2/7/2014

1

1

TomoTherapy 治療機・線量計算の仕組み

日本アキュレイ（株）中林 匡

IB事業部 Physics/Application/Training

平成26年2月8日

第2回大阪大学放射線治療セミナー（医学物理編）

2

内容

トモセラピーの概要・システム構成

トモセラピーの装置仕様

トモセラピーのビームデータ・モデル

トモセラピーでの線量計算・最適化問題

3 3

1. TomoTherapyの概要 トモセラピーの概念設計、

トモセラピーの実際の動き、治療・照射の様子

トモセラピーによる代表的な治療部位

4

TomoTherapy,プロトタイプ CT一体化型の治療システム、Mackie 教授により発案（1993年）

Figure 1. Conceptual drawing of a helical tomotherapy unit in the first tomotherapy paper (Mackie et al 1993).

T. R. Mackie, “History of tomotherapy”

Phys. Med. Biol. 51 (2006) R427–R453

TomoTherapy Unit

In-Line Linac

Image Reconstruction

Treatment Planning

Treatment Verification

Computer

Temporary Modulated Multileaf Collimator

(MLC)

Accelerator Control

Temporary Modulated

Multileaf Collimator

Computer

Slit Defining

Secondary

Collimator

CT Image Detectors

Ring Target

CT X-ray Source

Beam Stop

Patient

Table

Megavoltage Image Detectors

Figure 9. The author, Rock Mackie, beside the first clinical helical tomotherapy prototype.

The unit was largely hand built and assembled by Dave Pearson and Eric Schloesser. The

photograph was taken in May 2000 at UW PSL, during assembly. The unit is built around a

GEMS HiSpeed AdvantageTM CT gantry.

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2

5

TomoTherapy® ２つの照射技法

6

TomoTherapy® のシステム構成

データサーバー

治療計画装置

照射実行装置

治療装置

治療計画の計算

画像再構成の計算

患者データの管理

機械情報の管理

7

TomoTherapy® 数、約40台/400台

Australia, 4

Belguim,

9

Canada,

11

China, 10

Columbia

Czech Republic

El Salvador

Finland

France, 14

Germany, 15

Greece Hong Kong, 4

Indea, 3 Italy, 20

Japan, 44 Malaysia, 2

Mexico,

1 Myanmar

Netherlands, 2

Pakistan, 0 Philippines,

1 Poland

Russia, 0

Saudi

Arabia, 1

Singapore,

2

South

Korea, 16

Spain, 5

Sweden, 2

Switzerland, 6

Taiwan

ROC, 13

Thailand, 1

Turkey

Ukraine, 0

United Arab Emirates, 1

United

Kingdom, 10

USA

Venezela

Vietnam, 0

Australia Belguim Canada China Columbia Czech Republic El Salvador Finland France Germany Greece Hong Kong Indea Italy Japan Malaysia Mexico Myanmar Netherlands Pakistan Philippines Poland Russia Saudi Arabia Singapore South Korea Spain Sweden Switzerland Taiwan ROC Thailand Turkey Ukraine United Arab Emirates United Kingdom USA Venezela Vietnam

8 8

2. TomoTherapy

の装置仕様

Gantry,

Beamline Component = Linac, Jaw, Binary-MLC

MVCT Detector

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3

9

TomoTherapy® 座標系

カウチ・ジョー・MLC

全て Y方向の動き

700 mm 700 mm

IEC-Y

IEC-X

IEC-X (+)

IEC-Y (-)

IEC-Z (+)

Virtual

I.C.

