JP7422110B2 - 高線量蓄積率のために最適化されたpbsビームレットシーケンスを有する荷電粒子線治療計画システム - Google Patents
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Description
本発明は、ペンシルビームスキャン(PBS)による荷電粒子ビーム、好ましくは陽子ビームにより、腫瘍細胞を含む標的組織を治療するための計画を生成するための治療計画システム(TPS)に関する。この計画により、治療の終了時、腫瘍細胞に隣接する健康な細胞を保護しながら、腫瘍細胞を破壊又は死滅させることを確実にするための所定の臨床基準が満たされる。TPSにより、特定の体積(Vs)に超高線量蓄積率(HDR)で蓄積される線量を含む、N回の照射分割にわたる計画が構築される。TPSは、治療装置の性能を考慮に入れて、平均超高線量蓄積率境界の所定値(DRa0)以上の平均線量蓄積率(DRa)(DRa≧DRa0)において、それぞれの特定の体積(Vs)の少なくとも所定の部分の体積に線量を蓄積させることを確実にするようにPBSの走査シーケンスを最適化する。
電子ビーム、陽子ビーム、重イオンビーム、X線、γ線等などの粒子又は波動による放射線治療は、腫瘍を患う患者を治療するために不可欠な手段となっている。
(a)健康な細胞が、それらを保護するのに十分な低い分割線量を受け、
(b)腫瘍細胞が、最小標的線量(DmtT)と少なくとも等しい、N回の分割にわたって積算された総標的線量を受け、
(c)2つの連続した分割間における回復時間は、健康な細胞が実質的に回復することが可能となるのに十分であるが、腫瘍細胞には十分でないこと
を確実なものにする。
標的組織の境界は、腫瘍細胞を包囲し、健康な細胞によって取り囲まれ、及び/又は同様に健康な細胞を包囲する外周表面内に規定される。健康な細胞とは、健康な組織を形成するものである。治療計画は、照射のN回の分割からなり、ここで、N≧1であり、及び治療計画は、以下の基準を満たす。
(C1)N回の分割の終了時、標的組織(3t)の全ての腫瘍細胞は、各分割において受けられる標的分割線量(Dmtj)の合計に等しい総標的線量(DmtT)を受けている必要があり(すなわちDmtT=ΣDmtj)、総標的線量は、腫瘍細胞を死滅させるための最小標的線量(DmtT0)に少なくとも等しい、すなわちDmtT=ΣDmtj≧DmtT0であること。
(C2)N回の分割の終了時、外周表面を取り囲むか又は外周表面内に包囲された健康な組織の全ての健康な細胞(3hi)は、
(C2.1)各分割jにおいて受けられる健康分割線量(Dhij)は、分割jの終了時、健康な細胞を保護するための所定の分割線量閾値を超過せず、及び
(C2.2)N回の分割の終了時に受けられ且つ積算される総健康線量(DhTi)は、N回の分割の治療の終了時、健康な細胞を保護するための所定の総線量閾値を超過しない
ように、各分割jにおいて受けられる健康分割線量(Dhij)の合計と等しい総健康線量(DhTi)を受けている必要がある(すなわちDhTi=ΣDhij)こと。
・ビーム方向に対して実質的に平行なビームレット軸に沿って伝播し、且つスポットの中心で実質的に垂直に表面平面と交差するビームレットによって表面平面上に形成されるスポットの直径を規定することであって、表面平面は、少なくともスポットの中心で患者の表皮と接触する、規定すること、
・ビーム方向に対して実質的に平行な異なるビームレットによって形成されるスポットの表面平面にスポット位置パターン(x,y)を規定することであって、スポット位置パターン(x,y)は、表面平面への、外周表面のビーム方向に対して平行な投影内に規定される全領域をスポットがカバーすることを確実にする、規定すること
を含むビーム規定段階を含む。
・特定の体積の60%にわたる閾値線量値よりも高い線量をDRa≧DRa0で蓄積させ、同時に、
・線量がDRa<DRa0で蓄積された特定の体積の補完的な40%のうちの75%に閾値線量値よりも低い線量を蓄積させる
ように治療計画を管理する。
・標的組織の外周表面及び標的組織を取り囲む健康な組織の外周表面の、ビーム方向に対して平行な表面平面への投影によって形成される表面標的輪郭及び表面健康輪郭を規定すること、
・表面平面上のスポット直径及びスポット位置パターン(x,y)が、表面標的輪郭内に包囲された領域を一様にカバーするように決定されること
を含むように構成される。
・表面平面に対して平行であり、且つ特定の体積が第1の平面と第nの平面との間に挟まれるように、内部平面のレベルでの深度Z1と、第nの内部平面のレベルでの深度(Zn)との間の対応する深度(Z1、...、Zn)で分布されるn個の内部平面を規定する工程、
・対応する特定の体積の表面の、ビーム方向に対して平行なそれぞれの内部平面上への投影によって形成される特定の体積の投影輪郭を規定する工程、
・特定の体積の投影輪郭(V0)によって形成され、且つ高さVz=(Zn-Z1)の円柱形の底辺内に規定される、選択された体積の好ましくは少なくとも50%、より好ましくは少なくとも75%の少なくとも所定の部分について平均線量蓄積率DRa≧DRa0をもたらすビーム走査シーケンスを選択する工程
を含み、前述の工程は、第1の特定の体積と異なるそれぞれの特定の体積について繰り返される。
・少なくとも1つの特定の体積は、表面平面(P0)から最も遠い外周表面の部分の両側に位置し、且つ標的組織から出るようにPBSのビームによって通過される細胞を含有し、
・不確定領域と称される少なくとも1つの特定の体積は、異なる比率で混在する腫瘍細胞と健康な細胞との両方を含む領域として規定され、
・少なくとも1つの特定の体積は、直径の1つ以上のビームレットによって交差される健康な組織の健康な細胞(3hi)を含有する。
・特定の体積の特定の外周表面の、表面平面への、ビーム方向に対して平行な投影によって形成される特定の体積の輪郭を規定し、
・特定の体積の輪郭と交差するか又はその中に含まれるスポットを含むスポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定し、
・第1のビームレットによって通過される第1のスポットの中心に線量を送達し、
・隣接するスポットの中心に第1のビームレットによって送達される線量を記録し、
・第1のスポットの中心の直後に照射される第2のスポットの中心を、以下の制約、
○Σm(DRa(m)-DRT(m))2を最小化することであって、ここで、DRT(m)は、各スポット(m)の標的平均線量率である、最小化すること、及び/又は
○測定される全てのスポットにわたる平均線量率(DRa(m))の平均を最大化すること、及び/又は
○各スポット(m)の平均線量率(DRa(m))を最大化すること
の1つ以上を満たすように選択し、
・スポット位置パターン(x,y)のサブセットの全てのスポットについて、第3及びその後続のスポットで前述の工程を繰り返す。
・表面平面への、ビーム方向に対して平行に投影によって形成される特定の体積の輪郭を規定し、
・特定の体積の輪郭と交差するか又はその中に含まれるスポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定し、
・サブセットのスポットの中心のそれぞれの部分について、初期のシーケンス順位をビーム走査シーケンスにおいて割り当て、
