JPH09508294A

JPH09508294A - 放射線外科及び放射線療法のための治療計画方法及び装置

Info

Publication number: JPH09508294A
Application number: JP7520182A
Authority: JP
Inventors: アキムシュバイカルト
Original assignee: ボードオブトラスティーズオブリーランドスタンフォードジュニアユニバーシティ
Priority date: 1994-01-28
Filing date: 1995-01-27
Publication date: 1997-08-26
Also published as: WO1995020354A1; EP0741543A4; EP0741543A1; US5458125A

Abstract

(57)【要約】本発明は、腫瘍の放射線外科に係わる逆方向の計画のための方法とシステムを説明している。腫瘍のモデルに基づき、アイソセンタポイントが体系的に置き換えられて、シミュレートされた一連の放射線ビームを生成する。そして、これらのビームの交差構造と交差パターンが計算される。本発明によって計算に用いられるいくらかの変数を微調整することにより、健康な組織やクリティカル領域への過剰な放射線照射を防ぐとともに腫瘍内部の線量を均一にするように、放射線外科が計画される。本発明の方法は、使用が規定された線量分布の実行可能性についての正確な決定を与えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】放射線外科及び放射線療法のための治療計画方法及び装置アキムシュバイカルトによる発明の簡単な説明本発明は、放射線外科に係り、特に放射線外科の治療計画のための装置と方法に関する。発明の背景放射線外科において、脳腫瘍（及び他の奇形）は、強力な放射線照射により破壊される。壊死性の放射線は、健康な組織に与えられるエネルギー量を減少させるように、多方向からの多門照射により腫瘍に加えられる。この故に、侵入性の手術とは異なり、腫瘍を取り囲む組織はある程度保護される。放射線外科は数年間実用に供されてきたものの、焦点のあった放射線源と画像技術の進歩により高い除去精度が達成可能になったのはつい最近のことである。治療部位に近接する組織の照射壊死は、放射線量と照射体積に比例するリスクを伴うので、定位放射線外科の依然として大きな問題である。処方箋に従っても、特定の組織体が放射線を過剰に受けるか或いは過小に受けるかに関する懸念は依然として残る。放射線外科療法はいくつかのフェーズで構成される。最初に、関心のある部位（例えば、脳）の解剖学的構造に関する詳細な３次元（３Ｄ）マップが、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）及び磁気共鳴（ＭＲ）技術により作成される。次に、外科医が（種々の医学的制約条件を考慮して）満足できる放射線量分布を決めるために、放射線ビームの移動経路が計算される。最後に、連結機構がこの経路に沿って放射線源を移動させる。線束が平行に揃えられた放射線源は、近くの健康な組織への照射を避けるとともに、治療を必要とする部分にできる限り近い部分にエネルギーの投入を集中させるように、計算された順序に従って配置される。定位手術を行うためのシステムと方法は、１９９３年５月４日付でアドラ氏に対して発行された米国特許第５２０７２２３号及び参考文献としてその中に収められている米国特許出願第５２０７２２３号に説明されている。順方向の放射線量計算問題は、与えられた治療計画に基づき、組織の放射線量分布を計算することである。逆方向の放射線量計算問題は、所望の放射線量分布が得られるような治療計画を見つけることである。計画に関する課題は、上述の特許もしくは特許出願では論じられていない。本発明に係わる計画方法は、ニューロトロン−1000(Neurotron-1000)のような通常の運動学を利用したシステムに基づいている。放射線外科においては、放射線量分布が重要な要素である。固定されまたはフレイムレス(frameless)のいずれの定位放射線外科が用いられても、ある組織に放射線ビームを適用するために特定の計画を作成することが重要である。放射線量分布を処方された制限値以内にすることにより、治療は最適化され、健康な組織の損傷が最小化される。従って、腫瘍の形状と位置に基づき、ビームの適切な移動を見つけることが望まれる。発明の概要治療計画方法及び６度までの自由度を有する装置を含む放射線外科システムは、放射線ビームの操作に対し充分な運動学上の柔軟性を与えており、このため、治療の間、あらゆる方向からビームを多門照射できる。関心のある部位の解剖学的構造に関する３次元マップが生成される。本発明に係わる逆方向の計画方法及びシステムは、さらに、指定された分布を実現するための、特に非球形状に対する、一連のビーム構成（位置と方向）と放射線量のウェイト（重み）の生成を含んでいる。本発明に係わるビーム線量の重み付けは、特に放射線療法に適している。ビーム照射の物標を形成するために、アイソセンタポイント（isocenter poin ts)が生成される。いくつかの異なったアイソセンタの生成方法が用いられている。例えば、腫瘍の曲率に沿ったアイソセンタの線(アイソセンタ(ポイント)を結ぶ線；a line of isocenters)が形成される。もし腫瘍が葉巻の形状であれば、アイソセンタポイントは１本の直線に沿って配置される。もし腫瘍がバナナの形状であれば、アイソセンタポイントは１本の線分または一連のいくつかの線分に沿って配置される。これらの線分は両端点により特定され、両端点は個々のアイソセンタと同様に移動され得る。典型的には、線分全体に対し同一のコリメータ(collimator)半径が用いられる。もし腫瘍がバナナ、蹄鉄またはドーナツの形状であれば、線分は曲がったものになる。さらに、アイソセンタポイントのグリッド(格子)(格子状のアイソセンタポイント、複数のアイソセンタポイントからなるグリッド(格子)；a grid of isocenter points)が腫瘍形状の上に置かれる。