KR101512994B1 - 치료 계획 장치 및 치료 계획 장치에 사용되는 방법 - Google Patents

치료 계획 장치 및 치료 계획 장치에 사용되는 방법 Download PDF

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Abstract

치료 계획 및 전달 시스템은 치료 플래너(102) 및 치료 디바이스(104)를 포함한다. 치료 플래너(102)는 치료 목표들(122), 치료 디바이스 출력 목표들(124), 및 치료 디바이스 파라미터 목표들(126) 중 하나 이상을 충족시키는 치료 계획을 개발한다. 치료 계획은 치료 디바이스(104)에 의해 적용된다. 치료 디바이스 출력 및 치료 디바이스 파라미터 목표들의 예들은 공간적 및 시간적 목표들을 포함한다.
Figure R1020097021605
치료 플래너, 치료 목표, 치료 전달 시스템 출력 목표, 치료 전달 시스템 파라미터 목표들, 치료 전달 디바이스

Description

치료 계획 장치 및 치료 계획 장치에 사용되는 방법{An apparatus for planning a treatment and a method used in the same apparatus}
본 발명은 치료 및 치료 계획(treatment planning)에 관한 것이다. 본 발명이 의학에서 방사선 테라피(radiation therapy)에 특정 애플리케이션(application)을 발견하지만, 본 발명은 또한 환자 또는 다른 오브젝트(object)에게 바람직한 치료를 적용하는 것이 바람직한 다른 의학적 또는 비-의학적 애플리케이션에 관한 것이다.
방사선 테라피는 암과 같은 질병들의 치료에서 중요한 툴(tool)이다. 이와 같은 치료의 목표는 건강한 조직들에 대한 치료의 바람직하지 않은 영향들을 최소화하면서, 종양 또는 다른 병변(lesion)의 괴사(necrosis)를 유도하거나 또는 종양 또는 다른 병변의 성장을 늦추기 위한 것이다. 더 구체적으로는, 주변의 위험 장기들 또는 건강한 조직들에 인가되는 도우즈(dose)를 최소화하면서, 종양 또는 병변에 상대적으로 높은 방사선 도우즈를 인가하는 것이 일반적으로 바람직하다.
상대적으로 컨포멀(conformal)한 도우즈 분포들을 생성 및 전달하는 능력으로 인하여, 세기 변조 방사선 테라피(intensity modulated radiation therapy: IMRT)가 치료 기술로서 광범위하게 수용되었다. IMRT 치료 계획들은 종종 병변 또는 다른 타겟(target)에 인가될 희망하는 도우즈 뿐만 아니라, 위험 장기들 또는 다른 중요한 구조들에 대한 도우즈 한도들 규정함으로써 시작되는 인버스 계획 프로세스(inverse planning process)를 사용하여 설계된다. 상기 치료는 선형 액셀러레이터(linear accelerator) 및 멀티-리프 시준기(multi-leaf collimator) 또는 보상기와 같은 치료 디바이스를 사용하여 적용된다. 포워드 계획(forward planning)이라고 종종 칭해지는 변형에서, 사용자는 특정 시스템 세팅들(settings)을 지정하고, 시스템이 다른 것들을 최적화시킨다. 예를 들어, 유선 종양들에 대한 치료들을 계획할 때, 사용자는 희망하는 시준기 리프 위치들(즉, 세그먼트 형상(segment shape)들)을 설정할 수 있고, 계획 시스템은 다양한 세그먼트들의 상대적인 중량들을 최적화시킨다. 최근에, 세기 변조 아크 테라피(intensity modulated arc therapy: IMAT) 및 소위 토모테라피(tomotherapy)와 같은 치료 기술들이 개발되었다. 이러한 시스템들은 전형적으로 환자 및 방사선 빔의 상대적인 위치들이 변화될 때 인가된 방사선의 세기를 변화시킨다.
IMRT, IMAT 및 토모테라피 시스템들이 의학적 치료에서 중요한 개선을 나타내지만, 그럼에도 불구하고 개선에 대한 여지가 남아있다.
본 출원의 양태들은 이러한 문제들 및 다른 문제들을 처리한다.
