JP2017512593A - 画像誘導放射線治療 - Google Patents

Abstract

特に、ただし限定されるものではないが、核磁気共鳴画像（ＭＲＩ）システムで実施される場合の画像誘導放射線治療（ＩＧＲＴ）のためのシステムおよび方法であって、分割間または分割内の画像に基づいて治療計画を調整する反復アプローチを利用し、治療全体に亘って照射される放射線の精度を顕著に改善するシステムおよび方法。治療用放射線のターゲットとなる領域で取得された画像を用いて治療用放射線の処方線量が患者の組織上にマッピングされる。ビーム角最適化、フルエンス最適化およびセグメント化に続いて、各セグメントの照射効率が、目的関数、および、その効率に応じてランク付けされたセグメントを用いて決定される。計画は、最初に照射されるべき最も効率が高い（一つまたは複数の）セグメントの選択を始める。この放射線が照射され、その分布を確立するために追跡されると、この照射された分布をオリジナルの処方線量から減算することができ、プロセスは、照射された放射線がオリジナルの処方線量に徐々に集束するように反復される。

Description

本発明は、画像誘導放射線治療（ＩＧＲＴ）のためのシステムおよび方法に関し、特に、ただし限定されるものではないが、例えば核磁気共鳴画像（ＭＲＩ）／線形加速器、すなわち「ＭＲＬ」などのＭＲＩシステムで実施される場合のシステムおよび方法に関する。

ＩＧＲＴは、放射線治療中に２次元および／または３次元の撮像を頻繁に行うプロセスであり、放射線治療用の放射線の照射を指向するために用いられる。

人間または動物の組織をイオン化放射線に晒すと、このように晒された細胞にダメージが及ぶことが知られている。これにより、例えば、病的細胞の治療においてアプリケーションが見出される。しかしながら、患者の身体の奥深くで腫瘍を治療するために、放射線は、病的な細胞に照射してこれを破壊するため健康な組織を貫通しなければならない。従来の放射線治療において、大量の健康組織がこのように放射線の有害な線量に晒され、潜在的に、受容しがたい副作用が生じ得る。従って、健康な組織の被爆を最小にしながら、病的な細胞の死をもたらす放射線の線量にこれらの組織を晒すように、イオン化放射線および治療プロトコルで患者を治療するためのシステムを設計することが望ましい。

健康な組織の被爆を最小にしながら所望の病的細胞を破壊する被爆を達成するためにこれまでいくつかの方法が採用されてきた。多数の方法は、多数の線源から同時に、または、単一の移動可能な線源から時間をかけて多数回被爆して多数の方向から腫瘍での放射線を指向することにより作用する。従って、各方向からの堆積した線量は、腫瘍を破壊するために必要であろう線量を下回るが、多数の方向からの放射線ビームが集束する場所で、放射線の総線量は十分に治療効果がある。多数の方向から放射線を提供することにより、周囲の健康な細胞にもたらされるダメージを減少することができる。

回転照射線治療（ＩＭＡＴ）は、これを達成する一つの方法であり、米国特許第５，８１８，９０２に記載されている。このプロセスにおいて、放射線源は、患者の回りで回転し、放射線ビームは、線源の回転角に依存して所望の形状を取るようにコリメートされ、通常、マルチ・リーフコリメータ（ＭＬＣ）を有する。特定形態のＩＭＡＴ、強度変調回転放射線治療（ＶＭＡＴ）の潜在的な利点は、近年、多数の商業的実施と研究を生じさせた。これらのシステムにおいて、線量率、回転スピードおよびＭＬＣのリーフ位置は、照射中全て変化し得る。一般的に、質および精度において、固定ガントリの強度変調放射線治療（ＩＭＲＴ）に匹敵する計画が取得可能であり、通常、照射回数は低減されている。

通常のＩＭＲＴ方法では、ガントリ上で患者の回りに直線加速器が回転し、予め固定された多数の角度から「変調された」Ｘ線ビームを放出する。ここで、直線加速器のヘッドに取り付けられたマルチ・リーフコリメータ（ＭＬＣ）を用いて変調が実行される。ＭＬＣは、隣接する健康な構造体の被爆を最小限にしながら腫瘍を正確に狙うために、その金属リーフの連続移動を通じて、出射する放射線ビームのパターンを形成する。

放射線ビームが正確に指向されることを確実にするために、放射線治療のコースの前、またはその間中でも、ターゲット領域を撮像することにより、治療を誘導することができる。ただし、治療中は、通常、治療のコースが個々の治療に分割され（「分割」と呼ばれ、例えば治療は一日で行われる）、撮像は分割の間に実行される。これは、ＩＧＲＴとして知られている。典型的なＩＧＲＴ方法は、計画からの計画コンピュータ・トモグラフィ（ＣＴ）データセットを有するコーンビーム・コンピュータ・トモグラフィ（ＣＢＣＴ）データセットの位置決めを含むことがある。ＩＧＲＴはまた、キロボルト（ｋＶ）の平面レントゲン写真のマッチングまたは計画ＣＴからの再構築されたディジタルラジオグラフ（ＤＲＲ）を有するメガボルト（ＭＶ）の画像を含むことがある。

キロボルトのコンピュータトモグラフィ（ＣＴ）は、回転可能なガントリ上に設けられ主たる放射ヘッドに関連する角度で配置された個々の撮像用放射線源を提供することにより、治療中に実行される。検出器が撮像用放射線源とは正反対に配置され、ガントリの複数の回転角について撮像データを収集する。このデータは次に再構築され、既知のＣＴ技術を用いて３次元の画像を形成する。この方法の一例としては、ＰＣＴ出願の国際公開第２００６／０３０１８１号を参照されたい。キロボルトの放射は、患者内の異なる構造間のコントラストが高いため、撮像用にしばしば好んで選択される。

メガボルトのコンピュータ・トモグラフィ（ＣＴ）において、放射線検出器が回転可能なガントリ上で主たる治療ヘッドと正反対に配置され、患者を通過した（かつ、患者によって減衰された）後にメガボルトの放射線を検出するように設計される。従って、生成される画像は、ビーム照射側からみた（ＢＥＶ）個々の送信画像である。メガボルトの撮像は、患者内のターゲットに関連してＭＬＣリーフの位置を変更するために使用可能である。検出器は、通常、「電子ポータル画像装置」すなわちＥＰＩＤとして知られている。しかしながら、治療用放射線に関連づけられた高エネルギは、患者内の様々な組織のタイプの減衰係数がこのエネルギレベルで類似しているため、撮像目的にとって理想的ではなく、画像コントラストが劣ることとなる。さらに、従来の放射線治療では、メガボルトの放射線は通常少なくとも３つの角度から患者に指向されるため、この方法は本質的に２次元であり、これでは、３次元の撮像を提供するには不十分かもしれない。

上述の２つの方法は、現在採用されているＩＧＲＴ戦略の大部分を備える。しかしながら、腫瘍または他の放射線ターゲットのＭＲＩによるリアルタイムでの追跡を包含する放射線治療システムは、現在も開発途上である。現存する計画された放射線治療システムに伴う一つの課題は、放射線が照射される位置および任意の特定の位置への放射線の照射量（「線量」）の両方に関し、治療計画に従って放射線分布を確実に正確に与えることである。第２の課題は、ガントリの角度の「最適の」数および値を決定するというビーム角最適化の問題であり、これは、組み合わせ最適化の課題として度々説明されている。その他、関連問題として、狙いとする組織に近接した、および／または狙いとする組織に印加される放射線ビームの経路内にある、ターゲットでない組織に印加される照射量、すなわち線量を減らすことである。さらに、患者またはターゲットの動きによる影響を最小化し、また、放射線治療システムの利用を最大化するために、それぞれの治療は短時間で行われなければならない。これらの些細でない課題は、例えば放射線治療システムおよび撮像システムの特性および／または制約、治療前の患者およびターゲット組織の正確な位置決め、並びに、治療間および治療内、分割間および分割内のいずれにおいてもこれらの両方が動く可能性がある、などの実用上の問題によってなおさら複雑になっている。コンピュータ化された治療計画システムは、これらの課題に対処しようとするが、使用される計算法およびアルゴリズムは、極端に複雑であり、操作されるべき膨大な量のデータを含み、これには、大量の処理が必要であり、相当量の時間がかかる。放射線を照射する方法に対しては、任意の単一の位置へ−腫瘍の場合には特定のレベルでまたはそのレベルまで、ターゲットではないが敏感ではない組織の場合には処方された安全なレベルを下回り、特定の敏感でターゲットでない組織の場合には、無視できるレベルで）ターゲット領域へ照射される放射線の量が治療計画に従って確実に照射される絶対線量の注意深い制御を確実にする一方で、線量分布が正確である（すなわち、他の場所ではなくて意図した位置、またはターゲット領域へ放射線が確実に照射される）ような研究が続いている。

