JP7437491B2 - 照射パラメータ選択装置及びその使用方法、該装置を含む制御システム及びその使用方法 - Google Patents
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Description
本発明は、放射線療法の分野に関し、特に照射パラメータ選択装置及びその使用方法、該装置を含む制御システム及びその使用方法に関する。
原子科学の発展に従って、コバルト６０、線形加速器、電子ビーム等の放射線療法は、すでにがん治療の主な手段の一つとなった。しかし、従来の光子又は電子療法は、放射線そのものの物理的条件の制限で腫瘍細胞を殺すとともに、ビーム経路上の数多くの正常組織に損傷を与える。また、腫瘍細胞により放射線に対する感受性の度合いが異なっており、従来の放射線療法では、放射線耐性の高い悪性腫瘍（例えば、多形神経膠芽腫（ｇｌｉｏｂｌａｓｔｏｍａ ｍｕｌｔｉｆｏｒｍｅ）、黒色腫（ｍｅｌａｎｏｍａ））に対する治療効果が良くない。
腫瘍の周囲の正常組織の放射線損傷を軽減するすために、化学療法（ｃｈｅｍｏｔｈｅｒａｐｙ）における標的療法が、放射線療法に用いられている。また、放射線耐性の高い腫瘍細胞に対し、現在では生物学的効果比（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ、ＲＢＥ）の高い放射線源が積極的に開発されている（例えば、陽子線治療、重粒子治療、中性子捕捉療法等）。このうち、中性子捕捉療法は、上記の２つの構想を結びつけたものである。例えば、ホウ素中性子捕捉療法（Ｂｏｒｏｎ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ Ｔｈｅｒａｐｙ、ＢＮＣＴ）では、ホウ素含有薬物が腫瘍細胞に特異的に集まり、高精度な中性子ビームの制御と合わせることで、従来の放射線と比べて、より良いがん治療オプションを提供する。
ホウ素中性子捕捉療法は、ホウ素（１０Ｂ）含有薬剤が熱中性子に対して大きい捕獲断面積を持つ特性を利用し、１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉ中性子捕捉と核分裂反応により、４Ｈｅと７Ｌｉという２種の重荷電粒子を生成する。２種の粒子の総放射距離が約１つの細胞のサイズに近いので、生体への放射線損傷を細胞レベルに限定することができ、ホウ素含有薬物を腫瘍細胞に選択的に集めると、適切な中性子源と合わせることで、正常組織に大きな損傷を与えないで腫瘍細胞を部分的に殺せる目的を達成することができる。
従来の中性子捕捉療法計画システムにおいて、その照射幾何学的角度は、いずれも人手で経験に基づいて判断されて定義される。人体の構造が非常に複雑であり、様々な組織又は器官の放射に対する感度も大きく異なるため、単に人手で判断すると、より良好な照射角度が見落されて、治療効果を大きく低減する可能性がある。技術の発展に伴い、ソフトウェアを用いて複数の異なる照射角度の評価値を計算し、評価値に応じて最適な照射点及び照射角度を選択し始めているが、ソフトウェアの計算結果により選択された最適な照射点及び照射角度は、理論的に最適なものであり、実際の操作過程において実施不可能である可能性があり、治療効果の最適化及び治療計画の実施可能性を達成するために、ビームの照射点及び照射角度の選択をさらに最適化する必要がある。
したがって、実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択する照射パラメータ選択装置を提供する必要がある。
また、中性子捕捉療法を行う前に、ビームの実施可能な最適な照射点及び照射角度を見つけ、次に、患者を載置する載置台を照射室内に移動して、載置台及び患者のセットアップによりビームを予め見つけ出された実施可能な最適な照射点及び照射角度で照射できるまで位置を調整する。この過程は、煩雑で、時間がかかり、中性子捕捉療法装置の使用効率を低下させ、そしてセットアップを長時間連続して調整すると、患者が耐えにくく、操作者も疲れている。セットアップ時間を減少させ、装置の使用効率を向上させるために、載置台のセットアップ過程をさらに最適化する必要がある。
したがって、載置台を迅速に所定の位置に調整することを実現できる方法を提供する必要がある。
従来技術の欠陥を克服するために、本願の一態様に係る、照射点及び照射角度を含む実施可能な最適な照射パラメータを選択できる照射パラメータ選択装置は、複数組の照射点及び照射角度を選択するサンプリング部と、各組の照射点及び照射角度に対応する評価値を算出する計算部と、計算部により算出された評価値に基づいて、サンプリングされた全ての照射点及び照射角度から１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択する最適選択部と、を含む。
更に、前記計算部は、中性子ビームが患者に入った後に入射したデプスと、透過した器官の種類とを算出し、次に中性子ビームが人体を透過した軌跡情報に基づいて腫瘍が該組の照射点及び照射角度に対応する最大の治療可能デプス範囲内にあるか否かを判断し、そうであれば、この軌跡情報を根拠としてユーザが設定した器官ホウ素含有濃度、器官放射感度係数及び中性子ビーム特性情報等のデータに合わせて該組の照射点及び照射角度に対応する評価値を計算する。
更に、前記最適選択部は、サンプリングされた全ての照射点及び照射角度から、実際の照射過程において実施不可能な照射点及び照射角度を取り除き、１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択する。
