(57)【要約】  位置合わせ部４３の機能は、ＤＲＲ画像とＤＲ画像のずれ量が最小となる並進・回転の最適解を求めるための位置決めアルゴリズムを用いて、透視投影の回転および平行移動に関する各パラメータの最適化演算の実行にある。位置合わせ部４３は、最適化機能を実現する構成要素として、３軸最適化部４５、６軸最適化部４６、および、１次元最適化部４７を備える。３軸最適化部４５、６軸最適化部４６、および、１次元最適化部４７の機能は、プログラムとしてメモリに格納され、ＣＰＵの作用により実行される。
2018225234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、
放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、
空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたＣＴデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成部と、
前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の位置合わせを実行する位置合わせ部と、
前記位置合わせ部により算出された前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出部と、
を備え、
前記位置合わせ部は、
空間座標系における平行移動および回転の６自由度のパラメータのうち、平行移動の３自由度のパラメータの最適化演算を実行することにより、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の平行方向のずれ量を求める３軸最適化部と、
前記３軸最適化部における最適化演算の結果を反映した後に、６自由度のパラメータ、または、前記治療台の移動軸に対応する４自由度または５自由度のパラメータの最適化演算を実行することにより、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の平行方向および回転方向のずれ量を求める多軸最適化部と、
を備えること、を特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置決め装置において、
前記位置合わせ部は、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら、位置合わせを実行し、
前記３軸最適化部は、最も低い解像度で前記平行移動の３自由度のパラメータの最適化演算を実行する位置決め装置。
【請求項３】
請求項１に記載の位置決め装置において、
前記移動量算出部は、前記多軸最適化部において６自由度のパラメータの最適化演算を実行したときには、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像との間の平行方向および回転方向のずれ量から６方向の移動量を算出し、前記６方向の移動量のうち、前記治療台の移動軸に対応する移動量を出力する位置決め装置。
【請求項４】
請求項１に記載の位置決め装置において、
前記位置合わせ部は、前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータの最適化演算を実行する１次元最適化部を備える位置決め装置。
【請求項５】
治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め方法であって、
放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得工程と、
空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたＣＴデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成工程と、
前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の位置合わせを実行する位置合わせ工程と、
前記位置合わせ工程により算出された前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出工程と、
を備え、
前記位置合わせ工程は、
空間座標系における平行移動および回転の６自由度のパラメータのうち、平行移動の３自由度のパラメータを最適化する最適化演算を実行する３軸最適化工程と、
前記３軸最適化工程における最適化演算の結果を反映した後に、６自由度のパラメータまたは、前記治療台の移動軸に対応する４自由度または５自由度のパラメータの最適化演算を実行する多軸最適化工程と、
を備えること、を特徴とする位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、患者に対して放射線治療を行うときに患者の位置決めを行う位置決め装置および位置決め方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
患者の患部に向けて、Ｘ線、電子線、粒子線等の放射線を照射する放射線治療においては、治療用放射線を患部に正確に照射する必要がある。このような放射線治療では、まず、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）スキャンが行われ、治療計画が策定される。そして、放射線治療装置による治療を実行するときには、治療ビームの照射標的と照射中心を一致させるため、患者を診療台に横たわらせた状態で、位置決めが実行されている。【０００３】
患者の位置決めにＸ線透視画像やＣＴデータを用いる装置では、治療台に固定具で拘束された患者の患部およびその周辺の実透視画像であるＤＲ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ）画像の取得と、治療計画策定時のＸ線ＣＴスキャンにより得られた３次元画像データに対する仮想的透視投影であるＤＲＲ（Ｄｅｇｉｔａｌ  Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ  Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ）画像の作成が実行される。そして、ＤＲ画像とＤＲＲ画像との類似性を評価すること（画像レジストレーション）により、患者の実際の放射線治療時の位置と治療計画時の位置とのずれ量を算出している（特許文献１および特許文献２参照）。【０００４】
なお、このようなＤＲ画像とＤＲＲ画像を一致させる位置決めアルゴリズムに従った位置決めの前には、粗位置決めとも呼称される初期セットアップが実行されている。初期セットアップには、例えば、レーザ墨出し器を用いた操作者の手動による位置調整や、操作者が入力装置を操作してディスプレイに表示されたＤＲ画像とＤＲＲ画像との重ね合わせることによる、大まかなずれ量調整がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２８２８７７号公報
【特許文献２】特開２００９−２０１５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＤＲ画像とＤＲＲ画像の一致度が最大となるように、ＣＴデータの回転・平行移動に関する透視投影パラメータを最適化する位置決めアルゴリズムでは、初期セットアップ後のＤＲ画像とＤＲＲ画像のずれ量が、最適化の初期値となる。従来のパラメータの最適化では、画像の解像度を低解像度から高解像度に変えながら、３次元空間の直交する３軸の平行移動および各軸周り回転移動の６自由度の全てで同時に最適化演算が実行される。【０００７】
初期セットアップは、操作者の手動により行われるため、ＤＲ画像とＤＲＲ画像のずれの程度に個人差が生じる。パラメータの最適化を開始するときのＤＲ画像とＤＲＲ画像の初期のずれ量が大きい場合（例えば、１ｃｍ以上）には、６自由度の全てで同時に最適化演算を実行すると、位置決めに失敗することがあった。この失敗の原因としては、平行移動の最適化が完了する前に回転で無理に合わせようとしたことによる、最適化演算の進行の停滞が考えられる。そして、位置決めに失敗したときは、再度、初期セットアップからやり直す必要があり、患者が治療台に横たわってから治療ビームを照射できるまでの間の時間が長くなっていた。【０００８】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、治療時の位置決めを容易に行うことができる位置決め装置および位置決め方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたＣＴデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成部と、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の位置合わせを実行する位置合わせ部と、前記位置合わせ部により算出された前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出部と、を備え、前記位置合わせ部は、空間座標系における平行移動および回転の６自由度のパラメータのうち、平行移動の３自由度のパラメータの最適化演算を実行することにより、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の平行方向のずれ量を求める３軸最適化部と、前記３軸最適化部における最適化演算の結果を反映した後に、６自由度のパラメータ、または、前記治療台の移動軸に対応する４自由度または５自由度のパラメータの最適化演算を実行することにより、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の平行方向および回転方向のずれ量を求める多軸最適化部と、を備えること、を特徴とする。【００１０】
