JP2025037011A - Dose distribution calculation system, program, and dose distribution calculation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、放射線を腫瘍等の患部に照射して治療するための放射線治療システムに好適に用いられる線量分布計算システム、プログラム及び線量分布計算方法に関するものである。 The present invention relates to a dose distribution calculation system, program, and dose distribution calculation method that are suitable for use in a radiation therapy system for irradiating radiation to an affected area such as a tumor to treat the area.
非特許文献1には、モンテカルロ線量分布計算で使用される、正確で高速かつ効率的で、したがって反復強度変調放射線治療線量分布計算に適用できる、準解析的な計算手法を用いたマルチリーフコリメータ粒子輸送モデルについて記載されている。 Non-Patent Document 1 describes a multi-leaf collimator particle transport model using a semi-analytical computational method for use in Monte Carlo dose distribution calculations that is accurate, fast, and efficient, and therefore applicable to iterative intensity modulated radiation therapy dose distribution calculations.
放射線療法は、がん病巣に放射線を照射し、がん細胞のDNAに損傷を与えることで、がん細胞を死滅させる局所療法である。 Radiation therapy is a localized treatment that kills cancer cells by irradiating the cancer lesion with radiation and damaging the DNA of the cancer cells.
照射される放射線種としてはX線が主流であり、強度変調放射線治療(IMRT:Intensity Modulated Radiation Therapy)や、強度変調回転照射(VMAT:Volumetric Modulated Arc Therapy)、波状軌跡で連続的ノンコプラナ照射を行うDWA(Dynamic Wave Arc)など、複数の照射方向から放射線を照射し、線量集中性を向上させた高精度照射法による治療が行われている。 X-rays are the predominant type of radiation used, and treatment is carried out using high-precision irradiation methods that irradiate radiation from multiple directions and improve dose concentration, such as Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT), Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT), and Dynamic Wave Arc (DWA), which performs continuous non-coplanar irradiation with a wave-like trajectory.
VMATでは、ガントリ角・多葉コリメータ(MLC:Multi-Leaf Collimator)の開口形状・線量率の3つのパラメータを連続的に変調させながら、連続回転照射を行う事で、正常組織への線量を低減させつつ、腫瘍に高線量を付与する事が可能となる。 In VMAT, continuous rotational irradiation is performed while continuously modulating three parameters: gantry angle, multi-leaf collimator (MLC) aperture shape, and dose rate, making it possible to deliver a high dose to the tumor while reducing the dose to normal tissue.
放射線治療では、患者CT画像と医師が設定した処方線量に基づき、治療計画ソフトウエアを用いて患者体内の線量分布をシミュレートする事で、治療装置の機器パラメータ(コリメータの開口形状等)、照射角度、照射角度毎の照射量、エネルギー等の照射パラメータを決定する。 In radiation therapy, the dose distribution inside the patient's body is simulated using treatment planning software based on the patient's CT images and the prescribed dose set by the doctor, and irradiation parameters such as the treatment device's equipment parameters (such as the collimator opening shape), irradiation angle, irradiation amount per irradiation angle, and energy are determined.
ここで、決定された照射パラメータ及び照射パラメータの算出根拠となる線量分布を治療計画と呼び、治療計画に基づいて照射装置がビームを照射することで、所望の線量分布を患部に形成する。 Here, the determined irradiation parameters and the dose distribution on which the irradiation parameters are calculated are called a treatment plan, and the irradiation device irradiates the beam based on the treatment plan to form the desired dose distribution in the affected area.
治療に使用する治療計画は、治療計画の健全性を保障するために、患者に照射する前に治療計画通りの線量分布を装置が照射できるかを確認する。これを患者QAと呼ぶ。患者QAで実施される最も一般的な方法は、個体ファントム等の均質ファントムに実際に照射して線量分布を実測することである。 To ensure the soundness of the treatment plan used in treatment, it is checked whether the device can irradiate the dose distribution according to the treatment plan before irradiating the patient. This is called patient QA. The most common method used for patient QA is to actually irradiate a homogeneous phantom such as a solid phantom and measure the dose distribution.
臨床スタッフは、患者QAを通して、(1)治療計画ソフトウエアの線量分布計算アルゴリズムの計算精度の検証、(2)均質ファントム内での、照射装置の照射誤差による線量分布への影響の検証、(3)治療計画に対する装置動作の妥当性の確認、を行う。 Through patient QA, clinical staff will (1) verify the calculation accuracy of the dose distribution calculation algorithm in the treatment planning software, (2) verify the effect of irradiation errors of the irradiation device on the dose distribution within a homogeneous phantom, and (3) confirm the validity of device operation in relation to the treatment plan.
(1)及び(2)の項目に関しては、実測結果と治療計画ソフトウエアの計算結果との比較により検証される。治療施設では、施設毎に患者QAの評価項目及び判定基準を設定しており、各評価項目が判定基準を満足する事を確認した後、治療プランとして使用することが可能となる。基準を逸脱した場合は、患者QAの再実施は治療計画の再作成を実施する。 Items (1) and (2) are verified by comparing the actual measurement results with the calculation results of the treatment planning software. Each treatment facility sets its own patient QA evaluation items and judgment criteria, and once it has been confirmed that each evaluation item meets the judgment criteria, it can be used as a treatment plan. If the criteria are not met, patient QA is re-performed and the treatment plan is re-created.
放射線治療は、1日1回の患部への照射を数日から数週間に渡って繰り返すことで実施される。そのため、治療期間中に腫瘍の拡大・縮小や、腫瘍周辺の体内構造の変化が起こりうる。 Radiation therapy involves irradiating the affected area once a day for several days to several weeks. As a result, the tumor may expand or shrink during the treatment period, and the internal structure around the tumor may change.
このような変化が起きた場合に、治療計画を再作成し、再作成した治療計画を用いて治療を行うアダプティブ治療のニーズが高まっている。アダプティブ治療の中でも、患者が治療用ベッドに寝た状態である治療直前に治療計画を再作成することをオンラインアダプティブ治療(以下、OART)と呼ぶ。 When such changes occur, there is an increasing need for adaptive treatment, which recreates the treatment plan and uses the recreated treatment plan to perform treatment. One type of adaptive treatment in which the treatment plan is recreated immediately before treatment while the patient is lying in the treatment bed is called online adaptive treatment (OART).
OARTは、鼻腔や腸の状態など治療日毎に異なる患者体形に対応して照射量を最適化する治療法である。治療日毎に線量分布を最適化するため、マージンとして照射する標的外の領域を小さくでき、正常組織へのダメージを低減することが可能となる。 OART is a treatment method that optimizes the radiation dose to accommodate the patient's body shape, which varies from treatment day to treatment day, such as the condition of the nasal cavity or intestines. By optimizing the dose distribution for each treatment day, the area outside the target that is irradiated as a margin can be made smaller, making it possible to reduce damage to normal tissue.
しかしながら、OARTでは、治療計画の再作成など治療中に実施するプロセスが大幅に増えるため、治療時間が増大する等、様々な開発課題が存在する。課題の一つにOART時の患者QAが挙げられる。 However, with OART, the number of processes carried out during treatment, such as recreating treatment plans, increases significantly, which presents various development challenges, such as increased treatment time. One of the challenges is patient QA during OART.
OARTでは、患者が寝台に寝た状態で、再計画された治療計画の患者QAを高速に実施する必要があるため、これまで実施されてきた実測ベースの患者QAを行う事が困難となる。そのため、近年、患者QAに於いて、モンテカルロ法等の高精度線量分布計算手法を用いて線量分布計算を実施し、計画通りの線量分布形成の可否を確認する手法が提案されている。 In OART, patient QA of the replanned treatment plan must be performed quickly while the patient is lying on the bed, making it difficult to perform the actual measurement-based patient QA that has been performed up until now. For this reason, in recent years, a method has been proposed for patient QA in which dose distribution calculations are performed using high-precision dose distribution calculation methods such as the Monte Carlo method to check whether the dose distribution can be formed as planned.
モンテカルロ法では、個々の放射線挙動を乱数を用いて確率的に再現し、これを多数回(数百万回以上)繰り返すことで、放射線の平均的な振る舞いを推定し、線量分布を算出する。加速器で加速された電子がX線を生成する段階から、MLCをX線が通過する事で照射野を形成し、MLCを通過したX線が患者内で線量を付与するまでのプロセスを一気通貫でモンテカルロシミュレーションを行う場合、膨大な計算時間を要する。 In the Monte Carlo method, random numbers are used to probabilistically reproduce the behavior of individual radiation, and this is repeated many times (several million times or more) to estimate the average behavior of radiation and calculate the dose distribution. If a Monte Carlo simulation is performed in an integrated manner from the stage where electrons accelerated in an accelerator generate X-rays, to the stage where X-rays pass through the MLC to form an irradiation field, to the stage where X-rays that have passed through the MLC deliver a dose inside the patient, it would take an enormous amount of calculation time.