本願の別の態様に係る上記照射パラメータ選択装置の使用方法は、サンプリング部によって、患者の例えばＣＴ又はＭＲＩ又はＰＥＴ－ＣＴ等の明確な人体解剖が有する映像を読み取り、各器官、組織及び腫瘍の輪郭を１つずつ定義し、設定された材料種類及び密度を与え、輪郭、材料及び密度の定義を完成した後、中性子ビームの照射点及び照射角度を選択するステップと、計算部によって、中性子ビームが器官を透過した軌跡を計算し、即ち、中性子ビームが人体に入った後に透過した器官の種類及びその厚さを算出し、中性子ビームが人体を透過した軌跡情報を取得した後、腫瘍が最大の治療可能デプス範囲内にあるか否かを判断し、そうであれば、この軌跡情報を根拠としてユーザが設定した器官ホウ素含有濃度、器官放射感度係数及び中性子ビーム特性等の情報に合わせて該照射点及び照射角度に対応する評価値を計算し、そうでなければ、最悪の評価値を与え、評価値の計算を完成した後、照射点、照射角度及び対応する評価値を記録するステップと、最適選択部によって、サンプリングされた全ての照射パラメータから１組の実施可能な最適な照射パラメータを選択するステップと、を含む。
更に、前記照射点及び照射角度の選択は、順方向選択又は逆方向選択であってもよく、順方向選択では、照射点を人体外の位置に決定し、一定の角度又は距離間隔で順にサンプリングしてもよく、ランダムサンプリングの方式でサンプリングしてもよく、逆方向選択では、照射点を腫瘍の範囲内に決定し、照射点が腫瘍の重心又は最奥であってもよく、照射角度をランダムにサンプリングするか又は所定の間隔角度でサンプリングしてもよく、中性子ビームの角度が照射点から腫瘍の重心又は腫瘍の最奥までのベクトル方向に設定されてもよい。
更に、前記最適選択部は、各組の照射点及び照射角度の優劣を順位付けした後、１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を見つけるまで、優劣の順位で各組の照射点及び照射角度が実施可能であるか否かを検証する。
更に、評価値を計算した後、前記最適選択部は、まず、全ての実施不可能な照射点及び照射角度を見つけ、次に、これらの実施不可能な照射点及び照射角度を取り除き、最後に、残りの照射点及び照射角度から最適な１組を選択する。
更に、前記最適選択部は、評価値を計算する前に、実施不可能な照射点及び照射角度を予め取り除き、計算を完成した後に最適な１組を選択する。
更に、前記計算部は、照射点、照射角度及び対応する評価値のデータを３Ｄ又は２Ｄ画像の形態で出力する。
更に、前記最適選択部の最適選択プロセスは、完全に関連装置により自動的に行われてもよく、部分的に人手で行われてもよい。
本願の第３の態様に係る、患者を載置する載置台を含む中性子捕捉療法装置を制御し、載置台を所定の位置に迅速に調整することができる制御システムは、実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択する照射パラメータ選択装置と、実施可能な最適な照射点及び照射角度のパラメータを載置台の移動予定の位置の座標パラメータに変換する変換部と、載置台を変換部から得られた座標位置に調整する調整部と、を含む。
更に、前記照射パラメータ選択装置は、複数組の照射点及び照射角度を選択するサンプリング部と、各組の照射点及び照射角度に対応する評価値を計算する計算部と、計算部により算出された評価値に基づいて、サンプリングされた全ての照射点及び照射角度から１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択する最適選択部と、を含む。
更に、前記変換部は、患者のＣＴ／ＭＲＩ／ＰＥＴ－ＣＴ情報、セットアップ情報、載置台の構造情報等に合わせて、実施可能な最適な照射点及び照射角度のパラメータを、照射過程における載置台の移動予定の位置の座標パラメータに変換する。
本願の第４の態様に係る上記制御システムの使用方法は、照射パラメータ選択装置によって、実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択するステップと、変換部によって、実施可能な最適な照射点及び照射角度のパラメータを載置台の移動予定の位置の座標パラメータに変換するステップと、調整部によって、載置台を変換部から得られた座標位置に調整するステップと、を含む。
更に、前記照射パラメータ選択装置は、サンプリング部、計算部及び最適選択部を含み、前記照射パラメータ選択装置の使用方法は、まず、サンプリング部によって、複数組の照射点及び照射角度を選択し、続いて、計算部によって、各組の照射点及び照射角度に対応する評価値を算出し、次に、最適選択部によって、計算部により算出された評価値に基づいて、サンプリングされた全ての照射点及び照射角度から１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択することである。
更に、前記中性子捕捉療法装置は、中性子ビームで患者を照射することで治療を実現し、前記サンプリング部は、患者のＣＴ／ＭＲＩ／ＰＥＴ－ＣＴ等の明確な人体解剖が有する映像を読み取り、各器官、組織及び腫瘍の輪郭を１つずつ定義し、設定された材料種類及び密度を与え、輪郭、材料及び密度の定義を完成した後、複数組の中性子ビームの照射点及び照射角度を選択する。
更に、前記計算部は、中性子ビームが患者の器官を透過した軌跡を計算し、即ち、中性子ビームが人体に入った後に透過した器官の種類及びその厚さを算出し、中性子ビームが人体を透過した軌跡情報を取得した後、腫瘍が最大の治療可能デプス範囲内にあるか否かを判断し、そうであれば、この軌跡情報を根拠としてユーザが設定した器官ホウ素含有濃度、器官放射感度係数及び中性子ビーム特性等の情報に合わせて該照射点及び照射角度に対応する評価値を計算し、そうでなければ、最悪の評価値を与え、評価値の計算を完成した後、各組の照射点及び照射角度並びにその対応する評価値を記録する。
更に、前記計算部は、各組の照射点、照射角度及びそれらの対応する評価値のデータを３Ｄ又は２Ｄ画像の形態で出力する。
更に、前記最適選択部は、各組の照射点及び照射角度の優劣を順位付けした後、１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を見つけるまで、優劣の順位で各組の照射点及び照射角度が実施可能であるか否かを検証する。
更に、前記最適選択部は、まず、全ての実施不可能な照射点及び照射角度を見つけ、次に、これらの実施不可能な照射点及び照射角度を取り除き、最後に、残りの照射点及び照射角度から最適な１組を選択する。
