粒子線治療計画装置及び治療計画方法
【課題】粒子治療計画装置において標的領域外の高線量領域の出現を抑制する治療計画情報を提供することにある。
【解決手段】粒子線を照射する標的となる標的領域を入力する標的領域入力手段３０２と、標的領域を包含するように設定された照射領域の内部において粒子線を照射する照射スポットを決定する演算装置３０５を備え、演算装置３０５が照射領域の輪郭上に前記照射スポットを配置し、かつ、隣り合う照射スポットの間隔が予め定められた設定値以下となるように、照射スポットを決定する。このように粒子線の停止位置近辺の標的領域形状を抽出し、この形状内に一様な高線量領域が形成されるようにスポット間隔を領域内の位置に依存して変化させることで、標的領域での粒子線の照射線量が一様となる高線量領域と標的領域との乖離を抑制することが可能となる。
【解決手段】粒子線を照射する標的となる標的領域を入力する標的領域入力手段３０２と、標的領域を包含するように設定された照射領域の内部において粒子線を照射する照射スポットを決定する演算装置３０５を備え、演算装置３０５が照射領域の輪郭上に前記照射スポットを配置し、かつ、隣り合う照射スポットの間隔が予め定められた設定値以下となるように、照射スポットを決定する。このように粒子線の停止位置近辺の標的領域形状を抽出し、この形状内に一様な高線量領域が形成されるようにスポット間隔を領域内の位置に依存して変化させることで、標的領域での粒子線の照射線量が一様となる高線量領域と標的領域との乖離を抑制することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、がん治療等に用いられる粒子線治療装置のための粒子線治療計画装置及び治療計画方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療は、標的となる腫瘍細胞に対して粒子線（陽子線や炭素線などの荷電粒子ビーム）を照射することによって治療を行う。放射線を用いる治療の中ではＸ線が最も広く利用されているが、標的への線量集中性が高い陽子線や炭素線に代表される粒子線を利用したがん治療への需要が高まっている。
【０００３】
過度の照射や照射量の不足は、腫瘍以外の正常組織への副作用や腫瘍の再発につながる可能性がある。粒子線治療装置においても、腫瘍領域に対してできるだけ正確に、できるだけ集中するように指定した線量を照射することが求められる。粒子線治療においては線量を集中させる方法として、スキャニング法の利用が広がりつつある。これは細い粒子ビームを、二組の走査電磁石により偏向させ、平面内の任意の位置に導くことで、腫瘍内部を塗りつぶすように照射し、腫瘍領域にのみ高い線量を付与するという方法である。
スキャニング法の場合、分布を腫瘍形状に成型するためのコリメータ等の患者固有の器具が基本的に必要ない。また、様々な分布を形成できる利点がある。
【０００４】
これを実現するためには、実際の照射前に治療計画装置を用いて計画を作成する過程が極めて重要となる。治療計画装置はＣＴ画像等から得られる患者体内の情報を基に、患者体内での線量分布を数値計算によりシミュレートする。操作者は治療計画装置の計算結果を参照しながら、粒子線を照射する方向やビームエネルギー，照射位置，照射量等の照射条件を決定する。以下にその一般的な過程を簡単に述べる。
【０００５】
操作者は、はじめに粒子線を照射すべき標的領域を入力装置から入力する。主として、表示装置に表示された患者のＣＴ画像を用い、ＣＴ画像の各スライスに標的となる領域を入力する。入力したデータは、操作者が治療計画装置に登録することで、３次元の領域データとして保存される。必要があれば、放射線の照射量を極力低く抑えるべき重要臓器の位置も同様に入力し、登録する。
【０００６】
操作者に指定された線量分布を実現するためのビーム照射位置（以下ではスポットと呼ぶ）や照射すべき量は、治療計画装置により決定される。通常は、初めにスポット位置を決定し、その後、スポットごとの照射量を操作者の入力した線量分布条件を満たすように決定する。ここでは、スポット位置の決定過程に関して詳しく説明する。照射量決定の過程は、例えば非特許文献１に詳しい。
【０００７】
スキャニング照射には、ある点に規定量のビームを照射後、一度ビームを停止し、次の照射すべき点に移動した後に再び照射を開始するスポットスキャニング方式と、照射位置の移動中にもビームを停止しないラスター方式がある。ここではスポットスキャニング方式を前提として説明する。
【０００８】
ビーム進行方向に垂直な面内のスポット位置は、走査電磁石の励磁量により定まる。粒子線の進行方向の線量分布は、ビームが停止する直前に現れるピーク付近にほとんどの線量を付与する。この位置が、ビーム進行方向に対するスポット位置と考えられる。このスポット位置が、３次元の領域データとして保存されている標的領域を覆うように配置される。
【０００９】
スポットスキャニング方式では、スポット位置は離散的に決められる。横方向（ビーム進行方向と垂直な方向）に隣り合うスポットの間隔は、ビームサイズにより定まる。図１０に、この様子を模式的に表す。図１０のように横方向の線量分布はガウス分布形状で近似でき、１００１は最も端にあるスポットによる線量分布を表す。１００２，１００３，１００４は１００１で表されるスポットの右側に並ぶように配置されたスポットによる線量分布である。実際は１００４よりも右側にもスポットが存在する。隣り合うスポットの間隔はｄ、個々のビームサイズはσである。これらのスポットに照射されたビームによる線量分布の合計が、１００５である。図１０では間隔ｄはビームサイズσと同程度であるが、間隔ｄがビームサイズσの１.５倍程度以下であれば、合計の線量分布１００５に凹凸は現れず、均一な領域１００６が形成される。
【００１０】
スポット間隔ｄは、同じエネルギーのビームに関しては一定間隔で配置される。例えば、特許文献１では、エネルギーの異なるビームごとに間隔が異なるように制御しているが、同一エネルギーで照射する面内でのスポット間隔は一定である。特許文献２では、照射領域境界部での粒子線のビームサイズが小さくなるように制御しているが、同じ条件で照射されるビームの間隔は一定である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１６２３９１号公報
【特許文献２】特開２００１−２１２２５３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Lomax A : Intensity modulation methods for proton radiotherapy, Phys. Med. Biol. 44, 185-205, 1999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
エネルギーが低い荷電粒子ビームでは、照射装置内や患者体内での散乱が大きく、ビームサイズは大きくなる。この場合、スポット間隔も同程度まで大きく設定できる。スポット間隔が大きい方が、スポット数が減少し、全体の照射時間の減少に寄与する。
【００１４】
しかし、スポット間隔を大きくした場合、以下の課題がある。図１０において、患者に対して照射された荷電粒子ビームの合計線量を示す積算線量１００５が一様となる領域１００６は、最も端に位置するスポットの中心位置から、ビームサイズσの２倍程度内側に入った位置よりも内部になる。すなわち、標的内に一様な分布を確保するためには、標的の外側にもビームを照射することが必要になる。そこで、治療計画装置がスポットを配置する際に、一様な線量を確保したい領域の外側にスポットサイズの２〜３倍のサイズのマージンを追加し、このマージンを含めた領域内に入るスポット位置を選択するという条件を考える。
【００１５】
図１１で、マージンを含めた領域を１１０２で表わす。図１１（ａ）の条件では、線量分布１００５が一様となる領域１００６と、標的領域１１０１はほぼ一致している。しかし、場合によっては図１１（ｂ）のような状況が起きることもある。図１１（ｂ）では、標的領域１００６の一様度は確保されるものの、照射線量をできる限り減らしたい標的外の領域１１０３においても、標的領域１１０１内と同じ線量が照射されている。
