JP6949256B2 - 線量誤差決定装置 - Google Patents

Description

本発明は、線量計画に基づいて放射線治療を受ける1つ以上の関心領域を含む身体ボリュームの放射線量誤差を予測するための線量誤差決定装置に関する。

臨床現場では、治療適応の決定が典型的には当初の治療計画を日常の患者の解剖学的構造上で評価することによってなされる。評価は、計画画像と、例えば、磁気共鳴画像、超音波画像、コンピュータ断層撮影画像、又はコーンビームコンピュータ断層撮影画像のような、患者の日常的に取得された体積測定画像との間の変形可能な画像レジストレーション(DIR)を使用することによって自動的に実行することができる。DIRは計画コンピュータ断層撮影画像から関心領域(ROI)の輪郭を自動的に日常画像に伝播し、放射線治療計画の自動評価、及び手動描出の必要なしにROIに照射される放射線治療線量の評価を可能にする。治療計画は例えば、腫瘍に対する最小治療線量レベル、及びリスク器官に対する最大許容量レベルのような、各ROIに対する線量測定上の制約に基づいて計算される。現在の解剖学的構造に関する治療計画評価は線量パラメータを再計算し、スコアカードを更新する。スコアカードは、線量測定パラメータの現在の値が線量測定制約を満たすかを示す。再計算された線量パラメータと更新されたスコアカード情報は、治療適応の必要性を推定するために使用される。

Neil Kirbyらによる論文「An automated deformable image registration evaluation of confidence tool」（Physics in Medicine and Biology、第61巻、N203乃至N214頁(2016)）は潜在的に誤差を生じる可能性があることについてDIRを批判しており、その精度は固定量ではなく、ケースバイケースで変化する。これらの問題に対する解決策として、Kirbyらは、DIR精度の患者固有及びボクセル固有の評価を作成するための自動化プログラムを記載している。患者画像のセットに臨床DIRアルゴリズムを適用するために、この評価を実行するためのソフトウェアツールが記載される。ソフトウェアツールはアルゴリズムを使用して変形を生成し、処理と共にそれらをこれらの画像に適用して、実際の変形に類似し、現実的なノイズ特性を有する既知の変形を有するテスト画像のセットを生成する。臨床DIRアルゴリズムは、これらのテスト画像セットに適用される。これらのテストから、ソフトウェアツールは、スチューデントのt分布に基づいて、各画像ボクセルに対する空間的及び線量不確定性推定値を生成する。報告された研究では、4つの市販のDIRアルゴリズムを使用して、仮想骨盤ファントム画像セットに関連する線量分布を変形させ、ソフトウェアツールを使用して、各変形に対する線量不確定性推定値を生成している。

本発明の目的は、臨床応用における1つ以上の関心領域に対する所定の線量計画の線量値に対する任意のタイプの空間誤差の影響を推定する際の支援を提供するために比較的低い処理費用を必要とする線量誤差決定装置を提供することである。

本発明の第1の態様によれば、線量計画に基づいて放射線治療を受ける一つ又はそれより多くの関心領域を有する身体ボリュームに対する放射線量誤差を予測するための線量誤差決定装置が記載される。前記線量誤差決定装置は、
−前記関心領域に関連するボクセルを有する身体ボリュームの現在の画像のボクセルに関連する線量値を示す線量計画データを提供するように構成される線量計画ユニットと、
−前記身体ボリュームの対応する特徴に関連する前記現在の画像におけるボクセル座標の空間誤差の量に対応する空間誤差量の値を示すユーザ入力を要求し、受信するように構成される入力ユニットと、
−線量誤差決定ユニットであって、

−前記それぞれの関心領域に対する前記線量計画データ及び前記空間誤差量の値を使用して、前記それぞれの関心領域との比較において前記空間誤差量の値に対応する量だけ体積が拡大される、それぞれの修正される関心領域における前記線量値の変化率を示す線量変動データを生成し、

−線量誤差量と前記決定される線量変動データとの正の相関を表す計算ルールを使用して、前記それぞれの関心領域に関連する前記線量誤差量のそれぞれの値を決定し、提供する、
ように構成される線量誤差決定ユニットと、
−前記線量誤差量の前記それぞれの値を受信し、それを示す出力を提供するように構成される出力ユニットと
を有する。

本発明の線量誤差決定装置は、人工的に生成されるレジストレーション誤差が、検査されるアルゴリズムの実際の未知のレジストレーション誤差と同じ大きさであり、人工的に生成されるレジストレーション誤差が、統計的に独立であり、ガウス分布であるという仮定に、DIR関連線量誤差を決定するためのKirbyらによる記載の既知の解決策は基づいているという認識に基づく。これらの仮定は通常、臨床応用における実際の患者データには適用できない。例えば、Kirbyらによる方法は実際の誤差よりも小さい誤差を生成し、したがって、検査されるアルゴリズムの正しさについてユーザを誤解させる可能性がある。

さらに、本発明は、Kirbyらによって提案される解決策は、所与の大きさの空間誤差に対する線量体積パラメータのロバスト性をユーザに調査させないことを認識する。

さらに、Kirbyらによって提案される方法は、いくつかの変形可能なレジストレーションアルゴリズムの実施及び使用を必要とし、これは、時間がかかる可能性があり、したがって、実際の臨床用途には実現不可能である。

これら及び他の問題は、本発明の第1の態様の線量誤差決定装置によって克服される。

本発明の第1の態様の線量誤差決定装置は、線量計画に基づいて放射線治療を受ける一つ又はそれより多くの関心領域を有する身体ボリュームの放射線線量誤差を予測するためのものである。この装置は、関心領域に関連するボクセルを有する身体ボリュームの現在の画像のボクセルに関連する線量値を示す線量計画データを提供する線量計画ユニットを有する。装置の動作において、入力ユニットユーザ入力は、身体ボリュームの対応する特徴に関連する現在の画像におけるボクセル座標の空間誤差の量に対応する空間誤差量の値を示す。

