JP4509115B2 - 放射線治療を計画するための方法及び装置 - Google Patents

Description

開示される装置及び方法は、放射線治療計画（ＲＴＰ）の分野に関するものである。特に、これら開示される装置及び方法は、放射線治療を計画する方法、放射線治療計画装置及び放射線治療計画装置用のコンピュータプログラムに関している。

放射線治療計画（ＲＴＰ）は、患者を実際に放射線治療する前に取得される、この患者のＣＴ画像を用いて行われる。放射線計画システムは通常、例えば腫瘍を含む患者の標的体積、及び線量の投与中にさせてはならない危険にさらされる健康な器官の輪郭に関するデータを必要とする。手動又は半自動の輪郭形成方法により輪郭が描かれるこの輪郭データを用いて、対象となる構造体に対する線量分布が計算され、放射線治療ビームの最適なパラメタが計算される。

線量の計算は、ある生理学的な処理、例えば膀胱灌注(bladder filling)、腫瘍の大きさの増大又は減少、呼吸、鼓動又は他の生理学的な処理から起こる器官の形状及び位置の変化のせいで治療処理中に正確性を失う可能性がある。

現在開示されている装置及び方法の目的は、改善した放射線治療計画を提供することである。

放射線治療を計画する方法が提供され、ここで、対象となる物体を含む標的体積に対する線量分布は、第１の画像に基づいて決められる。次いで、この標的体積における対象となる物体の形状及び位置の変化の少なくとも１つは、前記第１の画像及び第２の画像に基づいて決められる。次いで、前記線量分布は前記対象となる物体の形状及び位置の変化の少なくとも１つに基づいて調節される。これら第１及び第２の画像は放射線治療の異なる時点で撮られている。

初期の線量分布は、第１の画像に基づいて決められてもよく、この画像は例えば実際に放射線治療を開始する前に撮られる。次いで、例えば複数回線量を投与した後、若しくはある時間経過した後又は後続する線量の投与の前に、第２の画像が撮られる。第１の画像と第２の画像との間における対象となる物体、例えば器官の形状及び／又は位置の変化が決められる。次いで、前記分布は、前記形状及び／又は位置の変化に基づいて調節される。

標的体積に対する改善された線量の推定を可能にする放射線治療計画が提供される。これは、改善した腫瘍の制御を可能にする。さらに、線量の計算は、患者の解剖学的構造に対する変化を考慮して自動的に調節されてもよい。

第１の表面メッシュは、第１の画像における対象となる物体に当てられ、対象となる物体の表面に適合される。これが第２の表面メッシュとなる。この第２の表面メッシュは、第２の画像における対象となる物体に当てられ、この第２の画像における対象となる領域に適合される。この第２の表面メッシュを前記対象となる物体への適合が第３の表面メッシュを生じさせる。次いで、第２の表面メッシュと第３の表面メッシュとの差が決められる。

標的体積における対象となる物体の輪郭を決定する方法が提供される。このような表面メッシュの適合を用いて、自動的な器官の線引き(delineation)が提供される。

例えば１つ以上の器官のような対象となる物体の体積モデルは、第２の表面メッシュを用いて決められる。次いで、この体積モデルは、例えば第１の画像と第２の画像との間にある器官の形状及び／又は位置の変化のような差に基づいて変形される。この体積モデルの変形が変形した体積モデルを生じさせる。この対象となる物体の形状及び／又は変化は、この体積モデルに補間される。前記差、すなわち対象となる物体の形状及び／又は位置の変化は、体積モデルの変形に対する境界条件として用いられる。前記対象となる物体の形状及び／又は位置の変化の少なくとも１つは、変形した体積モデルに基づいて決められる。

第１の画像と第２の画像との間にある対象となる物体の変化、例えば第１の画像と第２の画像との間の時間中に起こる患者の解剖学的構造の変化を考慮して、線量の計算が調節される。

生物化学的な組織特性のモデルは、体積モデルの変形を考慮している。表面メッシュ及び生物化学的な体積モデルの組み合わせが、非常に正確且つ自動的な放射線治療計画に用いられる。特に、適合する表面メッシュは、生物化学的な体積モデルの変形に対する境界条件として用いられる。

