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JP2014023741A - Intensity modulation radiotherapy planning device, radiation beam coefficient computing method for the same, intensity modulation radiotherapy planning program, computer readable record medium, and recorded device - Google Patents

Intensity modulation radiotherapy planning device, radiation beam coefficient computing method for the same, intensity modulation radiotherapy planning program, computer readable record medium, and recorded device Download PDF

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JP2014023741A
JP2014023741A JP2012166589A JP2012166589A JP2014023741A JP 2014023741 A JP2014023741 A JP 2014023741A JP 2012166589 A JP2012166589 A JP 2012166589A JP 2012166589 A JP2012166589 A JP 2012166589A JP 2014023741 A JP2014023741 A JP 2014023741A
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Japan
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radiation
intensity
irradiation
dose
modulated
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JP2012166589A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuya Yoshinaga
哲哉 吉永
Kenichi Fujimoto
憲市 藤本
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University of Tokushima NUC
Original Assignee
University of Tokushima NUC
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Abstract

【課題】解の正値性と上界を保ちながら、極小解への収束性を備えた最適化計算でありつつも、計算時間を短縮し、また設定可能な値として解を得ることのできる強度変調放射線治療計画を実現する。
【解決手段】放射線治療を行う対象物の断層画像を取得する断層画像取得手段10と、断層画像取得手段10で取得した断層画像を表示する表示手段と、表示手段に表示された断層画像に基づいて、放射線を照射する対象となる標的体積PTV及び放射線照射を回避すべき領域OARを指定する照射領域指定手段34と、強度変調放射線照射装置50が照射する放射線ビームレット数、放射線ビームレット係数、線量伝達係数行列、領域数、目標照射線量の少なくとも何れかを指定する条件指定手段と、条件指定手段で指定された条件に従い、以下の非線形常微分方程式の解を用いて、目標関数の極小解を求める逆方向治療計画演算手段70とを備える。
【選択図】図1
[PROBLEMS] To reduce the calculation time and obtain a solution as a settable value while maintaining the positive value of the solution and the upper bound, and the optimization calculation having the convergence to the minimum solution. Realize an intensity-modulated radiation therapy plan.
A tomographic image acquisition unit for acquiring a tomographic image of an object to be subjected to radiation therapy, a display unit for displaying a tomographic image acquired by the tomographic image acquisition unit, and a tomographic image displayed on the display unit. The radiation volume designation means 34 for designating the target volume PTV to be irradiated and the area OAR to avoid radiation irradiation, the number of radiation beamlets irradiated by the intensity-modulated radiation irradiation apparatus 50, the radiation beamlet coefficient, A condition specifying means that specifies at least one of the dose transfer coefficient matrix, the number of areas, and the target irradiation dose, and a minimum solution of the target function using the following nonlinear ordinary differential equation solution according to the conditions specified by the condition specifying means Reverse treatment plan calculation means 70 for obtaining
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、強度変調放射線治療計画装置、強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法、強度変調放射線治療計画プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器に関する。   The present invention relates to an intensity-modulated radiation therapy planning apparatus, a radiation beam coefficient calculation method for the intensity-modulated radiation irradiation apparatus, an intensity-modulated radiation therapy planning program, a computer-readable recording medium, and a recorded device.

従来の外照射による放射線治療では、図6に示すように治療対象の周囲に配置した放射線源RSから放射線RBを均一に照射する方式のため、対象となる腫瘍TMにのみ高い線量で照射することができず、腫瘍TMの周囲に位置する重要組織OARにも同じく高い線量の照射がなされてしまう。このため腫瘍への高線量照射と重要組織温存とを両立させることは困難であった。そこで近年、図7に示すような放射線の強度変調を可能にした強度変調放射線治療(IMRT:Intensity Modulated Radiation Therapy)が利用されている。この治療方法では、放射線ビームの角度と強度を自由に制御できる機構を利用して、がん細胞等の腫瘍を治療するに十分な線量を標的体積(PTV:Planning Target Volume)に照射する。図7においては、リニアックのガントリ(放射線出力部)を回転させて任意の方向から放射線を照射可能とし、またMLC(Multi-Leaf Collimator)によってガントリから照射される放射線ビーム強度を変調することができる。この治療方法によれば、正常組織に照射される線量を低い値に抑制できるため、腫瘍への高線量照射と重要組織温存の両立が可能となる。   In conventional radiotherapy by external irradiation, radiation RB is uniformly irradiated from a radiation source RS arranged around the treatment target as shown in FIG. 6, so that only the target tumor TM is irradiated with a high dose. Therefore, the important tissue OAR located around the tumor TM is also irradiated with a high dose. For this reason, it has been difficult to achieve both high-dose irradiation and important tissue preservation to the tumor. Therefore, in recent years, intensity modulated radiation therapy (IMRT) that enables intensity modulation of radiation as shown in FIG. 7 has been used. In this treatment method, a target volume (PTV: Planning Target Volume) is irradiated with a dose sufficient to treat a tumor such as a cancer cell, using a mechanism capable of freely controlling the angle and intensity of the radiation beam. In FIG. 7, the linac gantry (radiation output unit) can be rotated to irradiate radiation from any direction, and the radiation beam intensity irradiated from the gantry can be modulated by an MLC (Multi-Leaf Collimator). . According to this treatment method, the dose irradiated to the normal tissue can be suppressed to a low value, so that both high-dose irradiation to the tumor and preservation of important tissue can be achieved.

しかしながら、IMRTの実施に際してこのような重要組織の温存を図るためには、放射線ビームの照射時に、周囲のリスク臓器(OAR:Organ At Risk)への線量をできる限り少なくするよう、事前に放射線の照射強度や照射方向等を決定する強度変調放射線治療計画を立案することが重要となる。このため、治療計画を立案するための放射線治療計画装置(RTPS)が開発されており、またこのような強度変調放射線治療計画に関して、様々な放射線治療計画方法が提案されている(特許文献1〜3参照)。   However, in order to preserve such important tissues during IMRT, the radiation dose should be reduced in advance so that the dose to the surrounding risk organ (OAR) is minimized when the radiation beam is irradiated. It is important to develop an intensity-modulated radiation treatment plan that determines the irradiation intensity, irradiation direction, and the like. For this reason, a radiation treatment planning apparatus (RTPS) for making a treatment plan has been developed, and various radiation treatment planning methods have been proposed for such intensity-modulated radiation treatment plans (Patent Documents 1 to 3). 3).

強度変調放射線治療は、コンピュータによる逆方向治療計画(インバースプラン)と、その計算結果通りの照射を可能とするコンピュータ制御の特殊照射法とで実現される。インバースプランは、コンピュータを用いて最適な照射法を算出する方法である。この方法では、1方向の放射線ビームを更に小さなセグメント単位で分割して照射し、理想的なビームパターンを作成する。さらに、コンピュータによってMLCを制御し、計算通りの照射を実現する。このようにインバースプランによって生成されたビームパターンを再現して、多方向から照射することによって理想の線量分布を得ることができる。この強度変調放射線治療においては、照射野内の各点において各放射線ビームからの照射線量は異なるものの、最終的にすべての放射線ビームの分布を合計した積算値において、目的の線量分布を実現する。   Intensity-modulated radiation therapy is realized by a computer-based inverse treatment plan (inverse plan) and a computer-controlled special irradiation method that enables irradiation according to the calculation result. The inverse plan is a method for calculating an optimal irradiation method using a computer. In this method, a radiation beam in one direction is divided into smaller segment units and irradiated to create an ideal beam pattern. In addition, the MLC is controlled by a computer to realize irradiation as calculated. Thus, an ideal dose distribution can be obtained by reproducing the beam pattern generated by the inverse plan and irradiating from multiple directions. In this intensity-modulated radiotherapy, although the irradiation dose from each radiation beam is different at each point in the irradiation field, the target dose distribution is finally realized by an integrated value obtained by summing the distributions of all the radiation beams.

治療開始前には、3次元治療計画装置を用いて何度も線量計算を繰り返し、最適な照射条件(治療計画)を探索する。また、複雑な照射法となるために、個別に照射対象部位の3次元的な線量分布を実際に再現して厳密に線量の誤差を確認する。具体的には、放射線治療を行うにあたり、照射対象となる領域の断層画像を、予めCTスキャン等により取得し、照射領域におけるPTVとOARを規定する。そして、所望の照射を得るための放射線照射のパラメータを指定して強度変調放射線治療計画装置に最適化計算を行わせる。そして、得られた解に従い、外部照射装置の放射線照射のパラメータを指定して、実際に放射線照射を行う。また、実際の照射によって得られた結果に基づいて、再度照射条件を変更し、必要に応じて再度強度変調放射線治療計画装置に演算を行わせる。このように、現状においては一度の演算で完全な解が得られるものでなく、使用者は試行錯誤を繰り返しながら目的の結果が得られるように照射条件を変更しているのが実情である。   Before the start of treatment, the dose calculation is repeated many times using a three-dimensional treatment plan apparatus, and an optimum irradiation condition (treatment plan) is searched. Moreover, since it is a complicated irradiation method, the dose error is strictly confirmed by actually reproducing the three-dimensional dose distribution of the irradiation target part individually. Specifically, in performing radiotherapy, a tomographic image of a region to be irradiated is acquired in advance by a CT scan or the like, and PTV and OAR in the irradiation region are defined. And the parameter of radiation irradiation for obtaining desired irradiation is designated, and the intensity modulation radiation treatment planning apparatus is made to perform optimization calculation. Then, according to the obtained solution, the radiation irradiation parameters of the external irradiation apparatus are designated, and the radiation irradiation is actually performed. Moreover, based on the result obtained by actual irradiation, the irradiation conditions are changed again, and the intensity-modulated radiation therapy planning apparatus performs the calculation again as necessary. Thus, in the present situation, a complete solution cannot be obtained by a single calculation, and the user is actually changing the irradiation conditions so as to obtain a desired result while repeating trial and error.

このような強度変調放射線治療計画(IMRT計画)について、詳細に検討する。強度変調放射線治療計画は、PTVには集中的に照射しつつ、OARには低線量となるように外部から照射する放射線強度をMLCを用いて調節するという問題である。ここでは、放射線ビームの入射方向と線量分布を設定し、放射線ビームの強度を決定する。すなわち、最適な線量分布(出力)を得るための放射線ビームレット係数(入力)を求める必要があることから、数学的には逆問題と呼ばれる部類に属する問題となる。   Such an intensity-modulated radiation therapy plan (IMRT plan) will be examined in detail. The intensity-modulated radiation therapy plan is a problem that the intensity of radiation irradiated from the outside is adjusted by using MLC so that the PTV is irradiated intensively and the OAR has a low dose. Here, the radiation beam incidence direction and dose distribution are set, and the intensity of the radiation beam is determined. That is, since it is necessary to obtain a radiation beamlet coefficient (input) for obtaining an optimum dose distribution (output), the problem belongs to a class called an inverse problem mathematically.

一般に逆問題では、解が存在しない状況や、解が存在したとしても複数個存在する等の状況が生じることが知られている。このため、真の解の近似解(最適解)を求めるための目標関数を設定し、それを最小化する問題(最小化問題)に置き換えることが行われている。   In general, it is known that an inverse problem has a situation in which no solution exists or a situation in which a plurality of solutions exist even if there are solutions. For this reason, an objective function for obtaining an approximate solution (optimal solution) of a true solution is set and replaced with a problem (minimization problem) that minimizes it.