本願の第５の態様に係る、照射点及び照射角度の優劣の判断を実行することができる中性子捕捉療法装置は、中性子ビーム生成アセンブリと、被照射体に中性子ビームを照射する照射室と、照射制御を実施する管理室と、患者を載置する載置台と、治療プロセスを制御し、管理する制御システムとを含み、前記制御システムは、最適な照射点及び照射角度を選択する照射パラメータ選択装置と、前記照射パラメータ選択装置は、複数の照射点及び照射角度を選択するサンプリング部と、各組の照射点及び照射角度に対応する評価値を算出してレポートを出力する計算部と、を含む。
更に、前記計算部は、中性子ビームが患者に入った後に入射したデプスと、透過した器官の種類とを算出し、次に中性子ビームが人体を透過した軌跡情報に基づいて腫瘍が該組の照射点及び照射角度に対応する最大の治療可能デプス範囲内にあるか否かを判断し、そうであれば、この軌跡情報を根拠としてユーザが設定した器官ホウ素含有濃度、器官放射感度係数及び中性子ビーム特性情報等のデータに合わせて該組の照射点及び照射角度に対応する評価値を計算し、そうでなければ、最悪の評価値を与える。
更に、前記計算部は、照射点、照射角度及びそれらの対応する評価値のデータを３Ｄ又は２Ｄ画像の形態で出力する。
更に、対応するある照射点、照射角度及び照射軌跡において、式１を用いて器官ｉの重み係数（Ｗ（ｉ））を計算する。
更に、使用されたビームを基づいて人体をシミュレートする場合の深部強度又は線量曲線の積分の式２を用いて前記Ｉ（ｉ）を計算する。
更に、式３を用いて前記評価係数を計算する。
更に、式４を用いて前記評価係数と腫瘍評価係数との比（ＱＲ（ｘ，ｙ，ｚ，Φ，θ））を計算する。
本願の第６の態様に係る上記照射パラメータ選択装置の使用方法は、サンプリング部によって、患者の例えばＣＴ又はＭＲＩ又はＰＥＴ－ＣＴ等の明確な人体解剖が有する映像を読み取り、各器官、組織及び腫瘍の輪郭を１つずつ定義し、設定された材料種類及び密度を与え、輪郭、材料及び密度の定義を完成した後、中性子ビームの照射点及び照射角度を選択するステップと、計算部によって、中性子ビームが器官を透過した軌跡を計算し、即ち、中性子ビームが人体に入った後に透過した器官の種類及びその厚さを算出し、中性子ビームが人体を透過した軌跡情報を取得した後、腫瘍が最大の治療可能デプス範囲内にあるか否かを判断し、そうであれば、この軌跡情報を根拠としてユーザが設定した器官ホウ素含有濃度、器官放射感度係数及び中性子ビーム特性等の情報に合わせて該照射点及び照射角度に対応する評価値を計算し、そうでなければ、１つの特別の評価値を与え、評価値の計算を完成した後、照射点、照射角度及び対応する評価値を記録するステップと、を含む。
更に、前記照射点及び照射角度の選択は、順方向選択又は逆方向選択であってもよく、順方向選択では、照射点を人体外の位置に決定し、一定の角度又は距離間隔で順にサンプリングしてもよく、ランダムサンプリングの方式でサンプリングしてもよく、逆方向選択では、照射点を腫瘍の範囲内に決定し、照射点が腫瘍の重心又は最奥であってもよく、照射角度をランダムにサンプリングするか又は所定の間隔角度でサンプリングしてもよく、中性子ビームの角度が照射点から腫瘍の重心又は腫瘍の最奥までのベクトル方向に設定されてもよい。
更に、前記計算部は、照射点、照射角度及びそれらの対応する評価値のデータを３Ｄ又は２Ｄ画像の形態で出力する。
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を更に詳細に説明することにより、当業者は明細書の文字を参照して実施することができる。
中性子捕捉療法は、がん治療の有効な手段として、近年の応用が増えてきており、ホウ素中性子捕捉療法は最も一般的であり、ホウ素中性子捕捉療法に用いられる中性子は、原子炉又は加速器から供給することができる。ホウ素中性子捕捉療法（Ｂｏｒｏｎ Ｎｅｕｔｒｏｎ Ｃａｐｔｕｒｅ Ｔｈｅｒａｐｙ、ＢＮＣＴ）は、ホウ素（１０Ｂ）含有薬剤が熱中性子に対して大きい捕獲断面積を持つ特性を利用して、１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉ中性子捕捉と核分裂反応により、４Ｈｅと７Ｌｉという２種の重荷電粒子を生成する。図１及び図２を参照して、それぞれホウ素中性子捕捉反応の概略図及び１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉ中性子捕捉核反応式を示し、２種の重荷電粒子の平均エネルギーは約２．３３ＭｅＶであり、高い線エネルギー付与（Ｌｉｎｅａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｒａｎｓｆｅｒ、ＬＥＴ）及び短い放射距離という特性を有し、α粒子の線エネルギーと放射距離は、それぞれ１５０ｋｅＶ／μｍ、８μｍであり、７Ｌｉ重荷電粒子は、１７５ｋｅＶ／μｍ、５μｍであり、２種の粒子の総放射距離は、約１つの細胞のサイズに近いので、生体への放射線損傷を細胞レベルに限定することができるホウ素含有薬物を腫瘍細胞に選択的に集めると、適切な中性子源と合わせることで、正常組織に大きな損傷を与えないで、腫瘍細胞を正確に殺せる目的を達成することができる。
ホウ素中性子捕捉療法の中性子源が原子炉又は荷電粒子とターゲットとの原子核反応によるものに係わらず、生成するのはすべて混合放射線場であり、即ちビームは、低エネルギーから高エネルギーまでの中性子、光子を含み、深部腫瘍のホウ素中性子捕捉療法に対して、熱外中性子を除くその他の放射線の含有量が多ければ多いほど、正常組織での非選択的線量沈着の割合も大きくなるので、これらの不必要な線量を引き起こす放射線をできる限り低減する必要がある。エアビームの品質要素の他、中性子による人体における線量分布をさらに理解するために、本発明の実施例は、人間の頭部組織の人工器官を用いて線量を計算し、そして人工器官におけるビームの品質要素を中性子ビーム設計の参考とする。