対象となる物体の形状及び／又は位置の変化が決められる。例えば、この対象となる物体は、それぞれが異なる機械的特性を持つ複数の器官を含んでいる。この生物化学モデルは、前記表面メッシュに基づいて決められた対象となる物体の形状及び／又は位置の変化がそれに応じてこの生物化学的な体積モデルを変形させるのに用いられる場合、これら異なる機械的特性を考慮する。これは、治療を受けている個体が、放射線治療中に患者の解剖学的構造に起こるノンリジット変化(non-rigid change)をより正確に考慮することを可能にする。これら第１及び第２の画像は、ＣＴ画像でもよい。代わりに、この手続きは磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）装置を用いても可能である。

第１及び第２の画像を記憶するためのメモリ、並びにこれら第１及び第２の画像の間における対象となる物体の形状及び位置の変化の少なくとも１つに基づいて線量分布の調節を行うプロセッサを有する放射線治療計画装置が提供される。自動的に行われる迅速且つ正確な放射線治療計画を可能にする放射線治療計画装置が提供される。前記線量分布を決めるために、患者の解剖学的構造の変化が考慮される。

少なくとも２つの後続する画像における対象となる物体に当てられる表面メッシュの組み合わせにより、自動的な線量分布の決定を可能にする放射線治療計画装置のためのコンピュータプログラムが提供される。セグメント化及び位置合わせの上記組み合わせにより、健康な（危険を被る）器官に照射される線量を減少させることを可能にする改良された放射線治療計画が提供される。このコンピュータプログラムは、例えばＣ＋＋のような如何なる適切なプログラミング言語で書かれてもよく、例えばＣＤ−ＲＯＭのようなコンピュータ読み取り可能デバイスに記憶されてもよい。しかしながら、このコンピュータプログラムは、例えばインターネットのようなネットワークを介して与えられてもよく、このネットワークからプログラムがダウンロード又は実行されてもよい。

患者に対する放射線治療を計画することに関する装置及び方法は、以下の図を参照して開示及び説明されている。

図１は、放射線治療計画装置の簡単な外略図を示す。図１において中央処理ユニット（ＣＰＵ）１は、放射線治療計画に関する方法を実行するための命令を実施するように構成される。ＣＰＵ１は、代表的なパーソナルコンピュータに見られるような一般的なプロセッサでもよいし、又はアプリケーション専用の集積回路（ＡＳＩＣ）でもよい。ＣＰＵ１により実施される命令は、ユーザの標的体積にある対象となる物体に関する放射線治療の計画を支援する。この標的体積は通常、計画される治療の一部として照射されるであろうガン性腫瘍又は他の構造体を含む患者内における領域である。

前記標的体積は、膀胱(bladder)、心臓のような異なる器官若しくは他の器官のような複数の他の小さな物体を有する。通常、放射線治療が上記標的体積に関して行われる場合、腫瘍は上記器官の間又はその近くに位置している。大多数の放射線治療の目的は通常、放射線の線量を腫瘍に焦点合わせする一方、この腫瘍に隣接する危険を被る健康な器官への照射を最小にすることである。

ＣＰＵ１は、画像を記憶するためのメモリ２に接続されている。メモリ２は、例えばＤＲＡＭ(dynamic random-access memory)のような揮発性メモリ、又はフラッシュメモリ又はディスクドライブのような不揮発性メモリとすることができる。後で取り出したり、使用したりするための情報を記憶することが可能である他の適切な装置がメモリ２として使用されてもよい。特に、メモリ２には、放射線治療処置の第１の時点で撮られた第１の画像と、後続する時点で撮られた第２の画像とが記憶されている。例えば、この第１の画像は、放射線治療を開始する前に撮られてもよい。初期の放射線線量の分布は、この第１の画像に含まれる情報に基づいて決められる。次いで、放射線治療中、例えば複数回の放射線治療をした後、又は他の放射線治療の直前に、第２の画像が作られる。患者の解剖学的構造の変化、例えば標的体積における器官の形状及び／又は位置の変化は、第１の画像と第２の画像との比較から決められ、線量分布は、この患者の解剖学的構造の顕著な変化を考慮して自動的に調節される。

図１から分かるように、プロセッサはさらに、バスシステム３により、図１に示されていない複数の周辺機器又は入力／出力装置に接続されてもよい。例えば、ＣＰＵ１は、前記バスシステム３を介して、磁気共鳴（ＭＲ）装置、超音波スキャナ、プロッター、プリンター又は他の適切な装置に接続される。好ましくは、放射線治療計画のために、ＣＰＵ１は第１及び第２の画像を取得するＣＴスキャナに接続される。必要又は望ましい場合は、２つ以上の画像が用いられてよい。