【００１６】
同一エネルギーの荷電粒子ビームに対してスポット間隔を固定して、標的内に一様な線量分布を確保しようとすると、本来必要な位置よりも外側にも高線量領域が形成される場合が生じうる。これを防ぐためにはスポット間隔を小さくする必要があるが、スポット数が増えるために照射時間が延びる方向に働く。また、特許文献２には、照射領域境界近傍とその他の領域とにグループ分けして、各領域でスポット径を変更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、照射領域境界近傍に入るスポット径を、他の領域のスポット径よりも小さく設定することで、標的内での一様な線量分布を確保している。
特許文献２のような手法では、ビーム径の切り替えのための装置が必要となり、構成や制御が複雑となってしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題は、粒子線を照射する標的となる標的領域を入力する標的領域入力手段と、標的領域を包含する照射領域を設定する照射領域設定手段と、照射領域内において粒子線を照射する照射スポットを決定する演算装置を備え、演算装置が照射領域の輪郭上に照射スポットを配置し、かつ、隣り合う照射スポットの間隔が予め定められた設定値以下となるように、照射スポットを決定することによって解決できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、機器構成を複雑にすることなく、所望の線量分布を形成できる治療計画情報を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の好適な一実施形態により治療計画が立案されるまでの流れを表す図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態において本発明装置の流れを表す図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態である治療計画装置の構成を示す説明図である。
【図４】ＣＴデータのスライス内における標的領域の入力を説明する図である。
【図５】実施例における粒子線のエネルギーを算出する方法の手順を示す説明図である。
【図６】実施例における粒子線の停止位置の情報を算出する方法の手順を示す説明図である。
【図７】実施例の方法により抽出された粒子線の停止位置での標的形状を表わす図である。
【図８】標的領域内でのＹ方向のスポット間隔を算出する方法の手順を示す説明図である。
【図９】標的領域内でのＹ方向のスポット間隔を算出する方法の手順を示す説明図である。
【図１０】複数のスポットにより一様な線量分布を形成する様子を表わす概念図である。
【図１１】図１０の一様領域と標的領域の関係を表わす概念図である。
【図１２】線量分布を表示方法を表わす概念図である。
【図１３】ＤＶＨの例を表わす図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００２１】
〔実施例〕
本実施例の好適な一実施例である治療計画装置を、図１及び図２を用いて説明する。本実施例の治療計画装置は、スキャニング照射法による粒子線治療の治療計画を立案する。
図１は、本実施例の治療計画装置を用いた場合の治療計画立案の流れを示す図である。図２は、本実施例の治療計画装置の処理の流れを示す図である。図３は、治療計画装置の全体構成を示す図である。
【００２２】
治療計画装置３０１は、図３に示すように、入力装置３０２，表示装置３０３，メモリ３０４，演算処理装置３０５，通信装置３０６を備える。演算処理装置３０５が、入力装置３０２，表示装置３０３，メモリ（記憶装置）３０４，通信装置３０６に接続される。
治療計画装置３０１は、ネットワークを介してデータサーバ３０７と接続されている。具体的には、治療計画装置３０１の通信装置３０６が、ネットワークを介してデータサーバ３０７に接続されてデータのやりとりをする。
【００２３】
治療される患者は、予めＣＴ装置を用いて治療計画用ＣＴ画像を撮像されている。ＣＴ装置で撮像された治療計画用ＣＴ画像に関するデータ（ＣＴデータ）は、データサーバ３０７に保存されている。このＣＴデータは、ボクセルと呼ばれる小さな領域ごとにＣＴ値が記録された３次元のデータである。治療計画装置３０１は、このＣＴデータを利用して治療計画を立案する。
【００２４】
操作者である医療従事者（技師や医師）が、入力装置３０２から患者情報（患者ＩＤ）を入力すると、治療計画装置３０１は患者ＩＤに相当する患者の治療計画情報の作成を開始する（ステップ１０１）。まず、入力装置３０２は、入力された患者ＩＤを演算処理装置３０５に出力する。演算処理装置３０５は、入力された患者ＩＤに基づいて、データサーバ３０７から対象となる患者のＣＴデータを読み込む。すなわち、治療計画装置３０１は、通信装置３０６に接続されたネットワークを通じて、データサーバ３０７から患者ＩＤに対応する患者のＣＴデータを受け取り、メモリ３０４に記憶させる。また、治療計画装置３０１は、受け取ったＣＴデータに基づいて治療計画用のＣＴ画像を作成し、表示装置３０３に表示させる。表示装置３０３は、患者の患部を含む領域を複数の層に分割した各スライス（各層）での画像を表示する。
【００２５】
操作者は、表示装置３０３に表示されたＣＴ画像を確認しながら、入力装置３０２（マウス等の機器）を用いて、ＣＴ画像のスライス毎に、標的として指定すべき領域（標的領域）を入力する。この標的領域とは、例えば、操作者が患者のガン患部であると判断した領域を含む、粒子線を照射すべきと判断した領域である。全てのスライスに対する標的領域の入力が終了すると、操作者は入力装置３０２から入力終了信号を入力する。治療計画装置３０１はこの入力終了信号を受け取ると、全てのスライスでの標的領域の情報を、メモリ３０４に記憶して登録する（ステップ１０２）。メモリ３０４に登録される情報は、操作者が入力した標的領域を示す３次元の位置情報である。照射線量を極力抑えるべき重要臓器が標的領域の近傍に存在する場合や、他に評価や制御が必要となる領域がある場合、操作者は表示装置３０３に表示された画像情報に基づいて、これらの重要臓器等の位置情報を入力装置３０２から入力する。この重要臓器等の位置情報は、標的領域の情報と同様、メモリ３０４に記憶して登録される。図４に、ＣＴデータに基づいて生成された、患部を含む任意のスライス（層）４０１において、入力された標的領域４０２及び重要臓器等の領域４０３を表示装置３０３の表示した一例を示す。
【００２６】
次に、標的領域４０２に対する荷電粒子ビームを照射するときの照射条件を決定するステップに移る（ステップ１０３）。操作者が決定すべき照射条件には、荷電粒子ビームを照射する照射方向や照射門数，標的領域に照射する荷電粒子ビームの照射線量等が含まれる。操作者が入力装置３０２から入力した照射条件は、メモリ３０４に記憶される。本実施例の治療計画装置３０１は、スキャニング照射のスポットの間隔（同一エネルギーのビームで、荷電粒子ビームを照射する照射スポットとその照射スポットの隣に配置される照射スポットとの間隔）を変更可能な構成を有する。具体的には、治療計画装置３０１は、このスポット間隔の初期値として適切な値（所望の値）を保持するが、操作者がスポット間隔を初期値から他の値に変更したい場合、入力装置３０２からその値を入力することでスポット間隔を変更する。このスポット間隔は、すべてのエネルギーに対して同一の値としてもよいし、各エネルギーで異なる値として入力して設定されてもよい。
【００２７】
以上の照射条件の設定（ステップ１０３）が完了すると、操作者の指示により治療計画装置３０１が治療計画情報を求める（ステップ１０４）。この治療計画情報には、患者に照射する荷電粒子ビームのスポット位置の情報と各スポットでの目標照射量の情報が含まれる。本実施例の特徴は、治療計画装置３０１が算出するスポット位置の算出方法にある。このスポット位置の算出方法の詳細な流れを、図２を用いて説明する。ここで、荷電粒子ビームのスポット位置は、走査電磁石への励磁量と荷電粒子ビームのエネルギーによって決定される。本実施例では単一の方向のみからの荷電粒子ビームを照射する場合を想定して説明するが、複数の方向から照射する場合も各々の方向ごとに同一の処理を行うことで、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