10

ガントリ回転周期（治療時）：

12～60 sec

SAD 85 cm, ボア径 85 cm

回転方向：CW

1回転あたり“照射回数”：

51 projection

TomoTherapy® Overview

11

1 Projection 5 Projections 11 Projections

17 Projections 25 Projections 51 Projections

51門ビームの理由

12

ガントリ回転周期（MVCT撮影）：

10 sec

Field Width ：

4 mm at iso. の扇形ビーム

カウチ移動量（3種）：

Fine/ Normal/ Coarse

(各々1回転あたり 4, 8, 12 mm)

Imaging Dose ≒ 2-3 cGy

TomoTherapy® Fan Beam MVCT

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4

13

Temperature Control

System (TCS)

Data Receiver

Server (DRS)

Stationary

Controller

Gantry Drive

Controller

SSM Controler Detector

Magnetron Accelerator Injector

Board

Onboard

Controller

Solid State

Modulator (SSM)

Fixed Target Linac

Primary Collimator

Jaws

Multi-Leaf Collimator

Accelerator

Gantry Front Gantry Back

TomoTherapy® System Components

14

Fixed Target Linac

Primary Collimator

Jaws

Multi-Leaf Collimator

Accelerator

Energy(Nominal)

6 MV for treatment

3.5 MV for imaging

TomoTherapy® Linac (Fixed Target)

Photon Energy Spectrum

1.0

0.5

0.0

Flu

en

ce

(N

orm

aliz

ed

to

Pe

ak F

lue

nce

)

0 1 2 3 4 5 6

Energy (MeV)

Treatment Beam

Peak Energy = 1.13 MeV

Mean Energy = 1.63 MeV

X線のエネルギースペクトル

15

Fixed Target Linac

Primary Collimator

Jaws

Multi-Leaf Collimator

Accelerator

Tungsten, 15 cm thick

X＝40.0 cm

Y＝ 1.0, 2.5, 5.0 cm (nominal)

TomoTherapy® Jaws

16

TomoTherapy® Jaws

Cone-Beam Fan-Beam

Relative Output from Linac

Distance from Isocenter

Re

lati

ve

Ou

tpu

t

Distance from Isocenter

Re

lative

In

ten

sity

100%

0%

40%

60%

20cm +20cm 0cm

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5

17

Flattening Filter Free のメリット

『ビーム・モデリングが容易』

『実測の再現性』

X線のエネルギースペクトル

（中心軸～軸外20 cmの成分）

18

Fixed Target Linac

Primary Collimator

Jaws

Multi-Leaf Collimator

Accelerator

Pneumatic “binary” MLC

# Leaves 64

Material Tungsten

Width @IC 6.25 mm

Thickness 10 cm

Leaf transit time ~20 ms

Leakage 0.2~0.5%

TomoTherapy® Binary MLC

19

1 projection 最中の 強度変調のレベル（階調）

1 projection の時間

Binary MLCによる強度変調レベル

17835msec 6.6

mod.#

sec,18.124.051

projection

periodgantry

projection

t

tt

20

TomoTherapy® Binary MLC のQA

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6

21

Z：Max.=IC-30mm

Min. Height =600mm

above floor

Y 1,725 mm

(≒1350 mm for treatment)

X ±25 mm

Cobra motion

No couch kicks

Constant couch velocity

TomoTherapy® Couch (HP Couch)

1. Premium carbon fiber table top

2. Backlit Couch Control Keypad (each side)

3. Integrated indexing system

4. Push button free float Y control

5. Motorized X, Y, Z translation

6. Rugged roller screw vertical Z lift

22

Chamber Number

Transverse (IEC-X) Beam Profile

Black：seen on Detector

Grey ：seen in Water Tank Measu

red

Ou

tpu

t (N

orm

aliz

ed

)

Photon Source

Focus Point

Gas Cavities

Xe 5 atm. Septal Plates

12

9.2

cm

10

3.6

cm

MVCT 用 検出器 (Xeガス入電離箱)

23

（昔の）Target (Rotational Target)

24

（今の） Target (Fixed Target)

今の Target

(Fixed Target)

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7

25

TomoTherapy® の”改善”

1

9

16 14

10

0 2 4 6 8

10 12 14 16

2009 2010 2011 2012 2013

11

76 81

49

1 0

10

20

30

40

50

60

70

80

2009 2010 2011 2012 2013

1時間以上のダウンタイムが発生した日数

故障に伴って治療停止

となった患者数

日数

数

26 26

3. TomoTherapy System の

ビームデータとモデル トモセラピーのコミショニングに必要なビームデータ

トモセラピーのビームモデル

27

TomoTherapy® ビームデータ

Jaw Machine

Settings

Nominal Field

at I.C. (cm)

