JP2020512908A - イオン放射線療法のための方法、システム、及びコンピュータプログラム製品 - Google Patents

Abstract

ボクセルの一部を空気腔として近似することによりボクセル内の密度が不均一であり得る組織を補償する、イオン放射線療法の線量計算を行う方法である。各線量ボクセルに関して、ボクセルが、複数のセルを備える三次元グリッドに内接し、ボクセルを通るイオンの伝搬が、ボクセルに重なる少なくとも１つのセルにおけるセルパターンに基づいて計算される。好ましくは、ボクセルは、少なくとも１つのセルに十分に重なるような様態で三次元グリッドに内接する。各セルは、組織の密度に対応する第１の密度を表す第１の部分と、空気の密度に対応する第２の密度を表す第２の部分を備え、第１の部分と第２の部分がセルパターンを形成する。【選択図】図４ｃ

Description

本発明は、肺組織のイオン放射線療法のための方法に関する。

患者にエネルギーを付与するために陽子などのイオンを用いる放射線療法は、複数の利点を有する。

イオンに基づく放射線療法では、各イオンがそのエネルギーのほとんどをその経路の終端に向けて放出し、ブラッグピークとして知られているものを生じることになる。治療計画作成での重要な問題は、すべてのビームのブラッグピークが、周囲体積への線量を最小にしながら治療体積のすべての部分が規定された線量を受けるような様態で、確実に治療体積内にあるようにすることである。

ブラッグピークの位置は、各イオンの運動エネルギーＴｐにより影響される。Ｔｐの値は、最低エネルギーを有するイオンが治療体積の最近位端の領域で止まることになり、且つ最高エネルギーを有するイオンが治療体積の最遠位端の領域で止まることになるように選択される。したがって、イオンに基づく放射線療法は、線量を高精度で送達することを可能にし、したがって、治療されるべき体積の外部組織への損傷を最小にする。

肺組織などのフラクタル特性を有する組織は、均質ではないという点で特定の難しさをもたらす。代わりに、空気腔と空気よりも高密度の組織との不規則なパターンを備える。例えば、肺組織は、肺胞と呼ばれる空気腔の不規則なパターンを含む。肺組織の構造は、均質な組織を通る軌道に比べて誤差を生じる様態でイオンの軌道に影響する。現在用いられるＣＴイメージングシステムは、個々の空気腔を見るのに十分なだけ高い解像度を提供しない。代わりに、ＣＴ画像は、肺組織での密度の平均値を返すことになる。

空気腔は、結果的に、均質な組織の場合に比べてブラッグピークのブロードニングをもたらすことになる。イオン療法の線量計算の基礎として平均値を用いることは、結果的に、エネルギー送達の不正確なモデリングをもたらすことになる。

本発明の目的は、陽子放射線療法などのイオン療法に関する肺組織での放射線治療線量モデリングの精度を高めることである。

本発明は、イオン放射線療法の線量計算を行う方法であって、
ａ．肺線量ボクセルなどの、フラクタル組織ボクセルとして識別される、治療されるべき体積での各線量ボクセルに関して、
ｂ．好ましくはボクセルが少なくとも１つのセルに十分に重なるような様態で、複数のセルを備える三次元グリッドにボクセルを内接させるステップと、
ｃ．各セルは、組織の密度に対応する第１の密度を表す第１の部分と、空気の密度に対応する第２の密度を表す第２の部分を備え、第１の部分と第２の部分がセルパターンを形成し、
ｄ．ボクセルに重なる少なくとも１つのセルにおけるセルパターンに基づいてボクセルを通るイオンの伝搬を計算するステップと、
を含む、方法に関する。

本発明は、肺胞を含む肺の数学的近似を提案し、これは、第１の密度を有する組織の部分と実質的にゼロの密度を有する空気の部分とを備える或る体積を通るイオンの伝搬を計算するのに用いられ得る。前述のように平均値はイオンの伝搬に影響する密度の変動を考慮に入れていないので、これは全体積を通して１つの平均密度値を用いることよりも優れている。

