JP4877784B2 - 照射計画装置、粒子線照射システム、及び、これらに用いるコンピュータプログラム - Google Patents

Description

本発明は、照射計画装置、粒子線照射システム、及び、これらに用いるコンピュータプログラムに関する。特に、放射線治療装置に用いるのに好適な、ターゲットでの平坦で一様な線量分布を保障しつつ、照射時間を短縮し、照射対象の負担を軽減できる照射計画装置、粒子線照射システム、及び、これらに用いるコンピュータプログラムに関する。

近年、荷電粒子ビームを用いた放射線照射は、動植物の放射線感受性を利用した品種改良や、物質の物理的変化及びがん治療等、広く使用されている。この荷電粒子ビームの照射方法の一つとして、３次元的に局所集中した線量分布を持つ荷電粒子ビームによるスポットビームによりターゲット部を３次元的に塗りつぶすように照射するスキャニング法がある。

このスキャニング法では、設定された目標照射線量（目的線量とも称する）をターゲット部（例えば腫瘍部）に対し一様に照射できるように、照射計画装置(治療計画装置とも称する)により照射パラメータ（各スポットビームの照射位置・照射線量等）を最適化計算で決定し、この照射パラメータに基づき計画通りに照射することが求められている（非特許文献１）。

M. Kramer et al, Treatment planning for heavy-ion radiotherapy: physical beam model and dose optimization, Phys. Med. Biol.４５，ｐｐ３２９９−３３１７，２０００

しかしながら、照射計画の計画通りに照射することは困難である。一般に計画値と実照射値との誤差はビーム強度に比例するため、従来はビーム強度を落とすことでこの誤差を無視できるレベルに低く抑えて計画通りに照射することが考えられてきた。

しかし、ビーム強度を落とすことは、目標照射線量に達するのに要する時間、即ち照射時間が長引くことを意味する。この照射時間が長引くことによる照射対象への負担等を考慮すれば、照射時間をできるだけ短縮することが望ましい。特に、周期変動するターゲット部に、周期変動が少ない特定期間を利用して複数回スキャニング照射する際には、照射時間の短縮が更に必要となる。

以上のように、照射誤差の低減と照射時間の短縮とはトレードオフの関係にあり、従来の技術では、計画通りに平坦で一様な線量分布を達成し、かつ照射時間を短縮することには限界があった。

本発明は、前記従来の問題点を解消すべくなされたもので、ターゲットでの平坦で一様な線量分布を保障しつつ、照射時間を短縮し、照射対象の負担を軽減できるようにすることを課題とする。

本発明は、加速器から出射された荷電粒子ビームを照射装置により照射対象に照射する粒子線照射システムの照射パラメータを決定する照射計画装置において、前記粒子線照射システムに起因する照射誤差を推定する手段と、該推定された照射誤差も加味して照射パラメータを決定する手段と、を備えたことで、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、前記照射計画装置を備えた粒子線照射システムを提供するものである。

本発明は、又、加速器から出射された荷電粒子ビームを照射装置により照射対象に照射する粒子線照射システムの照射パラメータを決定するためのコンピュータプログラムであって、前記粒子線照射システムに起因する照射誤差を推定するステップと、該推定した照射誤差も加味して照射パラメータを決定するステップと、を含むことで、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、前記コンピュータプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を提供するものである。

前記粒子線照射システムが荷電粒子ビームの強度変調機能を具備する場合に、前記照射パラメータの決定を、照射パラメータの仮値を繰り返し演算により算出し、該算出した照射パラメータの仮値に基づき荷電粒子ビームの強度を算出し、該算出した荷電粒子ビームの強度の条件下で、前記推定した照射誤差も加味して行うことができる。