そのため、X線治療の線量分布計算では、(A)MLCによる照射野の形成までの過程(照射装置内輸送計算)と、(B)X線が患者体内で線量を付与する過程(体内輸送計算)との二つに分けて、線量分布を計算する事が一般的である。 For this reason, when calculating the dose distribution in X-ray therapy, it is common to calculate the dose distribution in two steps: (A) the process up to the formation of the irradiation field by the MLC (transport calculation within the irradiation device), and (B) the process in which the X-rays deliver the dose inside the patient's body (internal transport calculation).
本発明は、(A)の照射装置内輸送に関する。VMAT照射等では、ガントリの回転に応じてリーフ形状が複雑に変化するため、効率的にMLCの照射野形成過程の輸送計算を実施するため、解析的手法や準解析的手法を用いて照射野の形成過程をシミュレートする事が一般的である。 This invention relates to (A) transport within the irradiation device. In VMAT irradiation, etc., the leaf shape changes in a complex manner according to the rotation of the gantry, so in order to efficiently perform transport calculations for the MLC irradiation field formation process, it is common to simulate the irradiation field formation process using analytical or semi-analytical methods.
非特許文献1では、準解析的手法を用いた照射野計算過程の計算手法が示されている。準解析的手法では、事前にモンテカルロシミュレーションを用いて計算した、もしくはモデル化した、MLC上流の粒子種情報(粒子の種類、位置、エネルギー、進行方向情報)を生成しておき、本粒子種情報を入力として粒子毎にMLC内の通過長を算出し、算出された通過長から計算される透過率を粒子の重みとして設定する事で、MLC形状の影響を考慮する。 Non-Patent Document 1 shows a calculation method for the irradiation field calculation process using a semi-analytical method. In the semi-analytical method, particle type information (particle type, position, energy, and traveling direction information) upstream of the MLC is generated in advance by calculating or modeling using Monte Carlo simulation, and this particle type information is used as input to calculate the path length within the MLC for each particle. The transmittance calculated from the calculated path length is set as the particle weight, thereby taking into account the effect of the MLC shape.
モンテカルロシミュレーションで使用する粒子数は数千万~数億に及び、準解析的手法では、MLCの通過長の算出を粒子数回繰り返し、粒子毎に透過率を算出する。そのため、MLCの閉口部を通過する粒子の計算は、MLC開口部を通過する粒子と比較して計算時間を要する。 The number of particles used in Monte Carlo simulations ranges from tens to hundreds of millions, and in semi-analytical methods, the calculation of the MLC path length is repeated several times for each particle, and the transmittance is calculated for each particle. Therefore, calculations for particles passing through the closed part of the MLC take longer than calculations for particles passing through the MLC opening.
VMATやDWAに代表される高精度照射では、複数の照射方向から照射される照射野の重ね合わせにより線量分布が形成されるため、MLC閉口部の低線量域の重要性が高まるため、閉口部を通過する粒子の計算を無視した場合、計算精度が低下する懸念があった。特に、小照射野症例に於いては開口部面積が少ないため、透過率計算の計算コストが増加する事が課題であった。 In high-precision irradiation, such as VMAT and DWA, the dose distribution is formed by overlapping irradiation fields irradiated from multiple irradiation directions, so the importance of the low-dose region of the MLC closure increases. If the calculation of particles passing through the closure is ignored, there was a concern that the calculation accuracy would decrease. In particular, in small radiation field cases, the opening area is small, so the calculation cost of the transmittance calculation increases, which was an issue.
本発明は、高精度な線量分布の計算結果を従来に比べて短時間で得られる線量分布計算システム、プログラム及び線量分布計算方法を提供する。 The present invention provides a dose distribution calculation system, program, and dose distribution calculation method that can obtain highly accurate dose distribution calculation results in a shorter time than conventional methods.
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、輸送粒子毎にマルチリーフコリメータの透過率を算出し、前記透過率を用いて線量分布を算出する線量分布計算システムであって、前記透過率を算出する際に、前記マルチリーフコリメータの開口形状又は粒子の生成プロセスに基づいて高重要度条件を設定し、前記輸送粒子が前記高重要度条件を満たすか否かを判定し、前記高重要度条件を満たさないと判定された前記輸送粒子に対して、全輸送粒子の重みの期待値が保存されるように前記輸送粒子の重みの増加と前記輸送粒子の削減を実施する。 The present invention includes multiple means for solving the above problems, and one example is a dose distribution calculation system that calculates the transmittance of a multi-leaf collimator for each transport particle and calculates a dose distribution using the transmittance. When calculating the transmittance, a high importance condition is set based on the aperture shape of the multi-leaf collimator or the particle generation process, and it is determined whether the transport particle satisfies the high importance condition. For transport particles that are determined not to satisfy the high importance condition, the weight of the transport particle is increased and the transport particle is reduced so that the expected value of the weight of all transport particles is preserved.
本発明によれば、高精度な線量分布の計算結果を従来に比べて短時間で得る事ができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。 According to the present invention, it is possible to obtain highly accurate dose distribution calculation results in a shorter time than in the past. Problems, configurations, and effects other than those described above will become clear from the explanation of the following examples.
本発明の線量分布計算システム、プログラム及び線量分布計算方法の実施例について図1乃至図10を用いて説明する。なお、本明細書で用いる図面において、同一のまたは対応する構成要素には同一、または類似の符号を付け、これらの構成要素については繰り返しの説明を省略する場合がある。 The following describes an embodiment of the dose distribution calculation system, program, and dose distribution calculation method of the present invention with reference to Figs. 1 to 10. Note that in the drawings used in this specification, identical or corresponding components are denoted by the same or similar reference numerals, and repeated explanations of these components may be omitted.
本発明は、用いる放射線としてX線を用いるX線照射システムに好適に適用することができるが、X線以外にも中性子を用いる放射線照射システムにも好適に適用可能である。以下の実施例では、X線照射システムを例に説明する。 The present invention can be suitably applied to an X-ray irradiation system that uses X-rays as the radiation used, but can also be suitably applied to a radiation irradiation system that uses neutrons other than X-rays. In the following embodiment, an X-ray irradiation system will be used as an example.
最初に、図1を用いて本発明のX線治療システムの全体構成について説明する。図1はX線治療システムの全体構成の概略を示す図である。 First, the overall configuration of the X-ray therapy system of the present invention will be described using Figure 1. Figure 1 is a diagram showing an outline of the overall configuration of the X-ray therapy system.
