特開 2024-147283 粒子線治療支援システム、粒子線治療システム及び評価方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024147283

(43)【公開日】2024-10-16

(54)【発明の名称】粒子線治療支援システム、粒子線治療システム及び評価方法

(51)【国際特許分類】

   A61N 5/10 20060101AFI20241008BHJP

【ＦＩ】

A61N5/10 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023060203

(22)【出願日】2023-04-03

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(71)【出願人】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000279

【氏名又は名称】弁理士法人ウィルフォート国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 康一

(72)【発明者】

【氏名】山田 貴啓

(72)【発明者】

【氏名】平山 嵩祐

(72)【発明者】

【氏名】松浦 妙子

【テーマコード（参考）】

4C082

【Ｆターム（参考）】

4C082AC04

4C082AE01

4C082AN02

4C082AP02

4C082AP03

(57)【要約】

【課題】粒子線による生物学的影響を精度良く評価することが可能な粒子線治療支援システムを提供する。
【解決手段】線量時空間構造演算装置８は、治療計画と治療計画に従って患者１１に粒子線を照射する粒子線照射装置４の特性を示す装置パラメータとに基づいて、治療計画に従って照射される粒子線による患者１１内に付与される線量の時間的及び空間的な分布である時空間構造を算出する。生物効果演算装置９は、線量の時空間構造に基づいて、粒子線によって患者１１に付与される線量による影響である生物学的影響を評価する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

治療計画に従って照射対象に粒子線を照射する粒子線治療において、前記粒子線によって前記照射対象内に付与される線量による前記照射対象への影響である生物学的影響を評価する粒子線治療支援システムであって、
前記治療計画と前記治療計画に従って前記照射対象に粒子線を照射する粒子線治療装置の特性を示す装置パラメータとに基づいて、前記治療計画に従って照射される粒子線による前記照射対象内に付与される線量の時間的及び空間的な分布である時空間構造を算出する第１の演算装置と、
前記線量の時空間構造に基づいて、前記生物学的影響を評価する第２の演算装置と、を有する粒子線治療支援システム。

【請求項2】

前記装置パラメータは、粒子線の照射速度、及び、粒子線のエネルギーの変更に掛かる変更時間を含む、請求項１に記載の粒子線治療支援システム。

【請求項3】

前記粒子線治療装置は、粒子線を走査して照射し、
前記装置パラメータは、前記粒子線を走査する走査速度を含む、請求項２に記載の粒子線治療支援システム。

【請求項4】

前記生物学的影響は、ＤＮＡの一重鎖切断の回復効果を含む、請求項１に記載の粒子線治療支援システム。

【請求項5】

前記第１の演算装置は、複数の前記治療計画のそれぞれについて、前記線量の時空間構造を算出し、
前記第２の演算装置は、複数の前記治療計画のそれぞれについて、前記生物学的影響を評価し、当該評価結果に基づいて、複数の前記治療計画のいずれかを前記粒子線治療に用いる実施治療計画として選択する、請求項１に記載の粒子線治療支援システム。

【請求項6】

前記第１の演算装置は、前記照射対象内の複数の位置の粒子線で照射する複数の照射順序のそれぞれについて、前記線量の時空間構造を算出し、
前記第２の演算装置は、複数の前記照射順序のそれぞれについて、前記生物学的影響を評価し、当該評価結果に基づいて、複数の前記照射順序のいずれかを前記粒子線治療に用いる照射順序として選択する、請求項１に記載の粒子線治療支援システム。

【請求項7】

前記第２の演算装置は、前記生物学的影響に関する値と所定値との差分を評価し、
前記差分に基づいて、前記治療計画を新たに作成する治療計画装置をさらに有する、請求項１に記載の粒子線治療支援システム。

【請求項8】

前記第２の演算装置による前記生物学的影響の評価結果に基づく前記照射対象内の生物学的線量分布と、前記生物学的線量分布と前記照射対象内の物理線量分布との差分を示す差分分布との少なくとも一方を表示する表示装置をさらに有する、請求項１に記載の粒子線治療支援システム。

【請求項9】

前記線量の時空間構造を表示する表示装置をさらに有する、請求項１に記載の粒子線治療支援システム。

【請求項10】

前記第１の演算装置は、複数の前記治療計画のそれぞれについて、前記線量の時空間構造を算出し、
前記第２の演算装置は、複数の前記治療計画のそれぞれについて、前記生物学的影響を評価し、
複数の前記治療計画のそれぞれについて、前記第２の演算装置による前記生物学的影響の評価結果に基づく前記照射対象内の生物学的線量分布と、前記生物学的線量分布と前記照射対象内の物理線量分布との差分を示す差分分布との少なくとも一方を表示し、複数の前記治療計画のいずれかを前記粒子線治療に用いる実施治療計画として選択する指示を受け付ける表示装置をさらに有する、請求項１に記載の粒子線治療支援システム。

【請求項11】

請求項１に記載の粒子線治療支援システムと、
前記粒子線治療装置と、を含む粒子線治療システム。

【請求項12】

治療計画に従って照射対象に粒子線を照射する粒子線治療において、前記粒子線によって前記照射対象内に付与される線量による前記照射対象への影響である生物学的影響を評価する粒子線治療支援システムによる評価方法であって、
前記治療計画と前記治療計画に従って前記照射対象に粒子線を照射する粒子線治療装置の特性を示す装置パラメータとに基づいて、前記治療計画に従って照射される粒子線による前記照射対象内に付与される線量の時間的及び空間的な分布である時空間構造を算出し、
前記線量の時空間構造に基づいて、前記生物学的影響を評価する、評価方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、粒子線治療支援システム、粒子線治療システム及び評価方法に関する。