まず、治療計画装置３０１は、メモリ３０４に記憶された患者のＣＴデータ及び患者の標的領域の情報を演算処理装置３０５に出力する。スキャニング照射法では、荷電粒子ビームの軌道は走査電磁石によって偏向される。このため、それぞれのスポット位置に照射される荷電粒子ビームは平行とはならず、ある位置に線源を持つ荷電粒子ビームとして照射される。この様子を図５に示す。粒子線治療システムでは、装置の中心位置であるアイソセンタと呼ばれる点５０１が定義されており、通常はこの位置が標的領域４０２の中心に一致するように位置決めが行われている。アイソセンタ５０１と線源５０２との距離は、治療計画装置３０１が保持している。
【００２９】
治療計画装置３０１の演算処理装置３０５は、まず、ビームエネルギーを選択する。演算処理装置３０５は、メモリ３０４に記憶された照射条件の情報のうち、荷電粒子ビームを照射する角度の情報を読み込む。続いて、演算処理装置３０５は、線源５０２とアイソセンタ５０１を結ぶ直線に垂直な面５０３を定義し、面５０３を適切な解像度（通常は数mm以下）で分割する。分割された領域一つ一つをピクセルと呼ぶ。続いて、演算処理装置３０５は、線源５０２側からあるピクセル５０４の中心位置を結ぶ直線５０５に沿って、決められたステップ（通常はピクセル５０４と同程度のサイズ）ごとにＣＴデータのボクセルの値を積算していく。この時、各ボクセルに保持されたＣＴ値は、あらかじめ治療計画装置３０１のメモリ３０４に記憶されたテーブルにより、ボクセル内の物質を水に換算した場合の厚みに変換された上で積算される。これを水等価厚と呼ぶ。ＣＴ値から水等価厚への変換は、計算前にまとめて行ってもよい。演算装置３０５は、同様の計算を、ビーム進行方向に垂直な面５０３を分割したすべてのピクセルに関して行う。この操作により標的領域４０２内の任意の位置での水等価な深さが計算される。
【００３０】
ビーム進行方向に垂直な面５０３を分割したすべてのピクセルに沿った軌跡上で、標的内にあり、かつ水等価な距離が最も長い位置を演算処理装置３０５が算出する。この位置にピークが来るエネルギーを選択すれば、標的の照射に必要な最も大きなエネルギーのビームが求められる。ただし、粒子線治療システムは、連続したエネルギーの荷電粒子ビームを照射可能ではなく、通常は離散的な決められた値のエネルギーの荷電粒子ビームを照射する。このエネルギーのリストは、治療計画装置３０１が保持している。ここで求めた標的内で最も深い深さにピーク位置が合致するエネルギーが存在しない場合は、粒子線治療システムは、患者手前にレンジシフタを挿入し、荷電粒子ビームの停止位置を微調整することも可能となる。治療計画装置３０１は、必要があればレンジシフタの厚みも算出する。
【００３１】
同様に、標的領域４０２内で最も浅い位置にくる距離を求める操作で、最低エネルギーを選択できる（ステップ２０２）。標的内に確実に高線量領域を確保する目的から、こうして求めた最高，最低のエネルギーに多少のマージンを用意してエネルギー数を増やしてもよい。
【００３２】
標的領域４０２を照射するのに必要な荷電粒子ビームの最大エネルギーと最小エネルギーが定まると、この間のエネルギーを持つ荷電粒子ビームすべてに対して、スポット位置を順に決定していく。以下で、あるエネルギーが選択されている場合のスポット位置の選択手順を説明する。
【００３３】
あるエネルギーの荷電粒子ビームが選択されているとする（ステップ２０３）。演算処理装置３０５は、現在選択されているエネルギーの荷電粒子ビームに対して、このエネルギーのビームの停止位置（線量分布でピークが現れる位置）の深さを、メモリ３０４が保持しているテーブルから読み出す。続いて、図５に示す、ビーム進行方向に垂直な面５０３を分割したすべてのピクセルに関して、線源５０２からの水等価な深さが、選択されている荷電粒子ビームの停止位置に合致する深さを算出する。図６にその様子を示す。図６では、ピクセル６０１に対して、線源５０２から水等価な深さを直線６０２に沿って積算している。この計算は、新たに線源位置からＣＴデータを読み込みながら計算してもよいが、ステップ２０２で計算した結果を利用してもよい。荷電粒子ビームの停止位置に合致する位置６０３が求まると、演算処理装置３０５は、元のＣＴデータ内で、その位置が標的の内部であるか外部であるかを判定し、その結果を保存する。これをすべてのピクセルに関して行う（ステップ２０４）。
【００３４】
ステップ２０４の結果は、図７のようになる。面５０３上のすべてのピクセルに対し、現在選択中のビーム停止位置が、標的内にあるか否かが記録されている。図７では、７０１がビーム停止位置が標的内にある領域を示し、７０２がビーム停止位置が標的外の領域を表わす。この標的内の領域７０１は、ビーム停止位置の標的形状を、アイソセンタ５０１を通りビーム照射面に対して垂直な面５０３上に射影した形状であると言える。標的内にある領域７０１に対して、演算処理装置３０５は、スポット位置、すなわち走査電磁石の励磁量を決める。
【００３５】
図７において、左右方向をＸ方向，上下方向をＹ方向と定める。まず、演算処理装置３０５は、Ｙ方向のスポット間隔から決定する。図１１で述べた通り、標的領域内のみに照射スポット（照射位置）を配置したのでは標的内に一様な分布を形成するのは難しい。そこで、演算処理装置３０５は、ビームサイズの２〜３倍の幅だけ領域７０１を拡大した照射領域８０１（図８）を決定する（ステップ２０５）。この照射領域８０１は、標的領域を包含する領域である。また、図８に示した照射領域８０１の最外郭の点線を、照射領域８０１の輪郭とする。演算処理装置３０５は、この照射領域８０１内にのみ照射スポットが現れるように照射スポットを配置すればよい。ここでの拡大量は、治療計画装置３０１が自動的に算出してもよいし、操作者が値を入力装置３０２から直接入力することも可能である。また、ここではビーム進行方向と垂直な方向に領域を拡大して照射領域８０１を設定しているが、ビーム進行方向に関して拡大させた照射領域を採用することも可能である。この場合、領域を拡大させる操作はステップ２０２より前に行う必要がある。
【００３６】
照射領域８０１が決定されると、演算処理装置３０５は、照射領域８０１内でＹ方向で最も大きい座標にある点８０２と最も小さい座標にある点８０３を求める。最も大きい座標の点８０２のＹ座標をＹmax、最も小さい座標の点８０３のＹ座標をＹminとする。治療計画装置３０１は、演算処理装置３０５を用いてＹ方向のスポット間隔Ｄｙを（式１）により算出する（ステップ２０６）。
Ｄｙ＝（Ｙmax−Ｙmin）／［（Ｙmax−Ｙmin）／Ｄ］ …（式１）
【００３７】
（式１）のＤはステップ１０３で設定されたスポット間隔である。（式１）の右辺の［ ］内の算出結果がｘの場合、［ｘ］はｘ以上の最小の整数を表わす。こうすることで、Ｄｙは必ずＤ以下になるため、設定された値であるＤ以上に間隔が拡がり、一様な線量分布が得られなくなることを避けることができる。Ｄｙが求まると、Ｙminの位置から、Ｙmaxの位置まで、Ｄｙの間隔で走査ラインを配置する（ステップ２０７）。つまり、演算装置３０５は、隣り合う走査ラインの間隔（ある走査ラインとその隣に配置される走査ラインとの間隔）が、予め定められた設定値であるＤ以下となるように、走査ラインを決定する。照射スポットはこの走査ライン上に並ぶ。
【００３８】
こうして照射スポットを並べる走査ラインの位置が定められたものを図９に示す。次に、走査ライン上にスポット位置を配置する。ある走査ライン９０１が選択された状態を考える（ステップ２０８）。ライン上の点で照射領域８０１内に存在する点の中で、最もＸ座標の小さい点９０２と、最もＸ座標が大きい点９０３を探索する。Ｘ座標が最も小さい点９０２のＸ座標をＸmin、Ｘ座標が最も大きい点９０３のＸ座標をＸmaxとする。治療計画装置３０１は、演算処理装置３０５を用いてＸ方向のスポット間隔Ｄｘを（式２）により算出する（ステップ２０９）。
Ｄｘ＝（Ｘmax−Ｘmin）／［（Ｘmax−Ｘmin）／Ｄ］ …（式２）
【００３９】
