JP6980535B2 - 複数の治療プランを使用した放射線療法システム - Google Patents

Description

本発明は、概して、特には癌を治療するために、患者に供給される放射線療法に関する。より具体的には、本発明は、人間又は動物の身体内の構造体に放射線治療を供給するためのシステム及び方法に関する。

外部ビーム放射線療法において、癌細胞の成長を抑制し、又は癌細胞を殺すために、電離放射線が患者の身体内の腫瘍などの対象構造体に照射される。放射線治療は、通常、複数のセッションにおいて供給され、当技術分野において、これは治療フラクション（ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｆｒａｃｔｉｏｎｓ）とも呼ばれる。いわゆる強度変調放射線療法などのより進歩したタイプの放射線療法においては、各フラクションにおいて、正確な投与量の放射線（通常はＸ線放射線）が腫瘍又は腫瘍内の特定のエリアに照射される。これらの治療は、いわゆるインバースプランニング手順において計画される。この手順においては、患者の身体内の治療されるべき構造体又は領域が特定され、目標放射線量が各構造体に対して指定される。次いで、特定された構造体に目標放射線量を供給することを可能にする治療プランを見いだすために、最適化プロセスが実施される。この治療プランは、特には、治療フラクションの回数及び期間並びに各フラクションにおける放射線源の構成（例えば、出射されるべき放射線量、放射線ビームの形状、及び患者の身体内の対象場所を含む）を指定する。典型的には、この構成は、いわゆる制御ポイントの形態で指定され、各制御ポイントは放射線源の関連するパラメータの値に関連付けられる。

放射線療法の品質を制限する１つの要因は、特には強度変調放射線療法の場合には、患者の身体内の治療されるべき構造体の運動である。つまり、しばしば前立腺癌の治癒のために放射線療法によって治療される前立腺では、１ｃｍを超えるフラクション中の変位（すなわち、１回の治療フラクション中の変位）が見られた。このような運動の結果、治療されるべき構造体の実際の位置が、治療プラン及びそれに含まれる制御ポイントがそれに対して生成された位置に対応しなくなる。したがって、治療プランは不正確になり、放射線が患者の身体内の誤った領域に供給される。したがって、治療中に治療されるべき構造体の変位を補償することが望ましい。

この点において、Ｄ．Ｗ．Ｌｉｔｚｅｎｂｅｒｇらによる刊行物、「Ｐｒｏｓｔａｔｅ Ｉｎｔｒａｆｒａｃｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ Ｍａｒｇｉｎｓ ｆｏｒ Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ」、Ｐｒｏｓｔａｔｅ Ｃａｎｃｅｒ、Ｖｏｌｕｍｅ２０１２、ＡｒｔｉｃｌｅＩＤ１３０５７９（ｈｔｔｐ：／／ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１１５５／２０１２／１３０５７９においてオンラインでアクセスできる）は、放射線療法治療中に、前立腺に移植されたトランスポンダーを使用して前立腺を追跡するための追跡ユニットを備える放射線療法システムを公開している。前立腺の運動又は変位が検知されると、システムは、変位を補償するために、治療中に患者を支持する患者テーブルを移動することによって前立腺の移動を可能にする。

このシステムは、治療プランにおいて仮定された場所における前立腺の再位置決めを可能にするが、前立腺の運動によってもたらされる全ての関連する変化の補償を可能にするものではない。つまり、前立腺の変位は、組織構成も変化させる。より具体的には、放射線ビームは、変位後の前立腺に到達するために、ある程度の組織又は身体内の他のタイプの組織を横断しなければならない。組織構成は治療プランの制御ポイントを生成するときに考慮される要因の１つなので、組織構成の前述の変化も、治療プランを完遂するためにも補償されなければならない。さもなければ、健康な組織がより高い放射線量を受け取る大きなリスクがある。しかしながら、患者テーブルを移動することでは、このような組織構成の変化を補償することはできない。

米国特許出願第２０１３／０２１６０２号は、移動する対象物に強度変調放射線療法を提供するためのシステムに関する。予期された呼吸通路に沿った対象物の移動について、システムは、複数のサブプランを備える治療プランを生成し、サブプランの各々は、対象物の移動の異なるフェーズに対して最適化され、次の移動のフェーズが考慮されている。放射線治療中に、対象物の移動が追跡され、対象物の位置に基づいて、システムは治療を実施するために対応するサブプランを選択する。

したがって、本発明の目的は、治療されるべき構造体の運動に対する、特には放射線治療中に起こるフラクション中の運動に対する放射線療法治療の改善された適合を可能にすることである。

本発明の第１の態様において、身体内の構造体に放射線治療を供給するためのシステムが提案される。システムは、構造体に照射される放射線を提供するための放射線源と、治療プランに従って放射線源を制御するための制御ユニットと、放射線治療中に身体内の構造体の位置を決定するためのローカリゼーションユニットとを備える。更に、複数の治療プランが提供され、各治療プランは、構造体の複数の既定の可能な位置のうちの１つに関連付けられ、既定の可能な位置は、少なくとも１つの既定の面上に規則的に分布する。制御ユニットは、治療中に構造体の位置を決定し、位置の検知に応答して放射線源を制御するために、決定された位置までの距離が最も小さい既定の可能な位置に関連付けられた治療プランを選択するように構成される。

治療されるべき構造体のいくつかの可能な位置に対して複数の治療プランが提供されるので、また、放射線療法システムは構造体の決定された位置までの距離が最も小さい可能な位置に関係する治療プランを選択することができるので、放射線治療は、構造体の種々の位置に対して適合され得る。また、放射線治療中に構造体の運動があった場合、放射線療法システムは、１つの治療プランから、構造体の新しい位置に対してより良好に適合する別の治療プランへと変更することができる。更に、特には、構造体の運動に起因する組織構成の変化を補償することも可能であり、これは、各治療プランが、構造体の関連付けられた位置にある組織構成に対して適合できるからである。したがって、構造体の検知された変位に応答して、構造体の新しい位置にある、変化した組織構成に適合した、新しい治療プランへと変更することが可能である。