国際原子力機構（ＩＡＥＡ）は、臨床ホウ素中性子捕捉療法に用いられる中性子源に対して、エアビームの品質要素に関する５提案を出しており、この５提案は異なる中性子源の長所と短所を比較するために利用できる他、中性子生成経路の選定及びビーム整形体の設計をする時の参考として利用できる。この５提案はそれぞれ以下のとおりである。
熱外中性子束Ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｌｕｘ＞１×１０９ｎ／ｃｍ２ｓ
高速中性子汚染Ｆａｓｔ ｎｅｕｔｒｏｎ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ＜２×１０－１３Ｇｙ－ｃｍ２／ｎ
光子汚染Ｐｈｏｔｏｎ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ＜２×１０－１３Ｇｙ－ｃｍ２／ｎ
熱中性子束と熱外中性子束との比ｔｈｅｒｍａｌ ｔｏ ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｌｕｘ ｒａｔｉｏ＜０．０５
中性子流とフラックスとの比ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ｆｌｕｘ ｒａｔｉｏ＞０．７
注：熱外中性子エネルギー領域は０．５ｅＶ～４０ｋｅＶであり、熱中性子エネルギー領域は０．５ｅＶより小さく、高速中性子エネルギー領域は４０ｋｅＶより大きい。
熱外中性子束Ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｌｕｘ＞１×１０９ｎ／ｃｍ２ｓ
高速中性子汚染Ｆａｓｔ ｎｅｕｔｒｏｎ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ＜２×１０－１３Ｇｙ－ｃｍ２／ｎ
光子汚染Ｐｈｏｔｏｎ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ＜２×１０－１３Ｇｙ－ｃｍ２／ｎ
熱中性子束と熱外中性子束との比ｔｈｅｒｍａｌ ｔｏ ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｆｌｕｘ ｒａｔｉｏ＜０．０５
中性子流とフラックスとの比ｅｐｉｔｈｅｒｍａｌ ｎｅｕｔｒｏｎ ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｏ ｆｌｕｘ ｒａｔｉｏ＞０．７
注：熱外中性子エネルギー領域は０．５ｅＶ～４０ｋｅＶであり、熱中性子エネルギー領域は０．５ｅＶより小さく、高速中性子エネルギー領域は４０ｋｅＶより大きい。
１、熱外中性子束：
中性子束と腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度と共同に臨床治療の時間が決まる。腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度が十分に高ければ、中性子束への要求が低下する。逆に、腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度が低ければ、高フラックスの熱外中性子で腫瘍に十分な線量を与える必要がある。ＩＡＥＡは、熱外中性子束に対して、平方センチメートル当たり１秒の熱外中性子が１０９個より多いことを求めていて、既存のホウ素含有薬物にとって、このフラックスでの中性子ビームで治療時間を大体１時間以内に抑えられ、短い治療時間は、患者の位置決めと快適さに対して優れている他、腫瘍におけるホウ素含有薬物の限られた滞留時間も効果的に利用できる。
中性子束と腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度と共同に臨床治療の時間が決まる。腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度が十分に高ければ、中性子束への要求が低下する。逆に、腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度が低ければ、高フラックスの熱外中性子で腫瘍に十分な線量を与える必要がある。ＩＡＥＡは、熱外中性子束に対して、平方センチメートル当たり１秒の熱外中性子が１０９個より多いことを求めていて、既存のホウ素含有薬物にとって、このフラックスでの中性子ビームで治療時間を大体１時間以内に抑えられ、短い治療時間は、患者の位置決めと快適さに対して優れている他、腫瘍におけるホウ素含有薬物の限られた滞留時間も効果的に利用できる。
２、高速中性子汚染：
高速中性子は、正常組織への不必要な線量を引き起こすので、汚染とみなされて、この線量と中性子エネルギーとは、正の相関関係があるので、中性子ビームの設計において、できる限り高速中性子の含有量を減らす必要がある。高速中性子汚染は、単位熱外中性子束に伴う高速中性子の線量と定義される。ＩＡＥＡは、高速中性子汚染を２×１０－１３Ｇｙ－ｃｍ２／ｎより小さくすることを推奨している。
高速中性子は、正常組織への不必要な線量を引き起こすので、汚染とみなされて、この線量と中性子エネルギーとは、正の相関関係があるので、中性子ビームの設計において、できる限り高速中性子の含有量を減らす必要がある。高速中性子汚染は、単位熱外中性子束に伴う高速中性子の線量と定義される。ＩＡＥＡは、高速中性子汚染を２×１０－１３Ｇｙ－ｃｍ２／ｎより小さくすることを推奨している。
３、光子汚染（γ線汚染）：
γ線は強い透過性の放射線に属し、非選択的にビーム経路にあるすべての組織で線量沈着を引き起こすので、γ線の含有量を減らすこともビームの設計の必要条件である。γ線汚染は、単位熱外中性子束に伴うγ線の線量と定義される。ＩＡＥＡは、γ線汚染を２×１０－１３Ｇｙ－ｃｍ２／ｎより小さくすることを推奨している。
γ線は強い透過性の放射線に属し、非選択的にビーム経路にあるすべての組織で線量沈着を引き起こすので、γ線の含有量を減らすこともビームの設計の必要条件である。γ線汚染は、単位熱外中性子束に伴うγ線の線量と定義される。ＩＡＥＡは、γ線汚染を２×１０－１３Ｇｙ－ｃｍ２／ｎより小さくすることを推奨している。