하나의 양태에 따르면, 장치는 치료 디바이스에 의한 오브젝트로의 에너지의 공간적으로 변화하는 인가를 포함하는 치료를 계획한다. 상기 장치는 치료 목표에 따라 치료의 특성 및 치료 디바이스 파라미터 목표에 따라 치료 디바이스의 파라미터를 최적화시키는 치료 플래너(treatment planner)를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 치료 디바이스에 의한 오브젝트의 타겟으로의 에너지의 인가를 포함하는 치료를 계획하는 방법은 치료 목표 및 치료 디바이스 파라미터 목표에 따라 치료 계획을 최적화시키는 단계 및 최적화된 치료 계획을 상기 치료 디바이스에 이용 가능하게 하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체는 프로세서에 의해 실행될 때 상기 프로세서가 방법을 수행하도록 하는 명령들을 포함한다. 상기 방법은 치료 목표 및 치료 디바이스 파라미터 목표를 최적으로 충족시키는 계획 방법을 사용하여 치료 계획을 발생시키는 단계를 포함한다. 상기 치료 목표는 오브젝트로의 에너지의 공간적으로 변화하는 인가를 포함한다. 상기 방법은 또한 컴퓨터 판독 가능한 메모리에 상기 치료 계획을 저장하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 방법은 방사선 치료 디바이스의 희망하는 출력을 기술하는 입력을 수신하는 단계 및 상기 희망하는 출력을 상기 희망하는 출력을 생성하는 치료 디바이스 파라미터들로 변환하는 단계를 포함한다. 상기 치료 디바이스 파라미터들은 변조기 파라미터(modulator parameter)들을 포함하며, 상기 변환 단계는 변조기 파라미터 목표를 고려하는 목표 함수를 최적화시키는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 방사선 치료 장치는 방사선 소스, 방사선 치료 장치에 의해 생성된 방사선 빔을 변조하는 변조기, 및 치료될 오브젝트에 대해 빔을 포지셔닝(positioning)하는 포지셔너(positioner)를 포함한다. 상기 방사선 치료 장치는 치료 목표 및 변조기 파라미터 목표를 최적으로 충족시키는 치료 계획에 따라 빔을 전달한다.
본 발명의 부가적인 양태들은 다음의 상세한 설명을 판독 및 이해할 시에 당업자들에게 인식될 것이다.
본 발명은 다양한 구성요소들 및 구성요소들의 배열들, 그리고 단계들 및 단계들의 배열들의 형태를 취할 수 있다. 도면들은 단지 바람직한 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
도 1은 치료 계획 및 전달 시스템을 도시한 도면.
도 2는 치료 플래너를 도시한 도면.
도 3은 치료 플래너를 도시한 도면.
도 4는 보상기의 사시도.
도 5는 멀티-리프 시준기를 도시한 도면.
도 6은 방법을 도시한 도면.
도 7은 방법을 도시한 도면.
도 1을 참조하면, 치료 플래너(102)는 임상 또는 치료 목표들(122), 치료 전달 시스템 출력 목표들(124), 및 치료 전달 시스템 파라미터 목표들(126) 중 하나 이상의 최적으로 충족시키는 치료 계획을 개발한다. 치료 전달 디바이스(104)는 계획된 치료를 치료될 환자 또는 다른 오브젝트(106)에게 적용한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 치료 디바이스(104)는 에너지 소스(112), 변조 기(114), 및 포지셔너(120)를 포함한다. 에너지 소스(112)는 오브젝트(106)에 인가될 에너지를 생성한다. 치료 디바이스(104)가 예를 들어, 방사선 치료를 적용하는 경우에, 에너지 소스(112)는 선형 액셀러레이터, 방사능이 있는 재료, 입자 방사선 소스(예를 들어, 프로톤 소스(proton source)), 또는 다른 이온화 방사선 소스를 포함할 수 있다.
변조기(114)는 방사선 소스(112)에 의해 생성된 방사선을 변조하여 오브젝트(106)에 인가되는 공간적으로 변화하는 에너지 또는 에너지 빔(116)을 발생시킨다. 따라서, 예를 들어, 빔(116)의 형상은 일반적으로 빔(116)의 방향을 따라(즉, 빔의 아이 뷰(eye view)를 따라) 뷰잉(viewing)될 때 종양 또는 다른 타겟(118)의 형상을 따르도록 변화될 수 있다. 변조기(114)는 또한 빔(116)의 상대적인 공간적 세기 또는 플럭스를 조정하도록 구성되어 상대적으로 더 높은(또는 더 낮은) 에너지 도우즈들이 타겟(118)의 상이한 영역들에 인가될 수 있도록 할 수 있다.
다시, 방사선 치료를 적용하는 치료 디바이스(104)의 경우에, 적절한 변조기들(114)의 예들은 멀티-리프 시준기들(MLCs) 및 보상기들을 포함한다. 멀티-리프 시준기는 방사선 소스(112) 및 오브젝트(106) 사이에 개재된 전형적으로 복수의 이동 가능한 방사선 감쇠 리프들을 포함하며, 상기 리프들의 위치는 희망하는 빔 형상 및/또는 공간적 세기 프로파일을 생성하기 위하여 변화된다. 보상기는 전형적으로 소스(112) 및 오브젝트(106) 사이에 개재된 방사선 감쇠 재료를 포함한다. 보상기의 재료 조성 및/또는 두께 프로파일은 희망하는 빔 형상 및/또는 공간적 세기 프로파일을 생성하도록 설정되며, 상기 보상기는 이에 따라 제조된다.
