KR20010072304A

KR20010072304A - 방사선 치료 계획의 준비 방법

Info

Publication number: KR20010072304A
Application number: KR1020017001599A
Authority: KR
Inventors: 데이비드 엠. 쉐파드; 피터 호반; 토마스 알. 맥키; 폴 제이. 렉베르트; 구스타보 에이치. 올리베라
Original assignee: 리차드 에이취 리저; 위스콘신 얼럼나이 리서어치 화운데이션
Priority date: 1998-08-06
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2001-07-31
Also published as: US6560311B1; AU757570B2; CA2339534A1; EP1102610A1; IL141202A0; DE69934893D1; WO2000007668A1; EP1102610B1; IL141202A; AU5465399A; JP2002522128A; DE69934893T2; NZ509668A; JP3775993B2; CA2339534C

Abstract

본 발명은 미리 규정된 선량과 특정 선(ray) 플루언스로부터 수득한 선량의 지식만을 필요로 하는 함수에 의해 선의 초기 세트의 플루언스가 반복적으로 최적화된, 강도 변조된 방사선의 다수의 개별 선을 제공하는 시스템용의 방사선 치료 계획을 결정하는 방법에 관한 것이다. 이러한 방식으로, 각각의 선의 개개의 선량 분포를 저장할 필요성이 없어진다

Description

방사선 치료 계획의 준비 방법 {METHOD FOR PREPARING A RADIATION THERAPY PLAN}

강도 변조된 방사선을 발생시키는 방법은 당해 분야에 널리 공지되어 있으며, 스탑 앤 슛법(stop and shoot method)(Xia, P., Verhey, L.J., "Multileaf Collimation Lef Sequencing Algorithm for Intensity Modulated Beams with Multiple Static Segments",Medical Physics, 25: 1424-34(1998)), 슬라이딩 윈도우 기법(sliding window technique)(Bortfeld,et al., "Realization and Verification of Three-Dimensional Conformal Radiotherapy With Modulated Field",Int'l J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., 30: 899-908(1994)), 강도 변조 아크 치료법(intensity modulated arc therapy)(Yu, C. X., "Intensity-Modulated Arc Therapy With Dynamic Multileaf Collimation: An Alternavie to Tomotherapy, "Physics in Medicine & Biology, 40:1435-49(1995)) 및 순차적(축) 단층치료법(Carol, et al., "The Field-Matching Problem as it Applies to the Peacock Three Dimensional conformal system for Intensity Modulation",Int'l J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., 34:183-87(1996))이 포함된다.

하나의 고도로 정밀한 IMRT 방법은 빔의 평면적으로 환자를 선회하는 평면형 팬빔(fan beam)을 사용하여 한번에 환자의 하나의 슬라이스(slice)를 치료한다. 환자에게 도달하기 전에, 팬빔은 일련의 불투명 리프(leaves)로 이루어진 다중리프 시준기(multileaf collimator(MLC))를 통과한다. 방사선원이 환자 주변을 회전하는 경우, 텅스텐 리프는 방사선빔의 안팎으로 이동하여 팬빔의 개개의 선의 강도를 변조시킨다.

환자에 대한 팬빔의 각각의 각에서 팬빔의 각각의 선에 대한, 그리고, 환자의 각각의 슬라이스에 대한 강도값은 치료 시노그램(sinogram)에 의해 정의된다.치료 시노그램은 방사선량과 환자 전체에 걸친 이의 위치를 나타내는 선량 맵(dose map)을 기초로 하여 의사에 의해 준비된다.

선량 맵으로부터 치료 시노그램을 준비하는 것은 매우 복잡하다. 예로는 시뮬레이팅 어닐링(simulated annealing)(Langer M. And Morrill S., "A Comparison of Mixed Integer Programming and Fast Stimulated Annealing For Optimized Beam Weights in Radiation Therapy,"Medical Physics, 23:957-64 (1996)), 선형 프로그래밍(linear programming)(Langer M. and Leong J., "Optimization of Beam Weights Under Dose-Volume Restrictions,Int'l. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., 13:1225-60 (1987)), 비선형 프로그래밍(non-linear programming)(Bortfeld et al., "Methods of Image Reconstruction From Projections Applied to Conformal Radiotherapy"Phys. Med. Biol., 35:1423-34 (1990)), 혼합정수 프로그래밍(mixed-integer programming)(Langer M. And Morrill S., "A Comparison of Mixed Integer Programming and Fast Simulated Annealing For Optimized Beam Weights in Radiation Therapy,"Medical Physics, 23:957-64 (1996)), 및 반복 필터링 백프로젝션(iterative filtered backprojection)(Holmes et al., "An Iterative Filtered Backprojection Inverse Treatment Planning Algorithm for Tomotherapy,"Int'l.J.Radiat. Oncol. Biol. Phys., 32:1215-1225 (1995))이 있다. 또 다른 방법은 를라서(Llacer)의 미국 특허 제 5,602,892호에 제시된 방법("Dynamically Penalized Likelihood")이다.

이들 방법 중 대부분은 컴퓨터 메모리에 크게 의존한다. 예를 들어, 단층치료 분야의 경우, 중간형의 방사선 치료 계획은 91,000개가 넘는 방사선의 강도를 저장하는 것을 종종 포함할 것이다. 이러한 선에 의해 제공된 선량을 추적하는 데에는 2.7 x 10¹¹선량 요소를 초과하여 저장하는 것이 필요할 수 있다.

본 발명은 일반적으로 종양의 치료를 위한 방사선 치료 계획 및 독립적인 강도 변조된 협소한 방사선빔을 제공하는 방사선 치료기에 적합한 방사선 치료 계획에 관한 것이다.

방사선 치료법은 치료 계획에 따라 고에너지 방사선을 사용하여 종양성 조직을 치료하는 것을 포함한다. 치료 계획은 방사선의 정위와 선량 수준을 조절하여 종양성 조직에는 충분량의 방사선을 수용하게 하면서 그 주변과 인접하는 비종양성 조직에는 최소량이 되게 된다.