ビームの位置と方向は、それぞれのアイソセンタポイントについて与えられる。線量の分布は、外科医により課される制約からそれぞれ個別のビームのウェイト（重み）を決定するための方法とシステムとにより与えられる。本発明に係わる放射線外科療法の計画方法とシステムは、放射線照射を必要とする腫瘍状組織体及びそれを取り囲む領域を作図してモデルを生成する手順及び手段と、モデルの腫瘍状組織の領域と予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする他の領域とを識別する手順及び手段と、放射線照射を必要とする前記作図された腫瘍状組織の前記モデルにアイソセンタポイントを分散して配置する手順及び手段と、放射線ビームによるアイソセンタポイントの通過をシミュレートする手順及び手段と、腫瘍状態にある組織のどの領域が予め決められた照射線量を受けたかを決める手順及び手段とを含んでいる。図面の簡単な説明図１は、ＣＴスキャンによる一断面のコンピュータスクリーンの画像を、関心のある領域の拡大図とともに示している。図２は、図１に示されているようなＣＴスキャンによる複数の断面の多角形の輪郭から構成される３次元画像を示している。図３は、等線量面を示している。図４は、図２に示された多角形画像上に重ね合わされた図３の等線量面を示している。図５は、図４の等線量面上に重ね合わされたアイソセンタポイントのグリッドを示している。図６は、縮小された図５のグリッドを示している。図７は、さらに縮小された図５のグリッドを示している。図８は、拡大された図５のグリッドを示している。図９は、箱のような形状の腫瘍に対する他の等線量面を示している。図１０は、アイソセンタポイントの線分であって、同線分上にアイソセンタポイントを等間隔に配置させた線分を示している。図１１は、異なった腫瘍形状を、アイソセンタの線分とともに示している。図１２は、腫瘍領域を持つ頭部を、そこを通過する２本のビームとともに示している。図１３は、図１２の腫瘍領域のクローズアップを示している。図１４は、脳幹の形状を囲む腫瘍の形状及びそこを通過するビームを示している。図１５は、他の形状の腫瘍を、そこを通過するビームとともに示している。図１６は、本発明に基づきシミュレートされたビームの交差によるセルの形成を示している。図１７は、円筒型ビームにおける線量値の減少を示している。図１８は、本発明によるフローチャートを示している。図１９は、腫瘍領域のある断面における線量計算結果の表示である。図２０は、本発明によるコンピュータの画面表示の具体例を示している。図２１は、本発明によるロボットアームと装置の配置、及び移動経路の型を示している。図２２は、詳密な映像(photographic film phantom)を示している。発明の詳細な説明上述のように、スキャンは腫瘍状組織の領域で行われる。これらの画像は、編集されれば３次元画像に変換可能な２次元画像で構成される。図１は、腫瘍状組織の領域１０のスキャンされた画像のコンピュータ画面表示を示している。ボックス１１は、関心のある領域を取り囲んでおり、図１に示すように、コンピュータ画面の右上方向に拡大されている。腫瘍に効果的な治療を施すために組織に対し管理されるべき照射線量レベルを考慮して、組織はラベル付けされる。腫瘍は「Ｔ」と表示されており、番号１２が付される。このスキャンにおいては、クリティカル領域「ＣＲ」である血管「ＢＶ」を腫瘍が取り囲んでいるように示されている。さらに、その腫瘍は、クリティカル領域「ＣＲ」である脳幹「Ｂ」に隣接している。また、腫瘍は、健康な組織「Ｈ」に囲まれている。治療の間は、腫瘍のみでなく健康な組織にも照射線量が均一に配分されるよう配慮して、ビームを移動する。効果的な手術のためには、領域Ｔへの照射は最高にされ、領域「ＣＲ」への照射は回避され、領域Ｈへの照射は最低にされるべきである。本発明に係わる方法及び装置は、計画を作成するとともにボックス１１の関心のある領域における異なった部位を異なった照射レベルで治療するための能力（性能、機能）を提供するものである。本発明によれば、図１に示されているような解剖学的構造及び各構造によって吸収されるべき線量に関する制約からなる表示に基づいて、特定の分布を実現するための一連のビーム構成（位置と方向）及び放射線量のウェイト（重み）が与えられる。その制約は、本発明の利用者によって課される予め決められた値である。照射ビームの構成は、本発明によるいずれか一方または両方の方法によって腫瘍領域に置かれる。アイソセンタポイントとは、いくつかの照射ビームが収束する空間内の点（ポイント）である。従って、いくつかの（円柱状）ビームは、それらの軸がアイソセンタポイントで交差するように空間内の位置を調整される。本発明は、与えられた（たいていは非球形状である）腫瘍領域が高線量の照射を受けるとともに、その腫瘍を取り囲む組織が低線量の照射を受けるように、空間内にアイソセンタポイントを配置する方法を提供する。より詳しくは、腫瘍領域の表面（腫瘍状領域面）を生成して、その表面上（その面上）にアイソセンタを置くことにより、或いは腫瘍領域の内部にその領域の曲率に沿った線分を形成することにより、コンピュータシミュレーションを用いてアイソセンタが形成される。本発明の表面法（本発明の面法）に関して、図２は、編集されると３次元モデルまたは解剖学的図面を生成するものであって、組織領域の複数の２次元の輪郭を示している。その画像は、例えば、脳の軸方向、矢状（サジタル）、または冠状の断面を示している。典型的には、各２次元の輪郭は、図１の多角形形状１２として示されるものに類似している。これらの多角形は、２つの横断面の間で厚みを持つ。腫瘍やクリティカル領域のような解剖学的構造を表わす多角形は、コンピュータで生成することも或いは手で描くこともできる。図２に示す輪郭は、腫瘍領域の形状にもっとも近くなるように、２次元の走査画像に表わされた腫瘍領域の回りに多角形形状を描くことにより生成されたものである。図２のモデルは、３次元のＸＹＺ座標軸にしたがって作図されたものである。簡単のために図２は腫瘍領域のみを示しているが、以下においては、腫瘍とクリティカル領域の両方の作図について述べる。