第２の発明では、前記位置合わせ部は、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら、位置合わせを実行し、前記３軸最適化部は、最も低い解像度で前記平行移動の３自由度のパラメータの最適化演算を実行する。【００１１】
第３の発明では、前記移動量算出部は、前記多軸最適化部において６自由度のパラメータの最適化演算を実行したときには、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像との間の平行方向および回転方向のずれ量から６方向の移動量を算出し、前記６方向の移動量のうち、前記治療台の移動軸に対応する移動量を出力する。【００１２】
第４の発明では、前記位置合わせ部は、前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータの最適化演算を実行する１次元最適化部を備える。【００１３】
第５の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め方法であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得工程と、空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたＣＴデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成工程と、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の位置合わせを実行する位置合わせ工程と、前記位置合わせ工程により算出された前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出工程と、を備え、前記位置合わせ工程は、空間座標系における平行移動および回転の６自由度のパラメータのうち、平行移動の３自由度のパラメータを最適化する最適化演算を実行する３軸最適化工程と、前記３軸最適化工程における最適化演算の結果を反映した後に、６自由度のパラメータまたは、前記治療台の移動軸に対応する４自由度または５自由度のパラメータの最適化演算を実行する多軸最適化工程と、を備えること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１から第５の発明によれば、平行移動の３自由度についてパラメータの最適化を行った後に、平行移動に回転を含めた自由度についてパラメータの最適化を行うことから、撮像系から取得した放射線画像とＣＴデータに仮想的透視投影を行って作成したＤＲＲ画像との初期位置のずれ量が大きい場合でも、パラメータの最適化演算で局所解に陥ることを防ぐことができる。このように、放射線画像とＤＲＲ画像との初期位置のずれ量の許容範囲が大きくなったことから、最適化演算の進行が停滞することなく、従来のように初期セットアップからやり直すケースを減少させることができる。したがって、放射線治療装置での治療時のワークフローを短縮することが可能となる。【００１５】
第２の発明によれば、放射線画像とＤＲＲ画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に上げて位置決めを行うときに、平行移動の３自由度のパラメータの最適化を、最適化の初期の最も低い解像度で行うことにより、最適化の計算コストを低減することが可能となる。【００１６】
第３の発明によれば、６自由度のパラメータの最適化により得られた放射線画像とＤＲＲ画像のずれ量から６方向の移動量を算出した後、治療台の移動軸に対応する必要な移動量のみを治療台側に出力することから、治療台の移動軸の自由度ごとに位置決めアルゴリズムを用意しなくてもよく、容易に位置決めを行うことができるともに、治療台の移動軸の自由度のパラメータの最適化を行う場合よりも、位置決め誤差を小さくすることが可能となる。【００１７】
第４の発明によれば、撮影系の撮影方向に沿った１次元最適化を行うことから、患者に対して傾斜角を持った２方向から撮影を行う撮影系のように、ＳＩＤ（Ｓｏｕｒｓｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ）が長くなる場合でも、最適化演算の進行が停滞することを防ぐことができる。また、最適化経路を最短とし、位置決め時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明に係る位置決め装置を適用する放射線治療装置の概要図である。
【図２】この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。
【図３】被検体の位置決め手順を示すフローチャートである。
【図４】パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。
【図５】この発明の１次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造と画像の類似度の最適化の過程を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る位置決め装置を適用した放射線治療装置１の概要図である。
【００２０】
この発明の位置決め装置は、Ｘ線撮像系を備え、放射線治療装置１とともに使用される。放射線治療装置１は、治療台３０の天板３１上の患者（被検体）に対して放射線治療を行うものであり、治療ビームを出射するヘッド５５と、治療室の床面に設置された基台５２に回転可能に支持されたガントリー５３を備える。放射線治療装置１は、ガントリー５３が回転することで、治療ビームの照射方向を変更することができる。
【００２１】
Ｘ線撮像系は、治療台３０の天板３１上に仰臥した患者の患部の位置を特定するためにＸ線透視を行うためのものであり、放射線照射部としてのＸ線管１１ａ〜１１ｄと、被検体および天板３１を透過したＸ線を検出する放射線検出器であるフラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄとを備える。Ｘ線管１１ａ〜１１ｄおよびフラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄとは、被検体に対して斜め方向からのＸ線透視を行う位置に配置される。なお、図１においては図示していないが、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄは床面に形成された凹部に配置され、凹部は床の一部を構成する蓋部材により覆われている。また、放射線検出器としてはイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ）を使用してもよい。
【００２２】
Ｘ線管１１ａから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ａにより検出され、Ｘ線管１１ａとフラットパネルディテクタ２１ａとは、第１撮像系を構成する。Ｘ線管１１ｂから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ｂにより検出され、Ｘ線管１１ｂとフラットパネルディテクタ２１ｂとは、第２撮像系を構成する。Ｘ線管１１ｃから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ｃにより検出され、Ｘ線管１１ｃとフラットパネルディテクタ２１ｃとは、第３撮像系を構成する。Ｘ線管１１ｄから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ｄにより検出され、Ｘ線管１１ｄとフラットパネルディテクタ２１ｄとは、第４撮像系を構成する。被検体の位置決めを行う際には、ガントリー５３が撮影視野に重ならないように第１〜第４撮像系のうち、２つの撮像系が選択され、被検体に対して異なる２方向からのＸ線透視が行われる。
【００２３】
図２は、この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。
【００２４】
この位置決め装置は、論理演算実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、各種画像処理を実行するＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、装置の制御に必要なプログラムが格納されたＲＯＭ、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭ等のメモリを備えるコンピュータによって実現される制御部４０を備える。
【００２５】
制御部４０は、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄからのＸ線の照射を制御するＸ線管制御部１０と、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄの各々と接続されている。Ｘ線管制御部１０は、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄに接続され、Ｘ線透視時には、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄのうち選択されている撮像系の２個にＸ線を照射するために必要な管電圧・管電流を供給する。また、制御部４０は、ネットワーク１７、表示部１５、入力部１６、放射線治療装置１および治療台３０とも接続されている。なお、治療台３０の天板３１は、天板移動機構３２により水平移動および回転の６軸の移動が可能となっている。
