒストグラムをＦ_ｊ ^２（Ｘ）とする。

平均モデルより算出された線量ヒストグラムの横軸Ｘは規格化線量（処方線量が１となるように規格化された線量）となっているので、ステップＳ９０３で操作者が設定したＦｉｅｌｄ ｋへの照射ウエイトｗ_ｋおよび標的への処方線量ｐを乗じ、線量ヒストグラムの横軸を絶対線量ｘ［ｃＧｙ（ＲＢＥ）］に変換する。従って、絶対線量への変換は次式（１）で表される。

ここで、Ｆｉｅｌｄ１の横軸を絶対線量に変換した後の線量ヒストグラムをＦ_ｊ ^１（ｘ）、Ｆｉｅｌｄ２の横軸を絶対線量に変換した後の線量ヒストグラムをＦ_ｊ ^２（ｘ）とする。ここで、ＤＶＨ統計情報より算出される線量ヒストグラムは以下に示す式（２）の関係が成り立つ。

これらの線量ヒストグラムを線量付与の確率分布として捉え、各Ｆｉｅｌｄからの線量が、線量ヒストグラムで表される確率分布（Ｆ_ｊ ^１（Ｘ）、Ｆ_ｊ ^２（Ｘ））に従い等確率で各ボクセルに線量が付与されると仮定する。この場合、全門合算した場合のＯＶ_ｊの線量ヒストグラムｈ_ｊ（ｙ）は各線量ヒストグラムの合成積により、次式（３）で表される。

各ＯＶ_ｊの線量ヒストグラムｈ_ｊ（ｙ）に各ＯＶ_ｊの体積ｄＶ_ｊを乗じ、足し合わせることで重要臓器の線量ヒストグラムＨ（ｙ）、つまり微分ＤＶＨを算出すると、以下に示す式（４）の関係となる。

この微分ＤＶＨの累積ヒストグラムＤｖｈ（ｄ）を算出することで、予測ＤＶＨを算出する。従って、ある重要臓器の予測ＤＶＨは、重要臓器の体積をＶとすると、次式（５）で表される。

演算処理装置１０５は、ステップＳ９０１で読み込まれた重要臓器の中で、ＤＶＨ統計情報が作成されている臓器に関してのみ予測ＤＶＨを算出する。計算された予測ＤＶＨは設定画面８００の予測ＤＶＨ表示画面８０６に表示され、予測ＤＶＨの各指標が設定画面８００の処方表示部８０２に表示される。

操作者は、設定画面８００に表示された予測ＤＶＨとその各指標を確認し、予測ＤＶＨが適切でないと判断した場合は、各Ｆｉｅｌｄの照射角度および照射ウエイトを変更し、再度の予測ＤＶＨの算出を指示する（図９、ステップＳ９０５、および図１０、ステップＳ１００６）。

予測ＤＶＨが適切であると判断した場合は、操作者は設定画面８００の保存ボタン８０７を押下し、各Ｆｉｅｌｄの照射角度、照射ウエイトおよび予測ＤＶＨの登録を指示する（図９、ステップＳ９０６）。治療計画装置１００は、操作者からの登録指示を受けると、これらの情報をメモリ１０４に保存し、ここで決定した照射角度および照射ウエイトを各Ｆｉｅｌｄに設定する（図１０、ステップＳ１００７）。

図７に戻り、Ｆｉｅｌｄ毎の照射角度および照射ウエイトの調整完了後、操作者は、スポット照射量の最適化計算および線量計算の実行指示を行う（図７、ステップＳ７０４）。

この実行指示を受けて、演算処理装置１０５は、処方線量とのずれを数値化した目的関数を定義し、反復計算により目的関数を最小化することで照射スポットの照射量を最適化する。この時、重要臓器の処方線量として、ステップＳ１００７で保存した予測ＤＶＨのデータを利用することも可能である。

演算処理装置１０５は最適化計算の結果、最終的に求められたスポット照射量に基づき線量分布を計算し、その結果を表示装置１０３に表示する。

操作者は表示装置１０３に表示された線量分布およびＤＶＨを確認し、最終的に得られた線量分布が、患者を治療する条件を満たしていているか否かを判断する（図７、ステップＳ７０５）。