又、前記荷電粒子ビームの強度を、前記粒子線照射システムが照射可能なビーム強度テーブルに従い算出することができる。

又、前記荷電粒子ビームの強度を、前記照射対象の照射スポット毎に算出することができる。

又、前記荷電粒子ビームの強度を、前記照射対象を所定ビーム軸方向に分割した、その軸方向と交差するスライス領域毎に算出することができる。

又、前記照射誤差を、前記荷電粒子ビームの強度により前記照射対象の所定位置に照射する荷電粒子ビームの計画粒子数からの誤差を求めて、推定することができる。

又、前記照射対象の各照射スポットを前記照射装置によりスキャニング照射して行く場合に、前記計画粒子数からの誤差を、前記荷電粒子ビームの強度、前記照射スポット間の距離、及び、前記照射のスキャニング速度により推定することができる。

本発明によれば、加速器や照射装置等の粒子線照射システムに起因する照射誤差を推定し、これを加味して照射パラメータを決定するようにしたので、ターゲットでの平坦で一様な線量分布を保障しつつ、照射時間の短縮を達成することができる。これにより、これまでの技術では照射時間を要し、照射対象の負担等があったため、実現が困難と考えられていた周期変動を伴うターゲット（例えば呼吸性変動を伴う臓器）へのスキャニング照射が可能となり、照射（例えば治療）を現実的な時間内に完了することが可能となる。

特に、粒子線照射システムが荷電粒子ビームの強度変調機能を具備し、照射パラメータの仮値に基づいた荷電粒子ビームの強度の条件下で照射パラメータが決定される場合は、平均的なビーム強度を上げることができ、更に照射時間を短縮することが可能となる。

又、荷電粒子ビームの強度を算出する際、ビーム強度テーブルを用いる場合は、計算時間の短縮を図ることができる。

又、荷電粒子ビームの強度を、照射スポット毎又はスライス領域毎に算出する場合は、
ターゲットでの平坦で一様な線量分布の更なる保障を図ることができる。

又、前記照射誤差を、照射対象の所定位置に照射する荷電粒子ビームの計画粒子数からの粒子数誤差（以下、漏れ線量と称する）として推定する場合や、照射装置によりスキャニング照射して行く際に漏れ線量として推定する場合は、粒子線照射システムにおける制御の遅延等による漏れ線量の影響を照射計画の最適化計算に反映させることが可能となる。

又、前記漏れ線量を、荷電粒子ビームの強度により推定する場合は、ラスタスキャンやスポットスキャンといったスキャニング照射においても、簡便に照射誤差を推定することができる。

又、前記漏れ線量を、荷電粒子ビームの強度、照射スポット間の距離、及び、照射のスキャニング速度により推定する場合は、簡便かつより正確に照射誤差を推定することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る粒子線照射システムの全体構成を示す説明図である。

図１に示される如く、粒子線照射システム２０は、荷電粒子ビーム２を加速して出射する加速器２２と、該加速器２２から出射された荷電粒子ビーム２を輸送するビーム輸送系２４と、該ビーム輸送系２４を経た荷電粒子ビーム２を患者４の照射対象であるターゲット部６（例えば、腫瘍部）に照射する照射装置（スキャニング照射装置）３０と、前記粒子線照射システム２０を制御する制御装置４０と、粒子線照射システム２０の照射パラメータを決定する照射計画装置４２とを備えている。

前記加速器２２は荷電粒子ビーム２の強度を調整するようになっている。

前記照射装置３０は、図２に詳細に示される如く、荷電粒子ビーム２をビーム進行方向（Ｚ方向）に垂直な平面を形成するＸ−Ｙ方向に偏向させるスキャニングマグネット３２、３４と、荷電粒子ビーム２の位置を監視する線量モニタ３６と、Ｚ方向の荷電粒子ビーム２の停止位置を調整するレンジシフタ３８とを備え、ターゲット部６に対しスキャン軌道８に沿って荷電粒子ビーム２をスキャンするようになっている。

前記制御装置４０は、加速器２２からの荷電粒子ビーム２の強度や、ビーム輸送系２４内での荷電粒子ビーム２の位置修正や、照射装置３０のスキャニングマグネット３２、３４によるスキャニングや、レンジシフタ３８によるビーム停止位置等を制御するようになっている。