ＩＭＲＴ計画プロセスにおいては、さらにいくつかの考慮される必要のある課題があり、これらは全て最適化に関係している。一つは、フルエンス最適化問題と呼ばれ、これは、ビーム角の所与のセットに対応する「最適」の強度プロファイルのセットを見出すことである。他の一つは、各ビーム角について強度プロファイルを提供するＭＬＣリーフ移動の「最適」な順序を決めるというリーフシーケンスの問題である。

本発明は、治療全体に亘って照射される放射線の精度を顕著に改善するために、分割間または分割内の画像に基づいて治療計画を調整する反復的なアプローチを利用する。分割治療中に照射されるべき治療用放射線の処方線量が、治療用放射線用のターゲットとなる領域について取得された画像を使用して患者の組織上にマッピングされる。ビーム角最適化、フルエンス最適化およびセグメント化に続いて、各セグメントの照射効率が、目的関数、および、その効率に応じてランク付けされたセグメントを用いて決定される。計画は、最初に照射されるべき最も効率が高い（一つまたは複数の）セグメントの選択を始める。この放射線が照射され、その線量分布を確立するために追跡されると、この照射された線量分布をオリジナルの処方線量から減算することができ、プロセスは、照射された放射線の線量がオリジナルの処方線量に徐々に集束するように反復される。本発明の重要な利点は、決定されたターゲット領域へ放射線が高精度で照射されることを可能にするということである。ただし、このことは、ターゲット領域の照射下の僅かの部分を犠牲にして達成でき、これは正確に決定することができ、処方線量のうちで治療の最後で未照射、すなわち「失われた」照射の部分は、経過中で次の治療用に処方される線量の適切な調整により計上可能である。多くの既知の技術の場合のように、印加される治療用放射線の絶対レベルを知ってその放射線のうちのいくつか（通常は少量）が所望のターゲット領域の外に分布するかもしれないことを受容するよりもむしろ、本発明は、各分割中の放射線の分布が極めて正確になることを可能にするが、後の分割での補償が可能であるために、照射下の受容可能な程度が通常存在することを受容する。

従って、本発明は、一側面において、治療用放射線の所定線量を患者の組織のターゲット領域に照射するための放射線治療装置であって、治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源を備え、患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像が取得され、前記所定線量が、前記ターゲット領域に達成されるべき所望の線量分布として前記画像上にマッピングされ、
ａ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へ照射される方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見て前記ターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成し、
ｂ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化し、
ｃ）手順ｂ）からのペンシルビームデータと、画像からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して該ビーム角で供給されるべきサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であり、
ｄ）サブ線量分布プロファイルの各々を、それぞれが複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化し、
ｅ）セグメントの全ての前記効率を決定し、
ｆ）治療用放射線の最も効率が高いセグメントの少なくとも一つにしたがって放射線を照射し、
ｇ）手順ｆ）にて照射された放射線を追跡し、前記画像からの患者の生体構造データに関連して前記セグメント中または各セグメント中に照射された放射線の量および分布を計算し、これを、前記マッピングされた所定線量から減算して新たな所定線量を形成し、これに基づいて、照射されるべきサブ線量および／または部分サブ線量を調整し、
ｈ）手順ｃ）から手順ｇ）までの上記手順を反復する、
ように適合および構成される、装置を提供する。

このような装置により、正確な分割治療を迅速かつ容易に計画することが可能になり、これにより、大部分は自動化された制御で、しかし人間のオペレータに監視されて、計画治療を迅速かつ効率的に続いて実行することができ、これにより、（通常、大きな受容があって希少資源である）システムが効率良く使用される。

装置は、手順ｇ）において、照射された放射線を患者の組織に関連して追跡する手順において、前記更なる画像からの生体構造データに照射された被照射放射線をマッピングするようにさらに適合化されてよい。装置は、ビームの変更可能なコリメーションのためのコリメータを備え、手順ｄ）にて決定されるようなセグメントにマッチする輪郭をビームに与えることが必須である、ビームのコリメーションを決定するようにさらに適合化されてよい。

装置は、手順ｆ）での照射において、ビーム強度および／またはビーム照射の時間を調整するようにさらに適合化されてよい。更なる撮像デバイスは、核磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置、超音波装置、または電気泳動表示装置（ＥＰＩＤ）を備える。

更なる側面において、本発明は、治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源と、患者の身体部分の相対的位置と組織のタイプとを示す画像を提供するための装置と、を備える治療用放射線の所定線量を患者の組織のターゲット領域に照射するための放射線治療装置であって、患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像が取得され、前記所定線量が、前記ターゲット領域に達成されるべき所望の線量分布として前記画像上にマッピングされ、
ａ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へその輪郭内で照射される方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見てターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成し、
ｂ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化し、
ｃ）手順ｂ）からのペンシルビームデータと、前記画像からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して該ビーム角でのサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であり、
ｄ）サブ線量用分布プロファイルの各々を、それぞれが複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化し、
ｅ）セグメントの全ての効率を決定し、
ｆ）治療用放射線の最も高効率のセグメントの少なくとも一つに従って放射線を照射し、
ｇ）手順ｆ）にて照射された放射線を追跡し、患者の生体構造データに関連して前記セグメント中または各セグメント中に照射された放射線の量および分布を計算し、これを、前記マッピングされた所定線量から減算して新たな所定線量を形成し、これに基づいて、照射されるべきサブ線量および／または部分サブ線量を調整し、
ｈ）手順ａ）から手順ｇ）まで、または、手順ｂ）から手順ｇ）までの上記手順を反復する、
ように適合化および構成される、装置を提供する。

それぞれが少なくとも患者のターゲット領域の患者生体構造データを示す一つまたは複数の更なる画像が取得されてよく、反復ループ内で使用される。この更なる画像の使用により、ペンシルビームの再生成および新たなビーム角の選択のうちの一つまたは両方を含む反復プロセスを介して、各セグメントの放射線の影響を考慮に入れることで、計画および効果的な治療の精度および効率が改善される。

本発明はまた、治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源を備える放射線治療システムを用いた、患者の組織のターゲット領域への所定線量の治療用放射線の照射を計画する方法であって、
ａ）前記患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像を取得することと、
ｂ）前記ターゲット領域において達成されるべき所望の線量分布である所定線量を前記画像上にマッピングすることと、
ｃ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へ照射されるべき方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見て前記ターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成することと、
ｄ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化することと、
ｅ）手順ｄ）からのペンシルビームデータと、手順ａ）からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して前記ビーム角で照射されるべきサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であることと、
ｆ）サブ線量分布プロファイルの各々を、それぞれが複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化することと、
ｇ）セグメントの全ての効率を決定することと、
ｈ）前記患者に最初に照射すべき最も高効率のセグメントを選択することと、を備える、方法を提供する。

