特許 7335813 イオンに基づく放射線治療計画作成のためのシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-22

(45)【発行日】2023-08-30

(54)【発明の名称】イオンに基づく放射線治療計画作成のためのシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   A61N 5/10 20060101AFI20230823BHJP

【ＦＩ】

A61N5/10 P

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2019559840

(86)(22)【出願日】2017-05-03

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-06-25

(86)【国際出願番号】 EP2017060475

(87)【国際公開番号】W WO2018202285

(87)【国際公開日】2018-11-08

【審査請求日】2020-05-01

(73)【特許権者】

【識別番号】522454806

【氏名又は名称】レイサーチ ラボラトリーズ エービー

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 明代

(74)【代理人】

【識別番号】100191086

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 香元

(72)【発明者】

【氏名】トラネウス，エリック

【審査官】和田 将彦

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０１９６７８１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ａ６１Ｎ ５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも第１のビーム角（３４）及び第２のビーム角（３３）から患者の一部にイオンによるエネルギー送達を行うように構成された放射線治療計画を最適化するシステムであって、前記システムはプロセッサ（７３）及びプログラムを格納したメモリ（７６）を備え、前記プロセッサ（７３）は前記プログラムに基づき以下の処理を実行するように構成される：
（ａ）ペナルティ関数は目的関数または制約であり、リスク臓器（３２）への線量を最小にしながら、前記患者の患部へ治療有効量の線量を到達させるように、前記ペナルティ関数を含む最適化関数を最適化する処理ａ；
（ｂ）前記処理ａにおいて、パラメータτを計算する処理ｂであって、前記パラメータτは、以下（ｃ）のように定義される、処理ｂ；
（ｃ）前記第１のビーム角（３４）および前記第２のビーム角（３３）から照射される１つまたは複数のビームのイオンの総数をτａと定義し、かつ前記τａのうち前記リスク臓器（３２）へ到達するイオンの総数をτＯＡＲと定義する場合に、前記パラメータτを前記τａに対するτＯＡＲの比（τ＝τＯＡＲ／τａ）として定義し、前記ペナルティ関数は、前記τａに対するτＯＡＲの比（τ＝τＯＡＲ／τａ）として定義された、前記パラメータτを制限することに関係する、
ことを特徴とする、システム。

【請求項2】

前記目的関数は、前記比が特定の閾値未満に維持されるように最適化されることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記第１のビーム角（３４）からエネルギー送達される前記イオンは前記リスク臓器（３２）の方向へ向かうものであることを特徴とし、前記パラメータτはビーム角（３４，３３）毎にそれぞれ計算することができる、請求項１または請求項２に記載のシステム。

【請求項4】

前記（ｃ）において、前記比は、以下（ｃ１）および（ｃ２）によってさらに特徴付けられる、請求項１～３のいずれか一項に記載のシステム：
（ｃ１）前記リスク臓器（３２）の内部に飛跡の終端を有するイオンの総数をτＯＡＲと定義する；
（ｃ２）前記第１のビーム角（３４）および前記第２のビーム角（３３）から照射される１つまたは複数のビームのイオンの飛跡の終端の総数をτａと定義する。

【請求項5】

前記第１のビーム角（３４）から照射される前記イオンは前記リスク臓器（３２）の方向へ向かうエネルギーであることを特徴とし、
前記パラメータτはビーム角（３４，３３）毎にそれぞれ計算することができ、かつ
前記第１のビーム角（３４）からの照射されるイオンに関する前記パラメータτの計算は、含まれる１つ又は複数のビームに関するエネルギー層のサブセットに基づいて計算するように構成される、請求項１～４のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項6】

前記ペナルティ関数が、二次ペナルティなどの線形ペナルティ又は非線形ペナルティに関係する、請求項１～５のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項7】

前記放射線治療計画の作成では、前記τを計算するときに前記患者の一部の実際の密度よりも低い計画作成密度値を入力するように構成される、請求項１～６のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項8】