・スポットの中心が1つの順列π(p)において取り得る最大の順位上昇(h)の値、すなわち|p-q|≦hを規定し、
・M個の局所順列π(p)=qから構成される、スポットの中心の初期のシーケンス順位の第1の全順列(u=1)を規定し、ここで、pは、初期のシーケンス順位内の所与のスポットの中心の初期の順位であり、及びqは、最大の順位上昇(h)の条件での順列後の最後の順位であり、全順列は、初期のシーケンスに順次適用されるM個のそのようなπ(p)順列から構成され、
・最初のシーケンス順位(p)におけるスポットの中心の重み付けされた隣接順位の距離を、
○初期のシーケンス順位(p)のスポットの中心(cp)と、隣接するシーケンス順位(r)のスポットの中心(cr)との間の重み付けされた隣接順位の距離(Dw(p,r))をDw(p,r)=|p-r|・Ir,p(r)として規定し、ここで、|p-r|は、シーケンス順位(p)及び(r)間の順位差(D(p,r))であり、Ir,p(r)は、位置(cr)と交差するビームにより、位置(cp)のスポット上に蓄積された線量(D)であり、
○初期のシーケンス順位(p)のスポットの中心(cp)からその隣接順位の全てのスポットの中心までの重み付けされた総隣接距離(Dt(p))をDt(p)=ΣrDw(p,r)と規定する
ように規定し、
・局所順列π(p)=qのコスト(C,1(p,r))をC,1(p,r)=Dt(q)-Dt(p)として算出し、
・第1の全順列(u=1)の第1の総コストCt,1(π)=ΣpC,1(p,r)を算出し、
・選択された順位上昇(h)について、互いに異なり、且つ第1の全順列(u=1)と異なる、初期のシーケンス順位の全ての可能な第2、第3及びそれに続く全順列(u=2、3、4、...)を規定し、
・前述の工程において規定された第2、第3及びそれに続く全順列のそれぞれについて、対応する第2、第3及びそれに続く総コストCt,u(π)=ΣpC,u(p,r)を算出し、
・最も低い総コスト(Ct,u(π))をもたらす全順列(u=1、2、3、...)を選択する。
・特定の体積の特定の外周表面の、表面平面(P0)への、ビーム方向に対して平行な投影によって形成される特定の体積の輪郭(V0)を規定し、
・特定の体積の輪郭と交差するか又はその中に含まれるスポットを含むスポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定し、
・スカーフシーケンスのユニットセルを、以下の工程、
○第1のビームレットによって最初に照射される初期スポットを規定する工程、
○各々が順次互いに隣接し、且つ全てが幅方向に沿って整列された連続する第2、第3~第wのスポットを規定する工程、
○第(w+1)のスポットを、幅方向と異なる、好ましくは幅方向に対して垂直な長さ方向に沿って第wのスポットに隣接するものと規定する工程、
○各々が順次互いに隣接し、且つ全てが幅方向に沿って整列された第(w+2)~第2wのスポットを規定する工程、
○第(2w+1)のスポットを、長さ方向に沿って第2wのスポットと隣接するものと規定する工程
で規定し、
・スカーフシーケンスのユニットセルを規定する工程を、第(Aw+1)のスポット(S0v(Aw+1))から第((A+2)w+1)のスポット(S0v((A+2)w+1)(ここで、A=2~(N+2)であり)までN回繰り返し、第1のスポットと第wのスポットとを隔てる距離と等しい幅(W)及び第1のスポットと第((N+4)w+1)のスポットとを隔てる距離と等しい長さ(L)の第1のスカーフを形成し、スカーフの幅(W)は、第2wのスポットの平均線量蓄積率(DRa)が所定の値(DRa0)以上であるという制約によって限定される。
(C1)N回の分割の終了時、標的組織(3t)の全ての腫瘍細胞は、各分割において受けられる標的分割線量(Dmtj)の合計に等しい総標的線量(DmtT)を受けている必要があり(すなわちDmtT=ΣDmtj)、総標的線量は、腫瘍細胞を死滅させるための最小標的線量(DmtT0)に少なくとも等しい、すなわちDmtT=ΣDmtj≧DmtT0であること。
(C2)N回の分割の終了時、外周表面を取り囲むか又は外周表面内に包囲された健康な組織の全ての健康な細胞(3hi)は、
(C2.1)各分割jにおいて受けられる健康分割線量(Dhij)が、分割jの終了時、健康な細胞を保護するための所定の分割線量閾値を超過せず、及び
(C2.2)N回の分割の終了時に受けられ且つ積算される総健康線量(DhTi)が、N回の分割の治療の終了時、健康な細胞を保護するための所定の総線量閾値を超過しない
ように、各分割jにおいて受けられる健康分割線量(Dhij)の合計と等しい総健康線量(DhTi)を受けている必要があること(すなわちDhTi=ΣDhij)。
・基準(C1)を満たすために必要とされる、外周表面内及びその直接的な周囲に蓄積される線量を規定する線量規定工程、
・少なくとも1つの高率での分割jを規定する線量率規定工程であって、健康な細胞及び任意選択により腫瘍細胞を包囲する特定の体積の表面によって囲まれた特定の体積(Vs)は、線量蓄積率HDR=Dj/t≧1Gy/秒として規定される超高線量蓄積率(HDR)で照射され、ここで、Djは、1回の分割中に特定の体積に蓄積される線量であり、及びtは、線量Djの蓄積時間である、線量率規定工程、
・少なくとも1回の高率での分割中、PBSのビームレットの位置及び寸法を規定するビーム規定工程であって、
○ビーム方向に対して実質的に平行なビームレット軸に沿って伝播し、且つスポットの中心(cp、cr)で実質的に垂直に表面平面(P0)と交差するビームレットによって表面平面(P0)上に形成されるスポット(S01、S02)の直径(d)を規定することであって、表面平面(P0)は、少なくともスポットの中心で患者の表皮と接触する、規定すること、
○ビーム方向に対して実質的に平行な異なるビームレットによって形成されるスポット(S01、S02)の表面平面(P0)にスポット位置パターン(x,y)を規定することであって、スポット位置パターン(x,y)は、外周表面の、表面平面(P0)への、ビーム方向に対して平行な投影内に規定される全領域をスポットがカバーすることを確実にする、規定すること
を含むビーム規定工程。
本発明は、ペンシルビームスキャン(PBS)によって送達される1つ以上の荷電粒子ビームで標的組織(3t)を治療するための計画を生成するための治療計画システムに関する。標的組織の例は、健康な細胞によって取り囲まれ、及び/又は同様に健康な細胞を包囲する外周表面内に包囲された腫瘍細胞を含む、図1(b)、4(a)、4(c)、5(a)、5(c)、6(a)及び6(b)に図示され、ここで、健康な細胞は、健康な組織(3hi)を形成し、添字iは、健康な組織(3hi)の種類を示す。計画すべき多パラメータの治療が複雑であるため、TPSは、例えば、所定の基準を満たすために必要とされるビーム又はビームレットの性質及び数を最適化することを含む、治療計画を生成するように構成されるコンピュータ又はプロセッサを一般に備える。ビームの性質としては、荷電粒子の種類、ビームの強度、蓄積される線量、線量蓄積率、ビームの方向、分割の数及び頻度等が挙げられる。線量蓄積プロファイルは、図1(a)及び1(c)に図示されるようにブラッグピークを含むものであるため、荷電粒子は、陽子であることが好ましい。本発明による1つ又は複数の荷電粒子ビームは、ペンシルビームスキャン(PBS)によって送達される。計画は、照射のN回の分割からなり、ここで、N≧1であり、TPSは、以下の基準を満たすビーム照射の性質及び数を最適化する必要がある。