図1に示すX線治療システムは、X線照射システム110、データサーバ111、治療計画装置112、線量分布計算システム113を備える。
The X-ray therapy system shown in FIG. 1 includes an
X線照射システム110は、X線照射装置100、放射線照射制御装置104、通信装置105、記憶装置106、入力装置107を備える。X線照射装置100はリング型ガントリ101、照射ノズル102、寝台103を備える。
The
X線照射システム110では、放射線照射制御装置104より出射開始信号が出力されると、照射ノズル102内の線形加速器は電子線を加速し、加速した電子線をタングステンに照射する事でX線を発生させる。
In the
照射ノズル102内には、左右に配置された複数の板状の遮蔽物(以下、リーフ)で構成されたコリメータ(以下、マルチリーフコリメータ(MLC))を備えており、放射線照射制御装置104からの指示値に基づき各リーフの位置を任意に変化させる事で、生成したX線を所望の分布に整形する。
The
また、照射ノズル102内には、X線の照射量を計測する線量モニタが設けられており、検出した計測値は放射線照射制御装置104に出力され、放射線照射時の制御に活用される。
In addition, a dose monitor that measures the amount of X-ray irradiation is provided inside the
照射対象Aを載せるベッドを寝台103と呼ぶ。寝台103は放射線照射制御装置104からの指示に基づき、直交する3軸の方向へ移動させることができ、さらに各々の軸を中心として独立して回転させることができる。これらの移動と回転により、照射対象Aの位置を所望の位置に移動することができる。
The bed on which the irradiation target A is placed is called the
照射ノズル102は、リング型ガントリ101に搭載されており、放射線照射制御装置104からの指示値を受けて、ガントリ回転角度及びリング回転角度が設定され、任意の角度からX線を寝台103上の照射対象Aに照射する事が可能である。このガントリ回転及びリング回転の回転中心をアイソセンタと呼ぶ。
The
放射線照射制御装置104は、リング型ガントリ101、照射ノズル102、寝台103、通信装置105、記憶装置106、入力装置107などと接続されており、照射ノズル102内の機器、リング型ガントリ101、寝台103等の動作を制御する。
The radiation
通信装置105は、ネットワークを介して、データサーバ111に接続されており、照射前にネットワーク経由で治療計画装置112によって作成された照射パラメータ(ガントリ角度、照射量、リーフ位置情報等)が格納された治療計画データをデータサーバ111より取得し、記憶装置106に照射パラメータを保存する。
The
入力装置107は、放射線照射制御装置104と接続されており、放射線照射制御装置104から取得した信号に基づいてモニタ上に情報を表示する。また、X線照射システム110を操作する医療従事者からの入力信号を受け取り、放射線照射制御装置104に様々な制御信号を送信する。放射線照射制御装置104は、入力装置107を介して放射線の照射開始指示を受けると、記憶装置106に保存されている照射パラメータに基づいて照射を開始する。
The
線量分布計算システム113は、輸送粒子毎にマルチリーフコリメータの透過率を算出し、透過率を用いて線量分布を算出するシステムであり、MLC輸送計算部120、線量分布計算部121、表示部122、入力部123、記憶部124から構成される。線量分布計算システム113は、ネットワークを介してデータサーバ111に接続されており、線量分布を計算するための治療計画情報を取得する。
The dose
MLC輸送計算部120は、透過率算出部120Aと分散低減部120Bを有する。
The MLC
透過率算出部120Aは、記憶部124に記憶されているMLC上面での粒子種情報を入力として、粒子毎にMLC内の通過長を算出し、通過長から算出した透過率を粒子の重みとして設定する事で、MLC下流での粒子種データを生成する。ここで、粒子種データには、粒子・光子毎の位置情報、進行ベクトル、エネルギー、粒子種(X線、電子、陽電子)、統計的重みが含まれる。この透過率算出部120Aが、好適には輸送粒子毎にマルチリーフコリメータの透過率を算出する手順の実行主体となる。
The
分散低減部120Bは、透過率算出部120Aの計算コストを低下させるために、透過率を算出する際に、マルチリーフコリメータの開口形状又は粒子の生成プロセスに基づいて高重要度条件を設定し、輸送粒子が高重要度条件を満たすか否かを判定して、高重要度条件を満たさないと判定された輸送粒子に対して、全輸送粒子の重みの期待値が保存されるように輸送粒子の重みの増加と輸送粒子の削減を実施する。これにより、高重要度条件を満たさない輸送粒子を削減することでMLC内の輸送計算を行う粒子数を減少させ、透過率計算の計算負荷を低減させる。
In order to reduce the calculation cost of the
ここで、本発明における「高重要度条件」とは、例えば、MLCの開口形状から、開口形状に外接する長方形の領域(照射野サイズ)を規定し、照射野サイズを拡大した領域のこととし、輸送粒子が高重要度条件を満たすか否かの判定は、高重要度領域を輸送粒子が通過するか否かとすることができる。 Here, the "high importance condition" in the present invention refers to, for example, a rectangular area (irradiation field size) circumscribing the opening shape of the MLC, and an area obtained by expanding the irradiation field size, and whether or not the transported particles satisfy the high importance condition can be determined by whether or not the transported particles pass through the high importance area.
線量分布計算部121は、MLC輸送計算部120が生成したMLC下流での粒子種データ及び透過率を入力として、患者体内もしくは数値ファントム中の線量分布を計算する。ここで、粒子種データには、粒子・光子毎の位置情報、進行ベクトル、エネルギー、粒子種(X線、電子、陽電子)、統計的重みが含まれる。この線量分布計算部121が好適には透過率を用いて線量分布を算出する手順の実行主体となる。
The dose
表示部122は、線量分布計算部121で算出された線量分布を表示するディスプレイである。
The
これら放射線照射制御装置104や線量分布計算システム113は、中央演算装置(CPU:Central Processing Unit)及びこのCPUに接続されたメモリを有する。
The radiation
なお、実行される動作の制御処理は、1つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに分かれていても良く、更にはそれらの組み合わせでも良い。 The control processes for the operations to be executed may be integrated into one program, or may be divided into multiple programs, or may be a combination of these.
各装置の保有するプログラムの一部またはすべては専用ハードウェアで実現しても良く、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや外部記憶メディアによって各装置にインストールされていてもよいし、既存の装置をアップデートしてもよい。 Some or all of the programs held by each device may be implemented using dedicated hardware, or may be modularized. Furthermore, the various programs may be installed on each device via a program distribution server or external storage media, or existing devices may be updated.
また、各装置は、各々が独立した装置で有線あるいは無線のネットワークで接続されたものであっても、2つ以上が一体化していてもよい。 In addition, each device may be an independent device connected to a wired or wireless network, or two or more devices may be integrated together.
続いて、本実施例の線量分布計算システム113を用いて、患者体内の線量分布を計算する流れを説明する。線量分布計算の全体フローを図2に、本発明の特徴的な処理である、分散低減部120Bを用いたMLC内の輸送計算部分のフローを図3に示す。なお、線量分布は、オンラインアダプティブ治療の際、あるいは治療計画時の線量分布計算の際に求めることができるが、このタイミングに限定されるものではない。
Next, the flow of calculating the dose distribution inside the patient's body using the dose
図2に示すように、まず、線量分布計算システム113は、線量分布を検証する治療計画データをデータサーバ111から取得する(S201)。この時、線量分布計算システム113が読み込む治療計画データは、操作者がデータサーバ111内の治療計画情報111Aから入力部123を用いて選択することができるし、線量分布計算システム113が自動で、放射線照射制御装置104によって読み込まれた治療計画データをデータサーバ111内の治療計画情報111A内を検索し、読み込むことができる。
As shown in FIG. 2, first, the dose
続いて、線量分布計算システム113のMLC輸送計算部120は、ステップS201で読み込んだ治療計画データから、線量分布計算及びMLC輸送計算に使用するプランパラメータを抽出し、記憶部124に保存する(S202)。
Next, the MLC
続いて、MLC輸送計算部120は、ステップS202で読み込んだ治療計画データのプランパラメータを用いて、MLC上流位置での総サンプル数を算出する(S203)。
Next, the MLC
ここで、サンプル数は線量分布計算に使用する粒子数であり、X線照射装置100に於いて、X線の照射量が照射ノズル内に設置される線量モニタのMU値で定められることから、MU値あたりの粒子数が用いられることが多い。ここでは、更に規格化点での単位線量あたりとして算出したサンプル数[particles/(MU/Gy)]を用いた例で説明する。
The number of samples here is the number of particles used in dose distribution calculations, and since the X-ray dose in the
MLC輸送計算部120は、治療計画情報から、規格化点での線量値及びMU値情報を取得し、規格化点での単位線量当たりのMU値[MU/Gy]を算出する。予め、単位線量当たりMU値あたりの粒子数[particles/(MU/Gy)]を記憶部124に保存しておき、規格化点での単位線量当たりのMU値に、単位線量当たりMU値あたりの粒子数を乗じる事で、総サンプル数を算出する。ここで、単位線量当たりMU値あたりの粒子数[particles/(MU/Gy)]として、操作者が入力部123を用いて指定した値を用いることもできる。
The MLC
続いて、MLC輸送計算部120は、MLC上流の粒子種データを読み込み、MLC下流での粒子種データを生成するため、MLC内の輸送計算を実施する(S204)。
Next, the MLC
輸送計算完了後、線量分布計算システム113の線量分布計算部121は、MLC輸送計算部120によって生成されたMLC下流の粒子種データを読み込み、線量分布計算を実施する(S205)。線量分布計算では、入力となる粒子kの統計的重みをsk、粒子kがボクセルiに付与する線量をdi,kとすると、ボクセルiの線量Diは次式(1)で算出される。
After the transport calculation is completed, the dose
ここで、Cは計算サンプル数で計算された線量を実際の粒子数で付与される線量に変換するための補正係数である。 where C is a correction factor to convert the dose calculated using the number of calculation samples to the dose given using the actual number of particles.
本発明は、ステップS204のMLCの輸送計算部分の計算方法に特徴を有する。MLCの輸送計算時に、分散低減部120Bは、線量評価に於いて輸送粒子の重要度が高まる条件を意味する高重要度条件を輸送粒子に設定し、高重要度条件を満たさない輸送粒子に対しては、全輸送粒子の重みの期待値を保存しながら、輸送粒子の重みの増加と粒子の削減を実施する。これにより、透過率算出部120Aの計算負荷を低減する事が可能となる。分散低減部120Bを用いたMLCの輸送計算のフロー図を図3に示す。
The present invention is characterized by the calculation method of the MLC transport calculation portion in step S204. During the MLC transport calculation, the
図3に示すように、まず、MLC輸送計算部120は、X線照射装置100で使用されているマルチリーフコリメータの体系データを読み込み、計算体系を構築する(ステップS301)。
As shown in FIG. 3, first, the MLC
マルチリーフコリメータは、1軸方向に駆動可能な複数枚の板状の遮蔽物(以下、リーフ)が一列に配置されており、リーフの駆動する方向をリーフ駆動方向、リーフが配置されるリーフの配置方向をリーフ配置方向と呼ぶ。リーフ配置方向に於いて、リーフの外側にはフレームが置かれており、照射野外の線量を遮蔽する役割を持つ。 A multi-leaf collimator has multiple plate-shaped shields (hereafter referred to as leaves) that can be driven in one axial direction arranged in a row. The direction in which the leaves are driven is called the leaf drive direction, and the direction in which the leaves are arranged is called the leaf arrangement direction. In the leaf arrangement direction, a frame is placed on the outside of the leaves, and its role is to shield the radiation outside the irradiation field.
