JP6588158B2 - Dose error distribution calculation device and particle beam therapy device equipped with dose error distribution calculation device - Google Patents
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Description
本発明は、陽子や炭素イオンなどの粒子ビーム(粒子線)を腫瘍など患部に照射して治療を行う粒子線治療において、患部の3次元形状に合わせて所定の線量を照射する粒子ビームの線量分布測定により線量分布の演算を行う線量分布演算装置および線量分布演算装置を備えた粒子線治療装置に関するものである。 The present invention relates to a particle beam treatment for irradiating a diseased part such as a tumor with a particle beam (particle beam) of protons, carbon ions, etc., and treating the affected part with a predetermined dose according to the three-dimensional shape of the affected part. The present invention relates to a dose distribution calculation device that calculates a dose distribution by distribution measurement and a particle beam therapy system that includes the dose distribution calculation device.
粒子線治療は、加速器等の機器を用いて陽子または炭素イオンなどの荷電粒子を数百メガ電子ボルト程度まで加速し、患者に照射することで体内の腫瘍に線量を付与し、がんを治療する方法である。このとき腫瘍に対して、医師により指示される線量分布、すなわち目標分布にできるだけ近い線量分布を形成することが重要である。多くの場合、目標分布は、腫瘍内において線量がなるべく均一であり、かつ腫瘍外において腫瘍内よりも線量ができるだけ低くなるような分布である。ただし、必ずしもそうであるとは限らず、例えば腫瘍外への線量を低くすることを優先して腫瘍内で線量が均一でない目標分布が設定されることもあり得る。また、患者に対して複数の角度からの粒子線照射を組み合わせ、角度ごとの照射量と線量分布を最適化することでトータルの付与線量をより理想的な分布とするIMPT(Intensity Modulated Particle Therapy)において、単一角度からの照射線量分布は腫瘍内において均一でないことが一般的である。 Particle beam therapy uses a device such as an accelerator to accelerate charged particles such as protons or carbon ions to several hundred mega-electron volts, and irradiates the patient to give a dose to the tumor in the body to treat cancer. It is a method to do. At this time, it is important to form a dose distribution instructed by the doctor, that is, a dose distribution as close as possible to the target distribution for the tumor. In many cases, the target distribution is such that the dose is as uniform as possible within the tumor and that the dose is as low as possible outside the tumor than in the tumor. However, this is not always the case. For example, a target distribution in which the dose is not uniform within the tumor may be set in preference to lowering the dose outside the tumor. In addition, IMPT (Intensity Modulated Particle Therapy) which makes the total applied dose more ideal distribution by combining the particle beam irradiation from multiple angles and optimizing the dose and dose distribution for each angle. In general, the dose distribution from a single angle is generally not uniform within the tumor.
一般的に、加速器で加速された粒子ビームを物体(人体含む)に照射した場合、物体内での3次元線量分布はある一点で線量最大ピークを持つという特性がある。この線量最大ピークをブラッグピークと呼ぶ。また、3次元空間において一点で線量最大ピークを持つ場合、そのピーク位置をその粒子ビームの「照射位置」として定義する。以上のようなピーク構造を持つ粒子ビームを用いて、3次元的に目標分布を形成するためには何らかの工夫が必要である。 In general, when an object (including a human body) is irradiated with a particle beam accelerated by an accelerator, the three-dimensional dose distribution in the object has a characteristic that the dose has a maximum peak at one point. This maximum dose peak is called the Bragg peak. In addition, when there is a maximum dose peak at one point in the three-dimensional space, the peak position is defined as the “irradiation position” of the particle beam. In order to form the target distribution three-dimensionally using the particle beam having the peak structure as described above, some device is required.
目標分布を形成する方法のひとつに、スキャニング照射法がある。この方法を使用するためにはまず、電磁石等を用いて、粒子ビームの進行方向であるZ方向に対して垂直な2方向、すなわちXおよびY方向に、粒子ビームを任意に偏向する機構を用いる。さらに、粒子エネルギーの調整により、ブラッグピークが形成される位置をZ方向に任意に調整する機能が必要である。一般的に、粒子ビームの輸送及び遮断を行う粒子ビーム発生輸送装置は、粒子ビームを加速する加速器を備え、この加速器はエネルギー調整機能も備えている。そして腫瘍内に複数の照射位置(スポットとも呼ぶ)を設定し、上記二つの機構を用いて、それぞれの照射位置に対して粒子ビームを順に照射していく。各照射位置にそれぞれ付与する線量のバランスをあらかじめ調整し決めておき、各照射位置に付与したそれぞれの線量分布を合算することで、結果的に目標分布を形成する。 One of the methods for forming the target distribution is a scanning irradiation method. In order to use this method, first, a mechanism for arbitrarily deflecting the particle beam in two directions perpendicular to the Z direction, that is, the traveling direction of the particle beam, that is, the X and Y directions, using an electromagnet or the like is used. . Furthermore, the function which adjusts arbitrarily the position where a Bragg peak is formed in a Z direction by adjustment of particle energy is required. In general, a particle beam generating and transporting apparatus that transports and blocks a particle beam includes an accelerator that accelerates the particle beam, and the accelerator also has an energy adjustment function. A plurality of irradiation positions (also referred to as spots) are set in the tumor, and the particle beam is sequentially irradiated to each irradiation position using the above two mechanisms. The balance of the dose to be applied to each irradiation position is adjusted and determined in advance, and the respective dose distributions applied to the irradiation positions are added together, thereby forming a target distribution as a result.
スキャニング照射法において、実際の照射には様々な不確定要素があるため、計算上は目標分布を得られるはずでも、実際に得られる線量分布は目標分布にならない可能性がある。不確定要素としては、例えば、粒子ビーム量の時間変化、走査電磁石の磁界の時間変化やヒステリシス、線量モニタの感度ばらつき、制御機器の信号遅れやノイズ、等がある。これらの影響により、実際の線量分布が計算値と異なってしまう可能性が考えられる。 In the scanning irradiation method, since there are various uncertainties in the actual irradiation, the target dose distribution may not be the target distribution even though the target distribution should be obtained in the calculation. As uncertain factors, there are, for example, the time change of the particle beam amount, the time change and hysteresis of the magnetic field of the scanning electromagnet, the sensitivity variation of the dose monitor, the signal delay and noise of the control device, and the like. These effects may cause the actual dose distribution to differ from the calculated value.
前記不確定性を排除するため、粒子線治療の計画を立案した後実際にビームを患者に照射する前に、計画となるべく同一の条件でファントム(患者代替物)に対してビーム照射を実施し、線量絶対値(絶対線量値)および線量分布を測定し、計画と合っているかどうかを確認する作業が行われるのが一般的である(例えば、非特許文献1参照)。この作業を患者QA(Quality Assurance)と呼ぶ。ファントムには一般的には水槽に入れた水が使用されることが多く、水中に設置された線量測定装置を用いて線量を測定する。患者QAの目的から考えて、腫瘍中心における絶対線量値だけでなくその周囲の線量分布も確認しておくことが望ましく、そのためには複数の測定点において線量を測定することが望ましい。 In order to eliminate the uncertainties, after planning the particle beam therapy and before actually irradiating the patient with the beam, beam irradiation is performed on the phantom (patient substitute) under the same conditions as possible. In general, an operation of measuring an absolute dose value (absolute dose value) and a dose distribution and confirming whether or not it matches a plan is performed (for example, see Non-Patent Document 1). This operation is called patient QA (Quality Assurance). In general, water in a water tank is often used for a phantom, and a dose is measured using a dosimetry device installed in the water. Considering the purpose of the patient QA, it is desirable to confirm not only the absolute dose value at the center of the tumor but also the dose distribution around it, and for that purpose, it is desirable to measure the dose at a plurality of measurement points.
粒子線のスキャニング照射において線量分布を測定する際に、通常の電離箱を用いた線量計を使用する場合、1回のスキャニング照射に対して1点でしか測定をすることができない。したがって、複数点で線量を測定する場合には、測定点の数と同数回のスキャニング照射を実施しなければならず、時間がかかるという問題があった。また、一般的な粒子線治療施設においては、1週間に照射可能なビーム照射量の上限が定められている。患者QAは患者ごとに実施する必要があるため、患者QAにかかる時間や照射回数が大きくなると、治療施設の受け入れ可能な、すなわち治療可能な患者数が少なくなってしまうという問題があった。 When measuring a dose distribution in particle beam scanning irradiation, when a dosimeter using an ordinary ionization chamber is used, measurement can be performed only at one point for one scanning irradiation. Therefore, when measuring doses at a plurality of points, there has been a problem that scanning irradiation must be performed as many times as the number of measurement points, which takes time. In general particle beam treatment facilities, an upper limit of the amount of beam irradiation that can be irradiated in one week is set. Since it is necessary to perform the patient QA for each patient, there is a problem that the number of patients that can be accepted by the treatment facility, that is, the number of patients that can be treated decreases when the time and the number of irradiations for the patient QA increase.
