JP5590663B2 - Charged particle dose simulation apparatus, charged particle beam irradiation apparatus, charged particle dose simulation method, and charged particle beam irradiation method - Google Patents

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Description

本発明は、陽子線などの荷電粒子線を被照射体に照射した際における被照射体内での荷電粒子線の線量分布をシミュレーションする荷電粒子線量シミュレーション装置、荷電粒子線照射装置、荷電粒子線量のシミュレーション方法、及び荷電粒子線照射方法に関する。   The present invention relates to a charged particle dose simulation apparatus, a charged particle beam irradiation apparatus, and a charged particle dose for simulating a dose distribution of a charged particle beam in an irradiated body when the irradiated body is irradiated with a charged particle beam such as a proton beam. The present invention relates to a simulation method and a charged particle beam irradiation method.

陽子線などの荷電粒子線を照射して腫瘍を治療する陽子線治療装置が知られている。このような腫瘍の治療では、腫瘍の形状や位置に応じて、絶対線量、線量分布、照射位置等の照射計画を立案し、この照射計画に従って精度良く荷電粒子線の照射を行う必要がある。照射計画の立案に際しては、陽子線治療装置などに搭載されたシミュレーション装置に、陽子線の照射条件などを入力して事前に線量分布を割り出し、この線量分布に基づいて腫瘍に的確に陽子線が照射されるか否かのシミュレーションを行う。線量分布を割り出す方法としては、例えば、Monte Carlo SimulationやPencil Beam Algorithm (PBA)と呼ばれる方法が知られている(非特許文献1〜4参照)。   2. Description of the Related Art A proton beam therapy apparatus that treats a tumor by irradiating a charged particle beam such as a proton beam is known. In the treatment of such a tumor, it is necessary to formulate an irradiation plan such as an absolute dose, a dose distribution, and an irradiation position according to the shape and position of the tumor, and perform irradiation with a charged particle beam with high accuracy according to this irradiation plan. When making an irradiation plan, the dose distribution is calculated in advance by inputting the proton beam irradiation conditions into a simulation device installed in a proton beam therapy system, and the proton beam is accurately applied to the tumor based on this dose distribution. A simulation of whether or not the irradiation is performed As a method for determining the dose distribution, for example, methods called Monte Carlo Simulation and Pencil Beam Algorithm (PBA) are known (see Non-Patent Documents 1 to 4).

Harald Paganetti, Hongyu Jiang, Katia Parodi, Roelf Slopsema andMartijn Engelsman 著,IOP Publishing, Physics in Medicine and Biology, 53(2008)4825-4853.Harald Paganetti, Hongyu Jiang, Katia Parodi, Roelf Slopsema and Martijn Engelsman, IOP Publishing, Physics in Medicine and Biology, 53 (2008) 4825-4853. Department of Radiation Oncology, Massachusetts General Hospital& Harvard Medical School,Boston, MA 02114, USA,IOP Publishing, Physics inMedicine and Biology, 54(2009)4399-4421.Department of Radiation Oncology, Massachusetts General Hospital & Harvard Medical School, Boston, MA 02114, USA, IOP Publishing, Physics in Medicine and Biology, 54 (2009) 4399-4421. Nobuyuki Kanematsu, Masataka Komori, Shunsuke Yonai1 and AzusaIshizaki 著,IOPPublishing, Physics in Medicine and Biology, 54(2009)2015-2027.Nobuyuki Kanematsu, Masataka Komori, Shunsuke Yonai1 and AzusaIshizaki, IOP Publishing, Physics in Medicine and Biology, 54 (2009) 2015-2027. Linda Hongyz, Michael Goiteiny, Marta Bucciolinix, Robert Comiskeyy,Bernard Gottschalkk, Skip Rosenthaly, Chris Seragoy and Marcia Urie 著, Phys. Med. Biol. 41(1996) 1305-1330.Linda Hongyz, Michael Goiteiny, Marta Bucciolinix, Robert Comiskeyy, Bernard Gottschalkk, Skip Rosenthaly, Chris Seragoy and Marcia Urie, Phys. Med. Biol. 41 (1996) 1305-1330.

しかしながら、上述のMonte Carlo Simulationでは、統計的な処理によって線量分布を割り出すので精度は高くなるものの、演算処理の負担が大きく、数日の期間を要することもあって実用性に欠けるという課題があった。一方で、PBAでは、Monte Carlo Simulationに比べてどうしても精度が低下し易くなり、所望の精度を確保することが難しいという課題があった。   However, the above-mentioned Monte Carlo Simulation has a problem in that the dose distribution is determined by statistical processing, so that the accuracy is high, but the calculation processing is heavy, and it takes several days, so it is not practical. It was. On the other hand, the PBA has a problem that the accuracy is apt to decrease compared to Monte Carlo Simulation, and it is difficult to ensure the desired accuracy.

本発明は、以上の課題を解決することを目的としており、精度低下を抑えながら、演算処理の負担を軽減して荷電粒子線の線量分布を早期に割り出すことが可能となる荷電粒子線量シミュレーション装置、荷電粒子線照射装置、荷電粒子線量のシミュレーション方法、及び荷電粒子線照射方法を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-described problems, and a charged particle dose simulation apparatus capable of quickly calculating a dose distribution of a charged particle beam by reducing a burden of calculation processing while suppressing a decrease in accuracy. It is an object of the present invention to provide a charged particle beam irradiation apparatus, a charged particle dose simulation method, and a charged particle beam irradiation method.

本発明は、荷電粒子線が被照射体に照射された際を想定し、荷電粒子線を錐状の広がりを有する仮想形状として仮定すると共に、被照射体内での荷電粒子線の広がりを割り出す線量分布カーネルを用いて被照射体内の荷電粒子線の線量分布をシミュレーションする装置において、被照射体の物質情報及び荷電粒子線の照射情報を含むシミュレーションデータの入力を受け付ける入力手段と、入力手段で受け付けられたシミュレーションデータ及び線量分布カーネルに基づいて、被照射体内の荷電粒子線の線量分布を割り出す演算手段と、を備え、演算手段は、荷電粒子線の進行方向の途中で所定の範囲まで広がった複数の荷電粒子線を細分化し、且つ細分化した位置を出発点として錐状の広がりを有する複数の仮想形状を仮定すると共に、入力手段で受け付けられたシミュレーションデータと荷電粒子線の複数の仮想形状とに基づいて被照射体内での荷電粒子線の線量分布を割り出すことを特徴とする。 The present invention assumes a case where a charged particle beam is irradiated on an irradiated object, assumes the charged particle beam as a virtual shape having a conical spread, and determines the dose of the charged particle beam in the irradiated body. In an apparatus for simulating a dose distribution of a charged particle beam in an irradiated body using a distribution kernel, an input unit that receives input of simulation data including material information of the irradiated body and irradiation information of the charged particle beam, and an input unit Calculating means for calculating the dose distribution of the charged particle beam in the irradiated body based on the simulation data and the dose distribution kernel, and the calculation means spread to a predetermined range in the middle of the traveling direction of the charged particle beam. subdividing a plurality of charged particle beams, a and subdivided position while assuming a plurality of virtual shapes having conical spread as a starting point, input Characterized in that to determine the dose distribution of the charged particle beam at the irradiated body based on the simulation data received in means and a plurality of virtual shape of the charged particle beam.