本発明により提案される方法は、肺胞構造により生じる不確定度を最小にすることを試みる。この方法は、空気腔を備える組織のモデルを作成することに関係し、組織内の空気腔の相対サイズは、結果的にモデルの現実的な平均密度をもたらす。

本発明は、イオン放射線治療計画作成での満足のいく結果を生じるべく実際の肺胞の幾何学的形状に十分に近い肺胞の表現を可能にする。グリッドでの空気腔の形状は、実際の肺での肺胞の形状及びサイズに厳密に対応しないが、空気腔が内接したグリッド構造は、実際の肺を通るイオンの軌道を十分に正確にモデル化することになる。同時に、実装は単純であり、関係する計算量は、現在の放射線治療計画作成システムで扱うことが可能である。計算時間は、状況に応じて３〜１０倍に増加することが分かっている。

フラクタル組織ボクセルの識別は、ボクセルの平均密度を、選択された閾値と比較することにより行われてよい。閾値は、経験又は患者の領域での組織の期待値に応じて設定されてよい。閾値は、代替的に、フラクタル組織の周囲組織と関係づけられてよい。例えば、選択された閾値、例えば、フラクタル組織の周囲組織の又は隣接する臓器の組織の密度の５０％よりも小さい平均密度を有するボクセルが、フラクタル組織ボクセル、例えば、肺組織ボクセルとして識別され得る。

グリッドは、好ましくは、フラクタル組織での腔のサイズに対応する格子定数を有する。例えば、肺組織に関して、格子定数は、通常０．０３ｍｍから０．１ｍｍまでの間の、治療されるべき肺体積での肺胞のサイズに対応し得る。

好ましくは、第２の部分の体積とセルの全体積との関係性は、肺胞と肺の組織との関係性に対応する。この値は、通常、５：１から４：１の間である。

第１の部分のサイズ及び第２の部分のサイズは、好ましくは、セルの平均密度が例えば０．２から０．３ｇ／ｃｍ３の間の肺の平均密度に対応するように選択される。

好ましくは、第２のボクセルは、第１のボクセルとは異なる位置で及び／又はグリッドでの第１のボクセルの配向とは異なる第２のボクセルに対するグリッドの配向でグリッドに内接する。

ボクセルを内接させるステップは、複数の隣接するボクセルを備える或る体積を一度にグリッドに内接させることを含んでよく、イオンの伝搬を計算するステップは、或る体積を通るイオンの伝搬を計算することを含む。

セルは、立方体又は四面体であってよく、又は任意の他の繰返し構造を呈してよい。

本発明はまた、コンピュータにおいて実行されるときにコンピュータに前述の方法を行わせることになるコンピュータ可読コードを備えるコンピュータプログラム製品と、コンピュータプログラムを実行するためのプロセッサとこのようなコンピュータプログラム製品を保持する一時的でないプログラムメモリなどのプログラムメモリとを備えるコンピュータシステムに関する。本発明はまた、方法を実施するためのコンピュータシステムを備える治療計画作成システムに関する。

本発明を、単なる例として添付図を参照しながら以下により詳細に説明する。

肺組織の一般構造を示す図である。 典型的なブラッグピークと、肺組織を通って移動するイオンの影響を受けたブラッグピークを示す図である。 本発明に係る方法を概説する流れ図である。 本発明に係る方法で用いられ得るグリッドの第１の例を示す図である。 本発明に係る方法で用いられ得るグリッドの第１の例を示す図である。 グリッドに内接したボクセルを例示する図である。 本発明に係る方法で用いられ得るグリッドの第２の例を示す図である。 本発明に係る方法で用いられ得るグリッドの第２の例を示す図である。 発明的な方法が行われ得るコンピュータシステムの略図である。