강도 변조된 방사선 치료(IMRT)는 각각이 독립적으로 강도 및/또는 에너지가 조절될 수 있는 다수의 방사선으로 환자를 치료한다. 이러한 선(ray)은 환자에 대해 서로 상이한 각으로부터 유도되고, 합쳐져서 원하는 선량 패턴을 제공한다. 전형적으로, 방사선원은 고에너지 X-선, 특정 선형 가속기로부터의 전자, 또는 Co⁶⁰과 같은 고집속 방사성동위원소로부터의 감마선중 어느 하나로 이루어진다.

도 1은 셔터 리프와 이들의 결합 액추에이터를 도시하는 본 발명에 사용된 셔터 어셈블리의 투시도이다.

도 2는 방사선의 방사선 팬빔에 대한 각각의 셔터의 사다리꼴 애스펙트(aspect)와 이동시에 셔터 리프를 지지하는 가이드 레일(guide rail)을 도시하는 라인 2--2를 따른 도 1의 셔터 시스템의 횡단면도이다.

도 3은 통상적인 CT 스캐너와 본 발명의 셔터 시스템을 포함하고, 본 발명에 따른 셔터 시스템을 조절하기에 적합한 컴퓨터를 포함하는 방사선 치료기의 요소를 도시하는 블록 다이어그램이다.

도 4는 환자 모델의 계산에 사용되는 변수를 나타내는 도 3의 방사선 치료기의 갠트리를 나타내는 간이 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 선 플루언스값을 최적화시키는 공정에 대한 흐름도이다.

도 6은 최적화를 가이딩(guiding)하는 데에 유용한 DVH 기본 시스템의 두 가지 예시를 포함한다. 도 6a는 국제 회의(XII International Conference on the Use of Computers in Radiation Therapy, Salt Lake City, Utah, USA, 1997 (unpublished))에 제출된 보르트펠트(Bortfeld) 등의 논문["Clinically Relevant Intensity Modulation Optimization Using Physical Criteria"]에 기재된 DVH 기본 패널티 시스템으로서, 음영 영역이 패널화된 구역에 상응하는 시스템을 예시한다. 도 6b는 보르트펠트 DVH 패널티를 일반화시킨 도면이다. 고려된 각각의 영역은 패널화 설계에서 상이한 중량을 갖는다.

도 7a는 0.95의 중량이 치료 용적에 할당되고, 0.05의 중량이 민감성 부위에 할당된 치료 계획의 선량 분포이다.

도 7b는 도 7a의 선량 분포에 상응하는 누적 선량 용적 히스토그램이다.

도 8a는 15%가 넘는 민감성 부위가 0.4의 선량을 초과하는 경우 패널티 추가를 필요로 하는 DVH 규격을 포함하는 치료 계획의 선량 분포이다.

도 8b는 도 8a의 선량 분포에 상응하는 누적 선량 용적 히스토그램이다.

도 9a는 25%가 넘는 민감성 부위가 0.1의 선량을 초과하는 경우 DVH 기본 패널티가 적용되는 치료 계획의 선량 분포이다.

도 9b는 실선이 종양과 민감성 부위에 있는 모든 픽셀에 대한 전달된 선량 및 미리 규정된 선량 사이의 차의 제곱의 합을 나타내는, 도 9a의 선량 분포에 상응하는 목적 함수에 대한 예시된 해법이다.

도 10a는 중심에 위치한 표적이 전립선과 정낭을 포함하는 전립선 치료 계획의 선량 분포이다. 전립선 위에는 방광이 위치하고, 전립선 아래에는 직장이 위치한다. 점선은 95% 등선량선이다.

도 10b는 도 10a의 선량 분포에 상응하는 누적 선량 용적 히스토그램이다. 직장에 대한 두 가지 규격은 사각형 DVH로 나타나고, 방광에 대한 두 가지 규격은 DVH상에 다이아몬드로 나타난다.

발명의 상세한 설명

방사선치료기

본 발명은 바람직한 구체예에서 다수의 플루언스 조절되는 협소한 방사선빔을 다양한 각도에서 환자에게 조사시킬 수 있는 임의의 방사선 치료기에 사용되지만, 본 발명은 다중리프 시준기형 시스템을 사용한다.

도 1을 참조하면, 이러한 방사선 치료기(10)는 초점(18)으로부터 방사되어 환자(17) (도 1에는 도시되지 않음)쪽으로 유도되는 전반적으로 원뿔형의 방사선빔(14')을 생성시키는 방사선원을 포함한다. 원뿔형 방사선빔(14')은 방사선 팬빔 평면(20)에 대해 중심에 있게 되도록 전반적으로 평면형의 방사선 팬빔을 형성시키는 직사각형 셔터 시스템 블레이트의 세트로 구성된 직사각형 불투명 마스크(16)에 의해 시준된다.

셔터 시스템(22)은 방사선 팬빔(14)의 중심에 위치하고, 방사선빔이 환자(17)에게 조사되기 전에 방사선 팬빔 평면(20)에 대해 중심에 있게 되며, 초점(18)을 중심으로 일정한 반지름을 지닌 호를 함께 형성하는 다수의 인접한 사다리꼴 리프(30)를 포함한다. 각각의 리프는 납, 텅스텐, 세륨, 탄탈 또는 관련 합금과 같은 고밀도의 방사선비투과성 물질로 구성된다.

리프(30)는 각각의 리프(30)가 이의 상응하는 슬리브(24)내에서 완전하게 활주하여 슬리브(24)와 관련된 선(28)을 차단할 수 있게 되도록 슬리브(24)내에 고정되어 있다. 바람직하게는, 셔터 시스템(22)의 리프(30)는 전체 방사선 팬빔에 대(對)하여 방사선 팬빔을 상쇄각 f에서 인접한 슬래브형 선(28)의 세트로 분할시킨다. 리프(30)가 이의 상응하는 선(28)을 차단하는 경우, 닫힌 상태인 것으로 일컬어진다. 슬리브(24)는 각각의 리프(30)가 방사선 팬빔의 경로로부터 활주하여 나올 수 있도록 하기에 충분한 길이를 지녀서, 이의 상응하는 선(28)이 완전히 통과하게 되도록 하지만 슬리브(24)에 의해 여전히 가이딩되도록 한다. 이러한 비잠금 위치에서, 리프는 "열린 상태"인 것으로 일컬어진다.