可能なシフト位置は、少なくとも１つの既定の面に規則的に分布する。この点について、１つ又は複数の面上におけるシフト位置のこのような規則的な分布は、治療中の治療されるべき構造体の可能な変位の観点から、とりわけ適切なシフト位置の空間的分布を可能にすることが判明している。

一実施形態において、第１の治療プランは、構造体の基準位置に関連付けられ、更なる治療プランは、構造体の既定の可能なシフト位置に関連付けられ、基準位置は、測定データを使用して決定された位置に対応する。特には、基準位置は、従来の放射線療法システムと同様に、構造体の３次元画像を使用して決定される。画像は、例えば、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）又は磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイスを使用して取得される。この場合、測定データは取得された画像データに対応する。

治療されるべき構造体の位置は、好ましくは、構造体の基準ポイントの位置を用いてパラメータ化される。一実施形態において、構造体の基準ポイントは、構造体の推定質量中心に対応する。特には、構造体の位置が画像に基づいて決定されるならば、推定質量中心は構造体の基準ポイントとして使用される。この場合、構造体の輪郭が画像に基づいて決定され、質量中心は輪郭に基づいて計算される。

更なる実施形態において、制御ユニットは、放射線治療（すなわち、複数の治療フラクションが提供される場合は、１回の治療フラクション）が開始されるとき、基準位置に関連付けられた第１の治療プランを使用するように構成される。この第１の治療プランは、放射線治療を制御するために１つの治療プランしか使用しない従来の放射線療法システムでも使用される治療プランに対応する。しばしば、この治療プランは放射線治療の開始時において最も適切な治療プランであり、したがって、この実施形態においては最初に選択される。

関連する実施形態は、制御ユニットは、決定された位置と基準位置との間の距離が所定の閾値を超えると決定された場合にのみ、更なる治療プランを選択するように構成されるものと定めている。この実施形態は、制御ユニットが第１の治療プランから更なる治療プランに変更する状況の検知を、特に簡略化する。

更なる実施形態において、制御ユニットは、放射線治療（すなわち、複数の治療フラクションが提供される場合は、１回の治療フラクション）を開始する前に、治療されるべき構造体の位置を決定し、治療の前に、決定された位置までの距離が最も小さい所定の位置に関連付けられた治療プランを選択するように構成される。次いで、制御ユニットは、選択された治療プランを使用して放射線治療を開始する。

一実施形態において、構造体の各既定の可能なシフト位置において、構造体の基準ポイントは、少なくとも１つの面に位置する。

既定の面は、基準位置における構造体の基準ポイントを包囲する。面は、特には、基準位置を囲む閉じた面として構成される。関連する実施形態において、既定の面は、基準位置における構造体の基準ポイントを中心とする同心の球体又は楕円体に対応する。これらの実施形態に関して、例えば球体又は楕円体などの適切な面上の可能なシフト位置の場所は、他の空間的パターンに比べてシフト位置の向上した空間的分布を可能にすることが分かっている。

構造体の運動は、他の方向に沿った移動の可能性と比べてより高い可能性で構造体がその方向に沿って移動する優先的な方向（ｐｒｉｖｉｌｅｇｅｄ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）を含むことも含まないこともある。優先的な方向がないなら、シフト位置を備える面は、特には、球体として構成される。優先的な方向がある場合には、それらは、特には、楕円体として構成される。この点について、一実施形態は、楕円体の長軸の方向は、他の方向への構造体の移動の可能性より高い可能性で構造体が移動する方向に対応するものと定めている。更には、更なる実施形態は、この面は、ある領域が除外された閉じた面に対応するものと定めている。これらの除外される領域は、治療されるべき構造体が移動する可能性が閾値よりも小さいエリアに対応する。

一実施形態において、制御ユニットは、ローカリゼーションユニットによって生成された画像に基づいて、構造体の位置を決定するように構成される。特には、制御ユニットは、構造体の位置を決定するために、ローカリゼーションユニットによって生成された画像内の構造体の場所を突き止めるように構成されたパターン認識ユニットを備え、又は、制御ユニットは、画像を、構造体が描写された基準画像と比較することによって構造体を認識することができる。

更なる関連する実施形態において、ローカリゼーションユニットは、治療されるべき構造体を含む身体の領域の３次元画像を生成するためのイメージングユニットを備える。関連する実施形態において、イメージングユニットは、コンピュータ断層撮影ユニット、磁気共鳴イメージングユニット、及び超音波ユニットを含む群のうちの１つのユニットを備える。

放射線療法システムを用いて治療されるべき構造体は前立腺を含む。しかしながら、システムは、身体内の別の構造体に放射線治療を供給するためにも使用され得る。

更なる態様において、本発明は、放射線療法システムの処理ユニットにおいて実行され得るコンピュータプログラムを提案する。コンピュータプログラムは、処理ユニットにおいてコンピュータプログラムが実行された際に、処理ユニットに放射線療法システムを制御するための方法を実施させるプログラムコード手段を備え、放射線療法システムは、構造体に照射される放射線を提供するための放射線源と、治療プランに従って放射線源を制御するための制御ユニットと、放射線治療中に身体内の構造体の位置を決定するためのローカリゼーションユニットとを備える。方法は、
制御ユニットに複数の治療プランを提供するステップであって、各治療プランは、構造体の複数の既定の可能な位置のうちの１つに関連付けられ、既定の可能な位置は、少なくとも１つの既定の面上に規則的に分布する、ステップと、
制御ユニットが、治療中に構造体の位置を決定するステップと、
制御ユニットが、位置の検知に応答して放射線源を制御するために、構造体の決定された位置までの距離が最も小さい既定の可能な位置に関連付けられた治療プランを選択するステップとを有する。

本発明の更なる態様において、上述された放射線療法システムにおける身体内の構造体への放射線治療を制御するための治療プランを生成するためのプランニングユニットが提案される。プランニングユニットは、構造体の基準画像に基づいて第１の治療プランを生成し、基準画像の変形されたバージョンに基づいて、構造体の放射線治療を制御するための更なる治療プランを生成するように構成され、構造体は、基準画像内の基準位置に位置し、構造体は、基準画像の変形されたバージョンの各々において複数の既定の可能なシフト位置のうちの１つに位置し、既定の可能なシフト位置は、治療中の構造体の可能な位置に対応し、少なくとも１つの既定の面上に規則的に分布する。