４、熱中性子束と熱外中性子束との比：
熱中性子は、減衰速度が速く、透過性も弱く、人体に入った後で大部分のエネルギーが皮膚組織に沈着するので、黒色腫等の皮膚腫瘍にホウ素中性子捕捉療法の中性子源として熱中性子を使用する場合以外、例えば脳腫瘍等の深部腫瘍に対して、熱中性子の含有量を減らす必要がある。ＩＡＥＡは、熱中性子束と熱外中性子束との比を０．０５より小さくすることを推奨している。
熱中性子は、減衰速度が速く、透過性も弱く、人体に入った後で大部分のエネルギーが皮膚組織に沈着するので、黒色腫等の皮膚腫瘍にホウ素中性子捕捉療法の中性子源として熱中性子を使用する場合以外、例えば脳腫瘍等の深部腫瘍に対して、熱中性子の含有量を減らす必要がある。ＩＡＥＡは、熱中性子束と熱外中性子束との比を０．０５より小さくすることを推奨している。
５、中性子流とフラックスとの比：
中性子流とフラックスとの比は、ビームの方向性を示し、その比が大きいほど、ビームの前向性が優れて、高い前向性を持つ中性子ビームは、中性子の発散による周辺の正常組織への線量を減らせる他、治療可能デプス及びセットアップ姿勢の柔軟性を向上させることができる。ＩＡＥＡは、中性子流とフラックスとの比を０．７より大きくすることを推奨している。
中性子流とフラックスとの比は、ビームの方向性を示し、その比が大きいほど、ビームの前向性が優れて、高い前向性を持つ中性子ビームは、中性子の発散による周辺の正常組織への線量を減らせる他、治療可能デプス及びセットアップ姿勢の柔軟性を向上させることができる。ＩＡＥＡは、中性子流とフラックスとの比を０．７より大きくすることを推奨している。
人工器官を利用して組織内の線量分布を取得され、正常組織及び腫瘍の線量－デプス曲線により、人工器官におけるビーム品質要素が導き出される。以下の３つのパラメータは異なる中性子ビーム療法の治療効果の比較に利用できる。
１、有効治療デプス：
腫瘍線量は最大正常組織線量のデプスと等しくて、このデプスより後ろでは、腫瘍細胞が受ける線量は最大正常組織線量より小さくて、つまり、ホウ素中性子捕捉上の優位性がなくなる。このパラメータはビームの透過性を示し、有効治療デプスが大きいほど、治療可能な腫瘍のデプスが深くなり、単位はｃｍである。
腫瘍線量は最大正常組織線量のデプスと等しくて、このデプスより後ろでは、腫瘍細胞が受ける線量は最大正常組織線量より小さくて、つまり、ホウ素中性子捕捉上の優位性がなくなる。このパラメータはビームの透過性を示し、有効治療デプスが大きいほど、治療可能な腫瘍のデプスが深くなり、単位はｃｍである。
２、有効治療デプスの線量率：
即ち、有効治療デプスにおける腫瘍線量率であり、最大正常組織線量率と等しい。正常組織で受け取る総線量は、与えられ得る腫瘍総線量に影響する要因であるので、このパラメータが治療時間の長さを影響して、有効治療デプスの線量率が大きいほど、腫瘍に一定の線量を与える必要な照射時間が短くなる。単位はＧｙ／ｍＡ－ｍｉｎである。
即ち、有効治療デプスにおける腫瘍線量率であり、最大正常組織線量率と等しい。正常組織で受け取る総線量は、与えられ得る腫瘍総線量に影響する要因であるので、このパラメータが治療時間の長さを影響して、有効治療デプスの線量率が大きいほど、腫瘍に一定の線量を与える必要な照射時間が短くなる。単位はＧｙ／ｍＡ－ｍｉｎである。
３、有効治療線量比：
脳表面から有効治療デプスまでに、腫瘍と正常組織とが受け取る平均線量の比は、有効治療線量比と呼ばれる。平均線量は、線量－デプス曲線の積分により算出できる。有効治療線量比が大きいほど、当該ビームの治療効果がよくなる。
脳表面から有効治療デプスまでに、腫瘍と正常組織とが受け取る平均線量の比は、有効治療線量比と呼ばれる。平均線量は、線量－デプス曲線の積分により算出できる。有効治療線量比が大きいほど、当該ビームの治療効果がよくなる。
ビーム整形体の設計における比較根拠として、ＩＡＥＡによるエアビームの品質要素の５提案、及び上記の３つのパラメータの他に、本発明の実施例では、ビーム線量のパフォーマンスの優劣を評価するための以下のパラメータを利用する。
１、照射時間≦３０ｍｉｎ（加速器で使用する陽子流は１０ｍＡ）
２、３０．０ＲＢＥ－Ｇｙ治療可能デプス≧７ｃｍ
３、最大腫瘍線量≧６０．０ＲＢＥ－Ｇｙ
４、最大正常脳組織線量≦１２．５ＲＢＥ－Ｇｙ
５、最大皮膚線量≦１１．０ＲＢＥ－Ｇｙ
注：ＲＢＥ（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）は生物学的効果比であり、光子及び中性子による生物学的効果が異なるため、上記の線量にそれぞれ異なる組織の生物学的効果比を掛けて、等価線量を算出する。
１、照射時間≦３０ｍｉｎ（加速器で使用する陽子流は１０ｍＡ）
２、３０．０ＲＢＥ－Ｇｙ治療可能デプス≧７ｃｍ
３、最大腫瘍線量≧６０．０ＲＢＥ－Ｇｙ
４、最大正常脳組織線量≦１２．５ＲＢＥ－Ｇｙ
５、最大皮膚線量≦１１．０ＲＢＥ－Ｇｙ
注：ＲＢＥ（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ）は生物学的効果比であり、光子及び中性子による生物学的効果が異なるため、上記の線量にそれぞれ異なる組織の生物学的効果比を掛けて、等価線量を算出する。
図３に示すように、中性子捕捉療法を実現する中性子捕捉療法装置１００は、中性子ビーム生成アセンブリ１と、被照射体、例えば、患者に中性子ビームを照射する照射室２と、照射前の準備作業を行う準備室３と、照射室２と準備室３とを連通させる連絡室４と、照射制御を実施する管理室５と、患者を位置決めする位置決め装置（図示せず）と、患者を載置し、準備室３及び照射室２内を移動する載置台６と、治療プロセスを制御し、管理する制御システム７と、を備える。