【００２６】
制御部４０は、機能的構成として、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのうち、選択された撮像系の２個で検出された２次元放射線画像（ＤＲ画像）の情報を取得する画像取得部４１と、ネットワーク１７を介して、事前のコンピュータ断層撮影（Ｘ線ＣＴ撮影）により収集した３次元ＣＴデータに対して仮想的に透視投影を行うことにより異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成部４２と、２つの撮像系で透視を実行して得たＤＲ画像をＤＲＲ画像に合わせる位置合わせ部４３と、画像間のずれ量から天板３１の移動量を算出する移動量算出部４４と、を備える。これらの機能的構成は、プログラムとしてメモリに格納され、ＣＰＵの作用により実行される。
【００２７】
位置合わせ部４３は、ＤＲ画像とＤＲＲ画像のずれ量が最小となる並進・回転の最適解を求めるための位置決めアルゴリズムを用いて、透視投影の回転および平行移動に関する各パラメータの最適化演算を実行する機能を有する。そして、最適化演算は、放射線治療装置１の照射野に位置するターゲットアイソセンターを中心として、実行される。位置合わせ部４３は、パラメータの最適化を実現する構成要素として、３軸最適化部４５、６軸最適化部４６、および、１次元最適化部４７を備える。３軸最適化部４５、６軸最適化部４６、および、１次元最適化部４７の機能は、プログラムとしてメモリに格納され、ＣＰＵの作用により実行される。
【００２８】
次に、上述した構成の位置決め装置における位置決め方法について説明する。図３は、被検体の位置決め手順を示すフローチャートである。
【００２９】
治療台３０の天板３１上の被検体に対し、第１〜第４撮像系から選択された２つの撮像系によるＸ線透視を実行し、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのうちの２つから画像情報を取得し、異なる２方向からのＤＲ画像を得る（ステップＳ１：画像取得工程）。
【００３０】
コンピュータ上の仮想空間に撮像系のジオメトリ（幾何学的配置）を再現し、予め取得した３次元ＣＴデータに対して仮想的透視投影が実行される。ＣＴデータは、治療計画策定時にＸ線ＣＴ装置により取得し、図示を省略した患者ＤＢに格納しておく。制御部４０は、ネットワーク１７を介して治療計画およびＣＴデータを取得する。しかる後、ＤＲＲ画像作成部４２の作用により、３次元ＣＴデータへの仮想的透視投影により被検体の異なる２方向の２次元ＤＲＲ画像が作成される（ステップＳ２：ＤＲＲ画像作成工程）。
【００３１】
Ｘ線透視撮影のジオメトリには、選択された２つの撮像系におけるＸ線管１１ａ〜１１ｄのいずれか２個、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのいずれか２個の位置および天板３１の位置・姿勢が含まれる。これらの要素の機械的設置精度は、最終的な位置決め精度に影響を与えるため、定期的に設置位置の構成を行い、Ｘ線透視撮影のジオメトリに校正結果を反映している。
【００３２】
ＤＲＲ画像作成時には、選択された撮像系におけるＸ線管１１ａ〜１１ｄのいずれかの焦点からフラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのいずれかへの投影線に沿って、ＣＴ画像データのボクセル値が積算（線積分）される。
【００３３】
ＤＲ画像とＤＲＲ画像が一致するように、透視投影の平行移動および回転に関するパラメータの最適化が行われ、位置合わせが実行される（ステップＳ３：位置合わせ工程）。ここで、２つの画像の一致度を評価する評価関数としては、正規化相互情報量（ＮＭＩ：Ｎｏｍａｌｉｚｅｄ  Ｍｕｔｕａｌ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）、勾配差（ＧＤ：Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ゼロ平均正規化相互相関（ＺＮＣＣ：Ｎｅｒｏ−ｍｅａｎｓ  Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）など、従来からマルチモダリティの画像位置合わせに用いられている評価関数を採用することができる。なお、ＮＭＩ、ＧＤ、ＺＮＣＣを組み合わせて使用することで、ＤＲ画像とＤＲＲ画像の一致度の評価精度を向上させることもできる。
【００３４】
評価関数の計算は、画像中の被検体が写っている領域のみで行うことが好ましい。また、被検体内で動きのある臓器や関節など、ＣＴデータと再現性のない変形を伴う部位は、この評価関数の計算の対象外とすることが望ましい。
【００３５】
位置合わせ部４３の作用による位置合わせの結果得られたＤＲ画像とＤＲＲ画像との位置ずれ量は、制御部４０を構成するＣＰＵの作用により移動量算出部４４の機能が実行されることで、天板移動量に換算される（ステップＳ４：移動量算出工程）。そして、この移動量が、移動量算出部４４から治療台３０の天板移動機構３２に送信される。しかる後、天板移動機構３２の動作により天板３１が移動する（ステップＳ５：天板移動工程）。このように、ＤＲ画像とＣＴデータから作成したＤＲＲ画像との位置ずれ量だけ被検体が転置するように天板３１を移動させることで、被検体は、放射線治療装置１から照射される治療ビームに対して治療計画通りの位置・角度に位置決めされる。なお、天板３１を転置して被検体の位置決めを行った後には、再度Ｘ線透視を行って、そのときのＤＲ画像とＤＲＲ画像とを表示部１５に表示させ、それらの画像が一致しているか否かがユーザによる目視確認により行われる。そして、放射線治療装置１のヘッド５５から治療ビームが被検体の患部に向けて照射される。
【００３６】
位置合わせ部４３の構成要素である、３軸最適化部４５、６軸最適化部４６、および、１次元最適化部４７の機能について、さらに詳細に説明する。図４は、パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。
【００３７】
この実施形態では、最適化演算の手法として、ＢＦＧＳ公式による準ニュートン法を用いる。準ニュートン法は、ｋ次元の関数ｆ（ｘ）の極小値、極大値を求めることができる方法である。最適化演算では、ＤＲＲ画像とＤＲ画像の一致を評価する評価関数をｆ（ｘ）としたとき、治療室空間の点の初期値ｘ０からｉ＋１番目でのｘｉ＋１が十分小さくなるまで、下記式（１）により反復計算する。
【００３８】
【数１】
2018225234.tif 000003
【００３９】
ここで、Ｈはヘッセ行列の逆行列の近似である。また、Ｈの近似式はいくつか提案されているが、以下の式（２）（３）で与えられるＢＦＧＳ公式が最も計算効率が良い。
【００４０】
【数２】
2018225234.tif 000004
【００４１】
【数３】
2018225234.tif 000005
【００４２】
画像レジストレーションを行うに際し、治療室の空間座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸の平行移動の３自由度と、回転の３自由度の計６自由度について、パラメータの最適化を行う。この発明においては、平行方向の３軸と回転方向の３軸の計６軸の最適化を同時に行う前に、まず、平行方向の３軸（３自由度）について、最適化を実行する（ステップＳ３１：３軸最適化工程）。この３軸最適化工程では、評価関数ｆ（ｘ）を３次元の関数として、３次元位置ｘを上記式（１）に従って更新する。平行方向の３軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで、反復計算が実行される。なお、３軸最適化は、ＣＰＵが３軸最適化部４５から読み込んだプログラムを実行することにより実現される。
【００４３】
平行方向の３軸についての最適化が終了すれば、回転方向を含めた６軸についての最適化が実行される（ステップＳ３２：６軸最適化工程）。６軸最適化工程では、評価関数ｆ（ｘ）が、平行移動および回転の６自由度に関する６つの独立変数に依存する６次関数であるとして、６次元位置ｘを上記式（１）に従って更新する。６次元位置ｘの初期値ｘ０は、先の３軸最適化工程で平行移動の３軸のパラメータが最適化された後の位置になる。そして、予め設定した時間内または予め設定した回数の計算を繰り返す間に、平行移動の３軸および回転の３軸の計６軸についてのずれ量が収束すれば（ステップＳ３３）、最適化演算は終了する。一方で、６軸のずれ量が収束しなければ、１次元最適化を行う（ステップＳ３４：１次元最適化工程）。なお、６軸最適化は、ＣＰＵが６軸最適化部４６から読み込んだプログラムを実行することにより実現される。また、６軸最適化部４６および６軸最適化工程は、この発明の多軸最適化部および多軸最適化工程に相当する。この発明において、多軸とは、平行移動の３軸に回転の軸が加わった４〜６自由度の移動軸を意味する。
【００４４】