一実施形態において、プランニングユニットは、上述された放射線療法システムに含まれる。更に、一実施形態において、プランニングユニットは、生成された治療プランを放射線療法システムの制御ユニットに提供するように構成される。

請求項１に記載の放射線療法システム、請求項１４に記載のコンピュータプログラム、及び請求項１５に記載のプランニングユニットは、特には従属請求項に規定されるように、類似の及び／又は同一の好ましい実施形態を有することを理解されたい。

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であってもよいことを理解されたい。

本発明のこれらの及び他の態様は、本明細書において後述される実施形態から明らかであり、これらの実施形態を参照して説明される。

身体内の構造体に放射線治療を供給するための放射線療法システムの実施形態のコンポーネントを概略的及び例示的に図示する図である。 前立腺のシフト位置のための治療プランを決定するために変形された画像ボリュームを含む前立腺の画像の変形領域を概略的及び例示的に示す図である。 前立腺の運動中の前立腺の基準ポイントの軌道、及び治療プランが関連付けられた基準ポイントの既定のシフト位置を概略的及び例示的に示す図である。

図１は、人間又は動物の身体内の構造体に放射線治療を供給するための放射線療法システムの実施形態を概略的及び例示的に示す。特には、このシステムは、身体の特定の構造体内の腫瘍の治療に使用される。前立腺癌の治療には放射線療法がとりわけ適していることが知られているように、このような構造体の１つの例としては前立腺がある。

示された実施形態において、放射線療法システムは、放射線源１を備え、これは、システムの治療ゾーン２内に配置された人間又は動物の身体内の腫瘍若しくは別の患部構造体に供給されるべき電離放射線を発するように動作し得る。治療ゾーン内で身体を支持するために、システムは患者テーブルを備える。身体に対する放射線源１の相対的な位置及び向きは、ある範囲の位置及び向きにわたって変えることができる。この目的のために、３６０°又はそれより小さい特定の角度範囲内で放射線源１が治療ゾーン又は身体の周りで回転可能になるように、放射線源１は回転式ガントリ３に取り付けられる。したがって、放射線は、種々の角度位置から身体に供給され得る。更に、放射線が身体の縦方向の伸びに関して身体の種々の部位に供給され得るように、身体はガントリ３に対して移動可能である。これを達成するために、ガントリ３及び／又は患者テーブルは、ガントリ３の回転軸に平行な方向に前後に移動可能である。

放射線源１は、１つの電離放射線ビームを生み出すために（更なる実施形態においては、放射線システムは同様のやり方でいくつかの放射線ビームを生み出す）Ｘ線チューブ又は線形粒子加速器を含む。放射線源１は、放射線ビームの強度及び／又はエネルギーを変えるために制御可能である。更に、放射線源１は、放射線ビームを整形するためにコリメータ４を備えてよい。コリメータ４は、同様に、放射線ビーム形状を変えるために制御可能である。

放射線源１、（制御可能であるならば）コリメータ４、及び（移動可能であるならば）患者テーブルを制御するために、システムは制御ユニット５を含む。放射線療法治療中に、制御ユニット５は、放射線源１及び身体の相対的な位置及び向きを、ガントリ３及び／又は患者テーブルを位置決めすることによって制御する。更に、制御ユニット５は、放射線ビームの強度及びエネルギーと、（可能であるならば）放射線ビーム形状とを制御する。好ましくは、制御ユニット５は、制御ユニット５によって実施される制御ルーチンを備える制御プログラムを実行するためのマイクロプロセッサを含むプロセッサユニット内に組み込まれる。

加えて、放射線療法システムは、放射線治療中に患者の身体内の治療されるべき構造体の場所を突き止めるためのローカリゼーションユニット６を備える。一実施形態において、ローカリゼーションユニット６は、イメージングユニットを含み、これは、適切なイメージングモダリティに従って身体の画像を生み出す。この点において、ローカリゼーションユニット６は、例えば、超音波デバイス、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）デバイス、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）デバイス、又はＸ線透視イメージングユニットを含む。このようなデバイスは、それ自体が当業者には知られているので、これらは本明細書において詳述されない。このようなデバイスを用いて、ローカリゼーションユニット６は、治療されるべき構造体を含む身体領域の３次元画像を生み出す。これらの画像中で、構造体は、ローカリゼーションユニット６において実行される適切なパターン認識アルゴリズムを用いて特定される。更なる実施形態において、ローカリゼーションユニット６は、異なるやり方で構成される。例えば、ローカリゼーションユニット６は、Ｄ．Ｗ．Ｌｉｔｚｅｎｂｅｒｇらによる上述の刊行物において説明されるように、構造体に移植されたトランスポンダーを使用して治療されるべき構造体の場所を突き止めるように構成される。

身体内の構造体の放射線治療は、複数のフラクション中に行われ、その場合、フラクションは複数日にわたって連続して、又は別のサイクルで構造体に供給される。身体内の構造体に１つのフラクションを供給するために、身体は、放射線療法システムの治療ゾーン２に、身体上の基準マークが放射線源１に対して規定の位置に位置するように配置される。この目的のために、身体は、患者テーブルに配置することができ、放射線療法システムの位置合わせユニットを用いて位置合わせすることができる。位置合わせユニットは、レーザー位置決めデバイスを含み、これはそれ自体が当業者には知られているので、本明細書において詳述されない。治療ゾーンに身体が配置されると、制御ユニット５は、治療されるべき構造体への放射線の供給を制御する。このとき、制御ユニット５は放射線源１を位置合わせし、制御ユニット５に記憶された特定の身体構造体の治療のための治療プランに従って放射線源１の更なるパラメータを制御する。

