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JP7692282B2 - Treatment planning device, particle beam therapy system, treatment plan generation method, and computer program - Google Patents

Treatment planning device, particle beam therapy system, treatment plan generation method, and computer program Download PDF

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JP7692282B2 JP2021071839A JP2021071839A JP7692282B2 JP 7692282 B2 JP7692282 B2 JP 7692282B2 JP 2021071839 A JP2021071839 A JP 2021071839A JP 2021071839 A JP2021071839 A JP 2021071839A JP 7692282 B2 JP7692282 B2 JP 7692282B2
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Description

本発明は、治療計画装置、粒子線治療システム、治療計画生成方法及びコンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to a treatment planning device, a particle beam therapy system, a treatment plan generation method, and a computer program.

本発明は治療計画装置に係り、特に、陽子線及び炭素線等の荷電粒子ビームを中心とした放射線を患部に照射して治療する放射線治療システム、及びそれに用いる治療計画装置に関する。 The present invention relates to a treatment planning device, and in particular to a radiation therapy system that treats an affected area by irradiating the affected area with radiation, primarily charged particle beams such as proton beams and carbon beams, and a treatment planning device used therein.

各種放射線を照射することで腫瘍細胞を壊死させることを目的とする放射線治療は、近年広く行われている。用いられる放射線としては最も広く利用されているX線だけでなく、陽子線や炭素線をはじめとする粒子線を使った治療も広がりつつある。 Radiation therapy, which aims to necrotize tumor cells by irradiating them with various types of radiation, has become widespread in recent years. In addition to X-rays, which are the most widely used radiation, treatments using particle beams such as proton beams and carbon beams are also becoming more widespread.

放射線治療は、腫瘍領域にのみ高い線量を付与するため、事前に詳細な治療計画を立てる必要がある。例えば粒子線治療では、治療計画装置により、事前に患部および患部周囲への所望の線量分布が得られるようにエネルギー、照射量、照射位置が決定される。 Radiation therapy delivers a high dose only to the tumor area, so a detailed treatment plan must be prepared in advance. For example, in particle beam therapy, the energy, dose, and irradiation position are determined in advance using a treatment planning device to obtain the desired dose distribution to the affected area and surrounding area.

事前の計画時に患者の体内の様子を確認する手段は、X線CT画像(以下、計画CT画像)が最も一般的である。患部位置の指定、それに基づく体内の線量分布計算もCT画像を用いて行われることが多い。 The most common method for checking the state of the patient's body during advance planning is to use X-ray CT images (hereafter referred to as planning CT images). CT images are often used to specify the location of the affected area and to calculate the internal dose distribution based on that.

放射線治療では、1日1回の照射を複数日に渡って繰り返す。従来、治療計画は基本的に最初に立て、毎日同じ照射位置に同じ照射量が照射されていたが、近年、体内の状態変化に合わせて照射位置と照射量を変更することが行われ始めている。治療計画を再計画して照射することは、アダプティブ照射と呼ばれている。 In radiation therapy, irradiation is repeated once a day for several days. Traditionally, a treatment plan was basically made at the beginning, and the same amount of radiation was irradiated at the same irradiation location every day, but in recent years, it has become common to change the irradiation location and amount of radiation in response to changes in the condition inside the body. Replanning the treatment plan and irradiating it is called adaptive irradiation.

アダプティブ照射の中でも、特に患者がベッドの上に横になったまま、患部領域を撮像し再計画して照射することをオンラインアダプティブ照射と呼ぶ。オンラインアダプティブ照射では、再計画後に事前に計画した元治療計画と再計画による新治療計画を比較して、より好ましい治療計画に基づき放射線を照射することが特許文献1に開示されている。 A type of adaptive irradiation in which the affected area is imaged, replanned, and irradiated while the patient is lying on a bed is called online adaptive irradiation. In online adaptive irradiation, after replanning, the original treatment plan that was planned in advance is compared with the new treatment plan resulting from the replanning, and radiation is irradiated based on the more preferable treatment plan, as disclosed in Patent Document 1.

米国特許出願公開第2020/0121951号明細書US Patent Application Publication No. 2020/0121951

特許文献1の手法では、線量に基づく指標、例えば標的及び標的周辺の正常臓器への最大線量、最小線量等に基づき、元治療計画または新治療計画を選択する。一方、オンラインアダプティブ治療では、Cone Beam CT(以下、CBCT)による画像に基づき再計画を実施する場合がある。CBCTは構成が簡便な反面、事前の治療計画用に撮像する計画CT画像と比較して、画質が劣る。そのため、治療当日に撮像したCBCT画像に合わせて計画CT画像を変形し、その画像に基づき再計画を実施する手法がある。この手法では、計画CT画像の変形誤差等、事前の治療計画にはない誤差を伴う。元治療計画と新治療計画の比較では、この誤差の影響を考慮した判断をしなければならないという課題がある。 In the method of Patent Document 1, the original treatment plan or the new treatment plan is selected based on a dose-based index, such as the maximum and minimum doses to the target and normal organs around the target. On the other hand, in online adaptive treatment, replanning may be performed based on images from Cone Beam CT (hereinafter, CBCT). Although CBCT has a simple configuration, its image quality is inferior to that of the planning CT image taken for the advance treatment plan. For this reason, there is a method in which the planning CT image is deformed to match the CBCT image taken on the day of treatment, and replanning is performed based on that image. This method involves errors not present in the advance treatment plan, such as deformation errors in the planning CT image. When comparing the original treatment plan with the new treatment plan, there is a problem in that a decision must be made taking into account the effects of these errors.

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、誤差の影響を考慮して元治療計画と新治療計画との比較を行うことが可能な治療計画装置、粒子線治療システム、治療計画生成方法及びコンピュータプログラムを提供することにある。 The present invention has been made in consideration of the above problems, and aims to provide a treatment planning device, particle beam therapy system, treatment plan generation method, and computer program that are capable of comparing an original treatment plan with a new treatment plan while taking into account the effects of errors.

上記課題を解決すべく、本発明の一つの観点に従う治療計画装置は、標的に粒子線を照射する粒子線治療システムに適用され、標的を撮像した計画時X線画像に基づいて粒子線の第一の線量分布を算出し、計画時X線画像よりも後に標的を撮像した事前X線画像に基づいて粒子線の第二の線量分布を算出し、これら第一及び第二の線量分布に関する第一及び第二の線量指標を算出し、これら第一及び第二の線量指標のばらつきを表示させることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a treatment planning device according to one aspect of the present invention is applied to a particle beam therapy system that irradiates a target with a particle beam, and is characterized in that it calculates a first dose distribution of the particle beam based on a planning X-ray image of the target, calculates a second dose distribution of the particle beam based on a preliminary X-ray image of the target that is captured after the planning X-ray image, calculates first and second dose indices related to the first and second dose distributions, and displays the variance of the first and second dose indices.

本発明によれば、誤差の影響を考慮して元治療計画と新治療計画との比較を行うことが可能となる。 The present invention makes it possible to compare the original treatment plan with the new treatment plan while taking into account the effects of error.

実施形態に係る治療計画装置を有する粒子線治療システム全体の構成を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing the overall configuration of a particle beam therapy system having a treatment planning device according to an embodiment; 実施形態に係る粒子線治療システムに用いられる照射野形成装置の構成を示す説明図である。1 is an explanatory diagram showing a configuration of an irradiation field forming device used in a particle beam therapy system according to an embodiment; 粒子線スキャニング照射法における照射位置の概念を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the concept of an irradiation position in a particle beam scanning irradiation method. 粒子線スキャニング照射法におけるエネルギー変更の概念を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a concept of energy change in particle beam scanning irradiation method. 実施形態に係る治療計画装置の構成を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of a treatment planning system according to an embodiment. 実施形態に係る粒子線治療システムにおける治療計画が立案されるまでの流れを表すフローチャートである。4 is a flowchart showing a procedure until a treatment plan is made in the particle beam therapy system according to the embodiment. 実施形態に係る粒子線治療システムにおける再計画を含む照射手順を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing an irradiation procedure including replanning in a particle beam therapy system according to an embodiment. 実施形態に係る治療計画装置における再計画の手順を示すフローチャートである。1 is a flowchart showing a re-planning procedure in a treatment planning system according to an embodiment. 実施形態に係る治療計画装置が算出した指標を表示する表示画面を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing a display screen that displays indices calculated by a treatment planning system according to an embodiment. 実施形態に係る粒子線治療システムにおける粒子線照射の流れを示す図である。1 is a diagram showing a flow of particle beam irradiation in a particle beam therapy system according to an embodiment.