【背景技術】

【0002】

陽子線などの粒子線（荷電粒子線）を患者の患部に照射する粒子線治療が広く実施されている。粒子線治療では、照射した粒子線が患部に与える生物学的影響を評価した評価指標を用いて、照射する粒子線の線量が治療計画として決定される。評価指標としては、通常、照射する粒子線が基準放射線と同等の生物学的効果を与えるときの粒子線の線量と基準放射線の線量との比であるＲＢＥ（Relative Biological Effectiveness：生物学的効果比）が用いられる。従来、ＲＢＥは腫瘍に対して単一の値が用いられてきたが、近年の研究では、ＲＢＥは、腫瘍内で大きく変動することが指摘されている。

【0003】

特許文献１には、α値及びβ値に基づいた古典的な現象論的モデル（古典的ＬＱ（Linear-quadratic）モデル）に基づいてＲＢＥを複数の点で計算することでＲＢＥの変動性を評価する治療計画方法が開示されている。この治療計画方法では、ＲＢＥの変動性に対する評価結果に基づいて、粒子線であるハドロンビームの強度及びエネルギーが調整される。なお、古典的ＬＱモデルは、粒子線の１つの飛跡によりＤＮＡ（deoxyribonucleic acid：デオキシリボ核酸）の二重鎖切断が生じる効果と、粒子線の２つの飛跡によりＤＮＡの二重鎖切断が生じる効果とが考慮されたモデルである。

【0004】

また、非特許文献１には、古典的ＬＱモデルを発展させて、粒子線治療において複数のスポットを順番に照射するスキャニング法が用いられた場合のように、線量が時空間構造（時間的及び空間的な分布）を有する粒子線を照射する場合における、ＲＢＥの変動性を評価する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３－０６３２７３号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Kasamatsu, K, Tanaka, S, Miyazaki, K, et al. Impact of a spatially dependent dose delivery time structure on the biological effectiveness of scanning proton therapy. Med Phys. 2022; 49: 702-713.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

古典的ＬＱモデルでは、ＤＮＡの一重鎖切断の回復効果である亜致死損傷回復（Sub-Lethal Damage Recovery：ＳＬＤＲ）が考慮されていない。亜致死損傷回復の程度は、線量の時空間構造に依存し、治療時間が増加するほど大きくなる。そのため、一日で照射する粒子線の線量を増加させた寡分割治療を実施した場合など、一日の放射線治療の治療時間が増加した場合、古典的ＬＱモデルに基づく特許文献１に記載の技術では、ＲＢＥが実際の値から乖離してしまうという問題がある。

【0008】

また、非特許文献１に記載の技術では、ＲＢＥの変動性を評価するために線量の時空間構造が必要となる。線量の時空間構造は、粒子線治療を行う治療時間に応じて変化するため、線量の時空間構造を特定するためには、治療時間を予め把握する必要がある。しかしながら、非特許文献１では、治療時間を把握することについては記載がなく、治療時間として仮定の値が用いられている。このため、治療時間が実際の値からずれてしまい、その結果、ＲＢＥの変動性が実際の値からずれてしまうという問題がある。

【0009】

本発明の目的は、粒子線による生物学的影響を精度良く評価することが可能な粒子線治療支援システム、粒子線治療システム及び評価方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本開示の一態様に従う粒子線治療支援システムは、治療計画に従って照射対象に粒子線を照射する粒子線治療において、前記粒子線によって前記照射対象内に付与される線量による前記照射対象への影響である生物学的影響を評価する粒子線治療支援システムであって、前記治療計画と前記治療計画に従って前記照射対象に粒子線を照射する粒子線治療装置の特性を示す装置パラメータとに基づいて、前記治療計画に従って照射される粒子線による前記照射対象内に付与される線量の時間的及び空間的な分布である時空間構造を算出する第１の演算装置と、前記線量の時空間構造に基づいて、前記生物学的影響を評価する第２の演算装置と、を有する。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、粒子線による生物学的影響を精度良く評価することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示の一実施形態における粒子線治療システムの全体構成を示す図である。

【図2】実施形態の影響評価処理を説明するためのフローチャートである。

【図3】スキャニング法を説明するための図である。

【図4】線量の時空間構造の演算方法を説明するための図である。

【図5】線量の時空間構造の演算方法を説明するための図である。

【図6】実施形態における表示画面の一例を示す図である。

【図7】第１の変形例の影響評価処理を説明するためのフローチャートである。

【図8】変形例１における生物学的線量の評価例を示す図である。

【図9】変形例１における生物学的線量の評価例を示す図である。

【図10】変形例１における表示画面の一例を示す図である。

【図11】第２の変形例の影響評価処理を説明するためのフローチャートである。

【図12】変形例２における生物学的線量の評価例を示す図である。

【図13】変形例２における生物学的線量の評価例を示す図である。

【図14】第３の変形例の影響評価処理を説明するためのフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

【0014】

図１は、本実施形態における粒子線治療システムの全体構成を示す図である。

【0015】

図１において、粒子線治療システム１００は、照射対象である患者１１内の患部１２に対して粒子線を照射するための装置である。粒子線の種類は、特に限定されないが、例えば、炭素線などの重粒子線又は陽子線などである。

【0016】

粒子線治療システム１００は、治療台１、加速器２、ビーム輸送装置３、粒子線照射装置４、記憶装置５、表示装置６、治療計画装置７、線量時空間構造演算装置８及び生物効果演算装置９を備える。治療台１、加速器２、ビーム輸送装置３及び粒子線照射装置４は、患者１１内の患部１２に対して粒子線を照射する粒子線治療装置を構成し、記憶装置５、表示装置６、治療計画装置７、線量時空間構造演算装置８及び生物効果演算装置９は、粒子線治療装置による放射線治療を支援する粒子線治療支援システムを構成する。また、粒子線照射装置４、記憶装置５、表示装置６、治療計画装置７、線量時空間構造演算装置８及び生物効果演算装置９は、ネットワーク１０を介して相互の通信可能に接続される。