ここで、Ｘ線透視は、選択された２つの撮像系により異なる２方向から行われており、６軸最適化後のＤＲＲ画像とＤＲ画像との一致を評価する評価関数の値も、異なる２方向について得られる。ステップＳ３３での２つの画像のずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、評価関数の値が収束判定値に到達したかどうかで判定される。そして、異なる２方向の評価関数の値をＦ１、Ｆ２としたとき、異なる２方向の評価関数の和Ｆ１＋Ｆ２を収束判定値と対比する評価関数の値としている。なお、異なる２方向のいずれか一方が、位置決めにおいてより重要な場合には、単純なＦ１、Ｆ２の和ではなく、いずれか一方に重み付けをして和をとるようにしてもよい。また、３軸最適化の後にも６軸最適化のステップに進むか否かの判定が行われるが、平行移動の３軸を合わせた後に６軸最適化を行うため、３軸最適化後では、６軸最適化後の収束判定（ステップＳ３３）ほど収束判定値を厳しく設定して最適化の収束判定を行なわなくてもよく、予め設定した回数の計算が終了すれば、次の６軸最適化のステップに進むようにしてもよい。
【００４５】
６軸最適化の計算終了後のステップＳ３３での判定が「Ｎｏ」であった場合には、１次元最適化を実行する（ステップＳ３４）。この１次元最適化工程では、選択された２つの撮像系における撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータが最適化される。１次元最適化工程における評価関数は、撮影方向に沿った１次元平行移動に関する１つの変数に依存する１次関数である。ここでの最適化では、Ｂｒｅｎｔ法や黄金分割法などを用いることができる。
【００４６】
図５は、この発明の１次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造とパラメータの最適化の過程を模式的に示す説明図である。
【００４７】
１次元最適化部４７において、撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化したことで、最適化の経路は、谷構造に沿って進行する。このため、最適化の序盤だけではなく、最適化の終盤まで撮影方向を考慮した最適化が可能となり、図１に示すような、被検体に対して傾斜角を持った異なる２方向からＸ線透視を行った場合にＳＩＤが長くなることによる最適化演算の進行の停滞問題を解決している。これにより、最短経路で効率よく最適化演算が行われ、全体の計算時間を従来よりも短くすることができ、かつ、位置決め精度も向上させることが可能となる。
【００４８】
ステップＳ３５で収束判定に用いられる最終的な評価関数値は、３軸最適化および６軸最適化の場合と同様に、異なる２方向の評価関数値をそれぞれＦ１、Ｆ２としたとき、異なる２方向の評価関数値の和Ｆ１＋Ｆ２を用いてもよいが、値の大きな評価関数（Ｆ１またはＦ２のどちらか一方）のみを用いること方がより好ましい。すなわち、最適化の経路が評価関数の谷構造に沿っているときは、値の小さい評価関数は最適化への寄与が小さいため、位置ずれが撮影方向に沿っていない側の値の大きな目的関数のみで最適化を行うことで、計算の高速化が可能となる。
【００４９】
１次元最適化は、評価関数の値が収束判定値に到達するまで（ステップＳ３５：収束判定工程）、繰り返し実行される。なお、この実施形態では、３軸および６軸の最適化と１次元最適化とで、異なる評価関数を用い、評価関数の値の収束判定値に異なる値を用いている。このように、それぞれに適した評価関数、収束判定値を用いることで、より適切にパラメータの最適化を行うことができる。また、１次元最適化は、異なる２方向の評価関数値Ｆ１、Ｆ２の差が小さいときには、省略してもよい。
【００５０】
さらに、所定の計算時間または所定の計算回数に達しても収束判定値に到達しない場合は、最適化の繰り返し計算を打ち切る（ステップＳ３６：打ち切り判断工程）。このような、時間的な制限を設けることで、同じ姿勢で天板３１上に固定される患者の負担や放射線治療装置１のスループットの低下が軽減される。
【００５１】
また、上述した最適化演算は、ダウンサンプリング法を利用してＤＲ画像とＤＲＲ画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら実行する。例えば、画像の解像度を低解像度から高解像度に４段階で順次上げていきながら計算を繰り返す。解像度を下げると情報量が減少するため、このような計算領域を限定した計算を導入することで、計算を高速化することができる。
【００５２】
また、各解像度で３軸最適化を行う必要はなく、最も解像度の低い計算でのみ、３軸最適化を行うのが効果的である。例えば、評価関数が局所解に陥ってしまう頻度は高解像度ほど高い傾向にある。したがって、ＤＲ画像とＤＲＲ画像の初期位置ずれの大きさの影響を最も受ける最適化の初期段階の最も低い解像度で３軸最適化を実行し、大きなずれ量を小さくしておけば、それ以降の高解像度の最適化演算で、６軸最適化のみを実行しても、評価関数が局所解に陥ることを防ぐことができる。情報量の少ない低解像度側で、平行移動の３軸の最適化を先に行うので、計算負担も増えることがなく、その後の６軸最適化での最適化の進行の停滞も低減されることから、最適解に至るまでの計算時間も短縮することができる。
【００５３】
さらに、１次元最適化についても、解像度ごとに１次元最適化を行うか否かを切り替えてもよい。すなわち、撮影方向を考慮しなくても解空間での最適化の方向が好ましい解の探索方向から大きくはずれることがない低解像度側で１次元最適化を省略することで、さらに、最適化演算を高速化することが可能となる。
【００５４】
上述した被検体の位置決めでは、ＤＲ画像とＣＴデータから作成したＤＲＲ画像との位置合わせの結果を、放射線治療装置１から治療ビームを照射する前の天板３１の移動に利用しているが、必ずしも天板３１を移動させる必要はない。例えば、治療中に位置ずれがないか確認するために、位置合わせの結果を利用してもよい。
【００５５】
この実施形態では、治療台３０に、天板３１を６軸移動させるものを採用していることから、移動量算出部４４で算出された天板３１の移動量は、対応する軸の６方向の全てについて天板移動機構３２に出力される。この実施形態では、治療台の移動軸に対応しているか否かにかかわらず、６自由度のパラメータの最適化を実行し、得られたＤＲ画像とＤＲＲ画像のずれ量に基づく移動量を、治療台の対応する移動軸の分だけ天板移動機構３２に送信するようにしている。例えば、治療台３０が天板３１を４軸移動（３軸平行移動＋鉛直軸回転）させるものであれば、移動量算出部４４からは対応する移動軸の４方向の移動量のみが出力される。なお、治療台の移動軸の数を変数とする４次元の最適化を行って得た解よりも、６次元の最適化を行って大域的最適解を計算した後に、動かない軸についての拘束条件に射影して得た解の方が、最適解からの距離が最短の解となり、位置決め誤差が小さくなることがこの発明の発明者により実験的に確認されている。
【００５６】
この実施形態では、上述したように６軸のずれ量を算出し、治療台の移動軸が４軸であれば、４軸分を天板移動機構３２に送信する構成を採用しているが、この発明は、実施形態に限定されるものではない。例えば、６軸最適化演算にかえて、治療台の移動軸に対応する、例えば、４自由度や５自由度のパラメータを最適化する４軸、５軸最適化演算を実行し、各移動軸の移動量を天板移動機構３２に送信するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００５７】
１    放射線治療装置
１０    Ｘ線管制御部
１１    Ｘ線管
１５    表示部
１６    入力部
１７    ネットワーク
２１    フラットパネルディテクタ
３０    治療台
３１    天板
３２    天板移動機構
４０    制御部
４１    画像取得部
４２    ＤＲＲ画像作成部
４３    位置合わせ部
４４    移動量算出部
４５    ３軸最適化部
４６    ６軸最適化部
４７    １次元最適化部
【図１】
2018225234.tif 000006
【図２】
2018225234.tif 000007
【図３】
2018225234.tif 000008
【図４】
2018225234.tif 000009
【図５】
2018225234.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】令和1年9月30日(2019.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、
放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、
空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたＣＴデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成部と、
前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の位置合わせを実行する位置合わせ部と、
前記位置合わせ部により算出された前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出部と、
を備え、
前記位置合わせ部は、
空間座標系における平行移動および回転の６自由度のパラメータのうち、平行移動の３自由度のパラメータの最適化演算を同時に実行することにより、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の平行方向のずれ量を求める３軸最適化部と、
前記３軸最適化部における最適化演算の結果を反映した後に、６自由度のパラメータ、または、前記治療台の移動軸に対応する４自由度または５自由度のパラメータの最適化演算を同時に実行することにより、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の平行方向および回転方向のずれ量を求める多軸最適化部と、