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings. The following description and drawings are examples for explaining the present invention, and some parts have been omitted or simplified as appropriate for clarity of explanation. The present invention can also be implemented in various other forms. Unless otherwise specified, each component may be singular or plural.

なお、実施形態を説明する図において、同一の機能を有する箇所には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。 In addition, in the figures explaining the embodiments, parts having the same functions are given the same reference numerals, and repeated explanations are omitted.

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。 The position, size, shape, range, etc. of each component shown in the drawings may not represent the actual position, size, shape, range, etc., in order to facilitate understanding of the invention. Therefore, the present invention is not necessarily limited to the position, size, shape, range, etc. disclosed in the drawings.

同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。 When there are multiple components with the same or similar functions, they may be described using the same reference numerals with different subscripts. However, when there is no need to distinguish between these multiple components, the subscripts may be omitted.

実施形態の放射線治療計画装置(以下、単に「治療計画装置」と称する)が適用される粒子線治療システムを、図1~10を参照して説明する。本実施形態では、放射線治療の一種であるスキャニング照射法による陽子線治療の治療計画を立案する治療計画装置について説明するが、散乱体照射法による陽子線治療や、炭素線等を用いる重粒子線治療の治療計画を立案する治療計画装置にも適用可能である。また、X線治療の治療計画装置にも適用可能である。 A particle beam therapy system to which a radiation therapy planning device according to an embodiment (hereinafter simply referred to as a "treatment planning device") is applied will be described with reference to Figures 1 to 10. In this embodiment, a treatment planning device that creates a treatment plan for proton beam therapy using a scanning irradiation method, which is a type of radiation therapy, will be described, but the present invention can also be applied to a treatment planning device that creates a treatment plan for proton beam therapy using a scatterer irradiation method, or for heavy particle beam therapy using carbon beams or the like. The present invention can also be applied to a treatment planning device for X-ray therapy.

図1は、実施例に係る治療計画装置が適用される粒子線治療システムを示す概略構成図である。 Figure 1 is a schematic diagram showing a particle beam therapy system to which a treatment planning device according to an embodiment of the present invention is applied.

図1は、粒子線治療システムの全体構成を示す図である。図1において、粒子線治療システムは、荷電粒子ビーム発生装置301、高エネルギービーム輸送系310、回転照射装置311、治療計画プログラム312とメモリ313を搭載した制御装置314、表示装置315、照射野形成装置(照射装置)400、ベッド407、治療計画装置501、データサーバ502を備えている。 Figure 1 shows the overall configuration of a particle beam therapy system. In Figure 1, the particle beam therapy system includes a charged particle beam generator 301, a high-energy beam transport system 310, a rotating irradiation device 311, a control device 314 equipped with a treatment planning program 312 and memory 313, a display device 315, an irradiation field forming device (irradiation device) 400, a bed 407, a treatment planning device 501, and a data server 502.

荷電粒子ビーム発生装置301は、イオン源302、前段加速器303、粒子ビーム加速装置304から構成される。本実施例は、粒子ビーム加速装置304としてシンクロトロン型の粒子ビーム加速装置を想定したものだが、粒子ビーム加速装置304としてサイクロトロン等、他のどの粒子ビーム加速装置を用いてもよい。シンクロトロン型の粒子ビーム加速装置304は、図1に示すように、その周回軌道上に偏向電磁石305、加速装置306、出射用の高周波印加装置307、出射用デフレクタ308、および4極電磁石(図示せず)を備える。 The charged particle beam generator 301 is composed of an ion source 302, a pre-accelerator 303, and a particle beam accelerator 304. In this embodiment, a synchrotron type particle beam accelerator is assumed as the particle beam accelerator 304, but any other particle beam accelerator such as a cyclotron may be used as the particle beam accelerator 304. As shown in FIG. 1, the synchrotron type particle beam accelerator 304 includes a deflection electromagnet 305, an accelerator 306, a high frequency application device 307 for extraction, an extraction deflector 308, and a quadrupole electromagnet (not shown) on its orbit.

図1を用いて、粒子ビームが、シンクロトロン型の粒子ビーム加速装置304を利用した荷電粒子ビーム発生装置301から発生し、患者へ向けて出射されるまでの経過を説明する。 Using Figure 1, we will explain the process by which a particle beam is generated from a charged particle beam generator 301 that uses a synchrotron-type particle beam accelerator 304 and is emitted toward a patient.

イオン源302より供給された粒子は、前段加速器303にて加速され、ビーム加速装置であるシンクロトロンへと送られる。シンクロトロンには加速装置306が設置されており、シンクロトロン内を周回する粒子ビームが加速装置306を通過する周期に同期させて加速装置306に設けられた高周波加速空胴(図示せず)に高周波を印加し、粒子ビームを加速する。このようにして粒子ビームが所定のエネルギーに達するまで加速される。 Particles supplied from the ion source 302 are accelerated by the pre-accelerator 303 and sent to the synchrotron, which is a beam acceleration device. The synchrotron is equipped with an accelerator 306, which applies radio frequency to a radio frequency acceleration cavity (not shown) provided in the accelerator 306 in synchronization with the period at which the particle beam circulating inside the synchrotron passes through the accelerator 306, accelerating the particle beam. In this way, the particle beam is accelerated until it reaches a predetermined energy.

所定のエネルギー(例えば70~250MeV)まで粒子ビームが加速された後、制御装置314より、出射開始信号が出力されると、高周波電源309からの高周波電力が、高周波印加装置307に設置された高周波印加電極により、シンクロトロン内を周回している粒子ビームに印加され、粒子ビームがシンクロトロンから出射される。 After the particle beam has been accelerated to a predetermined energy (e.g., 70 to 250 MeV), the control device 314 outputs an extraction start signal, and high-frequency power from the high-frequency power supply 309 is applied to the particle beam circulating inside the synchrotron by the high-frequency application electrode installed in the high-frequency application device 307, and the particle beam is extracted from the synchrotron.

高エネルギービーム輸送系310は、シンクロトロンと照射野形成装置400とを連絡している。シンクロトロンから取り出された粒子ビームは、高エネルギービーム輸送系310を介して回転照射装置311に設置された照射野形成装置400まで導かれる。回転照射装置311は、患者406の任意の方向からビームを照射するためにあって、装置全体が回転することで患者406の設置されたベッド407の周囲どの方向へも回転することができる。 The high-energy beam transport system 310 connects the synchrotron and the irradiation nozzle 400. The particle beam extracted from the synchrotron is guided via the high-energy beam transport system 310 to the irradiation nozzle 400 installed in the rotating irradiation device 311. The rotating irradiation device 311 is designed to irradiate the patient 406 with the beam from any direction, and the entire device can rotate in any direction around the bed 407 on which the patient 406 is placed.

照射野形成装置400は、回転照射装置と共に回転する。照射野形成装置の先端には、X線検出器420、421を備えており、患者406を挟んだ反対側にはX線発生装置422、423を備える。X線発生装置422、423とX線検出器420、421が回転照射装置と共に回転しながら患者406のX線透視画像を取得することで、その透視画像からコーンビームCT画像を再構成することができる。 The irradiation field forming device 400 rotates together with the rotating irradiation device. The tip of the irradiation field forming device is equipped with X-ray detectors 420, 421, and on the opposite side of the patient 406, X-ray generators 422, 423 are provided. By acquiring X-ray fluoroscopic images of the patient 406 while the X-ray generators 422, 423 and the X-ray detectors 420, 421 rotate together with the rotating irradiation device, a cone beam CT image can be reconstructed from the fluoroscopic images.

照射野形成装置400は、最終的に患者406へ照射する粒子ビームの形状を整形する装置である。本実施例が対象とするスキャニング法は、高エネルギービーム輸送系310から輸送された細いビームをそのまま標的へ照射し、これを3次元的に走査することで、最終的に標的のみに高線量領域を形成することができる。 The irradiation field forming device 400 is a device that shapes the particle beam that is ultimately irradiated onto the patient 406. The scanning method that is the subject of this embodiment irradiates the target directly with a thin beam transported from the high-energy beam transport system 310, and scans this in three dimensions, ultimately forming a high-dose area only on the target.