【0017】

治療台１は、患者１１を載置する台であり、患者１１の患部１２を所定の位置まで移動させる位置決めを行うことができる。加速器２は、荷電粒子を加速して粒子線（荷電粒子線）として出射する。加速器２の種類は、特に限定されないが、例えば、シンクロトロン型加速器又はサイクロトロン型加速器などである。ビーム輸送装置３は、加速器２から出射された粒子線を粒子線照射装置４まで輸送する。

【0018】

粒子線照射装置４は、ビーム輸送装置３にて輸送された粒子線を、治療台１に載置された患者１１の患部１２に照射する照射装置である。粒子線照射装置４は、例えば、２対の走査電磁石と、線量モニタと、位置モニタとを備えている（いずれも図示省略）。２対の走査電磁石は、互いに直行する方向に設置され、患部１２の位置において粒子線のビーム軸に垂直な面内の所望の位置に粒子線が到達するように粒子線を偏向する。線量モニタは、照射された粒子線の量を計測する。位置モニタは、粒子線が通過した位置を検出する。

【0019】

粒子線照射装置４による粒子線の照射方法は、特に限定されず、例えば、細い粒子線が形成する線量分布を並べて患部１２の形状に合わせた線量分布を照射するラスタースキャニング法又はラインスキャニング法などを用いることができる。また、照射方法は、ワブラー法でもよいし、二重散乱体法などの粒子線の分布を広げた後にコリメータ及びボーラスを用いて患部１２の形状に合わせた線量分布を形成する照射方法などでもよい。

【0020】

記憶装置５は、各種情報を記憶する。例えば、記憶装置５は、粒子線照射装置４の特性を示す装置パラメータを記憶する。装置パラメータは、例えば、単位時間当たりの粒子線の照射量である照射速度、粒子線の走査速度、及び、粒子線のエネルギーの変更に掛かる変更時間などを含む。表示装置６は、各種情報を表示する。また、表示装置６は、粒子線治療システム１００の操作者（例えば、技師又は医師）から種々の情報及び指示を受け付ける入力装置としての機能も有する。

【0021】

治療計画装置７は、患者１１を撮像した治療計画用画像に基づいて、患者１１に照射する粒子線に関する照射パラメータの値を示す治療計画を作成する。照射パラメータは、例えば、装置パラメータ、照射位置、照射角度、照射量、照射角度、照射エネルギー、及び、照射順序などである。治療計画用画像は、本実施形態では、ＣＴ（Computed Tomography）画像である。ＣＴ画像は、患者１１を複数の方向から撮像した透視画像から再構成された３次元の画像である。なお、ＣＴ画像は、連続的なデータではなく、ボクセルと呼ばれる単位に分割された離散的なデータである。ただし、治療計画用画像は、ＣＴ画像に限らず、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）撮影装置で撮影されたＭＲＩ画像、又は、超音波撮影装置で撮影された超音波画像などの他の撮影装置で撮影された他の３次元画像でもよい。

【0022】

線量時空間構造演算装置８は、記憶装置５に記憶された装置パラメータと治療計画装置７にて作成された治療計画とに基づいて、粒子線照射装置４がその治療計画に従って照射する粒子線によって患者１１内に付与される線量の時空間構造を算出する第１の演算装置である。線量の時空間構造は、線量の時間的及び空間的な分布を示す。

【0023】

生物効果演算装置９は、線量時空間構造演算装置８にて算出された線量の時空間構造と、治療計画装置７にて作成された治療計画に基づいて、粒子線照射装置４がその治療計画に従って照射する粒子線によって患者１１内に付与される線量の患者１１への影響である生物学的影響を評価する第２の演算装置である。生物学的影響の評価は、例えば、粒子線による生物学的線量分布、生物学的線量と物理線量との差分（ＲＤＤ：Relative Dose Difference）の分布である差分分布、又は、それらの組み合わせなどを算出することで行われる。

【0024】

以上説明した粒子線照射装置４、記憶装置５、表示装置６、治療計画装置７、線量時空間構造演算装置８及び生物効果演算装置９のそれぞれは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサ（コンピュータ）及びメモリ（共に図示せず）を備えたコンピュータシステムにより構成されてもよい。この場合、これらの装置の各機能は、例えば、プロセッサがコンピュータプログラムを読み取り、その読み取ったプログラムを実行することで実現される。コンピュータプログラムは、コンピュータにて読み取り可能な非一時的な記録媒体に記録可能である。記録媒体は、例えば、半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、磁気テープ及び光磁気ディスクなどである。また、これらの各装置の少なくとも一部が同一のコンピュータシステムにて実現されてもよい。また、各装置では、複数のプロセッサ又はコンピュータシステムにて処理が分担されてもよいし、一部の物理構成(データベースなど)がネットワークを介して接続されている構成などでもよい。

【0025】

図２は、生物学的影響を評価する影響評価処理を説明するためのフローチャートである。

【0026】

なお、影響評価処理が実行される前に、不図示のＣＴ装置にて治療計画用画像が取得されて記憶装置５に記憶される。また、治療計画装置７は、粒子線治療システム１００の操作者からの指示に従って、患部１２の種類及び形状などに応じた治療計画を作成する。治療計画は、治療計画装置７に保持されてもよいし、記憶装置５に記憶されてもよい。