上記課題を解決するための単純な方法として、多点の線量を一度で測定する方法が考えられる。例えば、放射線感受性フィルムを用いることによって、2次元面内の線量分布を一度に測定することが可能である。しかし、この方法では、フィルム生産におけるロットごとのばらつきや線量とフィルム感度の線質依存性等の問題があり、一般的に電離箱と比べると測定精度が低いという問題があった。また、多点の線量を一度で測定する別の方法として、小さな電離箱を多数並べることも可能である。しかし、この方法では、電離箱の配置間隔を約1cmよりも小さくすることは困難であり、工作精度や配線等が難しいという問題があった。また、電離箱の電極に当たって散乱された粒子ビームが他の電離箱の測定値に影響を及ぼしてしまう可能性があり、やはり測定精度は低下するという問題があった。 As a simple method for solving the above problem, a method of measuring multiple doses at a time can be considered. For example, it is possible to measure a dose distribution in a two-dimensional plane at a time by using a radiation sensitive film. However, this method has problems such as variations in lots in film production and dependency of dose and film sensitivity on the quality of radiation, and generally has a problem that measurement accuracy is lower than that of an ionization chamber. In addition, as another method for measuring multi-point doses at a time, a large number of small ionization chambers can be arranged. However, this method has a problem that it is difficult to make the arrangement interval of the ionization chambers smaller than about 1 cm, and it is difficult to work accuracy and wiring. In addition, there is a possibility that the particle beam scattered by hitting the electrode of the ionization chamber may affect the measurement value of the other ionization chamber, and the measurement accuracy is lowered.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、粒子線スキャニング照射の患者QAにおいて線量分布の測定精度を低下させることなく、測定時間の短縮化を図ることのできる線量分布演算装置および線量分布演算装置を備えた粒子線治療装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and can reduce the measurement time without reducing the measurement accuracy of the dose distribution in the patient QA subjected to particle beam scanning irradiation. An object of the present invention is to provide a particle beam therapy system including a distribution calculation device and a dose distribution calculation device.
この発明の線量誤差分布演算装置は、治療計画の情報を記憶する治療計画情報記憶部と、誤差の情報を記憶する誤差情報記憶部と、前記治療計画情報記憶部に記憶する前記治療計画情報に基づく照射に対して、前記誤差情報記憶部に記憶する前記誤差情報に応じて、線量誤差の分布を演算する線量誤差分布演算部と、を備え、前記治療計画の情報は、前記治療計画によって定められたスポットの位置と、前記各スポットに照射する粒子ビームのエネルギーおよびビーム量を含み、前記誤差の情報は、機器の動作誤差、照射対象の動きによって発生し得る前記スポットの位置、前記エネルギー、前記ビーム量のうち少なくとも1の誤差を含み、前記線量誤差分布演算部は、前記スポットの位置、前記エネルギー、前記ビーム量の誤差の傾向に基づき、前記誤差の値の組合せである誤差シナリオを作成し、前記誤差シナリオに対応する線量分布を演算し、前記誤差シナリオごとのばらつきを前記線量誤差の分布として演算することを特徴とするものである。 The dose error distribution calculation device according to the present invention includes a treatment plan information storage unit for storing treatment plan information, an error information storage unit for storing error information, and the treatment plan information stored in the treatment plan information storage unit. A dose error distribution calculation unit that calculates a dose error distribution according to the error information stored in the error information storage unit for irradiation based on the information, and the treatment plan information is determined by the treatment plan The position of the generated spot and the energy and beam amount of the particle beam that irradiates each spot, and the error information includes an operation error of the apparatus, the position of the spot that can be generated by the movement of the irradiation target, the energy, The dose error distribution calculation unit includes at least one error of the beam amount, and the dose error distribution calculation unit is based on a tendency of the spot position, the energy, and the beam amount error. Can, create an error scenario is a combination of values of said error, and calculating the corresponding dose distribution to the error scenario, the variation of each of the error scenario characterized in that calculated as distribution of the dose error is there.
この発明によれば、治療計画情報に基づく照射に対して、前記誤差情報に応じて、線量誤差の分布を演算することで、線量分布の測定精度を低下させることなく、測定時間の短縮化を図ることができる。 According to this invention, for the irradiation based on the treatment plan information, by calculating the dose error distribution according to the error information, the measurement time can be shortened without reducing the measurement accuracy of the dose distribution. Can be planned.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1による線量分布演算装置1を備えた粒子線治療装置100の概略構成図である。図1に示すように、粒子線治療装置100は、治療に必要なエネルギーの粒子ビーム2を発生させる粒子ビーム発生装置10と、線量分布演算装置1が設けられた粒子線照射装置30と、粒子ビーム発生装置1から粒子線照射装置30へ粒子ビーム2を輸送するビーム輸送装置20とから構成される。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a particle
粒子ビーム発生装置10は、治療に必要なエネルギーの粒子ビーム2を発生させ、粒子ビーム2の出射開始および遮断とを制御する制御部(図示せず)を備えている。粒子線照射装置30は、粒子ビーム2をビーム進行方向であるz方向に対して垂直な2方向、すなわちx方向およびy方向に偏向させ、患者位置において粒子ビーム2のスキャニング照射による走査が可能な走査装置3と、走査装置3による粒子ビーム2の走査を制御する制御部(図示せず)を備えている。また、粒子線照射装置30は、走査装置3で走査された粒子ビーム2が治療対象(患者)の各照射位置に照射される線量値を測定する線量測定装置7と、x方向走査電磁石4及びy方向走査電磁石5で走査された粒子ビーム2が通過するビームにおける通過位置(重心位置)やサイズを演算するためのビーム情報を検出する位置モニタ(図示せず)を備えている。
The particle beam generator 10 includes a control unit (not shown) that generates a
線量分布演算装置1は、治療計画情報記憶部11、誤差情報記憶部12、および線量誤差分布演算部13とから構成される。治療計画情報記憶部11は、粒子線治療における治療計画によって定められたスキャニング照射のためのスポットの数および位置と、各スポットに照射する粒子ビームのエネルギーならびにビーム量を含む治療計画情報を記憶する。誤差情報記憶部12は、粒子線治療装置に含まれる機器の動作誤差、または照射対象の動きによって発生し得る前記スポット位置、エネルギー、ビーム照射量のうち少なくともひとつの誤差に関する情報を記憶する。線量誤差分布演算部13は、治療計画情報に基づく照射に対して、誤差情報に応じて誤差が線量分布に与える影響を考慮して線量誤差の分布を演算する。
The dose
次に、治療計画におけるスキャニング照射にて腫瘍体積(腫瘍領域)に付与する合計線量について説明する。スキャニング照射においては腫瘍体積(腫瘍領域)内に複数のスポットを設け、各スポットに適切な量の粒子ビーム2を照射することで、例えば、図3に示すように、所望の合計線量分布25を形成する。スポット番号をj、ファントム9内の線量評価点番号をiとし、j番目のスポットに粒子ビームを単位ビーム量照射したときにi番目の線量評価点piに付与される線量をdi,jと、j番目のスポットに付与するビーム量をwjと、そしてスポットの総数をnとすると、全スポットに照射が完了した場合におけるi番目の線量評価点piに付与される合計線量Diは、式(1)のように表すことができる。Next, the total dose to be given to the tumor volume (tumor region) by scanning irradiation in the treatment plan will be described. In scanning irradiation, by providing a plurality of spots in a tumor volume (tumor region) and irradiating each spot with an appropriate amount of the
この各線量評価点piにおける合計線量Diが目標とする線量分布になるべく近くなるように、最適なスポットに付与するビーム量wjを照射前に算出する工程が必要である。この工程を治療計画と呼ぶ。適宜、ビーム量wjをスポットビーム量wjと呼ぶ。A step of calculating the beam amount w j to be applied to the optimum spot before irradiation is necessary so that the total dose D i at each dose evaluation point pi is as close as possible to the target dose distribution. This process is called a treatment plan. As appropriate, the beam amount w j is referred to as a spot beam weight w j.