被照射体が一定の物質のみから構成される場合には、従来のPBAでも比較的高い精度を期待できるが、実際の被照射体は、様々な物質が複雑に入り組んで構成されるので、従来のPBAでは荷電粒子線の線量分布を精度良く割り出すことが難しい。しかしながら、本発明によれば、荷電粒子線として仮定された錐状の仮想形状を適宜に細分化して複数の仮想形状として仮定するので、細分化された仮想形状それぞれを複雑に入り組んだ構成に対応させながら荷電粒子線の線量分布を割り出すことが可能になり、線量分布の精度向上に有効である。さらに、本発明では、荷電粒子線を錐状の仮想形状として仮定した上で荷電粒子線の線量分布を求めるので、統計的な演算処理によって線量分布を導出するMonte Carlo Simulationに比べて演算処理の負担を軽減できる。その結果として、精度低下を抑えながら、演算処理の負担を軽減して線量分布を早期に割り出すことが可能となる。   If the object to be irradiated is composed only of a certain substance, the conventional PBA can be expected to have relatively high accuracy, but the actual object to be irradiated is composed of various substances intricately. With PBA, it is difficult to accurately determine the dose distribution of charged particle beams. However, according to the present invention, the conical virtual shape assumed as the charged particle beam is appropriately subdivided and assumed as a plurality of virtual shapes, so that the subdivided virtual shapes can be complicatedly arranged. Therefore, it is possible to determine the dose distribution of the charged particle beam while improving the accuracy of the dose distribution. Furthermore, in the present invention, since the charged particle beam is assumed to be a conical virtual shape and the dose distribution of the charged particle beam is obtained, the calculation processing is compared with Monte Carlo Simulation in which the dose distribution is derived by statistical calculation processing. The burden can be reduced. As a result, it is possible to determine the dose distribution at an early stage by reducing the burden of the arithmetic processing while suppressing the decrease in accuracy.

さらに、荷電粒子線を細分化する位置は、荷電粒子線が被照射体に進入する直前の位置であると好適である。被照射体の内部に進入する直前で内部の構造に対応して荷電粒子線を複数の仮想形状に細分化できるので荷電粒子線の線量分布を割り出す上で精度を更に向上し易くなる。   Furthermore, the position where the charged particle beam is subdivided is preferably a position immediately before the charged particle beam enters the irradiated body. Immediately before entering the irradiated body, the charged particle beam can be subdivided into a plurality of virtual shapes corresponding to the internal structure, so that it becomes easier to further improve the accuracy in determining the dose distribution of the charged particle beam.

さらに、演算手段で割り出された線量分布を報知する出力手段を更に備えると好適である。操作者が視聴可能な文字情報、画像情報または音声情報などを出力手段から報知することにより、操作者はシミュレーション結果としての荷電粒子線量の線量分布を容易に把握することができる。   Furthermore, it is preferable to further include output means for notifying the dose distribution determined by the calculation means. By notifying the output means of text information, image information, or voice information that can be viewed by the operator, the operator can easily grasp the dose distribution of the charged particle dose as the simulation result.

さらに、出力手段は、線量分布を等線量線化または等線量面化して報知すると好適である。等線量線化または等線量面化して報知することで、線量の大小を容易に把握できる。   Further, it is preferable that the output means informs the dose distribution by making it an isodose line or an isodose surface. It is possible to easily grasp the magnitude of the dose by reporting with an isodose line or isodose surface.

また、本発明に係る荷電粒子線照射装置は、上記のシミュレーション装置を備えたことを特徴とする。本発明によれば、上記のシミュレーション装置によって早期に割り出された荷電粒子線の線量分布に基づいて荷電粒子線の照射が可能になる。   Moreover, the charged particle beam irradiation apparatus according to the present invention includes the above-described simulation apparatus. According to the present invention, it is possible to irradiate a charged particle beam based on the dose distribution of the charged particle beam determined at an early stage by the simulation apparatus.

また、本発明は、荷電粒子線が被照射体に照射された際を想定し、荷電粒子線を錐状の広がりを有する仮想形状として仮定すると共に、被照射体内での荷電粒子線の広がりを導出する線量分布カーネルを用いて被照射体内の荷電粒子線の線量分布をシミュレーションする方法において、被照射体の物質情報を取得する被照射体情報取得工程と、荷電粒子線の照射情報を決定する照射情報設定工程と、照射情報設定工程で決定された照射情報と線量分布カーネルとに基づき、荷電粒子線の進行方向の途中で所定の範囲まで広がった複数の荷電粒子線を細分化し、且つ細分化した位置を出発点として錐状の広がりを有する複数の仮想形状を仮定すると共に、被照射体情報取得工程で取得された物質情報と荷電粒子線の複数の仮想形状とに基づいて被照射体内の荷電粒子線の線量分布を割り出すシミュレーション工程と、を含むことを特徴とする。発明によれば、精度低下を抑えながら、演算処理の負担を軽減して荷電粒子線の線量分布を早期に割り出すことが可能となる。 Further, the present invention assumes that the charged particle beam is irradiated onto the irradiated object, assumes the charged particle beam as a virtual shape having a conical expansion, and spreads the charged particle beam in the irradiated object. In the method of simulating the dose distribution of the charged particle beam in the irradiated body using the derived dose distribution kernel, the irradiation object information acquiring step for acquiring the substance information of the irradiated body and the irradiation information of the charged particle beam are determined. Based on the irradiation information setting process, the irradiation information determined in the irradiation information setting process, and the dose distribution kernel, a plurality of charged particle beams that have spread to a predetermined range in the middle of the traveling direction of the charged particle beam are subdivided and subdivided. Assuming a plurality of virtual shapes having a cone-shaped spread starting from the converted position, and based on the substance information acquired in the irradiated object information acquisition step and the plurality of virtual shapes of the charged particle beam Characterized in that it comprises a and a simulation step of determining the dose distribution of the charged particle beam irradiation body. According to the invention, it is possible to determine the dose distribution of the charged particle beam at an early stage while reducing the burden of calculation processing while suppressing the decrease in accuracy.

本発明によれば、精度低下を抑えながら、演算処理の負担を軽減して線量分布を早期に割り出すことが可能となる。   According to the present invention, it is possible to determine the dose distribution at an early stage by reducing the burden of calculation processing while suppressing the decrease in accuracy.

本発明の実施形態に係るシミュレーション装置を搭載した陽子線治療装置の説明図である。It is explanatory drawing of the proton beam therapy apparatus carrying the simulation apparatus which concerns on embodiment of this invention. 陽子線治療の効果をグラフによって示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the effect of a proton beam treatment with a graph. 線量分布計算アルゴリズムを模式化して示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a dose distribution calculation algorithm typically. DMS−PBA法の概念を模式化して示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the concept of a DMS-PBA method typically. DMS−PBA法におけるビームレットの細分化についての説明図である。It is explanatory drawing about the subdivision of the beamlet in a DMS-PBA method. DMS−PBA法について、従来のPBA法との違いを模式的に示し、(a)はPBAを模式的に示す説明図であり、(b)はDMS−PBAを模式的に示す説明図である。About DMS-PBA method, the difference with the conventional PBA method is shown typically, (a) is explanatory drawing which shows PBA typically, (b) is explanatory drawing which shows DMS-PBA typically. . DMS−PBA法と従来のPBA法との線量分布の相違を示す図であり、(a)は両者の相違を等線量線化して示す図であり、(b)は深さ0mmでの両者の線量分布を示すグラフであり、(c)は深さ115mmでの線量分布を示すグラフである。It is a figure which shows the difference of dose distribution of DMS-PBA method and the conventional PBA method, (a) is a figure which shows both differences by making an iso-dose line, (b) is both figures in the depth of 0 mm It is a graph which shows dose distribution, (c) is a graph which shows dose distribution in depth 115mm. 臨床画像(矢状断面)を用いて線量分布を比較して示す図であり、(a)はPBA法で求めた線量分布を等線量線化して示す画像の一例であり、(b)はDMS−PBA法で求めた線量分布を等線量線化して示す画像の一例である。It is a figure which compares and shows a dose distribution using a clinical image (sagittal cross section), (a) is an example of the image which shows the dose distribution calculated | required by PBA method as an isodose line, (b) is DMS. It is an example of the image which shows the dose distribution calculated | required by -PBA method by making it an iso-dose line. 臨床画像(軸状断面)を用いて線量分布を比較して示す図であり、(a)はPBA法で求めた線量分布を等線量線化して示す画像の一例であり、(b)はDMS−PBA法で求めた線量分布を等線量線化して示す画像の一例である。It is a figure which compares and shows a dose distribution using a clinical image (axial cross section), (a) is an example of the image which shows the dose distribution calculated | required by PBA method as an isodose line, (b) is DMS. It is an example of the image which shows the dose distribution calculated | required by -PBA method by making it an iso-dose line. 陽子線治療の概略手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the schematic procedure of a proton beam treatment. 線量分布シミュレーションの動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure of dose distribution simulation. 実験例1のシミュレーション結果を示すグラフである。6 is a graph showing a simulation result of Experimental Example 1. 実験例2のシミュレーション結果を示すグラフである。10 is a graph showing a simulation result of Experimental Example 2. 実験例3のシミュレーション結果を示すグラフである。10 is a graph showing a simulation result of Experimental Example 3.