治療プランは、構造体の放射線治療のための放射パラメータを規定する。これらのパラメータは、放射線源１の位置合わせを含み、これは、治療中の身体上の基準マークの規定された位置の観点から規定される。更には、パラメータは、放射線治療の各フラクションについての、放射線ビームのエネルギー及び強度並びに（変更可能であるならば）放射線ビームの形状などの更なる情報を含む。放射線治療中に、通常、１つ又は複数のパラメータが変化する。つまり、放射線源１と身体との相対的な位置合わせが、例えば、ガントリを身体の周りで回転させることによって変更され、このプロセスにおいては、ビーム形状も放射線源１又はガントリ３の各位置に適合される。治療プランにおいて指定される放射パラメータの変化は、しばしば制御ポイントとも呼ばれる。したがって、治療プランは、放射線治療中に連続的に供給される一連の制御ポイントを備え、制御ポイントの供給は、それぞれの制御ポイントにおいて治療プランが変更した放射パラメータに従った放射線の供給に対応する。各制御ポイントについて、治療プランは、それぞれの制御ポイントが供給される期間も指定する。この期間が満了すると、制御ユニット５は、治療プランの後続の制御ポイントを供給する。

本発明の範囲内において、特定の身体の構造体の治療のために複数の治療プランが提供され、制御ユニット５に記憶される。制御ユニット５は、本明細書においてより詳細に後述されるやり方によって、１つの治療プランから別の治療プランに変更できる。これらの治療プランは、プランニングユニット７を使用して半自動的なプロセスによって生成される。プランニングユニット７は、好ましくは、コンピュータデバイスに組み込まれ、治療プランが放射線療法システムの制御ユニット５に提供されて、その内部に記憶することができるように、放射線療法システムに結合される。好ましくは、特には、治療プランは、治療されるべき構造体を含む身体領域の３次元画像（これは本明細書において基準画像とも呼ばれる）に基づいて生成される。したがって、プランニングユニット７は、特には、医師又は他の操作者に対して画像を表示するための、及び画像に対する操作者による入力を受け取るための手段を含む。更に、プランニングシステムは、放射線治療をプランニングするためのルーチンを処理する。ルーチンは、特には、指定された放射線量（これは操作者によって規定される）を、身体内の固定的な位置に位置する特定の構造体に供給するための治療プランを生成することができる。

提供される治療プランのうちの１つ（これは本明細書において第１の治療プランとも呼ばれる）は、基準画像に基づいて、当業者に知られている従来のやり方で生成される。この目的のために、治療されるべき構造体はプランニングユニット７において特定される。特には、この構造体の輪郭が、この画像内でマークされる。これは、適切な入力手段を使用して画像内の輪郭をマークする医師による対応する入力に基づいて、及び／又はプランニングユニット７において実行される自動的なパターン認識ルーチンによってなされる。更に、構造体に供給されるべき全体的な放射線量が指定される。この目的のために、放射線量は、例えば、医師によって設定される。次いで、プランニングシステム７は、身体内の治療されるべき構造体の場所に基づき、及び指定された全体的な放射線量に基づき、第１の治療プランを生成する。このプロセスにおいて、プランニングシステム７は、特には、放射線治療のフラクションと、フラクションの各々のための制御ポイントとを規定する。一実施形態において、これは、プランニングユニット７において実施される自動的なルーチンに基づき、自動的なプロセスにおいてなされる。このようなルーチンは、それ自体が当業者には知られているので、本明細書において詳述されない。このようなルーチンの１つの例は、Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅによって提供される市販の放射線療法プランニングシステムＰｉｎｎａｃｌｅの自動プランニングオプションに含まれている。

第１の治療プランに加えて、プランニングユニット７を用いて更なる治療プランが生成される。これらの更なる治療プランは、身体内の治療されるべき構造体の可能な運動の観点から提供される。特には、更なる治療プランは、構造体のフラクション中の可能な運動、すなわち、放射線治療の１つのフラクションの供給中に起こる運動の観点から提供される。この点において、例えば、前立腺に関して、１ｃｍを超える変位を伴うフラクション中の運動が観察されている。このような運動を補償しないと、治療されるべき腫瘍に供給される放射線量が低くなりすぎる一方、腫瘍の周囲の健康な組織に供給される放射線量が高くなりすぎる恐れが非常に大きくなる。更には、このような前立腺の運動は、時間と共に増大する傾向にあることが分かっている。したがって、このような運動を補償するために、治療プランにおいて固定的なマージンを追加することは適切ではなく、というのは、固定的なマージンはフラクションの開始時には過大な補償となり、フラクションの終了時には過小な補償となるからである。このような背景を受けて、構造体の複数の位置のための治療プランの提供は、治療フラクション中の構造体の変位が決定されて、制御ユニットが１つの治療プランから別の治療プランへ変更したときに、身体内の構造体の変位の適切な補償を可能にする。

好ましくは、更なる治療プランは、身体内の構造体の複数の可能なシフト位置に対して、すなわち、基準画像に示される構造体の位置とは異なる位置に対して生成される。この点について、構造体の位置は、特には、構造体の基準ポイントの位置によって規定され、これは好ましくは、構造体の推定質量中心に対応する。この推定質量中心は、基準画像内で特定された構造体の輪郭に基づいて、及び構造体は均一な質量密度を有するという仮定に基づいて計算される。しかしながら、構造体の質量中心に対応しない別の基準ポイントに基づいて構造体の位置を規定することも同様に可能である。

一実施形態において、想定されるシフト位置は、各シフト位置において、構造体の基準ポイントが、基準画像に示される基準ポイント（この位置は本明細書において基準位置とも呼ばれる）の位置を包囲する１つ又は複数の面に位置することを特徴とする。次いで、１つの３次元画像が構造体のシフト位置の各々に対して生み出される。ここで、シフト位置に対する画像は、基準画像に基づいて、構造体がシフト位置に位置するように基準画像又はその一領域を変形させることによって生成される。続いて、それぞれのシフト位置に対して生み出された３次元画像に基づいてシフト位置の各々に対して１つの治療プランが生成される。治療プランの生成は、第１の治療プランの生成と同じやり方でなされる。特には、治療プランは、生成された画像、及び全体的な放射線量（これは、第１の治療プランがそれに基づいて生成された全体的な放射線量と同じである）についての情報に基づいてプランニングシステム７の自動的なルーチンによって生成される。