演算処理装置３０５は、（式２）を用いてＤｘを求めると、ＸminからＸmaxの位置まで間隔Ｄｘでスポットを配置する（ステップ２１０）。この結果、ライン９０１上のスポット位置が定まる。この操作を、ステップ２０７で求めたすべての走査ライン上で行う（ステップ２１１）。このように照射スポットを決定することによって、本実施例の治療計画装置３０１は、照射領域８０１の輪郭上にスポット位置が設定され、かつ、隣りあうスポット位置の間隔が、予め定められた設定値Ｄよりも小さい値となるようにスポット位置を決定する。また、異なる走査ラインでは、（式２）により求まるＤｘの値も異なる。つまり、本実施例の治療計画装置３０１によれば、各走査ライン毎に照射スポットと照射スポットの間隔が異なることになる。
【００４０】
あるエネルギーに対する以上の操作（ステップ２０３〜２１１）が終わると、一つ低いエネルギーを選択し、同様の操作を実施する（ステップ２１２）。これをステップ２０３で決定した最低エネルギーになるまで行うと、スポット位置の選択は終了する（ステップ２１３）。
【００４１】
スポット位置が決定されると、治療計画装置３０１はそのまま照射量の最適化計算を開始する。治療計画装置３０１は、ステップ１０３で設定された標的への一様な線量分布に近づくように、各照射スポットに対する荷電粒子ビームの照射量を決める。この計算では、スポットごとの照射量をパラメータとした目標線量からのずれを数値化した目的関数を用いる方法が広く採用されている。目的関数は線量分布が目標とする線量を満たすほど小さな値となるように定義されており、これを最小にするような照射量を反復計算により探索することで、最適とされる荷電粒子ビームの目標照射量を算出する。
【００４２】
反復計算により目標照射量が定まると、治療計画装置３０１は最終的に得られたスポット位置と各スポットへの目標照射量を用いて、線量分布を計算する。計算した結果は、表示装置３０３に表示される。表示装置３０３上での表示例を図１２に示す。図１２（ａ）では、図４のＣＴデータの中のスライス４０１での線量分布を、等線量線１２０１を用いて表わしている。等線量線１２０１は、等しい線量の位置を線で結ぶことで得られ、図のように線量ごとに複数の等線量線が引かれる。異なる線量に対応する等線量線は、色分けすることで区別される。操作者は、指定した線量に対応する等線量線が標的領域を過不足なく覆っているのかを表示装置３０３上で判断する。
【００４３】
また、図１２（ｂ）のように、等線量線に重ねてスポットの位置を表示することも可能である。例えば図１２（ｂ）の点１２０２は、この位置にスポットが存在することを表わす。点のサイズ、または色により、スポットごとの照射量を表示することもできる。図１２（ｂ）の例では、点の大きさが該当するスポットの照射量に比例している。照射量だけでなく、各スポットに照射されるビームのエネルギーを点の色や形状により表わすことも可能である。
【００４４】
標的領域への線量分布の確認には、図１３に示すＤＶＨ（Dose Volume Histogram）と呼ばれるヒストグラムも広く利用される。図１３のグラフは、横軸の示す値以上の線量を付与されている標的内の領域の体積（あるいは標的体積に対する割合）が縦軸の値となっている。治療計画装置３０１は演算処理装置３０５を用いてＤＶＨの値を計算した上で表示装置３０３に表示する。
【００４５】
操作者は表示装置３０３に表示された等線量線１２０１やＤＶＨを使って線量分布結果を解析し、線量分布が目標とする条件を満たしているか否かを判断する（ステップ１０６）。望ましくない分布になっていた場合は、ステップ１０３に戻り、照射条件を設定し直す。これは照射方向やスポット間隔の変更が含まれる。条件を変更した場合は、操作者の指示により治療計画装置３０１がスポット位置と照射量を算出し、新しい線量分布結果が表示装置３０３に表示される。望ましい結果が得られた時点で、治療計画の立案は終了する（ステップ１０７）。得られた照射条件は、ネットワークを通じてデータサーバ３０７に保存される。
【００４６】
本実施例によれば、腫瘍位置に最適にフィットする間隔を求めることで、スポット間隔が大きい場合にも標的外への照射量を最大限減らすことが可能となる。
本実施例の演算装置３０５は、標的領域を包含するような照射領域の輪郭上に前記照射スポットを配置し、かつ、隣り合う照射スポットの間隔が予め定められた設定値Ｄ以下となるように、走査ラインごとに照射スポットを決定する。このように粒子線の停止位置近辺の標的領域形状を抽出し、この標的領域内に一様な高線量領域が形成するようなスポット間隔を、照射領域内の位置に依存して変化させることで、標的領域での粒子線の照射線量が一様となる高線量領域と標的領域との乖離を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００４７】
３０１ 治療計画装置
３０２ 入力装置
３０３ 表示装置
３０４ メモリ
３０５ 演算処理装置
３０６ 通信装置
３０７ データサーバ
４０１ ＣＴデータのスライス
４０２ 標的領域
５０１ アイソセンタ
５０２ 線源
５０３ ビーム進行方向に垂直な面
５０４，６０１ 面５０３を分割したピクセルの一つ
５０５ 点５０２と５０４の中心位置を結ぶ直線
６０２ 点５０２と６０１の中心位置を結ぶ直線
６０３ 直線６０２上でビーム停止位置に相当する点
７０１ ビーム停止位置が標的領域内である領域
７０２ ビーム停止位置が標的領域外である領域
８０１ 領域７０１を拡大した領域（照射領域）
８０２ 領域８０１内で最もＹ座標が大きい点
８０３ 領域８０１内で最もＹ座標が小さい点
９０１ Ｘ軸に平行なスポットを配置する直線
９０２ 直線９０１上で最もＸ座標が大きい点
９０３ 直線９０１上で最もＸ座標が小さい点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、がん治療等に用いられる粒子線治療装置のための粒子線治療計画装置及び治療計画方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子線治療は、標的となる腫瘍細胞に対して粒子線（陽子線や炭素線などの荷電粒子ビーム）を照射することによって治療を行う。放射線を用いる治療の中ではＸ線が最も広く利用されているが、標的への線量集中性が高い陽子線や炭素線に代表される粒子線を利用したがん治療への需要が高まっている。
【０００３】
過度の照射や照射量の不足は、腫瘍以外の正常組織への副作用や腫瘍の再発につながる可能性がある。粒子線治療装置においても、腫瘍領域に対してできるだけ正確に、できるだけ集中するように指定した線量を照射することが求められる。粒子線治療においては線量を集中させる方法として、スキャニング法の利用が広がりつつある。これは細い粒子ビームを、二組の走査電磁石により偏向させ、平面内の任意の位置に導くことで、腫瘍内部を塗りつぶすように照射し、腫瘍領域にのみ高い線量を付与するという方法である。
スキャニング法の場合、分布を腫瘍形状に成型するためのコリメータ等の患者固有の器具が基本的に必要ない。また、様々な分布を形成できる利点がある。
【０００４】
これを実現するためには、実際の照射前に治療計画装置を用いて計画を作成する過程が極めて重要となる。治療計画装置はＣＴ画像等から得られる患者体内の情報を基に、患者体内での線量分布を数値計算によりシミュレートする。操作者は治療計画装置の計算結果を参照しながら、粒子線を照射する方向やビームエネルギー，照射位置，照射量等の照射条件を決定する。以下にその一般的な過程を簡単に述べる。
【０００５】
操作者は、はじめに粒子線を照射すべき標的領域を入力装置から入力する。主として、表示装置に表示された患者のＣＴ画像を用い、ＣＴ画像の各スライスに標的となる領域を入力する。入力したデータは、操作者が治療計画装置に登録することで、３次元の領域データとして保存される。必要があれば、放射線の照射量を極力低く抑えるべき重要臓器の位置も同様に入力し、登録する。
【０００６】
操作者に指定された線量分布を実現するためのビーム照射位置（以下ではスポットと呼ぶ）や照射すべき量は、治療計画装置により決定される。通常は、初めにスポット位置を決定し、その後、スポットごとの照射量を操作者の入力した線量分布条件を満たすように決定する。ここでは、スポット位置の決定過程に関して詳しく説明する。照射量決定の過程は、例えば非特許文献１に詳しい。