目標関数は、上述したIMRT計画の目的である、「PTVには集中的に照射しつつも、OARには低線量となるように外部から照射する放射線強度を調節する」ために、「PTVには集中的に照射し、OARには低線量となる」ような状態を数式で表現したものである。このような目標関数としては、照射線量や、線量−体積ヒストグラム(DVH:Dose-Volume Histogram)、等価均一線量(EUD:Equivalent Uniform Dose)に基づく種々の目標関数が提案されている。またIMRTの最適化計算を行う手法として、フィルタ逆投影法、擬似的な焼きなまし、遺伝的アルゴリズム、ランダム検索技術、勾配法等が知られている。この内、計算速度が高速であることから、現状では勾配法に基づく反復アルゴリズムが臨床での実施に推奨されている。   The target function is the purpose of the above-mentioned IMRT plan, “To adjust the radiation intensity to be irradiated from the outside so as to reduce the dose to OAR while intensively irradiating PTV”. Is an expression that expresses a state in which the irradiation is concentrated and the OAR has a low dose. As such a target function, various target functions based on an irradiation dose, a dose-volume histogram (DVH), and an equivalent uniform dose (EUD) have been proposed. Further, as a method for performing the IMRT optimization calculation, a filter back projection method, pseudo annealing, a genetic algorithm, a random search technique, a gradient method, and the like are known. Among these, since the calculation speed is high, an iterative algorithm based on the gradient method is currently recommended for clinical implementation.

勾配法等の最適化法により得られたIMRT計画問題の解を強度変調放射線照射装置に入力して、実際のIMRTが行われることになる。   The IMRT planning problem obtained by an optimization method such as the gradient method is input to the intensity-modulated radiation irradiation apparatus, and actual IMRT is performed.

上述の通り、IMRT計画問題は、数学的には目標関数の最小化問題に帰着できる。このような最適化問題を解く一般的な手法としては、ニュートン法が知られているが、計算量が膨大となってしまう問題がある。具体的には、その最適化過程において目標関数のヘッセ行列とその逆行列を求める演算が必要となる。加えて、勾配法では局所的な最小(極小)解に捉えられると、抜け出せないという問題もある。さらに、放射線ビーム強度が負となる治療計画が演算される場合もある。この場合は、現実には負の線量強度を設定することはできないため、反復過程の終点で0に切断しなければならず、これにより最終解に理想との相違を生じる可能性も否定できない。あるいは解が正の値であっても、装置として設定不可能な高い値となることもあり、同様にそのままの値で利用できないという問題が生じ得る。さらには、周期点や準周期点が発生する可能性もあって(非特許文献1参照)、IMRT計画問題に適用することが実用的でないという問題があった。   As described above, the IMRT planning problem can be mathematically reduced to a goal function minimization problem. A Newton method is known as a general method for solving such an optimization problem, but there is a problem that the amount of calculation becomes enormous. Specifically, in the optimization process, an operation for obtaining the Hessian matrix of the target function and its inverse matrix is required. In addition, the gradient method has a problem that it cannot be escaped if it is captured as a local minimum (minimum) solution. Furthermore, a treatment plan in which the radiation beam intensity is negative may be calculated. In this case, since a negative dose intensity cannot be set in reality, it must be cut to 0 at the end of the iterative process, and thus the possibility of causing a difference from the ideal in the final solution cannot be denied. Alternatively, even if the solution is a positive value, it may become a high value that cannot be set as a device, and there may be a problem that the value cannot be used as it is. Furthermore, there is a possibility that periodic points and quasi-periodic points may occur (see Non-Patent Document 1), and there is a problem that it is not practical to apply to the IMRT planning problem.

一方で、split feasibility problemの解法としてCQアルゴリズムが提案されている(非特許文献2参照)。このCQアルゴリズムも、勾配法と同じく、IMRT計画問題の最適化に適用することができる。しかしながら、演算の高速化のためにはステップサイズの値を試行錯誤で設定する必要があり、手間がかかるという問題があった(非特許文献3参照)。   On the other hand, a CQ algorithm has been proposed as a solution for the split feasibility problem (see Non-Patent Document 2). Similar to the gradient method, this CQ algorithm can also be applied to the optimization of IMRT planning problems. However, in order to speed up the calculation, it is necessary to set the step size value by trial and error, which is troublesome (see Non-Patent Document 3).

さらに特許文献5には、放射線の線量送出を最適化するための方法およびシステムが開示される。この方法によれば、正のビーム重み制約を課さずに、従来の二次目標関数を使用し、非線形計画問題を解くことによって直接解を決定することができるとされている。しかしながら、一般的に大規模な系では、目標関数のグローバルミニマム(global minimum)を求めることは不可能である。   Further, Patent Document 5 discloses a method and system for optimizing radiation dose delivery. According to this method, it is said that a direct solution can be determined by solving a nonlinear programming problem using a conventional quadratic objective function without imposing a positive beam weight constraint. However, in general, in a large-scale system, it is impossible to obtain a global minimum of the objective function.

このように、現状のIMRT計画の最適化においては、計算時間がかかる上、解として得られた値も負の値等設定不可能な値となる等、正確性に欠けるものであり、より短時間で信頼性の高い結果を得ることのできる強度変調放射線治療計画の実現が望まれていた。   As described above, in the optimization of the current IMRT plan, calculation time is long, and a value obtained as a solution becomes a non-settable value such as a negative value. The realization of an intensity-modulated radiation therapy plan that can obtain reliable results in time has been desired.

特開2006−175239号公報JP 2006-175239 A 特表2007−514499号公報Special table 2007-514499 gazette 特開2011−212395号公報JP 2011-212395 A 特許4425129号公報Japanese Patent No. 4425129 特表2007−516743号公報Special table 2007-516743 gazette

K. Fujimoto and T. Yoshinaga, Bifurcations in an Iterative Optimization Process for Intensity Modulated Radiation Therapy, Int. J. Bifurcation Chaos, Vol.19, No.3, pp.1087-1095, 2009.K. Fujimoto and T. Yoshinaga, Bifurcations in an Iterative Optimization Process for Intensity Modulated Radiation Therapy, Int. J. Bifurcation Chaos, Vol.19, No.3, pp.1087-1095, 2009. C. Byrne, Iterative oblique projection onto convex sets and the split feasibility problem, Inverse Probl., Vol.18, pp.441-453, 2002.C. Byrne, Iterative oblique projection onto convex sets and the split feasibility problem, Inverse Probl., Vol.18, pp.441-453, 2002. Y. Censor, T. Bortfeld, B. Martin and A. Trofimov, A unified approach for inversion problems in intensity-modulated radiation therapy, Phys. Med. Biol., Vol.51, No.10, pp.2353-2365, 2006.Y. Censor, T. Bortfeld, B. Martin and A. Trofimov, A unified approach for inversion problems in intensity-modulated radiation therapy, Phys. Med. Biol., Vol. 51, No. 10, pp. 2353-2365, 2006. 藤本憲市, 吉永哲哉「強度変調放射線治療のための最適化反復法の力学的性質」信学技報,vol.106, no.452, pp.17-21, 2007.Kenichi Fujimoto, Tetsuya Yoshinaga "Mechanical properties of optimized iterative methods for intensity-modulated radiation therapy" IEICE Technical Report, vol.106, no.452, pp.17-21, 2007. 藤本憲市,山田健二,吉永哲哉「等価均一線量に基づいた強度変調放射線治療計画の最適化のための対角ニュートン法に関する一考察」信学技報,vol.107, no.154, pp.59-62, 2007.Kenichi Fujimoto, Kenji Yamada, Tetsuya Yoshinaga “A Study on the Diagonal Newton Method for Optimization of Intensity-Modulated Radiation Treatment Plans Based on Equivalent Uniform Dose” IEICE Technical Report, vol.107, no.154, pp. 59-62, 2007. 橋戸宏輔,藤本憲市,吉永哲哉「連続法を用いた強度変調放射線治療計画法」信学技報,Vol.111, No.62, pp.105-110, 2011.Kosuke Hashido, Kenichi Fujimoto, Tetsuya Yoshinaga “Intensity-modulated radiation therapy planning method using the continuous method”, IEICE Technical Report, Vol.111, No.62, pp.105-110, 2011. L. Portelance, K.S. Chao, P.W. Grigsby, H. Bennet, and D. Low, Intensity-modulated radiation therapy(IMRT) reduces small bowel, rectum, and bladder doses in patients with cervical cancer receiving pelvic and paraaortic irradiation, Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., Vol.51, No.1, pp.261-266, 2001.L. Portelance, KS Chao, PW Grigsby, H. Bennet, and D. Low, Intensity-modulated radiation therapy (IMRT) reduces small bowel, rectum, and bladder doses in patients with cervical cancer receiving pelvic and paraaortic irradiation, Int. J Radiat. Oncol. Biol. Phys., Vol.51, No.1, pp.261-266, 2001.

本発明は、このような背景に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、解の正値性と上界を保ちながら、極小解への収束性を備えた最適化計算でありつつも、計算時間を短縮し、また設定可能な値として解を得ることのできる強度変調放射線治療計画装置、強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法、強度変調放射線治療計画プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器を提供することにある。   The present invention has been made in view of such a background. The main object of the present invention is to achieve an optimization calculation with convergence to a minimal solution while maintaining the positive value and upper bound of the solution, while reducing the calculation time and solving as a settable value. It is an object of the present invention to provide an intensity-modulated radiation therapy planning apparatus, a radiation beam coefficient calculation method for the intensity-modulated radiation irradiation apparatus, an intensity-modulated radiation therapy planning program, a computer-readable recording medium, and a recorded device.

課題を解決するための手段及び発明の効果Means for Solving the Problems and Effects of the Invention

上記の目的を達成するために、本発明の第1の強度変調放射線治療計画装置によれば、強度変調放射線照射装置を用いて強度変調放射線治療を行うための放射線の照射条件を決定する強度変調放射線治療計画装置であって、放射線治療を行う対象物の断層画像を取得する断層画像取得手段と、前記断層画像取得手段で取得した断層画像を表示する表示手段と、前記表示手段に表示された断層画像に基づいて、放射線を照射する対象となる標的体積PTV及び放射線照射を回避すべき領域OARを指定する照射領域指定手段と、強度変調放射線照射装置が照射する放射線ビームレット数、放射線ビームレット係数、線量伝達係数行列、領域数、目標照射線量の少なくとも何れかを指定する条件指定手段と、前記条件指定手段で指定された条件に従い、以下の非線形常微分方程式の解を用いて、目標関数の極小解を求める逆方向治療計画演算手段とを備えることができる。   To achieve the above object, according to the first intensity-modulated radiation therapy planning apparatus of the present invention, intensity modulation for determining radiation irradiation conditions for performing intensity-modulated radiation therapy using the intensity-modulated radiation irradiation apparatus. A radiotherapy planning apparatus, a tomographic image acquisition unit that acquires a tomographic image of an object to be subjected to radiotherapy, a display unit that displays a tomographic image acquired by the tomographic image acquisition unit, and displayed on the display unit Based on the tomographic image, an irradiation area designating unit for designating a target volume PTV to be irradiated with radiation and an area OAR to avoid radiation irradiation, the number of radiation beamlets irradiated by the intensity-modulated radiation irradiation apparatus, and a radiation beamlet A condition designating means for designating at least one of a coefficient, a dose transfer coefficient matrix, the number of regions, and a target irradiation dose, and a condition designated by the condition designating means. There, using the solution of the following nonlinear ordinary differential equations, it is possible and an inverse treatment planning calculation means for calculating a local minimum of the objective function.

上式において、x=(x,x,...,xTは放射線ビームレット係数、Jは放射線ビームレット数、Tはベクトル又は行列の転置を表しており、Kは線量伝達係数行列であって、次式で表現される。 Where x = (x 1 , x 2 ,..., X J ) T is the radiation beamlet coefficient, J is the number of radiation beamlets, T is the transpose of the vector or matrix, and K is the dose transfer It is a coefficient matrix and is expressed by the following equation.

なお、Rは非負の実数、IはPTVとOAR領域の全画素数を表す。またUは単位行列、X=diag(x)であり、γ>0とする。また初期値x(0)=xの要素は、次式で選択される。 R + represents a non-negative real number, and I represents the total number of pixels in the PTV and OAR areas. U is a unit matrix, X = diag (x), and γ> 0. The element of the initial value x (0) = x 0 is selected by the following equation.