図3は、治療計画で行うスポットの数および位置とスポットビーム量wjを決定した一例である。図3の縦軸は線量であり、横軸はz方向の位置である。図3では、簡単のためスポット配置も線量分布もz軸方向(ビーム進行方向)の1次元の例を示した。図3には、4個のスポットsp1、sp2、sp3、sp4と、13個の線量評価点p1、p2、p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9、p10、p11、p12、p13を示した。線量分布26はスポットsp1に照射したスポットビーム量による線量分布である。同様に、線量分布27、28、29は、それぞれスポットsp2、sp3、sp4に照射したスポットビーム量による線量分布である。合計線量分布25は、線量分布26、27、28、29を足し合わせた線量分布である。腫瘍内における線量評価点は8個あり、線量評価点p3からp10である。腫瘍外における線量評価点は、5個あり、線量評価点p1、p2、p11からp13である。FIG. 3 is an example in which the number and position of spots and the spot beam amount w j to be determined in the treatment plan are determined. The vertical axis in FIG. 3 is the dose, and the horizontal axis is the position in the z direction. FIG. 3 shows a one-dimensional example of the spot arrangement and the dose distribution in the z-axis direction (beam traveling direction) for simplicity. FIG. 3 shows four spots sp1, sp2, sp3, sp4 and 13 dose evaluation points p1, p2, p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, p10, p11, p12, p13. Indicated. The
図3に示すように、スポットsp1からsp4へ与えるビーム量wjを適切に決めることにより、合計線量分布25を、腫瘍内では高く、腫瘍外では低くすることができている。図3ではスポット数が4個、線量評価点が13個であったが、一般的には腫瘍サイズに合わせてもっと多くのスポットと線量評価点が短い間隔で配置される。また、図3では簡単のためスポット配置も線量分布もz軸方向の1次元でしか表示していないが、実際には腫瘍形状に合わせてスポットはx軸方向及びy軸方向も含めた3次元に配置される。実際の腫瘍形状に合わせて、線量分布も3次元で計算される必要があるので、線量評価点も3次元に配置される。As shown in FIG. 3, the
一般的に、ビーム進行方向(z軸方向)に垂直な方向であるx軸方向、y軸方向のスポット位置は、ビームキック角によって決まり、ビームキック角は走査装置3の形成する磁界強度に依存して決まる。また、ビーム進行方向であるz軸方向のスポット位置は、粒子ビーム2のビームエネルギーに依存して決まる。したがって、粒子線治療装置100の粒子線照射装置30は、粒子ビーム2のビームエネルギーに応じて走査装置3の磁界強度を調整することで、スポット位置を調整している。
In general, the spot positions in the x-axis direction and the y-axis direction that are perpendicular to the beam traveling direction (z-axis direction) are determined by the beam kick angle, and the beam kick angle depends on the magnetic field strength formed by the
式(1)では、スポットごとの線量分布を足し合わせることで、i番目の線量評価点piにおける合計線量分布を求めた。同一対象に対して粒子ビーム2の照射が終了した後の線量分布は、時間毎に足し合わせることでも可能であり、式(1)と同様に、式(2)のように計算することが可能である。
In equation (1), the total dose distribution at the i-th dose evaluation point pi was obtained by adding the dose distribution for each spot. The dose distribution after the irradiation of the
ここで、式(2)は全照射時間をm個の時間区間に分けた場合である。kは時間区間の番号である。i番目の線量評価点piにおいて、k番目の時間区間において照射されたビーム量をwk、k番目の時間区間において滞在していたビームの平均位置に単位ビーム量の粒子ビームが照射された場合にi番目の線量評価点piに付与される線量(単位粒子線量)をdi,kと定義している。時間間隔を十分に短くすれば、この式(2)は高い精度で線量分布を再現することが可能である。ここで、時間間隔は1スポットあたりの所要時間と同程度かそれよりも短いことが望ましく、例えば数十マイクロ秒から1ミリ秒程度が良いと考えられる。同一の時間区間におけるビーム量をwkと単位粒子線量di,kとを積算したwkdi,kは時間区間線量である。Here, Formula (2) is a case where the total irradiation time is divided into m time intervals. k is the number of the time interval. At the i-th dose evaluation point pi, when the beam amount irradiated in the k-th time interval is w k , and the average beam position staying in the k-th time interval is irradiated with a unit beam particle beam The dose (unit particle dose) given to the i-th dose evaluation point pi is defined as di, k . If the time interval is made sufficiently short, this equation (2) can reproduce the dose distribution with high accuracy. Here, it is desirable that the time interval is about the same as or shorter than the required time per spot, and for example, about several tens of microseconds to about 1 millisecond is preferable. Beam amount w k and the unit particle dose at the same time interval d i, and multiplying the k w k d i, k is the time interval dose.
式(2)における線量評価点が3次元の場合は、線量di,kは次のように求めることができる。3次元線量分布d(x,y,z)は、z方向の線量分布とx方向の線量分布及びy方向の線量分布との積で近似することができることが知られている。Inaniwaらの論文(非特許文献1)では、1本のビームに対する3次元線量分布d(x,y,z)を、式(3)のように、z方向とx方向及びy方向のそれぞれの分布に因数分解する方法が紹介されている。When the dose evaluation point in Equation (2) is three-dimensional, the dose d i, k can be obtained as follows. It is known that the three-dimensional dose distribution d (x, y, z) can be approximated by the product of the dose distribution in the z direction, the dose distribution in the x direction, and the dose distribution in the y direction. Inaniwa et al. (Non-Patent Document 1) shows a three-dimensional dose distribution d (x, y, z) for one beam in each of the z direction, the x direction, and the y direction as shown in Equation (3). A method for factoring the distribution is introduced.
式(3)の左辺を式(1)における表記に合わせ、j番目のスポットに粒子ビームを単位ビーム量照射したときにi番目の線量評価点piに付与される線量di,jは、式(4)のように表わすことができる。The left side of Equation (3) is matched with the notation in Equation (1), and the dose d i, j given to the i-th dose evaluation point pi when the particle beam is irradiated to the j-th spot by the unit beam amount It can be expressed as (4).
ここで、xi、yi、ziはそれぞれ、i番目の線量評価点piのx、y、z座標である。またxj、yjはそれぞれj番目のスポットのx、y座標であり、Ejはj番目のスポットを照射するときの粒子ビームのエネルギーである。Here, x i , y i , and z i are the x, y, and z coordinates of the i-th dose evaluation point pi, respectively. Further, x j and y j are the x and y coordinates of the j-th spot, respectively, and E j is the energy of the particle beam when irradiating the j-th spot.
同様に、線量分布を式(2)のように時間区間に分けて考える場合、k番目の時間区間に粒子ビームを単位ビーム量照射したときにi番目の線量評価点piに付与される線量di,kは、式(5)のように表わすことができる。Similarly, when considering the dose distribution divided into time intervals as in equation (2), the dose d given to the i-th dose evaluation point pi when the particle beam is irradiated by the unit beam amount in the k-th time interval. i and k can be expressed as shown in Equation (5).
ここで、xi、yi、ziはそれぞれ、i番目の線量評価点piのx、y、z座標である。またxk、ykはそれぞれk番目の時間区間におけるビーム位置のx、y座標であり、Ekはk番目の時間区間における粒子ビームのエネルギーである。Here, x i , y i , and z i are the x, y, and z coordinates of the i-th dose evaluation point pi, respectively. Further, x k and y k are the x and y coordinates of the beam position in the kth time interval, respectively, and E k is the energy of the particle beam in the kth time interval.
式(4)及び式(5)のz軸方向の成分dz(z,E)に関しては、Braggの式として知られる理論による計算も可能ではあるが、事前に水ファントム(ファントム9)と線量計を用いて実際に測定し、データベース化しておくのが最も簡便であると考える。事前測定する場合は、水ファントム中に水を入れて線量計を配置し、粒子ビーム2を照射しながら、線量計の位置をz軸方向に動かしていくことで、分布を得ることができる。この測定を実施する前に比例係数C(E)を取得するための測定を実施しておけば、そのときのQA用電離箱を上流に配置しておくことで、照射されたビーム量wと水ファントム中の線量dとを得ることができる。そして、その比を求めることで単位ビーム量に対する線量分布dz(z,E)を知ることができる。Regarding the component d z (z, E) in the z-axis direction of the equations (4) and (5), a calculation based on the theory known as the Bragg equation is possible, but the water phantom (phantom 9) and the dose in advance We think that it is most convenient to actually measure using a meter and create a database. In the case of pre-measurement, the distribution can be obtained by placing water in a water phantom, placing the dosimeter, and moving the position of the dosimeter in the z-axis direction while irradiating the
式(4)のx軸方向成分dx(xi−xj,zi,Ej)や式(5)のx軸方向成分dx(xi−xk,zi,Ek)に関しては、MoliereやFermi−Eyges、Highlandらによる多重散乱理論による計算が可能である。また、やはり事前に水ファントム(ファントム9)と線量計を用いて実際に測定し、データベース化しておいても良い。この測定は線量分布dz(z,E)の測定に比べ、線量分布がxとzの両方に依存して変化するため全てx、zに対して測定を実施する必要があるが、それは大変である。そこで、Geant4等で知られるモンテカルロ・シミュレーション・ツールを用いれば、水ファントム(ファントム9)中の任意の位置における、単位ビーム量あたりの線量を計算できる。具体的には、モンテカルロ・シミュレーションを実行する場合には、ファントム9等の物の形状、粒子ビーム2のエネルギーや電離の発生位置や発生方向、走査装置3の電磁石(x方向走査電磁石4、y方向走査電磁石5)により偏向されるビーム中心軸位置等の情報を入力することで、水ファントム(ファントム9)中の任意の位置における、単位ビーム量あたりの線量を計算できる。したがって、モンテカルロ・シミュレーションを実行すれば、実測するよりも効率的にx軸方向成分dx(x−x0,z,E)やdx(x,z,E)を得ることができる。y方向成分、すなわち式(4)のdy(yi−yj,zi,Ej)や式(5)のdy(yi−yk,zi,Ek)についても同様である。Regarding the x-axis direction component d x (x i −x j , z i , E j ) of Expression (4) and the x-axis direction component d x (x i −x k , z i , E k ) of Expression (5) Can be calculated by the multiple scattering theory by Mollier, Fermi-Eyes, Highland et al. Moreover, it is also possible to actually measure in advance using a water phantom (phantom 9) and a dosimeter in advance and create a database. Compared to the measurement of the dose distribution d z (z, E), the dose distribution changes depending on both x and z, so it is necessary to carry out measurements for all x and z. It is. Therefore, by using a Monte Carlo simulation tool known as Genet 4 or the like, the dose per unit beam amount at an arbitrary position in the water phantom (phantom 9) can be calculated. Specifically, when the Monte Carlo simulation is executed, the shape of an object such as the phantom 9, the energy of the
モンテカルロ・シミュレーション・ツールを用いた場合、1次元方向の線量分布だけでなく3次元線量分布d(x,y,z)を直接求めることも可能であり、これを事前に計算してd(x,y,z)の情報をデータベースとして所持しておく方法も可能ではある。しかし、3次元に広がる線量分布を記憶装置に記憶しておくには多くのメモリー容量が必要となるため、記憶装置の性能と必要なデータ精度とを考慮して、どのような形でデータ保持するのが良いか検討する必要がある。 When the Monte Carlo simulation tool is used, not only the dose distribution in the one-dimensional direction but also the three-dimensional dose distribution d (x, y, z) can be directly obtained, and this is calculated in advance and d (x , Y, z) is also possible as a database. However, a large amount of memory capacity is required to store the three-dimensional dose distribution in the storage device. Therefore, the data storage is performed in any form in consideration of the performance of the storage device and the required data accuracy. It is necessary to consider whether to do it.
