2016 Fiscal Year Research-status Report
線量体積制約に基づき高精度・高速演算を実現する強度変調放射線治療計画法の開発
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15K06110
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
吉永 哲哉 徳島大学, 大学院医歯薬学研究部(医学系), 教授 (40220694)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 強度変調放射線治療 / 最適化問題 / 微分方程式 / 非線形問題 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強度変調放射線治療 (IMRT) 計画の問題は，照射ビーム係数に関する評価関数の最小化問題に帰着される．本研究代表者は，線量体積制約を満たす状況を表す acceptable (許容) の概念を新しく導入し，acceptable な解への収束が理論的に保証された非線形ハイブリッド力学系 (連続時間と離散事象が混在した非線形動的力学系) を考案した．さらに，数値積分の離散化に乗法的算法を用いることで，演算速度を劇的に高速化できる可能性も見出した．すなわち，従来法と比較して，高精度な IMRT 計画結果を高速に演算できる方法が達成可能であり，理論解析，数値解析，および実用化に向けた研究を行うことが本研究の目的である．
平成28年度は，ハイブリッド力学系の離散化による反復法の研究を行った．提案法が acceptable な解に収束する原理は非線形微分方程式の性質に基づいているが，臨床応用での普及を目指す目的には演算の高速化が不可欠である．乗法的 Euler 法や乗法的 Runge-Kutta 法など，乗法的数値積分算法が効果的であることが数値実験により検証できた．解が正値を保ち，理想的な解との距離が反復により単調減少する性質を理論的に解析した．研究の達成により，既存の IMRT 設備においてもソフトウェアの導入 (交換) だけで高品質・高精度の IMRT 計画結果を高速に得ることが可能となる．また，評価関数に等価均一線量を加えた力学系に対しても乗法的離散化法が有効であることが確認できた．さらに，適切な結果が得られる原理を解明し，解の振る舞いを非線形力学の観点から調べるため，理論的および数値的な解析を並行して実施した．
得られた成果を国際会議等で発表した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
提案したハイブリッド力学系の数値離散化法として乗法的算法が効果的であることが明らかとなり，臨床応用の場において実用的な高速演算を実現するための数値計算法が確立できた．研究計画通りの結果が得られたことから自己評価を判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究実施計画に沿って研究を推進する．具体的には，まず，IMRT 計画の臨床設定を想定した数値実験を行う．次に，ファントムに必要な CT 画像と線量の設定値をデータベースから取得し，結果を評価するための解析プログラムを作成する．最後に，線量体積制約に基づく IMRT 計画法を内外の研究者や医療関係者に報告し，最適化法の収束性，線量分布図，線量体積ヒストグラムに基づき性能を評価する．
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| Remarks |
医用画像機器工学分野
http://www.tokushima-u.ac.jp/med/health_science/course/iyohoshasen/iyo_gazokiki/
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