JP5879446B2 - 治療計画装置、粒子線治療装置、および荷電粒子ビームの走査経路決定方法 - Google Patents
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Description
図1は本発明の実施の形態1による治療計画装置を含む粒子線治療装置の概略構成を示すブロック図である。図1において、加速器1から陽子線や炭素線などの荷電粒子ビーム2が出力され、電磁石群等で構成されるビーム輸送系3で荷電粒子ビーム2をビーム照射系4に導く。ビーム照射系4には、入射される荷電粒子ビーム2を、荷電粒子ビーム2の進行方向に垂直な方向であるX−Y方向2次元に偏向して走査する、X方向走査電磁石5とY方向走査電磁石6の1組の走査電磁石7が備えられている。この走査電磁石7が、荷電粒子ビーム2を、荷電粒子ビームの進行方向に垂直なX方向およびY方向に移動と停留を繰り返すように偏向させて走査する。このとき、荷電粒子ビーム2の移動中も荷電粒子ビーム2は照射される。一方、治療計画装置20では、患者の患部である標的8に対する照射計画を立案する。具体的には、標的8の3次元体積領域を、荷電粒子ビーム2が形成するブラッグピークの位置を標的8の3次元形状に合わせて走査して、標的形状に合わせた線量領域を形成するために、標的8における荷電粒子ビームの停留点であるスポット位置、および各スポット位置における照射線量を決める。同時に、これらのスポット位置群のうち、同じ粒子線エネルギーに対応するスポット位置の集合を1レイヤー内にあるレイヤー内スポット位置として、レイヤー毎にスポット位置記憶部21に記憶する。
Tk:k番目として選択したスポットからk+1番目として選択したスポットへの経路(以下「k番目の部分経路」という)についてビームを走査するのに費やされる時間
wk:「k番目の部分経路」に対する重み係数
k番目の部分経路が患部組織に含まれる場合、wk=wkd=1
k番目の部分経路が正常組織を通過する場合、wk=wko>1
k番目の部分経路が重要臓器を通過する場合、wk=wkO>wko
照射対象たる患部組織の大きさによっても異なるが、ひとつのレイヤーにおけるスポット数は、数千〜数万点に及ぶことが常である。スポット数が10しかない場合でも、評価関数を最小化する最適経路を求めるには、評価関数を10!=3,628,800通り(362万8千8百通り)計算しなければならないことになるため、力技で全ての通り行うのは現実的ではない。そこで、実施の形態2では、粒子線治療におけるスキャニング照射の特殊性を考慮して、機械的に最適若しくは準最適走査経路を決定する方法について説明する。
格子状に配列されている1または2以上のスポットについて、X方向に隣接している格子(交差点)への走査時間を1、Y方向も同様に1とした場合、スポットをすべて通過する走査経路に従って走査する時間はn−1以上となる。ここで、nはスポットの総数である。
格子状に配列されている1または2以上のスポットについて、X方向に隣接している格子(交差点)への走査時間をTmin_x、Y方向に隣接している格子(交差点)への走査時間をTmin_y(ただしTmin_y>Tmin_x)とした場合、スポットをすべて通過する走査経路に従って走査する時間は、(l−1)Tmin_y+(n−l)Tmin_x以上となる。ここで、lはスポットが配置された格子の行数である。また、全スポットを通過する走査時間が(l−1)Tmin_y+(n−l)Tmin_xとなる走査経路が存在する必要条件は、以下である。
条件1:照射領域が1つの閉じた領域であり、かつ、
条件2:照射領域が、X方向でみてConvexであること
ここで、「X方向でみてConvex」とは、格子の各行をみた場合、スポットが存在するすべての行において、隣接して配置されたスポットの群が1つであることをいう。
段階1:或るレイヤーにおける照射領域及びスポットを示している
段階2:前述の起点(ここでは最上行の左端)から、ジグザグ経路を描ける部分について描く(ジグザグ経路については、部分最適)(ST1)。
段階3:ジグザグ経路以外の部分について、最適化ができるか検討する(ST2)。残りの部分が、図4のスポット群84のように、ループになれば(ST2 YES、ST3)、ループの部分に関しては段階4へ進む。
段階4:ジグザグ経路と段階3のループが、2つの隣接するスポットを介して互いに隣接していれば、ジグザグ経路と前記ループとを図のように接続する(ST4 NO、ST5)。余っているスポットがあれば、段階3へ戻る(ST4 YES)。
A1→A2→B1→B2
A2→A1→B1→B2
A1→A2→B2→B1
A2→A1→B2→B1
と、上記の逆順の合計8通りが考えられる。図8の段階4では、このうち、端点を接続する距離が最も短く、評価関数Jが小さくなると考えられるA1→A2→B1→B2の経路を描いている。
Claims (9)
- 荷電粒子ビームの進行方向に垂直な2方向であるX方向とY方向に前記荷電粒子ビームを走査するX方向走査電磁石およびY方向走査電磁石により、前記荷電粒子ビームを移動と停留を繰り返すように走査して、前記荷電粒子ビームを照射対象である患者の患部に照射する粒子線治療装置の、前記荷電粒子ビームの走査経路を決定する治療計画装置において、
前記患部内に設定される前記荷電粒子ビームの停留点である、前記X方向と前記Y方向との格子状に配列されたスポット位置を、レイヤー毎に記憶するスポット位置記憶部と、