次に、本発明の実施の形態1による線量分布演算装置1を用いた線量誤差分布演算の流れを説明する。線量分布を式(1)のようにスポットごとに考える場合も、式(2)のように時間区間ごとに考える場合も、基本的な流れは同様であるため次段落以降では式(1)のようにスポットごとに考える場合についてのみ説明する。
Next, the flow of dose error distribution calculation using the dose
線量誤差分布演算部13により線量誤差分布を演算するためには、まず照射誤差の存在下における線量分布を計算する必要がある。式(1)および式(4)において、j番目のスポットへ照射するビーム量wj、スポット位置xj、yj、粒子ビームエネルギーEjに対して、それぞれビーム量誤差Δwj、スポット位置誤差Δxj、Δyj、粒子ビームエネルギー誤差ΔEjが発生した場合を考える。このとき、j番目のスポットに粒子ビームを単位ビーム量照射したときにi番目の線量評価点piに付与される線量di,j、および、全てのスポットを合計したときにi番目の線量評価点piに付与される線量Diには、それぞれ誤差Δdi,j、ΔDiが発生し、それらは式(6)および式(7)のように表わすことができる。In order to calculate the dose error distribution by the dose error
ここで、誤差の種類としてビーム量誤差Δwj、スポット位置誤差Δxj、Δyj、粒子ビームエネルギー誤差ΔEjを挙げたが、本実施の形態において必ずしもこれら全ての誤差を考慮しなければならないわけではない。例えば、装置の特性として粒子ビームエネルギーEjの精度が高く保証されており誤差ΔEjが存在しないあるいは無視できるほど小さい場合には、これを無視して式(8)のように計算しても構わない。Here, the beam amount error Δw j , the spot position error Δx j , Δy j , and the particle beam energy error ΔE j are listed as the types of errors, but in the present embodiment, all these errors must be considered. is not. For example, if the accuracy of the particle beam energy E j is guaranteed as a characteristic of the apparatus and the error ΔE j does not exist or is negligibly small, it can be ignored and calculated as in equation (8). I do not care.
また、ビーム量誤差Δwj、スポット位置誤差Δxj、Δyj、粒子ビームエネルギー誤差ΔEj以外にも誤差の要因は無数に考えられ、それらを適切な形で式に反映できる場合には計算に取り入れても構わない。In addition to the beam amount error Δw j , the spot position error Δx j , Δy j , and the particle beam energy error ΔE j , there are an infinite number of error factors. You can take it in.
誤差Δwj、Δxj、Δyj、ΔEjが発生する要因は様々に考えられる。例えば、一般的な粒子線治療装置による粒子ビームの照射時において、スポットのビーム量wjはビームライン上に設置された線量モニタによって管理され、当該スポットへの照射ビーム量があらかじめ計画されたビーム量に達したときに加速器による粒子ビームの照射を一時停止させたり、走査電磁石によりビーム位置を次のスポットへと移動させたりする等の制御がされている。しかし線量モニタにビームが照射されてから線量モニタがそれを検知し信号を出力するまでの間と、線量モニタが信号を出力してから加速器や照射電磁石が動作するまでの間には必ずタイムラグが存在するため、それに起因してビーム量誤差Δwjが発生する可能性がある。There are various factors that cause the errors Δw j , Δx j , Δy j , and ΔE j . For example, at the time of irradiation of a particle beam by a general particle beam therapy system, the beam amount w j of the spot is managed by a dose monitor installed on the beam line, and the irradiation beam amount to the spot is planned in advance. When the amount is reached, control is performed such as temporarily stopping irradiation of the particle beam by the accelerator, or moving the beam position to the next spot by a scanning electromagnet. However, there is always a time lag between when the dose monitor is irradiated with the beam and when the dose monitor detects it and outputs a signal, and between when the dose monitor outputs a signal and when the accelerator or irradiation magnet operates. Therefore, there is a possibility that a beam amount error Δw j may occur due to the existence.
スポット位置xj、yjは走査電磁石に流れる電流値によって制御されるが、電磁石電源の電流制御誤差や電磁ノイズによって電流値が変動し、スポット位置誤差Δxj、Δyjが発生する可能性がある。あるいは温度変化による熱膨張もしくは収縮により、電磁石位置とファントム位置との距離が変化することによってもスポット位置誤差Δxj、Δyjが発生する可能性がある。また、前記位置誤差を軽減するために、ビームライン上に設置されたビーム位置モニタの出力に基づき、正しいスポット位置へと修正するようなフィードバック制御をすることも考えられるが、このときもビーム位置モニタの精度によってはスポット位置誤差Δxj、Δyjが発生する可能性がある。The spot positions x j and y j are controlled by the current value flowing through the scanning electromagnet, but the current value may fluctuate due to the current control error of the electromagnet power source and electromagnetic noise, and the spot position errors Δx j and Δy j may occur. is there. Alternatively, spot position errors Δx j and Δy j may also occur when the distance between the electromagnet position and the phantom position changes due to thermal expansion or contraction due to temperature change. In order to reduce the position error, feedback control may be performed to correct the spot position based on the output of the beam position monitor installed on the beam line. Depending on the accuracy of the monitor, spot position errors Δx j and Δy j may occur.
また、例えば、肺や肝臓などの呼吸によって移動する患部への粒子線治療においては、呼吸ゲートと呼ばれるゲートを設定し、患部があらかじめ指定された範囲内にあるときのみ粒子ビームの照射を行う、呼吸同期照射法が選択される可能性がある。そしてその場合、治療前の検証として3軸方向の動きをインプットすることが可能な呼吸同期ファントムを用いたQAが実施される可能性がある。このとき、粒子ビームの位置そのものが変化するわけではないが、照射対象である患部から見た相対的な粒子ビームの位置は、患部の動きが無いときの計画位置とは異なった位置になる可能性があるため、スポット位置誤差が発生すると考えることが出来る。このときのスポット位置誤差Δxj、Δyjの大きさは、設定された呼吸ゲート内での患部の動きの大きさに対応して決まる。In addition, for example, in particle beam therapy to an affected area that moves by respiration such as lungs and liver, a gate called a respiration gate is set, and irradiation of a particle beam is performed only when the affected area is within a predetermined range. Respiratory synchronized irradiation may be selected. In that case, QA using a respiratory synchronization phantom that can input movements in three axial directions may be performed as verification before treatment. At this time, the position of the particle beam itself does not change, but the relative position of the particle beam as viewed from the affected area to be irradiated can be different from the planned position when there is no movement of the affected area. Therefore, it can be considered that a spot position error occurs. The magnitudes of the spot position errors Δx j and Δy j at this time are determined in accordance with the magnitude of the movement of the affected area within the set respiration gate.
粒子ビームのエネルギーEjは粒子加速器によって制御されるが、加速器を構成するビーム偏向電磁石が発生させる磁界強度や、高周波加速空洞の電界強度や周波数などの誤差によりビームエネルギー誤差ΔEjが発生する可能性がある。また、例えば粒子加速器がサイクロトロン型加速器で、エネルギー選択システム(ESS)を採用している場合にはESSを構成する偏向電磁石の磁界強度誤差やエネルギー選択スリットの位置誤差などによりビームエネルギー誤差ΔEjが発生する可能性がある。Although the particle beam energy E j is controlled by the particle accelerator, a beam energy error ΔE j may be generated due to errors in the magnetic field intensity generated by the beam deflecting electromagnet constituting the accelerator and the electric field intensity and frequency of the high frequency acceleration cavity. There is sex. Further, for example, when the particle accelerator is a cyclotron accelerator and an energy selection system (ESS) is adopted, the beam energy error ΔE j is caused by the magnetic field strength error of the deflection electromagnet constituting the ESS, the position error of the energy selection slit, or the like. May occur.