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。   Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

陽子線(荷電粒子線)を照射して腫瘍(ガン病巣)を治療する際には、腫瘍の形状や位置に応じて、絶対線量、線量分布、照射位置等の照射計画が立案され、この照射計画に従って陽子線の照射が行われる。図1に示されるように、陽子線治療装置(荷電粒子線照射装置)1は、照射計画を立案するためのシミュレーション装置(荷電粒子線量シミュレーション装置)3と、シミュレーション結果に応じて患者などの被照射体Xに陽子線Bを照射する照射装置5とを備えている。   When treating a tumor (cancerous lesion) by irradiating a proton beam (charged particle beam), an irradiation plan such as absolute dose, dose distribution, irradiation position, etc. is prepared according to the shape and position of the tumor. Proton irradiation is performed according to the plan. As shown in FIG. 1, a proton beam treatment apparatus (charged particle beam irradiation apparatus) 1 includes a simulation apparatus (charged particle dose simulation apparatus) 3 for creating an irradiation plan, and a subject such as a patient according to the simulation result. And an irradiation device 5 for irradiating the irradiation body X with the proton beam B.

照射装置5は、被照射体Xに向けて陽子線Bを照射する照射部51、陽子線Bの照射範囲を調整するコリメータ52、ガン病巣の形状に合わせて陽子線Bの到達距離を調整するボーラス53などを備えている。ボーラス53の材質は、ポリエチレンなどである。照射装置5による実際の照射は、操作者による照射装置5の入力操作に基づいて行われる。   The irradiation device 5 adjusts the reach of the proton beam B according to the shape of the irradiation unit 51 that irradiates the proton beam B toward the irradiation object X, the collimator 52 that adjusts the irradiation range of the proton beam B, and the cancer lesion. A bolus 53 and the like are provided. The material of the bolus 53 is polyethylene or the like. Actual irradiation by the irradiation device 5 is performed based on an input operation of the irradiation device 5 by an operator.

なお、図2に示されるように、光子線の場合には、患者の皮膚(体表面Xa)へ入射した直後(ガン病巣に到達する前)に細胞へのダメージが最も大きな(治療効果が最も大きな)ピークを迎え、徐々に低下していく。一方で、陽子線などの重荷電粒子の場合には、ブラッグピーク(Bragg Peak)と呼ばれる極大部分が所定の深さで現れる。従って、陽子線Bが通過するボーラス53の形状などを適宜に調整してブラッグピーク(Bragg Peak)が現れる深さを調整することにより、正常組織へのダメージを抑え、腫瘍組織(ガン病巣)へのダメージを大きくすることができる。   As shown in FIG. 2, in the case of a photon beam, the damage to the cell is the largest immediately after entering the patient's skin (body surface Xa) (before reaching the cancer lesion) (the therapeutic effect is the greatest). It reaches a peak and gradually decreases. On the other hand, in the case of heavy charged particles such as proton beams, a maximum portion called a Bragg peak appears at a predetermined depth. Therefore, by appropriately adjusting the shape of the bolus 53 through which the proton beam B passes and adjusting the depth at which the Bragg peak appears, the damage to the normal tissue is suppressed and the tumor tissue (cancer lesion) is obtained. Damage can be increased.

シミュレーション装置3(図1参照)は、中央処理装置を備え、中央処理装置は、ハードウェア構成としてCPU、RAM,ROMなどを有し、機能的構成として入力部(入力手段)31、演算部(演算手段)33、及び出力部(出力手段)35を有する。   The simulation apparatus 3 (see FIG. 1) includes a central processing unit. The central processing unit includes a CPU, a RAM, a ROM, and the like as hardware configurations, and includes an input unit (input means) 31 and a calculation unit (functional units). A calculation unit) 33 and an output unit (output unit) 35.

入力部31は、タッチパネル、キーボードまたはマウスなどの操作デバイスであり、操作者の操作に基づくデータの入力を受け付ける。また、入力部31は、例えば、治療用CT(Computed Tomography)で撮影されたガン病巣を含む画像データ、照射領域に係るデータ、及ぶ照射パラメータデータを受け付ける。照射パラメータデータとは、例えば、照射方向、患者寝台の角度等のデータである。本実施形態では、治療用CTで取得された画像データ(治療用CT画像データ)は被照射体Xの物質情報に相当し、照射領域に係るデータ及ぶ照射パラメータデータは荷電粒子線の照射情報に相当する。以下、これらを総称してシミュレーションデータという。   The input unit 31 is an operation device such as a touch panel, a keyboard, or a mouse, and accepts data input based on an operation of the operator. In addition, the input unit 31 receives, for example, image data including a cancer lesion imaged by therapeutic CT (Computed Tomography), data related to an irradiation region, and irradiation parameter data. The irradiation parameter data is data such as an irradiation direction and a patient bed angle, for example. In the present embodiment, the image data (therapeutic CT image data) acquired by the therapeutic CT corresponds to the substance information of the irradiation object X, and the irradiation parameter data and the irradiation parameter data related to the irradiation region are the charged particle beam irradiation information. Equivalent to. Hereinafter, these are collectively referred to as simulation data.

演算部33は、陽子線Bが被照射体Xに照射された際を想定し、陽子線Bを錐状(ペンシルビーム形状)の広がりを有する仮想形状として仮定すると共に、被照射体Xの内部での陽子線Bの広がりを導出する線量分布カーネルを用いて被照射体Xの内部での陽子線Bの線量分布をシミュレーションする機能を有する。ここで、線量分布を割り出す従来の方法は、例えば、Pencil-beam法(PBA法)であったが、本実施形態では、PBA法を更に進化させたDelta-functionMulti Segmented PBA法(DMS−PBA法)によって線量分布計算を行っている。以下、PBA法について概略説明した後に、DMS−PBA法について詳しく説明する。   The computing unit 33 assumes that the irradiated body X is irradiated with the proton beam B, assumes the proton beam B as a virtual shape having a cone-shaped (pencil beam shape), and the inside of the irradiated body X. The function of simulating the dose distribution of the proton beam B inside the irradiated body X using the dose distribution kernel for deriving the spread of the proton beam B at Here, the conventional method for determining the dose distribution is, for example, the Pencil-beam method (PBA method). However, in this embodiment, the Delta-function Multi Segmented PBA method (DMS-PBA method) is a further evolution of the PBA method. ) To calculate the dose distribution. Hereinafter, after the PBA method is outlined, the DMS-PBA method will be described in detail.

PBA法とは、陽子線Bをペンシルビーム形状に見立て、物質中での陽子線Bの多重クーロン散乱による広がりを考慮した線量分布カーネルを用いて計算を実施する方法である。具体的には、図3に示されるように、照射点からの深部方向の線量分布を実測から取得し、さらに、所定の計算(Gaussianによる近似)から得られたビームの広がりを考慮して陽子線Bの進行方向の所定地点における線量分布を導出する。例えば、地点Zでの広がりをGaussianによる近似によって広がりσとして求め、地点Zでの広がりをGaussianによる近似によって広がりσとして求める。 The PBA method is a method in which the proton beam B is regarded as a pencil beam shape, and calculation is performed using a dose distribution kernel that takes into account the spread of the proton beam B in the material due to multiple Coulomb scattering. Specifically, as shown in FIG. 3, the dose distribution in the depth direction from the irradiation point is obtained from actual measurements, and further, protons are considered in consideration of the beam spread obtained from a predetermined calculation (approximation by Gaussian). The dose distribution at a predetermined point in the traveling direction of the line B is derived. For example, it calculated as a spread sigma 1 spread at the point Z 1 by approximation by Gaussian, determine the spread at the point Z 2 as spread sigma 2 by approximation by Gaussian.