図３は、図２の断面図を除いて、等線量面１３のみを示している。すなわち、図３は、本発明に係わる計画方法を実行した後、５０％以上の照射線量を受ける領域を示している。図４においては、面１３は図２の多角形により形成された画像上に重ね合わされており、これにより等線量面と多角形とが良く整合していることがわかる。同様にして、クリティカル領域或いは健康な組織を表わす面も生成される。図５に示すように、本発明によれば、複数のアイソセンタポイント１４は図３及び図４のモデルの面上に分散配置される。この具体的実施例のもとでは、分散配置された点（ポイント）のグリッドは複数のアイソセンタを形成する。表示されている点はほぼ等間隔で分散配置されているが、本発明は等間隔以外の他の配置方法をも含むものである。例えば、グリッドは必ずしも等間隔には分散配置されていない点（ポイント）のパターンからも形成され得る。また、そのグリッドは、点（ポイント）のいくつかが組織体の表面及び内部のいずれにも位置するような３次元のグリッドである場合もある。また、グリッドの点（ポイント）は、それらがビームを導く複数のアイソセンタを形成するように、各アイソセンタが組織体の内部にのみ置かれることもある。いずれにせよ、図５のアイソセンタは、図３のモデル上に重ね合わせることができるように分散配置される。いくつかの異なった方法で、アイソセンタポイント１４の位置を変えることもできる。例えば、図６〜図８に示すように、表面グリッドを縮小または拡大（拡張）することができる。図６は、使用者により規定された因数によって縮小された図５の表面グリッド上の多数の点を示している。本発明の方法は、表面アイソセンタを縮小または拡大する方法を提供する。その１つの方法は、空間内の規則正しいグリッド上の点（ポイント）、すなわち腫瘍の領域内にある容積要素(ボクセル；voxel)にラベル「１」を割り付ける。腫瘍の領域外にある全ての微小な容積要素にはラベル「０」を割り付ける。アイソセンタ面を縮小するすなわち縮めるためには、隣接する点のラベルが「０」である全ての点のラベルを「０」に変える。同様に、アイソセンタ面を拡大するためには、隣接する点のラベルが「１」であるラベル「０」の容積要素のラベルを「１」に付け変える。図７は、同一の方法を用いて４の因数(a factor of four)により縮小された面グリッド上の多数の点を示している。一方、図８の場合は、アイソセンタのグリッドの多数の点が２の因数(a factor of t wo)により拡大されている。この変形例においては、グリッド上の点（ポイント）１４の数は変わらないが、グリッド自体は縮小または拡大され、その結果、グリッドは密にまたは粗になる。アイソセンタを生成するための第２の方法は、腫瘍の曲率に沿って１つのまたは一連の線分を描くものである。そして、このシステムにより、アイソセンタポイントは線分または一連の線分上に位置付けられる。この結果、箱形状またはバナナ形状の領域は高い線量が与えられることになる。クリッキ付きマウスを備えたコンピュータを使えば、終端でクリックすることにより一連の線分が描かれる。例えば、図９に示すように腫瘍が葉巻形状である場合、または図１１のような形状である場合、線分１８は直線になる。もし腫瘍がバナナ形状の場合（図示しない）は、一連の線分が用いられる。線分の様式は、１つのアイソセンタ治療（アイソセンタポイント）を引き伸ばすことにより視覚化される。拡張された領域は高い線量を受け、その領域の周辺にて急激な線量の減少を実現する。状況に応じて、本発明の利用者は、図５〜図８に示すようなグリッドを用いた方法または図９〜図１１に示すような線分を用いた方法のいずれか、或いは両方を選択してもよい。生成されたモデル上に重ね合わすことができるように複数のアイソセンタポイントの位置を決めた後、コンピュータ等の適当な手段により、アイソセンタポイントを通過する照射ビームのシミュレーションがなされる。これにより、全てのビームのウェイト（重み）は同一であるとの仮定のもとに、分布の結果が計算され、表示される。表示後、外科医は、アイソセンタポイントの位置やビームの方向を変えることができる。次の手順においては、選ばれたビームに対して個別にウェイト（重み）が割り付けられる。図１２では、一般的に球形状の腫瘍領域１２を有する頭部２１が２本のビーム２２及び２３を受けるように描かれている。１つの腫瘍領域１２に対し２本を超える数のビームが通過するのが典型的な例であるが、図解の便宜上、最も簡単な場合を示す。図１３においては、各ビームの軸が領域１２のアイソセンタを通過している状態が示されている。ビームの経路が交差する領域すなわち領域２４は、最も高い線量を受ける。ビームの経路が交差しない領域すなわち領域２６は、より低い線量を受ける。図１３は、球形状の腫瘍領域１２を示しているが、本発明は図１４及び図１５に示すような非球形状の腫瘍をも治療する能力（性能、機能）も与えている。図１について述べたように、腫瘍領域１２は脳幹Ｂに隣接しており、また、符号２７を付された脳幹Ｂは、一般的にクリティカル領域ＣＲと言われる。健康な組織２８は、クリティカル領域２７及び腫瘍領域１２の両方を取り囲んでいる。従って、この条件下では、いくつかの異なった照射条件が課される。もちろん、腫瘍１２は適切な治療がなされるために充分な程度の照射線量を有さなければならない。さらに、クリティカル領域２７については、照射線量が高くならないようにすることが重要である。クリティカル領域とは、視神経、頚動脈等の血管、視神経交差、目、その他使用者により規定された組織をいう。このため、クリティカル領域に近い腫瘍を治療するためには、治療者が、クリティカル領域２７に許容される最高限度の照射線量及び腫瘍領域１２に必要とされる最低限度の照射線量を規定しておくことが要請される。図１４は、さらに、腫瘍領域を通過する３本のビームを示している。ビーム２２、２３及び２９の経路が交差する領域３１は、最も高い線量の照射を受け、一方、２本のビームだけが交差する領域３２は、より少ない線量の照射を受ける。本発明に係わる逆方向の線量計算方法においては、所望の線量分布を作成するためにビームの経路が計算される。ビームの経路は、腫瘍組織の様々な形状及び相対的位置に応じて計画される。