【0027】

影響評価処理では、先ず、線量時空間構造演算装置８は、記憶装置５又は治療計画装置７から治療計画を読み出す（ステップＳ２０１）。その後、線量時空間構造演算装置８は、記憶装置５に記憶された装置パラメータを用いて、治療計画に従って粒子線照射装置４で粒子線を実際に照射した際の線量の時空間構造を算出する（ステップＳ２０２）。そして、生物効果演算装置９は、線量時空間構造演算装置８にて算出された線量の時空間構造と、治療計画装置７にて作成された治療計画とに基づいて、治療計画に従って照射される粒子線によって患者１１内に付与される線量の生物学的影響を評価する（ステップＳ２０３）。その後、生物効果演算装置９は、生物学的影響の評価結果を示す表示画面を表示装置６に表示して（ステップＳ２０４）、処理を終了する。

【0028】

以下、図２のステップＳ２０２における線量の時空間構造を算出する処理についてより詳細に説明する。なお、ここでは、粒子線を患者１１に照射する照射方法としてスキャニング法が用いられるものとする。

【0029】

図３は、スキャニング法を説明するための図である。以下では、深さ方向をＺ方向、互いに直交し、かつ、Ｚ方向に直交する２方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向とする。

【0030】

一般的に粒子線３０２が照射される深さ方向の位置は照射エネルギーによって決定される。また、スキャニング法では、図３に示すように、ある照射エネルギーにおいて、スポット３０１と呼ばれる照射位置を停止させた状態で所定線量の粒子線３０２が照射される。あるスポット３０１に対する粒子線の照射が完了すると、次のスポット３０１に照射位置が変更され、所定線量の粒子線が再度照射される。以降、当該照射エネルギーに応じた深さ方向の位置（レイヤとも呼ばれる）に含まれる全てのスポットに対して、この処理が繰り返される。その後、照射エネルギーが変更されることでレイヤが変更され、当該レイヤに含まれるスポットに対する粒子線の照射が行われる。上述した治療計画には、照射順序として、照射エネルギーの順番及びスポットの照射順番の情報が含まれる。

【0031】

図４及び図５は、線量の時空間構造の演算方法を説明するための図である。

【0032】

図４では、患者１１内に線量が付与される様子が示されている。以下では、患者１１内の領域４２０に付与される線量の時空間構造の算出を例にとって説明する。

【0033】

領域４２０には、図４に示すように、スポット４１１、４１２及び４１３に対して照射される粒子線４０１、４０２及び４０３により線量が付与される。なお、スポット４１１、４１２、４１３の順番で粒子線が照射されるものとし、スポット４１１、４１２及び４１３のそれぞれに粒子線を照射したときに領域４２０に付与される線量をＤ４１１、Ｄ４１２及びＤ４１３とする。

【0034】

図５は、上記の状況における領域４２０に照射される線量の時空間構造を示す図である。図５では、横軸は時間、縦軸は線量を示す。図５に示すように領域４２０には、スポット４１１、４１２及び４１３のそれぞれに粒子線が照射される被照射時間Ｔ４１１、Ｔ４１２及びＴ４１３のそれぞれにおいて、線量Ｄ４１１、Ｄ４１２及びＤ４１３が付与される。

【0035】

被照射時間Ｔ４１１、Ｔ４１２及びＴ４１３は、以下のように算出される。

【0036】

スキャニング法において、粒子線の照射を開始してからスポットｉを照射するまでにかかる時間は、（１）スポット１からスポットｉ－１までの照射時間の和、（２）スポット１からスポットｉまでの走査時間の和、（３）スポット１からスポットｉまでの照射エネルギーの変更時間の和から算出される。

【0037】

照射時間の和は、例えば、以下のように算出される。治療計画で示されたスポットｋに対する照射量をＭ^ｋとすると、スポットｋの照射時間ｔ^ｋは、装置パラメータである照射速度Ｉを用いて、Ｍ^ｋ／Ｉと算出される。したがって、スポット１からスポットｉ－１までの照射時間の和Ｔ_ｉ ^１は、

【数1】

と算出される。ここで、Ｎ_Ｓ，ｉは、スポット１からスポットｉ－１までのスポットの総和である。

【0038】

また、走査時間の和は、例えば、以下のように算出される。ｋ番目のスポットとｋ＋１番目のスポット間のＸ方向の距離をＬ_ｘ ^{ｋ，ｋ＋１}、Ｙ方向の距離をＬ_ｙ ^{ｋ，ｋ＋１}とすると、ｋ番目のスポットとｋ＋１番目のスポット間の走査時間は、Ｌ_ｘ ^{ｋ，ｋ＋１}／Ｓ_ｘ＋Ｌ_ｙ ^{ｋ，ｋ＋１}／Ｓ_ｙと算出される。Ｓ_ｘ及びＳ_ｙは、スポット間のＸ方向及びＹ方向の走査速度を示す装置パラメータであり、ここでは、各スポットに共通の値である。したがって、スポット１からスポットｉまでの走査時間の和Ｔ_ｉ ^２は、

【数2】

と算出される。

【0039】

また、照射エネルギーの変更時間の和は、例えば、以下のように算出される。１回あたりの照射エネルギーの変更時間Ｔ_Ｅ ^ｋは、加速器２の性能によって定まる装置パラメータである。したがって、スポット１からスポットｉまでの照射エネルギーの変更時間の和Ｔ_ｉ ^３は、

【数3】

と算出される。ここで、ここでＮ_Ｅ，ｉは、スポット１からスポットｉ－１までの照射エネルギーの変更回数である。

【0040】

以上により、スポットｉを照射するまでにかかる時間Ｔ_ｉ（＝Ｔ_ｉ ^１＋Ｔ_ｉ ^２＋Ｔ_ｉ ^３）は

【数4】

と算出される。

【0041】

したがって、被照射時間Ｔ４１１、Ｔ４１２及びＴ４１３は、それぞれ数４を用いて算出することができる。また、領域４２０に付与される線量Ｄ４１１、Ｄ４１２及びＤ４１３は、例えば、治療計画装置７などにおける線量分布の計算で一般的に用いられているペンシルビーム法などを用いて計算することができる。