また、Kx∈Rの各要素は各画素への照射線量を表し、P:R→Rは、Kxと目標照射線量との差を調整するための射影を表す。なお、目標照射線量はPTV、OAR毎に異なる値を設定してもよい。 Further, each element of Kx∈R I represents the irradiation dose for each pixel, P: R I → R I represents a projection for adjusting the difference between Kx and the target irradiation dose. The target irradiation dose may be set to a different value for each PTV and OAR.

これにより、得られる解に予め上限を加えることができ、強度変調放射線照射装置で設定可能な放射線量で解を求めることが可能となる。   Thereby, an upper limit can be added to the obtained solution in advance, and the solution can be obtained with a radiation dose that can be set by the intensity-modulated radiation irradiation apparatus.

また、第2の強度変調放射線治療計画装置によれば、前記極小解を求めるために、目標関数の微分関数を次式のように離散化した反復法を用いることができる。   In addition, according to the second intensity-modulated radiation therapy planning apparatus, an iterative method in which the differential function of the target function is discretized as in the following equation can be used to obtain the minimum solution.

上式において、λ>0であり、nは離散時刻(n=0,1,2,...)、Φは次式で表現される。 In the above equation, λ> 0, n is a discrete time (n = 0, 1, 2,...), And Φ n is expressed by the following equation.

さらに、第3の強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法によれば、強度変調放射線照射装置を用いて強度変調放射線治療を行うための、放射線の照射条件を決定する強度変調放射線治療計画における、所望の線量分布を得るために必要な放射線ビーム係数を演算する方法であって、放射線治療を行う対象物の断層画像を取得する工程と、前記取得された断層画像を、表示手段に表示させる工程と、前記表示手段に表示された断層画像に基づいて、放射線を照射する対象となる標的体積PTV及び放射線照射を回避すべき領域OARを指定する工程と、強度変調放射線照射装置が照射する放射線ビームレット数、放射線ビームレット係数、線量伝達係数行列、領域数、目標照射線量の少なくとも何れかに基づき、以下の非線形常微分方程式の解を用いて、目標関数の極小解を求める工程とを含むことができる。   Furthermore, according to the radiation beam coefficient calculation method of the third intensity-modulated radiation irradiation apparatus, in the intensity-modulated radiation treatment plan for determining the irradiation condition of radiation for performing the intensity-modulated radiation treatment using the intensity-modulated radiation irradiation apparatus. A method for calculating a radiation beam coefficient necessary for obtaining a desired dose distribution, the step of acquiring a tomographic image of an object to be subjected to radiation therapy, and displaying the acquired tomographic image on a display means A step, a step of designating a target volume PTV to be irradiated with radiation and a region OAR to avoid radiation irradiation based on the tomographic image displayed on the display means, and radiation irradiated by the intensity-modulated radiation irradiation apparatus Based on at least one of the number of beamlets, radiation beamlet coefficients, dose transfer coefficient matrix, number of regions, and target irradiation dose, the following nonlinear normal Using the solution of the equation can include a step of determining a local minimum of the objective function.

上式において、x=(x,x,...,xTは放射線ビームレット係数、Jは放射線ビームレット数、Tはベクトル又は行列の転置を表しており、Kは線量伝達係数行列であって、次式で表現される。 Where x = (x 1 , x 2 ,..., X J ) T is the radiation beamlet coefficient, J is the number of radiation beamlets, T is the transpose of the vector or matrix, and K is the dose transfer It is a coefficient matrix and is expressed by the following equation.

なお、Rは非負の実数、IはPTVとOAR領域の全画素数を表す。またUは単位行列、X=diag(x)であり、γ>0とする。また初期値x(0)=xの要素は、次式で選択される。 R + represents a non-negative real number, and I represents the total number of pixels in the PTV and OAR areas. U is a unit matrix, X = diag (x), and γ> 0. The element of the initial value x (0) = x 0 is selected by the following equation.

また、Kx∈Rの各要素は各画素への照射線量を表し、P:R→Rは、Kxと目標照射線量との差を調整するための射影を表す。なお、目標照射線量はPTV、OAR毎に異なる値を設定してもよい。 Further, each element of Kx∈R I represents the irradiation dose for each pixel, P: R I → R I represents a projection for adjusting the difference between Kx and the target irradiation dose. The target irradiation dose may be set to a different value for each PTV and OAR.

これにより、得られる解に予め上限を加えることができ、強度変調放射線照射装置で設定可能な放射線量で解を求めることが可能となる。   Thereby, an upper limit can be added to the obtained solution in advance, and the solution can be obtained with a radiation dose that can be set by the intensity-modulated radiation irradiation apparatus.

さらにまた、第4の強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法によれば、前記極小解を求めるために、目標関数の微分関数を次式のように離散化した反復法を用いることができる。   Furthermore, according to the radiation beam coefficient calculation method of the fourth intensity-modulated radiation irradiation apparatus, an iterative method in which the differential function of the target function is discretized as the following equation can be used to obtain the minimum solution. .

上式において、λ>0であり、nは離散時刻(n=0,1,2,...)、Φは次式で表現される。 In the above equation, λ> 0, n is a discrete time (n = 0, 1, 2,...), And Φ n is expressed by the following equation.

さらにまた、第5の強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法によれば、前記目標関数を、線量分布に基づいて規定することができる。   Furthermore, according to the radiation beam coefficient calculation method of the fifth intensity-modulated radiation irradiation apparatus, the target function can be defined based on the dose distribution.

さらにまた、第6の強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法によれば、前記目標関数を、線量−体積ヒストグラム又は等価均一線量に基づいて規定することができる。   Furthermore, according to the radiation beam coefficient calculation method of the sixth intensity-modulated radiation irradiation apparatus, the target function can be defined based on a dose-volume histogram or an equivalent uniform dose.

さらにまた、第7の強度変調放射線治療計画プログラムによれば、強度変調放射線照射装置を用いて強度変調放射線治療を行うための放射線の照射条件を決定する強度変調放射線治療計画プログラムであって、放射線治療を行う対象物の断層画像に基づいて、放射線を照射する対象となる標的体積PTV及び放射線照射を回避すべき領域OARを指定する機能と、強度変調放射線照射装置が照射する放射線ビームレット数、放射線ビームレット係数、線量伝達係数行列、領域数、目標照射線量の少なくとも何れかを指定する機能と、指定された条件に従い、以下の非線形常微分方程式の解を用いて、目標関数の極小解を求める機能とをコンピュータに実行させることができる。   Furthermore, according to the seventh intensity-modulated radiation therapy planning program, there is provided an intensity-modulated radiation therapy planning program for determining radiation irradiation conditions for performing intensity-modulated radiation therapy using an intensity-modulated radiation irradiation apparatus, Based on the tomographic image of the object to be treated, the function of designating the target volume PTV to be irradiated with radiation and the region OAR to avoid radiation irradiation, the number of radiation beamlets irradiated by the intensity-modulated radiation irradiation apparatus, A function that specifies at least one of the radiation beamlet coefficient, dose transfer coefficient matrix, number of regions, and target irradiation dose, and the solution of the following nonlinear ordinary differential equation according to the specified conditions, the minimum solution of the target function The desired function can be executed by the computer.

上式において、x=(x,x,...,xTは放射線ビームレット係数、Jは放射線ビームレット数、Tはベクトル又は行列の転置を表しており、Kは線量伝達係数行列であって、次式で表現される。 Where x = (x 1 , x 2 ,..., X J ) T is the radiation beamlet coefficient, J is the number of radiation beamlets, T is the transpose of the vector or matrix, and K is the dose transfer It is a coefficient matrix and is expressed by the following equation.

なお、Rは非負の実数、IはPTVとOAR領域の全画素数を表す。またUは単位行列、X=diag(x)であり、γ>0とする。また初期値x(0)=xの要素は、次式で選択される。 R + represents a non-negative real number, and I represents the total number of pixels in the PTV and OAR areas. U is a unit matrix, X = diag (x), and γ> 0. The element of the initial value x (0) = x 0 is selected by the following equation.

また、Kx∈Rの各要素は各画素への照射線量を表し、P:R→Rは、Kxと目標照射線量との差を調整するための射影を表す。なお、目標照射線量はPTV、OAR毎に異なる値を設定してもよい。 Further, each element of Kx∈R I represents the irradiation dose for each pixel, P: R I → R I represents a projection for adjusting the difference between Kx and the target irradiation dose. The target irradiation dose may be set to a different value for each PTV and OAR.

これにより、得られる解に予め上限を加えることができ、強度変調放射線照射装置で設定可能な放射線量で解を求めることが可能となる。   Thereby, an upper limit can be added to the obtained solution in advance, and the solution can be obtained with a radiation dose that can be set by the intensity-modulated radiation irradiation apparatus.

さらにまた、第8の強度変調放射線治療計画プログラムによれば、前記極小解を求めるために、目標関数の微分関数を次式のように離散化した反復法を用いることができる。   Furthermore, according to the eighth intensity-modulated radiation therapy planning program, an iterative method in which the differential function of the target function is discretized as in the following equation can be used to obtain the minimum solution.

上式において、λ>0であり、nは離散時刻(n=0,1,2,...)、Φは次式で表現される。 In the above equation, λ> 0, n is a discrete time (n = 0, 1, 2,...), And Φ n is expressed by the following equation.

さらにまた第9のコンピュータで読み取り可能な記録媒体又は記録した機器は、上記プログラムを格納するものである。記録媒体には、CD−ROM、DVD、Blue−ray(登録商標)、フレキシブルディスク、MO等の光ディスク、磁気ディスク、光磁気ディスク、あるいは磁気テープ等の磁気媒体、半導体メモリその他のプログラムを格納可能な媒体が含まれる。またプログラムには、上記記録媒体に格納されて配布されるものの他、インターネット等のネットワーク回線を通じてダウンロードによって配布される形態のものも含まれる。さらに記録した機器には、上記プログラムがソフトウェアやファームウェア等の形態で実行可能な状態に実装された汎用もしくは専用機器を含む。さらにまたプログラムに含まれる各処理や機能は、コンピュータで実行可能なプログラムソフトウエアにより実行してもよいし、各部の処理を所定のゲートアレイ(FPGA、ASIC)等のハードウエア、又はプログラム・ソフトウエアとハードウェアの一部の要素を実現する部分的ハードウエア・モジュールとが混在する形式で実現してもよい。   Furthermore, a ninth computer-readable recording medium or recorded device stores the program. Recording media can store CD-ROM, DVD, Blue-ray (registered trademark), flexible disk, optical disk such as MO, magnetic disk, magneto-optical disk, magnetic medium such as magnetic tape, semiconductor memory, and other programs. Media. The program includes a program distributed in a download manner through a network line such as the Internet, in addition to a program stored and distributed in the recording medium. Further, the recorded devices include general-purpose or dedicated devices in which the program is implemented in a state where it can be executed in the form of software, firmware, or the like. Furthermore, each process and function included in the program may be executed by program software that can be executed by a computer, or each part of the process or function may be executed by hardware such as a predetermined gate array (FPGA, ASIC), or program software. It may be realized in the form of a mixture of hardware and partial hardware modules that realize some elements of hardware.

