2019 Fiscal Year Research-status Report
非線形動的特性を積極的に活用した高精度強度変調放射線治療計画法の開発
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18K04169
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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(医学域), 教授 (40220694)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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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，先行研究において，線量体積制約を満たす状況を表す acceptable の概念をこの分野で新しく導入し，acceptable な解への収束が理論的に保証された非線形微分方程式系を考案した．ただし，臨床において精度の高い治療計画が要求される場合，すべての線量体積制約が acceptable とは限らない．すなわち，実現不可能な計画に対して可能な限り目標に近づけることが求められるが，通常の最適化では意図する結果は得られない．この困難な問題に対し，必ず満たすべき制約条件と，可能な限り制約に近づけたい条件に分離して定式化した最適化問題を構成し，問題を解決できるアイデアを想起した．本研究課題の達成により，腫瘍組織には高い線量をより正確に照射し，正常組織にはより少ない線量に抑える設計が可能となり，患者への治療効果を高めると同時に副作用を軽減できる画期的な治療計画を実現できることになる．実用化に向けた研究を行うことが本研究の目的である．
令和元年度は，臨床現場での実用に供する高速性を図るため，反復法の開発に注力した．ハイブリッド力学系として，従来は断層画像再構成における乗法的代数的再構成法に基づくベクトル場を採用していたが，期待値最大化に基づく系の方が離散化に有利であることが研究を通して明らかとなった．新しく導出されたハイブリッド力学系にみられる平衡点の安定性を理論的に証明し，乗法的 Euler 法による数値的な離散化を施すことで反復アルゴリズムを導いた．線量体積制約だけでなく平均線量に基づく制約も加えた評価関数への拡張に成功した．導出した反復法により，微分方程式系を高次の数値積分法で解くよりも演算時間を劇的に短縮できた．提案法の理論と実験結果を国際ジャーナルに投稿した．
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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
ハイブリッド力学系の離散化に基づく反復法として最も効果的な算法を開発するなど，研究計画通りの成果が得られたことに加えて，先に提案したハイブリッド力学系よりも，反復法を導く離散化に有利なベクトル場を考案できたことなど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．現状のプロトタイプにおいては，プログラミングの都合上，断層平面への適用に限定されている．3 次元画像に対応させたソフトウェアを開発する．提案法を臨床例に適用して有用性の検証試 験を行い，臨床応用での普及を目指す．具体的には，まず，3次元画像に対応させたプログラムを作成する．次に，臨床設定を想定した数値実験を行い，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，等価均一線量に基づき性能を評価する．
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| Causes of Carryover |
3月納品となり4月支払いのため，次年度使用額が発生したが，4月に支払い完了する予定である．
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Research Products
(5 results)