続いて、MLC輸送計算部120は、記憶部124内に格納されている、MLC上流の粒子種情報データベース125を読み込み、MLC輸送計算の入力となるMLC上流の粒子データを取得する(ステップS302)。
Next, the MLC
続いて、MLC輸送計算部120の透過率算出部120Aは、ステップS302で読み込んだMLC上流の粒子種データから、粒子を一つずつ読み込み(ステップS303)、透過率の算出処理を開始する。続いて、分散低減部120Bは、透過率算出処理の計算負荷を低減させるため、分散低減処理を実施する(ステップS304)。
Next, the
以下、分散低減部120Bが実施する分散低減処理のフローを図4を参照して説明する。ここでは、小照射野症例に於ける計算負荷低減を目的に、高重要度条件は、マルチリーフコリメータの開口形状に基づき定まる高重要度領域を通過するか否かであり、高重要度領域の外を通過すると判定される輸送粒子に対して増加及び削減を実施する例を示す。
The flow of the variance reduction process performed by the
図4に示すように、まず、ステップS202で読み込んだ治療計画情報に基づいて、基準開口領域を決定し(ステップS401)、基準開口領域に基づいて高重要度領域を設定する(ステップS402)。高重要度領域設定及び光線の削減の模式図を図5に示す。 As shown in FIG. 4, first, a reference aperture area is determined based on the treatment plan information read in step S202 (step S401), and a high importance area is set based on the reference aperture area (step S402). A schematic diagram of the high importance area setting and light reduction is shown in FIG. 5.
ここでは、基準開口領域として、MLCの開口形状に外接する長方形を定義した例を用いて説明する。 Here, we will explain an example in which the reference aperture region is defined as a rectangle that circumscribes the MLC aperture shape.
MLCの開口形状情報を取得する場合、まず、駆動しているリーフのみを判断する必要がある。そのため、i番目の左リーフのx方向位置xi,L及びi番目の右リーフのx方向位置xi,Rを参照し、左リーフの待機位置xstandby,L及び右リーフの待機位置xstandby,Rと、それぞれ比較する事で駆動リーフを判断し、基準開口領域のy方向長さを算出する。 When acquiring the aperture shape information of the MLC, it is necessary to first determine only the leaves that are being driven. Therefore, the x-direction position x i,L of the i-th left leaf and the x-direction position x i,R of the i-th right leaf are referenced, and compared with the standby position x standby,L of the left leaf and the standby position x standby,R of the right leaf, respectively, to determine the driven leaf, and calculate the y-direction length of the reference aperture area.
続いて、x方向の基準開口領域長さの算出について説明する。ビーム照射方向から見たMLCリーフ504は、図5に示すように、ビーム505が通過するx方向の基準開口領域の負側位置は、MLC開口形状501を形成する左リーフによって、正側位置は右リーフによって定まる。従って、駆動リーフ内の左側リーフの最小位置xmin,L及び右側リーフの最大位置xmax,Rを算出する事で、x方向の基準開口領域502を規定する。 Next, calculation of the reference aperture area length in the x direction will be described. As shown in Fig. 5, the negative side position of the reference aperture area in the x direction through which the beam 505 passes is determined by the left leaf forming the MLC aperture shape 501, and the positive side position is determined by the right leaf. Therefore, the reference aperture area 502 in the x direction is defined by calculating the minimum position xmin ,L of the left leaf and the maximum position xmax ,R of the right leaf among the driven leaves.
ここでは、基準開口領域502を任意の長さδL分だけ拡大させて、高重要度領域503を設定した例を示す。 Here, we show an example in which the reference opening region 502 is expanded by an arbitrary length δL to set a high importance region 503.
X線治療に於いては、各照射方向から生成される線量分布は、基本的にコリメータの開口位置によって、形成される線量分布の50%線量端の位置が定まる。そのため、線量分布の辺縁領域(線量50%-20%領域)まで、線量評価で重視したい場合は、基準開口領域を拡大した領域を高重要度領域に設定する必要がある。 In X-ray therapy, the 50% dose end position of the dose distribution generated from each irradiation direction is basically determined by the collimator opening position. Therefore, if you want to emphasize the peripheral area of the dose distribution (50%-20% dose area) in the dose evaluation, you need to set an area that is an extension of the standard opening area as the high importance area.
続いて、輸送光線が高重要度領域を通過するか否かを判断する(ステップS403)。ここでは、アイソセンタ位置に於いて高重要度領域の通過を判断する例を示す。 Next, it is determined whether the transport ray passes through a high importance region (step S403). Here, an example is shown in which the passage of a high importance region is determined at the isocenter position.
X線の治療装置では、X線源からのビームはファンビーム上に広がっていくと仮定するときに、線源-アイソセンタ間距離をSAD、線源-コリメータ中央間距離をlとすると、アイソセンタ位置での高重要度領域は、リーフ位置における高重要度領域をSAD/l倍した領域となる。 In an X-ray treatment device, assuming that the beam from the X-ray source spreads out in a fan beam, if the source-to-isocenter distance is SAD and the source-to-collimator center distance is l, the high importance area at the isocenter position is the high importance area at the leaf position multiplied by SAD/l.
分散低減部120Bは、MLC上流に照射された輸送光線の粒子種情報を読み込み、輸送粒子の進行ベクトル(vx,vy,vz)と位置情報(x0,y0,z0)とに基づいて、輸送光線がMLC上流から直進するとの仮定の下、光線が高重要度領域を通過するか否かを判定する。
The
ステップS403での判定において、光線が高重要領域を通過すると判定された場合は、図4のフローを終了して図3のフローに戻り、光線ごとの透過率計算(ステップS305)に移行する。一方、高重要度領域を通過しないと判定された場合は、光線の重みに、光線の初期重みw0と比較して高い重みwgeomを設定する(ステップS404)。 If it is determined in step S403 that the ray passes through the high importance region, the flow of Fig. 4 is terminated and the process returns to the flow of Fig. 3, where the transmittance calculation for each ray is performed (step S305). On the other hand, if it is determined that the ray does not pass through the high importance region, a weight wgeom that is higher than the initial weight w0 of the ray is set as the weight of the ray (step S404).
続いて、全輸送光線の重みの期待値が保存するよう、輸送光線の削減処理を実施する(ステップS405)。従って、高重要度領域を通過しない粒子に対しては、w0/wgeomの確率で輸送粒子が削減されるよう、輸送光線ごとに一様乱数rを生成し、r>w0/wgeomの場合に該当する粒子を消去する。 Next, a process of reducing the number of transport rays is performed so that the expected value of the weights of all transport rays is preserved (step S405). Therefore, for particles that do not pass through high importance regions, a uniform random number r is generated for each transport ray so that transport particles are reduced with a probability of w0 / wgeom , and particles that satisfy r> w0 / wgeom are eliminated.
これにより、全輸送光線の重みの期待値を担保しつつ、高重要度領域外を通過する輸送光線を削減する事が可能となる。これにより計算資源を高重要度領域に集中させることが出来、効率的に透過率を算出する事が可能となる。 This makes it possible to reduce the number of transport rays that pass outside of high-importance areas while maintaining the expected value of the weights of all transport rays. This allows computational resources to be concentrated in high-importance areas, making it possible to calculate transmittance efficiently.
図3に戻って、分散低減処理により輸送光線が消去されたかどうか確認し(ステップS305)、輸送光線が消去されている場合は、本輸送光線に関する輸送は終了し、次の輸送光線の処理へ移行する(ステップS309)。一方、輸送光線が存在する場合は、輸送光線ごとにMLCの通過長を算出し、透過率を算出する(ステップS306)。 Returning to FIG. 3, it is checked whether the transport ray has been eliminated by the variance reduction process (step S305). If the transport ray has been eliminated, the transport for this transport ray ends and the process moves to the processing for the next transport ray (step S309). On the other hand, if a transport ray exists, the path length of the MLC for each transport ray is calculated and the transmittance is calculated (step S306).