本発明の実施例による典型的な放射線治療装置を概略的に示す図である。1 schematically illustrates an exemplary radiotherapy device according to an embodiment of the present invention. FIG. 9ビーム放射線投与システムをビームの強度変調の逆方向治療計画のための3つのグループへまとめた典型的なグループ分けを示す図である。FIG. 6 shows an exemplary grouping of 9 beam radiation delivery systems grouped into three groups for beam intensity modulation retrograde treatment planning. 実施例2で用いたファントムを示すイメージ図である。It is an image figure which shows the phantom used in Example 2. FIG. λ=0.1のときの線量分布図(上段)を示すイメージ図及びDVH(下段)を示すグラフである。It is a graph which shows the image figure and DVH (lower stage) which show the dose distribution figure (upper stage) in case of (lambda) = 0.1. λ=0.5のときの線量分布図(上段)を示すイメージ図及びDVH(下段)を示すグラフである。It is the graph which shows the image figure and DVH (lower stage) which show the dose distribution figure (upper stage) in case of (lambda) = 0.5. 従来の放射線治療を行う様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that the conventional radiotherapy is performed. 強度変調放射線治療計画を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an intensity modulation radiation treatment plan.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための強度変調放射線治療計画装置、強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法、強度変調放射線治療計画プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器を例示するものであって、本発明は強度変調放射線治療計画装置、強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法、強度変調放射線治療計画プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器を以下のものに特定しない。また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiments described below are read by an intensity-modulated radiation treatment planning apparatus, a radiation beam coefficient calculation method of the intensity-modulated radiation irradiation apparatus, an intensity-modulated radiation treatment planning program, and a computer for embodying the technical idea of the present invention. This invention exemplifies a possible recording medium and recorded apparatus, and the present invention relates to an intensity-modulated radiation treatment planning apparatus, a radiation beam coefficient calculation method for the intensity-modulated radiation irradiation apparatus, an intensity-modulated radiation treatment planning program, and a computer-readable medium. The recording media and recorded equipment are not specified as follows. Further, the present specification by no means specifies the members shown in the claims to the members of the embodiments. In particular, the dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the component parts described in the embodiments are not intended to limit the scope of the present invention unless otherwise specified, and are merely explanations. It is just an example. Note that the size, positional relationship, and the like of the members shown in each drawing may be exaggerated for clarity of explanation. Furthermore, in the following description, the same name and symbol indicate the same or the same members, and detailed description thereof will be omitted as appropriate. Furthermore, each element constituting the present invention may be configured such that a plurality of elements are constituted by the same member and the plurality of elements are shared by one member, and conversely, the function of one member is constituted by a plurality of members. It can also be realized by sharing.

本明細書において動画像符号化装置に接続される操作、制御、入出力、表示、その他の処理等のためのコンピュータ、プリンタ、外部記憶装置その他の周辺機器との接続は、例えばIEEE1394、RS−232x、RS−422、RS−423、RS−485、USB等のシリアル接続、パラレル接続、あるいは10BASE−T、100BASE−TX、1000BASE−T等のネットワークを介して電気的に接続して通信を行う。接続は有線を使った物理的な接続に限られず、IEEE802.1x、OFDM方式等の無線LANやBluetooth(登録商標)等の電波、赤外線、光通信等を利用した無線接続等でもよい。さらに検索対象のテキストや画像データの保存やデータベース構築、検索等に関する設定の保存等を行うための記録媒体には、メモリカードや磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等が利用できる。
(放射線治療システム100)
In this specification, connection to a computer, printer, external storage device and other peripheral devices for operation, control, input / output, display, and other processing connected to the moving image encoding apparatus is, for example, IEEE 1394, RS- 232x, RS-422, RS-423, RS-485, serial connection such as USB, parallel connection, or electrically connected via a network such as 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T . The connection is not limited to a physical connection using a wire, but may be a wireless connection using radio waves such as IEEE802.1x, OFDM, etc., Bluetooth (registered trademark), infrared rays, optical communication, or the like. Further, a memory card, a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a semiconductor memory, or the like can be used as a recording medium for storing text and image data to be searched, database construction, setting for searching, and the like.
(Radiotherapy system 100)

図1に、本発明の一実施の形態に係る放射線治療システム100の概略図を示す。この放射線治療システム100は、放射線治療を計画するのに用いる診断画像を得るための断層画像取得手段10と、強度変調放射線照射装置50と、操作手段32とを備える。ここでは断層画像取得手段10として、コンピュータ断層撮像(CT)スキャナを備えている。CTスキャナは、回転ガントリ16に取り付けられるX線源14を備えている。X線源14は、検査領域を通過するX線としてファンビームやコーンビームを照射する。一方、被検体OBを載置する支持体12は、検査領域内の標的エリアを直線的に移動させることができる。これにより、支持体12によって支持される被検体OBの標的エリアにX線を相互作用させることができる。直線的な被検体OBの動きは、被検体OBに対するX線源14のヘリカル軌道の周回を生じさせるよう、回転ガントリ16によるX線源14の回転と協働する。またX線が被検体OBとの相互作用により被検体OBに部分的に吸収される検査領域を通過した後、X線を受領できるように、X線検出アレイ18が配置される。したがって、X線検出アレイ18で検出されるX線は、被検体OBに関する吸収情報を有している。
(CTスキャナ)
FIG. 1 shows a schematic diagram of a radiation therapy system 100 according to an embodiment of the present invention. The radiotherapy system 100 includes a tomographic image acquisition unit 10 for obtaining a diagnostic image used for planning radiotherapy, an intensity-modulated radiation irradiation apparatus 50, and an operation unit 32. Here, a computer tomography (CT) scanner is provided as the tomographic image acquisition means 10. The CT scanner includes an X-ray source 14 that is attached to a rotating gantry 16. The X-ray source 14 emits a fan beam or a cone beam as X-rays that pass through the inspection region. On the other hand, the support 12 on which the subject OB is placed can move linearly in the target area within the examination region. Thereby, X-rays can interact with the target area of the subject OB supported by the support 12. The linear movement of the subject OB cooperates with the rotation of the X-ray source 14 by the rotating gantry 16 so as to cause a helical orbit of the X-ray source 14 relative to the subject OB. In addition, the X-ray detection array 18 is arranged so that X-rays can be received after passing through an examination region that is partially absorbed by the subject OB due to interaction with the subject OB. Therefore, the X-rays detected by the X-ray detection array 18 have absorption information related to the subject OB.
(CT scanner)

CTスキャナは、放射線治療によって治療される被検体OBの内、選択された標的エリアについて、選択された撮像シーケンスを実行するようCT制御手段20によって操作される。CTスキャナは、撮像シーケンスの実行により、標的エリアの撮像データを取得する。取得された撮像データは、撮像データメモリ22に格納される。また再構成演算手段24は、取得された撮像データから標的エリアの断層画像を再構成する。再構成された画像は、画像再構成メモリ26に格納される。   The CT scanner is operated by the CT control means 20 so as to execute the selected imaging sequence for the selected target area in the subject OB to be treated by the radiotherapy. The CT scanner acquires imaging data of the target area by executing the imaging sequence. The acquired imaging data is stored in the imaging data memory 22. The reconstruction calculation unit 24 reconstructs a tomographic image of the target area from the acquired imaging data. The reconstructed image is stored in the image reconstruction memory 26.

なお上述した断層画像取得手段は例示であって、本願発明は上記の構成に限定されるものでない。例えばCTスキャナには、シングルスライス又はマルチスライスのファンビームCTスキャナ、又は他の種類のCT撮像スキャナを代用することもできる。また磁気共鳴撮像(MRI)スキャナ、陽子放出断層撮像(PET)スキャナ、単光子放出コンピュータ断層撮像(SPECT)スキャナ等、他の種類の断層撮像スキャナも、CTスキャナに代えて利用できる。
(断層画像取得手段10)
The above-described tomographic image acquisition means is merely an example, and the present invention is not limited to the above configuration. For example, a single-slice or multi-slice fan beam CT scanner or other types of CT imaging scanners can be substituted for the CT scanner. Other types of tomographic scanners such as a magnetic resonance imaging (MRI) scanner, a proton emission tomography (PET) scanner, and a single photon emission computed tomography (SPECT) scanner can also be used in place of the CT scanner.
(Tomographic image acquisition means 10)

図1に示す断層画像取得手段10は、強度変調放射線照射装置50と離間して設けられている。好ましくは、断層撮像前に被検体OBに信用マーカが与えられ、断層撮像と放射線照射の間での位置合わせできるよう、断層撮像に続いて行われる放射線照射まで、そのままの位置にて維持される。なお断層画像取得と放射線治療との間の空間的な位置合わせのために、他の方法として、例えば内在的な解剖学的なマーカを利用することもできる。さらに、断層撮像と放射線治療の間の位置合わせ誤差を低減するよう、断層画像取得手段を放射線治療装置と一体化することも可能である。また一方、本発明は既に撮像された断層画像を、断層画像取得手段を用いてデータ等の形で取得する形態とすることもできる。また操作手段32は、ユーザが各種操作を行うためのコンソール等の入力デバイスを備えている。図1の例では、操作手段32としてPCを利用している。PCは、専用のプログラムをインストールすることで、他の機能、例えば再構成演算手段24や密度プロファイル演算手段30、照射領域指定手段34や逆方向治療計画演算手段70等の機能の一部又は全部を果たすこともできる。また、PCのハードディスクや半導体メモリを利用して、撮像データメモリ22や画像再構成メモリ26の機能を奏することも可能である。さらにPCのモニタを、断層画像取得手段で取得した断層画像を表示するための表示手段として利用できる。
(密度プロファイル演算手段30)
The tomographic image acquisition means 10 shown in FIG. 1 is provided apart from the intensity-modulated radiation irradiation apparatus 50. Preferably, a trust marker is given to the object OB before tomographic imaging, and the radiation irradiation performed following tomographic imaging is maintained at the same position so that alignment between tomographic imaging and radiation irradiation can be performed. . As another method for spatial alignment between tomographic image acquisition and radiation therapy, for example, an intrinsic anatomical marker can be used. Furthermore, it is possible to integrate the tomographic image acquisition means with the radiotherapy apparatus so as to reduce the alignment error between the tomographic imaging and the radiotherapy. On the other hand, according to the present invention, a tomographic image that has already been captured can be acquired in the form of data or the like using a tomographic image acquisition unit. The operation means 32 includes an input device such as a console for a user to perform various operations. In the example of FIG. 1, a PC is used as the operation means 32. The PC installs a dedicated program so that some or all of other functions such as the reconstruction calculation means 24, the density profile calculation means 30, the irradiation region designation means 34, the reverse treatment plan calculation means 70, etc. Can also be fulfilled. Further, the functions of the imaging data memory 22 and the image reconstruction memory 26 can be achieved using a PC hard disk or semiconductor memory. Further, the PC monitor can be used as a display means for displaying the tomographic image acquired by the tomographic image acquiring means.
(Density profile calculation means 30)

図1に示す密度プロファイル演算手段30は、操作手段32上で指定された被検体の標的エリアの中又は周りの構造の物理的な密度を計算する。標的及び重要組織は、断層画像再構成のディスプレイ上に手動で配置される。あるいは、密度又は他の特性に基づいて様々なエリアが自動的に決定される。物理的な密度は、被検体の中へ通過するときに放射線治療で用いられる放射線の吸収又は減衰を計算するのに用いられる。   The density profile calculation means 30 shown in FIG. 1 calculates the physical density of the structure in or around the target area of the subject designated on the operation means 32. The target and critical tissue are manually placed on the tomographic reconstruction display. Alternatively, various areas are automatically determined based on density or other characteristics. The physical density is used to calculate the absorption or attenuation of radiation used in radiation therapy as it passes into the subject.