각각의 리프(30)는 슬라이더 부재(34)에 의해 리프(30)에 연결된 계전기형의 주 전자기 액추에이터(32)에 의해 열린 상태와 닫힌 상태 사이를 신속하게 이동할 수 있다. 선(28)에 의해 전달되는 플루언스는 리프가 닫힌 상태에 반대되는 열린 상태에 있게 되는 시간의 비인 리프의 운동의 동작 비율을 변화시킴으로써 조절될 수 있다.

도 2를 참조하면, 리프(30)는 리프(30)의 에지를 따라 절단된 그루브(38)내로 끼워진 가이드 텅(guide tongue)(36)에 의해 슬리브(24)내에서 지지되고 가이딩된다. 그루브(38)는 가이드 텅(36)이 열린 상태와 닫힌 상태 사이의 운동 도중에 슬리브(24)내에 리프(30)를 활주식으로 유지시킬 수 있도록 한다.

도 3을 참조하면, 방사선원(12)이 갠트리(44)상에 장착되어 있고, 갠트리는 방사선 팬빔(14)이 다양한 갠트리 각 θ로부터 환자(17)의 슬라이스를 조사할 수 있게 되도록 환자(17)의 회전 중심(45)을 중심으로 하여 방사선 팬빔 평면(20)내에서 회전한다. 방사선원(12)은 컴퓨터(51)의 조절하에서 방사선빔(14)을 온/오프(on/off)시키는 방사선 조절 모듈(48)에 의해 조절된다.

원하는 위치 신호를 발생시키는 타이머에 의해 유도되는 셔터 시스템 컨트롤(52)은 전기적 여기를 각각의 전자석에 제공하여, 독립적으로, 각각의 리프(30)를 이의 상응하는 슬리브(24)와 선(38)의 안팎으로 이동시키도록 액추에이터(32)를 조절한다 (도 1을 또한 참조하라). 셔터 시스템 조절부(52)는 셔터 시스템(22)의 리프(30)을 이들의 열린 상태와 닫힌 상태 사이로 신속하게 이동시켜서 각각의 선(28)을 완전히 감쇠시키거나 각각의 선에 대해 감쇠를 전혀 제공하지 않는다. 각각의 선의 플루언스의 계조(gradation)는, 플루언스 프로파일에 필요한 경우, 각각의 리프(30)가 닫힌 위치에 있게 되는 상대 지속시간을 각각의 리프(30)가 각각의 갠트리 각도에 대해 열린 위치에 있게 되는 상대 지속시간과 비교하여 조정함으로써 수득된다.

닫힌 상태와 열린 상태 사이의 비 또는 각각의 리프(30)에 대한 "듀티 사이클(duty cycle)"은 각각의 갠트리 각도에서 주어진 리프(30)에 의해 전달되는 전체 에너지에 영향을 미쳐서, 각각의 선(28)의 평균 플루언스를 조절한다. 각각의 갠트리 각도에서의 평균 플루언스를 조절할 수 있는 능력에 의해 하기 설명하려는 치료 계획 방법에 의해 환자(17)의 조사된 용적을 통과한 방사선빔(14)에 의해 제공된 선량의 정확한 조절이 가능해진다. 또한, 셔터 시스템 조절부(52)은 설명하려는 셔터 시스템(22)의 프로그램 조절을 할 수 있게 되도록 컴퓨터(51)와 접속된다.

x선원(46)과 반대쪽의 검출기 어레이(50)를 사용하는 임의의 단층촬영 이미지화 시스템(11)이 유리하게는 동일한 갠트리(44)상에 방사선원(12)으로서 장착되어, 계획 목적을 위한 방사선 치료 전 또는 치료 도중에 환자(17)의 조사된 슬라이스의 단층촬영 또는 슬라이스 이미지를 생성시킬 수 있다. 대안적으로, 이러한 단층촬영 이미지화는 별도의 장치로 수행될 수 있고, 슬라이스는 환자(17)의 기준점에 따라 할당될 수 있다.

갠트리 조절 모듈(54)은 갠트리(44)를 회전시켜서 방사선원(12)의 위치와, 방사선 치료 뿐만 아니라 갠트리(44)에 또한 부착된 컴퓨터 단층촬영용 x선원(46)과 검출기 어레이(50)를 위한 방사선 팬빔(14)의 갠트리 각도 q를 변화시키는 데에필요한 신호를 제공한다. 갠트리 조절 모듈(54)은 컴퓨터(51)와 접속하여, 갠트리가 컴퓨터 조절하에서 회전되도록 하고, 컴퓨터에 갠트리 각도 q를 나타내는 신호를 제공하여 이러한 조절을 도울 수 있다.

단층촬영 이미지화 시스템(11)에 대한 조절 모듈은 x선원(46)을 온/오프시키는 x선 조절 모듈(56) 및 검출기 어레이(50)로부터 데이터를 수용하여 단층촬영 이미지를 구성하기 위한 데이터 수집 시스템(58)을 포함한다.

고속 어레이 프로세서 등을 전형적으로 포함하는 이미지 재구성기(60)는 데이터 수집 시스템(58)으로부터 데이터를 수용하여, 당 분야에 널리 공지된 방법에 따라 이러한 데이터로부터 단층촬영 처리 이미지를 "재구성(reconstructing)"하는 것을 돕는다. 또한, 이미지 재구성기(60)는 후-환자 방사선 검출기 신호(59)를 사용하여, 검증 및 하기 더욱 상세히 설명되는 추후 치료 계획 목적으로 사용되는 단층촬영 흡수 이미지를 생성시킨다.

키보드 및 디스플레이 유닛(63)을 포함하는 터미널(62)은 오퍼레이터가 프로그램과 데이터를 컴퓨터(51)에 입력하고 방사선 치료기(10)와 단층촬영 이미지화 시스템(11)을 조절할 수 있게 해주며, 디스플레이 유닛(63)의 이미지 재구성기(60)에 의해 제공된 이미지를 디스플레이할 수 있게 해준다.

자기 디스크 유닛 또는 테이프 드라이브인 매스(mass) 저장 시스템(64)은 단층촬영 이미지화 시스템(11)과 후-환자 방사선 검출기(53)에 의해 수집된 데이터를 저장하여 추후 사용할 수 있게 해준다. 방사선 치료기(10)를 동작시키는 컴퓨터 프로그램은 매스 저장 시스템(64)에 저장되어, 방사선 치료기(11)의 사용 도중의신속한 처리를 위해 컴퓨터(51)의 내부 메모리내로 레이딩(lading)되는 것이 일반적일 것이다.