포지셔너(120)는 에너지(116) 및 오브젝트(106)의 상대적인 위치를 변화시켜서 에너지(116)가 하나 이상의 상이한 방향들로부터 타겟(118)에 인가될 수 있도록 한다. 정적인 모드로 동작하는 치료 디바이스(104)의 경우에, 치료 디바이스(104) 및 오브젝트(106)는 에너지(116)가 희망하는 방향으로부터 타겟(118)에 인가되도록 포지셔닝된다. 변조기(116)는 예를 들어, (스텝-앤드-슛(step-and-shoot) 기술로서 또한 공지되어 있는) MLC 리프들의 위치들을 조정하거나 희망하는 프로파일을 갖는 보상기를 삽입함으로써 방향에 대응하는 빔 형상 및/또는 세기 프로파일을 제공하도록 조정된다. 에너지(116)가 희망하는 방향으로부터 인가된다. 공간적으로 변화하는 도우즈 프로파일의 전달에 도움이 되도록 하기 위하여, 에너지(116)는 복수의 세그먼트들에서 전달될 수 있고, MLC 리프들의 위치가 다양한 세그먼트들 사이에서 조정된다. 상기 프로세스는 복수의 방향들 및 위치들 각각에 대하여 반복된다.
동적으로 변화하는 치료를 적용하는 치료 디바이스(104)의 경우에, 빔(116)은 타겟(118)과 관련된 하나 이상의 아크들 또는 다른 궤도들을 트래버싱(traversing)한다. 빔(116)은 상기 빔(116) 및 오브젝트(106)의 상대적인 모션과 시간적으로 일치하게 환자(106)에게 인가된다. 변조기(114)는 상대적인 모션과 동등하게 조정되어, 빔 및 오브젝트의 상대적인 모션이 변화할 때(118) 희망하는 빔 형상 및/또는 세기 프로파일이 인가되도록 한다. 방사선 테라피에서 사용되는 동적으로 변화하는 치료 기술들의 예들은 세기 변조 아크 테라피(IMAT), 토모테라피, 및 슬라이딩 윈도우(sliding window)를 포함한다. 토모테라피 치료들을 전달하는 시스템에서, 빔(116) 및 환자(106)는 컴퓨터 단층촬영(computed tomography: CT) 시스템에서 사용된 것과 유사한 궤도(예를 들어, 축방향 또는 나선형 궤도)로 서로에 대해 이동하며, 상기 변조기(114)는 다시 빔(116) 궤도와 동등하게 조정된다. 슬라이딩 윈도우 기술을 적용하는 치료 디바이스의 경우에, 빔(116)의 방향은 일정하게 유지되지만, MLC 리프들은 환자(106) 및/또는 타겟(118)의 다양한 영역들에 인가되는 도우즈를 변화시키기 위하여 치료의 적용 동안 필드(field)를 가로질러 스윕(sweep)된다.
상술된 바와 같이, 치료 플래너(102)는 치료 디바이스(104)에 의해 적용될 치료를 계획한다. 특히, 치료 플래너(102)는 임상 또는 치료 목표(들)(122), 치료 디바이스 출력 목표(들)(124), 및 치료 디바이스 파라미터 목표(들)(126) 중 하나 이상과 같은 목표들을 최적으로 충족시키는 치료 계획을 찾는 인버스 계획 시스템으로 구성된다.
오브젝트(106)에 적용될 희망하는 공간적으로 변화하는 치료 목표(들)를 기술하는 치료 목표(들)(122)는 전형적으로 컴퓨터-구현된 그래픽 사용자 인터페이스(graphical user interface: GUI) 또는 다른 적절한 운영자 인터페이스를 사용하여 임상의 또는 다른 인간 사용자에 의해 입력 또는 확인된다. 다시, 방사선 테라피의 예에서, 치료 목표들(122)은 타겟(118)에 인가될 방사선 또는 방사선 빔들(116)의 수와 방향, 희망하는 빔(116) 궤도(들), 타겟 영역(118) 내에 인가될 최소 방사선 도우즈, 타겟(118) 외부의 영역(예를 들어, 위험 장기 또는 건강한 조직)에 인가될 최대 도우즈, 최소 및 최대 도우즈-볼륨 목표들, 도우즈 균일성 목표들 등을 포함할 수 있다.
다수의 최대, 최소, 또는 다른 목표들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 타겟(118)의 제 1 영역 또는 볼륨에 대하여 제 1 최소 도우즈 목표가 설정될 수 있고, 타겟(118)의 제 2 영역(또는 서브-영역)에 대하여 제 2 최소 도우즈 목표가 설정될 수 있다. 다양한 치료 목표들(122)은 자신들의 상대적인 중요성을 반영하기 위하여 가중 파라미터들에 따라 가중될 수 있다; 치료 목표 가중치(wt)가 또한 치료 디바이스 출력 목표들(124) 및/또는 치료 디바이스 파라미터 목표(들)(126)에 대한 치료 목표(들)(122)의 중요성을 반영하기 위하여(또는, 거꾸로 말하면, 페널티를 부과하기 위하여) 제공될 수 있다. 예를 들어, 특정 영역에 인가된 도우즈가 일정 값을 초과해서는 안되는 경우에, 희망하는 치료 제약들이 또한 제공될 수 있다.