このような方法は、特に、作業負荷の大部分が治療計画コンピュータによって実行されてオペレータの作業負荷を軽減するので、強度が調整された放射線治療の迅速かつ正確な計画を可能にする。該方法は、患者の組織の変化の補償を可能にし、最初に計算されたセグメントに直ぐに続く放射線の照射を可能にし、治療中に患者の整体構造のアップデートを考慮に入れることができる、十分に適用可能な分割内計画システムをもたらす。

異なる側面において、本発明はまた、治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源を備える放射線治療システムを用い、治療用放射線の所定線量を患者の組織のターゲット領域へ照射する方法であって、
ａ）前記患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像を取得することと、
ｂ）前記ターゲット領域において達成されるべき所望の線量分布である所定線量を前記画像上にマッピングすることと、
ｃ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へ照射されるべき方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見て前記ターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成することと、
ｄ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化することと、
ｅ）手順ｄ）からのペンシルビームデータと、手順ａ）からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して前記ビーム角で照射されるべきサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であることと、
ｆ）サブ線量分布プロファイルの各々を、それぞれが複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化することと、
ｇ）セグメントの全ての前記効率を決定することと、
ｈ）治療用放射線の最も効率が高いセグメントの少なくとも一つに従って放射線を照射することと、
ｉ）手順ｈ）にて照射された放射線を追跡し、手順ａ）からの患者の生体構造データに関連して前記セグメント中または各セグメント中に照射された放射線の量および分布を計算し、これを手順ｂ）でマッピングされた所定線量から減算して新たな所定線量を形成し、これに基づいて、照射されるべきサブ線量および／または部分サブ線量を調整することと、
ｊ）手順ｅ）から手順ｉ）までの上記手順を反復することと、
を備える、方法を提供する。

他の一つの側面において、本発明また、治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源と、患者の身体部分の相対的位置と組織のタイプとを示す画像を提供するための装置とを備える放射線治療システムを用い、治療用放射線の所定線量を患者の組織のターゲット領域へ照射する方法であって、
ａ）前記患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像を取得することと、
ｂ）前記ターゲット領域において達成されるべき所望の線量分布である所定線量を前記画像上にマッピングすることと、
ｃ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へその輪郭内で照射されるべき方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見て前記ターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成することと、
ｄ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化することと、
ｅ）手順ｄ）からのペンシルビームデータと、手順ａ）からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して前記ビーム角でのサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であることと、
ｆ）サブ線量分布プロファイルの各々を、それぞれ複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化することと、
ｇ）セグメントの全ての前記効率を決定し、
ｈ）治療用放射線の最も効率が高いセグメントの少なくとも一つに従って放射線を照射することと、
ｉ）手順ｈ）にて照射された放射線を追跡し、患者の生体構造データに関連して前記セグメント中または各セグメント中に照射された放射線の量および分布を計算し、これを、手順ｂ）でマッピングされた所定線量から減算して新たな所定線量を形成し、これに基づいて、照射されるべきサブ線量および／または部分サブ線量を調整することと、
ｊ）手順ｃ）から手順ｉ）まで、または、手順ｄ）から手順ｉ）までの上記手順を反復することと、
を備える、方法を提供する
上記の通り、ペンシルビームの再生成および新たなビーム角の選択のうちの一つまたは両方を含む反復プロセスを介して、各セグメントの放射線の影響を考慮に入れた、更なる画像の利用により、計画および効果的な治療の精度および効率が改善される。

本発明の側面の全てにおいて、マッチングフルエンスのペンシルビームは、隣接または近接する実質的に同一のフルエンスを有するペンシルビームが同一のセグメントに配置されることを意味することがある。あるいは、それは、予め定められた値以上であるフルエンスを有する隣接または近接するペンシルビームが同一のセグメントに配置されることを意味することがある。本明細書および特許請求の範囲中で使用される「マッチ」、「マッチングされた」および「マッチング」の用語は、それに基づいて解釈される。

以下、添付の図面を参照しながら本発明の一実施形態を例として説明する。

図１は、従来の放射線治療装置の概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の際に生成されるペンシルビームのグリッドの一部を示す図である。 図３ａおよび図３ｂは、セグメント効率を特徴付けるための代替的方法を説明するために、本発明の実施の際に生成されるペンシルビームの他のグリッドの一部を示す図である。 図４ａおよび図４ｂは、本明細書に記載されるプロセスの一部をなす反復フルエンス最適化プロセスの概略図である。

図１は、典型的な放射線治療装置を示す。その上に患者１２を載置可能な患者テーブル１０が設けられる。通常、患者テーブルは、その６つの自由度、すなわち、３つの並進方向および３つの回転方向のいずれにおいても（制限内で）移動可能であり、これにより、治療されるべき患者の関連のある一部を、治療室内で機械に関連して「アイソセンタ」として知られる特定の位置１４に配置する。これは、固定位置に設けられてアイソセンタ１４の方へ指向される多数の低出力レーザによって視認可能にされてよい。患者テーブルは、理想的には、ターゲット領域１５、例えば癌性腫瘍の輪郭内にアイソセンタが入るよう配置される。

放射線源１６は、回転可能なガントリ１８から延在するガントリ（図示せず）上に設けられる。放射線源は、高エネルギのＸ線または電子線、またはこれら両方の選択可能な選択、または他の形態の放射線を放出することができる。一実施形態において、線源１６は線形加速器である。回転可能なガントリは、通常、壁や他の構造物の中にセットされ、これにより、操作機械類を隠すことができる。ガントリ１８は、アイソセンタ１４を貫通する水平軸回りに回転可能であり、線源１６は、水平軸からずれているが該軸およびアイソセンタ１４へ向けて指向された位置にあるサポート１８から延在する。このように、ガントリ１８が回転するので、線源１６は、可能な半径方向全てからアイソセンタ１４の周りの領域を照明する。これにより、治療中の腫瘍または他の病変へ印加される線量を維持しながら健康な組織へ印加される放射線線量を装置が制限する一つの方法が提供される。病変（またはこれに関連する部分）は、全治療中に被爆され得るが、周囲の組織は、直接、ビームと同一線上にある場合にのみ被爆される。

健康な組織に印加される線量を制限する他の一つの方法は、放射ビーム用の複数のコリメータの利用である。これらは、放射線源１６と一体化し、その横方向の大きさを制限するように、自身が形成するビーム２２に作用するコリメータセット２０として収容される。これらは、２対のコリメータを備え、それぞれ、あらゆる方向のビームを制限するように互いに横断する方向で動作する。通常はブロックコリメータが存在し、これは、ｘ方向で前後に移動可能であってｙ方向に実質的に平行な平坦な前面を有する一対のコリメーティング部を備える。ブロックを前後に移動することにより、ビームは、ｘ方向において要望通りに制限可能である。

コリメータの第２対は、マルチ・リーフコリメータ（ＭＬＣ）である。これらは、互いに対向する２つの列をなすリーフを備え、各リーフは、ｙ方向において前後に延在可能であり、ビーム幅のかなりの部分を超えて通じ合えるようにｙ方向に比較的長く、ビームを相当程度減衰できるようにｚ方向に比較的深く、良好な解像度が可能になるようｘ方向に比較的狭い。個々のリーフを所望の位置へ動かすことにより、リーフの各列は、全体として、実質的に任意の形状を取るフロントエッジを提供することができる。

２つのコリメータの間で、ビームは、実質的に任意の要求形状に画定可能であり、ブロックコリメータがｘ方向で形状の横方向の大きさを規定し、マルチ・リーフコリメータが該形状の残余の部分を規定する。放射線源１６の回転移動との組み合わせで、患者の臨床医が処方した処方箋に合致するように、コリメータにより、患者内での複雑な３次元線量分布の構築が可能になる。標準的な熟練した癌専門医は、隣接するターゲット領域、例えば癌腫瘍などの治療を十分に進展させるため、健康組織における所定割合の量が犠牲にされることを許容する放射線線量を指示する。典型的な線量は、例えば、ターゲット領域は８０Ｇｙ（ここで、「Ｇｙ」とは、放射線線量吸収のための国際単位である「Ｇｒａｙ」の省略である）放射線線量を受け取り、一方、隣接する組織はわずか３０％しか２０Ｇｙの放射線線量を上回り得ない。処方された線量分布は、線源が患者に照射する角度と、線源から放射される放射線の線量率と、治療の間にコリメータによって描かれる形状とを段階的または継続的に変更することにより形成される、形状および到達方向が異なる複数のビームに由来する。以下の説明では、放射線治療用の放射線を放射する多数の個別の角度が選択される段階的な配置の観点から本発明を説明する。当業者は、線源１６がアイソセンタ１４の周りで継続的に移動するときに装置を調整することで、継続仕様での操作に要求される変更を理解するであろう。