방사선원(12)은 한 세트의 뷰(view)가 셔터 개폐 도중에 수득될 수 있도록 데이터 수집 시스템의 디지털-아날로그 변환기와 동시 발생적인 펄스를 지닌 펄스 모드로 여기된 선형 가속기일 수 있다. 방사선치료 도중에 주어진 갠트리 각도 q에서의 방사선의 각각의 투사가 1초인 경우, 선형 가속기의 펄스 속도는 초당 2백배일 수 있으며, 이는 리프를 이탈하여 환자(17)로 유입하는 플루언스를 변화시키는 것을 기초로 하는 리프(30)의 이동의 실시간 동작 연구를 제공한다.

방사선 치료기(11)의 동작 동안, 셔터 시스템 조절부(52)는 컴퓨터(51)로부터 각각의 갠트리 각도 θ에 대한 플루언스 프로파일을 포함하는 치료 시노그램을 수용한다. 치료 시노그램은 방사선빔(14)을 통해 변환되는 환자 지지 테이블(도시되지 않음)의 주어진 위치에서의 각각의 갠트리 각도 θ에 대해 바람직한 방사선빔(14)의 각각의 선(28)의 강도 또는 플루언스를 설명한다.

도 4를 참조하면, 셔터 시스템은 색인 변수j=1 내지 J에 의해 확인되는 선(28)의 전체 개수 J를 조절한다. 셔터 시스템(22)에 의해 발생된 각각의 선(28)은 검출기 요소를 지닌 후-환자 방사선 검출기(53)에 의해 검출하고자 하는 선 중심선(66)을 따라 환자(17)를 통과한다.

치료 계획

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 최적의 방사선치료 계획의 준비는 공정 블록(100)으로 표시된 슬라이스내의 다양한 복셀i에 원하는 선량을 제공하는 미리규정된 선량 맵D _i ^p 를 확인하는 것으로 출발한다. 전형적으로, 이러한 다양한 복셀i는 높은 선량이 필요한 하나 이상의 종양성 조직 부위와 선량이 소정값 미만으로 제한되어야 하는 하나 이상의 민감성 조직 부위를 포함하는 부위로 분류된다.

미리 규정된 선량 맵D _i ^p 는 요소들의 하나의 어레이로서 컴퓨터의 메모리내에 저장되며, 각각의 요소는 하나의 디지털값을 차지한다. 선량 맵D _i ^p 으로 진입하는 방법은 터미널의 디스플레이상에 환자의 단층촬영 뷰를 디스플레이하고, 당 분야에 잘 이해되어 있는 트랙-볼(track-ball) 또는 유사한 입력 장치를 사용하여 종양성 부위 주변을 수동적으로 추적하는 것을 포함할 수 있다. 각각의 흔적 영역에 할당된 선량값을 원하는 선량 맵을 나타내는 메모리의 어레이 중의 적합한 요소에 전달하기 위해 표준의 영역-채우기(area-filling) 알고리듬이 사용될 수 있다. 선량 맵D _i ^p 의 각각의 요소는 환자의 슬라이스내의 하나의 복셀i에서 원하는 선량을 규정한다.

그 후, 각각의 복셀i에서 원하는 선량을 생성시키는 각각의 갠트리 각도 θ에서의 각각의 빔의 각각의 선j의 플루언스값w _j 가 공정 블록(102)으로 표시된 바와 같이 측정되어야 한다. 이러한 공정이 1회의 반복이며; 선j에 대한 임의의 초기 플루언스값w _j 가 선택된 후, 이는 최적화된 값이 수득될 때까지 반복적으로 수정된다.

선j에 대해 선택된 초기 플루언스w _j 가 최종값에 근접할 수록, 최적화가 더욱 빨리 완료될 수 있다. 이러한 이유로, 본 발명의 한 가지 구체예에 있어서, 종양성 조직과 민감성 조직의 유사한 배치를 갖는 환자를 치료하기 위한 치료 계획을 선택하기 위해 종래의 방사선치료 계획의 라이브러리가 스크리닝된다. 환자 사이의 유사성, 과거의 치료 계획 및 현재의 계획은 현재의 방사선치료 적용에 필요한 선에 가까운 근사치인 선에 대해 초기 플루언스값w _j 를 제공할 것이다. 라이브러리는 컴퓨터와 같은 데이터 저장 시스템내에 저장된 수 개의 상이한 치료 계획으로 구성될 수 있으며, 상이한 형태와 크기를 갖는 다양한 치료 용적의 카탈로그를 지닐 수 있다.

공정 블록(104)에 의해 표시된 바와 같이, 초기 선 플루언스wj에 의해 제공되는 전달된 선량D _i ^d 는 이어서 통상적인 기법에 의해 측정된다. 1994년 5월 31일에 특허된 미국 특허 제 5,317,616호(본원에 참고문헌으로 인용되어 있음)에 기재된 바와 같이, 단위 질량 당 방출되는 전체 에너지(total energy released per unit mass)(Terma)의 측정은 선의 플루언스와 환자의 특성을 기초로 하여 각각의 선을 따라 측정될 수 있다. 주어진 복셀에 대한 Terma가 각각의 선과 각각의 빔 각도에 대해 누적된 후, 각각의 복셀에 대한 전체 Terma가 사전 계산된 산란체 커널(들)과 얽혀서 이 복셀에서의 선량을 결정할 수 있다. 커널(들)은 상이한 빔 각도로부터의 빔 각도의 범위에 걸친 산란체를 나타낼 수 있으므로, 한 가지 회선 동작의 경우 모든 빔 각도에 대해 선량 계산값을 제공할 수 있다. 커널(들)은 몬테카를로(Monte Carlo) 시뮬레이션과 같은 통상적인 기법에 의해 계산될 수 있다. Terma와 산란체 커널(들)과의 회선은 조사된 용적이 작은 머리와 목 또는 접선장(tangential-field) 유방 방사선치료과 같은 경우 특히 중요한 측면 산란체의 정확한 계정을 제공한다.

일반적으로, 각각의 선의 Terma는 저장되지 않을 뿐만 아니라 하나의 저장된 선에 의해 복셀에 전달되는 부분적 선량도 아니므로, 실질적인 메모리 절약을 제공한다.