치료 디바이스 파라미터 목표(들)(126)는 치료 디바이스(104)의 희망하는 동작 파라미터(들) 또는 세팅(들)을 기술한다. 치료 디바이스 목표들(126)의 예들은 치료 디바이스 파라미터 공간적 목표들, 치료 디바이스 파라미터 시간적 목표들, 및 치료 디바이스 에너지 목표(들)를 포함한다. 공간적 목표들은 변조기(114) 세팅들 또는 프로파일들의 공간적 평활성(smoothness) 및 균일성, 뿐만 아니라, 다른 공간적 목표들을 포함할 수 있다. 시간적 목표들은 변조기(114) 세팅들에서의 변화들의 시간적 균일성 또는 변화의 시간 레이트(time rate), 뿐만 아니라, 다른 시간 변화 목표들을 포함할 수 있다. 조정 가능한 에너지(116)를 갖는 치료 디바이스(104)의 경우에, 에너지 목표들은 희망하는 에너지 세팅을 포함할 수 있다.
다수의 최대, 최소, 또는 다른 목표들이 제공될 수 있다. 다양한 치료 디바 이스 파라미터 목표들(126)은 자신들의 상대적인 중요성을 반영하기 위하여 가중 파라미터들에 따라 가중될 수 있다; 치료 디바이스 파라미터 목표 가중치(wts)가 또한 치료 디바이스 출력 목표들(124) 및/또는 치료 목표(들)(122)에 대한 치료 디바이스 파라미터 목표(들)(126)의 중요성을 반영하기 위하여 제공될 수 있다. 희망하는 치료 디바이스 제약들이 또한 제공될 수 있다. 치료 디바이스 목표들(126)이 치료 디바이스(104)의 특성들에 기초하여 설정 또는 미리 설정될 수 있고, 운영자 인터페이스를 통하여 임상의 또는 다른 사용자에 의해 필요로 되는 바와 같이 확인 또는 변화될 수 있다는 점을 주의하라.
치료 디바이스 출력 목표(들)(124)는 치료 디바이스(104)에 의해 생성된 에너지(116)의 희망하는 특성(들)을 기술한다. 치료 디바이스 출력 목표들의 예들은 출력 공간적 목표들, 출력 시간적 목표들, 및 출력 에너지 목표들을 포함한다. 출력 공간적 목표들은 빔(116) 형상의 공간적 평활성, 빔(116) 세기의 공간적 평활성, 빔(116)의 희망하는 형상 또는 컨투어(contour), 에너지(116)가 따라가는 아크 또는 궤도, 또는 다른 공간적 목표들을 포함할 수 있다. 출력 시간적 목표들은 빔(116) 공간적 형상의 변화의 최대 시간 레이트, 빔(116) 공간적 세기의 변화의 최대 시간 레이트, 빔(116) 위치의 변화의 최대 시간 레이트, 또는 치료 디바이스(104)의 출력을 시간의 함수로서 기술하는 다른 목표들을 포함할 수 있다.
다수의 최대, 최소 또는 다른 목표들이 제공될 수 있다. 다양한 치료 디바이스 출력 목표들(124)은 자신들의 상대적인 중요성을 반영하기 위하여 가중 파라미 터들에 따라 가중될 수 있다; 치료 디바이스 출력 목표 가중치(wo)가 또한 치료 디바이스 파라미터 목표들(126) 및/또는 치료 목표(들)(122)에 대한 치료 디바이스 출력 목표(들)(124)의 중요성을 반영하기 위하여 제공될 수 있다. 희망하는 출력 제약들이 또한 제공될 수 있다. 출력 목표들(124)이 치료 디바이스(104)의 특성들에 기초하여 설정 또는 미리 설정될 수 있고, 운영자 인터페이스를 통하여 임상의 또는 다른 사용자에 의해 필요로 되는 바와 같이 확인 또는 변화될 수 있다는 점을 주의하라.
치료 플래너(102)의 제 1 실시예가 이제 도 2를 참조하여 설명될 것이다. 도시된 바와 같이, 최적화기(optimizer)(228)는 목표들(122, 124, 126)을 최적으로 충족시키는 치료 디바이스(104) 파라미터들을 발생시키도록 시도한다. 최적화기(228)는 치료 목표 함수(들)(Ft), 치료 디바이스 출력 목표 함수(들)(Fo), 및 치료 디바이스 파라미터 목표 함수(들)(Fts) 중 하나 이상 및 치료 계산기(210)(예를 들어, 방사선 치료 디바이스의 경우에 도우즈 계산 엔진)과 함께 동작하는 반복 또는 다른 최적화 알고리즘을 실행한다. 다른 최적화 기술들이 애플리케이션 특정 요건들에 기초하여 선택될 수 있을지라도, 하나의 적절한 최적화 알고리즘은 캘리포니아의 팔로 알토 소재의 Stanford Business Software, Inc.(www.s-b-s-i.com)로부터 입수가능한 일반적인 비선형 최적화 문제들을 해결하기 위한 NPSOL, 순차적인 2차 프로그래밍(sequential quadratic programming: SQP) 알고리즘을 사용한다. 최적화는 또한 예를 들어, 적절한 직접적인 최적화 기술들에 의하여 반복적이지 않게 수행될 수 있음을 주의하라.