ＣＰＵ１は、初期の線量分布及び／又は調節した線量分布を人間が読み取り可能なフォーマットで出力するためのコンピュータスクリーン４のようなディスプレイに接続される。さらに、入力装置、例えばキーボード５が設けられてもよく、ＣＰＵ１に接続される。この入力装置により、ユーザ又はオペレータは、図１に示される治療計画装置と対話する、又はこの放射線治療計画に必要又は望ましいデータを入力する。

図２は、図１に示される放射線治療計画装置を操作する方法の流れ図である。放射線治療を計画する開示された方法は、例えばＣ＋＋のような如何なる適切なプログラミング言語で書かれるコンピュータプログラムに組み入れられてもよいし、例えばＣＤ−ＲＯＭのようなコンピュータ読み取り可能媒体に記憶されてもよい。しかしながら、本発明によるコンピュータプログラムは、例えばインターネットのようなネットワークを介して表示されてもよく、このネットワークからプログラムがダウンロードされる。

開示される方法は、放射線治療を実際に開始する前に撮られたＣＴ画像に基づいて最初は決められた線量分布が、ある生理学的な処理、例えば膀胱灌注、腫瘍サイズの増大又は減少、呼吸、鼓動又は他の処理のために、器官の形状又は位置の変化に対応するように調節される必要がある可能性を考慮する。理想的には、この線量分布は、治療を行う日毎に夫々調節される。この線量の計算は、毎日の患者の解剖学的構造の変化を考慮して自動的に調節される。この調節のために、新しいＣＴ画像が治療を行う日毎に撮られるべきである。

図２において、２つのＣＴ画像は、線量分布を調節するのに用いられる。第１のＣＴ画像は、初期ＣＴ画像１２と呼ばれ、第２のＣＴ画像は新規ＣＴ画像１４と呼ばれる。好ましくは、初期ＣＴ画像１２は、放射線治療処理を開始する前に撮られ、新規ＣＴ画像１４は、処理中、例えば後続する放射線処理の直前に撮られる。

標的体積における患者の器官の構造体の境界が線で引かれている。初期ＣＴ画像１２における器官の境界の線引きは、手動又は半自動で行われる。好ましくは、３Ｄ表面モデルは、自動的に器官の境界を線引きするのに用いられる。線引きを行うのに適した処理は、J. Weese他著、”Shape Constrained Deformable Models for 3D Medical Image Segmentation”, Proc. Information Processing in Medical Imaging(PIMI ’01), at pages 380-387, Los Angels, CA, USA, June 2001に記載され、参照することにより、含まれるものとする。

３Ｄ表面モデルの利用に従って、表面メッシュ、例えば三角形のメッシュが初期ＣＴ画像１２における器官に当てられる。この処理は、適合と時々呼ばれる。三角形のメッシュの代わりに、単純な若しくは多角形のメッシュ、又は他の適切な表面若しくは形状モデルを使用することも可能であることに注意すべきである。次いで、この表面メッシュは、エネルギーの最小化により、初期ＣＴ画像１２における器官の表面に適合する。

変形モデルはメッシュにより表される。このメッシュは、座標ｘ_ｉを持つ頂点Ｖと三角形Ｔを含む。反復処理は前記メッシュを画像に適合させる。各反復は、表面を検出するステップとメッシュを再構成するステップとを含む。この再構成は、
Ｅ＝Ｅ_ｅｘｔ＋αＥ_ｉｎｔ
を最小化することにより達成される。Ｅ_ｅｘｔは、外部エネルギーを表し、これは、事前に検出した表面パッチに向けて前記メッシュを動かす。Ｅ_ｉｎｔは内部エネルギーを表し、内部エネルギーはメッシュの柔軟性を制限する。αは各項の相対的な影響に重みを供給する。

表面を検出するために、

及び三角形の中心

までの距離δ_ｊ
を含む特徴の組み合わせを用いて

のようなポイント

を見つけるために、三角形の垂線ｎ_ｉ、
に沿って検索が行われる。

この検索の外形長(profile length)はｌで表され、δは２つの連続するポイント間の距離であり、Ｄはこの距離情報及び特徴値の重み付け(weighting)を制御する。使用可能である特徴は、