これらの誤差の大きさを見積もる方法は様々に考えられるが、最も簡便な方法は直接測定することである。例えば、ビーム量誤差Δwjを測定する方法として、線量モニタに対してスポットへの照射開始タイミングに合わせて動作する計測開始トリガーと終了開始タイミングに合わせて動作する計測終了トリガーを設定しておき、この間に計測されるビーム量と治療計画によって指定されたビーム量との差を求めることによって得られる。このような測定を複数回繰り返し、誤差の傾向を把握することができる。例えば、誤差Δwjの平均値や分散、標準偏差などを計算することが可能である。There are various methods for estimating the magnitude of these errors, but the simplest method is to measure directly. For example, as a method of measuring the beam amount error Δw j , a measurement start trigger that operates in accordance with the irradiation start timing of the spot and a measurement end trigger that operates in accordance with the end start timing are set for the dose monitor, It is obtained by calculating the difference between the beam amount measured during this time and the beam amount specified by the treatment plan. Such a measurement can be repeated a plurality of times to grasp the error tendency. For example, it is possible to calculate an average value, variance, standard deviation, and the like of the error Δw j .
スポット位置に関しては、線量計やガフクロミックフィルムにより実際に位置を測定し、計画位置との差を求めることで誤差Δxj、Δyjを得ることが出来る。またエネルギーに関してはシンチレーション検出器等を用いることで実際にエネルギーを測定し、計画エネルギーとの差を求めることで誤差ΔEjを得ることが出来る。これらの誤差についても複数回の測定を繰り返すことで、誤差の平均値や分散、標準偏差などの傾向を把握することができる。Regarding the spot position, errors Δx j and Δy j can be obtained by actually measuring the position with a dosimeter or a gafchromic film and obtaining a difference from the planned position. Regarding energy, an error ΔE j can be obtained by actually measuring the energy by using a scintillation detector or the like and obtaining the difference from the planned energy. For these errors, by repeating the measurement a plurality of times, it is possible to grasp trends such as the average value, variance, and standard deviation of the errors.
これらの誤差の傾向は、計画されたビーム量、計画されたスポット位置、計画されたエネルギー等の条件によって異なる可能性があるため、事前に様々な条件で測定をしておき、条件による誤差の傾向の違いを把握しておかなければならない。他にも、季節、時刻、室温、気圧、など様々な条件によっても傾向が変化する可能性がある。そして条件により誤差の傾向が変化する場合には、次段落以降で説明する演算においてその時の条件に合わせた適切な誤差の傾向を選択する必要がある。 These error trends may vary depending on the planned beam amount, planned spot position, planned energy, and other conditions. We must understand the difference in trends. In addition, the trend may change depending on various conditions such as season, time, room temperature, and atmospheric pressure. When the error tendency changes depending on the condition, it is necessary to select an appropriate error tendency according to the condition at that time in the operations described in the following paragraphs.
線量誤差分布を演算する方法は大きく分けて2通り考えられる。前者は誤差要因の独立性と線形性を仮定する方法、後者は「誤差シナリオ」という概念を用いる方法である。本実施の形態では前者について説明する。 There are two main methods for calculating the dose error distribution. The former is a method that assumes independence and linearity of error factors, and the latter is a method that uses the concept of an “error scenario”. In the present embodiment, the former will be described.
誤差Δwjの傾向分析をすることで、誤差Δwjが従う確率分布関数ρΔwj(u)を定義することができる。すなわち、誤差Δwjの大きさがuとu+duのあいだの範囲内にある確率がρΔwj(u)duとなるような関数ρΔwj(u)を設定する。確率分布関数ρΔwj(u)は、式(9)を満たすように規格化されている。その他の誤差に対しても、同様の確率分布関数ρΔxj(u)、ρΔyj(u)、ρΔEj(u)を定義することが可能である。By the trend analysis of the error [Delta] w j, it is possible to define a probability error [Delta] w j follow distribution function ρ Δwj (u). That is, a function ρ Δwj (u) is set such that the probability that the magnitude of the error Δw j is in the range between u and u + du is ρ Δwj (u) du. The probability distribution function ρ Δwj (u) is normalized so as to satisfy Expression (9). Similar probability distribution functions ρ Δxj (u), ρ Δyj (u), and ρ ΔEj (u) can be defined for other errors.
これらの確率分布関数と、式(6)によって求まるΔDiとから、線量誤差ΔDiの期待値E(ΔDi)、分散V(ΔDi)、および標準偏差σ(ΔDi)を、それぞれ式(10)、式(11)、式(12)のように求めることができる。From these probability distribution functions and ΔD i obtained by Equation (6), the expected value E (ΔD i ), variance V (ΔD i ), and standard deviation σ (ΔD i ) of dose error ΔD i are respectively expressed by equations (10), Formula (11), and Formula (12).
ここで、積分演算子∫…∫は、積分変数uw,j、ux,j、uy,j、uE,jにそれぞれ対応する。スポット番号jが1からnまで存在するため、積分演算子は全部で4n個存在し、積分範囲はすべて[−∞、∞]である。Here, the integration operators ∫... ∫ correspond to the integration variables u w, j , u x, j , u y, j , u E, j , respectively. Since spot numbers j exist from 1 to n, there are 4n integration operators in total, and the integration ranges are all [−∞, ∞].
このように、線量誤差分布演算部13により、粒子線治療装置に含まれる機器の動作誤差、照射対象の動きにより発生するスポット位置、エネルギー、ビーム照射量のうち少なくともひとつの誤差の情報に応じて、誤差が線量分布に与える影響を考慮して線量誤差の分布を演算するようにすることで、線量分布の測定精度を低下させることなく、測定時間の短縮化を図ることができる。また、上記のようにして演算された線量誤差ΔDiに関する情報を、ディスプレイ等の表示部で使用者に示すことで、使用者はファントムを用いたQAの線量測定の方針を立てることが容易になる。As described above, the dose error
図4に、ディスプレイ15への表示例を示す。横軸に線量評価点 i、縦軸に線量を取り、計画線量に線量誤差期待値を加えた値16(Di+E(ΔDi))と、それに対して線量誤差標準偏差(σ(ΔDi))を増減した値18、19(Di+E(ΔDi)+σ(ΔDi)、Di+E(ΔDi)−σ(ΔDi))をそれぞれプロットしたものが表示されている。使用者はこの図を見ることで、例えば、線量誤差標準偏差の大きい部分の付近では線量測定点の間隔を小さくして密な測定を行い、逆に線量誤差標準偏差の小さい部分の付近では線量測定点の間隔を大きくして測定時間の短縮を図るなど、効率的な線量測定のプランを立てることができる。FIG. 4 shows a display example on the
図4では、±σ(ΔDi)の幅を持つ分布を表示する例を示したが、これは例えばDi+E(ΔDi)+2σ(ΔDi)およびDi+E(ΔDi)−2σ(ΔDi)のように、±σ(ΔDi)の2倍の幅を持つ分布であっても良いし、同様に3倍の幅を持つ分布であっても良い。FIG. 4 shows an example in which a distribution having a width of ± σ (ΔDi) is displayed. This is, for example, D i + E (ΔD i ) + 2σ (ΔD i ) and D i + E (ΔD i ) −2σ (ΔD). As in i ), it may be a distribution having a width twice as large as ± σ (ΔD i ), or a distribution having a width three times as large.
線量分布演算装置1は、線量誤差分布演算部13により線量誤差標準偏差の最も大きい線量評価点を探索し、図5のように誤差最大点22として表示部14のディスプレイ35に表示しても良い。また、線量分布演算装置1は、線量誤差分布演算部13により線量誤差標準偏差があらかじめ定められた基準範囲31、32を超過する線量評価点を探索し、その存在範囲を図6のように基準超過領域33a、33bとして表示部14のディスプレイ45に表示してもよい。これらの表示により、使用者はさらに速やかに線量誤差標準偏差の大きい点や範囲を把握することができる。
The dose
以上のように、本発明の実施の形態1における線量分布演算装置1を備えた粒子線治療装置100では、線量誤差分布演算部13により、治療計画情報記憶部11に記憶する治療計画情報に基づく照射に対して、誤差情報記憶部12に記憶する粒子線治療装置に含まれる機器の動作誤差、照射対象の動きにより発生するスポット位置、エネルギー、ビーム照射量のうち少なくともひとつの誤差の情報に応じて、誤差が線量分布に与える影響を考慮して線量誤差の分布を演算するようにしたので、線量分布の測定精度を低下させることなく、測定時間の短縮化を図ることができる。
As described above, in the particle
実施の形態2.