条件を満たしていないと操作者が判断した場合（ステップＳ７０５、Ｎｏ）、例えば処方された線量と大きく異なる領域が標的内若しくは危険臓器内に確認される場合には、操作者は、最適化計算のパラメータ（例えば目的関数の各制約項のウエイトなど）を変更して（図７、ステップＳ７０６）、演算処理装置１０５が照射スポットの照射量および線量分布の計算を再度行って、治療計画を立て直す。

一方、条件を満たしていると判断すれば（ステップＳ７０５、Ｙｅｓ）、その条件は確定され、操作者の指示により、演算処理装置１０５によって治療計画としてメモリ１０４に保存される（図７、ステップＳ７０７）。

その後、確定された治療計画に基づき粒子線照射装置１０８が制御され、粒子線治療が行われる。

次に、本実施例の効果について説明する。

上述した本実施例の粒子線治療システムは、粒子線による治療計画を作成するための治療計画装置１００と、治療計画装置１００によって作成された治療計画に基づいて標的に対して粒子線を照射する粒子線照射装置１０８と、を備えたものである。このうち、治療計画装置１００は、操作者が定めた各門の照射角度および照射ウエイトを入力する入力装置１０２と、複数の治療計画データを記憶するデータサーバ１０７と、データサーバ１０７に記憶された複数の治療計画データに含まれる照射角度情報および照射角度毎の線量分布情報を用いて照射角度毎にＤＶＨ統計情報を作成し、ＤＶＨ統計情報と入力装置１０２で入力された各門の照射角度情報および照射ウエイトに基づいて算出した各門毎の線量ヒストグラムを用いて、全門照射での予測ＤＶＨを算出する演算処理装置１０５と、演算処理装置１０５によって算出された予測ＤＶＨを表示する表示装置１０３と、を備えている。

本発明によれば、最適化計算および線量計算を実施する前に、操作者が指定した照射方向の組および照射ウエイトに於ける治療計画のＤＶＨを過去の治療計画データに基づいて予測して操作者に提示することが出来る。従って、操作者は、予測されたＤＶＨを見ながら各Ｆｉｅｌｄの照射方向および照射ウエイトを調整する事が可能となる。このため、操作者の熟練度に関わらず予め求める線量分布を満たす照射条件を計算コストの高い最適化計算・線量計算を実施することなく高い精度で見通すことができ、最適化計算・線量計算の試行回数を従来の治療計画装置に比べて大幅に削減することができ、治療計画の作成の効率を向上させることが可能となる。

特に、ＳＦＯを用いた治療計画を作成する場合に於いて、計算コストのかかる最適化計算と線量計算を実施する回数を大きく低減することができ、治療計画の作成を長時間化させることを防止することができる。

また、演算処理装置１０５は、予測ＤＶＨに基づいて目的関数を計算し、目的関数の値が最も小さくなる照射パラメータを算出し、算出した照射パラメータを基に線量分布を算出するため、求めた予測ＤＶＨの精度が充分に担保されているものであるか否かを判断することができ、治療計画の作成の効率を向上させるとともに、照射精度を高く保つことができる。

更に、演算処理装置１０５は、照射角度毎の線量ヒストグラムを用いて線量分布が最適となる角度を探索することで、操作者は各Ｆｉｅｌｄの照射方向を調整する事が不要となり、治療計画の作成の効率を更に向上させることが可能となる。

＜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。

１００…治療計画装置
１０１…処理装置
１０２…入力装置
１０３…表示装置
１０４…メモリ
１０６…通信装置
１０５…演算処理装置（演算装置）
１０７…データサーバ（データベース）
１０８…粒子線照射装置（放射線照射装置）
３００…設定画面
３０１…部位入力フォーム
３０２…治療計画データリスト
３０３…角度グループ設定フォーム
３０４…Ｆｉｅｌｄ情報表示部
３０５…統計情報生成ボタン
３０６…保存ボタン
８００…設定画面
８０１…処方読み込みボタン
８０２…処方表示部
８０３…統計情報選択フォーム
８０４…Ｆｉｅｌｄ情報設定フォーム
８０５…計算開始ボタン
８０６…予測ＤＶＨ表示画面
８０７…保存ボタン