【0042】

このため、以上説明したように線量Ｄ４１１、Ｄ４１２及びＤ４１３と、被照射時間Ｔ４１１、Ｔ４１２及びＴ４１３とを、領域４２０に付与される線量の時空間構造として算出することができる。線量時空間構造演算装置８は、上記の方法による線量の時空間構造の算出を、患者１１内の各領域（例えば、ＣＴ画像に含まれる各ボクセル）に対して実施することで、患者１１内の線量の時空間構造を算出する。

【0043】

なお、上述した被照射時間の算出方法は、一例であり、他の方法でもよい。例えば、粒子線の照射方法が、スポット間の走査時間を変調しつつ、ビームを連続的に照射するラスタースキャニング法の場合、スポット１からスポットｉまでの走査時間の和は、例えば、Ｌ_ｘ ^{ｋ，ｋ＋１}／Ｓ_ｘ ^{ｋ，ｋ＋１}＋Ｌ_ｙ ^{ｋ，ｋ＋１}／Ｓ_ｙ ^{ｋ，ｋ＋１}のｋが１からｉ－１までの和で算出される。ここで、Ｓ_ｘ ^{ｋ，ｋ＋１}、Ｓ_ｙ ^{ｋ，ｋ＋１}は、スポットｋからスポットｋ＋１までのＸ方向及びＹ方向の走査速度を示す装置パラメータである。

【0044】

また、粒子線をスポットごとに照射するのではなく、拡大した粒子線を照射するワブラー法又は二重散乱体法では、スポット間の走査時間は存在しないため、照射時間は、照射エネルギーの変更時間と各照射エネルギーの照射時間の和とから算出されてもよい。

【0045】

また、上記の照射方法のいずれかと、患者１１の呼吸に合わせて粒子線を照射するゲーティング照射法とを併用する場合、ゲーティング照射法を使用しない場合と比べ、治療時間は増加する。この時、線量時空間構造演算装置８は、患者１１の体形を４次元的に撮像した４Ｄ－ＣＴ画像から取得した患者１１の呼吸情報を用いて、治療時間の算出において、ゲーティング照射時によるスポット照射の待機時間を考慮してもよい。

【0046】

次に、図３のステップＳ２０３における生物学的影響を評価する処理についてより詳細に説明する。ここでは、生物学的影響を評価するための評価指標が生物学的線量分布であるとする。

【0047】

放射線生物学で知られているように、細胞に対して粒子線を照射した際の細胞生存率Ｓは、線形二次モデルを拡張した数５で与えられる。

【数5】

ここでα_ｐ，ｍ及びβ_ｐ，ｍは、ｍ番目のスポットに対して照射された粒子線が当該細胞に与える影響を表す生物パラメータであり、例えば、参考文献（McNamara AL, Schuemann J, Paganetti H. A phenomenological relative biological effectiveness (RBE) model for proton therapy based on all published in vitro cell survival data. Phys Med Biol. 2015;60(21):8399-8416）などに記載されてる。Ｄ_ｍは、ｍ番目のスポットが当該細胞に与える線量である。Ｍは、当該細胞に線量を与えるスポットの総数であり、図５の例では、Ｍ＝３である。上線付きのＧは、ＤＮＡの一重鎖切断の回復効果の程度を表す値であり、数６で表される。

【数6】

ここで、Ｔ_ｍは、ｍ番目のスポットが照射される時間である。図５の例では、Ｔ_ｍ＝１＝Ｔ４１１、Ｔ_ｍ＝２＝Ｔ４１２である。また、数６における関数Ｈは、数７で与えられ、関数ｇは数８で与えられる。

【数7】

【数8】

【0048】

そして、対象となる細胞に対するＲＢＥの変動性ＲＢＥ^Tは、上記の細胞生存率Ｓと物理的線量Ｄ_ｐｈｙｓを用いて、数９で与えられる。

【数9】

ここでα_ｘ及びβ_ｘは、基準放射線の線形二次モデルにおける直線成分及び曲線成分を規定するパラメータである。以上より、生物学的線量Ｄ_ｂｉｏ ^Ｔは数１０で与えられる。

【数10】

実務上は、細胞ごとに生物学的線量Ｄ_ｂｉｏ ^Ｔを算出するのは困難であるため、代わりにCT画像のボクセルごとに算出することが一般的である。

【0049】

生物効果演算装置９は、上記の生物学的線量Ｄ_ｂｉｏ ^ＴをＣＴ画像のボクセルごとに算出することで、生物学的線量分布を算出することができる。なお、生物学的線量Ｄ_ｂｉｏ ^Ｔは、線量の時空間構造（Ｄ_ｍ及びＴ_ｍ）を考慮した値であり、ＲＢＥの変動性ＲＢＥ^Tを考慮した値でもある。

【0050】

図６は、表示装置６に表示される表示画面の一例を示す図である。図６に示す表示画面６００は、サブ表示画面６１０～６４０を含む。

【0051】

サブ表示画面６１０は、生物学的線量分布を示す画面である。具体的には、サブ表示画面６１０は、患者１１のＣＴ画像の断面６１１と、患者１１のＣＴ画像上に作成された患部１２の断面６１２と、ＣＴ画像の断面６１１上における患者１１の各細胞に対する生物学的線量を示す生物学的線量分布６１３と、カーソル６１４とを示す。カーソル６１４は、表示装置６に含まれるマウスなどの入力機器（図示せず）を介して操作者により操作され、断面６１１内の位置（ボクセル）などを指定する。これにより、操作者は生物学的線量分布６１３を視覚的に確認することができる。