図１は、当業者によく知られている肺の内部構造を３つのレベルＡ、Ｂ、及びＣで例示する。Ａで示される領域は、気管支Ａ１と共に肺の部分の全体を表す。Ｂで示される領域は、Ａで示される領域の円Ｂに対応する拡大部分であり、気管支が細気管支Ｂ１へどのように分岐するかを示す。Ｃで示される領域は、Ｂで示される領域の円Ｃに対応するさらなる拡大であり、細気管支が、肺胞Ｃ１として知られている微小な空気腔へ分かれることを示す。肺胞Ｃ１は、肺組織Ｃ２により取り囲まれる。図で分かるように、肺組織Ｃ２内に複数の肺胞Ｃ１が存在し、これは肺組織にフラクタル構造を生じる。肺組織Ｃ２自体は、およそ１の、すなわち水に近い密度を有する。空気腔Ｃ１での密度はゼロに近い。肺での平均密度は、通常０．２から０．２５ｇ／ｃｍ３の間であり、合計で肺のおよそ７５〜８０％が空気で満たされていることを示す。

図２は、実線として示される、均質な組織を通って移動するイオンから生じる典型的なブラッグピークと、破線として示される、肺組織を通って移動するイオンから生じる典型的なブラッグピークを例示する。図で分かるように、第２のブラッグピークは、より広く且つあまり明確ではなく、線量送達が肺組織においてよりブロードになることを例示する。

図３は、本発明の典型的な実施形態に係る方法の流れ図である。ステップＳ３１において、複数の同一のセルを有する規則的なグリッドを形成する規則的なマトリックスが作成される。グリッドのサイズは、グリッド内にボクセルが内接することを可能にするために、放射線治療計画作成システムでのボクセルのサイズよりも大きい。典型的なボクセルのサイズは１から３ｍｍの間である。各セルのサイズは、肺胞のおおよそのサイズに対応し、典型的には０．０３から０．１ｍｍの間である。

ステップＳ３２において、肺胞の存在をエミュレートするべく各セルに腔が内接される。腔は、任意の適切な幾何学的形態、例えば、球形又は楕円形を有してよい。腔のサイズは、関係する組織での肺胞のおおよそのサイズに対応する。特に、各セル内の腔の体積とセルの全体積との比は、肺での空気と組織の比に近いはずである。

ステップＳ３３において、肺組織からなる患者内の線量ボクセルが識別される。これは、肺線量ボクセルを、肺では典型的であるように組織と空気との混合物を表す平均密度を有するボクセルとして識別することにより行うことができる。

以下のステップは、ステップＳ３３で肺線量ボクセルとして識別される各線量ボクセルに関して行われる。

ステップＳ３４において、各肺線量ボクセルに関して、腔のグリッドパターンがボクセル上に重ね合わされることになるように、グリッドの内部にボクセルが内接される。好ましくは、これは一度に１つのボクセルに関して行われる。

ステップＳ３５において、ボクセルを通るイオンの伝搬が計算され、空気腔の部分に対応するボクセルの任意の部分を空気入りの腔として取り扱い、任意の残りの部分を肺組織として取り扱う。ステップＳ３６は、ステップＳ３４及びＳ３５のループが何回も、すなわち、肺線量ボクセルとして識別される各線量ボクセルに関して一回行われることを示す。

肺線量ボクセルとして識別されないボクセルに関して、それらは異質とみなすことができ、イオンの伝搬は、ステップＳ３７により示されるように当該技術分野ではよく知られているように各ボクセルの平均密度に基づいて計算されてよい。

ステップＳ３１において、グリッドは、複数の同一のセルを備える任意の規則的な三次元グリッド、例えば、より小さい立方体で構成された立方体構造又は四面体で構成された形状とすることができる。このような例が図４ａ及び図５ａに示される。