線量誤差決定装置は、線量誤差量と決定される線量変動データとの正の相関を表す計算ルールを使用して、それぞれの関心領域に関連する線量誤差量のそれぞれの値を提供する。線量変動データは、それぞれの関心領域と比較して、空間誤差量の値に対応する量だけ体積が拡大される、それぞれの修正される関心領域における線量値の変化率を示す。そのような線量変動データは、それぞれの関心領域の線量計画データと、線量誤差決定装置の入力ユニットを介してユーザ入力によって提供される空間誤差量の値とを使用して、線量誤差決定ユニットによって生成される。空間誤差量の入力値は、線量誤差決定ユニットによって使用される。

したがって、線量誤差決定装置は、ボクセル座標の前記空間誤差の源が多様であるという認識を考慮に入れる。それらは例えば、欠落ボクセル、余分なボクセル、又は身体ボリューム内のROIの変位を含むが、これらに限定されない。空間誤差の他の例は現在の画像の低解像度によって引き起こされ、さらに他の例は関心領域の不正確な空間的定義によって引き起こされる。したがって、空間誤差の多様な原因の中で、変形可能な画像レジストレーションによって寄与される誤差成分は、より少ない関連性を有することができる。

したがって、線量誤差決定ユニットは、線量計画ユニットから線量計画データを受け取り、入力ユニットを介してユーザ入力によって空間誤差量の値を受け取り、一つ又はそれより多くの所与の関心領域について線量変動データ及び線量誤差量を生成するように構成される。線量変動データは、それぞれの関心領域と比較して、空間誤差量の値に対応する量だけ体積が拡大される、それぞれの修正される関心領域における線量値の変化率を示す。線量誤差量の決定は、線量誤差量と決定される線量変動データとの正の相関を表す計算ルールを使用して実行される。線量誤差決定ユニットが使用する計算ルールに従い、線量変動データのいかなる値の増加に対しても、線量誤差量の結果として生じる値が増加し、線量変動データのいかなる値の減少に対しても、結果として生じる線量誤差量が減少することを正の相関は意味する。

線量誤差決定装置は、1つ以上の関心領域のうちの1つに関連する線量誤差量のそれぞれの値を受け取り、それを示す出力を提供する出力ユニットを有する。

したがって、それぞれの関心領域に関連する線量誤差量の値を示す出力の提供はユーザによって使用され、空間誤差量の入力値に応じて潜在的な線量誤差を効率的に推定又は予測することができ、これにより、空間誤差の特定の原因に関係なく線量誤差を効率的に推定することが可能になる。

以下、本発明の第1の態様の線量誤差決定装置の実施形態について説明する。

特定の実施形態では、空間誤差量の値が、身体ボリュームの初期画像内及び現在の画像内の関心領域の位置の間の差異に基づいてユーザによって決定されるボクセル座標の空間誤差の量を示す数として提供される。例えば、放射線量計画は、例えばコンピュータ断層撮影(CT)のような高解像度画像を提供することができる撮像方法によって得られる身体ボリュームの初期画像に基づいて生成される。現在の患者の解剖学的構造は例えば、所与の関心領域のサイズ増加又はサイズ縮小のために、治療計画が生成される時点での患者の解剖学的構造とは異なることがある。また、限定されないが、現在の患者の解剖学的構造は磁気共鳴、超音波、又はコーンビームコンピュータ断層撮影を含む別の撮像技術を使用することによって撮像されてもよい。撮像方法の間の画像解像度の差は、治療計画が基づく初期画像と身体ボリュームの現在の画像との間の患者の解剖学的構造の差をもたらし得る。したがって、本実施形態は空間誤差量の値を決定するために、特に低い処理費用を必要とする。空間誤差量の値は好ましくはボクセル座標の最大空間誤差、すなわち、初期画像上の関心領域内の所与の点又は特徴と、現在の画像上のそれぞれの点又は特徴との間の最大空間距離を示すべきである。

別の実施形態では、線量誤差決定装置は統計的母集団データを記憶する統計ユニットをさらに備える。統計的母集団データは、空間誤差量に関連する統計値をそれぞれの関心領域に関連付ける。関連付けは、以前の測定値の統計的母集団に基づく。この実施形態では、入力ユニットが少なくとも1つの関心領域を示すユーザ入力を要求及び受信し、そのようなユーザ入力の受信に応答して、統計ユニットにアクセスし、ユーザ入力によって示される関心領域の空間誤差量に関連する統計値を確定し、その後、確定されるそれぞれの統計値を示す出力に関連して空間誤差量の値を示すユーザ入力の要求を提供するように構成される。この特定の実施形態の統計ユニット及び対応する入力ユニットは、以下で論じられる実施形態のいずれかに含まれてもよい。

線量誤差決定装置の別の実施形態では、線量誤差決定ユニットは、修正される関心領域の各ボクセルについて、所与のボクセルに関連する現在の線量値の局所変化率の量と空間誤差量の値との積を表す局所線量変動データを決定し、修正される関心領域内の積の最大量として関心領域に関連する線量変動データを決定するように構成される。したがって、所与の関心領域に対して、線量決定ユニットによって提供される線量変動データは、決定される局所線量変動データの最大値である。特定の実施形態では、局所線量変動データが、計算グリッド上の線量値の空間変動を定義する連続Nabla演算子の高次離散化を実行することによって得られる。

別の実施形態では線量誤差決定ユニットは、線量計画データの中で最大線量値を識別するようにさらに構成され、識別される最大線量値が、修正される関心領域内の積の決定される最大値よりも量が小さいと決定されるとき、線量誤差決定ユニットは、識別される最大線量値を、それぞれの関心領域に関連する線量誤差量のそれぞれの値として出力ユニットに提供するように構成される。これは、最大可能出力値が線量計画の最高線量値に制限されるので、現実的な出力を提供する。これは線量計画データと空間誤差量との特定の組み合わせに関連することができ、所与のボクセルに関連する現在の線量値の局所変化率の量と空間誤差量の値との積は、線量計画データの最大線量値よりも値が高い局所線量変動データをもたらす。