공정 블록(106)에서, 공정 블록(104)에서 계산된 전달된 선량D _i ^d 는 공정 블록(100)에 진입하는 미리 규정된 선량D _i ^p 와 비교되고, 각각의 선의 플루언스는 주어진 선j로부터 방사선을 수용하는 각각의 복셀i에 대한 미리 규정된 선량D _i ^p 의 함수 대 실제 선량D _i ^d 의 함수의 비에 관한 업데이트 함수에 의해 조정된다.

첫 번째 구체예에 있어서, 업데이트 함수는 주어진 선j로부터 방사선을 수용하는 각각의 복셀i에 대한 미리 규정된 선량D _i ^p 와 실제 선량D _i ^d 에 대한 기하 평균의 비이며, 하기 식(1)과 같이 예시될 수 있다:

상기 식에서,w _j ^(k+1) 과w _j ^k 는 수정 전 및 수정 후의 플루언스값이고, n은 복셀의 전체 개수이다. 방정식(1)의 면밀한 조사로부터 알 수 있는 바와 같이, 복셀에 대한 전체 선량값만이 필요하고, 특정한 선j에 의해 기여되는 부분적 선량은 필요치 않으므로 상기 언급된 바와 같이 저장될 필요가 없다.

이러한 첫 번째 비(比) 업데이트 방법이 반복 적용되는 경우 (각각의 반복 공정에서 이전의 공정 블록(106)으로부터의 수정된 플루언스값을 사용하여 공정 블록(104 및 106)을 반복실시함으로써) 목적 함수O _j ()가 하기 식(2)와 같이 최적화되는 경향이 있고, 이는 하기 식(3)과 같이 1차 근사식으로 전환되는 것으로 분석적으로 밝혀질 수 있다:

대안적으로, 두 번째 구체예에 있어서, 빔 중량을 수정하기 위한 업데이트 함수는 주어진 선j로부터 방사선을 수용하는 각각의 복셀i에 대한 미리 규정된 선량D _i ^p 와 실제 선량D _i ^d 의 합의 비일 수 있으며, 하기 식(4)와 같이 예시될 수 있다:

상기 식에서,w _j ^(k+1) 과w _j ^k 는 수정 전 및 수정 후의 플루언스값이고,a는 수정되는 주어진 선j의 에너지 플루언스 당 선량 (d _ij ) 또는 에너지 플루언스와 관련된 임의의 강도 당 선량의 소정의 근사값이다. 대안적으로,a는 저장된 후d _ij 에 대한 근사값으로서 작용하도록 룩업(look up)되는 가변적 중심축 깊이일 수 있다.d _ij 의 실제값을 저장하지 않음으로써, 메모리 요건은 현저하게 감소한다. 업데이트 계수의 경우,d _ij 를 포함시키는 것은 일반적으로 최고 선량을 수용하는 복셀에 가장 큰 중요성을 두게 하도록 하는 기능을 한다. 사용된 근사값은 알고리듬의 변환율에 영향을 미칠 수 있지만, 반복에 따라 측정되는 전체 선량 분포는 회선/중첩(superposition) 기법을 사용하여 수행되는 선량 계산의 정확성을 유지시킬 것이다.

이러한 두 번째 업데이트 방법이 공정 블록(108)을 따라 반복 적용되는 경우(공정 블록(104)의 각각의 반복 실시에서 이전의 공정 블록(106)으로부터의 수정된 플루언스값을 사용하여 공정 블록(104 및 106)을 반복실시함으로써) 하기 목적 함수O _j ()는 최적화에 도달하는 경향이 있는 것으로 분석적으로 밝혀질 수 있다:

상기 식에서, n은 2의 값을 갖는 지수이다. 유사한 방법에 있어서,O _j ()는 2 보다 큰 값을 갖는 n을 사용하여 최적화될 수 있다.

이러한 방정식은 전달된 선량과 미리 규정된 선량 사이의 차의 강도의 합을 최소화시킨다. 이러한 목적 함수의 볼록한 성질은 임의의 국소적 최소치가 또한 전체적 최소치임을 나타낸다. 이와 같은 볼록한 목적 함수의 경우, 확률적 최적화 기법의 사용은 보증되지 않는다.

본 발명의 업데이팅 방법은 목적 함수를 더욱 확고하게 만들기 위해 추가로 수정될 수 있다. 상세하게는, 업데이트 함수는 하기 방정식(6)에 따라서 가중 계수를 환자의 각각의 영역에 적용하도록 수정될 수 있다:

상기 방정식에서,C _T 는 종양 부위에 할당된 가중 계수이고,C _R 은 민감성 부위에 할당된 가중 계수이다.T는 종양 용적을 나타내고,R은 민감성 부위를 나타낸다. 앞서와 같이,d _ij 의 값은 상수값a또는d _ij 에 근접하는 테이블에서 룩업된 값에 의해 어림잡을 수 있다.

이의 적용에 있어서, 종양 용적내의 복셀에 오버도우징(overdosing)하기 위한 패널티는 동일한 복셀에 언더도우징(underdosing)하기 위한 패널티와 동일하게 정해질 수 있다. 그러나, 과소량(underdosage) 또는 과량(overdosage)에 크게 중점을 두는 가중 계수를 이용하여 보다 임상적으로 허용되는 결과를 생성시키는 것은 간단하다.

가중 계수의 사용은 민감한 구조체에 대해서도 적용될 수 있다. 한 가지 가능성은 언더도우징된 복셀에 0의 중량이 할당되는 최적화를 포함한다. 결과적으로, 민감한 부위내의 복셀은 이들이 할당된 내선량 보다 큰 선량을 수용하는 경우에만 패널화된다.

또 다른 구체예에 있어서, 반복 기법의 탄력성은 각각의 처리 용적에 대한 누적 선량 용적 히스토그램(DVH)를 고려함으로써 추가로 개선된다. 특히 민감한 구조체에 있어서, 사용자는 선량 한계(D_max)와 한계를 초과하도록 허용된 민감한 구조체의 분획(V_max) 둘 모두를 나타내는 DVH상에 하나의 점을 한정할 수 있다. 선량 용적 고려의 한 가지 가능한 실행은 국제 회의(XII International Conference on the Use of Computers in Radiation Therapy, Salt Lake City, Utah, USA, 1997 (unpublished))에 제출된 보르트펠트(Bortfeld) 등의 논문["Clinically Relevant Intensity Modulation Optimization Using Physical Criteria"]에 기재된 기법을 기초로 할 수 있다. DVH 기본 패널티의 경우, 균일한 표적 선량 및 민감성 부위에서의 임상적으로 허용되는 선량 분포가 수득될 수 있다.