従来のPBA法によれば、数分程度の計算時間で陽子線Bの線量分布を導出できる点で有利であるものの、照射範囲内における不均質物質(例えば、患者の骨など)の有無によって計算精度が低下するということも想定されるため、改良の余地があった。   Although the conventional PBA method is advantageous in that the dose distribution of the proton beam B can be derived in a calculation time of about several minutes, it is calculated based on the presence or absence of a heterogeneous substance (for example, a patient's bone) within the irradiation range. Since it is also assumed that the accuracy is lowered, there is room for improvement.

DMS−PBA法は、PBA法の利点である計算時間の短縮という利点を生かしながら精度の向上を図ることができるという手法である。DMS−PBA法の特徴的な事項は少なくとも二つあり、第1番目は、被照射体(患者など)Xの体表面XaにおけるSurface Map解析によるボーラス53からの散乱を考慮した線量分布計算であり、第2番目は、体表面Xaを出発点として発射されるビームレットBaによる高解像度の線量分布計算である。   The DMS-PBA method is a technique capable of improving accuracy while taking advantage of the reduction in calculation time, which is an advantage of the PBA method. There are at least two characteristic items of the DMS-PBA method, and the first is dose distribution calculation in consideration of scattering from the bolus 53 by the surface map analysis on the body surface Xa of the irradiated object (such as a patient) X. The second is a high-resolution dose distribution calculation by the beamlet Ba emitted from the body surface Xa.

DMS−PBA法のこれらの特徴について、図4及び図5を参照して概念的に説明する。図4は、DMS−PBA法の概念を模式化して示す説明図であり、図5はDMS−PBA法におけるビームの細分化についての説明図である。図4に示されるように、ボーラス53などに入力された陽子線(ビーム)Bは、側方多重クーロン散乱による広がりを生じながら進行して体表面Xaまで到達する。ここで、体表面XaまでのビームBの側方エミッタンスを計算する。この計算は、従来のPBAと同様である。   These features of the DMS-PBA method will be conceptually described with reference to FIGS. FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing the concept of the DMS-PBA method, and FIG. 5 is an explanatory diagram of beam segmentation in the DMS-PBA method. As shown in FIG. 4, the proton beam (beam) B input to the bolus 53 or the like travels to reach the body surface Xa while spreading due to side multiple Coulomb scattering. Here, the lateral emittance of the beam B to the body surface Xa is calculated. This calculation is similar to conventional PBA.

次に、体表面XaでのSurface Mapを作成する。Surface Mapとは、体表面Xaでの各計算グリッドにおいて、合算したビームBの強度(重み)、残余飛跡、残余飛跡の異なるビームBの数をマッピングしたものである。例えば、ボーラス53を断面L字状のブロック体として仮定した場合、厚い部分を通過したビームBの体表面Xaでの残余飛跡は、薄い部分を通過したビームBの体表面Xaでの残余飛散に比べて小さくなる。また、厚い部分を通過したビームBと薄い部分を通過したビームBとが体表面Xaで重なり合う領域では、重なり合わない領域に比べて線量(強度)は大きくなる。これらの要素を考慮して体表面XaでのSurface Mapを作成する。以上が、被照射体Xの体表面XaにおけるSurfaceMap解析によるボーラス53からの散乱を考慮した線量分布計算であり、DMS−PBA法の第1番目の特徴である。なお、残余飛跡とは、陽子線の運動エネルギーに相当する飛程である。   Next, a surface map on the body surface Xa is created. The surface map is obtained by mapping the intensity (weight) of the combined beam B, the residual track, and the number of beams B having different residual tracks in each calculation grid on the body surface Xa. For example, when the bolus 53 is assumed to be a block body having an L-shaped cross section, a residual track on the body surface Xa of the beam B that has passed through the thick part is a residual scattering on the body surface Xa of the beam B that has passed through the thin part. Smaller than that. In addition, the dose (intensity) in the region where the beam B that has passed through the thick portion and the beam B that has passed through the thin portion overlap on the body surface Xa is larger than the region that does not overlap. A Surface Map on the body surface Xa is created in consideration of these factors. The above is the dose distribution calculation considering the scattering from the bolus 53 by the SurfaceMap analysis on the body surface Xa of the irradiated object X, and is the first feature of the DMS-PBA method. The residual track is a range corresponding to the kinetic energy of the proton beam.

次に、Surface Mapを細分化し、細分化した各要素(以下、「ボクセル」という)を出発点として仮想的に照射される複数の陽子線(以下、「ビームレット」という)Baの初期条件を割り出す。例えば、ビームレットBaの線量は、体表面Xaへの入射が想定される線量分布をデルタ関数形状にセグメンテーションすることで求められる(図5(a)参照)。また、ボクセルでのビームレットBaのサイズは、極めて小さいものと仮定される。   Next, the surface map is subdivided, and initial conditions of a plurality of proton beams (hereinafter referred to as “beamlets”) Ba that are virtually irradiated with each subdivided element (hereinafter referred to as “voxel”) as a starting point are defined as follows. Find out. For example, the dose of the beamlet Ba can be obtained by segmenting a dose distribution assumed to be incident on the body surface Xa into a delta function shape (see FIG. 5A). Also, the size of the beamlet Ba at the voxel is assumed to be extremely small.

次に、体表面Xaから体内に照射されるビームレットBaによる線量分布計算を行う。ビームレットBaによる線量分布計算について、図5を参照して概念的に説明する。図5(a)は体表面Xaにおける線量の側方プロファイルを示している。図5(a)に示されるように、ビームレットBaの線量は、上述の線量分布のセグメンテーションによって求まる。ビームレット(セグメント)Baが体内に照射されたと仮定すると、各セグメントは、深く進むに従って広がる(図5(b)参照)。そして、体内での任意深さの線量分布は、各セグメントの重ね合わせによって導出される(図5(c)参照)。図5(c)は、体内における線量の側方プロファイルを示している。   Next, the dose distribution calculation by the beamlet Ba irradiated into the body from the body surface Xa is performed. The dose distribution calculation by the beamlet Ba will be conceptually described with reference to FIG. FIG. 5A shows a lateral profile of the dose on the body surface Xa. As shown in FIG. 5A, the dose of the beamlet Ba is obtained by the above-described segmentation of the dose distribution. Assuming that the beamlet (segment) Ba is irradiated into the body, each segment expands as it goes deeper (see FIG. 5B). The dose distribution at an arbitrary depth in the body is derived by overlapping each segment (see FIG. 5C). FIG. 5C shows a lateral profile of the dose in the body.

すべてのビームレットBaを積算することで体内での線量分布を割り出すことが可能になる。以上が、体表面Xaを出発点として発射されるビームレットBaによる高解像度の線量分布計算であり、DMS−PBA法の第2番目の特徴である。なお、DMS−PBA法によるビームサイズの具体的な計算は以下の式(1)に基づく。   By integrating all the beamlets Ba, it becomes possible to determine the dose distribution in the body. The above is the high-resolution dose distribution calculation by the beamlet Ba emitted from the body surface Xa as the starting point, and is the second feature of the DMS-PBA method. The specific calculation of the beam size by the DMS-PBA method is based on the following equation (1).