J42 5.0

J20 2.5

J07 1.0

PDD

OCR (X)

OCR (Y)

28

TomoTherapy® ビームモデル

データサーバー Energy Spectrum

Cone Filter (X)

Cone Filter (Y)

Fluence Attenuation

Kernel

Energy Spectrum

Fluence Attenuation

Cone Filter (X)

Cone Filter (Y)

Kernel

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8

29 29

4. TomoTherapy 治療計画の線量計算・最適化

TomoTherapy 専用の治療計画装置…Planning Station

TomoTherapy 計画における計算アルゴリズム

30

TomoTherapy® 専用治療計画装置 Planning Station

Contouring Optimization

Plan Setting

Prescription

Table

31

線量計算 － Convolution/Superposition

照射モード選択 (Helical or Direct)

Jaw の設定 （Jaw Settings)

強度変調度合を設定 (Modulation Factor)

カウチ速度設定 (Helical Pitch)

線量処方テーブルの各臓器毎の各種の重み

Planning Station, 計画パラメータ

widthfield

rot./couchdpitch

open time leaf.

open time leaf.max

avet

tMF

beamlet

Max. leaf open time

Avg. leaf open time

32

IVDT (Image Value Density Table) kV-CT の場合 MV-CT の場合

テーブル外の値…最後の2点で外挿

密度の最大値は… 22.6 g/cc

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9

33 PAT_TTE0001 — Company Confidential

線量分布の「ねじ山」効果

np

86.0

34

線量分布「ねじ山」効果 実例

35

線量 = TERMA × 散乱 Kernel

線量分布

線量計算アルゴリズム, C/S

𝐷 𝑟 = 𝜇

𝜌Ψ 𝑟 ′ 𝐴 𝑟 − 𝑟 ′ 𝑑𝑉

𝑉

TERMA Ray Tracing

Kernel (Look-up)

36

Binary MLC

による

強度変調

Planned Sinogram

＝ 97,920

≒100,000

(beamlet)

最適化に必要な「beamletの数」

#leaf

64

#projection

51

#rotation

30

#leaf

#rotation

1-projection

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10

37

線量分布計算

IMRT 最適化問題の定義

最適化計算する beamlet の数, M 計算する voxel の数, N

jjii wBdwBd ,

最適化関数の定義、 最適化関数の解

w

dOdO

)( )( min

38

Parameter

Parameter

Objective Function O(D)

ctor)beamlet ve( ,0

)(Penalty DVH

ROI

importance2

ww

O

pV

pDDDO k

k

k

k kk

計算処方

最適化アルゴリズムの概要

1. Preprocessing：マトリクス B の計算

2. 各beamlet の重み w を指定

3. 線量を計算： d = B w

4. 最適化関数 O(d) を計算

5. 最適化関数の変化 ∂O(d)/∂w を計算

6. 各 beamlet の重み w をアップデート

7. Clinical ゴール or プロセス3.へ戻る

39

線量分布計算

最適化問題の利点

最適化計算する beamlet の数, M 計算する voxel の数, N

jjii wBdwBd ,

計算が linear でシンプル

計算機に実装しやすい

40

線量分布計算

最適化問題の抱える問題 (Tomo)

最適化計算する beamlet の数, M（≒ 100,1000) 計算する voxel の数, N

（≒ 10,000,1000)

jjii wBdwBd ,

NMNN

M

M

BBB

BBB

BBB

B

21

22221

11211

最適化計算する beamlet の数, M 計算する voxel の数, N

行列 B の成分の数＝

10,000,000×100,1000（1 テスラ）

B の計算時間＝数10分～数時間

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11

41

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00

DC3

Time (hours:minutes)

Beamlets

Optimization

DC3

典型的な計算時間、頭頚部

最適化計算する beamlet の数, M（≒ 100,1000) 計算する voxel の数, N

（≒ 10,000,1000)