(C1)N回の分割の終了時、標的組織(3t)の全ての腫瘍細胞は、各分割において受けられる標的分割線量(Dmtj)の合計に等しい総標的線量(DmtT)を受けている必要があり(すなわちDmtT=ΣDmtj)、総標的線量は、腫瘍細胞を死滅させるための最小標的線量(DmtT0)に少なくとも等しい、すなわちDmtT=ΣDmtj≧DmtT0である。
(C2)N回の分割の終了時、外周表面を取り囲むか又は外周表面内に包囲された健康な組織の全ての健康な細胞(3hi)は、
(C2.1)各分割jにおいて受けられる健康分割線量(Dhij)が、分割jの終了時、健康な細胞を保護するための所定の分割線量閾値を超過せず、
(C2.2)N回の分割の終了時に受けられ且つ積算される総健康線量(DhTi)が、N回の分割の治療の終了時、健康な細胞を保護するための所定の閾値を超過しない
ように、各分割jにおいて受けられる健康分割線量(Dhij)の合計と等しい総健康線量(DhTi)を受けている必要がある(すなわちDhTi=ΣDhij)。
(O1)腫瘍細胞は、線量蓄積率(DR)とは無関係に同様に死滅する。
(O2)超過してはならない健康な組織(3hi)の所定の正常組織障害発生確率(NTCP0i)は、図2(a)~2(b)に示されるように、超高線量蓄積率(HDR)よりも従来線量蓄積率(CDR)で蓄積されるような低い線量で到達する。
(O3)標的組織(3t)の腫瘍細胞は、線量蓄積率にかかわらず、同一の放射線線量に暴露された健康な組織よりも回復時間が長い。
・少なくとも1つの高率での分割jを含む線量率規定段階であって、健康な細胞及び任意選択により腫瘍細胞を含む1つ以上の特定の体積(Vs)は、線量蓄積率HDR=Dj/t≧1Gy/秒として規定される超高線量蓄積率(HDR)で照射され、ここで、Djは、1回の分割中に特定の体積に蓄積される線量であり、及びtは、線量Djの蓄積時間である、線量率規定段階と、
・少なくとも1回の高率での分割中、PBSのビームレットの位置及び寸法を規定するビーム規定段階であって、
○ビーム方向に対して実質的に平行なビームレット軸に沿って伝播し、且つスポットの中心(cp、cr)で実質的に垂直に表面平面(P0)と交差するビームレットによって表面平面(P0)上に形成されるスポット(PBk)の直径(D)を規定することであって、表面平面(P0)は、少なくともスポットの中心で患者の表皮と接触する、規定すること、
○ビーム方向に対して実質的に平行な異なるビームレットによって形成されるスポット(PBk)の表面平面(P0)にスポット位置パターン(x,y)を規定することであって、スポット位置パターン(x,y)は、外周表面の、表面平面(P0)への、ビーム方向に対して平行な投影内に規定される全領域をスポットがカバーすることを確実にすること
を含むビーム規定段階と、
・基準(C1)を満たすために必要となる、各ビームレットによってビーム方向に沿って蓄積される線量を規定する線量規定段階と
を含む。
線量規定段階は、コンピュータ断層撮影走査(=CTスキャン)によって得られた腫瘍領域の画像に基づいて、腫瘍細胞を包囲する外周表面の形状を特定する腫瘍専門医によって一般に実施される。線量規定段階により、外周表面内に含まれる腫瘍細胞を死滅させ、従って基準(C1)を満たすために必要とされる、外周表面内及びその直接的な周囲に蓄積される線量が規定される。この段階は、当業者に公知である。また、この操作は、スポットの重みを規定するとも称される。
線量率規定段階により、腫瘍細胞を死滅させ、同時にFLASH効果の利益を享受する健康な細胞を可能な限り温存させるために、線量が局所的に蓄積される線量率が規定される。この規定は、コンピュータ断層撮影走査(=CTスキャン)によって得られた腫瘍領域の画像に基づいて、健康な細胞を含む1つ以上の特定の体積(Vs)を特定する腫瘍専門医によって一般に実施される。1つ以上の特定の体積(Vs)にFLASH効果を到達させるために、TPSは、少なくとも1回の高率での分割jを送達し、ここで、1つ以上の特定の体積(Vs)が超高線量蓄積率(HDR)で照射され、HDRが線量蓄積率HDR=Dj/t≧1Gy/秒として規定され、ここで、Djは、1回の分割中に特定の体積に蓄積される線量であり、及びtは、線量Djの蓄積時間である。
ビーム規定段階により、照射される荷電粒子の種類(好ましくは陽子)、治療に含まれる分割jの回数N並びに少なくとも1回の高率での分割中のPBSの1つ以上のビームのビームレットの位置及び寸法が規定される。また、この段階により、ビームの数及びビーム方向(z、z1、z2)、各ビームレットによって生じた、標的組織(3t)の形状に応じてSOBPの形状を規定するための同軸のビームレットの重なり、ビームレットの強度等が規定される。ビーム規定段階は、少なくとも2つの工程と、
・1つ又は一連の同軸のビームレットによって形成されるスポット(S01、S02)の直径(d)を規定する工程と、
・表面平面(P0)上のスポット位置パターン(x,y)を規定する工程と
を含む。
直径(d)のスポット(S01、S02)は、ビーム方向に対して実質的に平行なビームレット軸に沿って伝播し、スポットの中心(cp、cr)で実質的に垂直に表面平面(P0)と交差するビームレット(B1、B2)によって表面平面(P0)上に形成されており、表面平面(P0)は、少なくともスポットの中心で患者の表皮と接触する。スポットの直径は、前記ビームレットによって表面平面(P0)上に蓄積された線量分布に依存する。表面平面上の線量分布は、実質的に、図3(b)に図示されるように、表面平面(P0)とのビームレット軸の交点(cp、cr)を中心とした、分散がσ2の正規分布又はガウス分布に従う。任意の所与の深度(Zk、k=0~n)においてビームレットによって蓄積された線量(Dj)は、ビームレット軸と対応する平面(Pk、k=0~n)との間の交点(cp、cr)で最大となる。スポットの直径(d)は、線量分布の95.4%を含む対応するスポットの中心(cp、cr)を中心として、d=2×(2σ)として規定することができるか、又は代わりに線量分布の99.7%を含むd=2×(3σ)と規定することができる。スポットの直径は、d=2×(2σ)として規定されることが好ましい。
ペンシルビームスキャン(PBS)による照射には、ビーム方向に対して実質的に平行な異なるビームレットによって形成されるスポット(S01、S02)の表面平面(P0)上に規定されるスポット位置パターン(x,y)が必要となる。スポット位置パターン(x,y)により、スポット及び対応するビームレットが標的組織(3t)の全域を確実にカバーするようにしなければならない。これは、標的組織(3t)の外周表面及び標的組織(3t)を取り囲む健康な組織(3hi)の外周表面を、ビーム方向に対して平行に表面平面(P0)に投影することによって形成される、表面標的輪郭(T0)及び表面健康輪郭(H0i)を規定することによって達成できる。スポットの直径(d)が分かると、表面標的輪郭(T0)内に包囲された領域を一様にカバーするような表面平面(P0)上のスポット位置パターン(x,y)が決定される。スポット位置パターン(x,y)の一例を図4(b)及び7において概略的に図示する。