好ましい実施形態において、ステップＳ３４は、グリッドの内部のボクセルの位置及び／又はボクセルに対するグリッドの配向を変えることにより変更されてよい。例えば、グリッドは、自由に又は特定の軸を中心として特定の角度だけ回転されてよい。これらの変化は、ランダムに、又は適切なアルゴリズムに従ってなされてよい。一度に１つのボクセルをグリッドの内部に内接させることの代替として、より大きいグリッドが用いられる場合に、複数の隣接するボクセルを備える或る体積がグリッドの内部に内接されてよい。しかしながら、２つの規則的な構造体を積み重ねることは、干渉効果につながる場合があり、結果をゆがめる場合がある。

ステップＳ３２に関して述べたように、グリッドのセルに内接した空気腔は、任意の適切な形状及びサイズを有し得る。適切な選択は、空気が入っている肺体積のフラクションとほぼ同じセルの体積のフラクションを占めることになる規則的な幾何学的形状であろう。通常、肺では、肺胞は、全体積の７５から８０％の間を構成し、結果的に０．２０から０．２５ｇ／ｃｍ３の間の密度をもたらす。２ｒの辺の長さを有する立方体に内接した半径ｒの球は、立方体のおよそ７７％を占め、残りの２３％は組織と考えられる。したがって、この結果は、肺組織の実際の密度に近い、およそ０．２３ｇ／ｃｍ３の密度となるであろう。

肺組織での肺胞のサイズ及び分布は同じ肺の異なる部分間で変化する場合があるので、肺の異なる部分に関する異なる平均密度を得るために、全セルに対する空気腔のサイズを変化させることが有利であり得る。これは、各個々のボクセルで肺の実際の密度を考慮に入れるために、各線量ボクセルに関して変化させてもよい。

ステップＳ３５においてイオンの伝搬を計算する代わりに、事前に計算したルックアップテーブルから最良の可能な一致としての値を取得することが可能であろう。

図４ａ及び図４ｂは、本発明に従って用いられることになるグリッドに関する第１の可能なフォーマットを例示する。この第１のフォーマットでは、各グリッドセルは立方体形状を有し、各セルの内部に、空気腔を表す球４３が内接する。図４ａは、１つの平面内に６×６のセルを備えるグリッド４１の側面図を例示する。理解されるように、図４ａにのみ示されるが、グリッドは三次元であり、各セルは立方体であるが、図４ａでは１つのセルだけが立方体として示され、残りは単に正方形として示される。図４ｂは、球が内接した立方体としての、グリッド内の１つの個々のセルの３Ｄ表現である。

図４ｃは、グリッド４１に内接したボクセル４７を例示する。普通は、ボクセル４７は、グリッドの各セル４３よりもかなり大きく、複数のセルに重なることになる。グリッド４１上のボクセル４７の位置は変えてよく、異なる制約が設定されてよい。例えば、ボクセルが少なくとも１つのセルに十分に重ならなければならないという基準が設定されてよい。これは、ボクセルの縁と１つ又は複数のセルの縁が一致するような様態でボクセルが１つのセルと又は完全な数のセルと完全に重なることができることを意味する。代替的に、ボクセルは、１つのセルと完全に重なり且つ周囲のセルのうちの１つ又は複数へも延びるように内接されてよい。ボクセルは、セルのいずれとも完全に重なることなく、複数のセルへ延びるようにすることも可能である。

図５ａ及び図５ｂは、四面体５１の形状の、本発明に従って用いられるグリッドに関する第２の可能なフォーマットを例示する。この例では、各グリッドセル５３は、四面体として形状設定され、各セルの内部に幾何学的形状５５が内接するが、これは図面を明瞭にするためにセルの一部に関してのみ示される。各四面体形のセル５３の内部に線量ボクセルを内接させるために、四面体は、好ましくは、その４つの主軸に沿って離散化され、肺胞は頂点に位置する。

理解されるように、セルの形状と空気腔の形状は、空気腔とセルの全体積との関係性が肺の対応する部分内の肺胞の実際のフラクションと一致する限り自由に選択されてよい。

理解されるように、方法は、通常、任意のタイプの記憶媒体上に格納され、イオン放射線治療計画作成のために用いられる放射線治療線量計画作成システムにおいて実行され得る、コンピュータプログラム製品として実装される。