前記放射線治療計画の作成では、前記τを計算するときに前記患者の一部の実際の密度よりも高い計画作成密度値を入力するように構成される、請求項１～７のいずれか一項に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、イオンに基づく放射線治療計画作成のためのシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

どの放射線治療計画作成においても、主目標は、患者の他の部分、特にリスク臓器（ＯＡＲ）への線量を最小にしながら、腫瘍などの標的体積への規定された線量（例えば、均一線量）を保証することである。普通は、治療計画は、異なるビーム角からの放射線の送達に関係する。本明細書では、リスク臓器、リスクのある臓器、及びＯＡＲという用語は、同義語として取り扱う。

【0003】

陽子線治療では、患者の組織を通って移動する際にエネルギーを付与する陽子により、患者に線量が送達される。各陽子が移動する距離は、そのエネルギーに依存する。エネルギーのほとんどは各陽子の軌道の終端付近に付与され、結果的にブラッグピークとして知られる付与されたエネルギーのピークが生じ、そこに最高線量が送達されることになる。したがって、線量計画作成は、一般に、標的のすべての部分にブラッグピークが存在することになるように、入射する陽子の方向及び運動エネルギーを分布させることを試みる。ブラッグピークは、陽子が止まる飛跡の終端の直前に生じる。エネルギー損失プロセスの確率的性質に起因して、同じ入射方向及び運動エネルギーを有する陽子は、それらが止まるまでに同一のエネルギー損失及び偏向は経験しない。したがって、ブラッグピークは、その最大値付近で小さい３Ｄ体積へブロード化する。一部の陽子は、それらの飛跡の終端をブラッグピークの上流に、また一部は、ブラッグピークの下流に有する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

遠位ＯＡＲ、すなわち、陽子の軌道の方向に標的の後ろに位置するリスク臓器が存在する場合に問題が生じる。遠位ＯＡＲへ向かう方向に移動し且つそのブラッグピークがＯＡＲの近くに位置する一部の陽子は、ＯＡＲへ到達してそれらのエネルギーの一部をＯＡＲに付与するリスクがある。加えて、セットアップ誤差及び密度変動が、ブラッグピークが標的ではなくＯＡＲへ移動されるほどに治療に影響を及ぼす場合がある。ペンシルビーム走査治療計画の正規の計画作成では、通常、最高の重みを付けられるエネルギー層は、ビームにつき最遠位のものである。したがって、標的の近くに遠位リスク臓器が存在する状況では、標的全体をカバーする要望とリスク臓器を保護する必要性との間に大きな競合が存在する。

【0005】

また、ＲＢＥ係数は飛跡の終端で増大し、これは、飛跡の終端に向けて付与されるエネルギーが、より浅い深さで付与される同量のエネルギーよりも大きい生物学的影響を有することを意味する。これは、陽子線量フィールドの有効範囲の増大につながる。ＲＢＥ係数の大きさは不確定であり、しばしば未知であり、したがって、計算に含めるのが難しい。

【0006】

これらの問題に対処する試みがなされている。例えば、頑健な最適化方法が用いられる場合がある。頑健性は、臨床標的体積ＣＴＶの周りにマージンを定義することによっても増大され得る。拡張された体積はＰＴＶと呼ばれ、普通は、計画作成中にそれへの線量が規定される体積である。別の手法は、遠位リスク臓器を避けるような様態でビーム角を選択することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の目的は、標的臓器への所望の線量を維持しながらリスク臓器への線量の送達を回避することになる、イオンに基づく放射線治療計画作成方法及びシステムを提供することである。

【0008】

本発明は、患者データの組に最適化関数を適用するステップを含む、少なくとも第１及び第２のビーム角から患者の一部にイオンによりエネルギーを送達することに関係する、放射線治療計画を最適化する方法を提案する。最適化関数は、１つ又は複数のビームでのイオンの総数τ_ａに対するリスク臓器に到達する前記１つ又は複数のビームでのイオンの総数のフラクションτ_ＯＡＲを定義するパラメータτを制限することに関係した、目的関数又は制約などのペナルティ関数を含む。