図2は、スキャニング法に対応した照射野形成装置400の構成を示す。 Figure 2 shows the configuration of an irradiation field forming device 400 that supports the scanning method.

図2を使って、照射野形成装置400内の機器のそれぞれの役割と機能とを簡単に述べる。照射野形成装置400は、上流側から二つの走査電磁石401および402、線量モニタ403、ビーム位置モニタ404を備える。線量モニタ403はモニタを通過した粒子ビームの量を計測する。一方、ビーム位置モニタ404は、粒子ビームが通過した位置を計測することができる。これらのモニタ403、404からの情報により、計画通りの位置に、計画通りの量のビームが照射されていることを、制御装置314が管理することが可能となる。 The role and function of each piece of equipment in the irradiation nozzle 400 will be briefly described using Figure 2. The irradiation nozzle 400 is equipped with two scanning magnets 401 and 402, a dose monitor 403, and a beam position monitor 404 from the upstream side. The dose monitor 403 measures the amount of particle beam that passes through the monitor. Meanwhile, the beam position monitor 404 can measure the position through which the particle beam passes. Information from these monitors 403 and 404 allows the control device 314 to manage whether the planned amount of beam is being irradiated at the planned position.

荷電粒子ビーム発生装置301から高エネルギービーム輸送系310を経て輸送された細い粒子ビームは、走査電磁石401、402によりその進行方向を偏向される。これらの走査電磁石は、ビーム進行方向と垂直な方向に磁力線が生じるように設けられており、例えば図2では、走査電磁石401は走査方向405の方向にビームを偏向させ、走査電磁石402はこれに垂直な方向に偏向させる。この二つの電磁石を利用することで、ビーム進行方向と垂直な面内において任意の位置にビームを移動させることができ、標的406aへのビーム照射が可能となる。 The thin particle beam transported from the charged particle beam generator 301 via the high energy beam transport system 310 has its direction of travel deflected by the scanning electromagnets 401 and 402. These scanning electromagnets are arranged to generate magnetic field lines perpendicular to the beam direction of travel; for example, in FIG. 2, the scanning electromagnet 401 deflects the beam in the scanning direction 405, and the scanning electromagnet 402 deflects it in a direction perpendicular to this. By using these two electromagnets, the beam can be moved to any position within a plane perpendicular to the beam direction of travel, making it possible to irradiate the beam onto the target 406a.

制御装置314は、走査電磁石磁場強度制御装置411を介して、走査電磁石401および402に流す電流の量を制御する。走査電磁石401、402には、走査電磁石用電源410より電流が供給され、電流量に応じた磁場が励起されることでビームの偏向量を自由に設定できる。粒子ビームの偏向量と電流量との関係は、あらかじめテーブルとして制御装置314の中のメモリ313に保持されており、それを参照する。 The control device 314 controls the amount of current flowing through the scanning electromagnets 401 and 402 via the scanning electromagnet magnetic field intensity control device 411. A current is supplied to the scanning electromagnets 401 and 402 from the scanning electromagnet power supply 410, and a magnetic field corresponding to the amount of current is excited, allowing the amount of beam deflection to be freely set. The relationship between the amount of deflection of the particle beam and the amount of current is stored in advance as a table in the memory 313 in the control device 314, and this is referenced.

スキャニング法のビームの走査方式は二通りある。一つは照射位置を停止させた状態のみで粒子線を照射し、照射位置を変更する間は粒子線の照射を停止する離散スキャニング照射である。もう一つは、粒子線の照射を停止することなく連続的に照射位置を変化させる連続スキャニング照射である。本実施形態では、離散スキャニング照射について記述するが、本発明は連続スキャニング照射に対しても適用することができる。 There are two types of beam scanning methods in the scanning method. One is discrete scanning irradiation, in which the particle beam is irradiated only while the irradiation position is stopped, and the irradiation of the particle beam is stopped while the irradiation position is changed. The other is continuous scanning irradiation, in which the irradiation position is changed continuously without stopping the irradiation of the particle beam. In this embodiment, discrete scanning irradiation is described, but the present invention can also be applied to continuous scanning irradiation.

離散スキャニング照射による照射の概念図を図3に示す。 A conceptual diagram of irradiation using discrete scanning irradiation is shown in Figure 3.

図3は、立方体の標的801を照射する例である。粒子線は、進行方向におけるある位置で停止し、その停止位置にエネルギーの大部分を付与するため、ビームの停止する深さが標的領域内となるようにエネルギーが調整される。図3では、同一エネルギーで照射される面802付近で停止するエネルギーのビームが選ばれている。この面上に、照射位置(スポット)がスポット間隔803で配置されている。 Figure 3 shows an example of irradiating a cubic target 801. The particle beam stops at a certain position in the direction of travel and imparts most of its energy at that stopping position, so the energy is adjusted so that the depth at which the beam stops is within the target area. In Figure 3, a beam of energy is selected that stops near a surface 802 that is irradiated with the same energy. Irradiation positions (spots) are arranged on this surface with a spot spacing of 803.

スポットは、照射位置と照射量の組み合わせを表す。一つのスポットで規定量を照射すると、一旦照射を停止して次のスポットへ移動する。移動が完了すると次のスポットの照射を開始し、規定量に達すると照射を停止する。以降、これを繰り返す。 A spot represents a combination of irradiation position and irradiation amount. When a specified amount is irradiated at one spot, irradiation stops and the device moves to the next spot. Once the movement is complete, irradiation of the next spot begins, and irradiation stops when the specified amount is reached. This process is then repeated.

スポット804は、スポット804を照射するビームの軌跡805を通るビームで照射される。標的内に配置された同一エネルギーのスポットを順次照射し終わると、標的内の他の深さ位置を照射するために、ビームを停止させる深さが変更される。ここでは、単純な立方体標的に一定の照射量を照射することを仮定しているが、実際には複雑な形状の線量分布を標的に形成するため、スポット毎の照射量は、それぞれ大きく異なる。 Spot 804 is irradiated with a beam that follows a beam trajectory 805 that irradiates spot 804. After sequentially irradiating spots of the same energy located within the target, the depth at which the beam stops is changed to irradiate other depth positions within the target. Here, it is assumed that a constant dose is irradiated onto a simple cubic target, but in reality, a complex dose distribution is formed on the target, and the dose for each spot varies greatly.

図3の例では、同一エネルギーで照射される面802に相当する領域に主にエネルギーを付与していた。エネルギーを変更することで、例えば図4のような状況となる。 In the example of Figure 3, energy is mainly applied to the area corresponding to surface 802 that is irradiated with the same energy. By changing the energy, the situation becomes as shown in Figure 4, for example.

図4では、図3で使用したエネルギーよりも低いエネルギーのビームが照射される。そのため、ビームはより浅い位置で停止する。この面を同一エネルギーで照射される面901で表わす。このエネルギーのビームに対応するスポットの一つであるスポット902は、スポット902を照射するビームの軌跡903を通るビームで照射される。 In FIG. 4, a beam of lower energy is applied than that used in FIG. 3. Therefore, the beam stops at a shallower position. This surface is represented as surface 901 irradiated with the same energy. One of the spots corresponding to the beam of this energy, spot 902, is irradiated with a beam that follows the trajectory 903 of the beam irradiating spot 902.

ビームエネルギーを変化させるもう一つの方法は、照射野形成装置400内に飛程変調体(図示せず)を挿入することである。変化させたいエネルギーに応じて、飛程変調体の厚みを選択する。厚みの選択は、複数の厚みを持つ複数の飛程変調体を用いる方法や、対向する楔形の飛程変調体を用いてもよい。 Another method for changing the beam energy is to insert a range modulator (not shown) into the irradiation field forming device 400. The thickness of the range modulator is selected according to the energy to be changed. The thickness can be selected by using multiple range modulators with multiple thicknesses, or by using opposing wedge-shaped range modulators.

本実施例では、同一エネルギーで照射される照射位置の集合をレイヤーと呼ぶ。 In this embodiment, a collection of irradiation positions irradiated with the same energy is called a layer.