本発明の趣旨は、TPSにビームレット走査シーケンス段階を加えることであり、この走査シーケンスにより、上記で規定された必要条件(C2.1)及び(C2.2)を満たすために、平均超高線量蓄積率境界の所定の値(DRa0)以上の平均線量蓄積率(DRa)(DRa≧DRa0≧1Gy/秒)において、それぞれの特定の体積(Vs)の好ましくは50%、より好ましくは少なくとも75%の少なくとも所定の部分に線量が蓄積することを確実に保証しなければならない。平均線量蓄積率DRaは、DRa=ΣDj/Δt≧DRa0≧1Gy/秒として規定され、ここで、図3(a)に図示されているように、ΣDjは、1つ以上のビームレットによって所与の体積又はスポットに蓄積される全ての線量の百分位数の合計であり、及びΔtは、所与の体積又はスポット上に蓄積される最初の線量の百分位数と最後の線量の百分位数との間の時間である。百分位数は、典型的には蓄積された積算線量の少なくとも95%、好ましくは少なくとも98%である。
・表面平面(P0)に対して平行であり、特定の体積(Vs)が第1の平面(P1)と第nの平面(Pn)の間に挟まれるように、内部平面(P1)のレベルでの深度Z1と第nの内部平面(Pn)のレベルでの深度(Zn)との間に対応する深度(Z1、...、Zn)で分布する、n個の内部平面(P1、...、Pn)を規定する工程と、
・対応する特定の体積の表面を、ビーム方向に対して平行に、表面平面(P0)上に又はそれぞれの内部平面(P1、...Pn)上に投影することによって形成される特定の体積の投影輪郭(V0)を規定する工程と、
・特定の体積の投影輪郭(V0)によって形成され、高さVz=(Zn-Z1)の円柱形の底辺内に規定された、選択された体積の好ましくは少なくとも50%、より好ましくは少なくとも75%の少なくとも所定の部分に対して平均線量蓄積率DRa≧DRa0をもたらすビーム走査シーケンスを選択する工程と
を含む。
・上記で説明したように、ビーム方向に対して平行に表面平面(P0)に投影することによって形成される、特定の体積投影輪郭(V0)を規定することと、
・図5(b)及び6(c)に図示されるように、特定の体積の輪郭(V0)と交差するか又はその中に含まれるスポット(S0vk)を含むスポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定することと
が含まれる。
各々選択された体積(Vs)の少なくとも所定の部分に対してDRa≧DRa0をもたらすビーム走査シーケンスを選択するための第1の方法は、局所的最適化法である。全ての可能なシーケンスのDRaを計算するには、大規模な計算能力が必要とされるため、本方法は、各シーケンスの工程においてできるだけ高いDRaの値を維持することを意図して、各工程を順次最適化する。前項で述べたように、それぞれの特定の体積(Vs)は、特定の外周表面内に含まれ、それぞれの特定の体積(Vs)に対するシーケンスの最適化は、以下の工程によって開始される。
・ビーム方向に対して平行に表面平面(P0)に投影することによって形成される特定の体積の輪郭(V0)を規定すること、
・特定の体積の輪郭(V0)と交差するか又はその中に含まれるスポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定すること。
・Σm(DRa(m)-DRT(m))2を最小化することであって、ここで、DRT(m)は、各スポット(m)の標的平均線量率である、最小化すること、及び/又は
・測定される全てのスポットにわたる平均線量率(DRa(m))の平均を最大化すること、及び/又は
・各スポット(m)の平均線量率(DRa(m))を最大化すること
の1つ以上を満たすようにする。スポット位置パターン(x,y)のサブセットの全てのスポットについて、第3及びその後続のスポットで前述の工程を繰り返す。
各々選択された体積(Vs)の少なくとも所定の部分に対してDRa≧DRa0をもたらすビーム走査シーケンスを選択するための代替的な方法は、順列法である。上記で述べたように、それぞれの特定の体積(Vs)は、特定の外周表面内に含まれ、それぞれの特定の体積(Vs)に対するシーケンスの最適化は、以下の工程で開始される。
・表面平面(P0)にビーム方向に対して平行に投影することにより、特定の体積の輪郭(V0)を規定すること、
・特定の体積の輪郭(V0)と交差するか又はその中に含まれるスポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定すること。
・初期のシーケンス順位(p)のスポットの中心(cp)と、隣接するシーケンス順位(r)のスポットの中心(cr)との間の重み付けされた隣接順位の距離(Dw(p,r))をDw(p,r)=|p-r|・Ir,p(r)と規定することであって、ここで、|p-r|は、シーケンス順位(p)と(r)との間の順位差(D(p,r))であり、Ir,p(r)は、位置(cr)と交差するビームにより、位置(cp)のスポット上に蓄積された線量(D)である、規定すること、
・初期のシーケンス順位(p)のスポットの中心(cp)からその隣接順位の全てのスポットの中心までの重み付けされた隣接順位の距離の総計(Dt(p))をDt(p)=ΣrDw(p,r)と規定すること、
・局所順列π(p)=qのコスト(C,1(p,r))をC,1(p,r)=Dt(q)-Dt(p)として算出すること、
・第1の全順列(u=1)の第1の総コストCt,1(π)=ΣpC,1(p,r)を算出すること
のように規定する。
超高線量率(HDR)照射は、市販されて現在利用可能な粒子線療法システムを使用するPBSにより、小さい照射野に対して実行することができる。例えば、IBA社製のProteus Plusシステムでは、幅W=3.2cm及び長さL>40cmの照射野にHDR計画を送達することができる。この性能は、各々選択された体積(Vs)の少なくとも所定の部分に対してDRa≧DRa0をもたらすビーム走査シーケンスを選択するための代替的な方法においても利用することができ、スカーフ法とも称される。上記で述べたように、それぞれの特定の体積(Vs)は、特定の外周表面内に含まれ、それぞれの特定の体積(Vs)に対するシーケンスの最適化は、以下の工程で開始される。
・ビーム方向に対して平行に表面平面(P0)に投影することによって形成される特定の体積の輪郭(V0)を規定すること、
・特定の体積の輪郭(V0)と交差するか又はその中に含まれるスポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定すること。
・第1のビームレットによって最初に照射される初期スポット(S0v1)を規定する工程、
・各々が順次互いに隣接し、且つ全てが幅方向に沿って整列された連続する第2、第3~第wのスポットを規定する工程、
・第(w+1)のスポット(S0v(w+1))を、幅方向と異なる、好ましくは幅方向に対して垂直な長さ方向に沿って第wのスポット(S0vw)に隣接するものと規定する工程、
・各々が順次互いに隣接し、且つ全てが幅方向に沿って整列された第(w+2)~第2wのスポットを規定する工程、
・第(2w+1)のスポット(S0v(2w+1))を、長さ方向に沿って第2wのスポット(S02vw)と隣接するものと規定する工程
によって規定される。