최적화기(228)는 치료, 치료 디바이스 출력, 및 치료 디바이스 파라미터 목표들을 고려하는 목표 함수(Fobj)를 (예를 들어, 최대화 또는 최소화함으로써) 최적화시키는 치료 디바이스(104) 파라미터들을 발생시키도록 시도한다:
Fobj = wtFt(vol) + woFo(출력 변수들) + wtsFts(치료 디바이스 파라미터들)
여기서, Ft(vol)은 치료 목표 함수이고, wt는 치료 목표 함수에 적용될 가중치 또는 상대적인 중요도이며, vol은 치료가 최적화되어야 하는 오브젝트(106)의 타겟, 위험 장기, 또는 다른 볼륨을 나타내고, Fo는 출력 목표 함수를 나타내며, wo는 출력 목표 함수에 적용될 가중치 또는 상대적인 중요도이고, 출력 변수(들)는 최적화될 출력 변수들을 나타내며, Fts는 치료 디바이스 파라미터 목표 함수를 나타내고, wts는 치료 디바이스 파라미터 목표 함수에 적용될 가중치 또는 상대적인 중요도이며, 치료 디바이스 파라미터(들)는 최적화될 치료 디바이스(104) 파라미터들을 나타낸다. 추가적인 항들이 추가적인 치료, 출력, 또는 치료 디바이스 목표들을 나타내기 위하여 제공될 수 있고; 항들 중 하나 이상이 또한 생략될 수 있다는 점을 주의하라.
치료 플래너(102)의 제 2 실시예가 이제 도 3과 관련하여 설명될 것이다. 도시된 바와 같이, 치료 플래너(102)는 최적화기(336) 및 변환기(338)를 포함한다. 최적화기(336)는 치료 목표들(122) 및 치료 디바이스 출력 목표들(124)을 최적으로 충족시키는 치료 디바이스 출력을 발생시키도록 시도한다:
Fobj = wtFt(vol) + woFo(출력 변수들).
변환기(338)는 희망하는 출력을 예를 들어, 형태의 목표 함수를 최적화시킴으로써 희망하는 치료 디바이스 출력을 생성하는 치료 디바이스 파라미터들로 변환한다:
Fobj = woFo(출력 변수들) + wtsFts(치료 디바이스 파라미터들)
최적화기(336) 및 변환기(338)의 함수들이 공통 최적화 알고리즘을 사용하여 연속적으로 수행될 수 있다는 점을 주의하라.
상기의 기술들은 이제 보상기의 감쇠 값들에서의 공간적 불규칙들이 감소되거나 최소화되는 IMRT 애플리케이션과 관련하여 설명될 것이다. 치료 목표 및 보상기 파라미터 목표를 고려하는 목표 함수가 다음과 같이 표현될 수 있다:
Fobj = w1f1(Dijk) + w2f2(tuv).
제 1 항은 종래의 IMRT 치료 목표 함수를 나타내고, 여기서 Dijk는 오브젝트 내부의 도우스 분포이며, f1(Dijk)는 오브젝트(106)에서 희망하는 도우즈 분포를 생성하도록 시도하는 함수이고, w1은 치료 목표에 적용될 희망하는 가중치 또는 상대적인 중요성이다. 제 2 항은 보상기의 에어리어들 또는 영역들에서의 두께의 국소적인 차이들을 최소화하도록 시도하는 함수를 나타내며, 여기서 tuv는 보상기 픽셀들(u,v)에서의 보상기의 두께이고, f2(tuv)는 보상기의 두께의 국소적인 변화들을 감소시키도록 시도하는 함수이며, w2는 희망하는 가중치 또는 상대적인 중요성이다. 수학식 4로부터 생략되지만, 치료 디바이스(104) 출력을 나타내는 항이 또한 포함될 수 있다.
다양한 두께 함수들(f2(tuv))이 고려된다. 도 4는 기준 픽셀(402) 및 이의 1차 또는 가장 가까운 이웃들(404)을 포함하는 보상기 픽셀들의 3×3 그룹들에서의 두께 변화들을 최소화하도록 시도하는 함수를 도시하며, 여기서 목표는 상기 그룹 내의 픽셀들의 두께의 변화의 표준 편차, 기울기 또는 다른 측정치를 감소시키는 것이다. 2차 또는 더 높은 차수의 이웃들이 또한 고려될 수 있고, 분산(variance)과 같은 2차 또는 더 높은 차수 보상기 두께 변화들도 고려될 수 있다. 보상기가 희망하는 도우즈 분포에서 상대적으로 샤프한 기울기들을 수용하도록 하기 위하여, 함수(f2)는 보상기 픽셀들의 지정된 수 또는 프랙션(fraction)이 페널티 없이 또는 감소된 페널티로 목표를 위반하도록 해야 한다.
치료 목표, MLC을 포함하는 치료 디바이스(104)의 출력, 뿐만 아니라, MLC 세팅들을 고려하는 목표 함수가 다음과 같이 표현될 수 있다:
Fobj = w1f1(Dijk) + w3f3(ψuv) + w4f4(xlsb).