本発明の第1の態様による別の実施形態は、線量変動量として、各関心領域に関連する任意のボクセルに関して空間誤差量によって与えられる距離内に位置するボクセルに対応する線量値のうちの最大線量値及び最小線量値を決定するように追加的又は代替的に構成される線量誤差決定ユニットを備える。
提供される最大線量値及び最小線量値は、最悪の場合の線量誤差を推定するために、ユーザによって有利に使用され得る。

本発明の線量誤差決定装置の別の実施形態では、入力ユニットが、所与の関心領域に関連する線量誤差量の許容間隔を示す線量許容ユーザ入力を要求し、受信するようにさらに構成され、線量誤差決定ユニットは許容間隔を受信し、さらに、許容間隔を使用して、線量誤差量の決定される値と所与の関心領域に関連する許容間隔との間の関係を決定するようにさらに構成される。この実施形態では、出力ユニットが、決定される関係を追加的に示すものとして出力を提供するように構成される。この実施形態は、ユーザが線量誤差量の許容間隔を1つ以上の関心領域に割り当てることを可能にする。関心領域、治療計画、又は放射線治療の対象となる個々の患者に依存して、異なる量の線量誤差が、必ずしも元の治療計画を適応する必要なく、許容され得る。したがって、ユーザは治療計画にとってより重要な関心領域、又は高レベルの放射線に曝されるべきでない患者の領域に近い関心領域に、比較的低い許容間隔を割り当てることができる。出力ユニットによって提供される出力は、決定される関係を考慮に入れる。

別の実施形態において、線量決定装置は、関心領域の線量目標データを受信するための線量目標入力インターフェースを有する。線量目標データは、前回の線量計画統計ユニットに関連する線量目標量の所望値を示す。この実施形態では、線量誤差決定ユニットが線量計画データ及び関心領域の線量誤差量の決定される値を使用して、線量目標量の予測値を示す関心領域の線量予測データを生成するようにさらに構成される。さらに、本実施形態の出力ユニットは、線量目標データ及び線量予測データを追加的に示すものとして出力を提供するように構成される。

第1の態様の線量決定装置の別の実施形態は、ROIモデリングユニットを有する。ROIモデリングユニットは、入力ユニットを介して受信される選択命令に応答して、第2のインスタンス関心領域データを生成するように構成される。第2のインスタンスの関心領域データは、その空間ボクセル座標に関してのみ関心領域を変換するための空間座標変換命令を定義する一つ又はそれより多くのそれぞれの不確定性モデルのセットのうちの選択される1つに従って修正することによって、したがって、変換される関心領域の表現を提供することによって、一つ又はそれより多くの関心領域のうちの所与の1つに関連付けられるデータである。この実施形態では、線量誤差決定ユニットが、変換される関心領域に関連する線量誤差量の期待値を決定し、提供するようにさらに構成される。さらに、入力ユニットはROIモデリングユニットによって使用されるべき不確定性モデルを示すユーザ入力を要求し、受信するようにさらに構成される。

この実施形態の変形例では、出力ユニットが、それぞれの関心領域の画像を表す2次元画像データを受け取り、それぞれの関心領域の画像上にグラフィカルオーバーレイの形で線量誤差量の出力を生成し、提供するようにさらに構成される。

線量誤差決定装置の別の実施形態では、出力ユニットが、線量誤差量の異なる所定の値間隔に異なる色を割り当てる所定のカラーコードに従って、線量誤差量の受け取った値にカラーコード値を関連付けるように代替的に又は追加的に構成される。それは、線量誤差量のそれぞれの値に割り当てられる色を追加的に示すものとして出力を生成し、提供するように構成される。

線量誤差決定装置の別の実施形態では、線量計画ユニットは、各々が関心領域の代替線量計画に関連するそれぞれの線量計画データを有する複数の線量計画を提供するようにさらに構成される。この特定の実施形態では、線量誤差決定ユニットはさらに、各線量計画に対するそれぞれの計画堅牢性値を示す計画堅牢性データと、空間誤差量の受信される値に依存して、一つ又はそれより多くの関心領域に関連する線量誤差量の決定される値に基づいて所定のルールに従って決定される計画堅牢性値とを提供するように構成される。さらに、この実施形態の出力ユニットは計画堅牢性データを受信し、それを示す出力を提供するようにさらに構成される。

これらの実施形態のうちの1つでは、線量決定ユニットによって、所与のROIの空間誤差に対する堅牢性に関して、異なる線量計画が比較される。そのような線量決定ユニットは有利には空間誤差量の複数の値を使用し、空間誤差量の値の各々について、及び与えられた線量計画の各々について、線量誤差量のそれぞれの値を決定するように構成される。1つの特定の実施形態は、閾値線量値よりも高い放射線量を受けると予測される割合ROI体積の標準偏差値として線量誤差量の値を提供する。代わりに、他の実施形態は、所与の放射線量値に対する線量体積ヒストグラムの幅値として、線量誤差量のそれぞれの値を出力する。所与の線量値における異なる線量計画のそれぞれの幅値は、数量として出力することができる。

本発明の第2の態様は、線量計画に基づいて放射線治療を受ける一つ又はそれより多くの関心領域を有する、身体ボリュームに対する放射線量誤差を予測するための、コンピュータ実装の線量誤差決定方法である。線量誤差決定方法は、
−前記関心領域に関するボクセルを有する前記身体ボリュームの現在の画像のボクセルに関する線量値を示す線量計画データを提供するステップと、
−前記身体ボリュームの対応する特徴に関する前記現在の画像内のボクセル座標の空間誤差の量に対応する空間誤差量の値を示すユーザ入力を要求し、受信するステップと、
−前記それぞれの関心領域の前記線量計画データ及び前記空間誤差量の値を使用して、前記それぞれの関心領域と比較して前記空間誤差量の値に対応する量だけ体積が拡大するそれぞれの修正される関心領域における前記線量値の変化率を示す線量変動データを生成するステップと、
−前記線量誤差量と前記決定される線量変動データとの正の相関を表す計算ルールを使用して、前記それぞれの関心領域に関する線量誤差量のそれぞれの値を決定し、提供するステップと、
−前記線量誤差量の前記それぞれの値を示す出力を提供するステップと
を有する。