中性子ビーム生成アセンブリ１は、照射室２外に中性子ビームを生成し、照射室２内の患者に中性子ビームを照射することができるように構成され、照射室２内にコリメータ２０が設置される。準備室３は、患者に中性子ビームを照射する前に必要な準備の作業を実施するための部屋であり、準備室３内に模擬コリメータ３０が設置され、準備作業は、患者を載置台６に固定することと、患者の腫瘍を定位すると共に３次元定位マークをつけることと等を含む。管理室５は、ホウ素中性子捕捉療法装置１００の実施する全体的な治療工程を管理し、制御する部屋であり、例えば、管理者は、管理室５の室内で準備室３中の準備作業の状況を肉眼で確認し、制御システム７を操作して中性子ビームの照射の開始、停止、載置台６の位置調整等を制御し、載置台６は、患者を支えて患者と共に回転、平行移動及び昇降運動を行う。上記制御システム７は、本明細書において単に総称であり、１セットの全体的な制御システムであってもよく、即ち中性子ビームの照射の開始、停止、載置台６の位置調整等は、いずれも１セットのシステム制御によって制御され、複数セットの制御システムであってもよく、即ち中性子ビームの照射の開始、停止、載置台６の位置調整等は、それぞれ１セットの制御システムによって制御される。
図４に示すように、ホウ素中性子捕捉療法を行う前に、管理者は、中性子ビームがどの角度から患者を照射すれば腫瘍細胞を最大限に死滅させ、放射線の周囲の正常組織に対する損傷をできるだけ低減するかを明確にし、最適な照射点及び照射角度を決定した後に患者を載置する載置台６を対応する位置に調整する必要がある。具体的には、制御システム７は、実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択する照射パラメータ選択装置７１と、実施可能な最適な照射点及び照射角度のパラメータを載置台６の座標パラメータに変換する変換部７２と、載置台６を変換部７２から得られた座標位置に調整する調整部７３と、中性子ビームの照射の開始、停止を制御する開始停止部７４と、を含む。
続いて図４に示すように、各組の照射パラメータは、中性子ビームの照射点及び照射角度を含み、照射パラメータ選択装置７１は、サンプリング部７１１、計算部７１２及び最適選択部７１３を含み、まず、サンプリング部７１１によって、複数組の照射点及び照射角度を選択し、続いて、計算部７１２によって、各組の照射点及び照射角度に対応する評価値を算出し、次に、最適選択部７１３によって、計算部７１２により算出された評価値に基づいて、サンプリングされた全ての照射点及び照射角度から１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択し、具体的には、最適選択部７１３は、実際の治療過程における実施不可能な照射パラメータを取り除き、１組の実施可能な最適な照射パラメータを選択する。サンプリング部７１１による照射点及び照射角度に対する選択は、ランダムであってもよく、規則的であってもよく、評価値の計算では、中性子ビームが患者の器官を透過する軌跡を計算し、即ち、計算部７１２は、中性子ビームが人体に入った後に入射したデプスと、透過した器官の種類とを算出し、次に中性子ビームが人体を透過した軌跡情報に基づいて腫瘍が該組の照射パラメータに対応する最大の治療可能デプス範囲内にあるか否かを判断し、そうであれば、この軌跡情報を根拠としてユーザが設定した器官ホウ素含有濃度、器官放射感度係数及び中性子ビーム特性情報等のデータに合わせて該組の照射点及び照射角度に対応する評価値を計算し、そうでなければ、該照射点及び照射角度に特別な評価値を与え、中性子ビームの照射点及び照射角度のサンプリング、計算を改めて行う。複数組の照射点及び照射角度に対応する評価値を計算した後、評価値に基づいて各組の照射点及び照射角度の優劣を直感的に順位付けすることができる。コリメータ２０の位置が固定され、照射室２内に位置決め装置等の装置が設置されるため、患者のあるセットアップが実現できなく、治療ベッドのある運動位置が干渉される状況が存在し、また、患者のある部位、例えば目等の器官が照射されないため、ある照射点及び照射角度で照射を実施できず、実際の治療過程において、最適選択部７１３は、これらの実施できない照射点及び照射角度を取り除く必要がある。
図５、図６を参照して、以下、照射パラメータ選択装置７１の使用方法について詳細に説明し、該方法は、以下のステップを含む。サンプリング部７１１によって、患者のＣＴ／ＭＲＩ／ＰＥＴ－ＣＴ等の明確な人体解剖が有する映像を読み取り、各器官、組織及び腫瘍の輪郭を１つずつ定義し、設定された材料種類及び密度を与え、輪郭、材料及び密度の定義を完成した後、中性子ビームの照射点及び照射角度を選択し、照射点及び照射角度の選択は、順方向選択又は逆方向選択であってもよく、順方向選択では、照射点を人体外の位置に決定し、一定の角度又は距離間隔で順にサンプリングしてもよく、ランダムサンプリングの方式でサンプリングしてもよく、中性子ビームの角度が照射点から腫瘍の重心又は腫瘍の最奥までのベクトル方向に設定されてもよく、逆方向選択では、照射点を腫瘍の範囲内に決定し、照射点が腫瘍の重心又は最奥であってもよく、中性子ビーム角度をランダムにサンプリングするか又は所定の間隔角度でサンプリングしてもよい。中性子ビームの照射点及び照射角度を決定した後、計算部７１２によって、中性子ビームが器官を透過した軌跡を計算し、即ち、中性子ビームが人体に入った後に透過した器官の種類及びその厚さを算出し、中性子ビームが人体を透過した軌跡情報を取得した後、腫瘍が最大の治療可能デプス範囲内にあるか否かを判断し、そうであれば、この軌跡情報を根拠としてユーザが設定した器官ホウ素含有濃度、器官放射感度係数及び中性子ビーム特性等の情報に合わせて該照射点及び照射角度に対応する評価値を計算し、そうでなければ、１つの特別の評価値を与え、中性子ビームの照射点及び照射角度のサンプリングを改めて行い、評価値の計算を完成した後、照射点、照射角度及び対応する評価値を記録する。上記サンプリング及び計算を繰り返して一定の数量に達した後、レポートを出力する。最適選択部７１３によって、サンプリングされた全ての照射パラメータから１組の実施可能な最適な照射パラメータを選択する。計算部７１２は、照射点、照射角度及びそれらの対応する評価値のデータを３Ｄ又は２Ｄ画像の形態で出力してもよく、この場合、医師又は物理学者は、照射点、照射角度の優劣をより直感的に判断することができる。