DVH 기본 패널티는 최적화를 가이딩하지만, 이의 규격은 절대적인 제약조건이 아니다. 또한, 가중 계수는 각각의 DVH 규격에 부가되어, 위반(violation)에 대한 패널티를 증가시킬 수 있다. 패널티에 할당된 상대 가중 계수를 증가시킴으로써, DVH 규격을 충족시킬 중요성은 효과적으로 커지게 된다.

DVH 기본 패널티는 천연적으로 유사한 기관에 대해 특히 유용하다. 이는 유사 좌표의 경우 종양학자는 종종 종양내의 유리한 선량 분포를 수득하기 위해 기관의 일부를 기꺼이 희생시키기 때문이다.

본 발명의 최적화 기법은 DVH 기본 패널티 및 업데이트 계수의 계산을 설명한다. 종래에는, 민감성 부위내의 모든 복셀이 내선량을 할당받았다. 그러나, 선량 용적 고려는 최적화를 위해 민감성 부위 복셀의 선택된 개수를 포함시킬 필요가 있을 뿐이다.

이러한 구체예에 따르면, 민감성 구조체내의 복셀은 D_max내지 D' 사이의 선량을 수용하는 경우 패널화된다. D'는 V_max를 초과하는 현재의 선량이다. 이는 도 6a 및 6b에 도시되어 있다. 패널화된 복셀은 D_max보다 큰 최소 초과 선량을 수용하는 민감성 부위의 복셀을 나타내고, 이들은 DVH 규격을 만족시키기 위해서는 선량의 최소 감소를 필요로 하므로 패널화된다. 따라서, 패널화된 복셀의 서브셋(subset)은 반복실시될 때마다 변화할 것이다.

패널티는 임의의 기준을 기초로 하여 부가될 수 있다. 예를 들어, 진료의사는 위험성이 있는 영역 중 일정한 퍼센트가 넘는 부분이 규정된 선량을 초과하는 경우 패널티를 부가할 것을 선택할 수 있다. 이와 같이, 패널티는 특정 조건이 충족되지 않는 경우 목적 함수에 부가될 수 있다.

이러한 구체예하에서, 알고리듬은 1회 반복시마다 DVH 규격이 충족되었는 지를 결정한다. 규격이 충족되지 않은 경우, 패널티가 목적 함수에 부가된다. 패널티는 D^plim보다 큰 최소 초과 선량으로 RAR내의 복셀에 적용된다. 복셀이 선택되는데, 이는 이들이 DVH 규격을 충족시키도록 선량의 최소 변화를 필요로 하기 때문이다. 이러한 구체예에 있어서, 방정식(6)은 하기 식(7)으로 다시 표현될 수 있다:

상기 식에서, λ_i ^DVH는 DVH 패널티의 기능을 한다. 상기 예에서, DVH 패널티는 도 6a에 도시된 DVH의 음영 영역에 위치한 복셀에 적용되었다.

더욱 일반화된 DVH 패널티가 또한 가능하다. 이러한 방법을 위해, DVH는 일련의 선량 영역에서 분할된다. 각각의 영역은 원하는 계획에 따라 DVH를 수정하는 데에 사용되는 이의 고유의 패널티값λ _i ^DVH 을 갖는다. 이러한 최적화 방법에 따라 적용된 DVH 패널티의 전형적인 형태는 도 6b에 도시되어 있다. 이러한 경우, 최적화 공정은 거대한λ _i ^DVH 값에 의해 좌우된다. 도 6b에 도시된 스텝 함수(step function)은 적용될 수 있는 중량의 패턴 및 이들이 적용되는 영역을 나타낸다. 그러나, 세로좌표는 실제값을 나타내지 않는다.

DVH 기본 패널티는 엄격한 제약조건을 제공하는 것이 아니라 최적화를 가이딩하고자 할 뿐이다. 가중 계수는 각각의 DVH 규격에 부가되어, 위반에 대한 패널티를 증가시킬 수 있다. 패널티에 할당된 상대 가중 계수를 증가시킴으로써, DVH 규격을 충족시킬 중요성은 효과적으로 커지게 된다.

본 발명의 방법 및 장치에 대한 한 가지 주요 이점은 이들이 선택된 컴퓨터의 메모리 요건을 최소화시키면서 대규모 선량 최적화를 수행할 수 있는 능력을 제공한다는 데에 있다. 또한, 본 발명의 방법은 탄력적이고, 확고하고, 환자의 각각의 영역에 할당된 가중 계수의 부가 또는 선량 용적 고려의 부가를 통해 향상될 수 있다. 탄력성으로 인해, 본 발명은 회선/중첩-기본 선량 계산과 함께 효율적으로 작용할 수 있는 능력으로부터 추가 이점을 갖는다.

상기 설명된 방법에 있어서, 업데이트 계수는 주어진 선j의 주경로에 위치한 복셀만을 업데이팅시킴으로써 계산될 수 있다. 이러한 방법은 궁극적으로 단층치료법에서 사용되는 치료법과 같은 복잡한 방사선치료법을 위한 계획을 최적화시키는 것을 단축시킬 것이다.

발명의 간단한 요약

본 발명은 선량 맵으로부터 치료 시노그램을 생성시키기 위한 방법 및 장치를 제공한다.

더욱 상세하게는, 본 발명은 환자에게 유도되는 다수의 선j를 따라 독립적으로 조절되는 방사선을 제공하여 선량D _i ^d = d _ij w _j 를 복셀(voxel)i에 전달하는 방사선치료기용의 방사선 치료 계획을 최적화시키는 방법을 제공한다. 첫 번째 단계에서, 치료 부위내의 복셀i에서 미리 규정된 전체 선량D _i ^p 를 의사로부터 입수하고, 플루언스w _j 값을 각각의 선j에 대해 할당한다. 그 후, 할당된 플루언스값w _j 를 이용하여 각각의 복셀i에서 수득한 실제 전체 선량D _i ^p 를 계산한다. 그 후, 플루언스값w _j 를 에너지 플루언스 당 선량d _ij 를 참조하지 않으면서 미리 규정된 선량D _i ^p 와 실제 선량D _i ^d 의 업데이트(update) 함수에 따라 변조시키고, 주어진 선j에 의해 각각의 복셀에 전달한다. 최종적으로, 변조된 플루언스값w _j 를 사용하여 치료기를 조절한다.