本発明の第2の態様の方法は、本発明の第1の態様の線量誤差決定装置の利点を共有する。

本発明の第2の態様の方法の実施形態は、上述の線量誤差決定装置の実施形態の追加の特徴に対応する更なる方法の特徴を有する。

本発明の第3の態様によれば、プログラムがコンピュータによって実行されるとき、コンピュータに、本発明の第2の態様の方法又はその実施形態の1つを実行させる命令を有するコンピュータプログラムが提供される。

したがって、請求項1に記載の線量誤差決定装置、請求項12に記載の線量誤差決定方法、及び請求項13に記載のコンピュータプログラムは、対応する実施形態を有することが理解される。さらに、本発明の好ましい実施形態は、従属請求項又は上記の実施形態とそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせによっても形成され得ることが理解されるべきである。

本発明のこれら及び他の態様は以下に記載される実施形態から明らかになり、それを参照して説明される。

線量誤差決定装置の一実施形態の概略図を示す。 関心領域を含み、各々が放射線量値に関連付けられるボクセルに分割される身体ボリュームの第1の画像を示す。 第1の画像と比較した場合に異なる形状を示す関心領域を含む身体ボリュームの第2の画像を示す。 線量誤差決定装置と組み合わせて使用される表示ユニットによって表示される情報テーブルの一例を示す。 線量誤差決定装置と組み合わせて使用される表示ユニットによって表示される感度マップの一例を示す。 所与の関心領域に対する空間誤差量の値に対する線量誤差量の値をプロットするグラフの一例を示す。 線量誤差決定装置と組み合わせて使用される表示ユニットによって表示される別の情報テーブルの例を示す。 線量誤差決定装置の別の実施形態の概略図を示す。 線量誤差決定装置の別の実施形態の概略図を示す。

添付の図面の説明に移る前に、本発明の基礎をなす考察に関するいくつかの開示が以下に与えられる。

放射線療法では、ROIに送達される線量の統計が要約され、線量体積ヒストグラムなどのグラフィカルな形式で、又は線量パラメータを含む情報テーブルでユーザに提示される。線量統計を計算できるようにするために、ROIは、ボクセルのセットによって表される。各ボクセルに対して、そのボクセルでの線量の値は3D線量体積から補間される。座標(x_i,y_i,z_i)を備えるROIボクセルにおける線量を推定する際の(空間誤差による)不確定性は、位置(x_i,y_i,z_i)における線量dと、「真の」ボクセル位置

における線量dとの間の差によって定量化することができる。

と

との差は、ボクセルiの空間誤差ベクトルである。

以下、誤差ベクトルの大きさをrとする。空間誤差がDIRの不正確さに起因するケースでは、「真」のボクセル位置を決定するには、

を決定するための手動編集を必要とし、又は同等に、誤差ベクトルを必要とする。しかしながら、臨床現場では、真のボクセル位置又は誤差ベクトルは利用できない。

本明細書に開示される線量誤差決定装置及び方法の実施形態は、線量パラメータに対する輪郭マッピング誤差の大きさの影響を効率的な方法で計算することを可能にする。提案される解決策はいくつかの構成要素からなり、これらの構成要素は以下でより抽象的な形態で説明され、以下、添付の図面を参照してより具体的に説明される。

i)ユーザが選択した誤差rの大きさの値について、グラフィカルユーザインタフェース(GUI)などの出力ユニットは、各ROIの最大線量変化の上限の値についてユーザに通知する。rの値は数値としてユーザによって提供することができ、ROIに対する最大誤差の大きさのユーザ推定値を表す。さらに、各ROIについて、GUIは、母集団データに関する以前の研究からのr値の範囲を示唆することができる。

例えば、線量差

の上限は、平均値定理を使用することによって確立することができる。詳しくは3 つの変数fを持ち、実数値を持つ関数、すなわち

であり、Ｄが

のサブセットである場合の平均値定理は、Dがオープンで接続されるセットであり、fがD上で連続的で差分化可能である場合、(x_i,y_i,z_i)及び

を結合する線分Lのような
2つの点(x_i,y_i,z_i)及び

の何れかに対して、

のような点

がある。ここで、

は(a,b,c)におけるfの勾配であり、「・」は二つのベクトルの間のスカラ積である。

Cauchy−Schwartzの不等式からそれは

となる。ここで、

は

についてのユークリッドノルムを表す。

線量分布dは平均値定理の条件を満たすので、不等式(2)を適用することによって、(x_i,y_i,z_i)を中心とし、半径rを有する球体内の任意の点(x，y，z)について、

のようになる。

したがって、(例として)最大DIR不確定性がr以下であるROIについては、最大線量変化(mDC)に対して不等式

が成り立つ。ここで、ROI＿rはrを備えるROI体積を一様に拡大することによって得られる体積を表し、Ｄは線量グリッドである。ここで、不等式(5)の右辺は「上限」(UB)によって表される。

不等式(5)は、置換されるボクセル位置(例えば、真の位置

から位置(x_i,y_i,z_i)まで)と記述できる空間誤差だけでなく、「真の」ROIの境界からの距離rまでの欠落又は余分なボクセルをもたらす空間誤差に対しても成り立つことが注意される。