【０００７】
スキャニング照射には、ある点に規定量のビームを照射後、一度ビームを停止し、次の照射すべき点に移動した後に再び照射を開始するスポットスキャニング方式と、照射位置の移動中にもビームを停止しないラスター方式がある。ここではスポットスキャニング方式を前提として説明する。
【０００８】
ビーム進行方向に垂直な面内のスポット位置は、走査電磁石の励磁量により定まる。粒子線の進行方向の線量分布は、ビームが停止する直前に現れるピーク付近にほとんどの線量を付与する。この位置が、ビーム進行方向に対するスポット位置と考えられる。このスポット位置が、３次元の領域データとして保存されている標的領域を覆うように配置される。
【０００９】
スポットスキャニング方式では、スポット位置は離散的に決められる。横方向（ビーム進行方向と垂直な方向）に隣り合うスポットの間隔は、ビームサイズにより定まる。図１０に、この様子を模式的に表す。図１０のように横方向の線量分布はガウス分布形状で近似でき、１００１は最も端にあるスポットによる線量分布を表す。１００２，１００３，１００４は１００１で表されるスポットの右側に並ぶように配置されたスポットによる線量分布である。実際は１００４よりも右側にもスポットが存在する。隣り合うスポットの間隔はｄ、個々のビームサイズはσである。これらのスポットに照射されたビームによる線量分布の合計が、１００５である。図１０では間隔ｄはビームサイズσと同程度であるが、間隔ｄがビームサイズσの１.５倍程度以下であれば、合計の線量分布１００５に凹凸は現れず、均一な領域１００６が形成される。
【００１０】
スポット間隔ｄは、同じエネルギーのビームに関しては一定間隔で配置される。例えば、特許文献１では、エネルギーの異なるビームごとに間隔が異なるように制御しているが、同一エネルギーで照射する面内でのスポット間隔は一定である。特許文献２では、照射領域境界部での粒子線のビームサイズが小さくなるように制御しているが、同じ条件で照射されるビームの間隔は一定である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１６２３９１号公報
【特許文献２】特開２００１−２１２２５３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Lomax A : Intensity modulation methods for proton radiotherapy, Phys. Med. Biol. 44, 185-205, 1999.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
エネルギーが低い荷電粒子ビームでは、照射装置内や患者体内での散乱が大きく、ビームサイズは大きくなる。この場合、スポット間隔も同程度まで大きく設定できる。スポット間隔が大きい方が、スポット数が減少し、全体の照射時間の減少に寄与する。
【００１４】
しかし、スポット間隔を大きくした場合、以下の課題がある。図１０において、患者に対して照射された荷電粒子ビームの合計線量を示す積算線量１００５が一様となる領域１００６は、最も端に位置するスポットの中心位置から、ビームサイズσの２倍程度内側に入った位置よりも内部になる。すなわち、標的内に一様な分布を確保するためには、標的の外側にもビームを照射することが必要になる。そこで、治療計画装置がスポットを配置する際に、一様な線量を確保したい領域の外側にスポットサイズの２〜３倍のサイズのマージンを追加し、このマージンを含めた領域内に入るスポット位置を選択するという条件を考える。
【００１５】
図１１で、マージンを含めた領域を１１０２で表わす。図１１（ａ）の条件では、線量分布１００５が一様となる領域１００６と、標的領域１１０１はほぼ一致している。しかし、場合によっては図１１（ｂ）のような状況が起きることもある。図１１（ｂ）では、標的領域１００６の一様度は確保されるものの、照射線量をできる限り減らしたい標的外の領域１１０３においても、標的領域１１０１内と同じ線量が照射されている。
【００１６】
同一エネルギーの荷電粒子ビームに対してスポット間隔を固定して、標的内に一様な線量分布を確保しようとすると、本来必要な位置よりも外側にも高線量領域が形成される場合が生じうる。これを防ぐためにはスポット間隔を小さくする必要があるが、スポット数が増えるために照射時間が延びる方向に働く。また、特許文献２には、照射領域境界近傍とその他の領域とにグループ分けして、各領域でスポット径を変更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、照射領域境界近傍に入るスポット径を、他の領域のスポット径よりも小さく設定することで、標的内での一様な線量分布を確保している。
特許文献２のような手法では、ビーム径の切り替えのための装置が必要となり、構成や制御が複雑となってしまう。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題は、粒子線を照射する標的となる標的領域を入力する標的領域入力手段と、標的領域を包含する照射領域を設定する照射領域設定手段と、照射領域内において粒子線を照射する照射スポットを決定する演算装置を備え、演算装置が照射領域の輪郭上に照射スポットを配置し、かつ、隣り合う照射スポットの間隔が予め定められた設定値以下となるように、照射スポットを決定することによって解決できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、機器構成を複雑にすることなく、所望の線量分布を形成できる治療計画情報を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の好適な一実施形態により治療計画が立案されるまでの流れを表す図である。
【図２】本発明の好適な一実施形態において本発明装置の流れを表す図である。
【図３】本発明の好適な一実施形態である治療計画装置の構成を示す説明図である。
【図４】ＣＴデータのスライス内における標的領域の入力を説明する図である。
【図５】実施例における粒子線のエネルギーを算出する方法の手順を示す説明図である。
【図６】実施例における粒子線の停止位置の情報を算出する方法の手順を示す説明図である。
【図７】実施例の方法により抽出された粒子線の停止位置での標的形状を表わす図である。
【図８】標的領域内でのＹ方向のスポット間隔を算出する方法の手順を示す説明図である。
【図９】標的領域内でのＹ方向のスポット間隔を算出する方法の手順を示す説明図である。
【図１０】複数のスポットにより一様な線量分布を形成する様子を表わす概念図である。
【図１１】図１０の一様領域と標的領域の関係を表わす概念図である。
【図１２】線量分布を表示方法を表わす概念図である。
【図１３】ＤＶＨの例を表わす図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００２１】
〔実施例〕
本実施例の好適な一実施例である治療計画装置を、図１及び図２を用いて説明する。本実施例の治療計画装置は、スキャニング照射法による粒子線治療の治療計画を立案する。
図１は、本実施例の治療計画装置を用いた場合の治療計画立案の流れを示す図である。図２は、本実施例の治療計画装置の処理の流れを示す図である。図３は、治療計画装置の全体構成を示す図である。
【００２２】
治療計画装置３０１は、図３に示すように、入力装置３０２，表示装置３０３，メモリ３０４，演算処理装置３０５，通信装置３０６を備える。演算処理装置３０５が、入力装置３０２，表示装置３０３，メモリ（記憶装置）３０４，通信装置３０６に接続される。
治療計画装置３０１は、ネットワークを介してデータサーバ３０７と接続されている。具体的には、治療計画装置３０１の通信装置３０６が、ネットワークを介してデータサーバ３０７に接続されてデータのやりとりをする。
【００２３】