【0052】

サブ表示画面６２０は、線量の時空間構造を示す。具体的には、サブ表示画面６２０は、サブ表示画面６１０のカーソル６１４にて指定された位置における線量の時空間構造を表すグラフを示す。これにより、操作者は任意のボクセルにおける線量の時空間構造を確認できる。

【0053】

サブ表示画面６３０は、患者１１の各ボクセルに対する生物学的線量と物理線量との差分（ＲＤＤ）を表す差分分布を示す。具体的には、サブ表示画面６３０は、上述した断面６１１及び６１２と、差分分布６３３と、プロファイル表示ライン６３４とを示す。プロファイル表示ライン６３４は、表示するＲＤＤのプロファイルの位置を指定する線であり、カーソル６１４を介して操作者により任意の位置に指定される。これにより、操作者は生物学的線量と物理線量の差を視覚的に確認できる。

【0054】

サブ表示画面６４０は、生物学的線量分布と物理線量分布の線量体積ヒストグラムを示す。具体的には、サブ表示画面６４０は、患部１２に対する生物学的線量分布の線量体積ヒストグラム６４１と、患部１２に対する物理線量分布の線量体積ヒストグラム６４２とを示す。これにより、操作者は生物学的線量と物理線量の差を線量体積ヒストグラムの形式で確認できる。

【0055】

サブ表示画面６５０は、サブ表示画面６３０のプロファイル表示ライン６３４にて指定された位置におけるＲＤＤのプロファイルを示す。これにより、操作者は任意の２点間のＲＤＤを視覚的に確認できる。

【0056】

なお、図６の例は、表示画面の一例であり、表示画面は、これに限定されない。例えば、表示画面は、生物学的線量分布６１３に加えて、線量の時空間構造を考慮しない従来の古典的ＬＱモデルに基づいた生物学的線量分布を表示してもよい。またＲＤＤとして、生物学的線量と線量の時空間構造を考慮しない従来の古典的ＬＱモデルに基づいた生物学的線量分布との差分分布を用いてもよい。

【0057】

以上説明したように本実施形態によれば、線量時空間構造演算装置８は、治療計画と治療計画に従って患者１１に粒子線を照射する粒子線照射装置４の特性を示す装置パラメータとに基づいて、治療計画に従って照射される粒子線による患者１１内に付与される線量の時間的及び空間的な分布である時空間構造を算出する。生物効果演算装置９は、線量の時空間構造に基づいて、粒子線によって患者１１に付与される線量による影響である生物学的影響を評価する。したがって、線量の時空間構造を反映した生物学的影響を評価することができる。また、線量の時空間構造は、粒子線照射装置４の特性を反映しているため、実際の治療時間を反映したものとなるため、評価された生物学的影響は実際の治療時の値からの乖離が小さい。したがって、生物学的影響を精度良く評価することが可能となる。例えば、従来のＲＢＥが一定の場合と比べて、治療時間が増加した際に生じる回復効果による生物学的線量の減少量を定量的に評価することができ、それにより、予期せぬ患部１２への線量低下などを防ぐことができる。

【0058】

また、本実施形態では、装置パラメータは、粒子線の照射速度、及び、粒子線のエネルギーの変更に掛かる変更時間を含み、さらに粒子線の照射方法としてスキャニング法が用いられる場合、さらに粒子線の走査速度を含む。この場合、線量の時空間構造に粒子線照射装置４の特性をより適切に反映させることが可能となるため、生物学的影響をより精度良く評価することが可能となる。

【0059】

また、本実施形態では、生物学的影響は、ＤＮＡの一重鎖切断の回復効果を含む。このため、生物学的影響をより精度良く評価することが可能となる。

【0060】

また、本実施形態では、表示装置６は、生物学的線量分布、生物学的線量分布と物理線量分布との差分を示す差分分布、及び、線量の時空間構造などを表示する。このため、操作者は生物学的影響を視覚的に把握することが可能となる。

【0061】

なお、本開示は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。以下、変形例について説明する。ただし、以下の変形例の説明では、上記の実施形態からの変更点がない構成及び機能などについては、説明を適宜省略することがある。

【0062】

先ず、第１の変形例について説明する。

【0063】

図７は、第１の変形例の影響評価処理を説明するためのフローチャートである。

【0064】

第１の変形例の影響評価処理では、先ず、線量時空間構造演算装置８は、記憶装置５又は治療計画装置７から、同一の患者１１に対する複数の治療計画を読み出す（ステップＳ７０１）。複数の治療計画は、例えば、互いに異なる方法などで予め作成される。

【0065】

その後、線量時空間構造演算装置８は、記憶装置５に記憶された装置パラメータを用いて、読み出した複数の治療計画である候補治療計画のそれぞれについて、その候補治療計画に従って粒子線照射装置４で粒子線を実際に照射した際の線量の時空間構造を算出する（ステップＳ７０２）。生物効果演算装置９は、候補治療計画のそれぞれについて、生物学的影響を評価する（ステップＳ７０３）。その後、生物効果演算装置９は、候補治療計画のそれぞれの生物学的影響に基づいて、複数の候補治療計画のいずれかを粒子線治療に用いる実施治療計画として選択し（ステップＳ７０４）、処理を終了する。この場合、粒子線治療装置は、実施治療計画に従って粒子線を患者１１に照射する。

【0066】

図８及び図９は、変形例１における生物学的影響の評価例を示す図である。

【0067】

図８は、前立腺がんを患部１２とし、患部１２を挟んで左右に配置された２門の照射門から患部１２に粒子線を照射する３つの治療計画による生物学的線量を示す図である。なお、前立腺がんはＣＴＶ（Clinical Target Volume：臨床標的体積）に含まれ、ＣＴＶが放射線を照射する対象となる。