Claims (9)

1. 放射線による治療計画を作成する治療計画装置であって、
   各門の照射角度および照射ウエイトを入力する入力装置と、
   複数の治療計画データを記憶するデータベースと、
   前記データベースに記憶された複数の前記治療計画データに含まれる照射角度情報および照射角度毎の線量分布情報を用いて照射角度毎にＤＶＨ統計情報を作成し、前記ＤＶＨ統計情報と前記入力装置で入力された各門の照射角度情報および照射ウエイトに基づいて算出した各門の線量ヒストグラムを用いて、全門照射での予測ＤＶＨを算出する演算装置と、
   前記演算装置によって算出された前記予測ＤＶＨを表示する表示装置と、を備えた
   ことを特徴とする治療計画装置。
2. 請求項１に記載の治療計画装置において、
   前記演算装置は、前記予測ＤＶＨに基づいて目的関数を計算し、前記目的関数の値が最も小さくなる照射パラメータを算出し、算出した照射パラメータを基に線量分布を算出する
   ことを特徴とする治療計画装置。
3. 請求項１に記載の治療計画装置において、
   前記演算装置は、照射角度毎の線量ヒストグラムを用いて線量分布が最適となる角度を探索する
   ことを特徴とする治療計画装置。
4. 標的に対して放射線を照射する放射線照射装置と、
   請求項１に記載の治療計画装置と、を備え、
   前記放射線照射装置は、前記治療計画装置によって作成された治療計画に基づいて前記標的に対して前記放射線を照射する
   ことを特徴とする放射線治療システム。
5. 放射線の治療計画方法であって、
   治療計画に含まれる各門のＦｉｅｌｄ情報とＦｉｅｌｄ線量分布データとを照射角度ごとグループに弁別するステップと、
   前記グループごとに、前記Ｆｉｅｌｄ情報と前記Ｆｉｅｌｄ線量分布とに基づいてＤＶＨ統計情報を作成するステップと、
   入力された複数の照射門と当該照射門の照射角度と前記ＤＶＨ統計情報とに基づいて算出した前記複数の照射門毎の線量ヒストグラム、及び、入力された照射ウエイトを用いて予測ＤＶＨを算出するステップと を有することを特徴とする治療計画方法。
6. 請求項５に記載の治療計画方法において、さらに、
   前記予測ＤＶＨに基づいて目的関数を計算し、前記目的関数の値が最も小さくなる照射パラメータを算出し、算出した照射パラメータを基に線量分布を算出するステップ
   を有することを特徴とする治療計画方法。
7. 請求項５に記載の治療計画方法において、さらに、
   照射角度毎の線量ヒストグラムを用いて線量分布が最適となる角度を探索する
   ことを特徴とする治療計画方法。
8. 請求項５に記載の治療計画方法であって、
   前記予測ＤＶＨを算出するステップは、
   前記照射角度と対応する前記グループの平均モデルの前記線量ヒストグラムを、前記ＤＶＨ統計情報から算出するステップと、
   前記線量ヒストグラムを前記照射ウエイトと、処方線量と、に基づいて絶対線量ヒストグラムに変換するステップと、
   前記絶対線量ヒストグラムを用いて、前記予測ＤＶＨを算出するステップと、
   を有することを特徴とする治療計画方法。
9. 治療計画に含まれる各門のＦｉｅｌｄ情報とＦｉｅｌｄ線量分布データとを照射角度ごとグループに弁別するステップと、
   前記グループごとに、前記Ｆｉｅｌｄ情報と前記Ｆｉｅｌｄ線量分布とに基づいてＤＶＨ統計情報を作成するステップと、
   入力された複数の照射門と当該照射門の照射角度と前記ＤＶＨ統計情報とに基づいて算出した前記複数の照射門毎の線量ヒストグラム、及び、入力された照射ウエイトを用いて予測ＤＶＨを算出するステップと
   をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。

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