以下、添付図面を参照して説明する。

図1は、線量計画に基づいて放射線治療を受ける一つ又はそれより多くの関心領域を有する身体ボリュームに対する放射線量誤差を予測するための線量誤差決定装置100の一実施形態の概略図を示す。線量誤差決定装置の説明は、同じ身体ボリュームの第1の画像200及び第2の画像201を示す図2A及び図2Bをさらに参照して行われる。画像は、ボクセルの異なるセットに関連するそれぞれの関心領域204、205を示す。各ボクセルは、線量計画に従って、それぞれの線量値d_xyに追加的に関連付けられる。線量誤差決定装置は、関心領域(ROI)204に関連するボクセル(d₃₃、d₃₄、d₄₃、d₄₄)を有する身体ボリューム200の現在の画像のボクセルに関連する線量値を示す線量計画データを提供するように構成される線量計画ユニット102を備える。線量誤差決定装置100は、身体ボリュームの対応する特徴に関連する現在の画像におけるボクセル座標の空間誤差の量に対応する空間誤差量の値を示すユーザ入力を要求し、受信するように構成される入力ユニット104を備える。例えば、身体ボリュームの第1の画像200及び第2の画像201にアクセスできるユーザは、ROI 204とROI 500との間に空間誤差又は位置ずれがあることを識別する。次に、ユーザは、入力ユニットを使用して、空間誤差量の値(図2A及び図2Bの場合にはr)の値を数値として手動で入力することができる。さらに、いくつかの線量誤差決定装置は、以前の測定値の統計的母集団に基づいて、空間誤差量に関連する統計値をそれぞれの関心領域に関連付ける統計的母集団データを記憶する統計ユニット108を備える。入力ユニットは、少なくとも1つの関心領域を示すユーザ入力を要求及び受信し、そのようなユーザ入力の受信に応答して、統計ユニットにアクセスし、ユーザ入力によって示される関心領域の空間誤差量に関連する統計値を確定し、その後、確定されるそれぞれの統計値を示す出力に関連して空間誤差量の値を示すユーザ入力の要求を提供するように構成される、これらの特定の線量誤差決定装置にある。

線量誤差決定装置が統計ユニットを含むか否かにかかわらず、線量誤差決定装置は線量計画データ及び空間誤差量rの値を受信し、対応する関心領域205と比較して空間誤差量rの値に対応する量だけ体積が拡大される、それぞれの修正される関心領域207における線量値d_xyの変化率を示す線量変動データを生成するように構成される線量誤差決定ユニット106を備える。線量誤差決定ユニットは、関心領域に関連する線量誤差量のそれぞれの値を決定し、提供するように構成される。これは、線量誤差量と決定される線量変動データとの正の相関を表す計算ルールを使用することによって行われる。この計算ルールは、ある特定の線量決定ユニットにおいて、空間誤差量の値を備える各ボクセルに対する線量変動データの間の乗算を含む。例えば、本発明によるいくつかの線量誤差決定装置では、誤差決定ユニットは、修正される関心領域の各ボクセルについて、空間誤差量の値及び所与のボクセルに関連する現在の線量値の局所変化率の量の積を表す局所線量変動データを決定し、修正される関心領域内の積の最大量として関心領域に関連する線量変動データを決定するように構成される。他の計算ルールは、線量変動データと単調増加関数を使用して得られた値との乗算を有するので、線量変動データの値を増加させるために、結果として生じる線量誤差量は減少しない。いくつかの有利な線量誤差決定装置において、使用される計算ルールとは独立して、線量誤差決定ユニットは、各関心領域に関連する任意のボクセルに関して空間誤差量によって与えられる距離内に位置するボクセルに対応する線量値のうちの最大線量値及び最小線量値を線量変動量として決定するようにさらに構成される。

線量誤差決定装置は、1つ以上のROIの線量誤差量のそれぞれの値を線量誤差決定ユニットから受信し、それを示す出力を提供するように構成される出力ユニット110を備える。

有利には、線量誤差決定ユニットは、一つ又はそれより多くのROIの線量誤差量を示す出力を出力ユニット110から受信するように構成される表示ユニットと組み合わせて使用される。表示ユニットは線量計画及び決定される線量誤差量に依存して、ユーザが最も重要なROIに焦点を合わせることを可能にするように、出力ユニットから受信されるデータを表示するように構成されるグラフィカルユーザインタフェースを備えてもよい。出力の実際の情報内容に応じて、グラフィカルユーザインタフェースは、出力データを異なる方法で表示するように構成されてもよい。

例えば、本発明による線量誤差決定装置のいずれかと組み合わせて使用することができる例示的なグラフィカルユーザインタフェースは、関連する線量誤差量の増加又は減少の順序など、所定の順序で一つ又はそれより多くのROIを列挙する情報テーブルの形で出力データを表示するように構成される。表示ユニットに表示される情報テーブルの一例を図3に示す。この図は、ROI A、B、C、及びDのリストを、空間誤差量の所与の値(この特定の場合は3mm)について、それらのそれぞれの決定される線量誤差量V_DEQと共に提示する情報テーブルを示す。

ユーザは、リストがどのようにソートされるか、すなわち、空間誤差量の所与の値についてROIで予測される最大線量変化を示す、決定される線量誤差量の増加又は減少の順序で選択することができる。このようなテーブルを提供することによって、ユーザは例えば、線量パラメータに対する空間誤差量の値によって与えられる輪郭不正確さの推定される影響が小さいROIの手動編集をスキップすることを決定することができる。同様に、ユーザは、線量誤差量の関連する値によって与えられるように、小さな輪郭マッピング誤差が大きな線量変化をもたらすROIを手動でレビューすることを選択することができる。線量誤差量の値が、最大線量を有するボクセルだけでなく、所与のROIのすべてのボクセルに対する感度の尺度であることは留意される。