所望の線量分布を実現する、必須の回転、線量率、およびコリメータ形状を計算するため、「治療計画コンピュータ」（ＴＰＣ）２６が通常採用される。これは、線量分布の形態での処方された線量を受け取る。これは、通常、特定線量の放射を受けなければならない領域、例えば病変そのものと、線量が可能な程度に最小化されるべき領域と、実質的に０または特定線量未満が照射されるべき領域、例えば腸、視神経、脊髄などを含む敏感な構造物とを示す３次元のマップである。それはまた、一組の「機械制約」も受け取る。これは、ビームおよびコリメータの幾何形状、最大線量率並びに最大回転速度などを含む装置の特性を詳述したものである。次に、要求される回転速度、線量率、ＭＬＣ形状など、およびこれらの経時変化の観点から放射線治療装置用の詳細な命令を含む「治療計画」を形成するアルゴリズムが適用される。このアルゴリズムの詳細は、本発明に関連せずそれ自体が既知ものであり、例えば国際公開第２００２／０４９０４４号で説明されている。

図１には、アイソセンタ１４の回りで回転してアイソセンタ１４に向けて撮像用放射線のビーム２８を生成するよう設けられた撮像用放射線源２４も示されており、これにより、ビーム２８が患者１２を貫通して撮像装置３０によって取得される。撮像装置３０は、通常、撮像用線源２４と共に回転するよう配設され、１８０°で直接対向するよう固定配置される。撮像用線源２４は、放射線源１６に関して既知の位置に配置され、これにより、患者の組織の画像と装置３０により取得されるターゲット領域１５の画像とを、線源１６により放出された放射線に関連づけることができる。放射線源１６およびコリメータセット２０，撮像用線源２４および撮像装置３０、並びに、これらのそれぞれの制御および移動機構（図示せず）は全てＴＰＣ２６に操作可能に接続され、ＴＰＣ２６はまた、ＴＰＣをアシストするために必要であれば（２６で）他のデータ処理および／または記憶装置（図示せず）にも接続され、また、所定の線量をターゲット領域へ照射するように、オペレータがこのシステムを制御するための例えばコンピュータやリンクされたディスプレイ（図示せず）などのユーザインタフェイスにも接続される。

本発明の実施形態において、ターゲット領域１５の画像（例えば、異なる角度からのターゲット領域の異なる画像の連続を取得することによって得られる３次元のものが好ましい）がまず取得される（この領域を取り囲む患者の組織もまたしばしば撮像されるが、これにより、周囲のまたは近接する、ターゲットでない組織への照射効果が制御可能であり、そこへ照射された放射線はどのような適切なレベル（危機的に敏感な組織または器官の場合は０でよく、他の感受性がより低い組織についいては０を超えるあるレベルだがターゲット領域へ照射されるべきレベルよりは低い）にも制限可能である。次いでこの画像はＴＰＣ２６へ送られる。放射線治療の間、ターゲットでない器官への線量を低減するため、治療されるべき身体の領域を治療時間にできるだけ近い時に撮像すると有利である。しかしながら、実際には、予め画像を取得してもよく、撮像用線源２４以外の撮像システムを使用してもよい。

図１に示すように患者を配置し、抽出されて３Ｄ画像に示されたターゲット領域１５（および、選択的には、周囲の／近接する組織）の生体構造データがＴＰＣ２６へロードされる。ＴＰＣは、オペレータに指示されて、ターゲット領域で達成されるべき所定のまたは所望の線量分布を特定するように所定線量をターゲット領域上にマッピングする。次いで、ＴＰＣ２６は、ビーム角の最適化、すなわち、ビーム角−放射線治療用ビーム２２がターゲット領域で指向されるべきアイソセンタ回りの位置の計算を実行する。この計算は、ターゲット領域の性質および位置、周囲の患者組織の性質および位置、並びに、照射源１６により達成可能な放射線放射特性を考慮に入れる。この計算をした後、ＴＰＣは、次いで、各ビーム角から照射されるべきビームの輪郭を規定するマスクを定義する。特定ビーム角におけるビーム輪郭は、そのビーム角から見たターゲット領域の輪郭に対応する（または、いくつかのアプリケーションでは、ターゲット領域の輪郭よりも小さい領域だがターゲット領域の輪郭内にある領域に対応してよい）。

ＴＰＣはまた、各ビーム角で照射されるべき放射線のサブ・ドーズを計算する（ここで、各ビーム角からの組み合わせられたサブ線量は、合計すると所定線量分布になるか、またはこれに近づくがこれを超えない）。

次の手順は、時にビームレットとして知られる複数の仮想的なペンシルビームを生成するための各ビーム角での各ビームの離散化であり、これらは、直線の経路であって、普通は円錐形または円柱形であり、断面積は非常に小さく、異なる環境下でのより大きな放射線ビームの振る舞いおよび／または特性を予測するために使用される。この既知の離散化プロセスは、既知のモンテ・カルロ方法、既知の崩壊円錐方法または任意の他の好適な離散化エンジンにより実行される。ビームをペンシルビームへ離散化したら、離散化プロセスからのペンシルビームデータと、患者の生体構造データと、画像からのターゲット領域とを用いてフルエンスの最適化が実行される（既知の任意の最適化実行を利用してよいが、本発明が反復実施されるのであれば、より速いものが好ましい）。これにより、各ビーム角でのサブ・ドーズのための分布プロファイルが生成され、または第１のフルエンス最適化が得られる。第１のフルエンス最適化は、各セグメントが照射するサブ・ドーズが減算される残余のアルゴリズムのための最適のフルエンス分布と見なされる。該アルゴリズムに照射間での組織アップデートを提供する、リアルタイム撮画の場合、毎回、いくつかの組織変形が発生し、この最適の参照フルエンス分布は、後に説明する通り、アップデートされた組織に基づいて計算された新たなフルエンスによって置換される。