図2に戻って、ステップS204で作成した統計的重み付きの粒子種データを読み込み、モンテカルロ法を用いて線量分布を計算する(ステップS205)。そのため、ステップS205で読み込む粒子種データに於いて、統計的重みが小さい粒子が多い場合、線量分布計算の効率は大幅に低下する。 Returning to FIG. 2, the statistically weighted particle species data created in step S204 is read, and the dose distribution is calculated using the Monte Carlo method (step S205). Therefore, if there are many particles with small statistical weights in the particle species data read in step S205, the efficiency of the dose distribution calculation is significantly reduced.
そこで、ステップS205の計算効率を向上させるため、図3に示すように、分散低減法の一つであるロシアンルーレット法を用いて、低ウエイト粒子を削減するステップ(ステップS307)を設ける。 Therefore, to improve the calculation efficiency of step S205, a step (step S307) is provided to reduce low-weight particles using the Russian roulette method, which is one of the variance reduction methods, as shown in Figure 3.
ロシアンルーレット法では、カットオフト値wcutを設定し、wcut以下の粒子に関しては、一様乱数を用いてw/wcutの確率で粒子を削減する。一方、生き残ったwcut以下の統計的重みをもつ粒子に関しては、カットオフ値wcutを統計的重みとして設定する。 In the Russian roulette method, a cutoff value w is set, and for particles below w , uniform random numbers are used to eliminate particles with a probability of w/ w . On the other hand, for surviving particles with statistical weights below w , the cutoff value w is set as the statistical weight.
続いて、MLC下流位置での粒子の座標値を算出した後、MLC下流の粒子種データとして書き込み、保存する(ステップS308)。その後、次に計算すべき輸送粒子が存在するか否かを判定し(ステップS309)、あると判定されたときは処理をステップS303に戻し、ないと判定されたときは図3のフローを終了する。 Then, the coordinate values of the particles at the downstream position of the MLC are calculated, and then written and saved as particle species data downstream of the MLC (step S308). Then, it is determined whether there are any transport particles to be calculated next (step S309), and if so, the process returns to step S303, and if not, the flow of FIG. 3 ends.
治療装置の回転の影響(ガントリ角度情報、照射リング角度情報、カウチ角度情報)を考慮する必要がある場合は、MLC下流の粒子種データを書き込む前に、装置回転を表す回転行列を用いて、粒子種データの進行ベクトル情報及び位置情報を座標変換する事で反映させる事が可能となる。 If it is necessary to take into account the effects of the rotation of the treatment device (gantry angle information, irradiation ring angle information, couch angle information), it is possible to reflect this by performing coordinate conversion of the progress vector information and position information of the particle species data using a rotation matrix that represents the device rotation before writing the particle species data downstream of the MLC.
ここまで、照射門毎にX線を離散的に照射する場合を例に高重要度領域の設定及び分散低減処理について説明してきた。 So far, we have explained how to set high importance areas and reduce variance using the example of discrete X-ray irradiation for each irradiation port.
続いて、制御点間で放射線照射を中断せずにマルチリーフコリメータ形状を変化させる場合、すなわちMLCの開口形状を連続的に変化させながら照射するVMAT照射の場合に於いて、高重要度領域の設定方法について説明する。 Next, we will explain how to set high importance areas when the multi-leaf collimator shape is changed between control points without interrupting radiation irradiation, i.e., in the case of VMAT irradiation, in which irradiation is performed while continuously changing the MLC aperture shape.
VMAT照射条件では、照射角度毎に照射制御点が設定されており、照射制御点毎にリーフの位置及び累積照射量が記録されている。そのため、VMAT照射の輸送計算では、累積照射量から照射制御点間単位で照射される照射量及び輸送光線数を定め、制御点間単位で輸送計算を実施する。ここでは、ガントリ角度θAの照射制御点A、ガントリ角度θBの照射制御点B間でのMLC輸送計算を例として高重要度領域の設定方法について説明する。 In the VMAT irradiation conditions, an irradiation control point is set for each irradiation angle, and the leaf position and cumulative irradiation amount are recorded for each irradiation control point. Therefore, in the transport calculation of VMAT irradiation, the irradiation amount and the number of transported rays are determined for each irradiation control point from the cumulative irradiation amount, and the transport calculation is performed for each control point. Here, a method for setting a high importance area is explained using an example of MLC transport calculation between irradiation control point A at gantry angle θ A and irradiation control point B at gantry angle θ B.
制御点A及び制御点BにおけるMLCの開口形状及び高重要度領域の設定方法の説明図を図6に示す。 Figure 6 shows an explanatory diagram of how to set the MLC opening shape and high importance area at control point A and control point B.
図6に示すように、X線を離散的に照射する場合と同様に、制御点Aの基準開口領域602は制御点AのMLC開口形状601に、制御点Bの基準開口領域612は制御点BのMLC開口形状611に、それぞれ外接する長方形で表される。制御点A-B間で照射される粒子のMLC輸送を考える場合、各リーフは制御点A及び制御点Bの基準開口領域内を移動する事になるため、制御点A-B間の基準開口領域(=高重要度領域)は、2つの基準開口領域の和集合で表される。 As shown in Figure 6, similar to the case of discrete X-ray irradiation, the reference aperture area 602 of control point A is represented by a rectangle circumscribing the MLC aperture shape 601 of control point A, and the reference aperture area 612 of control point B is represented by a rectangle circumscribing the MLC aperture shape 611 of control point B. When considering the MLC transport of particles irradiated between control points A and B, each leaf moves within the reference aperture areas of control points A and B, so the reference aperture area (= high importance area) between control points A and B is represented by the union of the two reference aperture areas.
この和集合は、各々の制御点A及び制御点Bでの基準開口形状を和集合し、次いで所定領域拡大させることで設定することも可能であるし、各々の制御点A及び制御点Bで基準開口形状を所定領域拡大させ、次いで所定領域拡大させた基準開口形状を和集合することで設定することも可能であり、適宜選択可能としてもよい。 This union can be set by taking the union of the reference opening shapes at each control point A and control point B and then expanding the specified area, or it can be set by expanding the reference opening shapes at each control point A and control point B by a specified area and then taking the union of the reference opening shapes expanded by the specified area, and it may be selected appropriately.
図6では、制御点A-B間の基準開口領域622を更に簡易的に、2つの開口領域に外接する長方形で表した例を示す。 Figure 6 shows an example in which the reference opening area 622 between control points A and B is more simply represented as a rectangle circumscribing the two opening areas.
続いて、X線を離散的に照射する場合と同様に、基準開口領域に基づいて高重要度領域621を設定する。ここでは、基準開口領域を任意の長さδL分だけ拡大させて、高重要度領域を作成した例を示す。ここでは、y方向、x方向に同一の拡大幅δLを設定したが、x方向、y方向にそれぞれ異なる拡大幅δLx,δLyを設定しても良い。 Next, similarly to the case of discrete irradiation of X-rays, a high importance region 621 is set based on the reference opening region. Here, an example is shown in which the reference opening region is expanded by an arbitrary length δL to create a high importance region. Here, the same expansion width δL is set in the y direction and the x direction, but different expansion widths δL x and δL y may be set in the x direction and the y direction, respectively.
ここまで、MLCの開口形状に外接する長方形を基準開口領域と定義し、基準開口領域に基づいて高重要度領域を設定する例について説明したが、高重要度領域の設定方法はMLCの開口形状を用いた方法であれば、本設定方法に限られない。 So far, we have described an example in which a rectangle circumscribing the MLC opening shape is defined as the reference opening area, and a high importance area is set based on the reference opening area, but the method for setting the high importance area is not limited to this setting method as long as it is a method that uses the MLC opening shape.
続いて、MLCの開口形状自体を基準開口領域と定義し、基準開口領域を、x方向及びy方向に任意の長さδLx,δLyだけ広げる事で、高重要度領域を設定する手順について説明する。ここでは、VMAT照射に適用し、ガントリ角度θAの照射制御点A、ガントリ角度θBの照射制御点B間でのMLC輸送計算を例とする。高重要度領域の設定手順のフロー図を図7に、説明図を図8に示す。 Next, the procedure for setting a high importance region will be described by defining the MLC aperture shape itself as a reference aperture region and expanding the reference aperture region by arbitrary lengths δL x and δL y in the x and y directions. Here, the procedure is applied to VMAT irradiation, and an MLC transport calculation between irradiation control point A at gantry angle θ A and irradiation control point B at gantry angle θ B is taken as an example. A flow diagram of the procedure for setting a high importance region is shown in FIG. 7, and an explanatory diagram is shown in FIG. 8.
まず、図7に示すように、照射制御点A及び照射制御点Bのリーフ位置を読み込む(ステップS701)。図7では、破線及び点線で制御点A及びBのリーフ位置を表している。 First, as shown in FIG. 7, the leaf positions of irradiation control point A and irradiation control point B are read (step S701). In FIG. 7, the leaf positions of control points A and B are represented by dashed and dotted lines.