本発明に係わるシステムによれば、線量計算プログラムは、治療のシミュレーションを行い、この治療により生成される線量分布を計算する。３次元の解剖学的図面や断面図を表示し、線量計算結果を視覚化するとともに自動装置（ロボット）の動作をシミュレーションするために、グラフィック表示手段が用いられる。ビームの位置と方向の選択は、生成手順に従って実行される。例えば、ランダムビーム発生器を用いた場合は、図５〜図８に示すようなグリッドを通過するビームの構成は、図１５のように生成されたビームの選択に帰着する。もし外科医が図１０及び図１１に示すようにアイソセンタポイントとして線分を指定したとすると、腫瘍の中心部はその表面上の点（ポイント）より非常に高い線量を吸収する。アイソセンタポイントを腫瘍の表面に配置すればこの欠点は解消できるが、たいていは腫瘍周辺の線量の減少にやや鋭さが欠けることになる。図１６では、４本のビーム２２、２３、２９及び３３は、いくつかの位置で互いの経路を横断している。３本のビームが交差する各位置３４及び３６においてセルが形成されている。本発明に係わるシステムは、クリティカル領域及び腫瘍領域を横断する全てのビームの内部表示を保存している。各々のウェイト（重み）が変わると、線量分布が計算され結果が表示される。治療のシミュレーションの間に、シミュレートされた６自由度のアームは、一連のビーム構成の中を順次移動する。各構成毎に、ビームは短時間δｔだけ起動されるとともに、その間アームは静止する。ビームの強度は一定であり、このためδｔにより各構成にて照射される線量が決まる。この時間は、ビームの構成に応じて可変であるが、患者の保護のために上限値が決められる。合理的な時間内に適切な線量分布を実現するために、ビームは３００〜４００構成単位で作動される。現在、ビームは円形断面を有し、同一治療中はその半径を一定にしている。しかし、最初は、ビームを収束させるために適切なコリメータ(collimator)を選択することによりこの半径を５mm〜４０mmの間に設定できる。将来は、可変のマルチリーフコリメータ(variable multi leaf collimator)またはスロットコリメータ(slot collimator)により非円形断面のビームを発生できるであろう。図１８のフローチャートによると、外科医はステップ３９にてスタートし、ステップ４０にて領域の輪郭を描き、アイソセンタポイントを置く。ステップ４１にて、システムが照射ビームのシーケンスを生成する。ステップ４１Ａでは、システムがビームのウェイトを同一として線量分布を計算し、スクリーンディスプレイ上にその結果を表示する（図２０の下図参照）。それからステップ４１Ｂにて、外科医はこの分布が満足なものか否か問われる。もし満足なものでなければ、ステップ４０に戻り、輪郭の描画、アイソセンタ、ビームの数、その他の入力パラメータを変更する。満足な結果が得られれば、ステップ４３にて、外科医は領域毎に線量の制約を規定する。具体的には、ビームは、一定フルエンス(単位面積を通過する放射線の個数の時間積分；fluence)の一定半径の円筒形としてシミュレートされる。この円筒形の半径ｒ及びビーム構成の数ｎは、入力として与えられ考慮される。ステップ４３にてビームのシーケンスを計算した後、ステップ４４にて直接線量計算プログラムが呼び出されて線量分布を計算する。治療計画を評価するために、外科医は３つの図解方式を利用できる。第１は、３次元の等線量面が提供されるものであり、ここで等線量面とはある特定値を上回る線量を受ける領域を画する面をいう（図３参照）。第２は、２次元断面に中間レベルの表示と等線量曲線が提供される。第３は、線量Ｘを吸収する体積（縦座標値）をｘ（横座標値）の関数として表わす線量−体積のヒストグラム（ＤＶＨ）である。腫瘍、クリティカルな組織及び腫瘍を取り囲む組織に分けて、各々のＤＶＨが計算される。図１９は、腫瘍領域の断面に関する線量計算結果の表示である。プログラムは、ステップ４４の結果に満足できるか否か、問いかける。もし満足できなければ、吟味（問いかけ）のステップ（ボックス）４９を介して前記複数のステップが繰り返される。外科医がステップ４４の結果に満足すれば、ステップ４７にてその治療計画が保存される。再びステップ３９からこのプロセスを開始することができるが、全く新たなパラメータを用いることもできるし、前に使ったパラメータを再度用いることもできる。外科医は、ビーム構成を生成するために、対話形式で異なった手法を試みることができる。例えば、同一のモデル及びビーム構成に対しても、異なった値 βを使えば異なった値αが得られる。βをより小さな値にすれば、αはより大きな値になる。しかし、βを大きな値にすれば、腫瘍に近接した健康な組織がより高い線量を吸収する結果になる。ここで、もし外科医がステップ４４から満足できる結果を得られないならば、ステップ４８は制約を規定し直すか否かを問いかける。もし答えが「ＹＥＳ」であれば、前に使ったステップ４０の領域モデル及びステップ４１のビームシーケンスは、新たに外科医が規定した制約に基づきビームのウェイトを計算するために用いられる。もし答えが「ＮＯ」であれば、計画者は、ステップ４９にてビームシーケンスを再度規定するか否かを選択する。もし外科医がビームシーケンスの再度の規定を選択すれば、ステップ４１にてビームシーケンスは再度規定される。もし外科医がビームシーケンスの再度の規定を選択しなければ、ステップ４０にてその領域モデルが再構築される。従って、本発明に係わる計画方法の基本は、腫瘍の形状を入力すればビームが選択され、その結果（全てのビームのウェイトは同一と仮定して）線量分布が計算され、コンピュータディスプレイのスクリーン上に表示される。もし外科医がその線量分布を許容できるものと判断すれば、ビームのウェイト付けが行われる。その結果として線量分布が表示され、必要ならば外科医は前のステップに戻り、入力パラメータを変更できる。ｎ個のビーム構成が既に決められており、どのようにそれらのウェイト付け（重み付け）を行うか決めることが課題になっていると仮定する。また、照射ビームは、半径ｒの円形のコリメータによって発生されるものとする。