上記で説明したTPSは、第1のビーム方向に対して平行ないくつかのビームレットで構成された単一ビームを含む。TPSが、Vsの少なくとも所定の部分を所定の値(DRa0)以上の平均線量蓄積率(DRa)(すなわちDRa≧DRa0)で確実に照射するビームレットシーケンスを規定することができなかった場合、その代わりとして多重ビーム治療計画を実行することができる。
本発明のTPSは、従来のTPSとは区別され、且つ従来のTPSと相互作用する事前最適化モジュールを含むことで、既にある「従来のTPS」に実装することができる。事前最適化モジュールは、ビームレット走査シーケンス段階のみを決定するように構成され得る。しかしながら、好ましい実施形態では、ビーム規定段階、線量率規定段階及びビームレット走査シーケンス段階は、事前最適化モジュールによって決定される。事前最適化モジュールは、後にTPSを実行するために使用する粒子線治療システムの性能を考慮して、ビーム規定段階によって決定される所与のスポット位置パターン(x,y)、ビームレット走査シーケンス段階によって規定される選択された体積(Vs)の数、寸法及び形状を構築し、これにより、線量率規定段階によって規定される線量率を有する粒子線療法システムにより、HDRで適度に照射することが可能となり、少なくともVsの所定の部分でDRa≧DRa0となることが確実となる。
上記で述べたとおり、FLASH効果は、観察結果(O1)及び(O2)を基準にして特定される。
(O1)腫瘍細胞は、線量蓄積率(DR)とは無関係に同様に死滅する。
(O2)超過してはならない健康な組織(3hi)の所定の正常組織障害発生確率(NTCP0i)は、図4(a)~4(b)に示されるように、超高線量蓄積率(HDR)よりも従来線量蓄積率(CDR)で蓄積されるような低い線量で到達する。
・従来健康分割線量(Dchij)と、
・α≦1、好ましくはα>0.5の等価係数(α)及び高率健康分割線量(Dhhij)の積と
の合計Dmhij=(Dchij+αDhhij)として規定できる。
(C2.1)各分割jにおいて受けられる健康分割線量(Dhij)は、分割jの終了時、健康な細胞を保護するための所定の分割線量閾値を超過せず、
(C2.2)N回の分割の終了時に受けられ且つ積算される総健康線量(DhTi)は、N回の分割の治療の終了時、健康な細胞を保護するための所定の閾値を超過しない。
上記に規定した等価健康分割線量(Dmhij)を考慮すると、条件(C2.1)は、等価健康分割線量、Dmhij=Dchij+αDhhij≦Dch0ijを確実なものにすることによって満たすことができ、ここで、Dch0ijは、健康な細胞を保護するために分割の間に超過してはならない最大従来健康分割線量である。第2の基準(C2.2)は、等価健康線量、DmhTi=ΣDmhij=Σ(Dchij+αDhhij)≦DchT0iを確実なものにすることによって満たすことができ、ここで、DchT0iは、健康な細胞を保護するために超過してはならないN回の分割jにわたって積算された最大従来健康線量である。
・CDRのみでの場合、Dhhij=0、従ってDmhij=Dhijとなり、健康な組織(3hi)を保護するために超過してはならない水平の破線Dmhij=Dch0ijがDhij=Dch0ijの値で交差する、図2(c)の「Dhhij=0(CDR)」と標記された傾き1の直線を規定し、
・HDRのみでの場合、Dchij=0、従ってDmhij=αDhijとなり、健康な組織(3hi)を保護するために超過してはならない水平の破線Dmhij=Dch0ijがDhij=Dhh0ijの値で交差する、図2(c)の「Dchij=0(HDR)」と標記された傾きα=1/kの直線を規定する。
特定の体積(Vs)に存在する健康な細胞を温存するための、FLASH効果によって到達すべき平均超高線量蓄積率境界(DRa0)は、上記で説明した等価健康分割線量(Dmhij)を使用して決定することができる。例えば、図2(a)に図示されるような所与の健康な組織(3hi)に関するNTCP曲線を使用し、所定の傷害発生確率(NTCP0i)の値を固定して(例えば、NTCP0i=50%であり、この値は、臨床医によって規定することができる)、所定のNTCP0iの値の範囲内で所与の線量を蓄積させるために必要となる平均超高線量蓄積率境界(DRa0)の最小値を、図2(a)の横軸のNTCP0i曲線と所与の線量の値との交点に相当する図2(a)の縦軸の線量蓄積率の値(DR)を読み取ることによるものである。DRa0の値が一度構築されると、治療を計画する様々な段階を実行して、治療計画を確立することが可能となる。必要とされる平均超高線量蓄積率境界(DRa0)が高すぎて、特定の体積の少なくとも所定の部分を平均線量蓄積率で確実に照射することができない場合、DRa≧DRa0となるように、より低い線量値で作業を繰り返すか、又は上記で説明したように、異なるビーム方向の2つ以上のビームを使用して繰り返すことができる。
本発明のTPSでは、FLASH効果が得られるか否かの決定パラメータとして、初めて平均線量蓄積率(DRa)を考慮に入れている。また、治療に使用する粒子線治療システムの性能も考慮に入れている。この問題は、PBSによって標的を照射することによって生じるものであり、これは、特定の一部の体積、続いて2番目の特定の体積などと、標的の全体積が照射されるまで順次線量を蓄積することが関与している。PBSは、ビームレットが第1のスポットを中心とした軌道に沿って標的組織を照射する、離散的なPBSであり得る。続いて、シーケンスにおける第1のスポットからシーケンスにおける第2のスポットにビームレットを移動させるのに必要となる時間の間、ビームレットを中断させ、それからビームレットを再び駆動して、第2のスポットを中心とした軌道に沿って標的組織を照射する。代わりに、PBSは、シーケンスにおいて第1のスポットから第2のスポットに移行する間にビームレットが中断されることのない連続的なPBSであり得る。例えば、スカーフ法は、離散的なPBSと連続的なPBSとの両方を実行するのに適している。
3hi 健康な組織i
3t 標的組織
3z 不確定領域
B,B1,B2,Bm 粒子ビーム
CDR 従来線量蓄積率
D 線量
d スポットの直径
Dch0ij 最大従来健康分割線量
DchT0i N回の分割jにわたって積算された最大従来健康線量
Dchij 従来健康分割線量
DctT 従来標的線量
Dctj 従来標的分割線量
Dhhij 高率健康分割線量
Dhh0ij 最大高率健康分割線量
Dhij Dhij=Dchij+Dhhijである健康分割線量
DhTi DhTi=ΣDhij=Σ(Dchij+Dhhij)であるN回の分割jにわたって積算された総健康線量
Dj ビームレットjによってある点に蓄積された線量j
Dmhij Dmhij=Dchij+αDhhijである等価健康分割線量
DmhTi DmhTi=ΣDmhij=Σ(Dchij+αDhhij)であるN回の分割jにわたって積算された総等量健康線量
Dmtj Dmtj=Dctj+Dhtjである標的分割線量
DmtT DmtT=DctT+DhtTである総標的線量
DmtT0 最小標的線量
DR 線量蓄積率(又は蓄積率)
DRa 平均蓄積率
DRa0 平均超高線量蓄積率境界
DR1-DRk 所与の点で1つのビームレットによって蓄積された線量蓄積率
H0i zに対して平行なP0に投影される健康な組織の輪郭
HDR 超高線量蓄積率
k 超高線量蓄積率でのCDR/HDR比例定数、(=1/α)