次に、図6及び図7を参照して、PBA法とDMS−PBA法との違いについて説明する。図6(a)はPBAを模式的に示す説明図であり、(b)はDMS−PBAを模式的に示す説明図である。図6に示されるように、PBA法では、体表面Xaに到達したビームBが、そのまま体内に照射されるビームBの初期条件となる。すなわち、PBA法では、ボーラス53を通過してビームサイズσ,σ、残余飛跡R,Rとして体表面Xaに到達したビームBは、そのままの条件で体内に照射されると仮定される。一方で、DMS−PBA法では、ビームサイズσ,σ、残余飛跡R,Rとして体表面Xaに入力されたビームBは、体表面Xaで細分化されることにより、ビームサイズσが、σ,σに比べて極めて小さい複数のビームレットBaに細分化され、各ビームレットBaが体内に照射されると仮定される。 Next, the difference between the PBA method and the DMS-PBA method will be described with reference to FIGS. FIG. 6A is an explanatory diagram schematically showing PBA, and FIG. 6B is an explanatory diagram schematically showing DMS-PBA. As shown in FIG. 6, in the PBA method, the beam B that has reached the body surface Xa is the initial condition of the beam B that is irradiated into the body as it is. That is, in the PBA method, it is assumed that the beam B that has passed through the bolus 53 and has reached the body surface Xa as the beam sizes σ 1 and σ 2 and the residual tracks R 1 and R 2 is irradiated into the body under the same conditions. The On the other hand, in the DMS-PBA method, the beam B input to the body surface Xa as the beam sizes σ 1 and σ 2 and the residual tracks R 1 and R 2 is subdivided by the body surface Xa, so that the beam size σ It is assumed that 0 is subdivided into a plurality of beamlets Ba that are extremely smaller than σ 1 and σ 2 , and each beamlet Ba is irradiated into the body.

図7は、水等価物質中に骨等価物質を配置した被照射体Xのモデルに対し、ビームBを照射した場合を想定してDMS−PBA法とPBA法とで線量分布を割り出した結果を示し、(a)は両者の相違を等線量線化して示す図であり、(b)は深さ0mmでの両者の側方プロファイルであり、(c)は深さ115mmでの両者の側方プロファイルである。   FIG. 7 shows the result of calculating the dose distribution using the DMS-PBA method and the PBA method on the assumption that the beam B is irradiated to the model of the irradiated object X in which the bone equivalent material is arranged in the water equivalent material. (A) is a diagram showing the difference between the two in an isodose line, (b) is a side profile of both at a depth of 0 mm, and (c) is a side profile of both at a depth of 115 mm. It is a profile.

図7(b)に示されるように、深さdが“0mm”の場合、すなわち、体表面XaでのビームBのサイズ、及び線量は同一である。一方で、図7(c)に示されるように、深さdが“115mm”の場合、PBA法で求めた線量分布とDMS−PBA法で求めた線量分布との間には、大きな差異が生じている。この相違は、PBA法において骨等価物質の存在を考慮することなく線量分布が割り出されているのに対し、DMS−PBA法では骨等価物質の存在を考慮して線量分布が割り出されていることに起因する。   As shown in FIG. 7B, when the depth d is “0 mm”, that is, the size and the dose of the beam B on the body surface Xa are the same. On the other hand, as shown in FIG. 7C, when the depth d is “115 mm”, there is a large difference between the dose distribution obtained by the PBA method and the dose distribution obtained by the DMS-PBA method. Has occurred. The difference is that the dose distribution is calculated without considering the presence of bone equivalent in the PBA method, whereas the dose distribution is calculated in consideration of the presence of bone equivalent in the DMS-PBA method. Due to being.

出力部35は、モニタやスピーカなどの出力デバイスであり、演算部でのシミュレーション結果を操作者などが視認可能な画像として出力(報知)したり、音データとして出力(報知)したりする。つまり、出力部35は、DMS−PBA法での演算結果に基づく線量分布データを演算部33から受け付け、受け付けた線量分布データに基づき、例えば、治療CT画像に等線量線化または等線量面化した線量分布画像を合成し、操作者などが視認可能となる画像データ(画像情報)を生成して表示(報知)する。   The output unit 35 is an output device such as a monitor or a speaker, and outputs (notifies) the simulation result in the arithmetic unit as an image that can be visually recognized by an operator or the like, or outputs (notifies) it as sound data. In other words, the output unit 35 receives dose distribution data based on the calculation result in the DMS-PBA method from the calculation unit 33, and based on the received dose distribution data, for example, the treatment CT image is converted into an isodose line or isodose surface. The dose distribution images thus synthesized are combined to generate and display (notify) image data (image information) that can be viewed by an operator or the like.

ここで、出力部35から表示される画像データについて、図8及び図9を参照して具体的に説明する。図8及び図9は、線量分布が等線量線化された画像の一例を示しており、出力部35は、例えば、図8(b)または図9(b)に示されるような画像を表示する。なお、図8(a)及び図9(a)は、PBA法によって導出された線量分布を示す画像であり、図8(b)及び図9(b)は、DMS−PBA法によって導出された線量分布を示す画像である。   Here, the image data displayed from the output unit 35 will be specifically described with reference to FIGS. 8 and 9. 8 and 9 show an example of an image in which the dose distribution is made into an isodose line, and the output unit 35 displays an image as shown in FIG. 8B or FIG. 9B, for example. To do. 8A and 9A are images showing the dose distribution derived by the PBA method, and FIGS. 8B and 9B are derived by the DMS-PBA method. It is an image which shows dose distribution.

PBA法での線量分布画像(図8(a))とDMS−PBA法での線量分布画像(図8(b))とを比較した場合、DMS−PBA法での線量分布画像はPBA法での線量分布画像に比べて各等量線が複雑に入り組んだ形状となっており、不均質物質に対応して精度良く線量分布を割り出していることを推察できる。同様に、図9に示されるように、DMS−PBA法での線量分布画像(図9(b))の方が、PBA法での線量分布画像(図9(a))に比べて各等量線が複雑に入り組んだ形状となっており、不均質物質に対応して精度良く線量分布を割り出していることを推察できる。   When comparing the dose distribution image obtained by the PBA method (FIG. 8A) and the dose distribution image obtained by the DMS-PBA method (FIG. 8B), the dose distribution image obtained by the DMS-PBA method is obtained by the PBA method. It can be inferred that the dose distribution is accurately determined corresponding to the inhomogeneous substance because each of the isolines is intricately complicated in comparison with the dose distribution image of the above. Similarly, as shown in FIG. 9, the dose distribution image by the DMS-PBA method (FIG. 9B) is equal to the dose distribution image by the PBA method (FIG. 9A). It is inferred that the dose line has a complicated and complicated shape, and that the dose distribution has been accurately calculated for heterogeneous substances.

次に、実際の陽子線治療方法の概要を説明し、その中で行われる線量分布シミュレーション方法及び陽子線照射方法(荷電粒子線照射方法)について、図10及び図11を参照して説明する。図10は、陽子線治療の概略手順を示すフローチャートであり、線量分布シミュレーションの動作手順を示すフローチャートである。   Next, an outline of an actual proton beam treatment method will be described, and a dose distribution simulation method and a proton beam irradiation method (charged particle beam irradiation method) performed therein will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is a flowchart showing a schematic procedure of proton beam treatment, and is a flowchart showing an operation procedure of dose distribution simulation.

図10に示されるように、最初に医師などの操作者による診断が行われ(ステップS1)、その後に治療用CTによる、ガン病巣近傍の画像の取得が行われる(ステップS2)。次に、照射領域の決定(ステップS3)と、照射パラメータの決定(ステップS4)が行われる。ステップS2の治療用CT画像の取得が行われる工程は、被照射体Xの物質情報を取得する被照射体X情報取得工程に相当し、ステップS3,S4の照射領域の決定及び照射パラメータの決定が行われる工程は、荷電粒子線の照射情報を決定する照射情報設定工程に相当する。   As shown in FIG. 10, first, a diagnosis by an operator such as a doctor is performed (step S1), and then an image of the vicinity of the cancer lesion is acquired by the therapeutic CT (step S2). Next, an irradiation area is determined (step S3) and an irradiation parameter is determined (step S4). The process in which the CT image for treatment in step S2 is acquired corresponds to the irradiation object X information acquisition process in which the substance information of the irradiation object X is acquired, and the irradiation region determination and the irradiation parameter determination in steps S3 and S4 are performed. The step of performing is equivalent to an irradiation information setting step of determining irradiation information of a charged particle beam.