を備えること、を特徴とする位置決め装置。
【請求項２】
請求項１に記載の位置決め装置において、
前記３軸最適化部における最適化演算は、粗位置決めである初期セットアップのあとに実行される、位置決め装置。
【請求項３】
請求項１に記載の位置決め装置において、
前記３軸最適化部は、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像との一致度を評価する３次元の評価関数とし、３軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで反復計算を実行する、位置決め装置。
【請求項４】
請求項３に記載の位置決め装置において、
前記３軸最適化部は、下記式（１）に基づいて３軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで反復計算を実行する、位置決め装置。
【数１】
2018225234.tif 000011
【請求項５】
請求項１に記載の位置決め装置において、
前記位置合わせ部は、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら、位置合わせを実行し、
前記３軸最適化部は、最も低い解像度で前記平行移動の３自由度のパラメータの最適化演算を実行する位置決め装置。
【請求項６】
請求項１に記載の位置決め装置において、
前記移動量算出部は、前記多軸最適化部において６自由度のパラメータの最適化演算を実行したときには、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像との間の平行方向および回転方向のずれ量から６方向の移動量を算出し、前記６方向の移動量のうち、前記治療台の移動軸に対応する移動量を出力する位置決め装置。
【請求項７】
請求項１に記載の位置決め装置において、
前記位置合わせ部は、前記多軸最適化部による最適化演算の結果、ずれ量が目標とする値に収束したか否かを判定し、収束しなかったと判断した場合に、前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータの最適化演算を実行する１次元最適化部を備える位置決め装置。
【請求項８】
請求項７に記載の位置決め装置において、
前記多軸最適化部による最適化演算の結果、ずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、前記異なる２方向の評価関数の和と収束判定値との対比により行われる、位置決め装置。
【請求項９】
請求項７に記載の位置決め装置において、
前記多軸最適化部による最適化演算の結果、ずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、前記異なる２方向の評価関数のうち値が大きい方と収束判定値との対比により行われる、位置決め装置。
【請求項１０】
請求項７に記載の位置決め装置において、
前記３軸最適化部、前記多軸最適化部、および、前記１次元最適化部による各評価関数はそれぞれ異なる評価関数が用いられている、位置決め装置。
【請求項１１】
請求項７に記載の位置決め装置において、
前記位置合わせ部は、前記１次元最適化部による演算が所定時間または所定回数に達しても収束判定値に到達しない場合に、最適化演算を打ち切る、位置決め装置。
【請求項１２】
治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め方法であって、
放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得工程と、
空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたＣＴデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成工程と、
前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の位置合わせを実行する位置合わせ工程と、
前記位置合わせ工程により算出された前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出工程と、
を備え、
前記位置合わせ工程は、
空間座標系における平行移動および回転の６自由度のパラメータのうち、平行移動の３自由度のパラメータを最適化する最適化演算を同時に実行する３軸最適化工程と、
前記３軸最適化工程における最適化演算の結果を反映した後に、６自由度のパラメータまたは、前記治療台の移動軸に対応する４自由度または５自由度のパラメータの最適化演算を同時に実行する多軸最適化工程と、
を備えること、を特徴とする位置決め方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、患者に対して放射線治療を行うときに患者の位置決めを行う位置決め装置および位置決め方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
患者の患部に向けて、Ｘ線、電子線、粒子線等の放射線を照射する放射線治療においては、治療用放射線を患部に正確に照射する必要がある。このような放射線治療では、まず、Ｘ線ＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）スキャンが行われ、治療計画が策定される。そして、放射線治療装置による治療を実行するときには、治療ビームの照射標的と照射中心を一致させるため、患者を診療台に横たわらせた状態で、位置決めが実行されている。
【０００３】
患者の位置決めにＸ線透視画像やＣＴデータを用いる装置では、治療台に固定具で拘束された患者の患部およびその周辺の実透視画像であるＤＲ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ）画像の取得と、治療計画策定時のＸ線ＣＴスキャンにより得られた３次元画像データに対する仮想的透視投影であるＤＲＲ（Ｄｅｇｉｔａｌ  Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ  Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ）画像の作成が実行される。そして、ＤＲ画像とＤＲＲ画像との類似性を評価すること（画像レジストレーション）により、患者の実際の放射線治療時の位置と治療計画時の位置とのずれ量を算出している（特許文献１および特許文献２参照）。
【０００４】
なお、このようなＤＲ画像とＤＲＲ画像を一致させる位置決めアルゴリズムに従った位置決めの前には、粗位置決めとも呼称される初期セットアップが実行されている。初期セットアップには、例えば、レーザ墨出し器を用いた操作者の手動による位置調整や、操作者が入力装置を操作してディスプレイに表示されたＤＲ画像とＤＲＲ画像との重ね合わせることによる、大まかなずれ量調整がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２８２８７７号公報
【特許文献２】特開２００９−２０１５５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＤＲ画像とＤＲＲ画像の一致度が最大となるように、ＣＴデータの回転・平行移動に関する透視投影パラメータを最適化する位置決めアルゴリズムでは、初期セットアップ後のＤＲ画像とＤＲＲ画像のずれ量が、最適化の初期値となる。従来のパラメータの最適化では、画像の解像度を低解像度から高解像度に変えながら、３次元空間の直交する３軸の平行移動および各軸周り回転移動の６自由度の全てで同時に最適化演算が実行される。
【０００７】
初期セットアップは、操作者の手動により行われるため、ＤＲ画像とＤＲＲ画像のずれの程度に個人差が生じる。パラメータの最適化を開始するときのＤＲ画像とＤＲＲ画像の初期のずれ量が大きい場合（例えば、１ｃｍ以上）には、６自由度の全てで同時に最適化演算を実行すると、位置決めに失敗することがあった。この失敗の原因としては、平行移動の最適化が完了する前に回転で無理に合わせようとしたことによる、最適化演算の進行の停滞が考えられる。そして、位置決めに失敗したときは、再度、初期セットアップからやり直す必要があり、患者が治療台に横たわってから治療ビームを照射できるまでの間の時間が長くなっていた。
【０００８】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、治療時の位置決めを容易に行うことができる位置決め装置および位置決め方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたＣＴデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成部と、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の位置合わせを実行する位置合わせ部と、前記位置合わせ部により算出された前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出部と、を備え、前記位置合わせ部は、空間座標系における平行移動および回転の６自由度のパラメータのうち、平行移動の３自由度のパラメータの最適化演算を同時に実行することにより、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の平行方向のずれ量を求める３軸最適化部と、前記３軸最適化部における最適化演算の結果を反映した後に、６自由度のパラメータ、または、前記治療台の移動軸に対応する４自由度または５自由度のパラメータの最適化演算を同時に実行することにより、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の平行方向および回転方向のずれ量を求める多軸最適化部と、を備えること、を特徴とする。