図６は、発明的な方法が行われ得るコンピュータシステムの略図である。コンピュータ６１は、プロセッサ６３、データメモリ６４、及びプログラムメモリ６５を備える。好ましくは、キーボード、マウス、ジョイスティック、音声認識手段、又は任意の他の利用可能なユーザ入力手段の形態の、ユーザ入力手段６７、６８も存在する。ユーザ入力手段はまた、外部メモリユニットからデータを受信するように構成されてよい。

データメモリ６４は、通常、治療計画作成のための入力データとして、密度情報などの、治療を受けることになる患者に関係した画像データを保持する。

イオン伝搬に関する値が事前に計算されている場合、データメモリ６４はまた、これらの値を通常はルックアップテーブルの形態で保持する。理解されるように、データメモリ６４は、概略的にのみ示される。１つ以上の異なるタイプのデータをそれぞれ保持する複数のデータメモリユニット、例えば、患者データに関して１つ、イオン伝搬値に関して１つのデータメモリが存在し得る。

プログラムメモリ６５は、本発明に係る方法をシステムに行わせるべくプロセッサ６３において実行するように構成されたコンピュータプログラムを備える。

Claims (14)

1. イオン放射線療法の線量計算を行う方法であって、
   ａ．肺線量ボクセルなどの、フラクタル組織ボクセルとして識別される、治療されるべき体積での各線量ボクセルに関して、
   ｂ．複数のセルを備える三次元グリッドに前記ボクセルを内接させるステップと、
   ｃ．各セルは、組織の密度に対応する第１の密度を表す第１の部分と、空気の密度に対応する第２の密度を表す第２の部分を備え、前記第１の部分と前記第２の部分がセルパターンを形成し、
   ｄ．前記ボクセルに重なる少なくとも１つのセルにおけるセルパターンに基づいて前記ボクセルを通るイオンの伝搬を計算するステップと、
   を含む、方法。
2. 肺線量ボクセルを、選択された閾値、例えば、周囲組織の密度の５０％よりも小さい平均密度を有するボクセルとして識別するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記グリッドが、例えば０．０３ｍｍから０．１ｍｍまでの間の、前記治療されるべき肺体積での肺胞のサイズに対応する格子定数を有する、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記第２の部分の体積と前記セルの全体積との関係性が、肺胞と肺の組織との関係性に対応する、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第２の部分の体積と前記セルの全体積との関係性が、例えば、５：１から４：１の間である、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１の部分のサイズ及び前記第２の部分のサイズは、前記セルの平均密度が例えば０．２から０．３ｇ／ｃｍ３の間の肺の平均密度に対応するように選択される、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第１のボクセルとは異なる位置で前記第２のボクセルを前記グリッドに内接させるステップをさらに含む、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記グリッドでの前記第１のボクセルの配向とは異なる前記第２のボクセルに対するグリッドの配向で前記第２のボクセルを前記グリッドに内接させるステップをさらに含む、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ボクセルを内接させるステップが、複数の隣接するボクセルを備える或る体積を一度にグリッドに内接させることを含み、前記イオンの伝搬を計算するステップが、前記体積を通るイオンの伝搬を計算することを含む、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記セルが、立方体又は四面体又は任意の他の繰返し構造である、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ボクセルは、前記ボクセルが少なくとも１つのセルに十分に重なるような様態で前記三次元グリッドに内接する、前記請求項のいずれか一項に記載の方法。
12. コンピュータにおいて実行されるときに前記コンピュータに前記請求項のいずれか一項に記載の方法を行わせることになるコンピュータ可読コードを備えるコンピュータプログラム製品。
13. コンピュータプログラムを実行するためのプロセッサと、請求項１２に記載のコンピュータプログラム製品を保持するプログラムメモリとを備えるコンピュータシステム。
14. 請求項１３に記載のコンピュータシステムを備える、放射線療法の治療計画を計算するための治療計画作成システム。

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