次の手順は、各ビーム角でのビームのセグメント化である。マッチングフルエンスのペンシルビームは、放射線源１６が照射できる形態にグループ化される（例えば、マッチングフルエンスのペンシルビームのグループが、ＭＬＣに再現できない形状をなす場合、そのセグメントは受容されず、セグメント化プロセスが再開されなければならないことになる）。ペンシルビームのマッチングには、ペンシルビームのフルエンスが等しいことを必要とすることができ、あるいは、ある程度の公差は、個々のペンシルビームのフルエンスが「マッチされた」ものとみなして実行されてよい。あるいは、ペンシルビームのマッチングは、所定フルエンス以上のフルエンスを有するペンシルビームがマッチされた（すなわち、同一のセグメントに配置された）ことを意味し得る。任意のタイプの高速セグメント化が利用可能である。一実施例では、セグメント化は以下のように実行される。すなわち、ビームのフルエンスが１０００の個別の強度レベルに分けられ、各ペンシルビームに、０−１０００間の強度値が与えられる。次に、ペンシルビームが、その位置および強度レベル、並びに、放射線治療装置によって物理的に照射可能かどうか、に基づいてセグメントにグループ化される。次いで、各セグメントが、セグメント領域およびその強度レベル間での乗算の結果である、その効率によって特徴付けられる。しかしながら、各セグメントの効率を記述するために異なる目的関数を使用することできる。この点が図２に示されている。同図は、フルエンス最適化マップの一部の５×５グリッド３５を示し、また、各セルがペンシルビームに対応し、これによりターゲット領域に照射されるべき放射線線量を指示する。同図から見られるように、グリッドの中央に向けて４つのセルのグループがあり、これらのそれぞれが１０Ｇｙのフルエンスを有する。グリッドのトップエッジに沿ったラインには、それぞれ７Ｇｙのフルエンスを有する３個のセルの第２グループがあり、グリッドの右手側に６個のセルの第３グループがあり、それぞれ４Ｇｙのフルエンスを有する。上述の計算を用いると、第１グループの効率は４０、第２グループの効率は２１、第３グループの効率は２４であり、従って、第１グループが最も高効率であり、次いで第３、それから第２と続く。ＴＰＣ２６は、効率順にこれらをランク付けし、次いで、最も高効率のものを、そのビーム角で照射されるべき最初のセグメントとして選択する。あるいは、所定のフルエンスレベル７を適用することができ、７以上のフルエンスを有するこれら隣接するセルの全てで形成されるグループ−輪郭線で示された１０個のセル３７のグループ−を適用することができる。このグループを形成する際にフルエンスのレベルは予め決定されているので、その効率は、領域（すなわち、グループ内のセルの数）によって乗算された、予め決定されたフルエンスレベル（またはセグメント強度）である。次に、「マッチングされた」フルエンスの他のグループが（上述の方法のいずれかを用いて）形成され、それから、上述の通り効率の順序でランク付けされたグループが形成される。

図３ａおよび３ｂは、セグメント効率を計算するための代替的なプロセスを説明する：各セグメントは単一の強度レベルを有する一方、これを形成するビームレットまたはセルは、異なる強度レベルを有してよく、この変更可能性を考慮に入れることにより、セグメント選択プロセスは、そのビームレットの全体強度分布に対する寄与に関するより多くの情報を有する。図３ａおよび３ｂは、フルエンス最適化マップの一部である３×３のグリッド３９を示し、各セルはペンシルビームレットに対応し、これにより図２におけると同様に、ターゲット領域に照射されるべき放射線線量を指示する。図３ａにおいて、６個のセルのセグメント４１が斜線で示されている。セグメント４１は、５以上の強度レベルを有するセルのために選択されている。図３ｂは、９以上の強度レベルを有するセルのために選択された３個のセルのセグメント４３を示す。図２に関連した、セグメント効率を決定するための上述した方法を使用すると、セグメント効率は、その強度レベルを有する領域によって乗算された強度レベルに等しく、セグメント４１の効率は５×６、すなわち３０となる。同一の方法により、セグメント４３の強度は、２７となる。従って、上述の方法はセグメント４１を最も高効率としてランク付けする。セグメントが平均セル（またはビームレット）強度により認定されるのであれば、セグメント４１における平均ビームレット強度は７（（３×９＋３×５）／６）であり、セグメント４３における平均ビームレット強度は９である。この平均ビームレット強度を利用し、強度レベルを領域で乗算する（すなわち、上述の図２に関連して抽出された効率を平均ビームレット強度で乗算する）ことにより得られたセグメント効率を認定すると、セグメント４１について２１０（５×６×７）の被認定効率が得られ、セグメント４３について２４３（９×３×９）の被認定セグメント効率が得られる。この被認定効率を用いると、より小さいセグメント４３は、より大きなセグメント４１よりも高効率であると見なされる。この被認定効率を用いると、強度が中程度の大領域と、大強度でより小さな領域との間で図２の方法よりもバランスの取れた比較が提供される。図２の方法は、より大きな領域を常に有利にし、このためにターゲットの高線量の領域において線量の一部を照射しないおそれがあるため、いくつかの場合（例えばターゲットのある部分において線量が上昇する場合）において計算を困難にした。

この点、一旦セグメント効率が決定されると、このセグメントで実際に照射される線量が計算される（この線量は、上述のセグメント化の時点（コリメーション装置によってセグメント形状が形成可能かどうかは別として）では機械パラメータが守られておらず、そのため、リーフ伝達およびペナンブラ効果などは計上されなかったため、セグメント化手順で想定されたものと僅かに異なる）。一実施例において、ＭＣ ｖｅｒｉｆｙ（商標）エンジンがこの線量計算に使用されるが機械パラメータを計上する「優れた」線量エンジンであれば、いずれも機能する。

次に、本システムは放射線をそのセグメントに照射する（プロセス全体をスピードアップするために最も高効率のグループのみでもよいし、効率のために最も高効率のいくつかでもよい）ことができる。照射中、または照射直後に、患者のターゲット領域１５について更なる画像が取得されてよい。この画像は、撮像用線源２４および装置３０によって取得され、最初の画像が取得された後であってこのサブ・ドーズ照射の最後でシフトおよび／または変形されたかもしれないターゲット領域１５の位置を決定するために使用される。これにより、照射されたサブ・ドーズを患者の組織上に正確にマッピングすることが可能になる。もしも更なる画像が取得されなければ、照射されたサブ・ドーズがオリジナルの画像上にマッピングされる。

次いで、本システムは、照射されたサブ・ドーズを最初のフルエンス最適化から減算して新たなフルエンス最適化を生成し、このプロセスは、反復可能である。もしも、更なる画像が取得されており、照射されたサブ・ドーズのマッチングにこれが考慮されると、本システムは、ペンシルビームへの離散化の手順に戻ることができ、または、ビーム角最適化の手順に戻ることができ、これにより、放射線照射の精度が累積的に改善される。ただし、データ処理増大のコストはある。

図４は、この減算プロセスを概略的に説明する。図４ａは、単一のビーム角で処方されたサブ・ドーズ分布を曲線４５として示し（フルエンスは縦軸に沿って示され、位置は横軸に沿って示される）、曲線４５の下の領域は、処方線量を完了するためになお照射されるべき放射線またはそのビーム角用のサブ・ドーズを示す。曲線４５よりも下の領域は、上述したように、縦線によってセグメント４７、４９、５１に分割されている。例のために、セグメント５１は最も高効率のセグメントであり、斜線が施された領域５１ａに示すように照射可能である−各セグメントにおけるビームのフルエンスは同じであり、斜線が施された領域は図示の通り矩形であり、かつ、いずれの点においても、本来処方された放射線を超える放射線を照射しないよう曲線４５によって示されるような処方線量を超えないことが望ましい。照射されていない（セグメント５１内で斜線が施されていない領域５１ｂで表される）サブ・ドーズ量があることは明らかである。照射フルエンスのレベルは実質的に一定である一方、処方線量はセグメントに亘って変化するため、かつ／または、照射のフルエンスレベルは照射されるセグメントの全領域に亘って等しくないため、照射されないサブ・ドーズが発生することがある。この照射されない放射線（斜線が施されていない領域５１ｂ）は、図４ｂに示すように、新たなフルエンス最適化へ繰り出される。プロセスの次の手順において、図４ｂのフルエンス最適化は、開始の基礎として使用され、セグメント５１ｂにおける未照射の放射線は、図示の通り、セグメント４７および４９のいずれよりも明らかに効率が低く、従って、これらのセグメントの一つまたはより効率が高い他の一つのビーム角からのセグメントは次に照射されることが理解される。このように、反復のプロセスによって処方線量は接近または達成され、未照射の放射線は、連続するセグメントが照射されるにつれて徐々に減少する。例として説明すると、各ビーム角用の曲線４５は、継続するプロセスのために、放射線源の容量を上回るか、または治療に必要な時間の点から不十分になるまで、横軸に向かって次第に低くなる。任意の一つのビーム角で治療を停止する現実的な利点は、複数のフルエンス最適化の後に残存する曲線４５の特定の予め定められた最大高さが存在する時である。上述したように、このプロセスが更なる撮像を含む場合、最初の画像のみが使用される場合よりも、放射線が照射された精度においてより信頼できるものになり得る。このため、手術を停止するための閾値（すなわち曲線４５の最大高さ）は後者用よりも前者用（特許請求の範囲の「第１閾値」および「第２閾値」）が低くなり得る。プロセスを停止する時を決定する代替的な方法があるとすると、最高の次に効率が高いセグメントの照射されるべきサブ・ドーズの総計が所定のサブ・ドーズ（特許請求の範囲の「所定線量の閾値」）より低い時であろう。プロセスを終了する時を決定する更なる方法があるとすると、特定数のセグメントが計算された時とすることができるであろう。