【００１０】
第２の発明では、前記３軸最適化部における最適化演算は、粗位置決めである初期セットアップのあとに実行される。
【００１１】
第３の発明では、前記３軸最適化部は、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像との一致度を評価する３次元の評価関数とし、３軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで反復計算を実行する。
【００１２】
第４の発明では、前記３軸最適化部は、下記式（１）に基づいて３軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで反復計算を実行する。
【００１３】
【数２】
2018225234.tif 000012
【００１４】
第５の発明では、前記位置合わせ部は、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら、位置合わせを実行し、前記３軸最適化部は、最も低い解像度で前記平行移動の３自由度のパラメータの最適化演算を実行する。
【００１５】
第６の発明では、前記移動量算出部は、前記多軸最適化部において６自由度のパラメータの最適化演算を実行したときには、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像との間の平行方向および回転方向のずれ量から６方向の移動量を算出し、前記６方向の移動量のうち、前記治療台の移動軸に対応する移動量を出力する。
【００１６】
第７の発明では、前記位置合わせ部は、前記多軸最適化部による最適化演算の結果、ずれ量が目標とする値に収束したか否かを判定し、収束しなかったと判断した場合に、前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータの最適化演算を実行する１次元最適化部を備える。
【００１７】
第８の発明では、前記多軸最適化部による最適化演算の結果、ずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、前記異なる２方向の評価関数の和と収束判定値との対比により行われる。
【００１８】
第９の発明では、前記多軸最適化部による最適化演算の結果、ずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、前記異なる２方向の評価関数のうち値が大きい方と収束判定値との対比により行われる。
【００１９】
第１０の発明では、前記３軸最適化部、前記多軸最適化部、および、前記１次元最適化部による各評価関数はそれぞれ異なる評価関数が用いられている。
【００２０】
第１１の発明では、前記位置合わせ部は、前記１次元最適化部による演算が所定時間または所定回数に達しても収束判定値に到達しない場合に、最適化演算を打ち切る、
【００２１】
第１２の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め方法であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得工程と、空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたＣＴデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成工程と、前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像の位置合わせを実行する位置合わせ工程と、前記位置合わせ工程により算出された前記放射線画像と前記ＤＲＲ画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出工程と、を備え、前記位置合わせ工程は、空間座標系における平行移動および回転の６自由度のパラメータのうち、平行移動の３自由度のパラメータを最適化する最適化演算を同時に実行する３軸最適化工程と、前記３軸最適化工程における最適化演算の結果を反映した後に、６自由度のパラメータまたは、前記治療台の移動軸に対応する４自由度または５自由度のパラメータの最適化演算を同時に実行する多軸最適化工程と、を備えること、を特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
第１から第１２の発明によれば、平行移動の３自由度についてパラメータの最適化を行った後に、平行移動に回転を含めた自由度についてパラメータの最適化を行うことから、撮像系から取得した放射線画像とＣＴデータに仮想的透視投影を行って作成したＤＲＲ画像との初期位置のずれ量が大きい場合でも、パラメータの最適化演算で局所解に陥ることを防ぐことができる。このように、放射線画像とＤＲＲ画像との初期位置のずれ量の許容範囲が大きくなったことから、最適化演算の進行が停滞することなく、従来のように初期セットアップからやり直すケースを減少させることができる。したがって、放射線治療装置での治療時のワークフローを短縮することが可能となる。
【００２３】
第５の発明によれば、放射線画像とＤＲＲ画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に上げて位置決めを行うときに、平行移動の３自由度のパラメータの最適化を、最適化の初期の最も低い解像度で行うことにより、最適化の計算コストを低減することが可能となる。
【００２４】
第６の発明によれば、６自由度のパラメータの最適化により得られた放射線画像とＤＲＲ画像のずれ量から６方向の移動量を算出した後、治療台の移動軸に対応する必要な移動量のみを治療台側に出力することから、治療台の移動軸の自由度ごとに位置決めアルゴリズムを用意しなくてもよく、容易に位置決めを行うことができるともに、治療台の移動軸の自由度のパラメータの最適化を行う場合よりも、位置決め誤差を小さくすることが可能となる。
【００２５】
第７から第１１の発明によれば、撮影系の撮影方向に沿った１次元最適化を行うことから、患者に対して傾斜角を持った２方向から撮影を行う撮影系のように、ＳＩＤ（Ｓｏｕｒｓｅ  Ｉｍａｇｅ  Ｄｉｓｔａｎｃｅ）が長くなる場合でも、最適化演算の進行が停滞することを防ぐことができる。また、最適化経路を最短とし、位置決め時間を短縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明に係る位置決め装置を適用する放射線治療装置の概要図である。
【図２】この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。
【図３】被検体の位置決め手順を示すフローチャートである。
【図４】パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。
【図５】この発明の１次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造と画像の類似度の最適化の過程を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る位置決め装置を適用した放射線治療装置１の概要図である。
【００２８】
この発明の位置決め装置は、Ｘ線撮像系を備え、放射線治療装置１とともに使用される。放射線治療装置１は、治療台３０の天板３１上の患者（被検体）に対して放射線治療を行うものであり、治療ビームを出射するヘッド５５と、治療室の床面に設置された基台５２に回転可能に支持されたガントリー５３を備える。放射線治療装置１は、ガントリー５３が回転することで、治療ビームの照射方向を変更することができる。
【００２９】
Ｘ線撮像系は、治療台３０の天板３１上に仰臥した患者の患部の位置を特定するためにＸ線透視を行うためのものであり、放射線照射部としてのＸ線管１１ａ〜１１ｄと、被検体および天板３１を透過したＸ線を検出する放射線検出器であるフラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄとを備える。Ｘ線管１１ａ〜１１ｄおよびフラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄとは、被検体に対して斜め方向からのＸ線透視を行う位置に配置される。なお、図１においては図示していないが、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄは床面に形成された凹部に配置され、凹部は床の一部を構成する蓋部材により覆われている。また、放射線検出器としてはイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ）を使用してもよい。
【００３０】
Ｘ線管１１ａから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ａにより検出され、Ｘ線管１１ａとフラットパネルディテクタ２１ａとは、第１撮像系を構成する。Ｘ線管１１ｂから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ｂにより検出され、Ｘ線管１１ｂとフラットパネルディテクタ２１ｂとは、第２撮像系を構成する。Ｘ線管１１ｃから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ｃにより検出され、Ｘ線管１１ｃとフラットパネルディテクタ２１ｃとは、第３撮像系を構成する。Ｘ線管１１ｄから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ｄにより検出され、Ｘ線管１１ｄとフラットパネルディテクタ２１ｄとは、第４撮像系を構成する。被検体の位置決めを行う際には、ガントリー５３が撮影視野に重ならないように第１〜第４撮像系のうち、２つの撮像系が選択され、被検体に対して異なる２方向からのＸ線透視が行われる。