である。ここで関数ｇ（ｘ）は、ポイントｘでの画像勾配である。

以下のように

と表される外部エネルギーが用いられることができる。この場合、検出された表面ポイントは、前記メッシュの三角形の中心を直接引き寄せる。適合処理の始めに頻繁に検出される誤った対象物の境界への引き寄せという影響を減少させるために、三角形の中心は、

での画像勾配に垂直な平面により引き寄せられることができる。

内部エネルギーは、

のような三角形のメッシュにより表される形状モデルに投入される。ここでｍ_i ⁰は平均モデルの頂点座標を表す。このモデルのＭ固有モードに関連する座標の変化は、ｍ_i ^kにより表される。この固有モードの重みは、ｐ_ｋにより表される。変形可能モデル及び形状モデルに対する差分ベクトルは、偏差ペナリゼーション(deviation penalization)と比較される。

ここでＮ（ｉ）は、頂点ｉの隣接部を含む。

初期ＣＴ画像１２における器官の形状及び／又は位置を表す表面メッシュを決めた後、又はそれと並行して、新規ＣＴ画像１４においてこれら器官の境界の線引きが行われる。好ましくは、初期ＣＴ画像のセグメント化の結果、すなわち初期ＣＴ画像１２における器官の表面に適合する表面メッシュは、新規ＣＴ画像１４における開始メッシュとして用いられる。次いで、この開始メッシュは、上述したようなエネルギーの最小化により、新規ＣＴ画像１４における器官の器官表面に適合する。

表面メッシュを新規ＣＴ画像における器官表面に適合した後、初期ＣＴ画像１２及び新規ＣＴ画像１４において器官表面を表す２つの表面メッシュが知られている。初期ＣＴ画像１２における器官表面を表す第１のメッシュは図２において、表面１と呼ばれ、新規ＣＴ画像１４における器官表面を表す第２のメッシュは図２において表面２と呼ばれる。後続するステップにおいて、表面１と表面２との間の差が決められる。言い換えると、表面１と表面２との間にある相関性が決められる。このために、初期ＣＴ画像１２及び新規ＣＴ画像１４、又は表面１及び表面２は、共通する座標系に入れられる。表面１及び表面２は、同じ表面モデルを用いることにより決められていたため、表面１と表面２との間におけるポイントの相関性が容易に決められる。

体積メッシュは、前記初期ＣＴ画像における表面１から生成される。この体積メッシュは、表面１と表面２との比較から得られる前記ポイントの相対性を用いて変形する。この体積メッシュの変形は、１つ以上の生物化学モデルを使用することにより、器官の機械的特徴を考慮することにより決められる。この生物化学モデルを使用することは、D. Yan他著、”A Method for Calculating Dose in a Deforming Organ,” Int. J. Radiat. Oncol., Biol., Phys., 44, pages 665-675, 1999に記載されてあり、これは参照することによりこれに含まれるものとする。

簡単且つ効果的な生物化学モデルに対する実施例は、Ｖは対象となる器官により占められる３Ｄ領域であり、Ｓは器官の境界であるように記載される。器官の線形弾性変形を説明する境界値問題は、

として公式化されることができる。

上記公式において、Ａ（ｕ）は、線形弾性の演算子を表し、例えばP. G. Viarlet著、”Mathematical Elasticity, Volume 1: Three-Dimensional Elasticity, volume 20 of Studies in Mathematics and its Applications.” North-Holland Amsterdam, 1988に述べてあり、こでは参照することによりこれに含まれるものとする。ｆ（ｘ）は作用力(applied force)である。ｕ（ｘ）は、変位領域(displacement field)を表し、ここで

は、表面メッシュを使用することにより決められる境界における所定の変位である。有限要素法による体積メッシュに関する上記公式の打ち切り(discretization)は、等式の線形系となる。所定の変位は、結果生じる体積変形を強いるための境界条件として前記線形系に含まれることができる。本発明の態様によれば、これら境界条件は表面１と表面２との間にあるポイントの相関性に対応する。

特定の組織の弾性特性が３Ｄメッシュにおける個々の四面体に割り当てられ、ある器官又は複数の器官の弾性行動をさらに正確にシミュレートすることができる。器官の変形が大きく、線形モデルによりうまく描かれない場合、インクリメンタル変形(incremental deformation)の形式の非線形の弾性モデルが利用されてもよい。