Ｃ₁，．．．，Ｃ_nは、ｎ個の選択された構成を有する円筒状ビームを表わすものとする。線量値ω_i≧０は、すべてのＣ_iに対して計算される。線量値ω₁，．．．，ω_nは、線量分布Ｄを決定する。Ｄは、次のように定義される。ｐは点（ポイント）であり、Ｃ_i1，．．．，Ｃ_ikはｐを含む円筒状ビームであるとすると、Ｄ（ｐ）＝ω_i1＋．．．＋ω_ikである。（この定義は、光量子線の特性に関する大まかなモデルを与える。以下のような精緻な記述によりこれらの特性をより正確に表現できる。）２つの別の領域Ｔ（腫瘍を表わす）及びＨ（健康な組織を表わす）について、以下の制約を考慮する。すなわち、Ｔにおける各点（ポイント）の線量は所定値 αを上回らなければならず、また、Ｈにおける各点（ポイント）の線量はβ未満でなければならない（β＜α）。ｎ個の円筒状ビーム、Ｔ、Ｈは、空間におけるセルの配置を規定するものである。各セルは、領域Ｔ及びＨまたは円筒状ビームの境界の一部を含まない最大の連結集合として定義される。各セルに対してラベルが計算される。円筒状ビームＣ_i1，．．．，Ｃ_ikにおけるセルｋのラベルはｌ＝｛ｉ₁，．．．，ｉ_k｝である。 ω₁，．．．，ω_nを計算することは、２つのｎ次元多面体集合の共通部分における点をみつけることに帰着する。もしｋがＴの中にありラベル｛ｉ₁，．．．，ｉ_k｝を持つとすると、次の不等式が成立する。 α≦ω_i1＋・・・＋ω_ik セルｋ’がＨの中にありラベル｛ｊ_i，．．．，ｊ_k'｝を持つとすると、次の式が成立する。 β≧ω_j1＋・・・＋ω_jk' Ｔにおける全てのセルに関する不等式は、凸の多面体集合Ｐαを決定する。同様に、Ｈにおけるセルから導かれる不等式は、多面体Ｐβを決定する。もしＰα 及びＰβが共通部分を有するならば、その共通部分内の任意の点（ω₁，．．．，ω_n）は与えられた制約を満足する線量分布を与える。他の場合は、問題の解は存在しない。より一般的には、いくつかの健康なクリティカルまたは非クリティカル領域Ｈ₁ ，．．．，Ｈ_qが明確にされており、それぞれの最大線量がβ₁，．．．，β_qであるとする。多面体Ｐα，Ｐβ1，．．．，Ｐβqを得る。これらの多面体の共通部分に存在する任意の点（ω₁，．．．，ω_n）は入力された制約を満足する線量分布を決定する。多面体集合Ｐα，Ｐβ1，．．．，Ｐβqの共通部分はもう１つのｎ次元凸多面体集合である。ある基準となる最適点（例えば、α，β1，．．．，βqで定義されて入力された制約を充足するのに加えて、ある領域Ｈ_iの線量分布を最小にするような点）を直接扱うことができれば、この集合の極値点の計算は可能である。２つ以上の多面体の共通部分における点は線形計画法のアルゴリズムを用いて計算される。セルの数、すなわち不等式の数は、最小のまたは最大のセルを用いることによってのみ削減される。Ｔにおける２つのセルｋ及びｋ’から導かれる２つの不等式を考える。ｋ及びｋ’のラベルを各々Ｌ＝｛ｉ₁，．．．，ｉ_k｝及びＬ’＝｛ｊ₁，．．．，ｊ_k'｝とする。もしＬ⊂Ｌ’であれば、ω_iはすべて正か０であるから、ｋにより与えられる不等式の成立はｋ’により与えられる不等式の成立を意味することになる。Ｔセルは、そのラベルが他のＴラベルの超集合でないならば、「最小」と言われる。同様に、Ｈ_iにおける１つのセルは、そのラベルがＨ_i における他のラベルの部分集合でないならば、「最大」と言われる。従って、上記多面体の共通部分の判定においては、最小のＴセル及び最大のＨセルのみを考慮すれば足りる。Ｔ及びＨ₁，．．．，Ｈ_qが一定の計算の複雑さを有すると仮定すると、上記全体の配列もまたθ（ｎ³）のセルを有する。これらのセル、関連の不等式、及びセル間の隣接関係は、ほぼ１０の３乗のオーダの時間で計算可能である。不等式の集合においては、Ｈ_i（各ｉ毎に）の非最大セルに対する不等式ばかりでなく、非最小のＴセルに対する全ての不等式も削除できる。上記縮小は、セル総数に比例した時間内に実行できる。セルの配列は、深さ順に横断される。Ｔにおける２つの隣接したセルｋとｋ’との間で１つの円筒型ビームの壁が横断される。もしその壁が、円筒型ビームの内側から外側に横断されているならば、ｋは非最小であり、従って、そのラベルは削除できる。一方、もしその壁が、円筒型ビームの外側から内側に横断されているならば、新たなセルｋ’のラベルは取り除かれる。Ｈ_i内の２つの隣接するセル同士に対しては、これらの関係は逆になる。現実には、照射ビームは、正確に一定フルエンスの円筒型ビームとして振る舞うことはなく、従って、ビームの特性を近似する必要がある。ビームの照射線量は、ビームの中心軸までの距離に応じて減少する。この減少は臨床研究で計算されてきており、指数関数で表現できる。本発明に係わる方法によれば、ビームをｐ本の同心円筒の集合として表わすことによりもっと正確なモデルが得られる。不等式の中で、加えられた円筒に対する変数は、図１７に示すように減少する係数を伴う。ビームのフルエンスは、組織内を進行する深さに応じても減少する。この影響を表現するために、円筒型ビームは、その中心軸に対して直行する平面で分割され、それに応じて係数が調整される。大きさに関して観測された第３の影響は、線源からの距離に応じてビームが広がることである。この影響は、円筒形の代わりに円錐形を用いることにより考慮することができる。重み付け処理の他の具体例においては、点で構成される微小な規則正しい３次元グリッドが脳のマップを横切って配置され（ここでグリッドの分解能は１mmである）、各グリッドポイントは、それを内包する円筒の集合によってラベル付けされる。腫瘍部内の点（ポイント）に付されるラベルは、多面体Ｐαを規定する不等式を与える。これらの不等式を集めるのに先立ち、非最小セルを表わす腫瘍部内の全てのグリッドポイントは取り除かれる。腫瘍領域Ｔに対し、最小値αが外科医により特定される。さらに、全てのビームに対し共通の閾値βが与えられる、すなわち、いかなるビームもウェイトがβ を越えないということである。（Ｈ内のいかなる点も同時にｋ本を超える数のビーム内に存在することはないとすると、Ｈ内の線量はｋβを下回るということが保証される。）