照射領域指定手段34は、表示手段に表示された断層画像に基づいて、放射線を照射する対象となる標的体積PTV及び放射線照射を回避すべき領域OARを指定する。ここでは、放射線治療のための関心領域ROIを定義する。関心領域ROIは、標的や標的エリア内で放射線量が最小限とされるべき重要組織、あるいは放射線遮断構造等を含む。照射領域を指定する輪郭は、操作手段32を用いてユーザが手動で指定できる。好ましくは、境界線は、自動的に配置された密度境界面によって電子的に区別する。あるいは、電子断層画像中で密度等の特性に基づいて各組織の領域を区別し、関心領域を自動的に識別するように構成してもよい。また他の方法として、ユーザに各領域中の1つ又は少数のシード点を指定させ、密度プロファイル演算手段30が、同じ密度の、又は他の区別する特性を有する周囲のボクセルを組み込む領域を画成するよう点を成長させる。一般には、照射領域指定手段34は、標的エリア内の標的放射線量分布を含む放射線治療目的〔目標照射線量〕を与える。この放射線治療目的には、選択された重要組織中の最大照射線量といった制約を受けることがある。   The irradiation region designating unit 34 designates the target volume PTV to be irradiated with radiation and the region OAR where radiation irradiation should be avoided based on the tomographic image displayed on the display unit. Here, a region of interest ROI for radiation therapy is defined. The region of interest ROI includes a target, an important tissue whose radiation dose should be minimized within the target area, or a radiation blocking structure. The contour for designating the irradiation area can be manually designated by the user using the operation means 32. Preferably, the boundary lines are electronically distinguished by automatically arranged density boundary surfaces. Alternatively, each tissue region may be distinguished based on characteristics such as density in the electronic tomographic image, and the region of interest may be automatically identified. As another method, the user can designate one or a few seed points in each region, and the density profile calculation means 30 defines a region in which surrounding voxels having the same density or other distinguishing characteristics are incorporated. Grow points to achieve. In general, the irradiation area designating unit 34 provides a radiation therapy purpose (target irradiation dose) including the target radiation dose distribution in the target area. This radiotherapy purpose may be constrained by the maximum dose in the selected critical tissue.

例えば、80Gyの照射線量は、照射によって悪影響を受ける可能性の高い重要組織中に、この値の最大でも20%(即ち、16Gy)の制限と共にエリアが放射線治療を受けるように、標的が決められる。また放射線治療目的は、放射線源のパラメータに対する制約も受けることがある。例えば、選択された最小強度(例えばゼロ強度)と放射線源についてのビーム部分中の最大出力に対応して、選択された最大強度の間にビーム部分強度が制限される。
(強度変調放射線照射装置50)
For example, an 80 Gy dose is targeted so that the area receives radiation therapy in critical tissues that are likely to be adversely affected by the irradiation, with a limit of at most 20% of this value (ie, 16 Gy). . Radiotherapy purposes may also be constrained by radiation source parameters. For example, the beam portion intensity is limited between the selected maximum intensity corresponding to the selected minimum intensity (eg, zero intensity) and the maximum power in the beam portion for the radiation source.
(Intensity modulated radiation irradiation device 50)

図1に示す強度変調放射線照射装置50は、回転ガントリ56に取り付けられた放射線源54を有する放射線照射装置51を含む。回転ガントリ56は、放射線源54を回転軸を中心に回転させる。支持体52は、放射線源54によって生成される強度変調された放射線ビーム60が標的エリアに照射されるよう被検体OBを厳密に位置決めする。   The intensity-modulated radiation irradiation apparatus 50 shown in FIG. 1 includes a radiation irradiation apparatus 51 having a radiation source 54 attached to a rotating gantry 56. The rotating gantry 56 rotates the radiation source 54 around the rotation axis. The support 52 strictly positions the subject OB such that the target area is irradiated with the intensity-modulated radiation beam 60 generated by the radiation source 54.

ヘリカルトモセラピーでは、被検体OBの回りに放射線源54のヘリカル軌道の周回を生じさせるよう、回転ガントリ56が放射線源54を回転させる間、支持体52は被検体OBを直線的に移動させる。光子ビーム等、強度変調された放射線ビーム60は、変化する強度及び/又は周囲を有する断面領域を形成する。放射線ビーム60は、ヘリカル回転中に連続的に印加され、又は放射線治療中に選択的に印加される。   In helical tomotherapy, the support 52 moves the subject OB linearly while the rotating gantry 56 rotates the radiation source 54 so as to cause the helical trajectory of the radiation source 54 to rotate around the subject OB. An intensity-modulated radiation beam 60, such as a photon beam, forms a cross-sectional area with varying intensity and / or circumference. The radiation beam 60 is applied continuously during helical rotation or selectively during radiotherapy.

適切な放射線源54としては、加速された電子ビームを生じさせる直線電子加速器やリニアックが挙げられる。望ましい実施例では、光子放射線治療用のX線又はガンマ線の光子ビームを生じさせるよう、タングステンを用いて、加速された電子ビームが照射される。また既知の陽子ビーム及び中性子ビーム等、他の種類の放射線、又はリニアックによって生ずる加速された電子ビームを、放射線治療中に被検体に印加させることも可能である。   Suitable radiation sources 54 include linear electron accelerators and linacs that produce an accelerated electron beam. In a preferred embodiment, an accelerated electron beam is irradiated using tungsten to produce an X-ray or gamma-ray photon beam for photon radiation therapy. It is also possible to apply other types of radiation, such as known proton and neutron beams, or an accelerated electron beam generated by linac to the subject during radiation therapy.

放射線ビーム60の強度変調は、一以上のマルチリーフコリメータ(MLC)62を用いて適切に取得される。MLCは、個々に移動可能な放射線を遮断する対をなすリーフの配列を含み、全ての対が一緒になって選択可能な寸法及び形状とされる放射線開口を画成する。好ましくは、MLCは単一の放射線源のための多数のアパーチャ開口を画成する動作を行うように制御される。図1においては、放射線照射装置51としてリニアック装置を図示している。ただ、この例に限らず、被検体の標的エリア内で交差する複数の放射線ビームを同時に又は連続的に印加する複数の非回転式、又はステップ・アンド・シュート式の放射線源を使用することもできる。また、放射線源を患者の回りにヘリカルに軌道を周回させることで放射線を照射するヘリカルトモセラピーを使用することもできる。マルチビームシステムは、組み合わされたビーム強度の適切な空間変調を得るために複雑なMLCを必要とする。ヘリカルトモセラピーでは、空間線量変調はヘリカル回転中に空間的に且つ時間的に1つのリーフ(又はビームレット)72を開くこと又は閉じることによって得られるため、従来のコーンビームMLCの代わりに単純なバイナリファンビームMLCを利用できる。   The intensity modulation of the radiation beam 60 is suitably obtained using one or more multi-leaf collimators (MLC) 62. The MLC includes an array of pairs of leaves that block individually movable radiation, and all pairs together define a radiation aperture that is of a selectable size and shape. Preferably, the MLC is controlled to perform an operation that defines multiple aperture openings for a single radiation source. In FIG. 1, a linac device is illustrated as the radiation irradiation device 51. However, the present invention is not limited to this example, and it is also possible to use a plurality of non-rotating or step-and-shoot radiation sources that simultaneously or successively apply a plurality of radiation beams that intersect within the target area of the subject. it can. It is also possible to use helical tomotherapy that irradiates radiation by causing the radiation source to orbit around the patient in a helical manner. Multi-beam systems require complex MLC to obtain the proper spatial modulation of the combined beam intensity. In helical tomotherapy, the air dose modulation is obtained by opening or closing one leaf (or beamlet) 72 spatially and temporally during helical rotation, so a simple alternative to the conventional cone beam MLC. Binary fan beam MLC can be used.

先に取得された断層画像と放射線治療を位置合わせするために、好ましくは信用マーカが用いられる。好ましい実施例では、検出手段は、断層撮像の前に被検体の上に配置された信用マーカの撮像に利用可能な低解像度CT撮像を行うよう、放射線源54によって生成される低パワーX線を受け取る。例えば、別個のX線源及び検出アレイといった別個のCTスキャナを、強度変調放射線照射装置と一体化させることもできる。この場合、断層撮像は、撮像と放射線治療との間の位置合わせ誤差を低減するため、強度変調放射線照射装置において行うことができる。
(逆方向治療計画演算手段70)
A confidence marker is preferably used to align the previously acquired tomographic image with the radiation therapy. In a preferred embodiment, the detection means uses low power X-rays generated by the radiation source 54 to perform low resolution CT imaging that can be used to image a confidence marker placed on the subject prior to tomographic imaging. receive. For example, separate CT scanners, such as a separate X-ray source and detection array, can be integrated with the intensity modulated radiation delivery device. In this case, tomographic imaging can be performed in an intensity-modulated radiation irradiation device in order to reduce alignment errors between imaging and radiation therapy.
(Reverse treatment plan calculation means 70)

逆方向治療計画演算手段70は、指定された条件に従い、後述する非線形常微分方程式の解を用いて、目標関数の極小解を求める。このための各種条件の指定は、条件指定手段で行われる。ここでは、条件指定手段に操作手段32を利用して、強度変調放射線照射装置50が照射する放射線ビームレット数、放射線ビームレット係数、線量伝達係数行列、領域数、目標照射線量等を操作手段32から指定する。図1に示す逆方向治療計画(Inverse planning)演算手段70は、強度変調放射線ビーム60のために最適化された放射線ビーム強度変調を計算する。放射線治療に用いられる一以上のビームの強度変調を最適化させるため、ビームは、複数のビームレットへ数学的に分割される。またビームレットの強度等のパラメータは、連続的又は反復的に最適化される。
(マルチビーム放射線照射装置)
The reverse treatment plan calculation means 70 obtains a minimum solution of the target function using a solution of a nonlinear ordinary differential equation described later according to the specified condition. Various conditions for this purpose are designated by a condition designation means. Here, the operating means 32 is used as the condition specifying means, and the number of radiation beamlets, the radiation beamlet coefficients, the dose transfer coefficient matrix, the number of regions, the target irradiation dose, etc. irradiated by the intensity-modulated radiation irradiation apparatus 50 are controlled by the operating means 32. Specify from. Inverse planning computing means 70 shown in FIG. 1 calculates the radiation beam intensity modulation optimized for the intensity modulated radiation beam 60. In order to optimize the intensity modulation of one or more beams used for radiation therapy, the beam is mathematically divided into a plurality of beamlets. Parameters such as beamlet intensity are optimized continuously or iteratively.
(Multi-beam radiation irradiation equipment)

次に、マルチビーム放射線照射装置の一例を、図2に基づいて説明する。マルチビーム放射線治療では、所望の強度変調を得るために一般的には順次に多数の交差するビームが標的エリアに印加される。図2は、典型的な9ビーム放射線照射システムの放射線ビームを、ビームが均等な40°の角度的な間隔で配置された状態として概略的に示す。各ビームは、複数のビームレットに数学的に分割される。例えば、10×10cm2のビームは、夫々が面積0.5×0.5cm2を有する400個のビームレットに分割できる。9ビームシステムでは、各ビームレットの角度及び向きが一定に維持されると想定すると、3600個のビームレット強度パラメータに対応する。 Next, an example of a multi-beam radiation irradiation apparatus will be described with reference to FIG. In multi-beam radiation therapy, a number of intersecting beams are typically applied to a target area sequentially to obtain the desired intensity modulation. FIG. 2 schematically illustrates the radiation beam of a typical 9-beam radiation system as the beams are evenly spaced at 40 ° angular spacing. Each beam is mathematically divided into a plurality of beamlets. For example, a 10 × 10 cm 2 beam can be divided into 400 beamlets, each having an area of 0.5 × 0.5 cm 2 . In a nine beam system, assuming that the angle and orientation of each beamlet is kept constant, it corresponds to 3600 beamlet intensity parameters.

図2に示すビームは、回転するステップ・アンド・シュート・モードで動作する回転ガントリに取り付けられる一以上の放射線源によって、順次生成される。この例では、対応する多数の(例えば3600個の)パラメータを伴う9つのビームのみが図示されているが、より少ない又はより多くのビームを使用することもできる。またビームレットの分解能を高め、更なるパラメータを生じさせてもよい。より多くのビームレットを用いる放射線治療計画は、複雑なマルチビーム放射線治療手順において正確な治療計画、即ち標的エリアへの正確な照射線量分布分解能及び精度を与えることが考えられる。好ましくは、ビームは対向しないように配置され、即ち、いずれの2つのビームも180°の角度的な間隔では配置されない。また図2の例では、9つのビームは同一平面上としているが、この例に限られず同一平面上にないビームを使用することもできる。   The beam shown in FIG. 2 is generated sequentially by one or more radiation sources attached to a rotating gantry operating in a rotating step-and-shoot mode. In this example, only nine beams with a corresponding large number of parameters (eg 3600) are shown, but fewer or more beams may be used. The beamlet resolution may also be increased to generate additional parameters. Radiation treatment plans that use more beamlets are considered to give accurate treatment plans, ie accurate dose distribution resolution and accuracy to the target area, in complex multi-beam radiation treatment procedures. Preferably, the beams are arranged so as not to oppose, i.e. neither of the two beams is arranged at an angular spacing of 180 °. In the example of FIG. 2, the nine beams are on the same plane. However, the present invention is not limited to this example, and beams that are not on the same plane can be used.