따라서, 본 발명의 한 가지 목적은 각각의 선에 대한 부분적 선량값을 저정할 필요없이 방사선 치료 기간에서 사용되는 다수의 선의 플루언스값을 결정하는 방법을 제공하는 데에 있다.

한 가지 구체예에 있어서, 업데이트 함수는 주어진 선j로부터 방사선을 수용하는 각각의 복셀i에 대한 미리 규정된 선량D _i ^p 와 실제 선량D _i ^d 의 비일 수 있거나 예를 들어 다음과 같이 표현될 수 있다:

상기 식에서,w _j ^(k+1) 과w _j ^k 는 선 플루언스의 변조 전 및 변조 후의 플루언스값이고,a는 에너지 플루언스 강도 당 선량d _ij 의 소정의 근사값이다.

따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 예를 들어 전자계산기로 신속하게 수행될 수 있는 선 플루언스를 변조시키는 간단한 계산 방법을 제공하는 데에 있다. 에너지 플루언스 당 선량d _ij 또는 에너지 플루언스와 관련된 임의의 세기 당 선량의 근사값을 이용함으로써, 상기 기재된 저장 문제와 부분적 선량을 계산하는 문제가 해결된다.

대안적인 구체예에 있어서, 업데이트 함수는 주어진 선j로부터 방사선을 수용하는 각각의 복셀i에 대한 미리 규정된 선량D _i ^p 와 실제 선량D _i ^d 의 비일 수 있거나 예를 들어 다음과 같이 표현될 수 있다:

상기 식에서,w _j ^(k+1) 과w _j ^k 는 단계 (d)의 변조 전 및 변조 후의 플루언스값이다.

따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 선 플루언스를 변조시켜서 부분적 선량d _ij 항이 없는 원하는 선량을 생성시키도록 수렴하게 하는 함수를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 상기 목적 및 그 밖의 목적은 하기 설명으로부터 명백해질 것이다. 이러한 설명에 있어서, 본원의 일부를 구성하는 첨부된 도면이 참조되며, 여기서, 본 발명의 한 가지 바람직한 구체예가 예로서 도시된다. 그러나, 이러한 구체예는 반드시 본 발명의 전체 범위를 나타내지는 않으므로, 본 발명의 범위를 해석하기 위해서는 하기 특허청구의 범위를 참조해야 한다.

실시예 1

방사선 치료 계획을 직사각형 민감성 부위를 둘러싸는 역 U자형 치료 용적에 대해 최적화시켰다. U자형 치료 용적을 5㎝x5㎝ 정사각형으로 잘라내고, 민감성 부위를 U의 오목한 곳에 정위시켰다. 방정식 6의 업데이트 계수를 사용하여 환자의 치료 용적(C_T)과 민감성 부위(C_R)에 대한 가중 계수를 포함시켰다. 이러한 방정식에서, C_T및 C_R은 각각 0.95 및 0.05로 세팅되었다.

도 7a 및 7b는 이러한 시뮬레이션으로부터의 결과를 나타낸다. 가중 계수를 사용하면 가중 계수없이 수득된 결과와 비교하여 표적 선량 분포의 현저한 개선을 일으켰다. 치료 용적의 선량 분포는 높은 선량을 민감성 구조체의 거대 용적에 전달시킴으로써 개선되는 것으로 관찰되었다. 민감성 구조체에 대한 선량을 증가시킴으로써, 90% 등선량선은 표적의 가장자리를 밀착 매칭하도록 확장되었다.

실시예 2

방사선 치료 계획을 누적 선량 용적 히스토그램(DVH)을 고려함으로써 본 발명의 방법에 따라 최적화시켰다. 누적 DVH는 최적화 공정 도중의 업데이트 계수의 계산에 포함되어 지는 DVH 기본 패널티를 제공하였다. 업데이트 계수는 민감성 구조체내의 한정된 복셀이 D_max와 D* 사이의 선량을 수용하는 경우 패널티를 포함하도록 수정되었다. D*는 V_max를 초과하는 현재의 선량으로서 규정되었다.

패널화된 복셀의 특징화는 도 6에 도시되어 있다. 패널화된 복셀은 D_max보다 큰 최소 초과 선량을 수용하는 부위의 민감성 복셀을 나타낸다. 이러한 특정한 복셀은 패널화되는데, 이는 이들이 DVH 규격을 만족시키기 위해 선량의 최소 감소를 필요로 하기 때문이다. 따라서, 패널화된 복셀의 서브셋은 반복 실행시 마다 변화한다.

도 8a와 8b는 상기 논의된 방정식 5와 관련하여 선량 용적 규격을 사용하는 최적화 공정으로부터의 결과를 나타낸다. 역 U자형 기하학의 경우, 패널티는 위험성이 있는 영역의 15%가 넘는 부분이 0.4의 선량을 초과하는 경우 부가되었다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 90% 등선량선은 치료 용적의 가장자리를 밀착 매칭한다.

실시예 3

도 9는 U자형 치료 용적과 DVH 기본 패널티 시스템을 포함하는 치료 최적화 시뮬레이션의 결과를 나타낸다. 이러한 시뮬레이션에 있어서, 패널티는 민감성 부위의 25%가 넘는 부분이 0.1의 선량을 초과하는 경우 부가되었다.

도 9b는 최적화 과정에 걸친 목적 함수값을 나타낸다. 실선은 전체 치료 용적과 민감성 부위에 대한 규정된 선량과 실제 선량 사이의 차의 제곱의 합의 값을 나타낸다. 점선은 DVH 기본 패널티가 사용되는 경우 최소화되는 실제 목적 함수이다. 상세하게는, 이것은 치료 용적내의 모든 복셀에 대한 전달된 선량과 미리 규정된 선량 사이의 차의 제곱의 합 + 패널화된 복셀의 전달된 선량과 선량 한계 사이의 차의 제곱의 합이다. 이들 함수 둘 모두가 각각의 연속 반복실시에 따라 값이 감소하였음을 주목하라.