【００３１】
図２は、この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。
【００３２】
この位置決め装置は、論理演算実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、各種画像処理を実行するＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、装置の制御に必要なプログラムが格納されたＲＯＭ、制御時にデータ等が一時的にストアされるＲＡＭ等のメモリを備えるコンピュータによって実現される制御部４０を備える。
【００３３】
制御部４０は、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄからのＸ線の照射を制御するＸ線管制御部１０と、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄの各々と接続されている。Ｘ線管制御部１０は、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄに接続され、Ｘ線透視時には、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄのうち選択されている撮像系の２個にＸ線を照射するために必要な管電圧・管電流を供給する。また、制御部４０は、ネットワーク１７、表示部１５、入力部１６、放射線治療装置１および治療台３０とも接続されている。なお、治療台３０の天板３１は、天板移動機構３２により水平移動および回転の６軸の移動が可能となっている。
【００３４】
制御部４０は、機能的構成として、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのうち、選択された撮像系の２個で検出された２次元放射線画像（ＤＲ画像）の情報を取得する画像取得部４１と、ネットワーク１７を介して、事前のコンピュータ断層撮影（Ｘ線ＣＴ撮影）により収集した３次元ＣＴデータに対して仮想的に透視投影を行うことにより異なる２方向のＤＲＲ画像を作成するＤＲＲ画像作成部４２と、２つの撮像系で透視を実行して得たＤＲ画像をＤＲＲ画像に合わせる位置合わせ部４３と、画像間のずれ量から天板３１の移動量を算出する移動量算出部４４と、を備える。これらの機能的構成は、プログラムとしてメモリに格納され、ＣＰＵの作用により実行される。
【００３５】
位置合わせ部４３は、ＤＲ画像とＤＲＲ画像のずれ量が最小となる並進・回転の最適解を求めるための位置決めアルゴリズムを用いて、透視投影の回転および平行移動に関する各パラメータの最適化演算を実行する機能を有する。そして、最適化演算は、放射線治療装置１の照射野に位置するターゲットアイソセンターを中心として、実行される。位置合わせ部４３は、パラメータの最適化を実現する構成要素として、３軸最適化部４５、６軸最適化部４６、および、１次元最適化部４７を備える。３軸最適化部４５、６軸最適化部４６、および、１次元最適化部４７の機能は、プログラムとしてメモリに格納され、ＣＰＵの作用により実行される。
【００３６】
次に、上述した構成の位置決め装置における位置決め方法について説明する。図３は、被検体の位置決め手順を示すフローチャートである。
【００３７】
治療台３０の天板３１上の被検体に対し、第１〜第４撮像系から選択された２つの撮像系によるＸ線透視を実行し、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのうちの２つから画像情報を取得し、異なる２方向からのＤＲ画像を得る（ステップＳ１：画像取得工程）。
【００３８】
コンピュータ上の仮想空間に撮像系のジオメトリ（幾何学的配置）を再現し、予め取得した３次元ＣＴデータに対して仮想的透視投影が実行される。ＣＴデータは、治療計画策定時にＸ線ＣＴ装置により取得し、図示を省略した患者ＤＢに格納しておく。制御部４０は、ネットワーク１７を介して治療計画およびＣＴデータを取得する。しかる後、ＤＲＲ画像作成部４２の作用により、３次元ＣＴデータへの仮想的透視投影により被検体の異なる２方向の２次元ＤＲＲ画像が作成される（ステップＳ２：ＤＲＲ画像作成工程）。
【００３９】
Ｘ線透視撮影のジオメトリには、選択された２つの撮像系におけるＸ線管１１ａ〜１１ｄのいずれか２個、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのいずれか２個の位置および天板３１の位置・姿勢が含まれる。これらの要素の機械的設置精度は、最終的な位置決め精度に影響を与えるため、定期的に設置位置の校正を行い、Ｘ線透視撮影のジオメトリに校正結果を反映している。
【００４０】
ＤＲＲ画像作成時には、選択された撮像系におけるＸ線管１１ａ〜１１ｄのいずれかの焦点からフラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのいずれかへの投影線に沿って、ＣＴ画像データのボクセル値が積算（線積分）される。
【００４１】
ＤＲ画像とＤＲＲ画像が一致するように、透視投影の平行移動および回転に関するパラメータの最適化が行われ、位置合わせが実行される（ステップＳ３：位置合わせ工程）。ここで、２つの画像の一致度を評価する評価関数としては、正規化相互情報量（ＮＭＩ：Ｎｏｍａｌｉｚｅｄ  Ｍｕｔｕａｌ  Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）、勾配差（ＧＤ：Ｇｒａｄｉｅｎｔ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ゼロ平均正規化相互相関（ＺＮＣＣ：Ｎｅｒｏ−ｍｅａｎｓ  Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）など、従来からマルチモダリティの画像位置合わせに用いられている評価関数を採用することができる。なお、ＮＭＩ、ＧＤ、ＺＮＣＣを組み合わせて使用することで、ＤＲ画像とＤＲＲ画像の一致度の評価精度を向上させることもできる。
【００４２】
評価関数の計算は、画像中の被検体が写っている領域のみで行うことが好ましい。また、被検体内で動きのある臓器や関節など、ＣＴデータと再現性のない変形を伴う部位は、この評価関数の計算の対象外とすることが望ましい。
【００４３】
位置合わせ部４３の作用による位置合わせの結果得られたＤＲ画像とＤＲＲ画像との位置ずれ量は、制御部４０を構成するＣＰＵの作用により移動量算出部４４の機能が実行されることで、天板移動量に換算される（ステップＳ４：移動量算出工程）。そして、この移動量が、移動量算出部４４から治療台３０の天板移動機構３２に送信される。しかる後、天板移動機構３２の動作により天板３１が移動する（ステップＳ５：天板移動工程）。このように、ＤＲ画像とＣＴデータから作成したＤＲＲ画像との位置ずれ量だけ被検体が転置するように天板３１を移動させることで、被検体は、放射線治療装置１から照射される治療ビームに対して治療計画通りの位置・角度に位置決めされる。なお、天板３１を転置して被検体の位置決めを行った後には、再度Ｘ線透視を行って、そのときのＤＲ画像とＤＲＲ画像とを表示部１５に表示させ、それらの画像が一致しているか否かがユーザによる目視確認により行われる。そして、放射線治療装置１のヘッド５５から治療ビームが被検体の患部に向けて照射される。
【００４４】
位置合わせ部４３の構成要素である、３軸最適化部４５、６軸最適化部４６、および、１次元最適化部４７の機能について、さらに詳細に説明する。図４は、パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。
【００４５】
この実施形態では、最適化演算の手法として、ＢＦＧＳ公式による準ニュートン法を用いる。準ニュートン法は、ｋ次元の関数ｆ（ｘ）の極小値、極大値を求めることができる方法である。最適化演算では、ＤＲＲ画像とＤＲ画像の一致を評価する評価関数をｆ（ｘ）としたとき、治療室空間の点の初期値ｘ０からｉ＋１番目でのｘｉ＋１が十分小さくなるまで、下記式（１）により反復計算する。
【００４６】
【数３】
2018225234.tif 000013
【００４７】
ここで、Ｈはヘッセ行列の逆行列の近似である。また、Ｈの近似式はいくつか提案されているが、以下の式（２）（３）で与えられるＢＦＧＳ公式が最も計算効率が良い。
【００４８】
【数４】
2018225234.tif 000014
【００４９】
【数５】
2018225234.tif 000015
【００５０】
画像レジストレーションを行うに際し、治療室の空間座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸の平行移動の３自由度と、回転の３自由度の計６自由度について、パラメータの最適化を行う。この発明においては、平行方向の３軸と回転方向の３軸の計６軸の最適化を同時に行う前に、まず、平行方向の３軸（３自由度）について、最適化を実行する（ステップＳ３１：３軸最適化工程）。この３軸最適化工程では、評価関数ｆ（ｘ）を３次元の関数として、３次元位置ｘを上記式（１）に従って更新する。平行方向の３軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで、反復計算が実行される。なお、３軸最適化は、ＣＰＵが３軸最適化部４５から読み込んだプログラムを実行することにより実現される。