ビームの停止する深さを変化させるためには、患者406に照射するビームのエネルギーを変化させる。エネルギーを変化させる方法の一つは、粒子ビーム加速装置、すなわち本実施例においてはシンクロトロンの設定を変更することである。粒子はシンクロトロンにおいて設定されたエネルギーになるまで加速されるが、この設定値を変更することで患者406に入射するエネルギーを変更することができる。この場合、シンクロトロンから取り出されるエネルギーが変化するため、高エネルギービーム輸送系310を通過する際のエネルギーも変化し、高エネルギービーム輸送系310の設定変更も必要になる。シンクロトロンの場合、エネルギー変更には1秒程度の時間を要する。 To change the depth at which the beam stops, the energy of the beam irradiated to the patient 406 is changed. One method for changing the energy is to change the settings of the particle beam accelerator, or in this embodiment, the synchrotron. Particles are accelerated in the synchrotron until they reach a set energy level, and by changing this setting, the energy incident on the patient 406 can be changed. In this case, the energy extracted from the synchrotron changes, and so the energy when passing through the high-energy beam transport system 310 also changes, making it necessary to change the settings of the high-energy beam transport system 310. In the case of a synchrotron, it takes about one second to change the energy.

図5は、治療計画装置501の構成を示す。治療計画装置501は、ネットワークによりデータサーバ502、制御装置314と接続される。 Figure 5 shows the configuration of the treatment planning device 501. The treatment planning device 501 is connected to the data server 502 and the control device 314 via a network.

治療計画装置501は、図5に示すように、粒子線を照射するためのパラメータを入力するための入力装置602、治療計画を表示する表示装置603、メモリ604、線量分布計算を実施する演算処理装置605(演算装置)、通信装置606を備える。演算処理装置605が、入力装置602、表示装置603、メモリ(記憶装置)604、通信装置606に接続される。 5, the treatment planning device 501 includes an input device 602 for inputting parameters for irradiating a particle beam, a display device 603 for displaying the treatment plan, a memory 604, a calculation processing device 605 (calculation device) for performing dose distribution calculations, and a communication device 606. The calculation processing device 605 is connected to the input device 602, the display device 603, the memory (storage device) 604, and the communication device 606.

治療計画装置501は、各種情報処理が可能な装置、一例としてコンピュータ等の情報処理装置から構成される。情報処理装置は、演算装置605、記憶装置604及び通信装置607である通信インターフェースを有し、さらに、マウス、キーボード等の入力装置602、ディスプレイ等の表示装置603を有する。 The treatment planning device 501 is composed of a device capable of various information processing, for example an information processing device such as a computer. The information processing device has a calculation device 605, a storage device 604, and a communication interface which is a communication device 607, and further has an input device 602 such as a mouse and a keyboard, and a display device 603 such as a display.

演算装置605は、例えばCPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphic Processing Unit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)等である。記憶装置604は、例えばHDD(Hard Disk Drive)などの磁気記憶媒体、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、SSD(Solid State Drive)などの半導体記憶媒体等を有する。また、DVD(Digital Versatile Disk)等の光ディスク及び光ディスクドライブの組み合わせも記憶装置604として用いられる。その他、磁気テープメディアなどの公知の記憶媒体も記憶装置604として用いられる。 The arithmetic device 605 is, for example, a CPU (Central Processing Unit), a GPU (Graphic Processing Unit), or an FPGA (Field-Programmable Gate Array). The storage device 604 includes, for example, a magnetic storage medium such as a HDD (Hard Disk Drive), a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), or a semiconductor storage medium such as an SSD (Solid State Drive). In addition, a combination of an optical disk such as a DVD (Digital Versatile Disk) and an optical disk drive is also used as the storage device 604. Other well-known storage media such as magnetic tape media are also used as the storage device 604.

記憶装置604には、ファームウェアなどのプログラムが格納されている。治療計画装置501の動作開始時(例えば電源投入時)にファームウェア等のプログラムをこの記憶装置604から読み出して実行し、治療計画装置501の全体制御を行う。また、記憶装置604には、プログラム以外にも、治療計画装置501の各処理に必要なデータ等が格納されている。 The storage device 604 stores programs such as firmware. When the treatment planning device 501 starts operating (e.g., when the power is turned on), the programs such as firmware are read from the storage device 604 and executed to control the entire treatment planning device 501. In addition to the programs, the storage device 604 also stores data necessary for each process of the treatment planning device 501.

あるいは、治療計画装置501を構成する構成要素の一部がLAN(Local Area Network)を介して相互に接続されていてもよいし、インターネット等のWAN(Wide Area Network)を介して相互に接続されていてもよい。 Alternatively, some of the components constituting the treatment planning device 501 may be connected to each other via a LAN (Local Area Network), or may be connected to each other via a WAN (Wide Area Network) such as the Internet.

ここから、治療計画装置501を用いた操作の流れを、図6に沿って説明する。 From here, the operation flow using the treatment planning device 501 will be explained with reference to Figure 6.

治療に先立ち、治療計画用の画像が撮像される。治療計画用の画像として最も一般的に利用されるのはCT画像である。CT画像は、患者の複数の方向から取得した透視画像から、3次元のデータを再構成する。 Prior to treatment, images are taken for treatment planning. CT images are most commonly used for treatment planning. CT images reconstruct three-dimensional data from fluoroscopic images taken of the patient from multiple angles.

CT装置(図示せず)により撮像されたCT画像は、データサーバ502に保存されている。本実施例では、このCT画像を元計画用CT画像(計画時X線画像)と呼ぶ。CT画像は電子密度の情報を保持しており、線量分布の計算では、この電子密度の情報から水等価厚に換算して粒子線の到達深さが計算される。CT画像の画素値と水等価厚の関係は予めテーブルとして提供されている。 CT images taken by a CT device (not shown) are stored in the data server 502. In this embodiment, this CT image is called the original planning CT image (planning X-ray image). The CT image holds electron density information, and in dose distribution calculations, this electron density information is converted into a water equivalent thickness to calculate the penetration depth of the particle beam. The relationship between the pixel values of the CT image and the water equivalent thickness is provided in advance as a table.

治療計画の立案が開始されると(ステップ101)、本治療計画装置501の操作者である技師(または医師)は、入力装置602であるマウス等の機器を用いて、データサーバ502から対象となるCTデータを読み込む。すなわち、治療計画装置501は、入力装置602の操作により、通信装置606に接続されたネットワークを通じて、データサーバ502からCT画像をメモリ604上にコピーする(ステップ102)。 When the creation of a treatment plan begins (step 101), the technician (or doctor) who is the operator of this treatment planning device 501 reads the target CT data from the data server 502 using an input device 602 such as a mouse. That is, by operating the input device 602, the treatment planning device 501 copies the CT images from the data server 502 to the memory 604 via a network connected to the communication device 606 (step 102).

データサーバ502からメモリ604への3次元CT画像の読み込みが完了し、3次元CT画像が表示装置603に表示されると、操作者は表示装置603に表示された3次元CT画像を確認しながら、入力装置602に相当するマウス等の機器を用いて、3次元CT画像のスライス、すなわち2次元CT画像ごとに標的として指定すべき領域を入力する。ここで入力すべき標的領域は、腫瘍細胞が存在する、あるいは存在する可能性があるために十分な量の粒子線を照射すべきと判断された領域である。これを標的領域と呼ぶ。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など、他に評価、制御を必要とする領域がある場合、操作者はそれら重要臓器等の領域も同様に指定する。他にも、MRIに代表される異なるモダリティの画像上で実行されてもよい(ステップ103)。 When the loading of the 3D CT image from the data server 502 to the memory 604 is completed and the 3D CT image is displayed on the display device 603, the operator, while checking the 3D CT image displayed on the display device 603, inputs the area to be specified as the target for each slice of the 3D CT image, i.e., each 2D CT image, using an instrument such as a mouse equivalent to the input device 602. The target area to be input here is an area that is determined to be irradiated with a sufficient amount of particle beam because tumor cells exist or may exist. This is called the target area. If there are other areas that require evaluation and control, such as important organs that should have the lowest possible radiation dose near the target area, the operator similarly specifies the areas of those important organs, etc. Alternatively, the process may be performed on images of a different modality, such as MRI (step 103).