【0009】

パラメータτは多くの様態で計算することができ、オプティマイザが１つ又はいくつかの特異的な目標を達成するのを支援するようにパラメータτの定義に含まれるスポットを選択できることを理解されたい。例えば、パラメータτは、ビームごとの値τ_ＯＡＲ及びτ_ａを用いて、ビームごとに又はビームの組み合わせに関して計算することができる。パラメータτはまた、スポットの方向にＯＡＲを有するスポットのみを含むように制約することができ、且つ、含まれるビームに関するエネルギー層のサブセットを含むように制約することができる。例えば、ＯＡＲに最も近い飛跡の終端を生じることになるエネルギー層、通常は最高エネルギー層のみが考慮されてよい。

【0010】

この方法は、特定のリスクのある臓器へ至る送達される粒子の総数のフラクションとしてパラメータτを導入する。このパラメータを制限する目的関数にペナルティ関数を加えることは、その飛跡の終端でＯＡＲに到達するスポットの重みを減少させることになる。これは、より少ない粒子が遠位リスク臓器へ向かう方向に移動してリスク臓器の付近又はリスク臓器の内部の体積にそれらの飛跡の終端を有することになることを意味する。これを補償するために、同じ又は別のビームからの他のスポットにより送達される粒子の数及び該体積でのエネルギー付与が、規定線量を達成するべく増加されることになる。これは、これらの粒子がリスク臓器の縁で止まることなく通過する場合に達成することができる。これらのイオンの一部が例えばセットアップ誤差に起因してリスク臓器にエネルギーを付与することになる場合であっても、ＲＢＥが増大するそれらの飛跡の終端はリスク臓器にはないであろう。

【0011】

したがって、この方法は、ＯＡＲでの飛跡の終端の数が最小になるような様態で異なるビーム間の線量寄与を自動的に再配分することにより、リスクのある臓器への線量が確実に低レベルでありながら、体積に送達される線量が確実に要望どおりであるようにする。

【0012】

ペナルティ関数は、例えば、τが特定の閾値、例えば０．０５よりも低く保たれるべきであると指定してよい。代替的に、ペナルティ関数は、τができる限り小さく保たれるべきであると指定してよい。ペナルティ関数は、治療計画の最適化に用いられる任意の適切なペナルティ関数であってよく、二次ペナルティなどの線形又は非線形のペナルティに関係し得る。パラメータτは、制約としても用いることができる。

【0013】

方法は、τを計算するステップをさらに含んでよい。パラメータτは、リスク臓器での飛跡の終端と患者又は患者の一部での飛跡の終端の総数との比として計算されてよい。代替的に、τは、ビーム又はビームの組み合わせごとに、ビームからの又はすべてのビームからの又はビームの組み合わせに関する飛跡の終端の数に対して計算されてよい。代替的に、パラメータτは、スポットの方向にＯＡＲを有するスポットに関してのみ計算されてよい。一実施形態では、リスク臓器に到達する第１のビーム角からのイオンの総数τ_ＯＡＲ１と、第１のビーム角からのイオンの総数τ_ａ１が、τ＝τ_ＯＡＲ１／τ_ａ１を計算するのに用いられる。

【0014】

飛跡の終端の位置を決定するための計算が、イオンが横切る組織での実際の密度とは異なる密度に基づいて行われる場合に、さらなる利点が達成され得る。１つの好ましい実施形態では、飛跡の終端の位置を決定するための計算は、イオンが横切る組織での実際の密度よりも若干低い密度に基づいて行われる。この結果として、最適化は、τの過大に見積もられた値に基づくことになる。これは、ＯＡＲに到達するリスクがあるスポットの重みの抑制の強化につながることになる。これは、飛跡の終端でリスク臓器にエネルギーを付与するイオンを制限することになる。上記のように、飛跡の終端付近で付与されるエネルギーは相対的により高い生物学的影響を有し、ゆえに、リスク臓器でのこのようなイオンを回避することが特に望ましい。他のビームからの線量は、これを部分的に又は完全に補償することができる場合があり、変化した組織密度に影響されないであろう。