前記照射計画装置４２は、図１に示される如く、照射パラメータを決定するためのコンピュータのＣＰＵ４２Ａと、照射誤差も加味して照射パラメータを決定するようにコンピュータを機能させるためのプログラムと必要なデータとを記憶するメモリ部４２Ｂと、前記メモリ部４２Ｂのインターフェース４４とを備えている。

そして、照射計画装置４２は、照射対象における各スポットビームの照射位置、照射線量（重み）等の最適な照射パラメータを算出するようになっていて、この照射パラメータに基づき、計画通りに粒子線照射システム２０がスポットビームを照射するようになっている。

照射方法として、図３に示される如く、計画位置に最適化された重みに従って、前記照射装置３０によりスポットビームを照射することで、図４に示される如く、ターゲット領域Ｔに対し一様な線量分布の照射を与えるスキャニング照射法がよく用いられる。図３は、照射計画装置４２の最適化計算により決定された各スポットビームの照射位置・重み分布を示す分布図である。図４は、照射装置３０のスキャニング照射により得られる線量分布、即ち、各スポットビームの総和による線量分布である。

次に、従来法を示す図５（Ａ）を参照しながら、図５（Ｂ）に基づき、一例として患者の腫瘍に照射する場合を想定した第１実施形態の照射手順を説明する。

まず、ステップＳ１で、Ｘ線等のＣＴ撮影により腫瘍であるターゲット部６を特定する。

このＣＴ撮影に基づき、ステップＳ２で、医者が照射計画装置４２にターゲット部６のターゲット領域Ｔを入力する。ターゲット領域Ｔが入力されたら、本発明による図５（Ｂ）のステップＳ１３で照射計画装置４２の照射計画部４６により、最適化計算を行う。

この最適化計算のステップＳ１３では、加速器２２や照射装置３０等の粒子線照射システム２０の性能に起因する、照射の計画値と実照射値との照射誤差を推定し、この推定した照射誤差も加味して、目的となる線量分布を達成するための照射パラメータを決定する。一方、図５（Ａ）に示される如く、従来の照射計画装置１０の照射計画部１２におけるステップＳ３では、前記照射誤差を加味していない。

線量分布が算出されたら、ステップＳ４で、ターゲット領域Ｔでの平坦度を判定する。ここで、平坦度は、例えば、ターゲット領域Ｔにおける設定された目標照射線量からの標準偏差の逆数とすることができる。

平坦度が計画値より低いなら、ステップＳ１３に戻り、照射パラメータを変えて、再度、線量分布を算出する。平坦度が計画値より高くなったら、ステップＳ５で、このときの照射パラメータを計画データとして制御装置４０に入力する。この計画データに基づいて、ステップＳ６で、照射装置３０によりターゲット部６に照射して腫瘍細胞を死滅させて治療を行う。

このとき、加速器２２や照射装置３０等に起因する照射誤差があっても、計画通りの一様で平坦な線量分布を得ることができる。一方、従来法では、照射誤差を加味していないため、一様で平坦な線量分布を得ることができない。

次に、本実施形態の照射計画について詳細に説明する。

実際の治療では、照射計画に基づいて、この計画通りに照射することが必要であるが、従来の技術では、計画通りに照射することは難しかった。そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、加速器２２や照射装置３０等の性能が照射誤差の一要因であることを見出した。

この研究結果に基づき、本実施形態の照射計画は、それらの性能に起因する照射誤差を推定し、この照射誤差を照射計画での各スポットビームの照射位置・照射線量の最適化計算に組み込むことで、照射誤差を積極的に利用している。

例えば、図６に示される如く、照射範囲に計画された多数の照射位置（照射スポット）Ｓの一点ごとにスポットビーム軸を一旦停止させて照射していく、スポットスキャン照射では、所定位置へ照射される荷電粒子ビーム２の計画粒子数からの粒子数のオーバーによる線量誤差Ｒ１が照射誤差の原因となり、加速器２２や照射装置３０などの応答の遅れなどにより生じる。照射された荷電粒子ビーム２の粒子数は、（ビーム電流）×（照射時間）／（１粒子の電荷量）の関係から見積もることができることから、加速器２２からの荷電粒子ビームの強度により推定される。