治療される患者は、予めＣＴ装置を用いて治療計画用ＣＴ画像を撮像されている。ＣＴ装置で撮像された治療計画用ＣＴ画像に関するデータ（ＣＴデータ）は、データサーバ３０７に保存されている。このＣＴデータは、ボクセルと呼ばれる小さな領域ごとにＣＴ値が記録された３次元のデータである。治療計画装置３０１は、このＣＴデータを利用して治療計画を立案する。
【００２４】
操作者である医療従事者（技師や医師）が、入力装置３０２から患者情報（患者ＩＤ）を入力すると、治療計画装置３０１は患者ＩＤに相当する患者の治療計画情報の作成を開始する（ステップ１０１）。まず、入力装置３０２は、入力された患者ＩＤを演算処理装置３０５に出力する。演算処理装置３０５は、入力された患者ＩＤに基づいて、データサーバ３０７から対象となる患者のＣＴデータを読み込む。すなわち、治療計画装置３０１は、通信装置３０６に接続されたネットワークを通じて、データサーバ３０７から患者ＩＤに対応する患者のＣＴデータを受け取り、メモリ３０４に記憶させる。また、治療計画装置３０１は、受け取ったＣＴデータに基づいて治療計画用のＣＴ画像を作成し、表示装置３０３に表示させる。表示装置３０３は、患者の患部を含む領域を複数の層に分割した各スライス（各層）での画像を表示する。
【００２５】
操作者は、表示装置３０３に表示されたＣＴ画像を確認しながら、入力装置３０２（マウス等の機器）を用いて、ＣＴ画像のスライス毎に、標的として指定すべき領域（標的領域）を入力する。この標的領域とは、例えば、操作者が患者のガン患部であると判断した領域を含む、粒子線を照射すべきと判断した領域である。全てのスライスに対する標的領域の入力が終了すると、操作者は入力装置３０２から入力終了信号を入力する。治療計画装置３０１はこの入力終了信号を受け取ると、全てのスライスでの標的領域の情報を、メモリ３０４に記憶して登録する（ステップ１０２）。メモリ３０４に登録される情報は、操作者が入力した標的領域を示す３次元の位置情報である。照射線量を極力抑えるべき重要臓器が標的領域の近傍に存在する場合や、他に評価や制御が必要となる領域がある場合、操作者は表示装置３０３に表示された画像情報に基づいて、これらの重要臓器等の位置情報を入力装置３０２から入力する。この重要臓器等の位置情報は、標的領域の情報と同様、メモリ３０４に記憶して登録される。図４に、ＣＴデータに基づいて生成された、患部を含む任意のスライス（層）４０１において、入力された標的領域４０２及び重要臓器等の領域４０３を表示装置３０３の表示した一例を示す。
【００２６】
次に、標的領域４０２に対する荷電粒子ビームを照射するときの照射条件を決定するステップに移る（ステップ１０３）。操作者が決定すべき照射条件には、荷電粒子ビームを照射する照射方向や照射門数，標的領域に照射する荷電粒子ビームの照射線量等が含まれる。操作者が入力装置３０２から入力した照射条件は、メモリ３０４に記憶される。本実施例の治療計画装置３０１は、スキャニング照射のスポットの間隔（同一エネルギーのビームで、荷電粒子ビームを照射する照射スポットとその照射スポットの隣に配置される照射スポットとの間隔）を変更可能な構成を有する。具体的には、治療計画装置３０１は、このスポット間隔の初期値として適切な値（所望の値）を保持するが、操作者がスポット間隔を初期値から他の値に変更したい場合、入力装置３０２からその値を入力することでスポット間隔を変更する。このスポット間隔は、すべてのエネルギーに対して同一の値としてもよいし、各エネルギーで異なる値として入力して設定されてもよい。
【００２７】
以上の照射条件の設定（ステップ１０３）が完了すると、操作者の指示により治療計画装置３０１が治療計画情報を求める（ステップ１０４）。この治療計画情報には、患者に照射する荷電粒子ビームのスポット位置の情報と各スポットでの目標照射量の情報が含まれる。本実施例の特徴は、治療計画装置３０１が算出するスポット位置の算出方法にある。このスポット位置の算出方法の詳細な流れを、図２を用いて説明する。ここで、荷電粒子ビームのスポット位置は、走査電磁石への励磁量と荷電粒子ビームのエネルギーによって決定される。本実施例では単一の方向のみからの荷電粒子ビームを照射する場合を想定して説明するが、複数の方向から照射する場合も各々の方向ごとに同一の処理を行うことで、本実施例と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
まず、治療計画装置３０１は、メモリ３０４に記憶された患者のＣＴデータ及び患者の標的領域の情報を演算処理装置３０５に出力する。スキャニング照射法では、荷電粒子ビームの軌道は走査電磁石によって偏向される。このため、それぞれのスポット位置に照射される荷電粒子ビームは平行とはならず、ある位置に線源を持つ荷電粒子ビームとして照射される。この様子を図５に示す。粒子線治療システムでは、装置の中心位置であるアイソセンタと呼ばれる点５０１が定義されており、通常はこの位置が標的領域４０２の中心に一致するように位置決めが行われている。アイソセンタ５０１と線源５０２との距離は、治療計画装置３０１が保持している。
【００２９】
治療計画装置３０１の演算処理装置３０５は、まず、ビームエネルギーを選択する。演算処理装置３０５は、メモリ３０４に記憶された照射条件の情報のうち、荷電粒子ビームを照射する角度の情報を読み込む。続いて、演算処理装置３０５は、線源５０２とアイソセンタ５０１を結ぶ直線に垂直な面５０３を定義し、面５０３を適切な解像度（通常は数mm以下）で分割する。分割された領域一つ一つをピクセルと呼ぶ。続いて、演算処理装置３０５は、線源５０２側からあるピクセル５０４の中心位置を結ぶ直線５０５に沿って、決められたステップ（通常はピクセル５０４と同程度のサイズ）ごとにＣＴデータのボクセルの値を積算していく。この時、各ボクセルに保持されたＣＴ値は、あらかじめ治療計画装置３０１のメモリ３０４に記憶されたテーブルにより、ボクセル内の物質を水に換算した場合の厚みに変換された上で積算される。これを水等価厚と呼ぶ。ＣＴ値から水等価厚への変換は、計算前にまとめて行ってもよい。演算装置３０５は、同様の計算を、ビーム進行方向に垂直な面５０３を分割したすべてのピクセルに関して行う。この操作により標的領域４０２内の任意の位置での水等価な深さが計算される。
【００３０】
ビーム進行方向に垂直な面５０３を分割したすべてのピクセルに沿った軌跡上で、標的内にあり、かつ水等価な距離が最も長い位置を演算処理装置３０５が算出する。この位置にピークが来るエネルギーを選択すれば、標的の照射に必要な最も大きなエネルギーのビームが求められる。ただし、粒子線治療システムは、連続したエネルギーの荷電粒子ビームを照射可能ではなく、通常は離散的な決められた値のエネルギーの荷電粒子ビームを照射する。このエネルギーのリストは、治療計画装置３０１が保持している。ここで求めた標的内で最も深い深さにピーク位置が合致するエネルギーが存在しない場合は、粒子線治療システムは、患者手前にレンジシフタを挿入し、荷電粒子ビームの停止位置を微調整することも可能となる。治療計画装置３０１は、必要があればレンジシフタの厚みも算出する。
【００３１】
同様に、標的領域４０２内で最も浅い位置にくる距離を求める操作で、最低エネルギーを選択できる（ステップ２０２）。標的内に確実に高線量領域を確保する目的から、こうして求めた最高，最低のエネルギーに多少のマージンを用意してエネルギー数を増やしてもよい。
【００３２】
標的領域４０２を照射するのに必要な荷電粒子ビームの最大エネルギーと最小エネルギーが定まると、この間のエネルギーを持つ荷電粒子ビームすべてに対して、スポット位置を順に決定していく。以下で、あるエネルギーが選択されている場合のスポット位置の選択手順を説明する。
【００３３】
あるエネルギーの荷電粒子ビームが選択されているとする（ステップ２０３）。演算処理装置３０５は、現在選択されているエネルギーの荷電粒子ビームに対して、このエネルギーのビームの停止位置（線量分布でピークが現れる位置）の深さを、メモリ３０４が保持しているテーブルから読み出す。続いて、図５に示す、ビーム進行方向に垂直な面５０３を分割したすべてのピクセルに関して、線源５０２からの水等価な深さが、選択されている荷電粒子ビームの停止位置に合致する深さを算出する。図６にその様子を示す。図６では、ピクセル６０１に対して、線源５０２から水等価な深さを直線６０２に沿って積算している。この計算は、新たに線源位置からＣＴデータを読み込みながら計算してもよいが、ステップ２０２で計算した結果を利用してもよい。荷電粒子ビームの停止位置に合致する位置６０３が求まると、演算処理装置３０５は、元のＣＴデータ内で、その位置が標的の内部であるか外部であるかを判定し、その結果を保存する。これをすべてのピクセルに関して行う（ステップ２０４）。