基準ポイントのシフト位置が位置する面は、基準ポイントの基準位置を囲む閉じた面である。更に、好ましくは、面は構造体の運動の優先的な方向、すなわち他の方向に沿った移動の可能性より高い可能性で構造体がその方向に沿って移動する方向に基づいて決定される。このような優先的な方向は、臨床的な経験に基づいて、各関連するタイプの構造体について経験的に決定される。このような優先的な方向が存在するなら、１つ又は複数の面の各々は、短軸よりも大きい長軸を有する楕円体に対応し、長軸は身体内の構造体の移動の優先的な方向に沿って延在する。任意選択的に、面のある領域を棄却すること、すなわち、このような領域にシフト位置を位置させないことも、構造体の基準ポイントがこのような領域に向かって移動する可能性がゼロであるか又は非常に低い場合には、可能である。構造体の移動に優先的な方向が存在しない場合には、１つ又は複数の面の各々は球体に対応する。この点において、より最近の研究は、前立腺の運動は、３次元的な酔歩モデルに従い、優先的な方向を有さないことを示唆している。そのため、構造体が前立腺である場合には１つ又は複数の球体が使用され、球体の中心は構造体の基準ポイントの基準位置に対応する。

複数の面が使用されるとき、面と面との間及び最も内側の面と構造体の基準ポイントの基準位置との間には所定の距離がある。一実施形態において、この距離は０．２と０．６ｃｍとの間であり、特にはこの距離は０．４ｃｍである。この距離に基づいて、構造体の予期される最大変位の観点から面の数が選択される。したがって、一実施形態において、構造体が最大で１ｃｍ超移動する前立腺である場合には、半径が０．４ｃｍ及び０．８ｃｍの２つの球体が規定される。

面の各々の内部において、治療されるべき構造体の基準ポイントの所定のシフト位置は、好ましくは、規則的に分布する。これは、特には、面のうちの１つの各シフト位置が、その面上の隣接するシフト位置までにある所定の距離を有することを意味し、この所定の距離は、同一の面上の全てのシフト位置ついて実質的に同一である。面のある領域へと構造体の基準ポイントが移動する可能性が低いことから面のこの領域がシフト位置を含まない場合は、シフト位置は、好ましくは、面の残りの領域に規則的に分布する。面上に規則的に分布するシフト位置を生成するために、制御ユニット５は、いわゆる回帰的多面体再分割メカニズム（ｒｅｃｕｒｓｉｖｅ ｐｏｌｙｈｅｄｒａｌ ｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）を使用し、これは、例えば、Ｃ．Ｓｍｉｔｈによる刊行物、「Ｏｎ Ｖｅｒｔｅｘ−Ｖｅｒｔｅｘ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ｕｓｅ ｉｎ Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇ」、Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｇａｒｙ、Ｃａｎａｄａ、２００６において説明されている。このようなメカニズムによると、各面はいくつかのステップにおいてポリゴンメッシュによって近似され、より良好に面を近似するために、各ステップにおいてメッシュのポリゴンが、より小さなポリゴンに再分割される。ここで、一実施形態において、ポリゴンの角部は、面に配置された頂点を形成し、治療されるべき構造体の基準ポイントのシフト位置はこれらの頂点に対応する。しかしながら、別のやり方によってシフト位置が面上に規定されることも同様に可能である。

更なる実施形態において、構造体の基準ポイントのシフト位置は、１つ又は複数の所定の面に基づいて決定されるのではなく、他の空間的パターンに基づいて決定される。例えば、基準ポイントのシフト位置は、矩形の３次元的ポイントグリッドを使用して規定され、１つのシフト位置は、各グリッドポイントに位置する。しかしながら、矩形のグリッドを使用したシフト位置の規定に比べて、所定の面、特には球体又は楕円体を使用したシフト位置の規定は、治療されるべき構造体の可能な運動の観点から、より向上したシフト位置の空間的な分布を可能にする。

基準画像から構造体のシフト位置に対する画像を生成するために、原則的には、プランニングユニット７は、各シフト位置に対して基準画像全体の変形を計算することができる。しかしながら、計算の複雑さを減少させるために、変形は、シフト位置の各々に対して、基準画像のある部分（これは本明細書において変形領域とも呼ばれる）に対してのみ計算されてよい。一実施形態において、変形領域は、構造体の基準ポイントを中心とする球体に含まれる画像ボリュームに対応する。球体の半径は、好ましくは、治療されるべき構造体の寸法に基づいて、及び基準位置と構造体のシフト位置との間の距離の最大値に基づいて選択される。特には、半径は、構造体の最大半径（すなわち、構造体の基準ポイントと構造体の輪郭との間の最大距離）に基準位置と構造体のシフト位置との間の距離の最大値を加えた値よりも大きく設定される。このことは、球体が全てのシフト位置において構造体全体を含むことを確実なものとする。構造体が前立腺であり、シフト位置が上述のように決定された（すなわち、基準位置とシフト位置との間の最大距離が０．８ｃｍである）とき、球体は、例えば、基準画像において決定された前立腺の最大半径に２ｃｍを加えた値に対応する半径を有する。このことは図２に更に示され、図２は、画像内の前立腺２１の輪郭を概略的及び例示的に図示する。更に、図２は、前立腺２１の推定質量中心２２を図示し、前立腺の最大半径が矢印２３を用いてマークされている。加えて、図２は球体２４によって境界づけられた変形領域を示す。球体２４の半径は、量ｄだけ前立腺の最大半径よりも大きく、量ｄは例えば２ｃｍである。