수학식 5에서, 제 2 항은 방사선 빔(116)에서의 공간적 변화들을 최소화하도록 시도하는 함수를 나타내고, 여기서 ψuv는 빔 픽셀들(u,v)에서의 빔(116) 플럭스를 나타내며, f3(ψuv)는 빔(116) 플럭스에서의 변화들을 감소시키도록 시도하는 함수이다. 제 3 항은 MLC 개구 형상을 최적화시키도록 시도하는 함수이고, 여기서 xlsb는 빔(b)에 대한 세그먼트(s)에서의 MLC 리프(l)의 위치를 나타내고, f4(xlsb)는 MLC 개구의 공간적 평활성을 개선시키거나 최대화하도록 시도하는 함수이며, b는 빔(116)이 인가되어야 하는 다양한 방향들을 나타낸다.
다양한 개구 최적화 함수들이 고려된다. 도 5는 기준 리프(502) 및 이의 1차 또는 가장 가까운 이웃들(504)의 경우에, 인접한 리프들의 위치 사이의 차이를 최소화하도록 시도하는 함수를 도시한다. 2차 또는 더 높은 차수의 이웃들이 또한 고려될 수 있다. 더 높은 차수의 공간적 함수들(예를 들어, 공간적 가속)이 또한 고려될 수 있다. MLC가 희망하는 도우즈 분포에서 상대적으로 샤프한 기울기들을 수용하도록 하기 위하여, 함수(f4(xlsb))는 리프 위치들의 지정된 수 또는 프랙션이 페널티 없이 또는 감소된 페널티로 목표를 위반하도록 해야 한다.
치료 디바이스 출력 및 개구 형상 둘 모두의 변화의 시간 레이트를 고려하는 최적화 함수가 다음과 같이 표현될 수 있다:
Fobj = w1f1(Dijk) + w5f5(ψ'uv) + w6f6(x'lsb).
수학식 6에서, 제 2 항은 방사선 빔(116)의 세기의 변화의 시간 레이트를 최소화하도록 시도하는 함수를 나타내며, 여기서 ψ'uv는 빔 픽셀들(u,v)에서의 빔(116) 플럭스의 변화의 레이트를 나타내고, f5(ψ'uv)는 빔(116) 플럭스의 변화의 시간 레이트를 최소화하도록 시도하는 함수이다. 제 3 항은 MLC 리프 세팅들의 변화의 시간 레이트를 감소시키도록 시도하는 함수를 나타내며, 여기서 x'lsb는 MLC 리프들의 속도를 나타내고 f6(x'lsb)는 모션의 레이트를 감소시키도록 시도하는 함수이다.
소정의 목표 함수가 공간 및 시간 변화 목표들 둘 모두를 포함할 수 있다는 점이 또한 인식될 것이다. 에너지 또는 다른 목표들이 또한 고려될 수 있다. 당업자들은 다양한 기술들이 또한 도 3 및 수학식들 4와 5의 실시예에 적용될 수 있다는 점을 또한 인식할 것이다.
공간적 치료 디바이스 파라미터 목표들(126)은 치료가 치료 디바이스(104)의 공간적 특성들에 의해 영향을 받는 경우에 특히 유용하다. 예를 들어, 방사선 치료 구현예들에서, 변조기(114) 세팅들에서 공간적 변화들을 최소화시키는 것은 일부 경우들에서 계획 시스템에 의해 계산된 도우즈의 정확도를 개선시킬 수 있다. 선형 액셀러레이터와 같은 방사선 소스(114)는 액셀러레이터의 초점(focal spot)으로부 터 나오지 않는 스캐터 방사선(scatter radiation)을 생성할 수 있다. 이 스캐터 방사선이 전체 도우즈의 상당한 부분을 차지할 수 있지만, 이의 컨트리뷰션(contribution)은 특히 변조기(114) 세팅들에서의 공간적 변화들이 상대적으로 큰 경우에 모델링하기가 상대적으로 어려울 수 있다. 보상기의 경우에, 두께 변화들을 최소화하거나 제어하는 것이 또한 머시닝 프로세스(machining process)를 간소화시킬 수 있다. MLC의 경우에, 리프 위치들의 변화를 최소화하거나 리프 위치들을 제어하는 것이 마찬가지로 포지셔닝 요건들을 간소화시킬 수 있다. 치료 디바이스 출력 파라미터들(124)을 고려하는 것이 통상적으로 더 용이하게 성취 가능한 변조기(114) 세팅들을 발생시키는 것으로 예상될 수 있지만, 치료 디바이스 출력 파라미터들을 고려하는 것이 생략될 수 있다.
시간적으로 변화하는 치료 디바이스 파라미터 목표들은 치료가 치료 디바이스(104)의 시간적 특성들에 의해 영향을 받는 경우에 특히 유용하다. 예를 들어, 빔(116) 및 오브젝트(106)의 상대적인 위치들이 변화할 때 빔(116)이 동적으로 변조되는 IMAT 또는 다른 치료 기술들에서, 빔(116) 및 오브젝트(106)의 상대적인 위치들이 변화되는 레이트는 변조기(114)가 조정될 수 있는 레이트에 의해 제한될 수 있다. 이와 같은 경우들에서, 변조기(114) 세팅들의 변화의 레이트가 상대적으로 감소되는 치료 계획들이 치료 시간들을 감소시키거나 변조기 포지셔닝 요건들을 간소화시키는 것으로 예상될 수 있다. 시간적으로 변화하는 치료 디바이스 출력 파라미터를 고려하는 것이 마찬가지로 더 용이하게 성취 가능한 변조기 레이트들을 필요로 하는 것으로 예상될 수 있지만, 치료 디바이스 출력 시간적 파라미터들을 고 려하는 것이 생략될 수 있다.