所与の関心領域に関連する線量誤差量の許容間隔を示す線量許容ユーザ入力を要求し、受信するようにさらに構成される入力ユニットを有する線量誤差決定装置の場合、ユーザは、最大線量変化の許容値(すなわち、線量誤差量の値)の閾値又は範囲を提供することができる。図3のような情報テーブルでは、ROI及び線量誤差量のそれらの対応する値は、例えば赤、黄、及び緑色を備える交通信号カラーコーディングのような所定のカラーコーディングに従って有利に提供されることができる。

いくつかの線量誤差決定装置は、一つ又はそれより多くのROIについて、及び空間誤差量の複数の値について線量誤差量の値を決定するように適切に構成される。これらの線量誤差決定装置は、図4に示すような感度マップを生成するように構成される表示ユニットと組み合わせて有利に使用することができる。図4の感度マップは、垂直軸にROI A乃至Gのリストを含み、水平軸に空間誤差量の値のシーケンス、この場合、変形可能な画像レジストレーションの不正確さによる空間誤差の大きさを含む。線量誤差決定装置は、各ROIについて、及び空間誤差量の各値について、線量誤差量の対応する値を決定する。この場合、表示ユニットは有利には所定のカラーコーディングを使用して感度マップとして出力データを表示するように構成され、色は線量誤差量V_DEQの値の範囲を表す。

表示ユニットの別の例は代替的に又は追加的に、図5に例示的に示されるように、1つ以上のROIについて、例えば垂直軸における線量誤差量の値対水平軸における空間誤差量の値をプロットするグラフとして出力データを表示するように構成され得る。

各関心領域に関連する任意のボクセルに関して空間誤差量によって与えられる距離内に位置するボクセルに対応する線量値のうちの最大線量値及び最小線量値を線量変動量として決定するように構成される線量誤差決定装置は、所与のROI及び空間誤差量の所与の値についての上限線量体積ヒストグラム及び下限線量体積ヒストグラム(DVH)を表示するように構成される表示ユニットと組み合わせて有利に使用することができる。さらに、所与のROIに対する平均線量値、又は推定される受信放射線が所定の放射線閾値よりも高い体積分率を示す体積分率の値など、線量計画から推測される線量値パラメータの上限及び下限も情報テーブルの形で提供することができる。

いくつかの表示ユニットは、空間誤差量の特定の値について線量誤差量のすべての値をユーザが対話式に検査することを可能にする対話式グラフを表示するように構成される。例えば、そのような表示ユニットは、空間誤差量の所与の値、又は代替的に又は追加的に、空間誤差量の値がその最大許容値などの所定の制約を満たすような許容空間誤差量の最大値に対して線量誤差量の値を提供するように構成されることができる。これらの表示ユニットは、線量計画に関連する線量目標量の所望の値を示す関心領域の線量目標データを受信するための線量目標入力インターフェースを含む線量誤差決定装置で有利に使用される。これらの線量誤差決定装置では、線量誤差決定ユニットは、線量計画データ及び関心領域に対する線量誤差量の決定される値を使用して、線量目標量の予測値を示す関心領域に対する線量予測データを生成するように更に構成され、出力ユニットは線量目標データ及び線量予測データを更に示すものとして出力を提供するように構成される。

本発明による線量誤差決定装置と組み合わせて使用することができる表示ユニットのグラフィカルユーザインタフェースの別の例を図6に示す。図6に示すテーブルは、ROI A乃至Fのリストを有する第1の列を有する。また、各ROIの目標Ｏも示している。目標は線量誤差量の値のタイプ(例えば、1はDVHの最大値であり、2は平均線量値であり、3は最大DVHのパーセンテージである)、線量計画に従った所望の線量値D、及び絶対体積又は相対体積のいずれかについての体積値Vに関する情報を有する。目標のリストは、Pinnacleの治療計画から自動的にインポートされてもよく、又はユーザが手動で目標を記入してもよい。各ROIについて、グラフィカルユーザインタフェースは、図6のテーブルにr(cm)としても与えられているある範囲のDIR誤差について、目標が満たされている(ok)か、又は満たされていない(no)かを示す。ユーザは広範囲のDIR誤差に対してロバストなROIのレビューをスキップし、代わりに、DIRの不確定性に敏感なROIをレビューすることを決定することができる。空間誤差に対して比較的敏感なROIの名称は例えば、それらをより大きなフォントで表示すること、又はそれらを異なるフォント色で表示すること、又はそれらを点滅パターンで断続的に表示することなどによって強調することができる。

さらに別の表示ユニットは、有利には専用のグラフィカルユーザインタフェースによって不確定性のユーザ選択モデルを適用することにより、DIR不確定性などの空間誤差量の値に対する線量パラメータの堅牢性評価を可能にするように構成される。不確定性のモデルは、ROIのボクセルの物理座標を修正し、したがってROIの第2のインスタンスを生成するパラメトリックモデルである。例えば、最悪の場合のシナリオDVH、3軸周りの回転、並進、マージンを有するROIの縮小又は拡大、並進と回転との組み合わせ、ROI表面のランダム摂動、主成分分析を使用して以前のデータから学習される誤差のパラメトリックモデル、又は前述のモデルの任意の組み合わせなど、いくつかの不確定性モデルを提供することができる。ユーザは、ドロップダウンメニューから所望の不確定性モデルを選択することができる。各不確定性モデルについて、ユーザはパラメータ値を入力するか、又は例えばスライダを使用して値の範囲を選択することができる。線量誤差量の値は、選択される各不確定性モデル及び空間誤差量の値について計算することができる。堅牢性評価の結果は例えば、選択される不確定性モデルに対応する線量体積ヒストグラム、及びベースラインDVH(例えば、DIR誤差を適用する前)を表示する図の形態で提示される。また、ユーザには、例えば、各選択されるROIについての線量測定目標、又は目標のベースライン値、又はDIR誤差の選択される値についての目標値、又はそれらの任意の組合せを要約するテーブルを提示することができる。交通信号システムは例えば、選択されるDIR誤差値の目標が満たされているか(緑)、等しいか(黄)、満たされていないか(赤)をユーザに通知するために使用されることができる。