上に述べたように、基準画像の変形は、変形領域内でのみ計算されればよい。この場合、変形領域の外側の画像ボリュームは変形されない。１つのシフト位置に関する変形プロセスにおいて、プランニングユニット７は、基準画像の各画像要素に対して（すなわち、いわゆるボクセルの各々に対して）、変位の距離及び方向を指定する変形又は運動フィールドを計算する。この変形フィールドに従って、治療されるべき構造体の基準ポイントを含むボクセルは、（変形プロセスの１つの制約として）シフト位置に移動される。一実施形態において、治療されるべき構造体の他のボクセルは、構造体の基準ポイントを備えるボクセルと同一の運動ベクトルを使用して移動される。このことは、構造体の全てのボクセルは、同一の方向に同一の距離にわたって移動されることを意味する。更なる実施形態において、構造体の回転及び／又は変形も追加的に計算される。この計算について、構造体の周囲の身体領域の機械的特性及び同一のタイプの構造体の運動の経験的な知見が、考慮される。構造体の移動に加えて、変形領域内の周囲の身体領域のボクセルも、構造体の移動に従って移動される。周囲の身体領域のこれらのボクセルに対して、構造体の基準ポイントを含むボクセルを移動するために使用されたものと同一の運動ベクトルを使用することが、同様に可能である。しかしながら、より正確な変形を達成するために、周囲の身体領域の変形を考慮に入れることが好ましく、この周囲の身体領域の変形は、これらの身体領域の機械的特性に基づいて、及び関連するタイプの構造体の運動の経験的な知見に基づいて計算される。

構造体の運動に起因する変形領域の変化を表す変形フィールドを決定すると、プランニングユニット７は、好ましくは、変形された画像における変形領域の外部及び内部のボクセル間での滑らかな推移を生み出すために、変形領域の境界エリアの運動ベクトルを適合させる。この目的のために、プランニングユニット７は、適切な補間技術を適用する。特には、トリリニア又は薄板スプラインカーネルを使用したカーネル補間が適用される。

このようにして、プランニングユニットは、治療されるべき構造体の基準ポイントの前もって規定されたシフト位置の各々に対して、変形された画像を生成する。既に上述したように、次いで、基準ポイントの各シフト位置に対して、それぞれのシフト位置に関連付けられた変形された画像に基づいて、治療プランが生成される。このとき、プランニングユニット７は、治療されるべき構造体のシフト位置のための治療プランの集合を生成する。治療プランのこの集合は、基準画像に基づいて生成された治療プランも含み、構造体の放射線治療中のシステムの制御に使用されるために、放射線療法システムの制御ユニット５に転送される。

治療を実施するために、身体又は治療されるべき構造体の相対的な位置合わせは、好ましくは、第１の治療プラン及び基準画像に従って設定される。次いで、一実施形態において、放射線治療フラクションが、第１の治療プランに基づいて開始される。

放射線治療中に、制御ユニット５は、基準位置に対する構造体の任意の変位を検知するために治療されるべき構造体の位置を監視する。この目的のために、治療のプランニングのためのプロセス中にプランニングシステム７によって決定された基準位置が、制御ユニット５に指示される。更に、連続的な時点において構造体の位置を示すデータを取得するために、治療中にローカリゼーションユニット６が動作される。ローカリゼーションユニット６がイメージングデバイスを備える場合は、これらのデータは、治療されるべき構造体を備える身体領域の画像に対応する。各画像中で、制御ユニット５は、パターン認識ルーチンを用いて治療されるべき構造体の輪郭を決定する。このルーチンは、特には、適切なトレーニングプロセスにおいて確立される対応する分類子を使用して、構造体及びその輪郭を特定する。更なる実施形態において、制御ユニット５は、放射線治療中に構造体のシフト位置を決定するために、構造体の基準画像を使用する。特には、制御ユニット５は、治療されるべき構造体の輪郭が、放射線治療中に取得された画像内の対応する輪郭と一致するように基準画像を変形させる。放射線治療中に取得された画像内の治療されるべき構造体の自動認識よりも複雑でない計算を伴うこのプロセスの結果、制御ユニット５は、放射線治療中に取得された各画像内の構造体及びその基準ポイントの位置を特定することができる。治療されるべきオブジェクトの輪郭を特定すると、制御ユニット５は、プランニングユニット７が基準画像内の基準ポイントを推定したのと同じやり方で、構造体の基準ポイントを推定する。このようにして、制御ユニット５は、連続的な時点において構造体の基準ポイントの位置を決定する。

決定された位置に基づいて、制御ユニット５は、一般に、決定された位置までの距離が最も短い基準ポイントの位置に関連付けられた治療プランを選択する。この目的のために、決定された位置と治療プランが関連付けられた位置との間の距離は、適切な距離尺度を使用して計算される。一実施形態において、ユークリッド距離尺度が使用される。しかしながら、当業者に知られた別の距離測度を使用することも同様に可能である。

一実施形態において、治療プランの選択を実施するために、制御ユニット５は、構造体の基準ポイントの決定された各位置を以前に決定されたその位置と（又は、治療の開始時においては、基準位置と）比較する。構造体の基準ポイントの変位を検知した場合には、制御ユニット５は、決定された位置を、治療プランが関連付けられた位置と比較し、決定された位置までの距離が最も短いものをこれらの位置から選択する。

更なる実施形態において、現在のステップにおいて決定された位置と以前に決定された位置との間の前述の比較は省略される。この実施形態においては、制御ユニット５は、基準ポイントの決定された位置を、治療プランが関連付けられた位置と直接的に比較して、これらの位置のうちで基準ポイントの決定された位置までの距離が最も短いものを選択する。前述の選択手順のうちの１つに従って選択された位置に関連付けられた治療プランが現在使用中の治療プランに対応するなら、制御ユニット５はこの治療プランを維持し、このプランに基づいて放射線治療を更に制御する。選択された位置に関連付けられた治療プランが現在使用中の治療プランに対応しないなら、制御ユニット５は治療プランを変更し、選択された位置に関連付けられた治療プランを使用して放射線治療を更に制御する。この手順は治療フラクション全体において繰り返され、治療プランが関連付けられた別の位置に基準ポイントが接近するように構造体がその位置を変更するたびに、治療プランは変更される。