好ましくは、最適選択部７１３は、各組の照射点及び照射角度の優劣を順位付けした後、１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を見つけるまで、優劣の優劣で各組の照射点及び照射角度が実施可能であるか否かを検証する。当然のことながら、最適選択部７１３は、評価値を計算した後、まず、全ての実施不可能な照射点及び照射角度を見つけ、次に、これらの実施不可能な照射点及び照射角度を取り除き、最後に、残りの照射点及び照射角度から最適な１組を選択して中性子捕捉療法を実施してもよい。最適選択部７１３は、評価値を計算する前に、実施不可能な照射点及び照射角度を予め取り除き、計算を完成した後に最適な１組の照射点及び照射角度を選択して中性子捕捉療法を行ってもよい。
最適選択プロセスは、完全に関連装置により自動的に行なってもよく、部分的に人手で行われてもよく、また完全に人手で実行され、即ち最適選択部７１３を設置しなくてもよく、例えば、実施不可能な照射点及び照射角度は、経験が豊富な医師により羅列されてもよく、関連装置によりシミュレートして決定されてもよく、評価値の優劣を順位付けする動作、実施不可能な照射点及び照射角度を取り除きた後に最適な照射点及び照射角度を選択する動作も同様である。実施可能な最適な照射点及び照射角度を取得した後、変換部７２は、患者のＣＴ／ＭＲＩ／ＰＥＴ－ＣＴ情報、セットアップ情報、載置台６の構造情報等に合わせて、該照射点及び照射角度のパラメータを、照射過程における載置台６の移動予定の位置の座標パラメータに変換し、その後に調整部７３は、変換部７２から取得された座標情報に基づいて載置台６を所定の位置に調整する。調整部７３は、載置台６を所定の位置に調整した後、位置決め装置は、中性子ビームの患者の腫瘍に対する照射点及び照射角度が予め選択された実施可能な最適な照射点及び照射角度と同じであるか否かを更に確認し、そうでなければ、人手で患者のセットアップ又は載置台６の位置を調整することにより中性子ビームが最適な照射点及び照射角度で患者の腫瘍を照射することを確保するか、又は調整部７３を動かして載置台６の位置を調整して中性子ビームが最適な照射点及び照射角度で患者の腫瘍を照射することを確保する。
照射室２内の放射線が照射室２外に散乱することを防止するために、照射室２と連絡室４との間に第１の遮蔽扉２１が設置され、連絡室４と準備室３との間に第２の遮蔽扉３１が設置される。他の実施形態において、第１の遮蔽扉２１及び第２の遮蔽扉３１の代わりに迷路が設置される遮蔽壁を採用することができ、前記迷路の形状は、「Ｚ」字状、「弓」字状、「己」字状を含むがこれらに限定されない。
以下、計算部７１２が評価値を計算する具体的な実施例を詳細に説明し、当然のことながら、この実施例に限定されず、他の方法及び式で評価値を計算してもよい。評価値は、中性子ビーム特性、器官放射感度係数及び器官ホウ素含有濃度に基づいて計算され、ある照射点及び照射角度に対応し、器官ｉの重み係数（Ｗ（ｉ））は、式１に示すように計算され、式中、Ｉ（ｉ）、Ｓ（ｉ）及びＣ（ｉ）は、それぞれ中性子強度、器官ｉの放射感度係数及び器官ｉのホウ素含有濃度である。
上記計算方法により、器官軌跡における各器官の重み係数の計算を順に完成した後、その合計を計算すれば、該中性子ビームに対応する評価値を算出することができ、式３に示すように、この計算において、腫瘍の重み係数は計算しないべきである。
上記評価値の大きさに基づいて、治療時に正常組織が受ける危害程度をより直感的に判断することができる。評価値を利用して照射位置及び角度を評価する以外に、評価比係数を用いて評価してもよく、式４に示すように、評価比係数は、腫瘍の重み係数に対する評価値の比として定義され、このように照射位置及び角度での予想治療効果をより十分に発現することができる。
上記実施例において、「患者のＣＴ又はＭＲＩ又はＰＥＴ－ＣＴ等の明確な人体解剖が有する映像を読み取り、各器官、組織及び腫瘍の輪郭を１つずつ定義し、設定された材料種類及び密度を与える。」等のステップに関わり、本出願人が２０１５年１１月１７日に国家知識産権局に渡し、出願番号２０１５１０７９０２４８．７であり、発明名称が「医用画像データに基づく幾何学的モデルの設定方法」である特許出願を参照することができ、その全ての内容は本明細書に組み込まれるものとする。
当業者がよく知られているように、上記式１～式４のいくつかの簡単な変換は、依然として本発明の特許請求の範囲内にあり、例えばＩ（ｉ）、Ｓ（ｉ）及びＣ（ｉ）について乗算から加算に変換し、Ｉ（ｉ）、Ｓ（ｉ）及びＣ（ｉ）はそれぞれｎ乗を乗算し、ｎは、状況に応じて決定され、１の整数倍であっても他の倍数であってもよく、ｉ（ｘ）は、ｘ０－ｘの間の平均数であってもよいか又は中間数が（ｘ０－ｘ）を乗算するものであってもよく、強度積分計算結果との一致を実現することができる任意の計算方法である。
以上に本発明の例示的な具体的な実施形態を説明して、当業者が本発明を理解することを容易にするが、明らかに、本発明は具体的な実施形態の範囲に限定されず、当業者にとって、様々な変化が添付の特許請求の範囲で限定かつ決定される本発明の精神及び範囲内にあれば、これらの変化が明らかで、いずれも本発明の特許請求の範囲内にある。
Claims (11)
- 中性子ビームの照射パラメータ選択装置であって、照射パラメータは、照射点及び照射角度を含み、照射パラメータ選択装置は、
複数組の照射点及び照射角度を選択するサンプリング部であって、前記照射点及び照射角度の選択は、順方向選択又は逆方向選択のいずれかであり、順方向選択では、照射点を人体外の位置に決定し、一定の角度又は距離間隔で順にサンプリングするか、又はランダムサンプリングの方式でサンプリングし、逆方向選択では、照射点を腫瘍の範囲内に決定し、照射点が腫瘍の重心又は最奥であり、照射角度をランダムにサンプリングするか又は所定の間隔角度でサンプリングし、中性子ビームの角度が照射点から腫瘍の重心又は腫瘍の最奥までのベクトル方向に設定される、サンプリング部と、