すべての3次元CT画像に対して領域の入力が終わると、操作者は入力した領域の登録を指示する。登録することで、操作者が入力した領域は3次元の位置情報としてメモリ604内に保存される(ステップ104)。領域の位置情報はデータサーバ502にも保存可能であり、3次元CT画像を読み込むにあたり過去に入力された情報を3次元CT画像と共に読み込むこともできる。 When the input of areas for all 3D CT images is completed, the operator instructs registration of the input areas. By registering, the areas input by the operator are saved in memory 604 as 3D position information (step 104). The position information of the areas can also be saved in data server 502, and when loading a 3D CT image, previously entered information can also be loaded together with the 3D CT image.

次に操作者は、登録された標的領域に対して照射すべきビームの位置やエネルギーの情報を含む治療計画(元治療計画)を作成する(ステップ104)。まず、操作者は、照射方向を設定する。本実施形態が適用される粒子線治療システムは、回転照射装置311とベッド407の角度を選択することで、患者の任意の方向からビームの照射を行うことができる。照射方向は一つの標的に対して複数設定することが可能である。通常、標的領域706の中心付近がアイソセンタ(回転照射装置311の回転中心位置)に一致するように位置決めがされる。 The operator then creates a treatment plan (original treatment plan) that includes information on the position and energy of the beam to be irradiated to the registered target region (step 104). First, the operator sets the irradiation direction. The particle beam therapy system to which this embodiment is applied can irradiate the patient with the beam from any direction by selecting the angle of the rotating irradiation device 311 and the bed 407. It is possible to set multiple irradiation directions for one target. Normally, the target region 706 is positioned so that the vicinity of the center coincides with the isocenter (the rotational center position of the rotating irradiation device 311).

他に操作者が決定すべき照射のためのパラメータとしては、ステップ104で登録した領域に照射すべき線量値(処方線量)がある。処方線量は標的に照射すべき線量や、重要臓器が避けるべき最大線量が含まれる。 Other parameters for irradiation that the operator must determine include the dose value (prescribed dose) to be applied to the area registered in step 104. The prescribed dose includes the dose to be applied to the target and the maximum dose to be avoided for critical organs.

以上のパラメータが決まった後、操作者の指示に従って治療計画装置501が自動で計算を行う(ステップ106)。以下で、治療計画装置501が行う線量計算に係わる内容の詳細に関して説明する。 After the above parameters have been determined, the treatment planning system 501 automatically performs calculations according to the operator's instructions (step 106). The details of the dose calculations performed by the treatment planning system 501 are explained below.

ここでは、ロバスト最適化により強度変調陽子線治療と呼ばれる照射方法の治療計画作成を例に説明する。通常の照射では、照射方向毎に標的に一様な線量分布を形成する。そのため、照射量の最適化においても、照射方向毎に照射量を最適化する。一方、強度変調陽子線治療では、標的に十分な線量が照射されるように、全ての照射方向からの照射量を同時に最適化する。強度変調陽子線治療では、照射方向毎に照射量を最適化する通常の場合よりも自由度が高まるため、標的への線量を十分に確保しつつ、照射を避けるべき部位の線量を低減することができる。 Here, we will use robust optimization to create an example of a treatment plan for an irradiation method called intensity-modulated proton therapy. In normal irradiation, a uniform dose distribution is formed at the target for each irradiation direction. Therefore, when optimizing the dose, the dose is also optimized for each irradiation direction. On the other hand, in intensity-modulated proton therapy, the dose from all irradiation directions is optimized simultaneously so that a sufficient dose is irradiated to the target. Intensity-modulated proton therapy allows for greater freedom than normal cases where the dose is optimized for each irradiation direction, making it possible to reduce the dose in areas that should not be irradiated while still ensuring a sufficient dose to the target.

治療計画の作成では、患者の位置誤差や粒子線が到達する深さの誤差を考慮する。すなわち、これらの誤差が発生した場合にも標的に十分な線量が照射されるように治療計画を作成する。 When creating a treatment plan, errors in the patient's position and the depth to which the particle beam reaches are taken into consideration. In other words, a treatment plan is created so that a sufficient dose is delivered to the target even if these errors occur.

誤差を考慮する方法には主に2通りある。ひとつは、想定する誤差の分だけ標的より大きな領域を設定し、その領域に十分な線量が照射されるように照射量を最適化する手法である。照射方向毎に一様な線量分布を形成する通常の照射方法の場合に適した手法である。もうひとつは、誤差が発生した場合の線量分布を実際に計算し、誤差が線量分布に与える影響を最小にするように照射量を最適化するロバスト最適化と呼ばれる手法である。照射方向毎の線量分布が一様ではない強度変調陽子線治療に適した手法である。 There are two main methods for taking errors into account. One is to set an area larger than the target by the amount of the expected error, and optimize the irradiation dose so that a sufficient dose is irradiated to that area. This method is suitable for normal irradiation methods that form a uniform dose distribution for each irradiation direction. The other is a method called robust optimization, which actually calculates the dose distribution when errors occur, and optimizes the irradiation dose to minimize the effect of the errors on the dose distribution. This method is suitable for intensity-modulated proton therapy, where the dose distribution for each irradiation direction is not uniform.

初めに、治療計画装置501は、ビーム照射位置を決定する。照射位置は標的領域を覆うように設定される。複数の照射方向(回転照射装置311とベッド407の角度)毎に同じ操作を行う。 First, the treatment planning device 501 determines the beam irradiation position. The irradiation position is set to cover the target area. The same operation is performed for each of multiple irradiation directions (angles between the rotating irradiation device 311 and the bed 407).

全ての照射位置が決定されると、治療計画装置501は照射量の最適化計算を開始する。 Once all irradiation positions have been determined, the treatment planning device 501 begins optimizing the irradiation dose.

最初に、各照射位置の照射量と線量分布の関係を複数のケースに対して計算する。例えば、誤差がない場合、互いに直交する3方向とその逆方向の合計6方向に標的の位置が変化した場合、陽子線の到達位置が深い側と浅い側へ変化した場合の合計9ケースについてである。 First, the relationship between the dose at each irradiation position and the dose distribution is calculated for multiple cases. For example, this is done for a total of nine cases: when there is no error, when the target position changes in three mutually orthogonal directions and their opposite directions, for a total of six directions, and when the proton beam arrival position changes to the deeper and shallower sides.

次に、各照射位置への照射量が決定される。照射位置ごとの照射量をパラメータとして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、合計9ケースの線量のうち、ステップ105で設定された目標の処方線量との差が最も大きいものが小さくなるほど、小さな値となるように定義されている。目標関数が最小となるような照射量を反復計算により探索することで、最適とされる照射量を算出する。反復計算が終了すると、最終的に各照射位置に必要な照射量が定まる。 Next, the dose for each irradiation position is determined. A widely adopted method uses an objective function that quantifies the deviation from the target dose using the dose for each irradiation position as a parameter. The objective function is defined to have a smaller value as the largest difference from the target prescription dose set in step 105 among a total of nine cases of dose decreases. The optimal dose is calculated by searching for the dose that minimizes the objective function by iterative calculation. When the iterative calculation is completed, the dose required for each irradiation position is finally determined.

次に、治療計画装置501は演算処理装置605により、得られた照射位置と照射量を用いて、線量分布(第一の線量分布)を計算する。必要があれば、計算した線量分布結果は、表示装置603に表示される。 Next, the treatment planning device 501 uses the obtained irradiation positions and irradiation doses to calculate a dose distribution (first dose distribution) using the calculation processing device 605. If necessary, the calculated dose distribution result is displayed on the display device 603.

操作者は表示された線量分布を評価し、この線量分布が目標とする条件や、目標とする線量分布との一致度を満たしているか否かを判断する(ステップ107、108)。 The operator evaluates the displayed dose distribution and determines whether this dose distribution meets the target conditions and its degree of agreement with the target dose distribution (steps 107, 108).

線量分布を評価した結果、操作者が望ましくない分布であると判断した場合は、ステップ105に戻り、照射パラメータを設定し直す。変更すべきパラメータとしては、照射方向や処方線量がある。望ましい結果が得られた後、治療計画装置は、エネルギー、照射量、照射位置を含むスポットデータをネットワークを通じてデータサーバ502に保存する(ステップ109、ステップ110)。 If, as a result of evaluating the dose distribution, the operator determines that the distribution is undesirable, the operator returns to step 105 and resets the irradiation parameters. Parameters that may need to be changed include the irradiation direction and the prescribed dose. After the desired result is obtained, the treatment planning device stores the spot data, including the energy, irradiation dose, and irradiation position, in the data server 502 via the network (steps 109 and 110).