【0015】

代替的に、飛跡の終端の位置の決定は、イオンが横切る実際の密度よりも若干高い密度に基づいていてよい。これは、飛跡の終端が標的体積の上流にあることが望ましくない場合に有利であり得る。例えば、一部の状況では標的の上流にＯＡＲがある状態でビームを用いる必要があり得る。標的の下流にＯＡＲがあるという、より一般的な場合と同様に、ＯＡＲでの飛跡の終端の数を最小に保つことが望ましい。このケースでは、ＯＡＲに最も近いエネルギー層は最低エネルギー層であろう。

【0016】

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手段を備えるコンピュータプログラム製品に関する。コンピュータプログラム製品は、一時的でない記憶媒体などのキャリア上に格納されてよい。本発明はまた、プロセッサと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し、プログラムメモリは、このようなコンピュータプログラム製品をプロセッサにより実行することができるような様態で保持する。本発明はさらに、このような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。

【0017】

本発明を、単なる例として添付図を参照して以下により詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１ａ～図１ｃは、ビーム軌道、ブラッグピーク、ＲＢＥ係数、及び飛跡の終端の分布を例示する図である。

【図2】標的に隣接するリスクのある臓器を有する患者を概略的に例示する図である。

【図3】治療計画作成から得られる飛跡の終端を例示する図である。

【図4】放射線治療及び／又は計画作成のためのシステムの概要である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

図１ａは、患者の一部を横切る陽子などのイオンの軌道に沿って付与されるエネルギーを距離ｘの関数として例示する。標的１２及びリスクのある臓器１３の位置が、それぞれ第１及び第２のボックスで示される。図で分かるように、エネルギーの主要部分が付与されるブラッグピークは、放射線源から見て標的１２の遠位端の近くに位置する。同じく図で分かるように、イオンは、標的１２を通過した後もエネルギーを付与し続け、そのエネルギーの残りをリスク臓器１３に付与することになる。

【0020】

ブラッグピークの後に付与されるエネルギーの相対的な生物学的影響ＲＢＥは、前に付与されるエネルギーのＲＢＥよりも大きいことが知られている。この影響が図１ｂに例示され、この図は、図１ａと同じ付与されるエネルギーに関する曲線を実線で示し、ＲＢＥを破線で示す。ＲＢＥは、粒子の軌道のほとんどに沿っておよそ１．１であり、終端へ向けて、予測が難しいが１．６ほどの高さであり得る値へ増加する。これは、飛跡の終端付近で付与される比較的低い線量が、前に付与される対応する線量よりも大きい生物学的影響を有することを意味する。

【0021】

図１ｃは、移動距離の関数としての飛跡の終端の分布、すなわち、イオンが患者において止まる位置を示す。図で分かるように、飛跡の終端の位置は、１００％の精度で予測することはできない。代わりに、飛跡の終端の位置は、ガウス状分布を有することになる。

【0022】

図２は、腫瘍などの標的２１がリスクのある臓器２２の二辺を取り囲む状況を概略的に例示する。このような状況は、例えば、脳幹付近で増殖する脳腫瘍の場合に生じ得る。通常、このようなケースでは、放射線は、リスク臓器２２への線量を最小にしながら標的への線量を最大にするべく、少なくとも２つのビーム角から送達されることになる。この例では、典型的なビーム角は、垂直矢印２３で示されるように図面の上からと、水平矢印２４で示されるように図面の右からであろう。