【００５１】
平行方向の３軸についての最適化が終了すれば、回転方向を含めた６軸についての最適化が実行される（ステップＳ３２：６軸最適化工程）。６軸最適化工程では、評価関数ｆ（ｘ）が、平行移動および回転の６自由度に関する６つの独立変数に依存する６次関数であるとして、６次元位置ｘを上記式（１）に従って更新する。６次元位置ｘの初期値ｘ０は、先の３軸最適化工程で平行移動の３軸のパラメータが最適化された後の位置になる。そして、予め設定した時間内または予め設定した回数の計算を繰り返す間に、平行移動の３軸および回転の３軸の計６軸についてのずれ量が収束すれば（ステップＳ３３）、最適化演算は終了する。一方で、６軸のずれ量が収束しなければ、１次元最適化を行う（ステップＳ３４：１次元最適化工程）。なお、６軸最適化は、ＣＰＵが６軸最適化部４６から読み込んだプログラムを実行することにより実現される。また、６軸最適化部４６および６軸最適化工程は、この発明の多軸最適化部および多軸最適化工程に相当する。この発明において、多軸とは、平行移動の３軸に回転の軸が加わった４〜６自由度の移動軸を意味する。
【００５２】
ここで、Ｘ線透視は、選択された２つの撮像系により異なる２方向から行われており、６軸最適化後のＤＲＲ画像とＤＲ画像との一致を評価する評価関数の値も、異なる２方向について得られる。ステップＳ３３での２つの画像のずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、評価関数の値が収束判定値に到達したかどうかで判定される。そして、異なる２方向の評価関数の値をＦ１、Ｆ２としたとき、異なる２方向の評価関数の和Ｆ１＋Ｆ２を収束判定値と対比する評価関数の値としている。なお、異なる２方向のいずれか一方が、位置決めにおいてより重要な場合には、単純なＦ１、Ｆ２の和ではなく、いずれか一方に重み付けをして和をとるようにしてもよい。また、３軸最適化の後にも６軸最適化のステップに進むか否かの判定が行われるが、平行移動の３軸を合わせた後に６軸最適化を行うため、３軸最適化後では、６軸最適化後の収束判定（ステップＳ３３）ほど収束判定値を厳しく設定して最適化の収束判定を行なわなくてもよく、予め設定した回数の計算が終了すれば、次の６軸最適化のステップに進むようにしてもよい。
【００５３】
６軸最適化の計算終了後のステップＳ３３での判定が「Ｎｏ」であった場合には、１次元最適化を実行する（ステップＳ３４）。この１次元最適化工程では、選択された２つの撮像系における撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータが最適化される。１次元最適化工程における評価関数は、撮影方向に沿った１次元平行移動に関する１つの変数に依存する１次関数である。ここでの最適化では、Ｂｒｅｎｔ法や黄金分割法などを用いることができる。
【００５４】
図５は、この発明の１次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造とパラメータの最適化の過程を模式的に示す説明図である。
【００５５】
１次元最適化部４７において、撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化したことで、最適化の経路は、谷構造に沿って進行する。このため、最適化の序盤だけではなく、最適化の終盤まで撮影方向を考慮した最適化が可能となり、図１に示すような、被検体に対して傾斜角を持った異なる２方向からＸ線透視を行った場合にＳＩＤが長くなることによる最適化演算の進行の停滞問題を解決している。これにより、最短経路で効率よく最適化演算が行われ、全体の計算時間を従来よりも短くすることができ、かつ、位置決め精度も向上させることが可能となる。
【００５６】
ステップＳ３５で収束判定に用いられる最終的な評価関数値は、３軸最適化および６軸最適化の場合と同様に、異なる２方向の評価関数値をそれぞれＦ１、Ｆ２としたとき、異なる２方向の評価関数値の和Ｆ１＋Ｆ２を用いてもよいが、値の大きな評価関数（Ｆ１またはＦ２のどちらか一方）のみを用いること方がより好ましい。すなわち、最適化の経路が評価関数の谷構造に沿っているときは、値の小さい評価関数は最適化への寄与が小さいため、位置ずれが撮影方向に沿っていない側の値の大きな目的関数のみで最適化を行うことで、計算の高速化が可能となる。
【００５７】
１次元最適化は、評価関数の値が収束判定値に到達するまで（ステップＳ３５：収束判定工程）、繰り返し実行される。なお、この実施形態では、３軸および６軸の最適化と１次元最適化とで、異なる評価関数を用い、評価関数の値の収束判定値に異なる値を用いている。このように、それぞれに適した評価関数、収束判定値を用いることで、より適切にパラメータの最適化を行うことができる。また、１次元最適化は、異なる２方向の評価関数値Ｆ１、Ｆ２の差が小さいときには、省略してもよい。
【００５８】
さらに、所定の計算時間または所定の計算回数に達しても収束判定値に到達しない場合は、最適化の繰り返し計算を打ち切る（ステップＳ３６：打ち切り判断工程）。このような、時間的な制限を設けることで、同じ姿勢で天板３１上に固定される患者の負担や放射線治療装置１のスループットの低下が軽減される。
【００５９】
また、上述した最適化演算は、ダウンサンプリング法を利用してＤＲ画像とＤＲＲ画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら実行する。例えば、画像の解像度を低解像度から高解像度に４段階で順次上げていきながら計算を繰り返す。解像度を下げると情報量が減少するため、このような計算領域を限定した計算を導入することで、計算を高速化することができる。
【００６０】
また、各解像度で３軸最適化を行う必要はなく、最も解像度の低い計算でのみ、３軸最適化を行うのが効果的である。例えば、評価関数が局所解に陥ってしまう頻度は高解像度ほど高い傾向にある。したがって、ＤＲ画像とＤＲＲ画像の初期位置ずれの大きさの影響を最も受ける最適化の初期段階の最も低い解像度で３軸最適化を実行し、大きなずれ量を小さくしておけば、それ以降の高解像度の最適化演算で、６軸最適化のみを実行しても、評価関数が局所解に陥ることを防ぐことができる。情報量の少ない低解像度側で、平行移動の３軸の最適化を先に行うので、計算負担も増えることがなく、その後の６軸最適化での最適化の進行の停滞も低減されることから、最適解に至るまでの計算時間も短縮することができる。
【００６１】
さらに、１次元最適化についても、解像度ごとに１次元最適化を行うか否かを切り替えてもよい。すなわち、撮影方向を考慮しなくても解空間での最適化の方向が好ましい解の探索方向から大きくはずれることがない低解像度側で１次元最適化を省略することで、さらに、最適化演算を高速化することが可能となる。
【００６２】
上述した被検体の位置決めでは、ＤＲ画像とＣＴデータから作成したＤＲＲ画像との位置合わせの結果を、放射線治療装置１から治療ビームを照射する前の天板３１の移動に利用しているが、必ずしも天板３１を移動させる必要はない。例えば、治療中に位置ずれがないか確認するために、位置合わせの結果を利用してもよい。
【００６３】
この実施形態では、治療台３０に、天板３１を６軸移動させるものを採用していることから、移動量算出部４４で算出された天板３１の移動量は、対応する軸の６方向の全てについて天板移動機構３２に出力される。この実施形態では、治療台の移動軸に対応しているか否かにかかわらず、６自由度のパラメータの最適化を実行し、得られたＤＲ画像とＤＲＲ画像のずれ量に基づく移動量を、治療台の対応する移動軸の分だけ天板移動機構３２に送信するようにしている。例えば、治療台３０が天板３１を４軸移動（３軸平行移動＋鉛直軸回転）させるものであれば、移動量算出部４４からは対応する移動軸の４方向の移動量のみが出力される。なお、治療台の移動軸の数を変数とする４次元の最適化を行って得た解よりも、６次元の最適化を行って大域的最適解を計算した後に、動かない軸についての拘束条件に射影して得た解の方が、最適解からの距離が最短の解となり、位置決め誤差が小さくなることがこの発明の発明者により実験的に確認されている。
【００６４】
この実施形態では、上述したように６軸のずれ量を算出し、治療台の移動軸が４軸であれば、４軸分を天板移動機構３２に送信する構成を採用しているが、この発明は、実施形態に限定されるものではない。例えば、６軸最適化演算にかえて、治療台の移動軸に対応する、例えば、４自由度や５自由度のパラメータを最適化する４軸、５軸最適化演算を実行し、各移動軸の移動量を天板移動機構３２に送信するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１    放射線治療装置
１０    Ｘ線管制御部
１１    Ｘ線管
１５    表示部
１６    入力部
１７    ネットワーク
２１    フラットパネルディテクタ
３０    治療台
３１    天板
３２    天板移動機構
４０    制御部
４１    画像取得部
４２    ＤＲＲ画像作成部
４３    位置合わせ部
４４    移動量算出部
４５    ３軸最適化部
４６    ６軸最適化部
４７    １次元最適化部
【国際調査報告】
2018225234.tif 000016
2018225234.tif 000017
2018225234.tif 000018
2018225234.tif 000019