次に、図7と図8のフローを用いて、制御装置314を用いて再計画を実施して標的に線量分布を形成する手順を説明する。 Next, the procedure for forming a dose distribution at the target by performing replanning using the control device 314 will be described using the flows in Figures 7 and 8.

照射を開始する前に、オペレータは照射対象51をカウチ32の上に乗せ、計画した位置に移動させる。制御装置314はデータサーバ502に登録されたエネルギー、照射位置、照射量の情報を読み出しメモリに登録する。 Before starting irradiation, the operator places the irradiation target 51 on the couch 32 and moves it to the planned position. The control device 314 reads out the information on energy, irradiation position, and irradiation amount registered in the data server 502 and registers it in memory.

制御装置314は、ステップ201において、ガントリーを回転させながらX線透視を実施し、コーンビームCT画像(事前X線画像)を取得する。ステップ202において、取得したコーンビーム画像と治療計画時のCT画像を比較して患者の位置を調整する。 In step 201, the control device 314 performs X-ray fluoroscopy while rotating the gantry and acquires a cone beam CT image (preliminary X-ray image). In step 202, the control device 314 compares the acquired cone beam image with the CT image at the time of treatment planning and adjusts the patient position.

ステップ203において制御装置314の治療計画プログラム312が治療計画を再計画し、再計画された計画が目標通りのものであることを評価する。 In step 203, the treatment planning program 312 of the control device 314 replans the treatment plan and evaluates whether the replanned plan is as desired.

ステップ203における再計画の詳細を、図8のフロー図に従い説明する。 Details of the replanning in step 203 are explained according to the flow diagram in Figure 8.

制御装置314の治療計画プログラム312は、ステップ211において、ステップ201で取得したコーンビームCT画像を読み込み、ステップ212において、照射時の患者体形に合わせて治療計画用の画像を再作成する。事前の治療計画で使用した元計画用CT画像と取得したコーンビームCT画像を比較する。変形レジストレーションを実施することで治療計画時の元計画用CT画像をコーンビームCT画像に合わせて変形する。 In step 211, the treatment planning program 312 of the control device 314 reads the cone beam CT image acquired in step 201, and in step 212, recreates an image for the treatment plan to match the patient's body shape at the time of irradiation. The original planning CT image used in the prior treatment plan is compared with the acquired cone beam CT image. By performing deformation registration, the original planning CT image at the time of treatment planning is deformed to match the cone beam CT image.

事前の治療計画に用いる元計画用CT画像は、患者体内の電子密度を高精度に表しているのに対して、コーンビームCT画像はX線の散乱寄与が大きいため、電子密度を精度良く表すことが困難である。電子密度の精度は、粒子線の到達位置の計算精度に寄与する。そこで、患者体内の電子密度を高精度に計測した元計画用CT画像を、照射当日の患者体内形状を高精度に計測したコーンビームCT画像に合わせて変形することにより、新計画用CT画像を作成する。元計画用CT画像と共に、元計画用CT画像に描かれた輪郭情報も変形される。 The original planning CT images used for advance treatment planning show the electron density inside the patient's body with high accuracy, whereas cone beam CT images have a large contribution from X-ray scattering, making it difficult to show the electron density with high accuracy. The accuracy of the electron density contributes to the accuracy of the calculation of the arrival position of the particle beam. Therefore, a new planning CT image is created by transforming the original planning CT image, which measures the electron density inside the patient's body with high accuracy, to match it with the cone beam CT image, which measures the internal shape of the patient on the day of irradiation with high accuracy. Along with the original planning CT image, the contour information drawn on the original planning CT image is also transformed.

新計画用CT画像と変形された輪郭情報を元に治療計画を再作成する。ステップ213において、変形した輪郭情報をもとに標的を覆うようにスポット位置を配置する。複数の照射方向から照射する場合には、照射方向毎に標的を覆うようにスポットを配置する。また、ステップ214において、標的及び標的の回りの臓器に対して線量評価点を設定する。ステップ215において、各線量評価点における目標値を設定する。各線量評価点の目標値は、事前の治療計画であるステップ105と同様に決定することもできるし、事前の治療計画で得られた線量分布をステップ203と同様に変形して決定することもできる。 A treatment plan is recreated based on the new planning CT image and the deformed contour information. In step 213, spot positions are positioned to cover the target based on the deformed contour information. When irradiating from multiple irradiation directions, spots are positioned to cover the target for each irradiation direction. In addition, in step 214, dose evaluation points are set for the target and organs around the target. In step 215, target values are set for each dose evaluation point. The target values for each dose evaluation point can be determined in the same way as in step 105, which is the preliminary treatment plan, or can be determined by deforming the dose distribution obtained in the preliminary treatment plan in the same way as in step 203.

ステップ216において、スポット位置に照射する照射量と線量評価点における線量値の関係を計算し、各線量評価点における線量値が目標値に近づくように、各スポットの照射量を最適化して調整する。こうして最適化された結果が新治療計画(再治療計画)として登録される。 In step 216, the relationship between the dose applied to the spot position and the dose value at the dose evaluation point is calculated, and the dose of each spot is optimized and adjusted so that the dose value at each dose evaluation point approaches the target value. The optimized result is registered as a new treatment plan (retreatment plan).

ステップ204において、操作者は、事前に作成していた元治療計画と、照射直前に作成した新治療計画を比較して、好ましいほうの治療計画を選択する。元治療計画と新治療計画により形成される線量分布をステップ212において作成した計画CT画像を用いて計算する。さらに本実施形態の特徴である誤差を考慮した線量計算を実施する。 In step 204, the operator compares the original treatment plan created in advance with the new treatment plan created immediately before irradiation, and selects the more preferable treatment plan. The dose distribution formed by the original treatment plan and the new treatment plan is calculated using the planning CT image created in step 212. Furthermore, a dose calculation that takes error into account, which is a feature of this embodiment, is performed.

誤差は、主に計画CT画像の作成に伴い発生するものである。具体的な誤差を考慮した計算について説明する。 The errors mainly occur when creating the planning CT images. We will explain the calculations that take specific errors into account.

一つ目は、密度の誤差を考慮するものである。計画CT画像から求められる水等価厚を一定の割合で増減させ、その値に基づき線量分布を計算する。水等価厚を増やす場合、粒子線の到達位置が浅い場合を現し、減らす場合、粒子線の到達位置が深い場合を表す。 The first method takes density errors into account. The water equivalent thickness obtained from the planning CT image is increased or decreased by a fixed ratio, and the dose distribution is calculated based on this value. Increasing the water equivalent thickness indicates that the particle beam reaches a shallow position, and decreasing it indicates that the particle beam reaches a deep position.

二つ目は、位置の誤差を考慮するものである。計画CT画像と照射装置の位置関係を複数の方向へ移動させ、その位置に基づき線量分布を計算する。 The second method takes into account positional errors. The relative positions of the planning CT image and the irradiation device are moved in multiple directions, and the dose distribution is calculated based on those positions.

三つ目は、コーンビームCT画像に合わせてCT画像を変形する非剛体レジストレーションのエラーを考慮するものである。非剛体レジストレーションには、画素値に基づいて変形する手法、臓器の輪郭を基準に変形する手法、それらの両方を考慮する手法がある。また、変形の曲がり易さを表す値や解像度がパラメータとして存在する。これらの手法やパラメータを変更することで、異なった非剛体レジストレーションよる結果を得ることができる。こうして得た複数の非剛体レジストレーションによる計画CT画像のそれぞれに対して、元治療計画と新治療計画の線量分布を計算する。 The third method considers errors in non-rigid registration, which deforms a CT image to match a cone beam CT image. Non-rigid registration can be performed using pixel values as a basis for deformation, using the contours of organs as a reference, or considering both. There are also parameters such as values that indicate how easily the deformation bends and resolution. By changing these methods and parameters, it is possible to obtain results using different non-rigid registrations. For each of the multiple planned CT images obtained using non-rigid registrations in this way, the dose distributions of the original treatment plan and the new treatment plan are calculated.