次に、シミュレーション装置3において線量分布シミュレーションに係る処理が実行され(ステップS5)、シミュレーション結果としての線量分布画像が出力部35から表示(報知)される。ステップS5は、シミュレーション工程に相当する。   Next, processing related to dose distribution simulation is executed in the simulation apparatus 3 (step S5), and a dose distribution image as a simulation result is displayed (notified) from the output unit 35. Step S5 corresponds to a simulation process.

操作者は、出力部35に表示された線量分布画像を確認する。例えば、操作者は、陽子線Bのブラッグピークが、目的の領域(ガン病巣)に的確に到達しているか否か、及び目的の領域外にまで到達してしまっていないかの判定(シミュレーション結果の判定)を行う。ここで、操作者は、陽子線Bのブラッグピークが、ガン病巣に的確に到達していないと判定するとステップS4に戻る。操作者は、陽子線Bのブラッグピークが的確にガン病巣に到達すると判定するまで、照射パラメータの決定(ステップS4)と線量分布シミュレーション(ステップS5)とを繰り返し実行し、的確にガン病巣に到達すると判定した場合には、照射装置5を操作して実際の陽子線の照射を行う(ステップS7)。ステップS7は、陽子線Bを照射する陽子線照射方法(荷電粒子線照射方法)に相当する。   The operator confirms the dose distribution image displayed on the output unit 35. For example, the operator determines whether the Bragg peak of the proton beam B has accurately reached the target region (cancer lesion) and whether it has not reached the target region (simulation result) Determination). Here, if the operator determines that the Bragg peak of the proton beam B has not reached the cancer lesion accurately, the process returns to step S4. The operator repeatedly executes the irradiation parameter determination (step S4) and the dose distribution simulation (step S5) until it is determined that the Bragg peak of the proton beam B accurately reaches the cancer lesion, and accurately reaches the cancer lesion. If it is determined, the irradiation apparatus 5 is operated to perform actual proton beam irradiation (step S7). Step S7 corresponds to a proton beam irradiation method (charged particle beam irradiation method) for irradiating the proton beam B.

次に、シミュレーション装置3で実行される線量分布シミュレーションについて説明する。この線量分布シミュレーションは、陽子線Bが被照射体Xに照射された際を想定し、陽子線Bをビームペンシル形状(錐状)の広がりを有する仮想形状として仮定すると共に、被照射体X内での陽子線Bの広がりを導出する線量分布カーネルを用いて被照射体X内の陽子線Bの線量分布をシミュレーションする方法であり、上述のPBA法を更に進化させたDMS−PBA法によって実行される。   Next, a dose distribution simulation executed by the simulation apparatus 3 will be described. This dose distribution simulation assumes that the irradiated body X is irradiated with the proton beam B, assumes the proton beam B as a virtual shape having a beam pencil shape (conical shape), and the inside of the irradiated body X. This is a method for simulating the dose distribution of the proton beam B in the irradiated body X using the dose distribution kernel for deriving the spread of the proton beam B at the same time, and is executed by the DMS-PBA method which is a further evolution of the above-mentioned PBA method. Is done.

シミュレーション装置3は、シミュレーションデータを受け付けることで線量分布シミュレーションに係る処理を実行する。シミュレーション装置3の入力部31は、治療用CT画像データ、照射領域データ、及び照射パラメータデータを含むシミュレーションデータの入力を受け付ける(ステップS11)。   The simulation apparatus 3 executes processing related to dose distribution simulation by receiving simulation data. The input unit 31 of the simulation apparatus 3 accepts input of simulation data including therapeutic CT image data, irradiation region data, and irradiation parameter data (step S11).

シミュレーションデータが入力部31で受け付けられると、演算部33は、陽子線Bが被照射体Xに照射された際を想定し、照射領域データ及び照射パラメータデータ(物質情報)と線量分布カーネルとに基づき、陽子線Bをビームペンシル形状(錐状)の広がりを有するビーム(仮想形状)と仮定し、このようなビームが発射されたと仮定する(ステップS12)。   When the simulation data is received by the input unit 31, the calculation unit 33 assumes that the proton beam B is irradiated to the irradiated object X, and irradiates irradiation region data and irradiation parameter data (substance information) and a dose distribution kernel. Based on this, it is assumed that the proton beam B is a beam having a beam pencil shape (conical shape) (virtual shape) and that such a beam has been emitted (step S12).

次に、演算部33は、被照射体X内でのビームの広がりを導出する線量分布カーネルを用いて体表面Xaまでのビームの側方エミッタンスを計算する。更に、演算部33は、ビームの進行方向の途中(体表面)で所定の範囲まで広がったビームが体表面Xaに到達したと仮定し、体表面XaでのSurface Mapを作成する(ステップS13)。   Next, the calculation unit 33 calculates the lateral emittance of the beam to the body surface Xa using a dose distribution kernel that derives the spread of the beam in the irradiated object X. Further, the calculation unit 33 assumes that the beam that has spread to a predetermined range in the middle of the beam traveling direction (body surface) has reached the body surface Xa, and creates a Surface Map on the body surface Xa (step S13). .

次に演算部33は、体表面Xaでのビームの細分化を行うために、体表面XaでのSurface Mapを細分化して複数のボクセルを仮定する(ステップS14)。更に、演算部33は、複数のボクセルを出発点としてペンシルビーム形状(錐状)の広がりを有する複数のビームレット(仮想形状)を仮定し、細分化されたビームレットが発射されたと仮定する(ステップS15)。更に、演算部33は、治療用CT画像データと複数のビームレットとに基づいて被照射体X内の陽子線Bの線量分布を割り出す(ステップS16)。以上で線量分布シミュレーションが終了する。   Next, the calculation unit 33 subdivides the surface map on the body surface Xa and assumes a plurality of voxels in order to subdivide the beam on the body surface Xa (step S14). Further, the calculation unit 33 assumes a plurality of beamlets (virtual shapes) having a pencil beam shape (conical shape) from a plurality of voxels as a starting point, and assumes that a subdivided beamlet is fired ( Step S15). Further, the calculation unit 33 calculates the dose distribution of the proton beam B in the irradiation object X based on the therapeutic CT image data and the plurality of beamlets (step S16). This completes the dose distribution simulation.

次に、本実施形態に係るシミュレーション装置3及び線量分布シミュレーション方法の効果について説明する。   Next, effects of the simulation apparatus 3 and the dose distribution simulation method according to the present embodiment will be described.

例えば、被照射体Xが一定の物質のみから構成される場合には、従来のPBA法でも比較的高い精度を期待できる。しかしながら、患者などの実際の被照射体Xは、様々な物質が複雑に入り組んで構成されるので、従来のPBA法では陽子線(荷電粒子線)の線量分布を精度良く割り出すことが難しい。しかしながら、本実施形態に係るシミュレーション装置3及び線量分布シミュレーション方法によれば、陽子線Bとして仮定されたペンシルビーム形状(錐状)の仮想形状を適宜に細分化して複数のビームレット(仮想形状)として仮定するので、細分化されたビームレットそれぞれを複雑に入り組んだ構成に対応させながら陽子線Bの線量分布を割り出すことが可能になり、線量分布の精度向上に有効である。   For example, when the irradiated object X is composed of only a certain substance, relatively high accuracy can be expected even with the conventional PBA method. However, since the actual irradiated object X such as a patient is composed of various substances intricately, it is difficult to accurately determine the proton beam (charged particle beam) dose distribution by the conventional PBA method. However, according to the simulation apparatus 3 and the dose distribution simulation method according to the present embodiment, a virtual shape of the pencil beam shape (conical shape) assumed as the proton beam B is appropriately subdivided, and a plurality of beamlets (virtual shape) are obtained. Therefore, it is possible to determine the dose distribution of the proton beam B while corresponding to the complicated configuration of each of the subdivided beamlets, which is effective in improving the accuracy of the dose distribution.