実施例
方法：治療の各ビーム角についてペンシルビームが生成され、フルエンス最適化が実行された。ペンシルビームは、患者の生体構造および上述の最適のフルエンスと共に、アルゴリズムの入力をなす。多数の反復のそれぞれにおいて以下の手順が実行された：フルエンス最適化が実行され、次に、各ビームのフルエンスが個別の強度レベルに分けられた。これらのそれぞれについて、照射可能なセグメントが計算された。各セグメントの領域は、その効率を決定するためにその強度で乗算された。次いで、計算されたフルエンス、および、この計算されたセグメントにより照射されるであろう線量の一部を照射するために、全ビーム内で最も高効率のセグメントが選択された。次に、この照射された線量が残存する線量から減算された。このループは、線量の９０％が照射されるまで繰り返され、最後のセグメントの重量最適化が実行されて完全集束に至った。

結果：このアルゴリズムは、複数の前立腺ケースにおいてテストされた。この作業で使用された前立腺ケースの全ては、７つのビームと線量上昇領域を用いて３mm×３mm×３mmの間隔を有するグリッドで計画された。順序づけられた計画から以下の臨床的な制約が満たされなければならなかった：ＰＴＶの９９％超が６６．５Ｇｙを受け取らなければならず、ＥＢＶの９９％超が７３．１５Ｇｙを受け取らなければならず、直腸のせいぜい５０％が５０Ｇｙを受け取ることができ、直腸のせいぜい５％が７２Ｇｙを受け取ることができ、危険体積での計画器官（ＰＲＶ）のせいぜい２ｃｃの直腸が７７Ｇｙを受け取ることができ、膀胱のせいぜい１０％が７２Ｇｙを受け取ることができ、膀胱のせいぜい１ｃｃが８０Ｇｙを受け取ることができ、括約筋へ照射される平均線量は、３７Ｇｙ未満でなければならない。テストは、全ての臨床的制約を満たす結果を得た。品質保証も、これらの前立腺ケースの一つについてデルタ４および皮膜幻影に行われ、３％／３mmの基準内で両方のガンマ分析を通過した後に臨床的受容を受け取った。

実際には、分割治療は、照射されない少量の線量を残して停止されるようであり、これは、照射されるべき、最高の次に高効率のセグメントが予め定められた線量閾値を下回るため、または、「非照射線量」が、機械または時間の制約により照射できないように分配されているため、または、ターゲットでない組織へ印加される線量を照射が超えているかもしれないためである。この非照射線量とその分布は、記録可能であり、かつ／または治療計画コンピュータに入力可能であり、これにより、次の分割治療用の処方線量に追加される。複数分割の一連の治療に亘り、非照射線量のための、分割から分割へのこのような補償方法は、望ましい全体的な、または累積的な治療計画により正確かつ迅速に近づくことができる。大部分のケースにおいて、分割間の移動が存在しそうであるため、この移動は、次の分割治療に先立って撮像手順で記録され、ビーム角、ビーム角最適化、フルエンス最適化およびセグメント化の少なくとも一つの観点から次の分割のための治療計画は以前の治療計画とは異なったものになりそうである。複数の分割治療に亘るこれらの相違は、一つまたは複数の先行する分割において照射されなかった線量の原因となった要因を累積的に考慮することができる。これにより、一つの分割治療中に非照射線量の最後の要素を完成させる、苦痛でありかつ時間のかかる試みに代えて、その分割からの非照射線量を次の分割治療および／または引き続く分割治療に分解することができるので、患者のための治療効率が向上する。

勿論、本発明の範囲から逸脱することなく上述の実施形態に多数の変形を行うことができることが理解される。例えば、本システムは、他の一つのビーム角でのセグメント照射に移る前に、一つのビーム角でセグメントの全てを照射することができるが、通常、連続して照射されるセグメントは、異なるビームに由来することがより効率的である。これにより、多数の角度が利用可能であるという利点が得られ、セグメントが照射されるにつれて−ビーム角間の移動に要する時間のコストはあるものの−例えば高照射強度から低強度へなどの概略線形な態様で線源が動作することが可能になる。

図示のシステムは、メガボルトのシステムまたはキロボルトの撮像システムを有するが、例えば超音波またはＭＲＩシステムなど、任意のタイプの撮像システムが使用可能である。本発明は、迅速、正確で非常にタイムリな画像を提供して患者への照射線量を増大することなく分割内画像を提供するその能力のために、ＭＲＬシステムにおいて、ＭＲＩスキャナと共に使用するために特に有利である。

以上、ガントリなどの上で患者の回りで回転可能な照射源の観点から本発明を説明し、特許請求の範囲に規定したが、このように移動するよりもむしろ、患者のターゲット領域に向けて殆ど任意の位置および／または角度から照射を指向するように移動可能なロボットアームに放射線治療用の照射源が取り付けられた装置（このような装置の一つがＣｙｂｅｒｋｎｉｆｅの商標下で販売されている）を用いても同様に本発明は実施可能である：添付の特許請求の範囲は、まさしくこのようなアレンジをも包含することが企図され、従って、用語「ビーム角」は、本明細書を通じ、これに基づいて解釈されるべきである。

上述では３Ｄ画像の使用を参照した。例えば、呼吸、心臓鼓動、消化作用などに起因する患者の組織のサイクリックな動きのような分割内の動きを考慮するよう、画像は、本技術分野で既知のように、４Ｄでもよい。

本発明のいくつかの実施形態は、全部または一部において、コンピュータシステムと共に使用するためのコンピュータプログラム製品として実施可能である。このような実施形態は、例えばコンピュータ読取可能な媒体（例えば、ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、ＲＯＭ、または固定ディスク）などの有形の媒体上に組み込まれた、または、例えばネットワークに接続された通信アダプタのようなモデムまたは他のインタフェイスデバイスを介して、コンピュータシステムに通信可能な一連のコンピュータ命令を含んでよい。この一連のコンピュータ命令は、システムに関して本明細書中で上述した機能の全部または一部を具現化する。このようなコンピュータ命令は、任意のコンピュータアーキテクチャまたはオペレーティングシステムと共に使用するために、任意の好適なプログラム言語で記述可能であることを当業者は理解すべきである。さらに、このような命令は、例えば半導体、磁気、光学または他のメモリデバイスのような任意のメモリデバイス内に格納してもよいし、例えば光学的、赤外線、マイクロ波または他の送信技術などの任意の通信技術を用いて送信してもよい。このようなコンピュータプログラム製品は、付随の印刷された文書または電子文書と共に取り外し可能な媒体（パッケージソフトウェア）として頒布してもよいし、コンピュータシステムに（例えばシステムＲＯＭまたは固定ディスク上に）予めロードしてもよいし、ネットワーク（例えばインターネットまたはワールドワイドウェブ）上でサーバまたは電子掲示板から頒布してもよい。本発明のいくつかの実施形態がソフトウェア（例えばコンピュータプログラム製品など）およびハードウェアの両方の組み合わせとして実施されることもまた勿論理解されるであろう。いくつかの実施形態は、ソフトウェアのアップデートのみとして、または新たなソフトウェアおよびハードウェア（コンピュータのハードウェアおよび他の、非コンピュータ装置のアイテムの両方を含む）として既存の放射線治療システムに容易に後付けできる。

さらに、上記では異なる変形例または代替構成を説明したが、本発明の実施形態はこのような変形例および／または代替例を任意の好適な組み合わせで組み込むことができることを理解されたい。