このように計算した線量分布(第一の線量分布、第二の線量分布)から線量指標(第一の線量指標、第二の線量指標)を計算し、図9に示すようにエラーバーで示すばらつきと共に表示する。図9に示す画面は、治療計画装置501の表示装置603、粒子線治療システムの表示装置315のいずれに表示されても良い。 From the dose distributions (first dose distribution, second dose distribution) calculated in this manner, dose indices (first dose index, second dose index) are calculated and displayed with the variations indicated by error bars as shown in FIG. 9. The screen shown in FIG. 9 may be displayed on either the display device 603 of the treatment planning device 501 or the display device 315 of the particle beam therapy system.

線量指標は、標的内や正常臓器における最大線量、最小線量、または線量体積ヒストグラム(DVH)で表される値である。また、線量分布から計算される標的内の線量一様度、線量と標的の一致度、腫瘍制御確率(TCP)、正常組織障害確率(NTCP)であってもよい。 The dose index is the maximum dose, minimum dose, or value expressed by the dose volume histogram (DVH) in the target or normal organs. It may also be the dose uniformity in the target calculated from the dose distribution, the degree of match between the dose and the target, the tumor control probability (TCP), or the normal tissue damage probability (NTCP).

治療計画装置501は、複数の誤差ケースで計算された線量分布からこれら線量指標の値を計算し、表示する。図9の例では、計画時の線量指標が参照として示されており、元治療計画と新治療計画による線量指標の値がばらつきと共に表示されている。図9(a)の例では、ばらつきまで含めて新治療計画のほうが良い値を示しているため、新治療計画の採用を促すものである。一方、図9(b)の例では、誤差なしの値としては新治療計画のほうが良いものの、新治療計画のほうがばらつきが大きく、最悪のケースでは旧計画のほうが良い値となっており、元治療計画の採用を促すものである。これらの指標が複数表示され、それらを総合的に考慮して、元治療計画と新治療計画から照射に用いる計画を選択する。 The treatment planning device 501 calculates and displays the values of these dose indices from the dose distributions calculated in multiple error cases. In the example of FIG. 9, the dose indices at the time of planning are shown as a reference, and the dose indices values from the original treatment plan and the new treatment plan are displayed along with their variations. In the example of FIG. 9(a), the new treatment plan shows a better value including the variations, so the adoption of the new treatment plan is encouraged. On the other hand, in the example of FIG. 9(b), although the new treatment plan is better in terms of values without errors, the new treatment plan has a larger variation, and in the worst case, the old plan has a better value, so the adoption of the original treatment plan is encouraged. Multiple of these indices are displayed, and the plan to be used for irradiation is selected from the original treatment plan and the new treatment plan by taking them into consideration comprehensively.

なお、ここでは誤差を付与する手法として多数のケースがあることを示した。全て計算することで、高精度にばらつきを表示することができる。一方、線量分布の計算に時間を要するため、ここで挙げた計算のうち、主要なものを選択して線量分布を計算することも有効である。 Note that here we have shown that there are many methods for adding error. By calculating all of them, it is possible to display the variation with high precision. However, since calculating the dose distribution takes time, it is also effective to select the main calculations from those listed here and calculate the dose distribution.

事前に作成した元治療計画が好ましい場合、ステップ207において照射を開始する。 If the original treatment plan prepared in advance is preferable, irradiation begins in step 207.

一方、照射直前に作成した新治療計画を選択した場合、ステップ205において、その治療計画を検証し、ステップ206において承認すると、照射する治療計画としてメモリに登録し、ステップ207の照射を開始する。 On the other hand, if a new treatment plan created immediately before irradiation is selected, the treatment plan is verified in step 205, and if approved in step 206, it is registered in memory as the treatment plan to be irradiated, and irradiation begins in step 207.

制御装置314はメモリに記録されたエネルギー、照射位置、照射量の情報を元に照射装置内の走査電磁石の励磁電流値を設定する。 The control device 314 sets the excitation current value of the scanning electromagnet in the irradiation device based on the energy, irradiation position, and irradiation amount information recorded in the memory.

オペレータが制御装置314に接続された操作卓にある照射開始ボタンを押すことで一連の照射を開始する。 The operator starts a series of irradiations by pressing the irradiation start button on the console connected to the control device 314.

照射手順について図10を用いて説明する。 The irradiation procedure is explained using Figure 10.

ステップ701においてエネルギー番号i=1、スポット番号j=1から照射を開始する。 In step 701, irradiation begins with energy number i=1 and spot number j=1.

ステップ702において、制御装置314はシンクロトロンを制御して制御装置から指定されたエネルギーまで陽子線を加速する。陽子線は、ライナックからシンクロトロンに入射され、シンクロトロン内を周回しながら加速装置306により加速される。また、制御装置314はビーム輸送系310を制御し、陽子線が照射装置400へ到達できるように電磁石を励磁する。 In step 702, the control device 314 controls the synchrotron to accelerate the proton beam to the energy specified by the control device. The proton beam is injected into the synchrotron from the linac and accelerated by the accelerator 306 while circulating inside the synchrotron. The control device 314 also controls the beam transport system 310 to excite the electromagnets so that the proton beam can reach the irradiation device 400.

ステップ703において、制御装置314は最初の照射位置を照射するためにX軸走査電磁石とY軸走査電磁石をそれぞれ励磁する。ステップ704において、走査電磁石の励磁が完了すると、制御装置314は高周波印加装置307を制御して陽子線に高周波を印加する。高周波を印加された陽子線はビーム輸送系310を経て照射装置400で走査され、最初の照射位置に達する。 In step 703, the control device 314 excites the X-axis scanning magnet and the Y-axis scanning magnet to irradiate the initial irradiation position. In step 704, when the excitation of the scanning magnets is completed, the control device 314 controls the high frequency application device 307 to apply high frequency to the proton beam. The proton beam to which high frequency has been applied passes through the beam transport system 310, is scanned by the irradiation device 400, and reaches the initial irradiation position.

陽子線が照射装置を通過した照射量は線量モニタ403により計測されており、その量がスポットに規定された照射量に達すると、制御装置314は高周波印加装置307を停止し、陽子線の出射を停止する。陽子線の出射停止後、次の照射位置を照射するためステップ703へ戻り、制御装置314は走査電磁石401、402の励磁量を変更する。 The dose of the proton beam passing through the irradiation device is measured by the dose monitor 403, and when that amount reaches the dose specified for the spot, the control device 314 stops the high frequency application device 307 and stops the emission of the proton beam. After the emission of the proton beam has stopped, the process returns to step 703 to irradiate the next irradiation position, and the control device 314 changes the excitation amount of the scanning electromagnets 401 and 402.

ステップ705においてj=ns(nsはエネルギーに含まれるスポット数)を満たすとステップ706において制御装置314はシンクロトロンを制御して減速し、ステップ702において次のエネルギーの照射に備える。 When j = ns (ns is the number of spots contained in the energy) is satisfied in step 705, the control device 314 controls the synchrotron to decelerate in step 706, and prepares for irradiation of the next energy in step 702.

ステップ707でi=nr(nrはエネルギー数)に達するとステップ708にて照射を完了する。 When i = nr (nr is the number of energies) is reached in step 707, irradiation is completed in step 708.

本実施例のように線量指標の値と共にばらつきを併記することで、誤差まで考慮して治療計画の選択を判断することができる。ばらつきまで可視化されることで迅速な判断が可能となる。アダプティブ治療では、非剛体レジストレーションによる誤差を考慮して線量分布を評価する必要がある。非剛体レジストレーションの誤差は、事前の治療計画では考慮する必要がなく、アダプティブ治療に特有のものである。普段考慮しない誤差に対して、本発明は可視化することで判断を支援する。 By displaying the variation alongside the dose index value as in this embodiment, it is possible to determine the selection of a treatment plan taking into account the error. Visualizing the variation allows for quicker decisions. In adaptive treatment, it is necessary to evaluate the dose distribution taking into account errors due to non-rigid registration. Non-rigid registration errors do not need to be considered in advance treatment plans and are unique to adaptive treatment. The present invention assists in making decisions by visualizing errors that are not usually taken into account.

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の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るものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。 The present invention is not limited to the above-mentioned examples, but includes various modified examples. The above-mentioned examples have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one example with the configuration of another example, and it is also possible to add the configuration of another example to the configuration of one example. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each example with other configurations.

一例として、本実施形態では陽子線を例に説明したが、炭素線を照射する場合、X線を照射する場合にも同様に計算が可能である。 As an example, in this embodiment, a proton beam is used, but the same calculations can be performed when irradiating carbon beams or X-rays.