さらに、本実施形態に係るシミュレーション装置3及び線量分布シミュレーション方法では、陽子線(荷電粒子線)Bをペンシルビーム形状(錐状)の仮想形状として仮定した上で陽子線Bの線量分布を求めるので、統計的な演算処理によって線量分布を導出するMonte Carlo Simulationに比べて演算処理の負担を軽減できる。その結果として、精度低下を抑えながら、演算処理の負担を軽減して線量分布を早期に割り出すことが可能となる。   Further, in the simulation apparatus 3 and the dose distribution simulation method according to the present embodiment, the dose distribution of the proton beam B is obtained after assuming the proton beam (charged particle beam) B as a virtual shape of a pencil beam shape (cone shape). Compared to Monte Carlo Simulation, which derives the dose distribution by statistical calculation processing, the calculation processing load can be reduced. As a result, it is possible to determine the dose distribution at an early stage by reducing the burden of the arithmetic processing while suppressing the decrease in accuracy.

さらに、本実施形態では、陽子線Bを細分化する位置は、陽子線Bが被照射体Xに進入する直前の位置(体表面Xa)であるため、被照射体Xの内部に進入する直前で内部の構造に対応して陽子線Bを複数のビームレット(仮想形状)に細分化できるので陽子線Bの線量分布を割り出す上での高い精度を期待できる。   Furthermore, in the present embodiment, the position where the proton beam B is subdivided is the position (body surface Xa) immediately before the proton beam B enters the irradiated body X, and thus immediately before entering the irradiated body X. Since the proton beam B can be subdivided into a plurality of beamlets (virtual shapes) corresponding to the internal structure, high accuracy in determining the dose distribution of the proton beam B can be expected.

さらに、本実施形態では、演算部33で割り出された線量分布を報知する出力部35を備えており、操作者が視聴可能な文字情報、画像情報または音声情報などを出力部35から報知させることができる。従って、操作者はシミュレーション結果としての陽子線Bの線量分布を容易に把握することができる。   Furthermore, in this embodiment, the output part 35 which alert | reports the dose distribution calculated | required by the calculating part 33 is provided, The character information, image information, audio | voice information, etc. which an operator can view are alert | reported from the output part 35. be able to. Therefore, the operator can easily grasp the dose distribution of the proton beam B as a simulation result.

さらに出力部35は、線量分布を等線量線化または等線量面化した画像を出力することによって操作者に報知するので、操作者は、線量の大小を容易に把握できる。   Furthermore, since the output unit 35 notifies the operator by outputting an image in which the dose distribution is made into an isodose line or isodose surface, the operator can easily grasp the magnitude of the dose.

次に、本実施形態の優位性を実証するための実験結果について、図12、図13、及び図14を参照して説明する。なお、図12、図13、及び図14は、実験ジオメトリを用いた検証結果を示し、各図(a)は被照射体モデルであるファントムに対する陽子線Bの進行方向を模式的に示す図であり、各図(b)は被照射体Xの深部方向の線量分布プロファイルを示すグラフであり、各図(c)は所定の深さでの側方線量分布プロファイルを示すグラフである。   Next, experimental results for demonstrating the superiority of the present embodiment will be described with reference to FIG. 12, FIG. 13, and FIG. 12, 13, and 14 show the verification results using the experimental geometry, and each figure (a) schematically shows the traveling direction of the proton beam B with respect to the phantom that is the irradiated object model. Each figure (b) is a graph which shows the dose distribution profile of the depth direction of the to-be-irradiated body X, and each figure (c) is a graph which shows the side dose distribution profile in predetermined depth.

実験例1、実験例2、及び実験例3では、断面L字状のボーラス61と、副鼻腔にみられる空気と軟部組織との境界を再現したポリスチレン製のファントム62と、ファントム62の下に配置された二次元線量計(2D−ARRAY)63と、ファントム62と2D−ARRAYとを支える陽子線治療用患者寝台64とを備えた実験装置(図12(a)、図13(a)、図14(a)参照)を用いて検証実験が行われている。更に、各実験例1、2、3では、ファントム62をビームBが通過した場合を想定してPBA法とDMS−PBA法とで線量分布プロファイルを導出している。   In Experimental Example 1, Experimental Example 2, and Experimental Example 3, a bolus 61 having an L-shaped cross section, a polystyrene phantom 62 that reproduces the boundary between air and soft tissue found in the paranasal sinuses, and a phantom 62 below Experimental apparatus (FIGS. 12 (a) and 13 (a), FIG. 12 (a), FIG. 12 (a), and FIG. 13 (a), including a two-dimensional dosimeter (2D-ARRAY)) 63 and a proton patient treatment patient bed 64 that supports the phantom 62 and 2D-ARRAY. A verification experiment is performed using FIG. Further, in each of Experimental Examples 1, 2, and 3, assuming that the beam B passes through the phantom 62, dose distribution profiles are derived by the PBA method and the DMS-PBA method.

図12(b)、図13(b)、図14(b)に示されるように、実験例1、実験例2、実験例3のシミュレーション結果(深部方向線量分布プロファイル)では、ブラッグピークでの線量は、DMS−PBA法で導出された線量の方が、PBA法で導出された線量よりも小さくなっている。また、図12(c)は、実験例1のブラッグピーク深さ(深さdが123mm)での側方線量分布プロファイルを示しており、上記の実験装置の2D−ARRAY63で実測された値(Measured)では、ホットスポットが観測されている。また、図13(c)は、実験例2におけるブラッグピーク深さ(深さdが142mm)での側方線量分布プロファイルを示しており、実測値(Measured)では、コールドスポットが観測されている。また、図14(c)は、実験例3におけるブラッグピーク深さ(深さdが162mm)での側方線量分布プロファイルを示しており、実測値(Measured)では、ホットスポットが観測されている。なお、ホットスポットとは高い線量のスポットであり、コールドスポットとは低い線量のスポットである。   As shown in FIG. 12B, FIG. 13B, and FIG. 14B, the simulation results (deep direction dose distribution profiles) of Experimental Example 1, Experimental Example 2, and Experimental Example 3 show the Bragg peak. The dose derived by the DMS-PBA method is smaller than the dose derived by the PBA method. Moreover, FIG.12 (c) has shown the side dose distribution profile in the Bragg peak depth (depth d is 123 mm) of Experimental example 1, and the value (2D-ARRAY63 of said experimental apparatus measured ( In Measured), hot spots are observed. FIG. 13C shows a side dose distribution profile at the Bragg peak depth (depth d is 142 mm) in Experimental Example 2, and a cold spot is observed in the measured value (Measured). . FIG. 14C shows a side dose distribution profile at the Bragg peak depth (depth d is 162 mm) in Experimental Example 3, and a hot spot is observed in the measured value (Measured). . A hot spot is a spot with a high dose, and a cold spot is a spot with a low dose.

次に、実験例1、実験例2、実験例3の検証結果から推察される内容を説明する。
(1)各実験例1,2,3において、ブラッグピーク深さでホットスポットまたはコールドスポットが出現したのは、陽子の迂回効果の影響によるものと考えることができる。
(2)PBA法は、各ブラッグピークのホットスポットまたはコールドスポットにおいて、最大約12%の精度低下がみられた。これは、広がったペンシルビーム形状が中心軸に沿った側方広がりのみを考慮していることに起因すると考えられる。
(3)DMS−PBA法は、体表面におけるビームBのセグメンテーションによって、体内での不均質物質の影響を考慮することができ、その結果、側方線量分布プロファイルは、数mm程度のファントム62の幾何学的な位置ずれを考慮すると、3%の精度で一致していることが確認できた。
Next, the content inferred from the verification results of Experimental Example 1, Experimental Example 2, and Experimental Example 3 will be described.
(1) In each of the experimental examples 1, 2, and 3, the appearance of a hot spot or cold spot at the Bragg peak depth can be considered to be due to the influence of the proton detour effect.
(2) In the PBA method, the accuracy drop of about 12% at the maximum was observed in the hot spot or cold spot of each Bragg peak. This is considered to be due to the fact that the expanded pencil beam shape considers only the lateral spread along the central axis.
(3) The DMS-PBA method can take into account the influence of inhomogeneous substances in the body by the segmentation of the beam B on the body surface. In consideration of the geometric misalignment, it was confirmed that there was a match with an accuracy of 3%.