다른 테라피 시스템들이 고려된다. 예들은 타겟(118)에 무선 주파수, 열, 음파, 또는 다른 에너지를 인가하는 시스템들을 포함한다. 에너지 소스(112)의 특성에 따라, 변조기(114)는 다른 형태들을 취할 수 있다. 변조기(114)는 또한 예를 들어, 에너지 소스(112)가 위상 어레이 트랜스듀서(phased array transducer)를 포함하는 경우에 에너지 소스(112)의 동작을 제어 또는 조정할 수 있다. 상기의 설명이 또한 도우즈-기반 치료 기능들에 초점을 맞추었지만, 종양들 또는 다른 조직들의 생물학적 응답을 기술하는 기능들과 같은 다른 기능들이 또한 사용될 수 있다.
치료 플래너(102)는 적절한 컴퓨터 판독 가능한 매체에 저장된 컴퓨터 판독 가능한 명령들에 의하여 구현될 수 있다. 컴퓨터 프로세서 또는 프로세서들에 의해 실행될 때, 상기 명령들은 프로세서가 기술된 기능들을 수행하도록 한다. 치료 계획 및 치료의 적용이 물리적으로 또는 시간적으로 동시에 수행될 필요가 없다는 점이 또한 주의되어야 한다. 따라서, 플래너(102) 및 치료 디바이스(104)는 서로로부터 떨어져 위치될 수 있고, 적절한 통신 네트워크를 통하여 통신할 수 있다. 치료 계획은 마찬가지로 치료 디바이스(104)에서 오브젝트(106)의 도착에 앞서서 수행될 수 있다.
동작이 이제 도 6을 참조하여 설명될 것이다. 602에서 희망하는 목표들이 규정된다. 상술된 바와 같이, 예를 들어, 목표들은 치료 목표들(122), 치료 디바이스 출력 목표들(124), 치료 디바이스 파라미터 목표들(126), 또는 다른 목표들 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 목표들은 또한 희망하는 가중치들을 포함할 수 있다.
604에서 목표들을 최적으로 충족시키는 치료 계획이 개발된다. 이것은 예를 들어, 최적화 프로세스의 부분으로서 관련 목표들을 고려하는 반복적인 최적화 알고리즘을 사용하여 성취될 수 있다.
606에서, 치료가 치료 계획에 따라 적용된다.
도 7은 수학식 1의 최적화 함수에 따른 치료 목표, 빔 공간적 평활화 목표, 및 MLC 공간적 평활화의 최적화 목표를 포함하는 방사선 치료 시스템을 부가적으로 도시한다.
702에서 치료 목표(들) 및 가중치(들)가 설정되고, 704에서 빔 공간적 평활화 목표(들) 및 가중치(들)가 설정되고, 706에서 MLC 공간적 평활화 목표(들) 및 가중치(들)가 설정된다. 예를 들어, 방사선 종양학(radiation oncology)에서의 종양의 치료의 경우에, 임상의 또는 다른 사용자들은 타겟(118) 및/또는 오브젝트(106)의 다양한 영역들에 대해 하나 이상의 도우즈 목표들을 설정하기를 희망할 수 있다.
공간적인 평활화 목표들은 치료 디바이스(104)에 의해 생성된 방사선 빔(116)의 희망하는 공간적 평활화 및 MLC 리프들의 공간적 평활화를 각각 나타낸다. 가중치들은 다양한 목표들의 상대적인 중요성들을 나타낸다. 일례로서, 사용자는 도우즈 목표가 공간적 평활화 목표들보다 상대적으로 더 중요하다고 결정할 수 있다. 반대로, 사용자는 MLC 세팅들의 공간적 평활화가 상대적으로 더 중요하다고 결정할 수 있고, 그 경우에, 이러한 세팅들은 상대적으로 더 많이 가중될 수 있다.
708에서, 수학식 1과 관련하여 상술된 것과 같은 목표 함수가 희망하는 목표 들 및 가중치들을 최적으로 충족시키는 치료 파라미터(들)를 생성하는데 사용된다. 예를 들어, 사용자가 MLC 공간적 평활화 목표보다 도우즈 목표에 상대적으로 더 높은 중요성을 할당하는 경우에, 치료 계획은 상대적으로 더 높은 공간적 불규칙 정도를 갖는 MLC 세팅들을 생성할 수 있다. 그러나, MLC 목표에 적용된 가중치를 증가시킴으로써, 공간적 평활화는 평활화 프로세스에서 상대적으로 더 큰 역할을 하는 것으로 예상될 것이다.
710에서, 치료 계획이 치료 디바이스(104)에 이용 가능하게 된다.
712에서, 치료가 오브젝트(106)에 적용된다.