続いて、右リーフに関しては各々の制御点A,Bにおける最大リーフ位置xLmax,iを最広リーフ位置と、左リーフ位置に関しては各々の制御点A,Bにおける最小リーフ位置xLmin,iを最広リーフ位置とし、このリーフ位置で規定される開口領域を基準開口領域と定義する(ステップS702)。 Next, for the right leaf, the maximum leaf position xL max,i at each of the control points A and B is defined as the widest leaf position, and for the left leaf position, the minimum leaf position xL min,i at each of the control points A and B is defined as the widest leaf position, and the opening area defined by these leaf positions is defined as the reference opening area (step S702).
続いて、基準開口領域からy方向に±δLy、x方向に±δLx拡大した領域を生成し、これを高重要度領域と設定する。 Next, a region expanded from the reference opening region by ±δL y in the y direction and ±δL x in the x direction is generated, and this is set as a high importance region.
まず、拡大幅±δLyを用い、y方向に基準開口領域を拡大した領域を算出する(ステップS703)。各リーフに於いて拡大幅±δLyの範囲に存在するリーフの左側リーフ位置の最小値及び、右側リーフ位置の最大値を算出する事で、y方向に拡大した基準開口領域を形成する。Y方向に拡大した基準開口領域のリーフiの左側リーフ位置lposi及び右側リーフ位置rposiは次式(2),(3)で定義される。 First, an area obtained by expanding the reference opening area in the y direction is calculated using the expansion width ±δL y (step S703). The minimum value of the left leaf position and the maximum value of the right leaf position of the leaves existing in the range of the expansion width ±δL y for each leaf are calculated to form the reference opening area expanded in the y direction. The left leaf position lpos i and the right leaf position rpos i of leaf i of the reference opening area expanded in the Y direction are defined by the following equations (2) and (3).
ここで、ndown,i及びnup,iは、i番目のリーフから-δLy及び+δLyの範囲に存在する、基準開口領域を形成するリーフの枚数を表す。 Here, n down,i and n up,i represent the numbers of leaves forming the reference aperture region that exist within the range of −δL y and +δL y from the i-th leaf.
続いて、x方向に基準開口領域を拡大するため、y方向に拡大した基準開口領域を形成する全リーフの左側位置からδLxを減じ、右側位置にδLxを加える(ステップS704)。最後に、このように拡大された基準開口領域を高重要度領域として、設定する(ステップS705)。設定された高重要度領域の一例を図8に示す。 Next, in order to expand the reference opening region in the x direction, δL x is subtracted from the left positions of all leaves forming the reference opening region expanded in the y direction, and δL x is added to the right positions (step S704). Finally, the reference opening region expanded in this way is set as a high importance region (step S705). An example of the set high importance region is shown in FIG.
図8に示すように、制御点Aでの左側リーフの開口位置803及び右側リーフの開口位置805、制御点Bの左側リーフの開口位置804及び右側リーフの開口位置806が、制御点A-B間の高重要度領域を形成する左側リーフ801と制御点A-B間の高重要度領域を形成する右側リーフ802との間である高重要度領域内に含まれている事が確認できる。 As shown in FIG. 8, it can be seen that the opening position 803 of the left leaf and the opening position 805 of the right leaf at control point A, and the opening position 804 of the left leaf and the opening position 806 of the right leaf at control point B are included in the high importance area between the left leaf 801, which forms the high importance area between control points A and B, and the right leaf 802, which forms the high importance area between control points A and B.
また、本分散低減処理では、高重要度領域の設定パラメータである基準開口領域からの拡大幅δLや、高重要度領域外に照射された粒子の重みwgeom等の計算パラメータが存在する。そこで、これらのパラメータの値をGUIを用いて操作者が設定しても良いし、記憶部124内に、計算パラメータが記録されたパラメータファイルを記録しておき、分散低減処理時に各計算パラメータを読み込んでも良い。
In addition, in this variance reduction process, there are calculation parameters such as the expansion width δL from the reference opening region, which is a setting parameter of the high importance region, and the weight w geom of the particles irradiated outside the high importance region, etc. Therefore, the values of these parameters may be set by the operator using the GUI, or a parameter file in which the calculation parameters are recorded may be recorded in the
また、図5や後述する図10のような画面において、拡大幅δLがどの程度かを表示することも可能である。 It is also possible to display the extent of the enlargement width δL on a screen such as that shown in FIG. 5 or FIG. 10 described below.
ここまで、照射野外遠方の計算コストを削減する手法について述べたが、MLCの輸送計算に於いて計算負荷を高める別の要因として、コンプトン光子の考慮が挙げられる。 So far, we have discussed methods to reduce the calculation cost far outside the irradiation field, but another factor that increases the calculation load in MLC transport calculations is the consideration of Compton photons.
コンプトン光子はコンプトン散乱によりMLC内で生成される光子であり、一次光子と比較して大角度に散乱され、複数のMLCのリーフを通過しやすい。このため、複数枚のリーフでMLC通過長計算を行う必要があることから、計算時間が増加する。一方で、コンプトン散乱成分は線量20%以下の低線量域への寄与が主であるため、線量分布検証の観点から見た重要度は一次光子よりも低下する。 Compton photons are photons generated within the MLC by Compton scattering. Compared to primary photons, they are scattered at larger angles and are more likely to pass through multiple MLC leaves. This requires that the MLC passing length be calculated using multiple leaves, which increases the calculation time. On the other hand, since the Compton scattering component mainly contributes to the low-dose range of 20% or less, its importance from the perspective of dose distribution verification is lower than that of primary photons.
そのため、高重要度条件は、輸送粒子が一次光子であるかコンプトン光子であるか否かとして、コンプトン光子であると判定される輸送粒子に対して重みの増加及び粒子の削減を実施することができる。 Therefore, the high importance condition is whether the transport particle is a primary photon or a Compton photon, and the weight can be increased and particles can be reduced for transport particles that are determined to be Compton photons.
すなわち、コンプトン散乱の生成過程に関しても、同様の手法を導入する事で、コンプトン光子の生成数を減少させ、MLC輸送計算コードの計算負荷を低減可能であると考えられる。したがって、一次光子である事を、高重要度条件とし、コンプトン光子を削減する処理を以下で説明する。 In other words, by introducing a similar method to the Compton scattering generation process, it is possible to reduce the number of Compton photons generated and the computational load of the MLC transport calculation code. Therefore, the fact that it is a primary photon is considered a high importance condition, and the process of reducing Compton photons is explained below.
コンプトン光子を対象とした分散低減処理の例を図9に示す。 An example of variance reduction processing for Compton photons is shown in Figure 9.
図9に示すように、まず、輸送光子が一次光子かコンプトン光子かを判定する(ステップS901)。一次光子と判定された場合は、そのまま、光線の透過率計算のステップに移行する。一方でコンプトン光子と判定された場合は、輸送光子の削減処理に移行する。 As shown in FIG. 9, first, it is determined whether the transport photon is a primary photon or a Compton photon (step S901). If it is determined to be a primary photon, the process proceeds directly to a step of calculating the transmittance of the light beam. On the other hand, if it is determined to be a Compton photon, the process proceeds to a process of reducing the number of transport photons.
ここでは、コンプトン光子の削減処理に関して、ある一次光子によってMLC内で生成したコンプトン光子の重みwc0(コンプトン光子の場合、この重みwc0はコンプトン光子毎に異なる)、コンプトン光子の閾重みwcomptonを用いて説明する。 Here, the reduction process of Compton photons will be described using the weight w c0 of a Compton photon generated in the MLC by a certain primary photon (in the case of Compton photons, this weight w c0 differs for each Compton photon) and the threshold weight w compton of the Compton photon.
コンプトン光子の重みwc0が分散低減処理の閾重みwcompton以上(wc0≧wcompton)である場合は元のwc,jの重みで粒子を輸送する(ステップS902のYes)、これに対し、wc0<wcomptonの場合は、コンプトン光子の重みの期待値が保存されるように、該当するコンプトン粒子を削減(ステップS903)し、その後にコンプトン光子の重みとしてwc0=wcomptonを設定する(ステップS904)。 If the Compton photon weight w c0 is equal to or greater than the threshold weight w compton of the variance reduction process (w c0 ≧ w compton ), the particle is transported with the original weight w c,j (Yes in step S902). On the other hand, if w c0 < w compton , the corresponding Compton particle is reduced (step S903) so that the expected value of the Compton photon weight is preserved, and then w c0 = w compton is set as the Compton photon weight (step S904).
これにより、全輸送光線の重みの期待値を担保しつつ、コンプトン光子を削減する事が可能となる。 This makes it possible to reduce Compton photons while maintaining the expected value of the weight of all transport rays.