Claims (44)

1. 治療用放射線の所定線量を患者の組織のターゲット領域に照射するための放射線治療装置であって、治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源を備え、患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像が取得され、前記所定線量が、前記ターゲット領域に達成されるべき所望の線量分布として前記画像上にマッピングされ、
   ａ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へ照射される方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見て前記ターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成し、
   ｂ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化し、
   ｃ）手順ｂ）からのペンシルビームデータと、画像からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して該ビーム角で供給されるべきサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であり、
   ｄ）サブ線量分布プロファイルの各々を、それぞれが複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化し、
   ｅ）セグメントの全ての前記効率を決定し、
   ｆ）治療用放射線の最も効率が高いセグメントの少なくとも一つにしたがって放射線を照射し、
   ｇ）手順ｆ）にて照射された放射線を追跡し、前記画像からの患者の生体構造データに関連して前記セグメント中または各セグメント中に照射された放射線の量および分布を計算し、これを、前記マッピングされた所定線量から減算して新たな所定線量を形成し、これに基づいて、照射されるべきサブ線量および／または部分サブ線量を調整し、
   ｈ）手順ｃ）から手順ｇ）までの上記手順を反復する、
   ように適合および構成される、装置。
2. 治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源と、患者の身体部分の相対的位置と組織のタイプとを示す画像を提供するための装置と、を備える治療用放射線の所定線量を患者の組織のターゲット領域に照射するための放射線治療装置であって、患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像が取得され、前記所定線量が、前記ターゲット領域に達成されるべき所望の線量分布として前記画像上にマッピングされ、
   ａ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へその輪郭内で照射される方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見てターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成し、
   ｂ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化し、
   ｃ）手順ｂ）からのペンシルビームデータと、前記画像からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して該ビーム角でのサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であり、
   ｄ）サブ線量用分布プロファイルの各々を、それぞれが複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化し、
   ｅ）セグメントの全ての効率を決定し、
   ｆ）治療用放射線の最も高効率のセグメントの少なくとも一つに従って放射線を照射し、
   ｇ）手順ｆ）にて照射された放射線を追跡し、患者の生体構造データに関連して前記セグメント中または各セグメント中に照射された放射線の量および分布を計算し、これを、前記マッピングされた所定線量から減算して新たな所定線量を形成し、これに基づいて、照射されるべきサブ線量および／または部分サブ線量を調整し、
   ｈ）手順ａ）から手順ｇ）まで、または、手順ｂ）から手順ｇ）までの上記手順を反復する、
   ように適合化および構成される、装置。
3. 撮像装置をさらに備え、
   手順ｇ）の後であって、手順ａ）からｇ）または手順ｂ）からｇ）を繰り返す前に、前記患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す更なる画像を取得するようさらに適合化された、請求項２に記載の装置。
4. 前記追跡の手順である手順ｇ）において、前記新たな所定線量が第１閾値より低い場合に、手順ｈ）に進まないようにさらに適合化された、請求項１に記載の装置。
5. 前記追跡の手順である手順ｇ）において、前記新たな所定線量が第２閾値より低い場合に、手順ｈ）に進まないようにさらに適合化された、請求項２または３に記載の装置。
6. 前記追跡の手順である手順ｇ）において、最大の次に高い効率で照射されるべきセグメントのサブ線量の総計が所定線量の閾値より低い場合に、手順ｈ）に進まないようにさらに適合化された、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
7. 手順ｇ）において、照射された放射線を患者の組織に関連して追跡する手順において、前記更なる画像からの生体構造データに照射された被照射放射線をマッピングするようにさらに適合化された、請求項３もしくは５、または請求項２に係る限りにおける請求項６に記載の装置。
8. ビームの変更可能なコリメーションのためのコリメータを備え、手順ｄ）にて決定されるようなセグメントにマッチする輪郭をビームに与えることが必須である、ビームのコリメーションを決定するようにさらに適合化される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. サブ線量用分布プロファイルの各々をセグメント化する手順である手順ｄ）において、前記コリメータが形成できる輪郭を有するビームに従ってマッチするフルエンスのペンシルビームをグループ化し、前記コリメータが形成できない輪郭を有するグループはいずれも廃棄するようにさらに適合化される、請求項８に記載の装置。
10. 各セグメントの前記効率を決定する手順ｅ）において、各ビームのフルエンスを複数の個別の強度レベルに分け、前記セグメントの断面領域を個別のセクションへ分け、個別強度レベルおよびセクション領域の関数として効率を抽出するようにさらに適合化される、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記領域内の平均強度によって前記効率を改定するように適合化される、請求項１０に記載の装置。
12. 手順ｅ）の後であって手順ｆ）の前に、少なくとも一つのセグメントを選択し、前記放射線治療システムの特性を考慮に入れ、これにより前記放射線治療システムにより前記セグメント内または各セグメント内に現実に照射される放射線のレベルおよび分布を計算し、計算された該レベルおよび分布を手順ｉ）での減算のために使用するようにさらに適合化された、請求項９、１０または１１に記載の装置。
13. 手順ｆ）での照射において、ビーム強度および／またはビーム照射の時間を調整するようにさらに適合化された、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 手順ｂ）中でビームを複数のペンシルビームに離散化する手順において、モンテ・カルロ・アルゴリズムまたは崩壊円錐アルゴリズムなどのアルゴリズム的方法を利用するようにさらに適合化された、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記更なる撮像デバイスは、核磁気共鳴画像（ＭＲＩ）装置、超音波装置、または電気泳動表示装置（ＥＰＩＤ）を備える、請求項３、または請求項３に従属する請求項のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記装置が手順ｈ）へ進まない時点で照射されるべき所定線量の一部およびその分布を、引き続く所定線量で照射するための治療計画に組み込むために、前記所定線量の前記一部およびその分布を記録するよう適合化される、請求項４、５もしくは６、または請求項４、５もしくは６に従属する請求項のいずれか一項に記載の装置。
17. 治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源を備える放射線治療システムを用いた、患者の組織のターゲット領域への所定線量の治療用放射線の照射を計画する方法であって、
    ａ）前記患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像を取得することと、
    ｂ）前記ターゲット領域において達成されるべき所望の線量分布である所定線量を前記画像上にマッピングすることと、
    ｃ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へ照射されるべき方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見て前記ターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成することと、
    ｄ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化することと、
    ｅ）手順ｄ）からのペンシルビームデータと、手順ａ）からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して前記ビーム角で照射されるべきサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であることと、
    ｆ）サブ線量分布プロファイルの各々を、それぞれが複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化することと、
    ｇ）セグメントの全ての効率を決定することと、