실시예 4

또한, DVH 규격은 시뮬레이팅된 전립선 치료 계획으로 시험되었다. 이 경우, 전립선은 80Gy의 선량으로 미리 규정되었다. 직장 DVH 규격은 다음과 같았다: (1) 직장의 15%가 넘는 부분이 25Gy의 선량을 초과하는 경우 패널티를 부가하고, (2) 임의의 복셀이 50Gy를 초과하는 경우 패널티를 부가한다. 방광 DVH 규격은 다음과 같았다: (1) 용적의 40%가 넘는 부분이 27Gy의 선량을 초과하는 경우 패널티를 부가하고, (2) 모든 복셀을 54Gy가 넘게 패널화시킨다.

전립선 시뮬레이션의 결과는 도 10에 도시되어 있다. 95% 등선량선이 표적의 가장자리를 밀착 매칭함을 주목하라. 4가지 DVH 규격이 도 10b에 플로팅되어 있다.

상기 설명은 본 발명의 한 가지 바람직한 구체예의 설명이며, 당업자에게는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다수의 변형이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 본 발명의 범위내에 속할 수 있는 다수의 구체예를 공중에 알리기 위해, 하기 청구의 범위를 작성하였다.

Claims

a) 치료 부위의 복셀i에서 미리 규정된 전체 선량D _i ^p 를 확인하는 단계;

b) 각각의 선j에 대해 플루언스w _j 값을 할당하는 단계;

c) 단계 (b)의 할당된 플루언스값w _j 를 사용하여 각각의 복셀i에서 생성된 실제의 전체 선량D _j ^d 를 계산하는 단계;

d) 각각의 주어진 선j에 대해, 미리 규정된 선량D _i ^p 와 실제 선량D _i ^d 의 업데이트(update) 함수에 따라 단계 (b)의 플루언스값w _j 를 수정하는 단계; 및

e) 수정된 플루언스값w _j 를 사용하여 방사선치료기를 조절하는 단계를 포함하여, 환자쪽으로 유도된 다수의 선j를 따라 독립적으로 조절되는 방사선을 제공하여 선량D _j ^d = d _ij w _j 를 복셀i에 전달하는 방사선치료기용의 방사선 치료 계획을 최적화시키는 방법.
제 1항에 있어서, 업데이트 함수가 주어진 선j로부터 방사선을 수용하는 각각의 복셀i에 대해 미리 규정된 선량D _i ^p 를 분자로 하는 함수와 실제 선량D _i ^d 를 분모로 하는 함수의 비임을 특징으로 하는 방법.
제 2항에 있어서, 업데이트 함수가 하기 식임을 특징으로 하는 방법:

상기 식에서,

w _j ^(k+1) 과w _j ^k 는 단계 (d)의 수정 전 및 수정 후의 플루언스값이고,a는 에너지 플루언스 강도 당 선량d _ij 의 소정의 근사값이다.
제 3항에 있어서, a가 상수값임을 특징으로 하는 방법.
제 3항에 있어서, 단계 (b) 내지 (d)가 수 회 반복 실시되며, 단계 (b)의 할당된 플루언스값은 이전의 단계 (d)의 수정된 플루언스값을 취함을 특징으로 하는 방법.
제 3항에 있어서, 단계 (d)에서, 주어진j의 중심선을 따라 걸쳐있는 복셀i만이 고려됨을 특징으로 하는 방법.
제 1항에 있어서, 업데이트 함수가 주어진 선j로부터 방사선을 수용하는 각각의 복셀i에 대한 미리 규정된 선량D _i ^p 와 실제 선량D _i ^d 에 대한 기하 평균의 비임을 특징으로 하는 방법.
제 7항에 있어서, 함수가 하기 식임을 특징으로 하는 방법:

상기 식에서,

w _j ^(k+1) 과w _j ^k 는 단계 (d)의 수정 전 및 수정 후의 플루언스값이다.
제 7항에 있어서, 단계 (b) 내지 (d)가 수 회 반복 실시되며, 단계 (b)의 할당된 플루언스값은 이전의 단계 (d)의 수정된 플루언스값을 취함을 특징으로 하는 방법.
제 7항에 있어서, 단계 (d)에서, 주어진j의 중심선을 따라 걸쳐있는 복셀i만이 고려됨을 특징으로 하는 방법.
제 2항에 있어서, 업데이트 함수가 하기 식임을 특징으로 하는 방법:

상기 식에서,

w _j ^(k+1) 과w _j ^k 는 단계 (d)의 수정 전 및 수정 후의 플루언스값이고,C _T 는 종양 부위에 할당된 가중 계수이고,C _R 은 민감성 부위에 할당된 가중 계수이고,a는 에너지 플루언스 강도 당 선량d _ij 의 소정의 근사값이다.
제 11항에 있어서, a가 상수값임을 특징으로 하는 방법.
제 11항에 있어서, 단계 (b) 내지 (d)가 수 회 반복 실시되며, 단계 (b)의 할당된 플루언스값은 이전의 단계 (d)의 수정된 플루언스값을 취함을 특징으로 하는 방법.
제 11항에 있어서, 단계 (d)에서, 주어진j의 중심선을 따라 걸쳐있는 복셀i만이 고려됨을 특징으로 하는 방법.
제 2항에 있어서, 업데이트 함수가 하기 식임을 특징으로 하는 방법:

상기 식에서,

w _j ^(k+1) 과w _j ^k 는 단계 (d)의 수정 전 및 수정 후의 플루언스값이고,C _T 는 종양 부위에 할당된 가중 계수이고,C _R 은 민감성 부위에 할당된 가중 계수이고,λ _i ^DVH 는 환자의 각각의 영역에 할당된 패널티값이고,a는 에너지 플루언스 강도 당 선량d _ij 의 소정의 근사값이다.
제 15항에 있어서, a가 상수값임을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서, 단계 (b) 내지 (d)가 수 회 반복 실시되며, 단계 (b)의 할당된 플루언스값은 이전의 단계 (d)의 수정된 플루언스값을 취함을 특징으로 하는 방법.
제 15항에 있어서, 단계 (d)에서, 주어진j의 중심선을 따라 걸쳐있는 복셀i만이 고려됨을 특징으로 하는 방법.