【0068】

３つの治療計画のうちの第１の治療計画は、患部１２付近で線量勾配が緩やかとなるように調整した治療計画（Downslope-dose）、第２の治療計画は、患部中心付近で線量勾配が急峻となるように調整した治療計画（Split-target）、第３の治療計画は、左右２門からのＣＴＶでの線量が共に一定になるように調整した治療計画（ＳＦＵＤ：Sinle Field Uniform Dose）である。これら３つの治療計画は、同一の物理線量分布を有する。なお、図８の上部には、第１の治療計画及び第２の治療計画の線量分布が示されている

【0069】

図８の下部には、ＣＴＶの中心付近を通る直線上における各治療計画の左右の各照射門からの粒子線による線量分布（物理線量分布）のプロファイルが示されている。本図において、実線は右方向から照射される粒子線による線量分布を示し、点線は左方向から照射される粒子線による線量分布を示す。

【0070】

図９は、上記の３つの治療計画に対する生物学的線量と物理線量の差分（ＲＤＤ）の分布である差分分布を示す。図９において、縦軸は実際の治療時間（ここでは、３０分）における線量の時空間構造を考慮した生物学的線量と物理線量のＲＤＤを示し、横軸はＣＴＶ中心付近を通る直線上の位置を示す。上述したように各治療計画の物理線量分布は同一であるが、各治療計画の差分分布は互いに異なり、第１の治療計画においてＲＤＤの最大値が最も小さく、第１の治療計画の生物学的線量分布が最も物理線量分布との差分が小さいことが示されている。

【0071】

図７のステップＳ７０４の処理では、生物効果演算装置９は、具体的には、各候補治療計画の生物学的線量分布に関する指標を比較し、その比較結果に基づいて、実施治療計画を選択する。生物学的線量分布に関する指標は、例えば、上述したＲＤＤの最大値であり、この場合、生物効果演算装置９は、ＲＤＤの最大値が最も小さい候補治療計画を実施治療計画として選択する。ただし、生物学的線量分布に関する指標は、生物学的線量分布又は差分分布の他の統計値のような他の指標でもよい。例えば、生物学的線量分布に関する指標は、ＲＤＤの平均値でもよい。この場合、生物効果演算装置９は、ＲＤＤの平均値が最も小さい候補治療計画を実施治療計画として選択する。

【0072】

また、ステップＳ７０４では、生物効果演算装置９は、操作者の指示に従って複数の候補治療計画から実施治療計画を選択してもよい。この場合、生物効果演算装置９は、複数の候補治療計画のそれぞれに対する生物学的影響の評価結果を示す表示画面である選択用表示画面を表示装置６に表示し、操作者は、その表示画面を用いて、実施治療計画を選択するための指示を表示装置６に入力する。

【0073】

図１０は、選択用表示画面の一例を示す図である。図１０に示す選択用表示画面１０００は、２つの治療計画のそれぞれに対する生物学的影響の評価結果１００１及び１００２を示す。この場合、操作者は、評価結果１００１及び１００２を確認して総合的に判断することで、実施治療計画を選択するための指示を入力する。

【0074】

なお、図１０の例では、２つの治療計画による２つの評価結果が示されているが、この例に限らず、３つ以上の評価結果が示されてもよい。また、選択用表示画面は、各評価結果を同時に表示する必要はなく、タブなどを用いて表示する評価結果が切り替えられるものでもよい。

【0075】

以上説明したように本変形例によれば、生物効果演算装置９は、複数の候補治療計画のそれぞれについて生物学的影響を評価し、その評価結果に基づいて、候補治療計画のいずれかを粒子線治療に用いる実施治療計画として選択する。この場合、生物学的影響を考慮した適切な治療計画に基づいて粒子線治療を実施することが可能となる。

【0076】

次に、第２の変形例を説明する。

【0077】

図１１は、第２の変形例の影響評価処理を説明するためのフローチャートである。

【0078】

第２の変形例の影響評価処理では、先ず、線量時空間構造演算装置８は、記憶装置５又は治療計画装置７から治療計画を読み出す（ステップＳ１１０１）。その後、線量時空間構造演算装置８は、読み出した治療計画に含まれる照射順序である元の照射順序とは異なる照射順序を新たな照射順序として決定する（ステップＳ１１０２）。

【0079】

その後、線量時空間構造演算装置８は、記憶装置５に保存されている装置パラメータを用いて、読み出した治療計画と、その治療計画の照射順序を新たな照射順序に変更した治療計画とを候補治療計画とする。線量時空間構造演算装置８は、候補治療計画のそれぞれについて、その候補治療計画に従って粒子線照射装置４で粒子線を実際に照射した際の線量の時空間構造を算出する（ステップＳ１１０３）。生物効果演算装置９は、候補治療計画のそれぞれについて、生物学的線量を評価する（ステップＳ１１０４）。その後、生物効果演算装置９は、候補治療計画のそれぞれの生物学的影響に基づいて、複数の候補治療計画のいずれかを粒子線治療に用いる実施治療計画として選択し（ステップＳ１１０５）、処理を終了する。なお、ステップＳ１１０５では、生物効果演算装置９は、例えば、変形例２と同様に、生物学的影響の評価結果として算出した生物学的線量分布に関する指標を比較し、その比較結果に基づいて、実施治療計画を選択する。

【0080】

ステップＳ１１０２で決定される、新たな照射順序は、例えば、元の照射順序から照射エネルギーの順序を変更したものである。元の照射順序が通常の治療計画のように照射エネルギーの順序が降順（エネルギーが高い方から低い方へ）に設定されている場合、新たな照射順序は、例えば、照射エネルギーの順序が昇順（エネルギーが低い方から高い方へ）となる。この場合、新たな照射順序に応じた線量の時空間構造は、元の照射順序のものから変化し、その結果、生物学的線量分布も変化する。