各組の照射点及び照射角度に対応する評価値を算出する計算部であって、前記計算部は、中性子ビームが器官を透過した軌跡を計算し、即ち、中性子ビームが人体に入った後に透過した器官の種類及びその厚さを算出し、中性子ビームが人体を透過した軌跡情報を取得した後、腫瘍が最大の治療可能デプス範囲内にあるか否かを判断し、腫瘍が最大の治療可能デプス範囲内にあれば、この軌跡情報を根拠としてユーザが設定した器官ホウ素含有濃度、器官放射感度係数及び中性子ビーム特性の情報に合わせて該照射点及び照射角度に対応する評価値を計算し、腫瘍が最大の治療可能デプス範囲内でなければ、最悪の評価値を与え、評価値の計算を完成した後、照射点、照射角度及び対応する評価値を記録する、計算部と、
計算部により算出された評価値に基づいて、評価値の算出された全ての照射点及び照射角度から１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択する最適選択部とを含み、
前記最適選択部は、前記計算部が各組の照射点及び照射角度に対応する評価値を算出する前に、サンプリングされた全ての照射点及び照射角度から、実際の照射過程において実施不可能な照射点及び照射角度を取り除く、ことを特徴とする中性子ビームの照射パラメータ選択装置。 - 前記計算部は、中性子ビームが患者に入った後に入射したデプスと、透過した器官の種類とを算出し、次に中性子ビームが人体を透過した軌跡情報に基づいて腫瘍が該組の照射点及び照射角度に対応する最大の治療可能デプス範囲内にあるか否かを判断し、そうであれば、この軌跡情報を根拠としてユーザが設定した器官ホウ素含有濃度、器官放射感度係数及び中性子ビーム特性情報のデータに合わせて該組の照射点及び照射角度に対応する評価値を計算する、ことを特徴とする請求項１に記載の中性子ビームの照射パラメータ選択装置。
- 請求項１又は２に記載の照射パラメータ選択装置であって、
前記サンプリング部は、患者の解剖学的な身体構造上の特徴を示す画像を読み取り、各器官、組織及び腫瘍の輪郭を１つずつ定義し、設定された材料種類及び密度を与え、輪郭、材料及び密度の定義を完成した後、中性子ビームの照射点及び照射角度を選択する、ことを特徴とする照射パラメータ選択装置。 - 前記最適選択部は、各組の照射点及び照射角度の優劣を順位付けした後、１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を見つけるまで、優劣の順位で各組の照射点及び照射角度が実施可能であるか否かを検証する、ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の照射パラメータ選択装置。
- 前記計算部は、照射点、照射角度及び対応する評価値のデータを３Ｄ又は２Ｄ画像の形態で出力する、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の照射パラメータ選択装置。
- 前記最適選択部の最適選択プロセスは、完全に関連装置により自動的に行われてもよく、部分的に人手で行われてもよい、ことを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の照射パラメータ選択装置。
- 患者を載置する載置台を含む中性子捕捉療法装置を制御する制御システムであって、
請求項１～６のいずれか一項に記載の照射パラメータ選択装置と、
実施可能な最適な照射点及び照射角度のパラメータを載置台の移動予定の位置の座標パラメータに変換する変換部と、
載置台を変換部から得られた座標位置に調整する調整部と、を含む、ことを特徴とする制御システム。 - 前記変換部は、患者のＣＴ／ＭＲＩ／ＰＥＴ－ＣＴ情報、セットアップ情報、載置台の構造情報に合わせて、実施可能な最適な照射点及び照射角度のパラメータを、照射過程における載置台の移動予定の位置の座標パラメータに変換する、ことを特徴とする請求項７に記載の制御システム。
- 照射パラメータ選択装置によって、実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択するステップと、
変換部によって、実施可能な最適な照射点及び照射角度のパラメータを載置台の移動予定の位置の座標パラメータに変換するステップと、
調整部によって、載置台を変換部から得られた座標位置に調整するステップとを含む、ことを特徴とする請求項７又は８に記載の制御システムの使用方法。 - 前記照射パラメータ選択装置の使用方法は、まず、サンプリング部によって、複数組の照射点及び照射角度を選択し、続いて、最適選択部は、サンプリングされた全ての照射点及び照射角度から、実際の照射過程において実施不可能な照射点及び照射角度を取り除き、さらに、計算部によって、実施不可能な照射点及び照射角度を取り除いた後のサンプリングされた各組の照射点及び照射角度に対応する評価値を算出し、次に、最適選択部によって、計算部により算出された評価値に基づいて、各組の照射点及び照射角度から１組の実施可能な最適な照射点及び照射角度を選択することである、ことを特徴とする請求項９に記載の制御システムの使用方法。
- 前記計算部は、各組の照射点、照射角度及びそれらの対応する評価値のデータを３Ｄ又は２Ｄ画像の形態で出力する、ことを特徴とする請求項１０に記載の制御システムの使用方法。
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| CN201910908127.6 | 2019-09-25 | ||
| CN201910908127.6A CN112546455B (zh) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | 照射参数选取装置及其使用方法 |
| CN201910908121.9A CN112546454A (zh) | 2019-09-25 | 2019-09-25 | 中子捕获治疗设备及照射参数选取装置的使用方法 |
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