Ｃ_iがクリティカル領域を横断するならば、ｕ_i＝λβとして、Ｐλ＝（ｕ₁，．．．，ｕ_n）となり、他の場合は０≦λ≦１に対し、ｕ_i＝βとなるように、パラメータｕ₁は定義される。λ＝１に対してＰλがＰα内に存在するかが検査される。線分｛Ｐλ10≦λ≦１｝がＰαの境界と交差するならば、ＰλがＰα内に存在するような最小のλが与えられる。もしそのような値が存在しなければ、図１８のフローチャートの質問ステップ４６に対する答えは「ＮＯ」である。そこで、ビームの方向またはβの値のいずれかを調整する必要があり、或いは満足できる結果が得られるまでビームの新しい方向を生成し前記プロセスを繰り返さなければならない。上述したことに代えて、ビームの重み付けのための簡略な手法も採用し得る。ビームが選択された後、クリティカル領域を通過する全てのビームの部分集合が計算される。クリティカル領域を通らない全てのビームは、ウェイトとしてαを割り付けられる。クリティカル領域を通過する全てのビームは、βにウェイト付けされる。そして、使用者は、対話形式で、α及びβを変更し、得られた分布の画面表示がなされる。簡略な手法及び複雑な手法の両者について、計画者と本発明を含むソフトウェアプログラムの対話形式が図２０に示されている。コンピュータ表示スクリーン５１は、スクリーン５１の下部に表示されているように第１６番目のスライスで、腫瘍領域５３とクリティカル領域５４を有する患者の頭部５２の輪郭を示している。上述のように、腫瘍領域に対し適切な線量が選択され、クリティカル領域に対してはできる限り最低の線量が選択される。腫瘍及びクリティカル領域の両者を取り囲む柔組織や健康な領域に対する線量は、できる限り低いことが望ましい。同じくコンピュータスクリーンに表示されているのは、腫瘍部の線量体積ヒストグラム（ＤＶＨ）５７、クリティカル組織のＤＶＨ５８及び柔組織のＤＶＨ５９のグラフ化された値を示す線量計算表示５６である。ＤＶＨは、線量ｘを吸収する体積（縦座標値）をｘ（横座標値）の関数として示している。ｘ軸は、０％〜１００％までの線量率を表わし、ｙ軸は、体積を表わしている。従って、そのグラフは、どのくらいの体積が何％レベルの線量を吸収するのかを表わす。このため、ＤＶＨは分布の均一性を決めるのに利用される。重み（重み付け値）を調整するために、調整用マニピュレータ６１及び６２が用意されている。ファンクションスイッチ６２の操作により計算が開始されると、非クリティカル（領域への）ビームのビームウェイトはスライダバー６１により調整され、クリティカル（領域への）ビームのビームウェイトはスライダバー６２により調整される。２つのスライダバーを使う代わりに、各クリティカル領域毎に別のスライダバーを使うこともできる。最後に、外科医は、グラフ５７、５８及び５９により与えられた結果に満足すれば、そのデータは終了ファンクションスイッチ６４の操作により保存される。本発明に係わる計画システム及び方法により選択されたビーム構成は、照射線源の無衝突経路を定義するシーケンスに組み込まれる必要がある。図２１に示すように、ロボットアーム及び装置の構成は、一般的には６６のように描かれる。計画されたビーム構成にしたがってビームを照射しながらアームが移動すると、そのアームがセンサ等の手術室にある他の物体に衝突する可能性がある上、さらに、ロボットアームを特定位置に移動させる能力には、運動学上の物理的限界がある。ハンドでコード化され（マニュアル（手動）で計算されて入力され；hand -coded）予め計算された移動の型に基づき、治療ビームは、限界角度以内に収まるように選定される。本発明によれば、ノードと呼ばれるハンドでコード化されたビームシーケンスが与えられる。ノード６８は機械の中心点位置により与えられる。換言すれば、ノードはビームの照射が可能な点（ポイント）に関する１つの型を与えるものである。さらに、ノード６８を結ぶ線６９はビームが使用される順序を与える。ノード６８は、機械の中心点を用いて、原点を中心とする適当な半径の球面上に生成される。各ノードに対して、局所的な連結空間が計算される。このようにして、アームや加速器が衝突することもカメラの視角内に入ることもなく移動できる限界角度が、各ノード毎に関係付けられる。特定の腫瘍の形状と位置に基づき治療ビームの構成を計算するために、アイソセンタポイントはノードと関係付けられた機械の中心点に接続される。このようにして、各治療ビームは、ノードに対して、アイソセンタポイントと機械の中心点（ポイント）とによって与えられる。腫瘍の大きさに対する合理的な限界を与えれば、アイソセンタポイントは作業領域の原点に近いと考えられる。線源と目標との距離が大きいため、ハンドでコード化されたノードと関連した治療ビームの構成との間の角度偏差は、ある固定された閾値を下回るとともにノードの局所的な連結空間内にある。円筒型ビームの空間配置は運動学的に冗長である。ビームは、空間内の位置を変えることなく、その軸に沿って移動、或いはその軸の周りに回転することができる。すなわち、ビームは４自由度を有する。ビーム方向の範囲は、均一な分布が許される範囲内でできる限り大きくすべきである。図２１に示すように、半球面の大部分を覆うノードに対する機械の中心点を決めるために、シミュレーションプログラムが用いられる。ビームは、線源と目標間の距離に応じて広がる。全てのノードに対する機械の中心点と治療点とを球面上に配置することにより、全てのビームの組織内における広がりをほぼ一定で同一にすることができる。作動体の向きは３つのオイラー角(Eular angles)で表され、これらの角の最後の角がビーム中心軸回りの回転を与える。作業領域のシミュレータプログラムを使って、各ノードについて、この角に対する適当な値が計算される。この値は、アームの位置変化がその経路に沿って生じないように選定される。本発明は、より良く、より速く、より痛みが少なく、より経済的に脳腫瘍の治療ができるシステムを提供するものである。可転性を有するアームの運動学、画像システム、及び治療計画方法とシステムによって、治療の質の向上が可能になる。治療の高速化は、いくつかの面倒な処理手順を一部自動化するために、コンピュータに基づいた機械を利用したことによってもたらされる。