実施の形態1では、誤差要因の独立性と線形性を仮定する方法について説明したが、実施の形態2では、「誤差シナリオ」という概念を用いて線量誤差分布を算出する方法について説明する。実施の形態2による線量分布演算装置を備えた粒子線治療装置の構成については、実施の形態1の粒子線治療装置100と同様であり、その説明を省略する。
In the first embodiment, the method for assuming the independence and linearity of error factors has been described. In the second embodiment, a method for calculating a dose error distribution using the concept of “error scenario” will be described. The configuration of the particle beam therapy system including the dose distribution calculation apparatus according to the second embodiment is the same as that of the particle
図7に、本実施の形態における誤差シナリオの考え方を示す。まず、j=1からj=nまでの全てのスポットに対して各誤差Δwj、Δxj、Δyj、ΔEjの大きさを決定する。これら一連の誤差の値の組み合わせを、ひとつの「誤差シナリオ」と呼ぶ。FIG. 7 shows the concept of the error scenario in the present embodiment. First, the size of each error Δw j , Δx j , Δy j , ΔE j is determined for all spots from j = 1 to j = n. A combination of these series of error values is called one “error scenario”.
誤差シナリオの作成における、各誤差を決定する方法は、基本的には実施の形態1と同じ考え方で、事前に調査された誤差の傾向に基づく確率分布関数を用いて、線量誤差分布演算部13の生成する乱数を用いてランダムに決定する。このとき全ての誤差を独立にランダムに決定すれば実施の形態1と同様の結果を得ることが期待できるが、誤差シナリオを用いる方法ではここで2つ以上の誤差の相関を考慮することができる。
The method for determining each error in creating an error scenario is basically the same concept as in the first embodiment, and uses the probability distribution function based on the error tendency investigated in advance, and the dose error
例えば、ビームエネルギー誤差ΔEjが正の値で、すなわちビームエネルギーが計画値よりも大きい場合は、走査電磁石が発生させる磁界の強度が同じでもビームが曲がりにくいため、スポット位置は中心寄りにずれる可能性が高い。さらに、このとき位置誤差Δxjとエネルギー誤差ΔEjとは独立であるとは言えず、エネルギー誤差ΔEjに依存して位置誤差Δxjの確率分布関数が変動する。電磁石に流す電流値とビームエネルギーとビームキック角との関係はあらかじめ分かっているので、先にエネルギー誤差の確率分布関数に基づき乱数を用いてΔEjを決定した後、そのエネルギー誤差によって発生するスポット位置のシフト量を求め、スポット位置誤差のもとの確率分布関数に基づいて別の乱数を用いて決定したΔxjをシフト量の分だけ変化させることで、相関を考慮した誤差シナリオを決定することができる。For example, if the beam energy error ΔE j is a positive value, that is, if the beam energy is larger than the planned value, the spot position can be shifted toward the center because the beam is difficult to bend even if the intensity of the magnetic field generated by the scanning electromagnet is the same. High nature. Furthermore, at this time, it cannot be said that the position error Δx j and the energy error ΔE j are independent, and the probability distribution function of the position error Δx j varies depending on the energy error ΔE j . Since the relationship between the current value flowing through the electromagnet, the beam energy, and the beam kick angle is known in advance, after determining ΔE j using random numbers based on the probability distribution function of the energy error, spots generated by the energy error The position shift amount is obtained, and Δx j determined by using another random number based on the probability distribution function under the spot position error is changed by the shift amount, thereby determining an error scenario considering the correlation. be able to.
また、一般的なスキャニング照射の場合、ビームが1つのスポットに停滞している時間はミリ秒からマイクロ秒のオーダであることが多いが、事前の傾向調査により、スポット位置誤差の時間変動がそれほど早い周期で変化せず、例えば、100ミリ秒程度の変動周期であった場合、あるスポットにおける位置誤差Δxjと隣のスポットにおける位置誤差Δxj+1との差は、それほど大きく離れることは無い。このような場合、位置誤差ΔxjとΔxj+1とは、独立であるとは言えない。この場合、さきに確率分布関数に基づいて乱数を用いてΔxjを決定した後、Δxj+1は既に決定したΔxjから一定の範囲内から選択されるよう、確率分布関数に補正を加える等の方法が考えられる。あるいは、はじめはΔxjとΔxj+1とを独立に決めておき、両者の差が一定以上になる場合はその誤差シナリオを破棄し、別の乱数を用いて再度ΔxjとΔxj+1とを独立に決定し、両者の差が一定以内になるまでこれを繰り返す、等の方法も考えられる。In general scanning irradiation, the beam stays in one spot on the order of milliseconds to microseconds. However, the time variation of the spot position error is not much due to the prior trend survey. unchanged at an early period, for example, if a fluctuation period of about 100 ms, the difference between the position error [Delta] x j + 1 in the position error [Delta] x j and the adjacent spots in a certain spot, will not move much. In such a case, the position errors Δx j and Δx j + 1 cannot be said to be independent. In this case, after determining Δx j using random numbers based on the probability distribution function before, Δx j + 1 is selected from a predetermined range from Δx j that has already been determined, and the probability distribution function is corrected. A method is conceivable. Alternatively, initially advance decided independently and [Delta] x j and [Delta] x j + 1, if the difference between the two becomes more than a certain discard the error scenario, independently re [Delta] x j and the [Delta] x j + 1 with another random number A method is also conceivable in which this is determined and this is repeated until the difference between the two is within a certain range.
上記のようにして、乱数を変えて複数の誤差シナリオを生成する。生成する誤差シナリオの個数は、条件にもよるが1000から100万個程度が望ましいと考えられる。それぞれの誤差シナリオに対して式(6)、式(7)に基づき線量誤差ΔDiを算出する。誤差シナリオの個数をN、誤差シナリオ番号をs、s番目の誤差シナリオに対応する線量誤差をΔDi,sと表現するとき、線量誤差の期待値E(ΔDi)および分散V(ΔDi)、標準偏差σ(ΔDi)を、それぞれ式(13)、式(14)、式(15)のように求めることができる。As described above, a plurality of error scenarios are generated by changing random numbers. It is considered that the number of error scenarios to be generated is preferably about 1,000 to 1,000,000 depending on conditions. Dose error ΔD i is calculated based on Equation (6) and Equation (7) for each error scenario. When the number of error scenarios is N, the error scenario number is s, and the dose error corresponding to the s-th error scenario is expressed as ΔD i, s , the expected value of dose error E (ΔD i ) and variance V (ΔD i ) , Standard deviation σ (ΔD i ) can be obtained as shown in equations (13), (14), and (15), respectively.
このように、線量誤差分布演算部13により、スポット位置、エネルギー、ビーム量の誤差の傾向に基づき、誤差の値のセットである誤差シナリオを複数用意し、それぞれの誤差シナリオに対応するそれぞれの線量分布を演算し、各計算点における誤差シナリオごとのばらつきを線量誤差として算出することで、2つ以上の誤差要因が相関を持っていてその効果が大きい場合であっても、正確な線量誤差分布を計算できる。また、上記のようにして演算された線量誤差ΔDiに関する情報を、実施の形態1と同様の表示方法によりディスプレイ等の表示部で使用者に示すことで、使用者はファントムを用いたQAの線量測定の方針を立てることが容易になる。As described above, the dose error
以上のように、本発明の実施の形態2における線量分布演算装置1を備えた粒子線治療装置100では、線量誤差分布演算部13により、スポット位置、エネルギー量、ビーム量の誤差の傾向に基づき、誤差の値のセットである誤差シナリオを複数用意し、それぞれの誤差シナリオに対応するそれぞれの線量分布を演算し、各計算点における誤差シナリオごとのばらつきを線量誤差として算出するようにしたので、測定時間の短縮化を図ることができるだけでなく、正確な線量誤差分布を計算できる。
As described above, in the particle
実施の形態3.