【0023】

ペンシルビーム走査では、治療計画は、いくつかのエネルギー層により指定され、各層は、所与の重みのいくつかのペンシルビームスポットを含む。各スポットは、エネルギー層により決まる深さで標的でのどこかにそのブラッグピークを有する。ブラッグピークは、図２にドットで示され、治療されるべき体積にわたって分布する。ブラッグピークは、異なるエネルギー層において定義されることになり、最低エネルギーを有する層は、図面にＥ１で表される放射線源に最も近いブラッグピークに対応し、最高エネルギーを有する層は、図面にＥ８で表される放射線源から最も遠いブラッグピークに対応する。エネルギー層Ｅ８における、リスク臓器の手前の位置にある粒子は、リスク臓器にもエネルギーを付与する最高リスクを有する粒子である。前述のように、これは、患者が放射線源に対して僅かに動く場合に、又は粒子が横切る組織の密度が計画作成に用いられる密度値とは異なる場合に起こり得る。ストラグリングとして知られる影響も存在し、これは、患者の同じ部分を横切り且つ同じエネルギーを有する２つの粒子により付与されるエネルギーが、軌道に沿って変化することになることを意味する。したがって、それらは異なる位置で止まることになる。

【0024】

図３は、それぞれ、標的３１、リスク臓器３２、並びに第１及び第２のビーム角３３、３４により、図２と同じ概略的な状況を例示する。以下の説明では、水平ビーム角３４からの寄与が考慮されることになる。リスク臓器３２に隣接する標的３１の部分の遠位側に領域３５が示される。この領域は、特定のエネルギー層に属するスポットが到達する領域にほぼ適切に対応する。この層は、スポットがリスク臓器に到達することなく標的３１の遠位部に到達するように決定されるエネルギーを有する。ビーム３４は、標的体積の上部のより深層部に到達するべく付加的なエネルギー層を有する。これらのより高いエネルギー層に関して、リスク臓器３２でのブラッグピークを有するスポットは存在しない。

【0025】

モデルに用いられる場合のパラメータτは、
τ：フラクションτ_ＯＡＲ／τ_ａ
として定義され、τ_ａは、２つのビームでのイオンの総数（＝飛跡の終端の総数）であり、τ_ＯＡＲは、ＯＡＲ体積の内部に飛跡の終端を有するイオンの数である。従来の治療計画作成でのτの通常の値は０．２であり、これはイオンのおよそ２０％がリスク臓器に到達することを意味する。

【0026】

特定の実施形態において、モデルに用いられる場合のパラメータτは、
τ：フラクションτ_ＯＡＲ１／τ_ａ１
として定義され、τ_ＯＡＲ１は、リスク臓器に到達する第１のビーム角からのイオンの総数であり、τ_ａ１は、第１のビーム角からのイオンの総数である。

【0027】

含まれる１つ又は複数のビームに関するエネルギー層のサブセットに基づいてτを計算することが好ましい場合がある。例えば、図２に示された状況では、リスク臓器に最も近いエネルギー層Ｅ８のみ、又はリスク臓器に最も近いｎ個の層を考慮することもでき、ｎは整数１～７である。リスク臓器が標的の上流に位置する、逆の状況では、エネルギー層Ｅ１、又はＥ１で始まるいくつかの連続的な層を考慮することもできる。

【0028】

飛跡の終端のペナルティ関数は、放射線治療計画の最適化のために用いられるペナルティ関数と類似した様々な種類のものであり得る。したがって、最適化問題は、「τをできる限り小さく保つ」又は「τを閾値よりも低く保つ」として公式化され得る。閾値は、固定値とすることができ、又は現実的とみなされる値に応じて、例えば５％又は７％に設定されてよい。ペナルティは、線形又は非線形、例えば、二次又は指数関数であってよい。飛跡の終端のペナルティ関数は、通常は全目的関数の一部であり、最適化の目標は、全目的関数値を最小にすることである。代替的に、飛跡の終端のペナルティ関数は、達成されなければならない制約として適用されてよい。