ヘリカルトモセラピー装置では、放射線治療中、少なくとも1つのビームがヘリカルに回転される。連続的に回転するビームは、ヘリカル回転中、強度変調され、時間的に強度変調されたビームは、回転するビームの小さい角度的な間隔に対応する短い持続時間の複数の仮想ビームによって示すことができる。各仮想ビームは、回転するビームの時間的な強度変調を最適化するように、ビームレットに分割される。本発明の放射線治療計画システムでは、ヘリカルトモセラピー中に印加されるべき、空間的且つ時間的に変調されたビーム強度が適切に分解されて最適化される。   In a helical tomotherapy device, at least one beam is helically rotated during radiation therapy. Continuously rotating beams are intensity modulated during helical rotation, and temporally intensity modulated beams can be represented by multiple virtual beams of short duration corresponding to the small angular spacing of the rotating beams. it can. Each virtual beam is divided into beamlets to optimize the temporal intensity modulation of the rotating beam. In the radiation therapy planning system of the present invention, the spatially and temporally modulated beam intensity to be applied during helical tomotherapy is appropriately resolved and optimized.

多くのビームレット・パラメータの最適化には非常に多くの計算を必要とする。このため、図1に示すようにパラメータは複数のグループ、即ちN個のビームレット・パラメータグループ1、2、...、Nに分割される。本発明の放射線治療計画システムでは、最適化は、全ビームレット係数から成るベクトルを部分ベクトルに分割し、それぞれの部分ベクトルに対応した線量伝達行列ごとの部分システム(治療計画システム)を切り替えながら巡回させ、部分システム毎に求められた解(ビームレット係数)を繋ぎ合わせることで行われる。このようにビームレット係数を分割して最適化することにより、必要な計算資源の節約が可能となる。なお、特許文献4に示された最適化法(ビームレット係数を分割し、累積的にグループ毎に最適化を行う方法)と比較して、累積的なビームレット強度の誤差を生じないという特長を有する。   Optimization of many beamlet parameters requires a great deal of computation. Thus, as shown in FIG. 1, the parameters are divided into a plurality of groups, ie, N beamlet parameter groups 1, 2,. . . , N. In the radiation treatment planning system of the present invention, the optimization is performed by dividing a vector composed of all beamlet coefficients into partial vectors and switching the partial systems (treatment planning systems) for each dose transfer matrix corresponding to each partial vector. And by combining the solutions (beamlet coefficients) obtained for each partial system. By dividing and optimizing the beamlet coefficients in this way, it is possible to save necessary calculation resources. In addition, compared with the optimization method shown in Patent Document 4 (a method in which beamlet coefficients are divided and optimization is performed for each group cumulatively), an error in cumulative beamlet intensity does not occur. Have

さらに図1に示す逆方向治療計画演算手段70は、放射線治療目的に密接に関連する放射線ビームの強度変調を表わす、例えば最適化されたビームレット強度等の最適化されたビームレット・パラメータを計算する。変換手段80は、ビームレット強度を、例えば放射線照射装置51のMLC62に対する選択された時間的に変化する設定等、強度変調放射線照射装置50に対する制御パラメータへ変換する。また放射線照射制御手段82は、選択された放射線治療計画を実行するために、強度変調放射線照射装置50を制御する。
(IMRT)
Further, the inverse treatment plan computing means 70 shown in FIG. 1 calculates optimized beamlet parameters, such as optimized beamlet intensity, representing intensity modulation of the radiation beam that is closely related to the radiation therapy purpose. To do. The conversion means 80 converts the beamlet intensity into a control parameter for the intensity-modulated radiation irradiation device 50, such as a selected time-varying setting for the MLC 62 of the radiation irradiation device 51, for example. Further, the radiation irradiation control means 82 controls the intensity-modulated radiation irradiation apparatus 50 in order to execute the selected radiation treatment plan.
(IMRT)

IMRTの実施には、上記のような直線加速器(粒子線照射装置)、治療計画用CT装置、逆方向治療計画の可能な三次元放射線治療計画装置、照射中心に対する患者の動きや臓器の体内移動を制限する装置、平面上の照射強度を変化させることができる装置、微小容量電離箱線量計又は半導体線量計(ダイヤモンド線量計を含む。)及び併用する水ファントム又は水等価個体ファントム、二次元以上で相対的な線量分布を測定・比較できる機器等が必要となる。以下、放射線治療計画装置が最適化計算を行うことによって、IMRTにおける逆方向治療計画での最適なビーム強度を探索する手順について説明する。   For IMRT, a linear accelerator (particle beam irradiation device) as described above, a CT device for treatment planning, a three-dimensional radiation treatment planning device capable of reverse treatment planning, movement of the patient with respect to the irradiation center and internal movement of the organ , Devices that can change the irradiation intensity on a flat surface, micro-capacity ionization chamber dosimeter or semiconductor dosimeter (including diamond dosimeter) and water phantom or water equivalent individual phantom used in combination, two or more dimensions Equipment that can measure and compare relative dose distribution is required. Hereinafter, a procedure for searching for the optimum beam intensity in the backward treatment plan in the IMRT by performing the optimization calculation by the radiotherapy planning apparatus will be described.

IMRT治療計画は、上述の通り最適な線量分布(出力)を得るための放射線ビーム係数(入力)を求める必要があることから逆問題となる。いま、未知の放射線ビーム係数をx∈R、照射線量と線量伝達行列をそれぞれ、D∈R、K∈RI×Jとするとき、次式の関係が成立する。 The IMRT treatment plan is an inverse problem because it is necessary to obtain a radiation beam coefficient (input) for obtaining an optimal dose distribution (output) as described above. Now, when the unknown radiation beam coefficient is x∈R J and the irradiation dose and the dose transfer matrix are D∈R I and K∈R I × J , the following relationship is established.

上式において、DおよびKはPTV、OARに関する線量(DPTV∈RI1、DOAR∈RI2)および伝達行列(KPTV∈RI1×J、KOAR∈RI2×J)を行方向に並べた構成を持つ(I+I=I)。すなわち、次式で表現できる。 In the above equation, D and K are doses of PTV and OAR (D PTV ∈ R I1 , D OAR ∈ R I2 ) and transfer matrix (K PTV ∈ R I1 × J , K OAR ∈ R I2 × J ) in the row direction. It has a side-by-side configuration (I 1 + I 2 = I). That is, it can be expressed by the following equation.

複数のPTV、OARを対象とする場合も、上記と同様である。また、PTV、OARに対する照射線量の下限値、上限値をそれぞれ、   The same applies to the case of targeting a plurality of PTVs and OARs. Moreover, the lower limit value and the upper limit value of the irradiation dose for PTV and OAR, respectively,

で指定し、射影 Specified by the projection

をi=1,2,...,I,i=1,2,...,Iに対して、 I 1 = 1, 2,. . . , I 1 , i 2 = 1, 2,. . . , I 2

に定義する。   Defined in

ここで、非線形常微分方程式の解を用いて極小値を求める勾配法を適用できる。この方法によれば、従来のIMRT勾配系に含まれる目標関数のヘシアンとその逆行列を必要とせず、ビーム係数の制約としての解の正値性と上界を保ちながら極小解への収束が保証されているといった特長が得られる。ここでは連続時間IMRT計画法(以下「連続法」と呼ぶ)を、以下の微分方程式の初期値問題として与える。   Here, a gradient method for obtaining a minimum value using a solution of a nonlinear ordinary differential equation can be applied. According to this method, the target function Hessian and its inverse matrix included in the conventional IMRT gradient system are not required, and convergence to a minimal solution can be achieved while maintaining the positive value and upper bound of the solution as a constraint of the beam coefficient. Features such as guaranteed. Here, continuous-time IMRT programming (hereinafter referred to as “continuous method”) is given as an initial value problem of the following differential equation.

上式において、Uは単位行列、X=diag(x)であり、γ>0とする。また初期値x(0)=xの要素は、 In the above equation, U is a unit matrix, X = diag (x), and γ> 0. The element of the initial value x (0) = x 0 is

として選択する。以下、連続法の性質を以下に挙げておく。
(命題1)
Select as. Hereinafter, the properties of the continuous process are listed below.
(Proposition 1)

数式23の解軌道は、次式の部分状態空間において閉じている。   The solution trajectory of Equation 23 is closed in the partial state space of the following equation.

証明は略す。次に、次式の平衡点集合εの安定性を検討する。   Proof is omitted. Next, the stability of the equilibrium point set ε of the following equation is examined.

(定理1) (Theorem 1)

数式23の系に平衡点集合εが存在するとき、平衡点e∈εは大域的に漸近安定である。   When the equilibrium point set ε exists in the system of Equation 23, the equilibrium point eεε is globally asymptotically stable.

すなわち、初期値xを出発した解軌道xは、次式で定義される目標関数を極小化する平衡点集合εの要素eに向かって収束する。 That is, the solution trajectory x starting from the initial value x 0 converges toward the element e of the equilibrium point set ε that minimizes the target function defined by the following equation.

(連続法の離散化法) (Discrete method of continuous method)

次に連続法から導いた離散化法を提案し、理論的検討を行う。上述した連続法においてγ→∞として、Euler法により離散化した反復法を、次式のように定義する。   Next, we propose a discretization method derived from the continuous method and conduct a theoretical study. An iterative method discretized by the Euler method is defined as follows by assuming that γ → ∞ in the continuous method described above.

ここで、Φは次式で表現される。 Here, Φ n is expressed by the following equation.

またnは離散時刻(n=0,1,2,...)を示す。正方行列Φの非対角要素は0、対角要素は1以下であり、離散化によるステップサイズをパラメータλとΦの積として分けることで、パラメータの条件を導出し易くしている。パラメータλを比較的小さな値に選ぶと、連続法の持つ良い性質を継承すると予想されるが、極小解(固定点)への十分な収束へ至る反復に必要な演算時間は長くなる。ここでは、固定点集合への収束性が保証されるパラメータ値の上限の観点からλの値を設計する。すなわち、数式28の離散化法はEuler法に基づき形式的に導出したが、元の微分方程式系の解軌道を忠実に再現するための離散化ではないことに注意する。 N represents discrete time (n = 0, 1, 2,...). The non-diagonal elements of the square matrix Φ n are 0, and the diagonal elements are 1 or less. By dividing the discretized step size as the product of the parameters λ and Φ n , parameter conditions can be easily derived. If the parameter λ is selected to be a relatively small value, it is expected that the good property of the continuous method will be inherited, but the computation time required for iterating to sufficiently converge to a minimal solution (fixed point) becomes longer. Here, the value of λ is designed from the viewpoint of the upper limit of the parameter value that guarantees the convergence to the fixed point set. That is, note that the discretization method of Equation 28 is formally derived based on the Euler method, but is not a discretization for faithfully reproducing the solution trajectory of the original differential equation system.

次に、次式で表現される固定点集合εに関する反復法の収束性を検討する。   Next, the convergence of the iterative method with respect to the fixed point set ε expressed by the following equation is examined.

ここで、KKの最大固有値をLとする。また、以下で用いる記号として、正の実数をR++と書き、KjはKのj列、およびu=(1,1,...,1)∈Rとする。ここで、以下のように仮定する。
(命題2)
λが
Here, let L be the maximum eigenvalue of K T K. Moreover, as a symbol used below, a positive real number is written as R ++ , K j is a j column of K, and u = (1, 1,..., 1) T ∈ R J. Here, it is assumed as follows.
(Proposition 2)
λ is

を満たすと仮定する。このとき、固定点集合εの要素eが存在するなら、初期値   Assume that At this time, if the element e of the fixed point set ε exists, the initial value

を与えた反復解は、次式を満たす。   The iterative solution given by satisfies the following equation.