一方、図７に示される如く、照射スポットＳでビーム軸の動きを停止させないラスタスキャニング照射では、照射スポットＳ間に照射されてしまう漏れ線量Ｒ２も照射誤差の原因となる。ここで、図中８はスキャンの軌道を表す。

この漏れ線量Ｒ２、即ち、照射対象の所定位置に向けて照射されたが、その所定位置内に計画通りに照射されなかった粒子数、即ち、漏れ粒子数による粒子数誤差は、加速器２２や照射装置３０等の応答の遅れ等により生じ、加速器２２からの荷電粒子ビーム２の強度、照射スポットＳ間の距離、及び、照射装置３０の照射のスキャニング速度により推定される。

そして、推定された線量誤差Ｒ１及び漏れ線量Ｒ２を線量分布の算出に付加していくことで、照射誤差の影響を照射計画の最適化計算に反映させることが可能となっている。

具体的には、各スポットビームの正確な線量、即ち、漏れ線量Ｒ２を加味して補正された線量の下、スキャニング照射した場合の線量分布を算出して平坦度を求める。平坦度が計画値より低いなら、照射パラメータを変え、漏れ線量Ｒ２も推定し直し、線量分布を算出して平坦度を求める。上記の手順を平坦度が計画値以下になるまで繰り返し、最適なパラメータを求めることで、漏れ線量Ｒ２の影響を照射計画の最適化計算に反映させることができる。

次に、図８に、従来の照射計画、及び、本実施形態の照射計画に従う高強度のビーム照射により達成される線量分布計算の一例を示す。

図８に示される如く、Ａ−Ａ断面のターゲット領域Ｔでの線量分布は、従来法（Ａ）では傾いているが、本実施形態の照射計画（Ｂ）では、平坦になっている。又、Ｂ−Ｂ断面のターゲット領域Ｔでの線量分布は、従来法（Ａ）では山なりにカーブしているが、本実施形態の照射計画（Ｂ）では、平坦になっている。

この計算例のように高強度のビームにより照射時間を短縮することが求められる場合に、漏れ線量がビーム強度に比例する量であるので、漏れ線量に基づかない従来法の照射によって実際に得られる線量分布は、平坦ではなくなってしまう。このため、従来法では、平坦な線量分布によって治療効果を高めるのにビーム強度を弱くしていたため、照射時間が長引いていた。

一方、本実施形態の照射計画では、最適化計算において照射誤差を加味しているため、高強度のビームでもターゲット領域Ｔにおいて平坦な線量分布が得られるので、照射時間の短縮が可能となり、患者の負担を軽減させることが可能となる。

又、呼吸により周期変動するターゲット部６に、呼吸性変動が少ない特定期間（呼吸ゲート）を利用して複数回スキャニング照射する治療の際にも有効である。

次に、本発明に係る第２実施形態の照射手順について図９に基づいて説明する。

本実施形態は、図１に示した加速器２２及び照射装置３０がビーム強度変調の機能を有する場合において、照射パラメータを決定する手順である。具体的には、図５（Ｂ）に示した照射計画部４６に対応する、図９に示される照射計画部５６における手順である。

まず、ターゲット領域を入力（ステップＳ２）したら、ステップＳ２１で、小数回の繰り返し演算による第１の最適化計算を行い、照射パラメータの仮値を算出する。

ここで、小数回の繰り返し演算とは、例えば、線量分布の平坦度が計画値より高くなるまで、演算を繰り返すのではなく、予め設定した回数で繰り返し演算を、打ち切ることである。

次に、ステップＳ２２で、この照射パラメータの仮値から、加速器２２が照射可能なビーム強度テーブル５８に従い、治療でのビーム強度を照射スポット毎に算出する。ここで、加速器２２のビーム強度テーブル５８は、照射パラメータとビーム強度との対応表であり、例えば予め実験等で求めておくことができる。又、照射スポット毎の代わりに、照射対象を所定ビーム軸方向に分割した、その軸方向と交差するスライス領域毎に、ビーム強度を算出することも可能である。