L スカーフの長さ
NTCP 正常組織障害発生確率
NTCP0i 健康な組織(3hi)の最大NTCP値
P0 皮膚水平面においてビーム方向に対して垂直な表面平面
P2 Pn ビーム方向に対して垂直な内部平面
PBS ペンシルビームスキャン
S0m スポット位置パターン(x,y)に定義される平面P0におけるスポット
S0vm スポット位置パターン(x,y)のサブセットに定義される平面P0におけるスポット
SOBP ブラッグピークの合計
T0 zに対して平行なP0に投影される標的組織の輪郭
V0 zに対して平行なP0に投影される特定の体積の輪郭
V1-Vn 特定の体積(Vs)と面P1~Pnとの交点
Vs 特定の体積
W スカーフの幅
w スカーフの幅内のスポットの数
x,y 深度(z)でのビームに対して垂直な平面を定義するベクトル
xH HDR比率=Dhhij/(Dchij+Dhhij)
z,z1,z2 透過深度及びビーム方向
Z0 Z=0(皮膚)
Z2-Zn zに沿った内部平面P2~Pnの深度
a 等価係数(Dmhij=Dchij+αDhhij)
Δt ある点における連続するビームレットによる線量蓄積の合計時間
Claims (15)
- 健康な細胞によって取り囲まれ、及び/又は同様に健康な細胞を包囲する外周表面内に包囲された腫瘍細胞を含む標的組織(3t)にペンシルビームスキャン(PBS)によって適用される荷電粒子ビームによる放射線によって治療するための計画を生成するための治療計画システム(TPS)であって、前記健康な細胞は、健康な組織(3hi)を形成し、添字iは、健康な組織(3hi)の種類を示し、前記計画は、照射のN回の分割からなる治療を規定し、ここで、N≧1であり、及び前記計画は、以下の複数の基準、
基準C1:前記N回の分割の治療の終了時、前記標的組織(3t)の全ての腫瘍細胞は、各分割において受けられる標的分割線量(Dmtj)の合計に等しい総標的線量(DmtT)を受けている必要があり(すなわちDmtT=ΣDmtj)、前記総標的線量は、前記腫瘍細胞を死滅させるための最小標的線量(DmtTO)に少なくとも等しい、すなわちDmtT=ΣDmtj≧DmtTOであること、
基準C2:前記N回の分割の治療の終了時、前記外周表面を取り囲むか又は前記外周表面内に包囲された前記健康な組織の全ての健康な細胞(3hi)は、
基準C2.1:各分割において受けられる健康分割線量(Dhij)が、前記分割の治療の終了時、前記健康な細胞を保護するための所定の分割線量閾値を超過せず、及び
基準C2.2:前記N回の分割の治療の終了時に受けられ且つ積算される総健康線量(DhTi)が、N回の分割の治療の終了時、前記健康な細胞を保護するための所定の総線量閾値を超過しない
を満たすように、各分割において受けられる前記健康分割線量(Dhij)の合計と等しい前記総健康線量(DhTi)を受けている必要があること(すなわちDhTi=ΣDhij)、
を満たし、
前記TPSは、前記複数の基準を満たすために、以下、
・前記基準C1を満たすために必要とされる、前記外周表面内及びその直接的な周囲に蓄積される線量を規定する線量規定段階、
・少なくとも1つの高率での分割を含む線量率規定段階であって、健康な細胞及び任意選択により腫瘍細胞を包囲する特定の体積の表面によって囲まれた特定の体積(Vs)は、線量蓄積率HDR=Dj/t≧1Gy/秒として規定される超高線量蓄積率(HDR)で照射され、ここで、Djは、1回の分割中に特定の体積に蓄積される線量であり、及びtは、前記線量Djの蓄積時間である、線量率規定段階、
・前記少なくとも1回の高率での分割中、前記PBSのビームレットの位置及び寸法を規定するビーム規定段階であって、
○ビーム方向に対して平行なビームレット軸に沿って伝播し、且つスポットの中心(cp、cr)で垂直に表面平面(P0)と交差するビームレットによって前記表面平面(P0)上に形成されるスポット(S01、S02)の直径(d)を規定することであって、前記表面平面(P0)は、少なくとも前記スポットの中心で患者の表皮と接触する、規定すること、
○前記ビーム方向に対して平行な異なるビームレットによって形成される前記スポット(S01、S02)の前記表面平面(P0)にスポット位置パターン(x,y)を規定することであって、それにより、前記スポット位置パターン(x,y)は、前記外周表面の、前記表面平面(P0)への、前記ビーム方向に対して平行な投影内に規定される全領域を前記スポットがカバーすることを確実にする、規定すること
を含むビーム規定段階、
により、前記計画を生成し、ビーム若しくはビームレットの性質及び数を最適化するように構成されているコンピュータ又はプロセッサ
を含む、治療計画システム(TPS)において、
前記ビームレットの照射の走査シーケンスを規定するビームレット走査シーケンス段階を含み、前記ビームレット走査シーケンス段階は、分割の終了時、上記で規定された前記基準C2.1及び基準C2.2を満たすために、平均超高線量蓄積率境界の所定の値(DRa0)以上の平均蓄積率(DRa)(DRa≧DRa0)において、それぞれの特定の体積(Vs)の少なくとも所定の部分に線量が蓄積されるように、前記ビーム規定段階で規定された前記スポット位置パターン(x,y)に従ってビームレット放射の時間シーケンスを最適化し、
DRaは、DRa=ΣDj/Δt≧DRa0≧1Gy/秒として規定され、ここで、ΣDjは、1つ以上のビームレットによって所与の体積に蓄積される全ての線量の百分位数の合計であり、前記百分位数は、少なくとも95%であり、及びΔtは、前記所与の体積に蓄積される最初の線量と最後の線量との間の時間であることを更に特徴とする、治療計画システム(TPS)。 - 前記ビーム規定段階は、
・前記標的組織(3t)の前記外周表面及び前記標的組織(3t)を取り囲む前記健康な組織(3hi)の外周表面の、前記ビーム方向に対して平行な前記表面平面(P0)への投影によって形成される表面標的輪郭(T0)及び表面健康輪郭(H0i)を規定すること、
・前記表面平面(P0)上のスポット直径及びスポット位置パターン(x,y)が、前記表面標的輪郭内に包囲された領域を一様にカバーするように決定されること
を含む、請求項1に記載の治療計画システム。 - 前記スポット位置パターン(x,y)に従って分布される2つの隣接する陽子ビームレットの前記ビーム軸は、1.2~2.5倍の標準偏差σに含まれる距離だけ互いに隔てられ、σ2は、前記2つの隣接する陽子ビームレットによって形成される前記表面平面(P0)上の前記スポットにおけるガウス線量分布の分散である、請求項2に記載の治療計画システム。
- 第1の特定の体積(Vs)は、前記表面平面(P0)から前記ビーム方向(z)に沿って測定される距離Vz=(Zn-Z1)に沿って延び、前記ビームレット走査シーケンス段階は、以下の複数のステップ、
・前記表面平面(P0)に対して平行なn個の内部平面(P1、...、Pn)であって、前記特定の体積(Vs)が前記第1の平面(P1)と前記第nの平面(Pn)との間に挟まれるように、前記内部平面(P1)のレベルでの深度Z1と、前記第nの内部平面(Pn)のレベルでの深度(Zn)との間の対応する深度(Z1、...、Zn)で分布されるn個の内部平面(P1、...、Pn)を規定することと、
・前記対応する特定の体積の表面の、前記ビーム方向に対して平行な前記それぞれの内部平面(P0、P1、...Pn)上への投影によって形成される特定の体積の投影輪郭(V0)を規定することと、