본 발명은 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었다. 상기의 상세한 설명을 판독 및 이해할 시에 당업자들에게 변경들 및 변화들이 발생할 수 있다. 모든 이와 같은 변경들 및 변화들이 첨부된 청구항들 및 이의 등가물의 범위 내에 있는 한 본 발명이 모든 이와 같은 변경들 및 변화들을 포함하는 것으로 해석되게 된다.

Claims (35)

  1. 치료 디바이스(104)에 의해 오브젝트(106)로 에너지의 공간적으로 변화하는 인가를 포함하는 치료를 계획하는 장치에 있어서:
    상기 치료 목표 및 상기 치료 디바이스 파라미터 목표의 상대적인 가중치를 나타내는 사용자 입력을 수신하는 사용자 인터페이스; 및
    치료 목표(treatment objective; 122)에 따른 상기 치료의 특성 및 치료 디바이스 파라미터 목표(126)에 따른 상기 치료 디바이스의 상기 치료 디바이스 파라미터를 결정하는 결정기(determinator)를 포함하는 치료 플래너(treatment planner; 102)를 포함하고, 상기 결정기는 상기 치료 목표 및 상기 치료 디바이스 파라미터 목표의 상기 상대적인 가중치를 나타내는 상기 사용자 입력에 따라 상기 치료 목표 및 상기 치료 디바이스 파라미터 목표의 서로에 대해 가중치를 적용함으로써 결정하는, 치료 계획 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 치료 목표는 도우즈 목표(dose objective)를 포함하는, 치료 계획 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 치료 디바이스는 인가되는 에너지를 변조하는 변조기(114)를 포함하고, 상기 치료 디바이스 파라미터 목표는 변조기 공간적 특성 목표를 포함하는, 치료 계획 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 치료 디바이스는 보상기를 포함하고, 상기 파라미터는 두께를 포함하며, 상기 치료 디바이스 파라미터 목표는 보상기 두께 변화 목표를 포함하는, 치료 계획 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 치료 디바이스는 멀티-리프 시준기(multi-leaf collimator)를 포함하고, 상기 치료 디바이스 파라미터 목표는 시준기 리프 위치 변화 목표를 포함하는, 치료 계획 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 치료 디바이스는 인가되는 에너지를 변조하는 변조기(114)를 포함하고, 상기 치료 디바이스 파라미터 목표는 변조기 시간적 특성 목표를 포함하는, 치료 계획 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 치료 디바이스는 멀티-리프 시준기를 포함하고, 상기 치료 디바이스 파라미터 목표는 시준기 리프 시간적 위치 변화 목표를 포함하는, 치료 계획 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 치료 플래너(102)는 치료 디바이스 파라미터 공간적 목표 및 치료 디바이스 시간적 목표에 따라 상기 치료 디바이스의 파라미터를 결정하는, 치료 계획 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 치료 플래너는 상기 치료 목표 및 상기 치료 디바이스 파라미터 목표의 함수인 목표 함수를 결정하는 결정기(228)를 포함하는, 치료 계획 장치.
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 치료 플래너는 상기 치료 목표를 충족시키는 치료 디바이스 출력을 찾는 결정기(336) 및 상기 디바이스 출력을 치료 디바이스 파라미터로 변환하는 변환기(338)를 포함하는, 치료 계획 장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 치료 디바이스(104)에 의한 오브젝트의 타겟(118)으로의 에너지의 인가를 포함하는 치료를 계획하는 장치에 사용되는 방법에 있어서:
    상기 치료 계획을 결정하는데 사용되는 사용자 정의된 가중치에 따라 상기 치료 목표 및 치료 디바이스 파라미터 목표를 서로에 대해 가중하여 치료 계획을 결정하는 단계; 및
    결정된 상기 치료 계획을 상기 치료 디바이스에 이용 가능하게 하는 단계를 포함하는, 치료를 계획하는 장치에 사용되는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 치료 목표는 상기 타겟에 대한 제 1 도우즈 목표 및 상기 오브젝트의 건강한 조직에 대한 제 2 도우즈 목표를 포함하는, 치료를 계획하는 장치에 사용되는 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 치료 디바이스는 상기 치료 디바이스의 출력을 변조하는 변조기(114)를 포함하고, 상기 치료 디바이스 파라미터 목표는 변조기 균일성 목표(modulator uniformity objective)를 포함하는, 치료를 계획하는 장치에 사용되는 방법.
  19. 삭제
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는 상기 치료 디바이스 파라미터 목표에 따라 치료 디바이스 세팅을 결정하는 단계를 포함하는, 치료를 계획하는 장치에 사용되는 방법.
  21. 삭제
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는 상기 치료 목표 및 상기 치료 디바이스 파라미터 목표 둘 모두를 고려하는 목표 함수를 결정하는 단계를 포함하는, 치료를 계획하는 장치에 사용되는 방법.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 치료 목표를 고려하는 제 1 목표 함수를 결정하는 단계; 및
    상기 치료 디바이스 파라미터 목표를 고려하는 제 2 목표 함수를 결정하는 단계를 포함하는, 치료를 계획하는 장치에 사용되는 방법.
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