この表示ユニットは、図7に示す線量誤差決定装置700のような線量誤差決定装置と組み合わせて使用するのが有利である。線量誤差決定装置700は、入力ユニット704を介して受信される選択命令に応答して、空間ボクセル座標に関してのみ関心領域を変換するための空間座標変換命令を定義する一つ又はそれより多くのそれぞれの不確定性モデルのセットのうちの選択される1つに従って修正し、したがって、変換される関心領域の表現を提供することによって、一つ又はそれより多くの関心領域のうちの所与の1つに関連する第2のインスタンスの関心領域データを生成するように構成されるROIモデリングユニット712を備える。線量誤差決定装置700では、線量誤差決定ユニット706が、変換される関心領域に関連する線量誤差量の期待値を決定し、提供するようにさらに構成され、入力ユニット704はROIモデリングユニットによって使用される不確定性モデルを示すユーザ入力を要求し、受信するようにさらに構成される。

さらに別の表示ユニットは有利には、これらに限定されないが、ROI輪郭誤差又は幾何学的画像アーチファクトなど、空間誤差に対する計画堅牢性を分析するように構成される感度ツールをユーザに提供するように構成される。この表示ユニットは有利には患者のための競合する放射線計画を比較するために使用することができ、したがって、放射線計画の選択を支援することができる。この分析は、専門家によって手動で、又は自動モードで実行することができる。さらに、そのような感度分析の結果は輪郭誤差に対してロバストな計画を生成するために、さらなる最適化プロセスにおける入力として取り入れることができる。例えば、所与の患者Pに対する2つの異なる放射線計画A及びBを、ROIの空間誤差に対する堅牢性に関して以下の方法で比較することができる。各計画A及びBに対して、空間誤差量の複数の値が適用され、計画A及び計画Bに関連する線量誤差量の対応する値が計算される方法である。線量誤差量の値は、特定の例では閾値線量値vよりも高い線量を受けるROI体積分率の標準偏差である。別の例ではそれは線量の特定の値のDVHバンドの幅を示す。2つの計画のためのDVHバンドの幅は数量としてユーザに示されるか、又はグラフィカルな方法で表示されることができる。

この表示ユニットは、図8に示す線量誤差決定装置800のような線量誤差決定装置と組み合わせて使用するのが有利である。線量誤差決定装置800は複数の線量計画を提供するように構成される線量計画ユニット802を含み、各線量計画は、関心領域の代替線量計画に関連するそれぞれの線量計画データを有する。線量誤差決定ユニット806はさらに、空間誤差量の受信される値に依存して、各線量計画に対してそれぞれの計画堅牢性値を示す計画堅牢性データを提供するように構成され、計画堅牢性値は、一つ又はそれより多くの関心領域に関連する線量誤差量の決定される値に基づいて所定のルールに従って決定される。また、出力ユニット810は計画堅牢性データを受信し、それを示す出力を提供するようにさらに構成される。

要約すると、提示される線量計画に基づいて放射線治療を受ける1つ以上の関心領域を有する、身体ボリュームに対する放射線量誤差を予測するための線量誤差決定装置が提供される。線量誤差決定装置は、それぞれの関心領域の線量計画データ及び空間誤差量の入力値を使用して、それぞれの関心領域との比較において、空間誤差量の値に対応する量だけ体積が拡大される、それぞれの関心領域における線量値の変化率を示す線量変動データを生成し、決定される線量変動データとの線量誤差量の正の相関を表す計算ルールを使用して、それぞれの関心領域に関連する線量誤差量のそれぞれの値を決定し、提供するように構成される線量誤差決定ユニットを備える。

特許請求の範囲において、単語「有する」は他の要素又はステップを排除するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数を排除するものではない。

単一のステップ又は他のユニットは、特許請求の範囲に列挙されるいくつかの項目の機能を満たすことができる。
特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが広く有利に使用されることができないことを示すものではない。
特許請求の範囲におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (13)