前記スポット位置記憶部に記憶された一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶ走査経路の複数の候補を抽出する走査経路候補抽出部と、
前記走査経路候補抽出部が抽出した複数の走査経路のうちの一つの走査経路上の隣り合う前記スポット位置間の経路である部分経路のうちk番目の部分経路の走査所要時間Tk、重み係数wk、および当該レイヤー内のスポットの数nを用いた評価関数J
この走査経路評価部において算出した前記評価関数Jの値に基づいて、治療時に用いる走査経路を決定する走査経路決定部と、
を備えたことを特徴とする治療計画装置。 - 前記走査経路候補抽出部は、前記格子状に配列されたスポット位置の配列方向のうち、前記X方向走査電磁石による前記荷電粒子ビームの移動速度と前記Y方向電磁石による前記荷電粒子ビームの移動速度のうち、速い移動速度の方向を行方向に設定し、前記スポット位置の配列の行のうち一方の端の行の一方の端のスポット位置を起点とし、この起点から当該行の他の端のスポット位置に向けて経路を設定し、さらに前記他の端のスポット位置から隣接する行の端点のスポット位置に向けて経路を設定し、さらにこの隣接する行の端点のスポット位置から当該行の他の端点に向けて経路を設定する経路設定を繰り返して前記走査経路としてジグザグ経路を設定することを特徴とする請求項1に記載の治療計画装置。
- 前記走査経路候補抽出部は、前記ジグザグ経路により、前記一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶことができない場合、結ぶことができなかったスポット位置群においてループ経路または他のジグザグ経路を設定することを特徴とする請求項2に記載の治療計画装置。
- 前記走査経路候補抽出部は、ジグザグ経路またはループ経路により、前記一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶことができず一次元に配列されたスポット位置群が残った場合、当該一次元に配列されたスポット位置群は往復する経路によりループ経路を設定することを特徴とする請求項3に記載の治療計画装置。
- 請求項1に記載の治療計画装置と、
X方向走査電磁石およびY方向走査電磁石と、
前記走査経路決定部により決定された走査経路に従って前記X方向走査電磁石および前記Y方向走査電磁石を制御する走査制御部を備えた照射制御装置と、を備えたことを特徴とする粒子線治療装置。 - 荷電粒子ビームの進行方向に垂直な2方向であるX方向とY方向に前記荷電粒子ビームを走査するX方向走査電磁石およびY方向走査電磁石により、前記荷電粒子ビームを移動と停留を繰り返すように走査して、前記荷電粒子ビームを照射対象である患者の患部に照射する粒子線治療装置の、前記荷電粒子ビームの走査経路を決定する荷電粒子ビームの走査経路決定方法において、
前記患部内に設定される前記荷電粒子ビームの停留点である、前記X方向と前記Y方向との格子状に配列されたスポット位置を、レイヤー毎に記憶するスポット位置記憶ステップと、
前記スポット位置記憶ステップにおいて記憶された一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶ走査経路の複数の候補を抽出する走査経路候補抽出ステップと、
前記走査経路候補抽出ステップにおいて抽出した複数の走査経路のうちの一つの走査経路上の隣り合う前記スポット位置間の経路である部分経路のうちk番目の部分経路の走査所要時間Tk、重み係数wk、および当該レイヤー内のスポットの数nを用いた評価関数J
この走査経路評価ステップにおいて算出した前記評価関数Jの値に基づいて、治療時に用いる走査経路を決定する走査経路決定ステップと、
を含むことを特徴とする荷電粒子ビームの走査経路決定方法。
- 前記走査経路候補抽出ステップにおいて、前記格子状に配列されたスポット位置の配列方向のうち、前記X方向走査電磁石による前記荷電粒子ビームの移動速度と前記Y方向電磁石による前記荷電粒子ビームの移動速度のうち、速い移動速度の方向を行方向に設定し、前記スポット位置の配列の行のうち一方の端の行の一方の端のスポット位置を起点とし、この起点から当該行の他の端のスポット位置に向けて経路を設定し、さらに前記他の端のスポット位置から隣接する行の端点のスポット位置に向けて経路を設定し、さらにこの隣接する行の端点のスポット位置から当該行の他の端点に向けて経路を設定する経路設定を繰り返して前記走査経路としてジグザグ経路を設定することを特徴とする請求項6に記載の荷電粒子ビームの走査経路決定方法。
- 前記走査経路候補抽出ステップにおいて、前記ジグザグ経路により、前記一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶことができない場合、結ぶことができなかったスポット位置群においてループ経路または他のジグザグ経路を設定することを特徴とする請求項7に記載の荷電粒子ビームの走査経路決定方法。
- 前記走査経路候補抽出ステップにおいて、ジグザグ経路またはループ経路により、前記一レイヤー内の全てのスポット位置を結ぶことができず一次元に配列されたスポット位置群が残った場合、当該一次元に配列されたスポット位置群は往復する経路によりループ経路を設定することを特徴とする請求項8に記載の荷電粒子ビームの走査経路決定方法。
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