【００３４】
ステップ２０４の結果は、図７のようになる。面５０３上のすべてのピクセルに対し、現在選択中のビーム停止位置が、標的内にあるか否かが記録されている。図７では、７０１がビーム停止位置が標的内にある領域を示し、７０２がビーム停止位置が標的外の領域を表わす。この標的内の領域７０１は、ビーム停止位置の標的形状を、アイソセンタ５０１を通りビーム照射面に対して垂直な面５０３上に射影した形状であると言える。標的内にある領域７０１に対して、演算処理装置３０５は、スポット位置、すなわち走査電磁石の励磁量を決める。
【００３５】
図７において、左右方向をＸ方向，上下方向をＹ方向と定める。まず、演算処理装置３０５は、Ｙ方向のスポット間隔から決定する。図１１で述べた通り、標的領域内のみに照射スポット（照射位置）を配置したのでは標的内に一様な分布を形成するのは難しい。そこで、演算処理装置３０５は、ビームサイズの２〜３倍の幅だけ領域７０１を拡大した照射領域８０１（図８）を決定する（ステップ２０５）。この照射領域８０１は、標的領域を包含する領域である。また、図８に示した照射領域８０１の最外郭の点線を、照射領域８０１の輪郭とする。演算処理装置３０５は、この照射領域８０１内にのみ照射スポットが現れるように照射スポットを配置すればよい。ここでの拡大量は、治療計画装置３０１が自動的に算出してもよいし、操作者が値を入力装置３０２から直接入力することも可能である。また、ここではビーム進行方向と垂直な方向に領域を拡大して照射領域８０１を設定しているが、ビーム進行方向に関して拡大させた照射領域を採用することも可能である。この場合、領域を拡大させる操作はステップ２０２より前に行う必要がある。
【００３６】
照射領域８０１が決定されると、演算処理装置３０５は、照射領域８０１内でＹ方向で最も大きい座標にある点８０２と最も小さい座標にある点８０３を求める。最も大きい座標の点８０２のＹ座標をＹmax、最も小さい座標の点８０３のＹ座標をＹminとする。治療計画装置３０１は、演算処理装置３０５を用いてＹ方向のスポット間隔Ｄｙを（式１）により算出する（ステップ２０６）。
Ｄｙ＝（Ｙmax−Ｙmin）／［（Ｙmax−Ｙmin）／Ｄ］ …（式１）
【００３７】
（式１）のＤはステップ１０３で設定されたスポット間隔である。（式１）の右辺の［ ］内の算出結果がｘの場合、［ｘ］はｘ以上の最小の整数を表わす。こうすることで、Ｄｙは必ずＤ以下になるため、設定された値であるＤ以上に間隔が拡がり、一様な線量分布が得られなくなることを避けることができる。Ｄｙが求まると、Ｙminの位置から、Ｙmaxの位置まで、Ｄｙの間隔で走査ラインを配置する（ステップ２０７）。つまり、演算装置３０５は、隣り合う走査ラインの間隔（ある走査ラインとその隣に配置される走査ラインとの間隔）が、予め定められた設定値であるＤ以下となるように、走査ラインを決定する。照射スポットはこの走査ライン上に並ぶ。
【００３８】
こうして照射スポットを並べる走査ラインの位置が定められたものを図９に示す。次に、走査ライン上にスポット位置を配置する。ある走査ライン９０１が選択された状態を考える（ステップ２０８）。ライン上の点で照射領域８０１内に存在する点の中で、最もＸ座標の小さい点９０２と、最もＸ座標が大きい点９０３を探索する。Ｘ座標が最も小さい点９０２のＸ座標をＸmin、Ｘ座標が最も大きい点９０３のＸ座標をＸmaxとする。治療計画装置３０１は、演算処理装置３０５を用いてＸ方向のスポット間隔Ｄｘを（式２）により算出する（ステップ２０９）。
Ｄｘ＝（Ｘmax−Ｘmin）／［（Ｘmax−Ｘmin）／Ｄ］ …（式２）
【００３９】
演算処理装置３０５は、（式２）を用いてＤｘを求めると、ＸminからＸmaxの位置まで間隔Ｄｘでスポットを配置する（ステップ２１０）。この結果、ライン９０１上のスポット位置が定まる。この操作を、ステップ２０７で求めたすべての走査ライン上で行う（ステップ２１１）。このように照射スポットを決定することによって、本実施例の治療計画装置３０１は、照射領域８０１の輪郭上にスポット位置が設定され、かつ、隣りあうスポット位置の間隔が、予め定められた設定値Ｄよりも小さい値となるようにスポット位置を決定する。また、異なる走査ラインでは、（式２）により求まるＤｘの値も異なる。つまり、本実施例の治療計画装置３０１によれば、各走査ライン毎に照射スポットと照射スポットの間隔が異なることになる。
【００４０】
あるエネルギーに対する以上の操作（ステップ２０３〜２１１）が終わると、一つ低いエネルギーを選択し、同様の操作を実施する（ステップ２１２）。これをステップ２０３で決定した最低エネルギーになるまで行うと、スポット位置の選択は終了する（ステップ２１３）。
【００４１】
スポット位置が決定されると、治療計画装置３０１はそのまま照射量の最適化計算を開始する。治療計画装置３０１は、ステップ１０３で設定された標的への一様な線量分布に近づくように、各照射スポットに対する荷電粒子ビームの照射量を決める。この計算では、スポットごとの照射量をパラメータとした目標線量からのずれを数値化した目的関数を用いる方法が広く採用されている。目的関数は線量分布が目標とする線量を満たすほど小さな値となるように定義されており、これを最小にするような照射量を反復計算により探索することで、最適とされる荷電粒子ビームの目標照射量を算出する。
【００４２】
反復計算により目標照射量が定まると、治療計画装置３０１は最終的に得られたスポット位置と各スポットへの目標照射量を用いて、線量分布を計算する。計算した結果は、表示装置３０３に表示される。表示装置３０３上での表示例を図１２に示す。図１２（ａ）では、図４のＣＴデータの中のスライス４０１での線量分布を、等線量線１２０１を用いて表わしている。等線量線１２０１は、等しい線量の位置を線で結ぶことで得られ、図のように線量ごとに複数の等線量線が引かれる。異なる線量に対応する等線量線は、色分けすることで区別される。操作者は、指定した線量に対応する等線量線が標的領域を過不足なく覆っているのかを表示装置３０３上で判断する。
【００４３】
また、図１２（ｂ）のように、等線量線に重ねてスポットの位置を表示することも可能である。例えば図１２（ｂ）の点１２０２は、この位置にスポットが存在することを表わす。点のサイズ、または色により、スポットごとの照射量を表示することもできる。図１２（ｂ）の例では、点の大きさが該当するスポットの照射量に比例している。照射量だけでなく、各スポットに照射されるビームのエネルギーを点の色や形状により表わすことも可能である。
【００４４】
標的領域への線量分布の確認には、図１３に示すＤＶＨ（Dose Volume Histogram）と呼ばれるヒストグラムも広く利用される。図１３のグラフは、横軸の示す値以上の線量を付与されている標的内の領域の体積（あるいは標的体積に対する割合）が縦軸の値となっている。治療計画装置３０１は演算処理装置３０５を用いてＤＶＨの値を計算した上で表示装置３０３に表示する。
【００４５】
操作者は表示装置３０３に表示された等線量線１２０１やＤＶＨを使って線量分布結果を解析し、線量分布が目標とする条件を満たしているか否かを判断する（ステップ１０６）。望ましくない分布になっていた場合は、ステップ１０３に戻り、照射条件を設定し直す。これは照射方向やスポット間隔の変更が含まれる。条件を変更した場合は、操作者の指示により治療計画装置３０１がスポット位置と照射量を算出し、新しい線量分布結果が表示装置３０３に表示される。望ましい結果が得られた時点で、治療計画の立案は終了する（ステップ１０７）。得られた照射条件は、ネットワークを通じてデータサーバ３０７に保存される。
【００４６】
本実施例によれば、腫瘍位置に最適にフィットする間隔を求めることで、スポット間隔が大きい場合にも標的外への照射量を最大限減らすことが可能となる。