1. 線量計画に基づいて放射線治療を受ける一つ又はそれより多くの関心領域を有する身体ボリュームに対する放射線量誤差を予測するための線量誤差決定装置であって、前記線量誤差決定装置は、
   −前記関心領域に関連するボクセルを有する前記身体ボリュームの現在の画像のボクセルに関連する線量値を示す線量計画データを提供するように構成される線量計画ユニットと、
   −前記身体ボリュームの対応する特徴に関連する前記現在の画像におけるボクセル座標の空間誤差の量に対応する空間誤差量の値を示すユーザ入力を要求し、受信するように構成される入力ユニットと、
   −線量誤差決定ユニットであって、
   −前記それぞれの関心領域に対する前記線量計画データ及び前記空間誤差量の値を使用して、前記それぞれの関心領域と比較して前記空間誤差量の値に対応する量だけ体積が拡大されるそれぞれの修正される関心領域における前記線量値の変化率を示す線量変動データを決定し、
   −線量誤差量と前記決定される線量変動データとの正の相関を表す計算ルールを使用して、前記それぞれの関心領域に関連する前記線量誤差量のそれぞれの値を決定し、提供する
   ように構成される線量誤差決定ユニットと、
   −前記線量誤差量の前記それぞれの値を受信し、それを示す出力を提供するように構成される出力ユニットと
   を有する、線量誤差決定装置。
2. 前記線量誤差決定ユニットは、前記修正される関心領域の各ボクセルに対して、所与のボクセルに関連する前記現在の線量値の局所変化率の量と前記空間誤差量の値との積を表す局所線量変動データを決定し、前記修正される関心領域内の前記積の最大量として前記関心領域に関連する前記線量変動データを決定するように構成される、請求項1に記載の線量誤差決定装置。
3. 前記線量誤差決定ユニットは、前記線量計画データの中の最大線量値を識別し、前記識別される最大線量値が、前記修正される関心領域内の前記積の前記決定される最大値よりも量が小さいと決定するとき、前記それぞれの関心領域に関連する前記線量誤差量の前記それぞれの値として前記出力ユニットに前記識別される最大線量値を提供するようにさらに構成される、請求項2に記載の線量誤差決定装置。
4. 前記線量誤差決定ユニットは、前記線量誤差量として、各関心領域に関連する何れかのボクセルに対して前記空間誤差量によって与えられる距離内に位置されるボクセルに対応する線量値のうちの最大線量値及び最小線量値を決定するようにさらに構成される、請求項1に記載の線量誤差決定装置。
5. −前記入力ユニットは、所与の関心領域に関連する前記線量誤差量の許容間隔を示す線量許容ユーザ入力を要求し、受信するようにさらに構成され、
   −前記線量誤差決定ユニットは、
   −前記許容間隔を受信し、
   −さらに前記許容間隔を使用して、前記線量誤差量の前記決定される値と、前記所与の関心領域に関連する前記許容間隔との間の関係を決定する
   ように構成され、
   −前記出力ユニットは、前記決定される関係をさらに示すように前記出力を提供するように構成される、
   請求項1に記載の線量誤差決定装置。
6. 以前の測定値の統計母集団に基づいて前記空間誤差量に関連する統計値をそれぞれの関心領域に関連付ける統計母集団データを記憶する統計ユニットをさらに有し、
   −前記入力ユニットは少なくとも1つの関心領域を示すユーザ入力を要求及び受信し、そのようなユーザ入力の受信に応答して、前記統計ユニットにアクセスし、前記ユーザ入力によって示される前記関心領域に対する前記空間誤差量に関連する前記統計値を確定し、その後、前記確定されるそれぞれの統計値を示す出力に関連して、前記空間誤差量の値を示すユーザ入力の前記要求を提供するように構成される、
   請求項1に記載の線量誤差決定装置。
7. −前記線量計画に関連する線量目標量の所望の値を示す前記関心領域に対する線量目標データを受信するための線量目標入力インターフェース
   を更に有し、
   −前記線量誤差決定ユニットは、前記線量計画データ及び前記関心領域に対する前記線量誤差量の前記決定される値を使用して、前記線量目標量の予測値を示す前記関心領域に対する線量予測データを生成するように更に構成され、
   −前記出力ユニットは、前記線量目標データ及び前記線量予測データをさらに示すものとして前記出力を提供するように構成される、
   請求項1に記載の線量誤差決定装置。
8. −前記入力ユニットを介して受信される選択命令に応答して、それの空間ボクセル座標に関してのみ前記関心領域を変換するための空間座標変換命令を定義する一つ又はそれより多くのそれぞれの不確定性モデルのセットの選択される1つに従って修正し、それによって、変換された関心領域の表現を提供することによって、一つ又はそれより多くの前記関心領域の所与の1つに関連する関心領域データを生成するように構成されるROIモデリングユニット
   を更に有し、
   −前記線量誤差決定ユニットは、前記変換された関心領域に関連する前記線量誤差量の期待値を決定し、提供するように更に構成され、
   −前記入力ユニットは、前記ROIモデリングユニットによって使用されるべき前記不確定性モデルを示すユーザ入力を要求し、受信するように更に構成される、
   請求項1に記載の線量誤差決定装置。
9. −前記出力ユニットは、前記線量誤差量の異なる所定の値の間隔に異なる色を割り当てる所定のカラーコードに従って、前記線量誤差量の前記受信される値にカラーコード値を関連付け、前記線量誤差量の前記それぞれの値に割り当てられる前記色を更に示すものとして前記出力を生成し、提供するように構成される、
   請求項1に記載の線量誤差決定装置。
10. −前記出力ユニットは、前記それぞれの関心領域の画像を表す2次元画像データを受信し、前記それぞれの関心領域の前記画像上にグラフィカルオーバレイの形で前記線量誤差量の出力を生成し、提供するようにさらに構成される、
    請求項8に記載の線量誤差決定装置。
11. −前記線量計画ユニットは、前記関心領域の代替線量計画に関連するそれぞれの線量計画データを各々有する複数の線量計画を提供するように構成され、
    −前記線量誤差決定ユニットは、前記空間誤差量の前記受信される値に依存して、各線量計画に対してそれぞれの計画堅牢性値を示す計画堅牢性データを提供し、前記計画堅牢性値は、前記一つ又はそれより多くの関心領域に関連する前記線量誤差量の前記決定される値に基づいて所定のルールに従って決定され、
    −前記出力ユニットは、前記計画堅牢性データを受信し、それを示す出力を提供するようにさらに構成される、
    請求項1に記載の線量誤差決定装置。
12. 線量計画に基づいて放射線治療を受ける一つ又はそれより多くの関心領域を有する身体ボリュームに対する放射線量誤差を予測するためのコンピュータが実行する線量誤差決定方法であって、
    −前記関心領域に関連するボクセルを有する前記身体ボリュームの現在の画像のボクセルに関連する線量値を示す線量計画データを提供するステップと、
    −前記身体ボリュームの対応する特徴に関連する前記現在の画像内のボクセル座標の空間誤差の量に対応する空間誤差量の値を示すユーザ入力を要求し、受信するステップと、
    −前記それぞれの関心領域に対する前記線量計画データ及び前記空間誤差量の値を使用して、前記それぞれの関心領域と比較して前記空間誤差量の値に対応する量だけ体積が拡大されるそれぞれの修正される関心領域における前記線量値の変化率を示す線量変動データを決定するステップと、
    −前記線量誤差量と前記決定される線量変動データとの正の相関を表す計算ルールを使用して、前記それぞれの関心領域に関連する線量誤差量のそれぞれの値を決定し、提供するステップと、
    −前記線量誤差量の前記それぞれの値を示す出力を提供するステップと
    を、コンピュータが実行する線量誤差決定方法。
13. 請求項12に記載の方法の各ステップをコンピュータに実行させる命令を有するコンピュータプログラム。

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