(命題3) (Proposition 3)

かつλ<2/Lとする。固定点集合εの要素eが存在し、   And λ <2 / L. There exists an element e of the fixed point set ε,

のとき次式が成り立つ。   Then, the following equation holds.

(系1)   (System 1)

命題3の仮定の下で、反復解{xn}は次式の目標関数を極小化する固定点集合εの要素eに向かって収束する。 Under the assumption of Proposition 3, the iterative solution {x n } converges toward the element e of the fixed point set ε that minimizes the objective function of the following equation.

次に実施例1〜2として、数値実験を行った結果を示す。実施例1は、既知の固定点集合に基づく単純化した設定であり、理論解析結果の例示を目的とする。実施例2は、臨床例に基づく実用的な設定を対象とし、IMRT計画としての性能を評価する。
(実施例1)
Next, as Examples 1-2, the results of numerical experiments are shown. Example 1 is a simplified setting based on a known fixed point set, and is intended to illustrate theoretical analysis results. Example 2 is intended for practical settings based on clinical cases, and evaluates the performance as an IMRT plan.
Example 1

サイズ2×2の平面領域(d1,d2,d3,d4)に6方向から単ビーム照射(x1,x2,...x6)を与える設定を考え、(d1,d2,d3)の領域をPTV、d4の孤立点をOARに仮定する。PTVおよびOARに対する線量伝達係数をそれぞれ、 Consider a setting in which single beam irradiation (x 1 , x 2 ,... X 6 ) is applied to a planar region (d 1 , d 2 , d 3 , d 4 ) of size 2 × 2 from six directions, and (d 1 , It is assumed that the area of d 2 , d 3 ) is PTV and the isolated point of d 4 is OAR. Dose transfer coefficients for PTV and OAR, respectively

および   and

とする。これは、水平又は垂直方向の照射に対応した要素を1/√2、斜め方向に照射される要素を1に設定したことによる。ここで、ビーム係数の真値(固定点)をe=(30,10,40,5,30,10)とすれば、線量分布の目標値として次式を得る。 And This is because the element corresponding to the irradiation in the horizontal or vertical direction is set to 1 / √2, and the element irradiated in the oblique direction is set to 1. Here, if the true value (fixed point) of the beam coefficient is e = (30, 10, 40, 5, 30, 10) T , the following equation is obtained as the target value of the dose distribution.

数式40の条件から、   From the condition of Equation 40,

および   and

をそれぞれ、50、20に設定し、数21と数22の射影Pを定義する。   Are set to 50 and 20, respectively, and the projections P in Expression 21 and Expression 22 are defined.

このとき、命題2の正値性を満たすための条件   At this time, a condition for satisfying the positive value of Proposition 2

はλ<(√2)−1=0.414と表せる。加えて、命題3に含まれる制約条件λ<2/Lからλ<0.5が必要となる。すなわち、λの値が0.414未満であれば、解の正値性と目標関数の単調減少性が理論的に保証されていることになる。   Can be expressed as λ <(√2) −1 = 0.414. In addition, the constraints λ <2 / L to λ <0.5 included in the proposition 3 are required. That is, if the value of λ is less than 0.414, the positive value of the solution and the monotonic decrease of the target function are theoretically guaranteed.

ここでは、目標関数を   Here, the objective function is

としてパラメータλの値を変化させ、10回の反復過程における目標関数の挙動を観察した。このとき、状態変数の初期値は乱数を与え、複数回施行した。パラメータλの値を0.01、0.37、0.38、0.39および0.40に定めた実験において、状態変数の要素はすべて常に正を満たし、目標関数は単調減少することが確認できた。一方、λ=1とした場合には目標関数が単調に減少しない反復時刻の存在が認められた。
(実施例2)
The value of the parameter λ was changed as follows, and the behavior of the target function in 10 iterations was observed. At this time, the initial value of the state variable was given a random number and executed several times. In experiments where the value of parameter λ is set to 0.01, 0.37, 0.38, 0.39 and 0.40, it is confirmed that all the elements of the state variable are always positive and the target function decreases monotonously. did it. On the other hand, when λ = 1, it was recognized that there was a repetition time at which the target function did not decrease monotonously.
(Example 2)

次に、非特許文献7と同様の問題設定に基づき、画像サイズが532×446(237272画素)のファントム(図3)で与えられるIMRT計画問題を対象とする。ここでは、単一のPTVと5つのOAR領域を考え、図中の各領域に関する説明と設定は、表1の通りとする。ここに、PTVとOAR領域の全画素数はI=143452である。   Next, an IMRT planning problem given by a phantom (FIG. 3) having an image size of 532 × 446 (237272 pixels) based on the same problem setting as in Non-Patent Document 7 is targeted. Here, a single PTV and five OAR regions are considered, and the description and setting for each region in the figure are as shown in Table 1. Here, the total number of pixels in the PTV and OAR areas is I = 144352.

ここで平行な699のビーム列が26°,77°,129°,180°,231°,283°,334°の7方向から照射された場合(放射線ビームレット数J=4893)を仮定する。上述の設定において、命題2の正値性を満たすための条件   Here, it is assumed that 699 parallel beam rows are irradiated from seven directions of 26 °, 77 °, 129 °, 180 °, 231 °, 283 °, and 334 ° (radiation beamlet number J = 4893). Conditions for satisfying the positive value of Proposition 2 in the above settings

はλ<0.9888となり、加えて、命題3に含まれる制約条件λ<2/Lからλ<2.6059が必要となる。すなわち、λの値は0.9888未満であれば、解の正値性と単調減少性が理論的に保証されていることから、パラメータλの設定値は0.1および0.5の2通りとした。各パラメータ値における実験結果を図4および図5に挙げた。離散時間nの値が100、200、1000での線量分布図とDVHを示す。一般的なパーソナルコンピュータを用いた場合、1000回の反復に要する演算時間は数十秒であり、実用的で高速な速度が得られた。線量分布図ではOAR2(結腸)とOAR3(小腸)の目標下限線量と同じ30Gy以上の線量が照射される画像領域を黒塗りで示している。反復解数の増加に従い良質な治療計画に漸近していることがわかる。反復回数を大きくするとPTVには十分な高線量が照射され、結果は適切である。OAR1(腎臓)、OAR3(小腸)については放射線治療計画ガイドライン2008より、腎臓の体積の三分の一の耐容線量が50Gyであること、小腸の全ての体積において耐容線量は40Gyであり、かつ、50%以下の体積では明らかな変化は認めないとの記載があることを根拠に、それぞれ適切であると判断できる。本実験で用いた問題設定の元になった非特許文献7の結果と比較すると、提案手法による結果の方が、各OARの目標上限線量値以上の領域が抑えられているということができる。   Becomes λ <0.9888, and in addition, the constraints λ <2 / L included in the proposition 3 are required from λ <2.6059. That is, if the value of λ is less than 0.9888, the positive value property and monotonic decrease property of the solution are theoretically guaranteed, so there are two setting values for the parameter λ, 0.1 and 0.5. It was. The experimental results for each parameter value are listed in FIGS. The dose distribution diagram and DVH when the value of the discrete time n is 100, 200, and 1000 are shown. When a general personal computer was used, the calculation time required for 1000 iterations was several tens of seconds, and a practical and high speed was obtained. In the dose distribution diagram, an image region irradiated with a dose of 30 Gy or more which is the same as the target lower limit dose of OAR2 (colon) and OAR3 (small intestine) is shown in black. It can be seen that as the number of iterative solutions increases, it is asymptotic to a good treatment plan. If the number of iterations is increased, the PTV is irradiated with a sufficiently high dose, and the result is appropriate. For OAR1 (kidney) and OAR3 (small intestine), according to Radiation Treatment Planning Guidelines 2008, the tolerated dose of one third of the kidney volume is 50 Gy, the tolerated dose is 40 Gy in all the small intestine volumes, and It can be judged that each is appropriate on the basis that there is a description that no obvious change is recognized at a volume of 50% or less. Compared with the result of Non-Patent Document 7 that is the source of the problem setting used in this experiment, it can be said that the result of the proposed method has a smaller area than the target upper limit dose value of each OAR.

以上の通り、連続法を用いたIMRT計画法は、照射ビーム係数の制約としての解の正値性と上界を保ちながら、解に沿った目標関数の単調減少が保証されている特長がある。特に上記の実施例により、連続法を離散化した反復法を提案し、適切なパラメータ設定により、反復法の解軌道は正値を保ち、理想的な解との距離が反復により単調減少する性質があることを理論的に証明した。臨床例に基づく実用的な設定の数値例を示し、IMRT計画としての性能を評価した。設定したPTVとOARには、それぞれ高線量、低線量の照射が可能となる望ましい治療計画が得られ、提案法の有用性が確認できた。   As described above, the IMRT programming method using the continuous method has a feature that the monotonic decrease of the target function along the solution is guaranteed while maintaining the positive value and the upper bound of the solution as the constraint of the irradiation beam coefficient. . In particular, according to the above embodiment, we propose an iterative method in which the continuous method is discretized, and by setting appropriate parameters, the solution trajectory of the iterative method keeps a positive value, and the distance from the ideal solution monotonously decreases by iteration. Prove that there is theoretically. Numerical examples of practical settings based on clinical cases were shown, and the performance as an IMRT plan was evaluated. For the set PTV and OAR, desirable treatment plans that enable irradiation with high and low doses were obtained, respectively, and the usefulness of the proposed method could be confirmed.

以上のように連続法によれば、微分方程式の解軌道が自然に正値と上界を保ちながら、目標関数を極小化させることができる。さらに連続法の離散化法を利用することで、差分方程式による反復解が常に正値を保って目標関数を単調減少させることができる。この方法であれば、目標関数のヘシアンとその逆行列を計算したり、連立方程式を解いたりする必要が無く、計算量を飛躍的に削減できる。   As described above, according to the continuous method, the target function can be minimized while the solution trajectory of the differential equation naturally maintains a positive value and an upper bound. Furthermore, by using the discretization method of the continuous method, it is possible to monotonously decrease the target function while the iterative solution by the difference equation always maintains a positive value. With this method, it is not necessary to calculate the target function Hessian and its inverse matrix or solve simultaneous equations, and the amount of calculation can be drastically reduced.

本発明の強度変調放射線治療計画装置、強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法、強度変調放射線治療計画プログラム及びコンピュータで読み取り可能な記録媒体並びに記録した機器は、マルチリーフコリメータ(MLC)を用いたIMRTや、物理的補償フィルタを用いたIMRT、バイナリーコリメータを用いたIMRT、ロボット型治療装置を用いたIMRT等に好適に利用できる。   The multi-leaf collimator (MLC) is used for the intensity-modulated radiation therapy planning apparatus, the radiation beam coefficient calculation method of the intensity-modulated radiation irradiation apparatus, the intensity-modulated radiation therapy planning program, the computer-readable recording medium, and the recorded device of the present invention. It can be suitably used for an IMRT using an IMRT using a physical compensation filter, an IMRT using a binary collimator, an IMRT using a robot type treatment device, and the like.