また、表1に示される結果から以下の検証結果を得ることができる。   Moreover, the following verification results can be obtained from the results shown in Table 1.

(1)照射野領域が大きくなるほど、PBA法、DMS−PBA法は共に計算時間(演算処理のための時間)が長くなる。
(2)PBA法及びDMS−PBA法で、ビームが計算した延べ体積の比が小さくなるにつれて、計算時間に対する比も小さくなる。
(3)照射野領域が100×100mmの場合において、DMS−PBA法の計算時間はPBA法の計算時間より短縮された。
(1) The larger the irradiation field area, the longer the calculation time (time for calculation processing) in both the PBA method and the DMS-PBA method.
(2) In the PBA method and the DMS-PBA method, the ratio to the calculation time decreases as the ratio of the total volume calculated by the beam decreases.
(3) When the irradiation field area is 100 × 100 mm 2 , the calculation time of the DMS-PBA method is shorter than the calculation time of the PBA method.

以上の検証結果から、現在臨床で実装されているPBA法と比較して、DMS−PBA法は、同等の計算時間でファントム62内での不均質領域における線量分布計算結果(シミュレーション結果)の精度が優れていることが確認された。
また、ファントムを用いた初期検証であるが、DMS−PBA法が臨床利用において有用である可能性を確認できた。
From the above verification results, compared with the PBA method currently implemented in clinical practice, the DMS-PBA method is equivalent to the accuracy of the dose distribution calculation result (simulation result) in the inhomogeneous region in the phantom 62 in the same calculation time. Was confirmed to be excellent.
Moreover, although it was initial verification using a phantom, the possibility that the DMS-PBA method was useful in clinical use was confirmed.

以上、本発明を実施形態に係るシミュレーション装置及び線量分布シミュレーション方法を例に説明したが、本発明は、上記の実施形態のみに限定されるものではない。例えば、出力部35から報知される態様としては、所定の画像データに限定されず、音声データなどであってもよい。また、シミュレーション装置は陽子線治療装置内に設けられるものに限定されず、陽子線治療装置とは別体として設けても良い。   The present invention has been described above by taking the simulation apparatus and the dose distribution simulation method according to the embodiments as examples. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, the mode notified from the output unit 35 is not limited to predetermined image data, and may be audio data. The simulation apparatus is not limited to the one provided in the proton beam therapy apparatus, and may be provided separately from the proton beam therapy apparatus.

3…シミュレーション装置、31…入力部(入力手段)、33…演算部(演算手段)、35…出力部(出力手段)、B…陽子線,ビーム(荷電粒子線)、X…被照射体。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 ... Simulation apparatus, 31 ... Input part (input means), 33 ... Calculation part (calculation means), 35 ... Output part (output means), B ... Proton beam, beam (charged particle beam), X ... Irradiation body.

Claims (6)

荷電粒子線が被照射体に照射された際を想定し、前記荷電粒子線を錐状の広がりを有する仮想形状として仮定すると共に、前記被照射体内での前記荷電粒子線の広がりを導出する線量分布カーネルを用いて前記被照射体内の荷電粒子線の線量分布をシミュレーションする装置において、
前記被照射体の物質情報及び前記荷電粒子線の照射情報を含むシミュレーションデータの入力を受け付ける入力手段と、
前記入力手段で受け付けられた前記シミュレーションデータ及び前記線量分布カーネルに基づいて、前記被照射体内の荷電粒子線の線量分布を割り出す演算手段と、を備え、
前記演算手段は、前記荷電粒子線の進行方向の途中で所定の範囲まで広がった複数の前記荷電粒子線を細分化し、且つ細分化した位置を出発点として錐状の広がりを有する複数の仮想形状を仮定すると共に、前記入力手段で受け付けられた前記シミュレーションデータと前記荷電粒子線の複数の仮想形状とに基づいて前記被照射体内での前記荷電粒子線の線量分布を割り出すことを特徴とするシミュレーション装置。
Assuming that a charged particle beam is irradiated on an irradiated object, assuming that the charged particle beam is a virtual shape having a conical spread, and a dose for deriving the spread of the charged particle beam in the irradiated body In an apparatus for simulating a dose distribution of a charged particle beam in the irradiated body using a distribution kernel,
Input means for receiving input of simulation data including material information of the irradiated object and irradiation information of the charged particle beam;
Calculating means for calculating a dose distribution of the charged particle beam in the irradiated body based on the simulation data received by the input means and the dose distribution kernel;
The arithmetic means subdivides a plurality of the charged particle beams that have spread to a predetermined range in the middle of the traveling direction of the charged particle beam, and a plurality of virtual shapes having a cone-shaped spread starting from the subdivided position And calculating a dose distribution of the charged particle beam in the irradiated body based on the simulation data received by the input means and a plurality of virtual shapes of the charged particle beam. apparatus.
前記荷電粒子線を細分化する位置は、前記荷電粒子線が前記被照射体に進入する直前の位置であることを特徴とする請求項1記載のシミュレーション装置。   The simulation apparatus according to claim 1, wherein the position where the charged particle beam is subdivided is a position immediately before the charged particle beam enters the irradiated body. 前記演算手段で割り出された前記線量分布を報知する出力手段を更に備えることを特徴とする請求項1または2記載のシミュレーション装置。   The simulation apparatus according to claim 1, further comprising output means for notifying the dose distribution determined by the calculation means. 前記出力手段は、前記線量分布を等線量線化または等線量面化して報知することを特徴とする請求項3記載のシミュレーション装置。   4. The simulation apparatus according to claim 3, wherein the output means notifies the dose distribution by forming an isodose line or an equivalent dose surface. 請求項1〜4のいずれか一項記載の前記シミュレーション装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線照射装置。   A charged particle beam irradiation apparatus comprising the simulation apparatus according to claim 1. 荷電粒子線が被照射体に照射された際を想定し、前記荷電粒子線を錐状の広がりを有する仮想形状として仮定すると共に、前記被照射体内での前記荷電粒子線の広がりを導出する線量分布カーネルを用いて前記被照射体内の荷電粒子線の線量分布をシミュレーションする方法において、
前記被照射体の物質情報を取得する被照射体情報取得工程と、
前記荷電粒子線の照射情報を決定する照射情報設定工程と、
前記照射情報設定工程で決定された前記照射情報と前記線量分布カーネルとに基づき、前記荷電粒子線の進行方向の途中で所定の範囲まで広がった複数の前記荷電粒子線を細分化し、且つ細分化した位置を出発点として錐状の広がりを有する複数の仮想形状を仮定すると共に、前記被照射体情報取得工程で取得された前記物質情報と前記荷電粒子線の複数の仮想形状とに基づいて前記被照射体内の荷電粒子線の線量分布を割り出すシミュレーション工程と、含むことを特徴とするシミュレーション方法。
Assuming that a charged particle beam is irradiated on an irradiated object, assuming that the charged particle beam is a virtual shape having a conical spread, and a dose for deriving the spread of the charged particle beam in the irradiated body In a method of simulating a dose distribution of charged particle beams in the irradiated body using a distribution kernel,
An object information acquisition step of acquiring material information of the object to be irradiated;
An irradiation information setting step for determining irradiation information of the charged particle beam;
Based on the irradiation information determined in the irradiation information setting step and the dose distribution kernel, a plurality of the charged particle beams that have spread to a predetermined range in the middle of the traveling direction of the charged particle beam are subdivided and subdivided Assuming a plurality of virtual shapes having a cone-shaped spread starting from the position that has been made, and based on the substance information acquired in the irradiated object information acquisition step and the plurality of virtual shapes of the charged particle beam A simulation method for determining a dose distribution of a charged particle beam in an irradiated body, and a simulation method comprising:
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