【0029】

リスク臓器３２に到達できるイオンのフラクションを目的関数により制限することの影響は、リスク臓器に到達するスポットに割り当てられる重みが減少することである。図２及び図３の右手側から来るイオンを見ると、エネルギー層Ｅ８により少ないイオンが存在することになり、ゆえに、このビーム角は、リスク臓器３２に隣接する標的３１の領域３５での線量により小さく寄与することになる。このビームからのこの体積での線量の結果的な減少を補償するために、図３での上から来る垂直ビーム角３３からのこの領域でのイオンの数が増加されることになる。これは、最適化関数により自動的に処理されることになる。垂直ビーム角３３からの領域３５を移動する一部のイオンが、例えばセットアップ誤差のためにリスク臓器３２にエネルギーを付与するリスクがある。このエネルギー付与は、それぞれの粒子の飛跡の終端では起こらず、したがって、高いＲＢＥ値を有することはないであろう。したがって、同じエネルギー付与であっても、もたらす損傷はより少ない。飛跡の終端が存在しないためにＲＢＥ係数に存在する不確定度がより小さいことから、この線量がより正確に計算され得るのでこれは有利である。

【0030】

τを計算するときに、横切った組織の実際の密度値よりも若干より低い密度値を仮定して計画作成が行われる場合に、さらなる利点が達成される。これにより、最適化は、体積３５を通ってＯＡＲ体積へ到達するリスクがあるイオンをさらに減少させることになる。したがって、計画は、密度摂動に対してより頑健である。

【0031】

図４は、放射線治療及び／又は計画作成のためのシステムの概要である。理解されるように、このようなシステムは、任意の適切な様態で設計されてよく、図４に示された設計は単なる例である。患者６１は、治療カウチ６３上に位置決めされる。システムは、カウチ６３上に位置決めされた患者に向けて放射線を放出するために、ガントリ６７にマウントされた放射線源６５を備える。通常、カウチ６３及びガントリ６７は、放射線をできる限りフレキシブルに且つ適正に患者に送達することができるように、互いに対していくつかの次元に移動可能である。これらの部分は当業者によく知られている。システムはまた、放射線治療計画作成のため及び／又は放射線治療を制御するために用いられ得るコンピュータ７１を備える。理解されるように、コンピュータ７１は、治療ユニットに接続されない別個のユニットであってよい。

【0032】

コンピュータ７１は、プロセッサ７３、データメモリ７４、及びプログラムメモリ７６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、１つ又は複数のユーザ入力手段７８、７９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。

【0033】

データメモリ７４は、計画作成のために用いられるべき臨床目標の組を含む、臨床データ及び／又は治療計画を得るのに用いられる他の情報を備える。データメモリ７４はまた、本発明の実施形態に係る治療計画作成に用いられるべき１人又は複数の患者に関する１つ又は複数の線量マップを備える。プログラムメモリ７６は、治療計画の最適化のために構成される、最適化関数を含む、それ自体公知のコンピュータプログラムを保持する。

【0034】

目的関数を最小にすることに基づく最適化が当該技術分野ではよく知られている。このケースでは、目的関数は、前述のようにτを制限することに基づく目的関数を含む。

【0035】

理解されるように、データメモリ７４とプログラムメモリ７６は、概略的にのみ示され説明される。１つ又は複数の異なるタイプのデータをそれぞれ保持するいくつかのデータメモリユニット、又はすべてのデータを適切に構造化された様態で保持する１つのデータメモリが存在してよく、同じことがプログラムメモリにも当てはまる。１つ又は複数のメモリはまた、他のコンピュータ上に格納されてよい。例えば、コンピュータは、方法のうちの１つを行うようにのみ構成され、最適化を行うための別のコンピュータが存在してよい。

【図1a】

【図1b】

【図1c】

【図2】

【図3】

【図4】