上述の照射野に依存しないコンプトン光子であるか否かを判定することを高重要度条件とすることと、小照射野であるほど領域外=削減対象の粒子数が増加するので短縮効果は大きくなる高重要度領域を高重要度条件とすることとは、併用可能である。 It is possible to use the high importance condition of determining whether or not the photon is a Compton photon that is independent of the irradiation field as described above, and the high importance condition of the high importance area, which has a larger shortening effect because the smaller the irradiation field, the greater the number of particles outside the area (i.e., the number of particles to be reduced), so the smaller the irradiation field.
MLC開口形状及び輸送光子の生成過程に基づいて分散低減処理を実施した場合、分散低減処理の有無による、MLC下流位でのフルエンス分布計算結果の比較を図10の(a)及び(b)に示す。 Figures 10(a) and (b) show a comparison of the fluence distribution calculation results downstream of the MLC with and without dispersion reduction processing when dispersion reduction processing is performed based on the MLC aperture shape and the generation process of transported photons.
図10に示すように、分散低減法の有無によらず、汎用粒子シミュレーションコードの一つであるGeant4の計算結果を非常に良く再現する事が確認できる。このことから、分散低減処理を用いる事で、顕著な計算精度の変化を生じさせること無く、粒子の透過率計算を高速化し、高速に線量分布計算を実施する事が可能となる。 As shown in Figure 10, it can be confirmed that the calculation results of Geant4, a general-purpose particle simulation code, are reproduced very well, regardless of whether or not the variance reduction method is used. This shows that by using the variance reduction process, it is possible to speed up particle transmittance calculations and perform high-speed dose distribution calculations without causing a significant change in calculation accuracy.
次に、本実施例の効果について説明する。 Next, we will explain the effects of this embodiment.
上述した本実施例の線量分布計算システム113は、輸送粒子毎にマルチリーフコリメータの透過率を算出し、透過率を用いて線量分布を算出する線量分布計算システムであって、透過率を算出する際に、マルチリーフコリメータの開口形状又は粒子の生成プロセスに基づいて高重要度条件を設定し、輸送粒子が高重要度条件を満たすか否かを判定し、高重要度条件を満たさないと判定された輸送粒子に対して、全輸送粒子の重みの期待値が保存されるように輸送粒子の重みの増加と輸送粒子の削減を実施する。
The dose
本発明によれば、低線量域を無視することが無くなるため、高精度な線量分布の計算結果を高速に提供することが可能となる。 According to the present invention, since low-dose regions are no longer ignored, it is possible to provide highly accurate dose distribution calculation results quickly.
また、高重要度条件は、マルチリーフコリメータの開口形状に基づき定まる高重要度領域を通過するか否かであり、高重要度領域の外を通過すると判定される輸送粒子に対して増加及び削減を実施するため、小照射野であるほど領域外=削減対象の粒子数が増加するので、その削減効果が大きくなることから、例えば小照射野症例での透過率計算を非常に高速化する事が可能となる。 The high importance condition is whether or not the particle passes through a high importance area determined based on the aperture shape of the multi-leaf collimator. Increases and reductions are performed on transported particles that are determined to pass outside the high importance area. The smaller the radiation field, the greater the number of particles outside the area (i.e., particles to be reduced), and the greater the reduction effect. This makes it possible to greatly speed up transmittance calculations in small radiation field cases, for example.
更に、高重要度条件は、輸送粒子が一次光子であるかコンプトン光子であるか否かであり、コンプトン光子であると判定される輸送粒子に対して増加及び削減を実施することで、照射野以外の領域の線量の影響を考慮することができるようになるため、照射野外の線量分布計算精度を向上させることが可能となる。 Furthermore, a high-importance condition is whether the transport particle is a primary photon or a Compton photon, and by implementing increases and decreases for transport particles determined to be Compton photons, it becomes possible to take into account the effect of the dose in areas other than the irradiation field, thereby improving the accuracy of dose distribution calculations outside the irradiation field.
また、制御点間で放射線照射を中断せずにマルチリーフコリメータ形状を変化させる場合は、高重要度領域を、各々の制御点での基準開口形状を和集合し、次いで所定領域拡大させることで設定する、あるいは制御点間で放射線照射を中断せずにマルチリーフコリメータ形状を変化させる場合は、高重要度領域を、各々の制御点で基準開口形状を所定領域拡大させ、次いで所定領域拡大させた基準開口形状を和集合することで設定することにより、制御点間で放射線照射を中断せずにマルチリーフコリメータ形状を変化させるという複雑な条件での透過率計算の精度を低下させることなく高速化することが可能となる。 In addition, when the multi-leaf collimator shape is changed between control points without interrupting radiation irradiation, the high importance area is set by taking the union of the reference aperture shapes at each control point and then expanding the specified area, or when the multi-leaf collimator shape is changed between control points without interrupting radiation irradiation, the high importance area is set by expanding the reference aperture shape at each control point by a specified area and then summing the reference aperture shapes expanded by the specified area, making it possible to speed up transmittance calculations without reducing accuracy under complex conditions where the multi-leaf collimator shape is changed between control points without interrupting radiation irradiation.
更に、線量分布を、オンラインアダプティブ治療の際に求めることで、高精度な照射を短時間で実現することができることから、患者の負担を従来に比べて軽減できる。 Furthermore, by calculating the dose distribution during online adaptive treatment, highly accurate irradiation can be achieved in a short time, reducing the burden on patients compared to conventional methods.
また、線量分布を、治療計画時の線量分布計算の際に求めることで、治療開始前の医師の負担を軽減することができる。 In addition, by calculating the dose distribution when planning treatment, the burden on doctors before treatment begins can be reduced.
<その他>
なお、本発明は上記の実施例に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。
<Other>
The present invention is not limited to the above-mentioned embodiment, and various modifications and applications are possible. The above-mentioned embodiment has been described in detail to explain the present invention in an easily understandable manner, and the present invention is not necessarily limited to having all of the configurations described.
本発明実施形態は以下の態様であってもよい。 The present invention may take the following forms:
(1)輸送粒子毎にマルチリーフコリメータの透過率を算出し、前記透過率を用いて線量分布を算出する線量分布計算システムであって、前記透過率を算出する際に、前記マルチリーフコリメータの開口形状又は粒子の生成プロセスに基づいて高重要度条件を設定し、前記輸送粒子が前記高重要度条件を満たすか否かを判定し、前記高重要度条件を満たさないと判定された前記輸送粒子に対して、全輸送粒子の重みの期待値が保存されるように前記輸送粒子の重みの増加と前記輸送粒子の削減を実施する。 (1) A dose distribution calculation system that calculates the transmittance of a multi-leaf collimator for each transport particle and calculates a dose distribution using the transmittance, and when calculating the transmittance, sets a high importance condition based on the aperture shape of the multi-leaf collimator or the particle generation process, determines whether the transport particle satisfies the high importance condition, and for the transport particle that is determined not to satisfy the high importance condition, increases the weight of the transport particle and reduces the transport particle so that the expected value of the weight of all transport particles is preserved.
(2)(1)記載の線量分布計算システムにおいて、前記高重要度条件は、前記マルチリーフコリメータの開口形状に基づき定まる高重要度領域を通過するか否かであり、前記高重要度領域の外を通過すると判定される前記輸送粒子に対して前記増加及び前記削減を実施する。 (2) In the dose distribution calculation system described in (1), the high importance condition is whether or not the transported particles pass through a high importance area determined based on the aperture shape of the multi-leaf collimator, and the increase and reduction are implemented for the transported particles that are determined to pass outside the high importance area.
(3)(1)記載の線量分布計算システムにおいて、前記高重要度条件は、前記輸送粒子が一次光子であるかコンプトン光子であるか否かであり、前記コンプトン光子であると判定される前記輸送粒子に対して前記増加及び前記削減を実施する。 (3) In the dose distribution calculation system described in (1), the high importance condition is whether the transport particle is a primary photon or a Compton photon, and the increase and decrease are performed on the transport particle determined to be a Compton photon.
(4)(2)に記載の線量分布計算システムにおいて、制御点間で放射線照射を中断せずにマルチリーフコリメータ形状を変化させる場合は、前記高重要度領域を、各々の制御点での基準開口形状を和集合し、次いで所定領域拡大させることで設定する。 (4) In the dose distribution calculation system described in (2), when the shape of the multi-leaf collimator is changed between control points without interrupting radiation irradiation, the high importance area is set by taking the union of the reference aperture shapes at each control point and then expanding the specified area.