・前記特定の体積の投影輪郭(V0)によって形成され、且つ高さVz=(Zn-Z1)の円柱形の底辺内に規定される、選択された体積の少なくとも前記所定の部分について平均線量蓄積率DRa≧DRa0をもたらす前記ビームレット走査シーケンスを選択することと
を含み、前記複数のステップは、前記第1の特定の体積と異なるそれぞれの特定の体積(Vs)について繰り返される、請求項2又は3に記載の治療計画システム。 - 前記特定の体積(Vs)は、
・少なくとも1つの特定の体積が、前記表面平面(P0)から最も遠い前記外周表面の部分の両側に位置し、且つ前記標的組織(3t)から出るように前記PBSの前記ビームによって通過される、細胞を含有すること、
・不確定領域(3z)と称される少なくとも1つの特定の体積が、異なる比率で混在する腫瘍細胞と健康な細胞との両方を含む領域として規定されること、
・少なくとも1つの特定の体積が、直径(d)の1つ以上のビームレットによって交差される健康な組織(3hi)の健康な細胞を含有すること
の1つ以上に従って規定される、請求項1~4のいずれか一項に記載の治療計画システム。 - それぞれの特定の体積(Vs)は、特定の外周表面内に含まれ、それぞれの特定の体積(Vs)のための前記ビームレット走査シーケンス段階は、以下、
・前記特定の体積の前記特定の外周表面の、前記表面平面(P0)への、前記ビーム方向に対して平行な投影によって形成される特定の体積の輪郭(V0)を規定する工程、
・前記特定の体積の輪郭(V0)と交差するか又はその中に含まれる前記スポット(SOvk)を含む、前記スポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定する工程、
・隣接するスポットの中心(cr)に第1のビームレットによって送達される前記線量を記録する工程、
・前記第1のスポットの中心(cp)の直後に照射される第2のスポットの中心(cr)を、以下の制約、
○Σm(DRa(m)-DRT(m))2を最小化することであって、ここで、DRT(m)は、各スポット(m)の標的平均線量率である、最小化すること、及び/又は
○測定される全ての前記スポットにわたる前記平均線量率(DRa(m))の平均を最大化すること、及び/又は
○各スポット(m)の前記平均線量率(DRa(m))を最大化すること
の1つ以上を満たすように選択する工程、
・前記スポット位置パターン(x,y)の前記サブセットの前記全てのスポットについて、第3及びその後続のスポットで上述の工程を繰り返す工程
のとおりに定められる、請求項1~5のいずれか一項に記載の治療計画システム。 - それぞれの特定の体積(Vs)は、特定の外周表面内に含まれ、それぞれの特定の体積(Vs)のための前記ビームレット走査シーケンス段階は、以下、
・前記特定の体積の前記特定の外周表面の、前記表面平面(P0)への、前記ビーム方向に対して平行な投影によって形成される特定の体積の輪郭(V0)を規定する工程、
・前記特定の体積の輪郭(V0)と交差するか又はその中に含まれる前記スポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定する工程、
・前記サブセットの前記スポットの中心(cp、cr)のそれぞれの部分について、初期のシーケンス順位を前記ビームレット走査シーケンスにおいて割り当てる工程、
・スポットの中心が1つの順列π(p)において取り得る最大の順位上昇(h)の値、すなわち|p-q|≦hを規定する工程、
・M個の局所順列π(p)=qから構成される、前記スポットの中心の前記初期のシーケンス順位の第1の全順列(u=1)を規定する工程であって、ここで、pは、前記初期のシーケンス順位内の所与のスポットの中心の初期の順位であり、及びqは、最大の順位上昇(h)の条件での前記順列後の最後の順位であり、前記全順列は、前記初期のシーケンスに順次適用されるM個のそのようなπ(p)順列で構成される、工程、
・最初のシーケンス順位(p)におけるスポットの中心(cp、cr)の重み付けされた隣接順位の距離を、
○前記初期のシーケンス順位(p)の前記スポットの中心(cp)と、隣接するシーケンス順位(r)のスポットの中心(cr)との間の重み付けされた隣接順位の距離(Dw(p,r))をDw(p,r)=|p-r|・Ir,p(r)として規定することであって、ここで、|p-r|は、シーケンス順位(p)及び(r)間の順位差(D(p,r))であり、Ir,p(r)は、前記位置(cr)と交差するビームにより、位置(cp)の前記スポット上に蓄積された線量(D)である、規定すること
○前記初期のシーケンス順位(p)の前記スポットの中心(cp)からその隣接順位の全てのスポットの中心までの重み付けされた総隣接距離(Dt(p))をDt(p)=ΣrDw(p,r)と規定すること
のように規定する工程、
・局所順列π(p)=qのコスト(C,1(p,r))をC,1(p,r)=Dt(q)-Dt(p)として算出する工程、
・前記第1の全順列(u=1)の第1の総コストCt,1(π)=ΣpC,1(p,r)を算出する工程、
・前記選択された順位上昇(h)について、互いに異なり、且つ前記第1の全順列(u=1)と異なる、前記初期のシーケンス順位の全ての可能な第2、第3及びそれに続く全順列(u=2、3、4、...)を規定する工程、
・先行する工程において規定された前記第2、第3及びそれに続く全順列のそれぞれについて、対応する第2、第3及びそれに続く総コストCt,u(π)=ΣpC,u(p,r)を算出する工程、
・最も低い総コスト(Ct,u(π))をもたらす前記全順列(u=1、2、3、...)を選択する工程
のとおりに定められる、請求項1~5のいずれか一項に記載の治療計画システム。 - それぞれの特定の体積(Vs)は、特定の外周表面内に含まれ、それぞれの特定の体積(Vs)のための前記ビームレット走査シーケンス段階は、以下、
・前記特定の体積の前記特定の外周表面の、前記表面平面(P0)への、前記ビーム方向に対して平行な投影によって形成される特定の体積の輪郭(V0)を規定する工程、
・前記特定の体積の輪郭(V0)と交差するか又はその中に含まれる前記スポット(SOvk)を含む前記スポット位置パターン(x,y)のサブセットを規定する工程、
・スカーフシーケンスのユニットセルを、以下の工程、
〇第1のビームレットによって最初に照射される初期スポット(S0v1)を規定する工程、
〇各々が順次互いに隣接し、且つ全てが幅方向に沿って整列された連続する第2、第3~第wのスポットを規定する工程、
〇第(w+1)のスポット(S0v(w+1))を、前記幅方向と異なる長さ方向に沿って前記第wのスポット(S0vw)に隣接するものと規定する工程、
〇各々が順次互いに隣接し、且つ全てが前記幅方向に沿って整列された第(w+2)~第2wのスポットを規定する工程、
〇第(2w+1)のスポット(S0v(2w+1))を、前記長さ方向に沿って前記第2wのスポット(S02vw)と隣接するものと規定する工程
で規定する工程、