Fine Resolution

Normal Resolution

CPUの数を増やす！

42

VoLOTM ,Non-Voxel-based Broad Beam

GPU 並列計算向けにアルゴリズム改良

離散化方式を廃止、BEV座標系への変換

Fluence-map のモデリング、DTPO 適用

反復線量計算の高速化（近似計算導入）

FCBB (Fluence Convolution Broad Beam)

CCCS で精密計算チェック

NVBB framework で最適化問題を解く

43

The 1U GPU node

consists of the following components:

4 CPU cores

6GB of main system memory

500GB Hard Drive

Slimline DVD ROM Drive

Dual Tesla GPU Cards,

each containing:

448 Processor cores

6GB of memory

GPU Card 1

GPU Card 2

Secondary

System

Memory

(Empty)

Secondary

Processor

(Empty)

Primary

Processor

Primary

System

Memory

Power

Supply

Hard Drive

DVD Drive

VoLOTM ,GPU (node) の仕様

44

1 2 3 4 5

6 7 8 9 10

11 12 13 14 15

16 17 18 19 20

21 22 23 24 25

+

Beam A Beam B

Beam A

Beam B

NVBB , Voxel-Less, BEVの意義

Voxel-base の場合 Voxel-less の場合

座標系： 固定 座標系： BEV

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12

45

線量計算の高速化

0fD

→ 反復回数

(近似計算、FCBB)

fD~

(真面目な計算、C/S) 10回毎

fD 線量

“反復”線量

fD

0

~fff DDD

最適化計算の反復過程で、

近似計算と精密計算（Convolution/Superposition法）を併用

46

BEV 座標系のTERMAと FCBB

)(

1

3

0

2

dudvdrra

dudvdrr

srdV

s : SAD(85cm)

r0

r

BEV 面

dV

d

dm

dT

)ˆ()()(

)(

)()ˆ()()(*

rArauf

r

rrAraufT e

TERMA

FCBB（近似計算）

)()()ˆ(

')'()'()()ˆ(

),()()(*

ugrarc

uduukufrarc

uduxBufxD

47

BEV 座標系のTERMAと FCBB

dV

d

dm

dT

)ˆ()()(

)(

)()ˆ()()(*

rArauf

r

rrAraufT e

TERMA 5MV

IPB ＝BB

8MV

IPB ≒BB

18MV

FCBB（近似計算）

)()()ˆ(

')'()'()()ˆ(

),()()(*

ugrarc

uduukufrarc

uduxBufxD

48

DTPO…Jaw, MLC のモデリング

r

f

l

f

vrRvlLvCrlOvf

jawjaw

jaw

,

)1),(),(()(),()(

j

leaf

jjjbjjbleaf

t

f

uttuutTuf

)(),min())()(()( 1

Jaw, MLC はY方向の動きのみ：モデリングが容易

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-0.25 -0.24 -0.23 -0.22 -0.21

Rela

tive V

alu

e

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13

49

最適化関数の”処理”

Direct-Treatment Parameter Optimization による近似・高速化

最適化関数と問題の定義

?)(

)()(

m

D

p

DO

xdxFDO

2))()(()()( xDxDxAxF pD

xddudvp

f

f

xD

D

xF

xdp

xD

D

xF

p

DO

m

D

m

D

m

)()(

)()()(

uddrrcD

Fuuk

p

f

p

DO

p

DO

D

m

mm

)ˆ(

*)'(

*)()(

*

uduuk

p

frarc

p

D

mm

)'()()ˆ(

*

FCBB（近似計算）

')'()'()()ˆ()(* uduukufrarcxD

50

Timings based on 100 iterations plus full dose and final dose calculations. Fine grid resolution used for final dose.

Total planning times

shown here are

approximate and

based on internal

Accuray test data. Times may vary with

various clinical

situations.

0 1 2 3 4 5 6 7 8

(minutes)

Prostate

Head &

Neck

Cranio-

Spinal

治療計画 計算時間

VoLOTM による計画計算時間の例

51

体輪郭外の線量 皮膚無し の場合 皮膚有りの場合

52 52

ご清聴ありがとうございました