実施の形態1および2では、線量測定の前に線量誤差分布演算を実施することで効率的なQA測定をする方法を説明したが、実施の形態3では、線量誤差分布演算と線量測定を交互に繰り返すことで効率的にQA測定を実施する方法を説明する。実施の形態3による線量分布演算装置を備えた粒子線治療装置の構成については、実施の形態1の粒子線治療装置100と同様であり、その説明を省略する。
In the first and second embodiments, the method of performing the effective QA measurement by performing the dose error distribution calculation before the dose measurement has been described. However, in the third embodiment, the dose error distribution calculation and the dose measurement are alternately performed. A method for efficiently performing QA measurement by repeating the above will be described. The configuration of the particle beam therapy system including the dose distribution calculation apparatus according to the third embodiment is the same as that of the particle
実施の形態1および2では、線量Diや線量誤差ΔDiのように、離散的な線量評価点iに対する線量値や線量誤差値という形式で表現をしてきたが、線量評価点iを十分小さな間隔で取るか、もしくは隣接する線量評価点の間を内挿することによって、連続的な評価点(x、y、z)における線量、ならびに線量誤差として表現することが容易に可能である。すなわち、DiをD(x,y,z)と、ΔDiをΔD(x,y,z)と書き換えることが可能である。次段落以降では連続的評価点による表記を前提に説明する。In
図8は、本発明の実施の形態3による線量分布演算装置1を用いた線量誤差分布演算のフロー図である。図8を用いて、本実施の形態3によって線量誤差分布演算と線量測定を交互に繰り返すフローを説明する。図9から図13は、図8のフロー図の各ステップに対応する誤差シナリオのイメージ図である。
FIG. 8 is a flow chart of dose error distribution calculation using the dose
まず最初に、ステップS801では、線量分布演算装置1は、線量誤差分布演算部13により、実施の形態2に記載したのと同様の方法で複数の誤差シナリオ41を生成する(図9参照)。続いて、ステップS802では、それら複数の誤差シナリオに対応する複数の線量分布を計算し、その期待値と標準偏差を計算し、線量誤差の標準偏差が最も大きくなる座標である最大誤差発生位置43を特定する(図10参照)。
First, in step S801, the dose
次いで、ステップS803では、線量誤差分布演算部13により、当該座標において線量測定を実施し、測定結果44を確認後、その測定結果の情報、すなわち線量測定位置と測定線量値、配置位置誤差と測定線量値誤差を誤差情報記憶部12に入力する(図11参照)。線量測定では、水ファントム9中の当該座標に線量測定装置7を配置し、実際に粒子ビーム2の照射を行う。このとき、線量測定装置7の配置位置誤差ならびに測定線量誤差は、線量測定装置配置治具や線量測定装置の仕様としてあらかじめ分かっているものとする。
Next, in step S803, the dose error
続いて、ステップS804では、線量誤差分布演算部13により、全ての誤差シナリオを測定結果に適合するものとしないものとの2つのグループに分類し、適合しないグループに属する誤差シナリオは破棄する(図12参照)。ここで、判断の基準としては、線量誤差分布演算部13により、複数の誤差シナリオに対応する複数の線量分布と、入力された測定情報とを比較し、測定位置と線量測定値に対して配置位置誤差と線量測定値誤差の許容範囲内に線量分布が入るような場合、その線量分布に対応する誤差シナリオを「測定結果に適合」とする。逆に、測定位置と線量測定値に対して配置位置誤差と線量測定値誤差の許容範囲内に線量分布が入らない場合、その線量分布に対応する誤差シナリオを「測定結果に適合しない」とする。
Subsequently, in step S804, the dose error
最後に、ステップS805により、測定位置と線量測定値に対して配置位置誤差と線量測定値誤差の許容範囲46内に線量分布が入る、適合するグループに属する誤差シナリオだけを使って、線量誤差の期待値、分散、標準偏差を再計算し、ディスプレイに再表示する(図13参照)。このようにすることで、使用者は測定結果と適合する線量誤差分布の情報を知り、2回目以降の線量測定に反映することが出来る。
Finally, in step S805, only the error scenario belonging to the matching group in which the dose distribution falls within the
線量分布演算装置1は、線量誤差分布演算部13により、残された誤差シナリオを、2回目の線量測定結果と合致するものと合致しないものの2つのグループにさらに分類し、合致しないグループに属する誤差シナリオは破棄し、合致するグループに属する誤差シナリオだけを使って、線量誤差の期待値、分散、標準偏差を再計算し、ディスプレイに再表示する。使用者はこの作業を、終了条件を満たすまで続けても良い。終了条件とは例えば、全ての誤差シナリオに対して線量分布があらかじめ定められた許容範囲内に入ったときや、全ての座標に対して線量誤差の標準偏差があらかじめ定められた許容範囲内に入ったときや、線量誤差分布演算と線量測定をあらかじめ定められた回数繰り返したときや、その他の理由により使用者が繰り返しをやめると判断したとき、等である。
The dose
以上のように、本発明の実施の形態3における線量分布演算装置1を備えた粒子線治療装置100では、ファントムを用いたQA測定時の線量測定における測定位置、測定線量値、測定位置誤差、測定線量値誤差を誤差情報記憶部12に入力し、線量誤差分布演算部13により、誤差情報記憶部12に入力された測定位置と測定線量値との情報と、前記各誤差シナリオに対応する前記線量分布とを照合し、測定位置と測定線量値に対し測定位置誤差および測定線量値誤差の許容範囲内で適合する誤差シナリオと適合しない誤差シナリオとに分類し、適合する誤差シナリオのみを残して誤差シナリオごとのばらつきに基づき線量誤差として再度算出するようにしたので、測定時間の短縮化を図ることができるだけでなく、線量誤差演算と線量分布測定とを複数回繰り返すことによってQA測定の精度を向上させることが可能である。
As described above, in the particle
実施の形態4.
実施の形態4では、測定結果に基づき誤差シナリオを複数のグループに分類し取捨選択する方法について説明する。実施の形態4による線量分布演算装置を備えた粒子線治療装置の構成については、実施の形態1の粒子線治療装置100と同様であり、その説明を省略する。Embodiment 4 FIG.
In the fourth embodiment, a method of classifying and selecting error scenarios into a plurality of groups based on measurement results will be described. The configuration of the particle beam therapy system including the dose distribution calculation apparatus according to the fourth embodiment is the same as that of the particle
まず最初に、線量分布演算装置1は、線量誤差分布演算部13により、線量誤差分布演算を実施する。複数の線量測定座標を決定した後、線量誤差分布演算部13により、各座標において線量測定装置7を用いて線量測定を行い、結果を誤差情報記憶部12に入力する。続いて、線量分布演算装置1は、線量誤差分布演算部13により、誤差情報記憶部12に記憶された測定結果に基づき、各誤差シナリオに対して「信頼度」というパラメータを算出する。
First, the dose
「信頼度」は、誤差シナリオに対応する線量分布が測定結果に近ければ近いほど大きくなるという特徴を持つパラメータであり、ここではその定義の一例を説明する。sを誤差シナリオ番号、tを線量測定座標番号とし、s番目の誤差シナリオに対応する線量分布をDs(x、y、z)、t番目の線量測定座標を(xm,t,ym,t,zm,t)、t番目の線量測定座標における測定線量値をDm,tとしたとき、線量分布Ds(x、y、z)と測定結果(Dm,t,xm,t,ym,t,zm,t)との「距離」ls,tを式(16)のように定義する。“Reliability” is a parameter having a characteristic that the dose distribution corresponding to the error scenario is closer to the measurement result, and an example of its definition will be described here. s is an error scenario number, t is a dose measurement coordinate number, D s (x, y, z) is a dose distribution corresponding to the sth error scenario, and (x m, t , y m ) is a tth dose measurement coordinate. , T 1 , z m, t ), where D m, t is the measured dose value at the t-th dose measurement coordinate, the dose distribution D s (x, y, z) and the measurement result (D m, t , x m , T 1 , y m, t 1 , z m, t 2 ) and “distance” 1 s, t are defined as in Expression (16).
s番目の誤差シナリオの信頼度Rsは、s番目の誤差シナリオに対して、全ての測定点(t=1からmまで)に対する距離2乗値の合計の平方根の逆数として式(17)のように定義することができる。 The reliability Rs of the s-th error scenario is expressed by the following equation (17) as the reciprocal of the square root of the sum of squared distance values for all measurement points (from t = 1 to m) with respect to the s-th error scenario. Can be defined.
信頼度の値に基づき、線量分布演算装置1は、線量誤差分布演算部13により、誤差シナリオを複数のグループに分けることができる。例えば、最初に用意された複数の誤差シナリオのうち、信頼度の高いものから順に半分をグループA、残り半分をグループBとする。この場合、グループBに属する誤差シナリオを破棄してグループAに属する誤差シナリオのみで線量誤差の期待値、分散、標準偏差を再計算し、図4のように表示部14に表示することで、より測定結果を反映した線量誤差分布を使用者は知ることが出来る。ここで、誤差シナリオを2グループに分類する方法は他にも考えられる。例えば信頼度の高いものから順に6割をグループA、残り4割をグループBとしても良いし、あらかじめ信頼度の閾値を決めておき、信頼度が閾値よりも高いものをグループA、閾値以下のものをグループBとしても良い。
Based on the reliability value, the dose
また、信頼度によるグループ分けは、必ずしも2グループである必要はない。例えば、信頼度の高いものから順に3分の1をグループA、次に高い3分の1をグループB、残り3分の1をグループCと振り分けることも可能である。このとき、集合IはグループAのみ、集合IIはグループAとBの和集合、集合IIIはグループAとBとCの和集合、のように3つの集合を定義し、それぞれの集合に属する誤差シナリオに対応する線量分布に対して、線量誤差の期待値、分散、標準偏差をそれぞれ再計算する。再計算された結果を用いて、図14に示すような、Di+E(ΔDi)+σ(ΔDi)およびDi+E(ΔDi)−σ(ΔDi)のグラフを表示部14のディスプレイ55に表示する。こうすることによって、使用者は線量の信頼性の範囲をより視覚的に理解することができる。Further, the grouping by reliability does not necessarily need to be two groups. For example, it is possible to assign one third to group A, the next highest third to group B, and the remaining third to group C in descending order of reliability. At this time, the set I is defined as the group A only, the set II is defined as the union of the groups A and B, and the set III is defined as the union of the groups A, B, and C. Recalculate the expected dose error, variance, and standard deviation for the dose distribution corresponding to the scenario. Using the recalculated results, a graph of D i + E (ΔD i ) + σ (ΔD i ) and D i + E (ΔD i ) −σ (ΔD i ) as shown in FIG. 55. By doing so, the user can more visually understand the range of dose reliability.