また、本実施形態ではコーンビームCTを用いた例を示したが、通常のCT装置を室内に置くInRoomCTと呼ばれる装置のCT画像を用いてもよいし、MRI装置によるMRI画像を用いてもよい。 In addition, although this embodiment shows an example using a cone beam CT, it is also possible to use CT images from a device called InRoomCT, which is a normal CT device placed inside a room, or MRI images from an MRI device.

さらに、本実施例では図7、図8の処理を制御装置314の治療計画プログラム312が行っていたが、制御装置314の外にある治療計画装置501がこの処理を行ってもよい。 In addition, in this embodiment, the processing in Figures 7 and 8 was performed by the treatment planning program 312 of the control device 314, but this processing may also be performed by a treatment planning device 501 external to the control device 314.

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD等の記録装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。 Furthermore, the above-mentioned configurations, functions, processing units, processing means, etc. may be realized in part or in whole in hardware, for example by designing them as integrated circuits. Furthermore, the above-mentioned configurations, functions, etc. may be realized in software by a processor interpreting and executing a program that realizes each function. Information on the programs, tables, files, etc. that realize each function can be stored in a memory, a recording device such as a hard disk or SSD, or a recording medium such as an IC card, SD card, or DVD.

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 In addition, the control lines and information lines shown are those considered necessary for the explanation, and not all control lines and information lines in the product are necessarily shown. In reality, it can be assumed that almost all components are interconnected.

501…治療計画装置 602…入力装置 603…表示装置 604…メモリ 605…データベース 606…演算処理装置 607…通信装置

501: Treatment planning device 602: Input device 603: Display device 604: Memory 605: Database 606: Processing unit 607: Communication device

Claims (11)

標的に粒子線を照射する粒子線治療システムに適用される治療計画装置であって、
前記標的を撮像した計画時X線画像に基づいて前記粒子線の第一の線量分布を算出し、
前記計画時X線画像よりも後に前記標的を撮像した事前X線画像に基づいて前記粒子線の第二の線量分布を算出し、
これら第一及び第二の線量分布に関する第一及び第二の線量指標を算出し、これら第一及び第二の線量指標のばらつきを表示させる
ことを特徴とする治療計画装置。
A treatment planning device applied to a particle beam therapy system that irradiates a target with a particle beam, comprising:
calculating a first dose distribution of the particle beam based on a planning X-ray image of the target;
calculating a second dose distribution of the particle beam based on a preliminary X-ray image of the target captured after the planning X-ray image;
A treatment planning apparatus which calculates first and second dose indices relating to the first and second dose distributions and displays the variation of the first and second dose indices.
前記ばらつきは、前記標的の密度の誤差を付与して前記第一及び第二の線量分布を計算することにより得られることを特徴とする請求項1に記載の治療計画装置。 The treatment planning device according to claim 1, characterized in that the variation is obtained by calculating the first and second dose distributions by adding an error in the density of the target. 前記ばらつきは、前記計画時X線画像と前記事前X線画像との重ね合わせ誤差を付与して前記第一及び第二の線量分布を計算することにより得られることを特徴とする請求項1に記載の治療計画装置。 The treatment planning device according to claim 1, characterized in that the variation is obtained by calculating the first and second dose distributions by adding an overlay error between the planning X-ray image and the preliminary X-ray image. 前記ばらつきは、前記事前X線画像に基づいて前記計画時X線画像を変形させて前記第一及び第二の線量分布を計算することにより得られることを特徴とする請求項1に記載の治療計画装置。 The treatment planning device according to claim 1, characterized in that the variation is obtained by calculating the first and second dose distributions by transforming the planning X-ray image based on the preliminary X-ray image. 前記ばらつきがない場合の前記第一及び第二の線量指標を表示させるとともに、前記第一及び第二の線量指標に対して前記ばらつきをエラーバーとして表示させることを請求項1に記載の特徴とする治療計画装置。 A treatment planning device according to claim 1, which displays the first and second dose indices when there is no variation, and displays the variation for the first and second dose indices as error bars. 前記第一の線量分布に基づいて前記粒子線の照射量を算出して元治療計画を作成し、
前記第二の線量分布に基づいて前記粒子線の照射量を算出して再治療計画を作成し、
前記第一及び第二の線量指標のばらつきを表示させた後に、前記元治療計画または前記再治療計画のいずれを用いて前記粒子線の照射を行うかを選択させる
ことを請求項1に記載の特徴とする治療計画装置。
Calculating the dose of the particle beam based on the first dose distribution to generate an original treatment plan;
Calculating the dose of the particle beam based on the second dose distribution to create a retreatment plan;
2. The treatment planning device according to claim 1, further comprising: a display unit that displays the variations in the first and second dose indices, and then allows the user to select whether to use the original treatment plan or the retreatment plan for irradiating the particle beam.
前記事前X線画像は、前記粒子線治療システムによる前記粒子線の照射直前に撮像されたものであることを特徴とする請求項1に記載の治療計画装置。 The treatment planning device according to claim 1, characterized in that the preliminary X-ray image is taken immediately before irradiation of the particle beam by the particle beam therapy system. 標的に粒子線を照射し、治療計画装置を有する粒子線治療システムであって、
前記治療計画装置は、
前記標的を撮像した計画時X線画像に基づいて前記粒子線の第一の線量分布を算出し、
前記計画時X線画像よりも後に前記標的を撮像した事前X線画像に基づいて前記粒子線の第二の線量分布を算出し、
これら第一及び第二の線量分布に関する第一及び第二の線量指標を算出し、これら第一及び第二の線量指標のばらつきを表示させる
ことを特徴とする粒子線治療システム。
A particle beam therapy system for irradiating a target with a particle beam and having a treatment planning device, comprising:
The treatment planning system includes:
calculating a first dose distribution of the particle beam based on a planning X-ray image of the target;
calculating a second dose distribution of the particle beam based on a preliminary X-ray image of the target captured after the planning X-ray image;
A particle beam therapy system that calculates first and second dose indices relating to the first and second dose distributions and displays the variation between the first and second dose indices.
前記粒子線治療システムは前記標的にX線を照射することを特徴とする請求項8に記載の粒子線治療システム。 The particle beam therapy system according to claim 8, characterized in that the particle beam therapy system irradiates the target with X-rays. 標的に粒子線を照射する粒子線治療システムに適用される治療計画装置による治療計画生成方法であって、
前記標的を撮像した計画時X線画像に基づいて前記粒子線の第一の線量分布を算出し、
前記計画時X線画像よりも後に前記標的を撮像した事前X線画像に基づいて前記粒子線の第二の線量分布を算出し、
これら第一及び第二の線量分布に関する第一及び第二の線量指標を算出し、これら第一及び第二の線量指標のばらつきを表示させる
ことを特徴とする治療計画生成方法。
A method for generating a treatment plan by a treatment planning device applied to a particle beam therapy system that irradiates a target with a particle beam, comprising:
calculating a first dose distribution of the particle beam based on a planning X-ray image of the target;
calculating a second dose distribution of the particle beam based on a preliminary X-ray image of the target captured after the planning X-ray image;
A treatment plan generating method comprising the steps of: calculating first and second dose indices relating to the first and second dose distributions; and displaying the variations in the first and second dose indices.
標的に粒子線を照射する粒子線治療システムに適用されるコンピュータにより実行されるコンピュータプログラムであって、
前記標的を撮像した計画時X線画像に基づいて前記粒子線の第一の線量分布を算出する機能と、
前記計画時X線画像よりも後に前記標的を撮像した事前X線画像に基づいて前記粒子線の第二の線量分布を算出する機能と、
これら第一及び第二の線量分布に関する第一及び第二の線量指標を算出し、これら第一及び第二の線量指標のばらつきを表示させる機能と
を前記コンピュータに実現させるコンピュータプログラム。
A computer program executed by a computer to be applied to a particle beam therapy system that irradiates a target with a particle beam,
a function of calculating a first dose distribution of the particle beam based on a planning X-ray image of the target;
a function of calculating a second dose distribution of the particle beam based on a preliminary X-ray image of the target captured after the planning X-ray image;
and a computer program that causes the computer to realize a function of calculating first and second dose indices relating to the first and second dose distributions and displaying the variations of the first and second dose indices.
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