原則的には、制御ユニット５は、フラクションの開始時から始まる全体的な治療フラクション中に前述の手順を実行できる。構造体のシフト位置が球体又は楕円体に位置する場合に特に適用可能な更なる実施形態において、制御ユニット５は、構造体の基準ポイントのその基準位置に対する変位が閾値よりも大きいと決定されたときにのみ、治療の開始時において使用される第１の治療プランから更なる治療プランへと変更する。一実施形態において、閾値は、シフト位置が位置する最も内側の面の半径の半分、又は最小半径の半分（例えば、面が楕円体に対応する場合）に対応する。

したがって、治療フラクションの開始後、制御ユニット５は、上述のように治療されるべき構造体の基準ポイントの位置を監視し、決定された各位置について、この位置と基準位置との間の距離が閾値よりも大きいかをチェックする。もしも大きくなければ、制御ユニット５は、治療フラクションの開始時にロードされた第１の治療プランを維持する。制御ユニット５は、１つのステップにおいて決定された基準ポイントの位置と基準位置との間の距離が閾値よりも大きいと決定したときにのみ、決定された位置までの距離が最も小さい既定のシフト位置を検索する。次いで、制御ユニット５は、確定されたシフト位置に関係する治療プランを選択し、この治療プランを使用して、構造体の放射線治療を更に制御する。

治療プランのこのような第１の変更のときに、制御ユニット５は、次いで、上述のように進行する。このことは、制御ユニット５は構造体の基準ポイントの位置の監視を続け、決定された各位置について決定された位置までの距離が最も短い既定のシフト位置に関連付けられた治療プランを選択する（これは、既に使用されている治療プランから新しい治療プランへの変更を伴っても、伴わなくてもよい）ことを意味する。

図３は、前立腺２１の運動のための前述の手順を更に示す。前立腺の運動は酔歩モデルに従うという仮定の下に、図３は、放射線治療中の前立腺の質量中心２２の例示的な軌道３１を例示的に図示する。更に、図３は、治療プランが関連付けられた基準ポイントの既定のシフト位置を含む２つの面３２ａ、３２ｂを示す。面３２ａ、３２ｂは球体として構成され、シフト位置は図３においてはバツ印を用いてマークされている。図３に見られるように、軌道３１は、治療の開始時には最も内側の面３２ａによって境界づけられたボリューム内に位置し、したがって、基準ポイントの位置と質量中心（前立腺２１の基準ポイントとして使用される）との間の距離は、最も内側の面３２ａの半径に対応する閾値よりも小さい。この状況では、制御ユニット５は放射線治療を制御するために第１の治療プランを使用する。次いで、ある時点において、軌道３１は、最も内側の面３２ａと交差する。これは、基準ポイントの位置と基準位置との間の距離が閾値を超えたと決定したときに、制御ユニット５によって検知される。この決定に応答して、制御ユニット５は、第１の治療プランから、この状況において基準ポイントの位置までの距離が最も小さいシフト位置であるシフト位置３３ａのための治療プランに変更する。その後、軌道３１は、外側面３２ｂに向かい、ある時点においてこの面３２ｂと交差する。この軌道３１の進行中に、基準ポイントの決定された位置がシフト位置３３ａよりもシフト位置３３ｂに近いと決定したとき、制御ユニット５は、シフト位置３３ａに関連付けられた治療プランからシフト位置３３ｂに関連付けられた治療プランへと変更する。治療プランの変更は、好ましくは、治療プランの１つの制御ポイントが完全に供給されたときに、制御ユニット５によって行われる。次いで、制御ユニット５は、治療されるべき構造体の基準ポイントの決定された位置と基準ポイントの所定のシフト位置との比較に基づいて選択された新しい治療プランに従って、次の制御ポイントを供給する。この点において、全ての治療プランは、好ましくは、全ての治療プランにおいて、連続した制御ポイントが同一の期間に対して有効になるように、制御ポイントに関して同一のタイミングを備える。このことは、制御ユニット５が、前の治療プランの先行する制御ポイントが完全に供給されたとき、新しい治療プランに変更した後に、新しい制御ポイントを完全に供給できることを確実なものとする。

関連する実施形態において、（上述された）構造体の基準ポイントの実際の位置の決定及び治療プランを選択するためのプロセスは、治療プランにおける制御ポイントの適時のシーケンスと同期される。この実施形態において、制御ユニット５は、治療プランの制御ポイントに関連付けられた期間ごとに一度、構造体の基準ポイントの位置を決定し、最も近い所定の位置に関係する治療プランを選択する。更には、基準ポイントの位置を決定するプロセス及び最も近い位置に関係する治療プランの選択は、次の制御ポイントが供給されるよりも少し前に完了するように、制御ユニット５によって時間調節される。

しかしながら、前述のプロセスの別のタイミングも可能である。つまり、制御ユニット５は、例えば、固定的に既定の期間においてこのプロセスを実行してもよい。更には、治療プランの変更は、１つの制御ポイントを完全に供給したときに行われなくてもよい。代替的な実施形態において、制御ユニット５は、構造体の基準ポイントが新しい治療プランに関連付けられた所定の位置の最も近くにあるという決定に応答して、ある制御ポイントを供給するための期間中にこの治療プランへと変更してもよい。

更に、前述の実施形態においては、治療フラクションの開始時に第１の治療プランが使用される。代替的な実施形態において、制御ユニット５は、実際の放射線治療フラクションが開始される前に（すなわち、放射線が構造体に照射される前に）、構造体の基準ポイントの位置を決定する。そして、制御ユニット５は、基準ポイントの検知された位置までの距離が最も小さい所定の位置を決定する。その後、制御ユニット５は、選択された治療プランを使用して治療フラクションを開始する。次いで、治療フラクション中に、制御ユニット５は、上述のやり方によって、１つ又は複数の更なる治療プランへと変更することができる。

もちろん、治療フラクションが供給される前に、プランニングユニット７において新しいプランニング手順が実施されることも可能である。このプランニング手順は、治療されるべき構造体の決定された現在の位置に基づいて実行され、好ましくは、先行する治療フラクション中に構造体に対して供給された放射線量が考慮される。このプランニング手順において、プランニングユニット７は、好ましくは、治療プランの新しい集合を生成し、治療プランのこの新しい集合に基づいて、上述されたやり方で、更なる治療フラクションが供給され得る。