【0081】

また、新たな照射順序は、例えば、元の照射順序からスポットの照射順を変更したものでもよい。通常の治療計画では、図３に示すように、先ず、Ｙ方向にスポットを走査し、Y方向の端にあるスポットに対する照射が終了すると、Ｘ方向に１スポット分走査し、その後、Y方向にスポットが走査される。元の照射順序がこの順序の場合、新たな照射順序は、例えば、元の照射順序のスポットの照射順を逆順にした順序となる。なお、これらの新たな照射順序は、単なる一例であり、照射順序の決定方法はこれに限らない。

【0082】

ステップＳ１１０４では、必要に応じてステップＳ１１０２の処理に戻ってもよい。例えば、生物効果演算装置９は、生物学的線量分布の統計値（例えば、最大値又は平均値）が閾値を超えた候補治療計画が存在しない場合、ステップＳ１１０２の処理に戻ってもよい。

【0083】

図１２は、変形例２における生物学的影響の評価例を示す図である。

【0084】

図１２は、前立腺がん（腫瘍）を患部１２とし、患部１２を挟んで左右に配置された２門の照射門から患部１２に粒子線を照射する治療計画による生物学的線量を示す図である。図４では、照射エネルギーの順序が異なる４つの治療計画による生物学的線量が示されている。具体的には、２門の照射門の一方から粒子線を照射する場合、照射順序として、粒子線の照射側から見て深いレイヤ（高いエネルギー）から浅いレイヤ（低いエネルギー）に向かって照射する照射順序（Ｎ）と、粒子線の照射側から見て浅いレイヤから深いレイヤに向かって照射する照射順序（Ｒ）の２パターンが考えられる。また、照射門は左右に１つずつ計２門あるため、合計４パターンの照射順序が考えられる。これらの４パターンの照射順序では、物理線量分布は同一である。

【0085】

図１３は、上記の４パターンの照射順序に対する生物学的線量と物理線量の差分（ＲＤＤ）の分布である差分分布を示す。図１３において、縦軸は実際の治療時間（ここでは、３０分）における線量の時空間構造を考慮した生物学的線量と物理線量のＲＤＤを示し、横軸はＣＴＶ中心付近を通る直線上の位置を示す。上述したように各照射順序の物理線量分布は同一であるが、各照射順序の差分分布は互いに異なる。例えば、生物学的線量は、１門目の照射門の照射順序を照射順序（Ｒ）、２門目の照射門の照射順序を照射順序（Ｎ）とした場合に、RDDが最も小さいことが示されてる。このため、図７のステップＳ１１０５の処理では、生物効果演算装置９は、上記の照射順序による候補治療計画を実施治療計画として選択することができる。

【0086】

本変形例によれば、治療計画のスポット位置及び照射量を固定したまま、つまり物理線量分布を固定したまま、複数の照射順序での生物学的影響を評価することができる。また物理線量分布を固定したまま生物学的影響がより高い照射順序を得ることができる。この場合、治療時間が増加した際に生じる回復効果による生物効果の減少量を抑制することができる。これにより、予期せぬ患部１２への線量低下などを防ぐことができる。

【0087】

次に、第３の変形例について説明する。

【0088】

図１４は、第３の変形例の影響評価処理を説明するためのフローチャートである。

【0089】

第３の変形例の影響評価処理では、先ず、治療計画装置７は、治療計画を作成する（ステップＳ１４０１）。その後、線量時空間構造演算装置８は、記憶装置５に保存されている装置パラメータを用いて、治療計画装置７にて作成された治療計画に従って粒子線照射装置４で粒子線を実際に照射した際の線量の時空間構造を算出する（ステップＳ１４０２）。その後、生物効果演算装置９は、算出した線量の時空間構造に基づいて、治療計画に対する生物学的線量を評価する（Ｓ１４０３）。

【0090】

続いて、生物効果演算装置９は、Ｓ１４０３で評価した生物学的影響に関する値と予め定められた所定値との差分を算出する（ステップS１４０４）。生物学的影響に関する値は、例えば、生物学的線量分布の統計値（最大値又は平均値など）である。

【0091】

生物効果演算装置９は、算出した差分が予め定められた許容値と比較して、差分が許容値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１４０５）。差分が許容値よりも大きい場合、ステップＳ１４０１の処理に戻り、差分が許容値以下の場合、処理が終了される。

【0092】

ステップＳ１４０１の処理に戻る場合、治療計画装置７は、上記の差分に基づいて、治療計画を新たに作成する。例えば、治療計画装置７は、所定値と差分の和を生物学的線量の目標値とした治療計画を新たに作成する。

【0093】

第３の変形例によれば、生物学的線量の所定値との差分が少ない治療計画を作成することが可能となる。このため、予期せぬ患部１２への線量低下などを防ぐことができる。

【0094】

上述した本開示の実施形態及び変形例は、本開示の説明のための例示であり、本開示の範囲をそれらにのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本開示の範囲を逸脱することなしに、他の様々な態様で本開示を実施することができる。例えば、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施形態又は変形例の構成の一部を他の実施形態又は変形例の構成に置き換えたり、実施形態又は変形例の構成に他の実施形態又は変形例の構成を加えたりすることも可能である。

【符号の説明】

【0095】

１：治療台 ２：加速器 ３：ビーム輸送装置 ４：粒子線照射装置 ５：記憶装置 ６：表示装置 ７：治療計画装置 ８：線量時空間構造演算装置 ９：生物効果演算装置 １０：ネットワーク １１：患者 １００：粒子線治療システム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】