新しいシステムの治療方法によれば、もはや定位機構が必要とされないので、痛みが少ない。経済性の向上は、外科医の時間の有効利用と治療継続時間の減少によってもたらされる。本発明は、前立腺癌や肺癌等の脳以外の他の領域にも利用できる。さらに、本発明は、現在どんな治療も施せない腫瘍に対しても適用できる。特に、本発明は、放射線耐性の高い腫瘍や従来の放射線療法が健康な組織に過度な損傷を与えるので適用できないような場合にも拡張される。図２２は、アイソセンタポイントを選択するために本発明に係わる方法を用いて、図２、３及び４の例示に関する詳密な映像を示している。図２２（ａ−ｏ）は、図２の運動複写図(ポリグラム；polygram)と同じ方向に沿って底部（ａ）から始めて頂部（ｏ）で終わる断面図を示している。このように、高い線量を受ける領域の形状は、入力の形状に近似している。改良された計画方法を用いれば、もっと多くの制約を取り入れ、最後の最適化、すなわち線量−体積ヒストグラムに関する最適化を実現できる。本発明に係わる計画方法とシステムは、３次元のウェイト（重み）付けされた配置を用いている。これは、円筒のみに限定されるものではなく、従来の放射線療法の治療計画にも適している。この治療は、癌に対して最も優れており、しかも、比較的低い線量で３〜５方向から腫瘍周辺のより広い範囲を照射する。本発明は、さらに、技術上の変形として立体リソグラフィ、高速立体模写(pro totyping)及び３次元印刷の各方法に拡張でき、そこでは所定の形状が得られるように移動するレーザビームを用いて液体を固化する、すなわち、所望の入力形状によって与えられる領域が多量のエネルギーを受けるとともにその形状の周囲の材料は液体状態を保つようにレーザビームを移動させる。

Claims

【特許請求の範囲】１．放射線照射を必要とする腫瘍状組織体と他の領域とを作図してモデルを生成する手順と、前記モデルの予め決められた照射線量を必要とする腫瘍状組織の領域と前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする前記他の領域とを識別する手順と、放射線照射を必要とする前記作図された腫瘍状組織の前記モデル上へ重ね合わせることができるように、少なくともいくつかのアイソセンタポイントを分散して配置する手順と、照射ビームによる前記アイソセンタポイントの通過をシミュレートする手順とを備えた腫瘍状組織の放射線治療をシミュレートするための放射線外科の治療計画方法。２．前記請求項１に記載の治療計画方法において、さらに前記腫瘍状組織のどの領域が前記予め決められた照射線量を受けたかを決定する手順を備えた治療計画方法。３．前記請求項２に記載の治療計画方法において、前記決定する手順は、さらに、前記シミュレートする手順において通過する最大数の照射ビームを受けた前記腫瘍状組織の前記モデル内で交差するシミュレートされたビームによって形成される第１のセルを定義する手順を備えた治療計画方法。４．前記請求項３に記載の治療計画方法において、さらに前記シミュレートする手順において通過する最小数の照射ビームを受けた前記腫瘍状組織の前記モデル内で交差するシミュレートされたビームによって形成される第２のセルを定義する手順を備えた治療計画方法。５．前記請求項４に記載の治療計画方法において、さらに前記最大及び最小の照射線量値を計算する手順を備えた治療計画方法。６．前記請求項５に記載の治療計画方法において、さらに、前記第１のセルを前記腫瘍状組織の前記モデルと比較する手順と、前記第１のセルと前記腫瘍状組織の前記モデルとが相似に形成された体積を占有するかどうかを決定する手順とを備えた治療計画方法。７．前記請求項５に記載の治療計画方法において、さらに、前記第２のセルを、前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする前記他の領域と比較する手順と、前記第２のセルと前記他の領域とが相似に形成された体積を占有するかどうかを決定する手順とを備えた治療計画方法。８．前記請求項６に記載の治療計画方法において、前記第１のセルと前記腫瘍状組織の前記モデルとが相似に形成された体積を占有していない場合に、さらに、前記方法を繰り返す手順を備え、前記シミュレートする手順を含む治療計画方法。９．前記請求項１に記載の治療計画方法において、前記作図してモデルを生成する手順は、コンピュータスクリーン上の画像としてグラフィック表示するために、放射線照射を必要とする前記腫瘍状組織体とそれを取り囲む領域のＣＴスキャンを行う手順を含む治療計画方法。１０．前記請求項９に記載の治療計画方法において、前記作図してモデルを生成する手順は、さらに、２次元スライスの前記ＣＴスキャン画像を観測する手順を備えた治療計画方法。１１．前記請求項１０に記載の治療計画方法において、前記識別する手順は、前記腫瘍状組織を表わす前記画像の周線で多角形の輪郭を形成する手順を含む治療計画方法。１２．前記請求項１に記載の治療計画方法において、前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする他の領域が健康な組織とクリティカル領域とを含むような治療計画方法。１３．前記請求項１に記載の治療計画方法において、前記モデルは表面を有し、前記アイソセンタポイントを分散して配置する手順がポイントのグリッドを前記モデルの表面に置くことを含む治療計画方法。１４．前記請求項１に記載の治療計画方法において、前記配置する手順は、前記モデルの曲率に沿ったポイントの線分を置くことを含む治療計画方法。１５．放射線照射を必要とする腫瘍状組織体及び他の領域を作図してモデルを生成する手順と、前記モデルの予め決められた照射線量を必要とする腫瘍状組織の領域と前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする前記他の領域とを識別する手順と、シミュレートされる治療において通過する最大数の照射ビームを受けた前記腫瘍状組織の前記モデル内で交差するシミュレートされたビームによって形成される第１のセルを定義する手順と、シミュレートされる治療において通過する最小数の照射ビームを受けた前記腫瘍状組織の前記モデル内で交差するシミュレートされたビームによって形成される第２のセルを定義する手順とを備えた腫瘍状組織の放射線治療をシミュレートするための放射線外科の治療計画方法。