・前記スカーフシーケンスのユニットセルを規定する前記工程を、第(Aw+1)のスポット(S0v(Aw+1))から第((A+2)w+1)のスポット(S0v((A+2)w+1)(ここで、Aは、2以上(N+2)以下である)までN回繰り返し、前記第1のスポットを前記第wのスポットから隔てる距離と等しい幅(W)及び前記第1のスポットを第((N+4)w+1)のスポットから隔てる距離と等しい長さ(L)の第1のスカーフを形成する工程であって、前記スカーフの前記幅(W)は、前記第2wのスポットの前記平均線量蓄積率(DRa)が前記所定の値(DRa0)以上である(DRa(S0v(2w))≧DRa0)という前記制約によって限定される、工程
のとおりに定められる、請求項1~5のいずれか一項に記載の治療計画システム。 - 前記特定の体積(Vs)は、前記第1のスカーフの前記幅(W)よりも大きい幅を有し、前記ビームレット走査シーケンス段階は、各々が前記第1のスカーフに対して平行であり、且つ第1、第2及びそれに続くスカーフのシーケンスにおいて、先行するスカーフに隣接するか又はわずかに当たっている第2並びに任意選択により第3及びそれに続くスカーフのシーケンスを規定するように更に含む、請求項8に記載の治療計画システム。
- 前記ビーム規定段階、前記線量率規定段階及び前記ビームレット走査シーケンス段階は、前記従来のTPSシステムとは別個であって、前記従来のTPSシステムと相互作用する事前最適化モジュールにより決定される、請求項1~9のいずれか一項に記載の治療計画システム。
- 前記線量率規定段階は、所与の線量(Di)がビームレットによって送達され得る最高線量率(DRmax)をDRmax=8Imax,K(E)として規定し、ここで、Imaxは、陽子加速器のノズルが送達し得る最大強度(Imax)であり、及びK(E)は、陽子フルエンス(1cm2当たりの陽子と表現される)を前記陽子ビームの入射エネルギーと関連付ける公知の関数である、請求項1~10のいずれか一項に記載の治療計画システム。
- ・単一ビーム治療計画は、第1のビーム方向に対して平行ないくつかのビームレットで構成された単一ビームを使用するビームレット走査シーケンスを最初に決定され、
・前記特定の体積の前記所定の部分未満が前記所定の値(DRaO)以上の平均線量蓄積率(DRa)で照射される場合、多重ビーム治療計画は、少なくともスポットの前記所定の部分がDRa>DRa0で照射されるまで、それぞれがいくつかのビームレットで構成され、且つそれぞれが異なるビーム方向に対して平行であり、全てが互いに割線である2つのビーム又はより多くのビームを使用して決定される、請求項1~11のいずれか一項に記載の治療計画システム。 - 前記線量規定段階は、前記スポット位置パターン(x,y)の各スポットの透過深度(z)に沿って最適化されたブラッグピークの合計(SOBP)を有するビームレットを規定するためのエネルギー成形デバイスを規定することを含む、請求項1~12のいずれか一項に記載の治療計画システム。
- 健康な細胞によって取り囲まれ、及び/又は同様に健康な細胞を包囲する外周表面内に包囲された腫瘍細胞を含む標的組織(3t)にペンシルビームスキャン(PBS)によって適用される荷電粒子ビームによる放射線によって治療するための計画を生成するためのコンピュータ実装方法であって、前記健康な細胞は、健康な組織(3hi)を形成し、添字iは、健康な組織(3hi)の種類を示し、前記計画は、照射のN回の分割からなる治療を定義し、ここで、N≧1であり、及び前記計画は、以下の複数の基準、
基準C1:前記N回の分割の治療の終了時、前記標的組織(3t)の全ての腫瘍細胞は、各分割において受けられる標的分割線量(Dmtj)の合計に等しい総標的線量(DmtT)を受けている必要があり(すなわちDmtT=ΣDmtj)、前記総標的線量は、前記腫瘍細胞を死滅させるための最小標的線量(DmtTO)に少なくとも等しい、すなわちDmtT=ΣDmtj≧DmtTOであること、
基準C2:前記N回の分割の治療の終了時、前記外周表面を取り囲むか又は前記外周表面内に包囲された前記健康な組織の全ての健康な細胞(3hi)は、
基準C2.1:各分割において受けられる健康分割線量(Dhij)が、前記分割の治療の終了時、前記健康な細胞を保護するための所定の分割線量閾値を超過せず、及び
基準C2.2:前記N回の分割の治療の終了時に受けられ且つ積算される総健康線量(DhTi)が、N回の分割の治療の終了時、前記健康な細胞を保護するための所定の総線量閾値を超過しない
を満たすように、各分割において受けられる前記健康分割線量(Dhij)の合計と等しい前記総健康線量(DhTi)を受けている必要があること(すなわちDhTi=ΣDhij)、
を満たし、
前記TPSは、前記複数の基準を満たすために、以下、
・前記基準C1を満たすために必要とされる、前記外周表面内及びその直接的な周囲に蓄積される線量を規定する線量規定段階、
・少なくとも1つの高率での分割を含む線量率規定段階であって、健康な細胞及び任意選択により腫瘍細胞を包囲する特定の体積の表面によって囲まれた特定の体積(Vs)は、線量蓄積率HDR=Dj/t≧1Gy/秒として規定される超高線量蓄積率(HDR)で照射され、ここで、Djは、1回の分割中に特定の体積に蓄積される線量であり、及びtは、前記線量Djの蓄積時間である、線量率規定段階
・前記少なくとも1回の高率での分割中、前記PBSのビームレットの位置及び寸法を規定するビーム規定段階であって、
○ビーム方向に対して平行なビームレット軸に沿って伝播し、且つスポットの中心(cp、cr)で垂直に表面平面(P0)と交差するビームレットによって前記表面平面(P0)上に形成されるスポット(S01、S02)の直径(d)を規定することであって、前記表面平面(P0)は、少なくとも前記スポットの中心で患者の表皮と接触する、規定すること、
○前記ビーム方向に対して平行な異なるビームレットによって形成される前記スポット(S01、S02)の前記表面平面(P0)にスポット位置パターン(x,y)を規定することであって、それにより、前記スポット位置パターン(x,y)は、前記外周表面の、前記表面平面(P0)への、前記ビーム方向に対して平行な投影内に規定される全領域を前記スポットがカバーすることを確実にする、規定すること
を含むビーム規定段階、
により、前記計画を生成し、ビーム若しくはビームレットの性質及び数を最適化するように構成されているコンピュータ又はプロセッサ
を含む、方法において、
前記ビームレットの照射の走査シーケンスを規定するビームレット走査シーケンス段階を含み、前記ビームレット走査シーケンス段階は、分割の終了時、上記で規定された前記基準C2.1及び基準C2.2を満たすために、平均超高線量蓄積率境界の所定の値(DRa0)以上の平均蓄積率(DRa)(DRa≧DRa0)において、それぞれの特定の体積(Vs)の少なくとも所定の部分に線量が蓄積されるように、前記ビーム規定段階で規定された前記スポット位置パターン(x,y)に従ってビームレット放射の時間シーケンスを最適化し、
DRaは、DRa=ΣDj/Δt≧DRa0≧1Gy/秒として規定され、ここで、ΣDjは、1つ以上のビームレットによって所与の体積に蓄積される全ての線量の百分位数の合計であり、前記百分位数は、少なくとも95%であり、及びΔtは、前記所与の体積に蓄積される最初の線量と最後の線量との間の時間であることを更に特徴とする、コンピュータ実装方法。 - 請求項1~13のいずれか一項に記載の治療計画システム(TPS)は、前記方法を実行するために使用される、請求項14に記載のコンピュータ実装方法。
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