したがって、結論として、治療中に治療されるべき構造体の運動を補償するために治療プランの集合を使用する放射線療法システムが提供される。この点において、本発明は、上述された放射線療法システムの実施形態に限定されない。つまり、特には、別のやり方で構成され及び／又は取り付けられた放射線源１も可能である。更に、特には、別のローカリゼーションユニット６を使用することも、このローカリゼーションユニットが放射線治療中に治療されるべき構造体の基準ポイントの位置の決定を可能にする限りにおいて、可能である。

開示された実施形態に対する他の変形は、図面、本開示及び添付の特許請求の範囲を検討することにより、特許請求された発明を実施するに当たり、当業者によって理解され得、実現され得る。

特許請求の範囲において、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える）」という語は、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、複数性を排除するものではない。

単一のユニット又はデバイスが、特許請求の範囲に記載されたいくつかのアイテムの機能を果たし得る。特定の手段が互い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有利に使用され得ないことを示すものではない。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと共に若しくは他のハードウェアの一部として供給される光学的記憶媒体又はソリッドステート媒体などの適切な媒体に記憶／分配されてよいが、インターネット又は他の有線若しくは無線の遠距離通信システムを介してなど、他の形態で分配されてもよい。

特許請求の範囲における任意の参照符号は、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. 身体内の構造体に放射線治療を供給するためのシステムであって、前記システムは、
   前記構造体へ放射線を提供するための放射線源と、
   治療プランに従って前記放射線源を制御するための制御ユニットと、
   前記放射線治療中に身体内の前記構造体の基準ポイントの位置を決定するためのローカリゼーションユニットとを備え、
   複数の治療プランが提供され、各治療プランは、前記構造体の前記基準ポイントの複数の既定の可能な位置のうちの１つに関連付けられ、
   前記制御ユニットは、前記治療中に前記構造体の前記基準ポイントの位置を決定し、決定された前記基準ポイントの位置に基づいて前記放射線源を制御するために、前記決定された前記基準ポイントの位置までの距離が最も小さい前記基準ポイントの前記既定の可能な位置に関連付けられた治療プランを選択し、
   第１の治療プランは、前記構造体の前記基準ポイントの基準位置に関連付けられ、更なる治療プランは、前記構造体の前記基準ポイントの既定の可能なシフト位置に関連付けられ、前記基準位置は、測定データを使用して決定された位置に対応し、前記既定の可能なシフト位置は、少なくとも１つの既定の面上に規則的に分布する、
   システム。
2. 前記制御ユニットは、前記放射線治療が開始されるとき、前記基準位置に関連付けられた前記第１の治療プランを使用する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記制御ユニットは、前記決定された前記基準ポイントの位置と前記基準位置との間の距離が所定の閾値を超えると決定された場合に、更なる治療プランを選択する、請求項２に記載のシステム。
4. 前記少なくとも１つの既定の面は、前記基準位置における前記構造体の基準ポイントを包囲する、請求項２に記載のシステム。
5. 前記構造体の前記基準ポイントは、前記構造体の推定質量中心に対応する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記既定の面は、前記基準位置における前記構造体の前記基準ポイントを中心とする同心の球体又は楕円体に対応する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記楕円体の長軸の方向は、他の方向への前記構造体の移動の可能性より高い可能性で前記構造体が移動する方向に対応する、請求項６に記載のシステム。
8. 前記ローカリゼーションユニットは、治療されるべき前記構造体を含む前記身体の領域の３次元の画像を生成するためのイメージングユニットを備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記制御ユニットは、前記ローカリゼーションユニットによって生成された前記画像に基づいて、前記構造体の前記基準ポイントの位置を決定する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記イメージングユニットは、コンピュータ断層撮影ユニット、磁気共鳴イメージングユニット、及び超音波ユニットを含む群のうちの１つのユニットを備える、請求項８に記載のシステム。
11. 前記身体内の前記構造体は前立腺を含む、請求項１に記載のシステム。
12. 放射線療法システムの処理ユニットにおいて実行され得るコンピュータプログラムであって、
    前記コンピュータプログラムは、前記処理ユニットにおいて前記コンピュータプログラムが実行された際に、前記処理ユニットに前記放射線療法システムを制御するための方法を実施させるプログラムコード手段を備え、
    前記放射線療法システムは、構造体に放射線を提供するための放射線源と、治療プランに従って前記放射線源を制御するための制御ユニットと、放射線治療中に身体内の前記構造体の位置を決定するためのローカリゼーションユニットとを備え、
    前記方法は、
    前記制御ユニットに複数の治療プランを提供するステップであって、各治療プランは、前記構造体の基準ポイントの複数の既定の可能な位置のうちの１つに関連付けられる、ステップと、
    前記制御ユニットが、前記治療中に前記構造体の前記基準ポイントの位置を決定するステップと、
    前記制御ユニットが、決定された前記基準ポイントの位置に基づいて前記放射線源を制御するために、前記決定された前記基準ポイントの位置までの距離が最も小さい前記基準ポイントの既定の可能な位置に関連付けられた治療プランを選択するステップと、を有し、
    第１の治療プランは、前記構造体の前記基準ポイントの基準位置に関連付けられ、更なる治療プランは、前記構造体の前記基準ポイントの既定の可能なシフト位置に関連付けられ、前記基準位置は、測定データを使用して決定された位置に対応し、前記既定の可能なシフト位置は、少なくとも１つの既定の面上に規則的に分布する、
    コンピュータプログラム。
13. 前記治療プランを生成するためのプランニングユニットをさらに備え、
    前記プランニングユニットは、
    基準画像内の前記構造体の前記基準ポイントを前記基準位置とし、
    前記構造体の前記基準ポイントが複数の前記既定の可能なシフト位置のうちの１つに位置するように前記基準画像を変形させた画像として前記基準画像の変形されたバージョンを生成し、
    前記基準画像に基づいて前記第１の治療プランを生成し、前記基準画像の変形されたバージョンに基づいて、前記更なる治療プランを生成する、請求項１に記載のシステム。

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