１６．前記請求項１５に記載の治療計画方法において、さらに、前記最大及び最小の照射線量値を計算する手順を備えた治療計画方法。１７．前記請求項１６に記載の治療計画方法において、さらに、前記第１のセルを前記腫瘍状組織の前記モデルと比較する手順と、前記第１のセルと前記腫瘍状組織の前記モデルとが相似に形成された体積を占有するかどうかを決定する手順とを備えた治療計画方法。１８．前記請求項１７に記載の治療計画方法において、さらに、前記第２のセルを、前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする前記他の領域と比較する手順と、前記第２のセルと前記他の領域とが相似に形成された体積を占有するかどうかを決定する手順とを備えた治療計画方法。１９．放射線照射を必要とする腫瘍状組織体及び他の領域を作図してモデルを生成する手段と、前記モデルの予め決められた照射線量を必要とする腫瘍状組織の領域と前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする前記他の領域とを識別する手段と、放射線照射を必要とする前記作図された腫瘍状組織の前記モデル上へ重ね合わせることができるように、少なくともいくつかのアイソセンタポイントを分散して配置する手段と、照射ビームによる前記アイソセンタポイントの通過をシミュレートする手段とを備えた腫瘍状組織の放射線治療をシミュレートするための放射線外科の治療計画装置。２０．前記請求項１９に記載の治療計画装置において、さらに、前記腫瘍状組織のどの領域が前記予め決められた照射線量を受けたかを決定する手段を備えた治療計画装置。２１．前記請求項２０に記載の治療計画装置において、前記決定する手段は、さらに、前記シミュレートする手順において通過する最大数の照射ビームを受けた前記腫瘍状組織の前記モデル内で交差するシミュレートされたビームによって形成される第１のセルを定義する手段を備えた治療計画装置。２２．前記請求項２１に記載の治療計画装置において、さらに、前記シミュレートする手順において通過する最小数の照射ビームを受けた前記腫瘍状組織の前記モデル内で交差するシミュレートされたビームによって形成される第２のセルを定義する手段を備えた治療計画装置。２３．前記請求項２２に記載の治療計画装置において、さらに、前記最大及び最小の照射線量値を計算する手段を備えた治療計画装置。２４．前記請求項２３に記載の治療計画装置において、さらに、前記第１のセルを前記腫瘍状組織の前記モデルと比較する手段と、前記第１のセルと前記腫瘍状組織の前記モデルとが相似に形状された体積を占有するかどうかを決定する手段とを備えた治療計画装置。２５．前記請求項２３に記載の治療計画装置において、さらに、前記第２のセルを、前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする前記他の領域と比較する手段と、前記第２のセルと前記他の領域とが相似に形成された体積を占有するかどうかを決定する手段とを備えた治療計画装置。２６．前記請求項１９に記載の治療計画装置において、前記作図してモデルを生成する手段は、コンピュータスクリーン上の画像としてグラフィック表示するために、放射線照射を必要とする前記腫瘍状組織体とそれを取り囲む領域のＣＴスキャンを行う手段を含む治療計画装置。２７．前記請求項２６に記載の治療計画装置において、前記作図してモデルを生成する手段は、さらに、２次元スライスの前記ＣＴスキャン画像を観測する手段を備えた治療計画装置。２８．前記請求項２７に記載の治療計画装置において、前記識別する手段は、前記腫瘍状組織を表わす前記画像の周線で多角形の輪郭を形成する手段を含む治療計画装置。２９．前記請求項１９に記載の治療計画装置において、前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする他の領域が健康な組織とクリティカル領域とを含む治療計画装置。３０．前記請求項１９に記載の治療計画装置において、前記モデルは表面を有し、前記配置する手段はポイントのグリッドを前記モデルの表面に置くための手段を含む治療計画装置。３１．前記請求項１９に記載の治療計画装置において、前記アイソセンタポイントを分散して配置する手段は、前記モデルの曲率に沿ったポイントの線分または一連の線分を置く手段を含む治療計画装置。３２．放射線照射を必要とする腫瘍状組織体及び他の領域を作図してモデルを生成する手段と、前記モデルの予め決められた照射線量を必要とする腫瘍状組織の領域と前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする前記他の領域とを識別する手段と、シミュレートされる治療において通過する最大数の照射ビームを受けた前記腫瘍状組織の前記モデル内で交差するシミュレートされたビームによって形成される第１のセルを定義する手段と、シミュレートされる治療において通過する最小数の照射ビームを受けた前記腫瘍状組織の前記モデル内で交差するシミュレートされたビームによって形成される第２のセルを定義する手段とを備えた腫瘍状組織の放射線治療をシミュレートするための放射線外科の治療計画装置。３３．前記請求項３２に記載の治療計画装置において、さらに、前記最大及び最小の照射線量値を計算する手段を備えた治療計画装置。３４．前記請求項３３に記載の治療計画装置において、さらに、前記第１のセルを前記腫瘍状組織の前記モデルと比較する手段と、前記第１のセルと前記腫瘍状組織の前記モデルとが相似に形成された体積を占有するかどうかを決定する手段とを備えた治療計画装置。３５．前記請求項３４に記載の治療計画装置において、さらに、前記第２のセルを、前記予め決められた照射線量を下回る照射線量を必要とする前記他の領域と比較する手段と、前記第２のセルと前記他の領域とが相似に形成された体積を占有するかどうかを決定する手段とを備えた治療計画装置。