信頼度のパラメータを用いて、グループ分けをせずに線量誤差分布を再計算することも可能である。線量誤差の期待値と分散を計算するとき、誤差シナリオの信頼度に応じて誤差シナリオ重み係数Wsを付けることで、信頼度の高い誤差シナリオをより結果に濃く反映させることが可能である。この場合、線量誤差の期待値E(ΔDi)および分散V(ΔDi)、標準偏差σ(ΔDi)を、それぞれ式(18)、式(19)、式(20)のように求めることができる。It is also possible to recalculate the dose error distribution using the reliability parameter without grouping. When calculating the variance and expected value of the dose error is to add an error scenario weight coefficient W s in accordance with the reliability of the error scenario, it is possible to reflect darker more results reliable error scenarios. In this case, the expected value E (ΔDi), variance V (ΔDi), and standard deviation σ (ΔDi) of the dose error can be obtained as shown in Equation (18), Equation (19), and Equation (20), respectively.
ここで、誤差シナリオ重み係数Wsの決め方は様々に考えられるが、信頼度が高いほど誤差シナリオ重み係数も高くなるという関係があることが重要である。最も簡単な決め方は、誤差シナリオ重み係数の値を信頼度と同じにすることであり、すなわち式(21)として定義することである。Here, how to determine the error scenario weight coefficient W s is variously considered, but it is important that there is a relationship of an error scenario weight coefficient increases as the confidence is also high. The simplest way to decide is to make the value of the error scenario weight coefficient the same as the reliability, that is, to define it as equation (21).
以上のように、本発明の実施の形態4における線量分布演算装置1を備えた粒子線治療装置100では、ファントムを用いたQA測定時の線量測定における測定位置、測定線量値、測定位置誤差、測定線量値誤差を誤差情報記憶部12に入力し、線量誤差分布演算部13により、誤差情報記憶部12に入力された測定位置と測定線量値との情報に基づき、各誤差シナリオに対して信頼度を算出し、算出した信頼度に基づき誤差シナリオを少なくとも2つのグループに分類し、分類されたうちの少なくとも1つのグループに所属する誤差シナリオに対応する線量分布のばらつきに応じて、線量誤差分布を算出するようにしたので、測定時間の短縮化を図ることができるだけでなく、複数の誤差シナリオをグループに分類し取捨選択することによってQA測定の精度を向上させることが可能である。
As described above, in the particle
実施の形態5.
実施の形態5では、実施の形態2と同様に、線量誤差分布演算装置は複数の誤差シナリオを生成した後、平均的自己相関関数に基づいて測定間隔を設定し、線量分布を計算する方法について説明する。実施の形態5による線量分布演算装置を備えた粒子線治療装置の構成については、実施の形態1の粒子線治療装置100と同様であり、その説明を省略する。
In the fifth embodiment, as in the second embodiment, the dose error distribution calculation apparatus generates a plurality of error scenarios, sets a measurement interval based on an average autocorrelation function, and calculates a dose distribution. explain. The configuration of the particle beam therapy system including the dose distribution calculation apparatus according to the fifth embodiment is the same as that of the particle
ひとつの誤差シナリオsに対する線量誤差ΔDs(x、y、z)に対し、その自己相関関数Is(τx、τy、τz)は、式(22)のように表すことができる。For the dose error ΔD s (x, y, z) for one error scenario s, the autocorrelation function I s (τ x , τ y , τ z ) can be expressed as in equation (22).
ここで、3次元積分∫∫∫の積分範囲は理想的にはx、y、zともにマイナス無限大から無限大まで取ることが望ましいが、現実的に無限大の範囲の線量分布を計算することは困難なので、範囲を重要な部分に限定し、例えば関心領域、すなわち患者QAにおいて線量分布を確認しなければならない範囲を積分範囲とすることでも構わない。説明を簡単にするため、ここではx方向のみに注目した自己相関関数である、式(23)を考える。 Here, it is desirable that the integration range of the three-dimensional integral 取 る is ideally set from minus infinity to infinity for all of x, y, and z. However, in reality, dose distribution in the infinite range should be calculated. Therefore, the range may be limited to an important part, and for example, a range in which the dose distribution must be confirmed in the region of interest, that is, the patient QA may be set as the integration range. In order to simplify the explanation, here, Equation (23), which is an autocorrelation function focusing only on the x direction, is considered.
一般的に、関数Ds(x、y、z)は誤差要因を含むため周期関数にはならず、平均的自己相関関数IAVERAGE(τx)は、図15に示すようにτx=0のときに最大となる。平均的自己相関関数IAVERAGE(τx)の値が正である場合、ある点xにおける線量誤差値と、そこからτxだけ離れた点x+τxにおける線量誤差値とが、ある程度近い値である可能性が高いことを意味している。そして、平均的自己相関関数IAVERAGE(τx)の値が大きければ大きいほど、2つの点における線量誤差値が近い可能性が高いため、QA測定においてその2点を両方とも測定する意義は薄くなる。したがって、平均的自己相関関数IAVERAGE(τx)に基づいて線量測定点の間隔を決定すれば、効率的なQA測定を実施することが可能である。ここで、平均的自己相関関数に基づいて線量測定点の間隔を決定するとは、例えば自己相関関数の半値半幅(Half Width at Half Maximum)51を測定間隔として設定することなどである。Generally, the function D s (x, y, z) does not become a periodic function because it includes an error factor, and the average autocorrelation function I AVERAGE (τ x ) is τ x = 0 as shown in FIG. At the maximum. If the value of the average autocorrelation function I AVERAGE (τ x) is positive, the dose error value at a point x, the dose error value in tau x apart points x + tau x therefrom, is somewhat closer to the value It means that the possibility is high. And the larger the value of the average autocorrelation function I AVERAGE (τ x ), the more likely the dose error values at the two points are closer, so the significance of measuring both of the two points in the QA measurement is less. Become. Therefore, if the interval between the dose measurement points is determined based on the average autocorrelation function I AVERAGE (τ x ), efficient QA measurement can be performed. Here, determining the interval between the dose measurement points based on the average autocorrelation function is, for example, setting the half width (Half Width at Half Maximum) 51 of the autocorrelation function as the measurement interval.
同様の計算はy、z方向についてもでき、x、y方向の平均的自己相関関数IAVERAGE(τy)およびIAVERAGE(τz)を求めることも出来るし、それらの半値半幅を求めることも可能である。QA測定においては、使用者はx、y、z方向に対しそれぞれの平均的自己相関関数に基づいて測定間隔を設定し、3次元的に測定点を配置することが出来る。Similar calculations can be performed for the y and z directions, and average autocorrelation functions I AVERAGE (τ y ) and I AVERAGE (τ z ) in the x and y directions can be obtained, and their half-value half widths can also be obtained. Is possible. In QA measurement, a user can set measurement intervals based on respective average autocorrelation functions in the x, y, and z directions, and can arrange measurement points in three dimensions.
以上のように、本発明の実施の形態5における線量分布演算装置1を備えた粒子線治療装置100では線量誤差分布演算部13により、各誤差シナリオに対応する線量分布に対してその自己相関関数を計算し、自己相関関数に基づき、線量測定間隔の値を算出するようにしたので、効率的なQA測定を実施することが可能である。
As described above, in the particle
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 線量誤差分布演算装置、2 粒子ビーム、11 治療計画情報記憶部、12 誤差情報記憶部、13 線量誤差分布演算部、100 粒子線治療装置。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
誤差の情報を記憶する誤差情報記憶部と、
前記治療計画情報記憶部に記憶する前記治療計画の情報に基づく照射に対して、前記誤差情報記憶部に記憶する前記誤差の情報に応じて、線量誤差の分布を演算する線量誤差分布演算部と、 を備え、
前記治療計画の情報は、前記治療計画によって定められたスポットの位置と、前記各スポットに照射する粒子ビームのエネルギーおよびビーム量を含み、
前記誤差の情報は、機器の動作誤差、照射対象の動きによって発生し得る前記スポットの位置、前記エネルギー、前記ビーム量のうち少なくとも1の誤差を含み、
前記線量誤差分布演算部は、前記スポットの位置、前記エネルギー、前記ビーム量の誤差の傾向に基づき、前記誤差の値の組合せである誤差シナリオを作成し、前記誤差シナリオに対応する線量分布を演算し、前記誤差シナリオごとのばらつきを前記線量誤差の分布として演算することを特徴とする線量誤差分布演算装置。 A treatment plan information storage unit for storing treatment plan information;
An error information storage unit for storing error information;
A dose error distribution calculation unit that calculates a dose error distribution according to the error information stored in the error information storage unit for irradiation based on the treatment plan information stored in the treatment plan information storage unit ; , equipped with a,
The treatment plan information includes the position of the spot determined by the treatment plan, and the energy and beam amount of the particle beam irradiated to each spot,
The error information includes at least one error among an operation error of the device, a position of the spot that can be generated by movement of an irradiation target, the energy, and the beam amount,
The dose error distribution calculation unit creates an error scenario that is a combination of the error values based on the tendency of the spot position, energy, and beam amount error, and calculates a dose distribution corresponding to the error scenario and, the linear amount error distribution calculation device you and calculates the variance for each error scenario as distribution of the dose error.
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