結果として、有利には、器官の内部にある個々のノードの変位が計算される。放射線治療中、対象となる体積における線量の推定は、これら計算された変位に基づく患者の解剖学的構造の変動又は変化を考慮して行われる。この推定は次いで、線量の投与を予測するのに用いられ、初期の治療計画を訂正する手助けをする。

上述したように、セグメント化及び位置合わせの組み合わせは、線量分布及び線量の投与の推定を調節するために、放射線治療中の患者の解剖学的構造の変化を考慮するのに利用される。これは、表面マッチング方法を生物化学の体積モデルと組み合わせることにより達成される。特に、表面モデルの結果は、生物化学の体積モデルに対する境界条件として用いられる。

有利なことに、上述した方法により、治療処理中に線量の投与がモニタリングされる。各時点に対し、画像が撮られ、上述した方法により、正確な線量配分が決められることができる。言い換えると、適当な前記治療の時点の各々に対してと、標的体積（危険な組織）における対象となるポイント各々とに対し、投与される線量が決められることができる。これは、個々のポイントへの各線量の投与中の線量を合計することにより行われる。

ここで開示される本発明は、本明細書において行われている開示を考慮して当業者により読まれた特許請求の範囲により規定される。ここに開示される材料の修正及び代替品は、先に詳述した記述を読む及び理解する際に、等業者に思い浮かぶであろう。本発明は、上記修正及び代替品は添付される特許請求の範囲及びそれに等価なもの範囲内にある限り、これら修正及び代替品の全てを含むと解釈されると意図される。

図１は、ここで開示される方法を実行するのに適した放射線治療計画装置を概略的に示す。 放射線治療計画の方法の流れ図である。

Claims (4)

1. −第１及び第２の画像を記憶するためのメモリ、及び
   −プロセッサ、
   を有する放射線治療計画装置において、前記プロセッサは、
   −前記第１の画像に基づいて標的体積に対する線量分布を決めるステップ、
   −前記第１の画像における前記標的体積の対象となる物体に第１の表面メッシュを当てるステップ、
   −前記第１の表面メッシュを前記第１の画像における前記対象となる物体の表面に対し第１の適合を行い、第２の表面メッシュを生じさせるステップ、
   −前記第２の画像における前記対象となる物体に前記第２の表面メッシュを当てるステップ、
   −前記第２の表面メッシュを前記第２の画像における前記対象となる物体の表面に対し第２の適合を行い、第３の表面メッシュを生じさせるステップ、
   −前記第２の表面メッシュと前記第３の表面メッシュとの差を得るステップ、
   −前記第２の表面メッシュに基づいて前記対象となる物体の体積モデルを生成するステップ、
   −前記差に基づいて前記体積モデルを変形させ、変形した体積モデルを生じさせるステップ、及び
   −前記変形した体積モデルに基づいて、前記線量分布を調節するステップ、
   を実行するのに適し、前記第１及び第２の画像は放射線治療処理の異なる時点で撮られている装置。
2. 前記差は前記体積モデルの変形に対する境界条件として用いられ、生物化学モデルが前記体積モデルの変形において考慮される請求項１に記載の放射線治療計画装置。
3. 前記第１及び第２の画像はＣＴ画像である請求項１に記載の放射線治療計画装置。
4. 放射線治療計画装置用のコンピュータプログラムであり、前記放射線治療計画装置のプロセッサは、前記コンピュータプログラムが前記プロセッサにおいて実行される場合、
   −第１の画像に基づいて標的体積に対する線量分布を決めるステップ、
   −前記第１の画像における前記標的体積の対象となる物体に第１の表面メッシュを当てるステップ、
   −前記第１の表面メッシュを前記第１の画像における前記対象となる物体の表面に対し第１の適合を行い、第２の表面メッシュを生じさせるステップ、
   −前記第２の画像における前記対象となる物体に前記第２の表面メッシュを当てるステップ、
   −前記第２の表面メッシュを前記第２の画像における前記対象となる物体の表面に対し第２の適合を行い、第３の表面メッシュを生じさせるステップ、
   −前記第２の表面メッシュと前記第３の表面メッシュとの差を得るステップ、
   −前記第２の表面メッシュに基づいて前記対象となる物体の体積モデルを生成するステップ、
   −前記差に基づいて前記体積モデルを変形させ、変形した体積モデルを生じさせるステップ、及び
   −前記変形した体積モデルに基づいて、前記線量分布を調節するステップ
   を行い、前記第１及び第２の画像は放射線治療処理の異なる時点で撮られているコンピュータプログラム。

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