100…放射線治療システム
10…断層画像取得手段
12…支持体
14…X線源
16…回転ガントリ
18…X線検出アレイ
20…CT制御手段
22…撮像データメモリ
24…再構成演算手段
26…画像再構成メモリ
30…密度プロファイル演算手段
32…操作手段
34…照射領域指定手段
50…強度変調放射線照射装置
51…放射線照射装置
52…支持体
54…放射線源
56…回転ガントリ
60…放射線ビーム
62…MLC
70…逆方向治療計画演算手段
80…変換手段
82…放射線照射制御手段
OB…被検体
RS…放射線源
RB…放射線
TM…腫瘍
OAR…重要組織
PTV…標的体積
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Radiation therapy system 10 ... Tomographic image acquisition means 12 ... Support body 14 ... X-ray source 16 ... Rotating gantry 18 ... X-ray detection array 20 ... CT control means 22 ... Imaging data memory 24 ... Reconstruction calculation means 26 ... Image reconstruction Configuration memory 30 ... density profile calculation means 32 ... operation means 34 ... irradiation area designation means 50 ... intensity modulated radiation irradiation apparatus 51 ... radiation irradiation apparatus 52 ... support 54 ... radiation source 56 ... rotating gantry 60 ... radiation beam 62 ... MLC
70 ... Reverse treatment plan calculation means 80 ... Conversion means 82 ... Radiation irradiation control means OB ... Subject RS ... Radiation source RB ... Radiation TM ... Tumor OAR ... Important tissue PTV ... Target volume

Claims (9)

強度変調放射線照射装置を用いて強度変調放射線治療を行うための放射線の照射条件を決定する強度変調放射線治療計画装置であって、
放射線治療を行う対象物の断層画像を取得する断層画像取得手段と、
前記断層画像取得手段で取得した断層画像を表示する表示手段と、
前記表示手段に表示された断層画像に基づいて、放射線を照射する対象となる標的体積PTV及び放射線照射を回避すべき領域OARを指定する照射領域指定手段と、
強度変調放射線照射装置が照射する放射線ビームレット数、放射線ビームレット係数、線量伝達係数行列、領域数、目標照射線量の少なくとも何れかを指定する条件指定手段と、
前記条件指定手段で指定された条件に従い、以下の非線形常微分方程式の解を用いて、目標関数の極小解を求める逆方向治療計画演算手段と
を備えることを特徴とする強度変調放射線治療計画装置。
(上式において、x=(x,x,...,xTは放射線ビームレット係数、Jは放射線ビームレット数、Tはベクトル又は行列の転置を表しており、Kは線量伝達係数行列であって、次式で表現され、
は非負の実数、IはPTVとOAR領域の全画素数を表し、Uは単位行列、X=diag(x)であり、γ>0とし、さらに初期値x(0)=xの要素は、次式で選択され、
Kx∈Rの各要素は各画素への照射線量を表し、P:R→Rは、Kxと目標照射線量との差を調整するための射影を表す。)
An intensity-modulated radiation therapy planning device that determines radiation irradiation conditions for performing intensity-modulated radiation therapy using an intensity-modulated radiation irradiation device,
A tomographic image acquisition means for acquiring a tomographic image of an object to be subjected to radiation therapy;
Display means for displaying a tomographic image acquired by the tomographic image acquisition means;
Based on the tomographic image displayed on the display means, an irradiation area designation means for designating a target volume PTV to be irradiated with radiation and an area OAR to avoid radiation irradiation;
Condition designation means for designating at least one of the number of radiation beamlets, radiation beamlet coefficients, dose transfer coefficient matrix, number of regions, and target irradiation dose irradiated by the intensity-modulated radiation irradiation device;
Intensity-modulated radiation treatment planning apparatus comprising: an inverse treatment plan calculation means for obtaining a minimum solution of a target function using a solution of the following nonlinear ordinary differential equation according to a condition designated by the condition designation means .
(Where x = (x 1 , x 2 ,..., X J ) T is the radiation beamlet coefficient, J is the number of radiation beamlets, T is the transpose of the vector or matrix, and K is the dose A transfer coefficient matrix, expressed as
R + represents a non-negative real number, I represents the total number of pixels in the PTV and OAR regions, U represents a unit matrix, X = diag (x), γ> 0, and an initial value x (0) = x 0 The element is selected by
Each element of Kx∈R I represents the irradiation dose for each pixel, P: R I → R I represents a projection for adjusting the difference between Kx and the target irradiation dose. )
請求項1に記載の強度変調放射線治療計画装置であって、
前記極小解を求めるために、目標関数の微分関数を次式のように離散化した反復法を用いてなることを特徴とする強度変調放射線治療計画装置。
(上式において、λ>0であり、nは離散時刻(n=0,1,2,...)、Φは次式で表現される。)
The intensity-modulated radiation therapy planning device according to claim 1,
An intensity-modulated radiation therapy planning apparatus characterized by using an iterative method in which a differential function of a target function is discretized as in the following equation in order to obtain the minimal solution.
(In the above equation, λ> 0, n is a discrete time (n = 0, 1, 2,...), And Φ n is expressed by the following equation.)
強度変調放射線照射装置を用いて強度変調放射線治療を行うための、放射線の照射条件を決定する強度変調放射線治療計画における、所望の線量分布を得るために必要な放射線ビーム係数を演算する方法であって、
放射線治療を行う対象物の断層画像を取得する工程と、
前記取得された断層画像を、表示手段に表示させる工程と、
前記表示手段に表示された断層画像に基づいて、放射線を照射する対象となる標的体積PTV及び放射線照射を回避すべき領域OARを指定する工程と、
強度変調放射線照射装置が照射する放射線ビームレット数、放射線ビームレット係数、線量伝達係数行列、領域数、目標照射線量の少なくとも何れかに基づき、以下の非線形常微分方程式の解を用いて、目標関数の極小解を求める工程と
を含むことを特徴とする強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法。
(上式において、x=(x,x,...,xTは放射線ビームレット係数、Jは放射線ビームレット数、Tはベクトル又は行列の転置を表しており、Kは線量伝達係数行列であって、次式で表現され、
は非負の実数、IはPTVとOAR領域の全画素数を表し、Uは単位行列、X=diag(x)であり、γ>0とし、さらに初期値x(0)=xの要素は、次式で選択され、
Kx∈Rの各要素は各画素への照射線量を表し、P:R→Rは、Kxと目標照射線量との差を調整するための射影を表す。)
This is a method for calculating the radiation beam coefficient necessary for obtaining a desired dose distribution in an intensity-modulated radiation therapy plan for determining the irradiation conditions for performing intensity-modulated radiation therapy using an intensity-modulated radiation irradiation apparatus. And
Acquiring a tomographic image of an object to be subjected to radiation therapy;
Displaying the acquired tomographic image on a display means;
Designating a target volume PTV to be irradiated with radiation and a region OAR to avoid radiation irradiation based on the tomographic image displayed on the display means;
Based on at least one of the number of radiation beamlets, radiation beamlet coefficients, dose transfer coefficient matrix, number of regions, and target irradiation dose irradiated by the intensity-modulated radiation irradiation device, the target function is calculated using the solution of the following nonlinear ordinary differential equation. A method for calculating a radiation beam coefficient of an intensity-modulated radiation irradiating apparatus.
(Where x = (x 1 , x 2 ,..., X J ) T is the radiation beamlet coefficient, J is the number of radiation beamlets, T is the transpose of the vector or matrix, and K is the dose A transfer coefficient matrix, expressed as
R + represents a non-negative real number, I represents the total number of pixels in the PTV and OAR regions, U represents a unit matrix, X = diag (x), γ> 0, and an initial value x (0) = x 0 The element is selected by
Each element of Kx∈R I represents the irradiation dose for each pixel, P: R I → R I represents a projection for adjusting the difference between Kx and the target irradiation dose. )
請求項3に記載の強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法であって、
前記極小解を求めるために、目標関数の微分関数を次式のように離散化した反復法を用いてなることを特徴とする強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法。
(上式において、λ>0であり、nは離散時刻(n=0,1,2,...)、Φは次式で表現される。)
A radiation beam coefficient calculation method for an intensity-modulated radiation irradiation apparatus according to claim 3,
A radiation beam coefficient calculation method for an intensity-modulated radiation irradiation apparatus, characterized by using an iterative method in which a differential function of a target function is discretized as in the following equation in order to obtain the minimum solution.
(In the above equation, λ> 0, n is a discrete time (n = 0, 1, 2,...), And Φ n is expressed by the following equation.)
請求項3又は4に記載の強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法であって、
前記目標関数が、線量分布に基づいて規定されたものであることを特徴とする強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法。
A radiation beam coefficient calculation method for an intensity-modulated radiation irradiation apparatus according to claim 3 or 4,
The method for calculating a radiation beam coefficient of an intensity-modulated radiation irradiation apparatus, wherein the target function is defined based on a dose distribution.
請求項3又は4に記載の強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法であって、
前記目標関数が、線量−体積ヒストグラム又は等価均一線量に基づいて規定されたものであることを特徴とする強度変調放射線照射装置の放射線ビーム係数演算方法。
A radiation beam coefficient calculation method for an intensity-modulated radiation irradiation apparatus according to claim 3 or 4,
A radiation beam coefficient calculation method for an intensity-modulated radiation irradiation apparatus, wherein the target function is defined based on a dose-volume histogram or an equivalent uniform dose.
強度変調放射線照射装置を用いて強度変調放射線治療を行うための放射線の照射条件を決定する強度変調放射線治療計画プログラムであって、
放射線治療を行う対象物の断層画像に基づいて、放射線を照射する対象となる標的体積PTV及び放射線照射を回避すべき領域OARを指定する機能と、
強度変調放射線照射装置が照射する放射線ビームレット数、放射線ビームレット係数、線量伝達係数行列、領域数、目標照射線量の少なくとも何れかを指定する機能と、
指定された条件に従い、以下の非線形常微分方程式の解を用いて、目標関数の極小解を求める機能と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする強度変調放射線治療計画プログラム。
(上式において、x=(x,x,...,xTは放射線ビームレット係数、Jは放射線ビームレット数、Tはベクトル又は行列の転置を表しており、Kは線量伝達係数行列であって、次式で表現され、
は非負の実数、IはPTVとOAR領域の全画素数を表し、Uは単位行列、X=diag(x)であり、γ>0とし、さらに初期値x(0)=xの要素は、次式で選択され、
Kx∈Rの各要素は各画素への照射線量を表し、P:R→Rは、Kxと目標照射線量との差を調整するための射影を表す。)
An intensity-modulated radiation therapy planning program for determining radiation irradiation conditions for performing intensity-modulated radiation therapy using an intensity-modulated radiation irradiation apparatus,
A function for designating a target volume PTV to be irradiated with radiation and a region OAR to avoid radiation irradiation based on a tomographic image of an object to be subjected to radiation therapy;
A function for designating at least one of the number of radiation beamlets, radiation beamlet coefficients, dose transfer coefficient matrix, number of regions, and target irradiation dose irradiated by the intensity-modulated radiation irradiation device;
According to the specified conditions, using the solution of the following nonlinear ordinary differential equation, the function to obtain the minimum solution of the target function,
An intensity-modulated radiation treatment planning program characterized by causing a computer to execute.
(Where x = (x 1 , x 2 ,..., X J ) T is the radiation beamlet coefficient, J is the number of radiation beamlets, T is the transpose of the vector or matrix, and K is the dose A transfer coefficient matrix, expressed as
R + represents a non-negative real number, I represents the total number of pixels in the PTV and OAR regions, U represents a unit matrix, X = diag (x), γ> 0, and an initial value x (0) = x 0 The element is selected by
Each element of Kx∈R I represents the irradiation dose for each pixel, P: R I → R I represents a projection for adjusting the difference between Kx and the target irradiation dose. )
請求項7に記載の強度変調放射線治療計画プログラムであって、
前記極小解を求めるために、目標関数の微分関数を次式のように離散化した反復法を用いてなることを特徴とする強度変調放射線治療計画プログラム。
(上式において、λ>0であり、nは離散時刻(n=0,1,2,...)、Φは次式で表現される。)
The intensity-modulated radiation therapy planning program according to claim 7,
An intensity-modulated radiation therapy planning program characterized by using an iterative method in which a differential function of a target function is discretized as in the following equation in order to obtain the minimal solution.
(In the above equation, λ> 0, n is a discrete time (n = 0, 1, 2,...), And Φ n is expressed by the following equation.)
請求項7又は8に記載されるプログラムを格納したコンピュータで読み取り可能な記録媒体又は記録した機器。   A computer-readable recording medium or a recorded device storing the program according to claim 7 or 8.
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