本実施例の演算装置３０５は、標的領域を包含するような照射領域の輪郭上に前記照射スポットを配置し、かつ、隣り合う照射スポットの間隔が予め定められた設定値Ｄ以下となるように、走査ラインごとに照射スポットを決定する。このように粒子線の停止位置近辺の標的領域形状を抽出し、この標的領域内に一様な高線量領域が形成するようなスポット間隔を、照射領域内の位置に依存して変化させることで、標的領域での粒子線の照射線量が一様となる高線量領域と標的領域との乖離を抑制することが可能となる。
【符号の説明】
【００４７】
３０１ 治療計画装置
３０２ 入力装置
３０３ 表示装置
３０４ メモリ
３０５ 演算処理装置
３０６ 通信装置
３０７ データサーバ
４０１ ＣＴデータのスライス
４０２ 標的領域
５０１ アイソセンタ
５０２ 線源
５０３ ビーム進行方向に垂直な面
５０４，６０１ 面５０３を分割したピクセルの一つ
５０５ 点５０２と５０４の中心位置を結ぶ直線
６０２ 点５０２と６０１の中心位置を結ぶ直線
６０３ 直線６０２上でビーム停止位置に相当する点
７０１ ビーム停止位置が標的領域内である領域
７０２ ビーム停止位置が標的領域外である領域
８０１ 領域７０１を拡大した領域（照射領域）
８０２ 領域８０１内で最もＹ座標が大きい点
８０３ 領域８０１内で最もＹ座標が小さい点
９０１ Ｘ軸に平行なスポットを配置する直線
９０２ 直線９０１上で最もＸ座標が大きい点
９０３ 直線９０１上で最もＸ座標が小さい点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子線を照射する標的となる標的領域を入力する標的領域入力手段と、
前記標的領域を包含するように設定された照射領域内において、前記粒子線を照射する照射スポットを決定する演算装置を備え、
前記演算装置は、
前記照射領域の輪郭上に前記照射スポットを配置し、かつ、隣り合う前記照射スポットの間隔が予め定められた設定値以下となるように、前記照射スポットを決定することを特徴とする治療計画装置。
【請求項２】
前記演算装置は、
前記粒子線の走査方向に垂直な方向の前記照射領域の幅及び予め定められた前記設定値に基づいて、前記粒子線を走査するラインを決定し、
前記走査ラインのそれぞれに対して、前記照射スポット間隔が前記設定値以下となるように前記照射スポットを決定することを特徴とする請求項１に記載の治療計画装置。
【請求項３】
前記標的領域入力手段で入力した前記標的領域及び前記照射スポットを表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の治療計画装置。
【請求項４】
前記演算装置は、
前記照射スポットの各々に対する目標照射線量値を決定し、
前記表示装置は、さらに前記演算装置で決定した前記目標照射線量値の情報を表示することを特徴とする請求項３に記載の治療計画装置。
【請求項５】
前記演算装置は、
前記照射スポットの各々に対する目標照射線量値を決定し、前記目標照射線量で照射した場合の前記標的への線量分布を算出し、
前記表示装置は、さらに前記演算装置で算出した前記線量分布を表示することを特徴とする請求項３に記載の治療計画装置。
【請求項６】
前記演算装置は、
前記標的への線量分布が許容範囲内となるように、前記照射スポットの各々に対する前記目標照射線量値を求めることを特徴とする請求項５に記載の治療計画装置。
【請求項７】
粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置における治療計画方法であって、前記治療計画装置は、粒子線を照射する標的となる標的領域内において、前記粒子線を照射する照射スポットを決定する演算装置を備え、
前記演算装置は、前記粒子線を照射する標的の標的領域を包含する照射領域の輪郭上に、前記粒子線を照射する照射スポットを配置し、かつ、隣り合う前記照射スポットの間隔が予め定められた設定値以下となるように、前記照射スポットを決定することを特徴とする治療計画方法。
【請求項８】
前記演算装置は、
前記粒子線の走査方向に垂直な方向の前記照射領域の幅及び予め定められた前記設定値に基づいて、前記粒子線を走査するラインを決定し、
前記走査ラインのそれぞれに対して、前記照射スポット間隔が前記設定値以下となるように前記照射スポットを決定することを特徴とする請求項７に記載の治療計画方法。
【請求項９】
前記演算装置は、
前記照射スポットの各々に対する目標照射線量値を決定し、
決定した前記目標照射線量値の情報を表示装置に表示することを特徴とする請求項８に記載の治療計画方法。
【請求項１】
粒子線を照射する標的となる標的領域を入力する標的領域入力手段と、
前記標的領域を包含するように設定された照射領域内において、前記粒子線を照射する照射スポットを決定する演算装置を備え、
前記演算装置は、
前記照射領域の輪郭上に前記照射スポットを配置し、かつ、隣り合う前記照射スポットの間隔が予め定められた設定値以下となるように、前記照射スポットを決定することを特徴とする治療計画装置。
【請求項２】
前記演算装置は、
前記粒子線の走査方向に垂直な方向の前記照射領域の幅及び予め定められた前記設定値に基づいて、前記粒子線を走査するラインを決定し、
前記走査ラインのそれぞれに対して、前記照射スポット間隔が前記設定値以下となるように前記照射スポットを決定することを特徴とする請求項１に記載の治療計画装置。
【請求項３】
前記標的領域入力手段で入力した前記標的領域及び前記照射スポットを表示する表示装置を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の治療計画装置。
【請求項４】
前記演算装置は、
前記照射スポットの各々に対する目標照射線量値を決定し、
前記表示装置は、さらに前記演算装置で決定した前記目標照射線量値の情報を表示することを特徴とする請求項３に記載の治療計画装置。
【請求項５】
前記演算装置は、
前記照射スポットの各々に対する目標照射線量値を決定し、前記目標照射線量で照射した場合の前記標的への線量分布を算出し、
前記表示装置は、さらに前記演算装置で算出した前記線量分布を表示することを特徴とする請求項３に記載の治療計画装置。
【請求項６】
前記演算装置は、
前記標的への線量分布が許容範囲内となるように、前記照射スポットの各々に対する前記目標照射線量値を求めることを特徴とする請求項５に記載の治療計画装置。
【請求項７】
粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置における治療計画方法であって、前記治療計画装置は、粒子線を照射する標的となる標的領域内において、前記粒子線を照射する照射スポットを決定する演算装置を備え、
前記演算装置は、前記粒子線を照射する標的の標的領域を包含する照射領域の輪郭上に、前記粒子線を照射する照射スポットを配置し、かつ、隣り合う前記照射スポットの間隔が予め定められた設定値以下となるように、前記照射スポットを決定することを特徴とする治療計画方法。
【請求項８】
前記演算装置は、
前記粒子線の走査方向に垂直な方向の前記照射領域の幅及び予め定められた前記設定値に基づいて、前記粒子線を走査するラインを決定し、
前記走査ラインのそれぞれに対して、前記照射スポット間隔が前記設定値以下となるように前記照射スポットを決定することを特徴とする請求項７に記載の治療計画方法。
【請求項９】
前記演算装置は、
前記照射スポットの各々に対する目標照射線量値を決定し、
決定した前記目標照射線量値の情報を表示装置に表示することを特徴とする請求項８に記載の治療計画方法。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−２１７９０２（Ｐ２０１１−２１７９０２Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８９１２６（Ｐ２０１０−８９１２６）
【出願日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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