ビーム強度が算出されたら、ステップＳ２３で、そのビーム強度での照射を行うという条件の下で、加速器２２や照射装置３０等の性能を加味した本発明に係る第２の最適化計算を行う。

このような手順をとることにより、照射スポット毎又はスライス領域毎に最適化されたビーム強度での治療が可能となり、更に照射時間を短縮することが可能となる。

なお、平坦度の判定において、例えば、図７中の本来照射すべきでない場所（例えば、眼や生殖器）や照射スポット間での漏れ線量Ｒ２をできる限り少なくするという判定基準を加えてもよい。

又、照射誤差は、線量誤差Ｒ１や漏れ線量Ｒ２の他に、ビーム位置のずれや、ビーム焦点のぼやけ等でもよい。

又、スポットスキャン照射は、照射野全体を覆うスポットでビーム軸を動かすことなく照射する場合であってもよい。

本発明に係る第１実施形態の粒子線照射システムの全体構成を示す説明図 前記粒子線照射システムの照射装置の構成を示す説明図 前記粒子線照射システムの照射計画装置の最適化計算により決定された各スポットビームの照射位置・重み分布を示す分布図 前記照射装置のスキャニング照射により得られる線量分布を示す分布図 （Ａ）従来の照射手順と（Ｂ）前記実施形態の照射計画装置を用いた照射手順との比較を示す説明図 スポットスキャニング照射における最適化計算への線量誤差を示す説明図 ラスタスキャニング照射における最適化計算への漏れ線量を示す説明図 （Ａ）従来の照射計画及び（Ｂ）前記実施形態の照射計画による線量分布の比較を示す分布図 本発明に係る第２実施形態の照射手順を示す説明図

符号の説明

２…荷電粒子ビーム
６…ターゲット部（照射対象）
２０…粒子線照射システム
２２…加速器
３０…照射装置
４２…照射計画装置
４２Ａ…ＣＰＵ（コンピュータ）
４２Ｂ…メモリ部（プログラム）
５８…ビーム強度テーブル
Ｒ１…線量誤差（照射誤差）
Ｒ２…漏れ線量（照射誤差）

Claims (6)

1. 加速器から出射された荷電粒子ビームを照射装置により照射対象に照射する粒子線照射システムの照射パラメータを決定する照射計画装置において、
   前記粒子線照射システムに起因する照射誤差を推定する手段と、
   該推定された照射誤差も加味して照射パラメータを決定する手段と、
   を備えたことを特徴とする照射計画装置。
2. 前記粒子線照射システムが荷電粒子ビームの強度変調機能を具備する場合に、
   前記照射パラメータを決定する手段が、
   照射パラメータの仮値を繰り返し演算により算出する手段と、
   該算出された照射パラメータの仮値に基づき荷電粒子ビームの強度を算出する手段と、
   該算出された荷電粒子ビームの強度の条件下で、前記推定された照射誤差も加味して照射パラメータを決定する手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の照射計画装置。
3. 前記照射誤差が、前記荷電粒子ビームの強度により前記照射対象の所定位置に照射する荷電粒子ビームの計画粒子数からの誤差を求めて、推定されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の照射計画装置。
4. 前記照射対象の各照射スポットを前記照射装置によりスキャニング照射して行く場合に、前記計画粒子数からの誤差が、前記荷電粒子ビームの強度、前記照射スポット間の距離、及び、前記照射のスキャニング速度により推定されたものであることを特徴とする請求項３に記載の照射計画装置。
5. 前記請求項１乃至４のいずれかに記載の照射計画装置を備えたことを特徴とする粒子線照射システム。
6. 加速器から出射された荷電粒子ビームを照射装置により照射対象に照射する粒子線照射システムの照射パラメータを決定するためのコンピュータプログラムであって、
   前記粒子線照射システムに起因する照射誤差を推定するステップと、
   該推定した照射誤差も加味して照射パラメータを決定するステップと、
   を含むことを特徴とするコンピュータプログラム。

Images