    ｈ）前記患者に最初に照射すべき最も高効率のセグメントを選択することと、を備える、方法。
18. 前記放射線治療装置は、ビームの変更可能なコリメーションのためのコリメータを有し、
    手順ｆ）にて決定されるようなセグメントにマッチする輪郭をビームに与えることが必須である、ビームのコリメーションを決定することをさらに備える、
    請求項１７に記載の方法。
19. 各サブ線量分布プロファイルをセグメント化する手順ｆ）は、前記コリメータが形成できる輪郭を有するビームに従ってペンシルビームのマッチングフルエンスをグループ化することを備え、
    前記コリメータが形成できない輪郭を有するグループはいずれも廃棄される、請求項１７または１８に記載の方法。
20. 各セグメントの前記効率を決定する手順ｇ）は、各ビームのフルエンスを複数の個別の強度レベルに分け、かつ、前記セグメントの断面領域を個別のセクションへ分けることをさらに備え、前記効率は、個別強度レベルおよびセクション領域の関数として抽出される、請求項１７乃至１９のいずれか一項に記載の装置。
21. 前記領域内の平均強度によって前記効率を改定することをさらに備える請求項２０に記載の方法。
22. ビームを複数のペンシルビームに離散化する手順は、モンテ・カルロ・アルゴリズムまたは崩壊円錐アルゴリズムなどのアルゴリズム的方法を備える、請求項１７乃至２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記画像は、ターゲット領域外の患者組織の生体構造データを備える、請求項１７乃至２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 以前の所定線量からの線量の一部およびその分布を分割治療用の治療計画に組み込むように所定線量の計画を立てることをさらに備える、請求項１７乃至２３のいずれか一項に記載の方法。
25. 添付図を参照して上述したものと実質的に同一の方法。
26. 添付図を参照して上述したものと実質的に同一の装置。
27. 治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源を備える放射線治療システムを用い、治療用放射線の所定線量を患者の組織のターゲット領域へ照射する方法であって、
    ａ）前記患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像を取得することと、
    ｂ）前記ターゲット領域において達成されるべき所望の線量分布である所定線量を前記画像上にマッピングすることと、
    ｃ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へ照射されるべき方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見て前記ターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成することと、
    ｄ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化することと、
    ｅ）手順ｄ）からのペンシルビームデータと、手順ａ）からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して前記ビーム角で照射されるべきサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であることと、
    ｆ）サブ線量分布プロファイルの各々を、それぞれが複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化することと、
    ｇ）セグメントの全ての前記効率を決定することと、
    ｈ）治療用放射線の最も効率が高いセグメントの少なくとも一つに従って放射線を照射することと、
    ｉ）手順ｈ）にて照射された放射線を追跡し、手順ａ）からの患者の生体構造データに関連して前記セグメント中または各セグメント中に照射された放射線の量および分布を計算し、これを手順ｂ）でマッピングされた所定線量から減算して新たな所定線量を形成し、これに基づいて、照射されるべきサブ線量および／または部分サブ線量を調整することと、
    ｊ）手順ｅ）から手順ｉ）までの上記手順を反復することと、
    を備える、方法。
28. 治療用放射線の指向可能なビームを生成するための線源と、患者の身体部分の相対的位置と組織のタイプとを示す画像を提供するための装置とを備える放射線治療システムを用い、治療用放射線の所定線量を患者の組織のターゲット領域へ照射する方法であって、
    ｋ）前記患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す画像を取得することと、
    ｌ）前記ターゲット領域において達成されるべき所望の線量分布である所定線量を前記画像上にマッピングすることと、
    ｍ）治療用放射線が前記線源から前記ターゲット領域へその輪郭内で照射されるべき方向に対応する少なくとも一つのビーム角を決定し、各ビーム角毎に、各ビーム角から見て前記ターゲット領域の輪郭に実質的にマッチするビーム輪郭を規定するマスクを形成することと、
    ｎ）前記ビームまたは各ビームをそのビーム輪郭内で複数のペンシルビームへ離散化することと、
    ｏ）手順ｄ）からのペンシルビームデータと、手順ａ）からの患者の生体構造データおよびターゲット領域データを用いてフルエンス（ｆｌｕｅｎｃｅ）最適化プロセスを各ビーム角毎に実行して前記ビーム角でのサブ線量用の分布プロファイルを生成し、全角度からのサブ線量の合計は前記所定線量に実質的に同一であることと、
    ｐ）サブ線量分布プロファイルの各々を、それぞれ複数のペンシルビームのマッチングフルエンスを備えるセグメントへセグメント化することと、
    ｑ）セグメントの全ての前記効率を決定し、
    ｒ）治療用放射線の最も効率が高いセグメントの少なくとも一つに従って放射線を照射することと、
    ｓ）手順ｈ）にて照射された放射線を追跡し、患者の生体構造データに関連して前記セグメント中または各セグメント中に照射された放射線の量および分布を計算し、これを、手順ｂ）でマッピングされた所定線量から減算して新たな所定線量を形成し、これに基づいて、照射されるべきサブ線量および／または部分サブ線量を調整することと、
    ｔ）手順ｃ）から手順ｉ）まで、または、手順ｄ）から手順ｉ）までの上記手順を反復することと、
    を備える、方法。
29. 手順ｉ）の後であって、手順ｃ）からｉ）または手順ｄ）からｉ）を繰り返す前に、前記患者の少なくとも前記ターゲット領域の生体構造データを示す更なる画像を取得することをさらに備える請求項２８に記載の方法。
30. 前記追跡する手順ｈ）は、前記新たな所定線量が第１閾値より低い場合に、手順ｉ）に進まずに前記治療を中止することをさらに備える請求項２９に記載の方法。
31. 前記追跡する手順ｈ）は、前記新たな所定線量が第２閾値より低い場合に、手順ｉ）に進まずに前記治療を中止することをさらに備える請求項２８または２９に記載の方法。
32. 最大の次に高い効率で照射されるべきセグメントのサブ線量の総計が所定線量の閾値より低い場合に、手順ｈ）に進まないことをさらに備える請求項２９、３０または３１に記載の方法。
33. 前記治療が中止される時点または手順ｈ）へ進まない時点で照射されるべき所定線量の一部およびその分布を、その後の所定線量で照射するための治療計画に組み込むために、前記所定線量の前記一部およびその分布を記録することをさらに備える、請求項１７乃至３２のいずれか一項に記載の方法。
34. 手順ｉ）中で、照射された放射線を患者の組織に関連して追跡する手順は、前記更なる画像からの生体構造データに対し、追跡された被照射放射線をマッピングすることを備える、請求項２９に、または請求項２８に従属する請求項３１に記載の方法。
35. 前記放射線治療システムは、ビームの変更可能なコリメーションのためのコリメータを有し、
    手順ｆ）にて決定されるようなセグメントにマッチする輪郭をビームに与えることが必須である、ビームのコリメーションを決定することをさらに備える、請求項２７乃至３４のいずれか一項に記載の装置。
36. ビームの必須のコリメーションの決定は、手順ｃ）の後であって手順ｄ）の前に実行される、請求項３５に記載の方法。
37. 各サブ線量分布プロファイルをセグメント化する手順ｆ）は、前記コリメータが形成できる輪郭を有するビームに従ってペンシルビームのマッチングフルエンスをグループ化することを備え、
    前記コリメータが形成できない輪郭を有するグループはいずれも廃棄される、請求項３５または３６に記載の方法。
38. 各セグメントの前記効率を決定する手順ｇ）は、各ビームのフルエンスを複数の個別の強度レベルに分け、かつ、前記セグメントの断面領域を個別のセクションへ分けることをさらに備え、前記効率は、個別強度レベルおよびセクション領域の関数として抽出される、請求項２５乃至３７のいずれか一項に記載の装置。
39. 手順ｇ）の後であって手順ｈ）の前に、少なくとも一つのセグメントを選択し、前記放射線治療システムの特性を考慮に入れ、これにより前記放射線治療システムにより前記セグメント内または各セグメント内に現実に照射される放射線のレベルおよび分布を計算し、計算された該レベルおよび分布を手順ｉ）での減算のために使用するようにさらに適合化される、請求項３３もしくは３４または請求項３３もしくは３４に従属する請求項に記載の方法。
40. 手順ｈ）の照射手順は、ビーム強度および／またはビーム照射の時間を変更するように前記放射線治療システムを調整することを備える、請求項２３乃至３９のいずれか一項に記載の装置。
41. ビームを複数のペンシルビームに離散化する手順は、モンテ・カルロ・アルゴリズムまたは崩壊円錐アルゴリズムなどのアルゴリズム的方法を備える、請求項２５乃至４０のいずれか一項に記載の方法。
42. 前記更なる画像は、核磁気共鳴画像（ＭＲＩ）、超音波画像、または電気泳動表示装置（ＥＰＩＤ）からの画像である、請求項２９、または請求項２９に従属する請求項のいずれか一項に記載の装置。
43. 前記画像は、ターゲット領域外の患者組織の生体構造データを備える、請求項２７乃至４２のいずれか一項に記載の方法。
44. 請求項２７乃至４３のいずれか一項に記載の方法を実行するように適合化され構成された装置。

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