(5)(2)に記載の線量分布計算システムにおいて、制御点間で放射線照射を中断せずにマルチリーフコリメータ形状を変化させる場合は、前記高重要度領域を、各々の制御点で基準開口形状を所定領域拡大させ、次いで前記所定領域拡大させた前記基準開口形状を和集合することで設定する。 (5) In the dose distribution calculation system described in (2), when the shape of the multi-leaf collimator is changed between control points without interrupting radiation irradiation, the high importance area is set by expanding the reference opening shape by a specified area at each control point, and then taking the union of the reference opening shapes expanded by the specified area.
(6)(1)乃至(5)のいずれかに記載の線量分布計算システムにおいて、前記線量分布を、オンラインアダプティブ治療の際に求める。 (6) In the dose distribution calculation system described in any one of (1) to (5), the dose distribution is calculated during online adaptive treatment.
(7)(1)乃至(5)のいずれかに記載の線量分布計算システムにおいて、前記線量分布を、治療計画時の線量分布計算の際に求める。 (7) In the dose distribution calculation system described in any one of (1) to (5), the dose distribution is calculated when calculating the dose distribution during treatment planning.
A…照射対象
100…X線照射装置
101…リング型ガントリ
102…照射ノズル
103…寝台
104…放射線照射制御装置
105…通信装置
106…記憶装置
107…入力装置
110…X線照射システム
111…データサーバ
111A…治療計画情報
112…治療計画装置
113…線量分布計算システム
120…MLC輸送計算部
120A…透過率算出部
120B…分散低減部
121…線量分布計算部
122…表示部
123…入力部
124…記憶部
125…粒子種情報データベース
501…MLC開口形状
502…基準開口領域
503…高重要度領域
504…ビーム照射方向から見たMLCリーフ
505…ビーム
601…制御点AのMLC開口形状
602…制御点Aの基準開口領域
611…制御点BのMLC開口形状
612…制御点Bの基準開口領域
621…制御点A-B間の高重要度領域
622…制御点A-B間の基準開口領域
801…制御点A-B間の高重要度領域を形成する左側リーフ
802…制御点A-B間の高重要度領域を形成する右側リーフ
803…制御点Aの左側リーフの開口位置
804…制御点Bの左側リーフの開口位置
805…制御点Aの右側リーフの開口位置
806…制御点Bの右側リーフの開口位置
A...Irradiation target 100...X-ray irradiation device 101...Ring-type gantry 102...Irradiation nozzle 103...Bed 104...Radiation irradiation control device 105...Communication device 106...Storage device 107...Input device 110...X-ray irradiation system 111...Data server 111A...Treatment plan information 112...Treatment planning device 113...Dose distribution calculation system 120...MLC transport calculation unit 120A...Transmittance calculation unit 120B...Dispersion reduction unit 121...Dose distribution calculation unit 122...Display unit 123...Input unit 124...Storage unit 125...Particle species information database 501...MLC aperture shape 502...Reference aperture area 503...High importance area 504...Bi MLC leaf 505 viewed from beam irradiation direction...Beam 601...MLC aperture shape 602 of control point A...Reference aperture area 611 of control point A...MLC aperture shape 612 of control point B...Reference aperture area 621 of control point B...High importance area 622 between control points A and B...Reference aperture area 801 between control points A and B...Left leaf 802 forming the high importance area between control points A and B...Right leaf 803 forming the high importance area between control points A and B...Opening position 804 of left leaf at control point A...Opening position 805 of left leaf at control point B...Opening position 806 of right leaf at control point B
Claims (9)
前記透過率を算出する際に、前記マルチリーフコリメータの開口形状又は粒子の生成プロセスに基づいて高重要度条件を設定し、
前記輸送粒子が前記高重要度条件を満たすか否かを判定し、
前記高重要度条件を満たさないと判定された前記輸送粒子に対して、全輸送粒子の重みの期待値が保存されるように前記輸送粒子の重みの増加と前記輸送粒子の削減を実施する
線量分布計算システム。 A dose distribution calculation system that calculates a transmittance of a multi-leaf collimator for each transport particle and calculates a dose distribution using the transmittance,
When calculating the transmittance, a high importance condition is set based on an aperture shape of the multi-leaf collimator or a particle generation process;
determining whether the transport particle satisfies the high importance condition;
for the transport particles determined not to satisfy the high importance condition, increasing the weight of the transport particles and reducing the transport particles so that an expected value of the weight of all transport particles is preserved.
前記高重要度条件は、前記マルチリーフコリメータの開口形状に基づき定まる高重要度領域を通過するか否かであり、
前記高重要度領域の外を通過すると判定される前記輸送粒子に対して前記増加及び前記削減を実施する
線量分布計算システム。 2. The dose distribution calculation system according to claim 1,
the high importance condition being whether or not the beam passes through a high importance region that is determined based on an aperture shape of the multi-leaf collimator;
and performing said increase and said decrease on said transport particles determined to pass outside said high importance region.
前記高重要度条件は、前記輸送粒子が一次光子であるかコンプトン光子であるか否かであり、
前記コンプトン光子であると判定される前記輸送粒子に対して前記増加及び前記削減を実施する
線量分布計算システム。 2. The dose distribution calculation system according to claim 1,
the high importance condition being whether the transport particle is a primary photon or a Compton photon;
performing said increase and said decrease on said transport particles determined to be said Compton photons.
制御点間で放射線照射を中断せずにマルチリーフコリメータ形状を変化させる場合は、前記高重要度領域を、各々の制御点での基準開口形状を和集合し、次いで所定領域拡大させることで設定する
線量分布計算システム。 3. The dose distribution calculation system according to claim 2,
When the shape of a multi-leaf collimator is changed between control points without interrupting radiation irradiation, the high importance area is set by taking the union of the reference aperture shapes at each control point and then expanding the union by a predetermined area.
制御点間で放射線照射を中断せずにマルチリーフコリメータ形状を変化させる場合は、前記高重要度領域を、各々の制御点で基準開口形状を所定領域拡大させ、次いで前記所定領域拡大させた前記基準開口形状を和集合することで設定する
線量分布計算システム。 3. The dose distribution calculation system according to claim 2,
A dose distribution calculation system in which, when the shape of a multi-leaf collimator is changed between control points without interrupting radiation irradiation, the high importance area is set by expanding a reference aperture shape by a specified area at each control point, and then setting the union of the reference aperture shapes expanded by the specified area.
前記線量分布を、オンラインアダプティブ治療の際に求める
線量分布計算システム。 2. The dose distribution calculation system according to claim 1,
A dose distribution calculation system for determining the dose distribution during online adaptive treatment.
前記線量分布を、治療計画時の線量分布計算の際に求める
線量分布計算システム。 2. The dose distribution calculation system according to claim 1,
A dose distribution calculation system that calculates the dose distribution when calculating the dose distribution at the time of treatment planning.
前記透過率を用いて線量分布を算出する手順と、を計算システムに実行させるプログラムであって、
前記透過率を算出する際に、前記マルチリーフコリメータの開口形状又は粒子の生成プロセスに基づいて高重要度条件を設定させ、
前記輸送粒子が前記高重要度条件を満たすか否かを判定させ、
前記高重要度条件を満たさないと判定された前記輸送粒子に対して、全輸送粒子の重みの期待値が保存されるように前記輸送粒子の重みの増加と前記輸送粒子の削減を実施させる
プログラム。 A procedure for calculating the transmittance of a multi-leaf collimator for each transport particle;
A program for causing a calculation system to execute a procedure for calculating a dose distribution using the transmittance,
setting a high importance condition based on an aperture shape of the multi-leaf collimator or a particle generation process when calculating the transmittance;
determining whether the transport particle satisfies the high importance condition;
a program for increasing the weight of the transport particle determined not to satisfy the high importance condition and reducing the transport particle so that an expected value of the weight of all the transport particles is preserved.
前記透過率を算出する際に、前記マルチリーフコリメータの開口形状又は粒子の生成プロセスに基づいて高重要度条件を設定し、
前記輸送粒子が前記高重要度条件を満たすか否かを判定し、
前記高重要度条件を満たさないと判定された前記輸送粒子に対して、全輸送粒子の重みの期待値が保存されるように前記輸送粒子の重みの増加と前記輸送粒子の削減を実施する
線量分布計算方法。 A dose distribution calculation method for calculating a transmittance of a multi-leaf collimator for each transport particle and calculating a dose distribution using the transmittance, comprising:
When calculating the transmittance, a high importance condition is set based on an aperture shape of the multi-leaf collimator or a particle generation process;
determining whether the transport particle satisfies the high importance condition;
for the transport particles determined not to satisfy the high importance condition, increasing the weight of the transport particles and reducing the transport particles so that an expected value of the weight of all transport particles is preserved.
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| JP2023143716A JP2025037011A (en) | 2023-09-05 | 2023-09-05 | Dose distribution calculation system, program, and dose distribution calculation method |
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