(57)【要約】  セグメント化脊椎データから導かれたデジタル再構成Ｘ線写真により２Ｄ−３Ｄ登録を向上させるシステム、方法及び装置。【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元（３Ｄ）撮像データが病理構造を含む、セグメント化関心ボリューム（ＶＯＩ）を得るために、前記３Ｄ撮像データからのＶＯＩをセグメント化することと、
２つ以上の投影の各々において、前記セグメント化ＶＯＩの３Ｄ変換からデジタル再構成Ｘ線写真（ＤＲＲ）を発生させることとを含む方法。
【請求項２】
各投影における類似度を生成するために、各投影におけるＤＲＲを、対応する二次元（２Ｄ）治療中画像と比較することと、
各投影において最大類似度に対応する３Ｄ剛体変換を計算することとを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記最大類似度が、各投影における前記ＤＲＲと、対応する２Ｄ治療中画像との間の登録に対応し、各投影における前記ＤＲＲと、前記対応する２Ｄ治療中画像との間の変換から、前記３Ｄ剛体変換を計算することを更に含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
各投影における前記類似度が、前記ＤＲＲと、前記対応する２Ｄ治療中画像との間のベクトル変位場を含む請求項２に記載の方法。
【請求項５】
各投影における２Ｄ変位場からの前記セグメント化ＶＯＩの平均剛体変換を決定することを更に含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記病理構造及び放射線治療源の相対位置を、放射線治療計画に一致させることを更に含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記３Ｄ剛体変換を計算することは、
各投影における第１ＤＲＲと、対応する２Ｄ治療中画像との間の類似度を計算することと、
前記対応する２Ｄ治療中画像と、増加した類似度を有する、各投影において第２ＤＲＲを発生させる前記類似度から３Ｄセグメント化領域の変換を選択することとを含む請求項２に記載の方法。
【請求項８】
各投影における最大類似度を生成する３Ｄセグメント化領域データの変換を選択することを更に含む請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記３Ｄ剛体変換を計算することは、
各投影における複数のＤＲＲの各々と、対応する２Ｄ治療中画像との間の類似度を計算することを含み、投影における各ＤＲＲは、前記セグメント化ＶＯＩの異なる３Ｄ変換に対応する請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
各投影における最大類似度を生成するセグメント化ＶＯＩの変換を選択することを更に含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
各投影における最大類似度を生成するセグメント化ＶＯＩの変換から、病理構造の３Ｄ座標を決定することを更に含む請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
放射線治療ビーム源から放出された放射線ビームが、前記病理構造に集中されるように、前記病理構造の前記３Ｄ座標を使用して、前記放射線治療ビーム源を位置決めすることを更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
放射線治療ビーム源から放出された放射線ビームが、前記病理構造に集中されるように、前記病理構造の前記３Ｄ座標を使用して、患者を位置決めすることを更に含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＶＯＩが、前記３Ｄ撮像データの１つ以上の図における２Ｄ輪郭一式を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＶＯＩをセグメント化することは、３Ｄボクセルマスクを発生させることを含み、前記ボクセルマスクが、セグメント化領域を線引きし、かつ前記セグメント化領域の外側の全ての解剖学的構造を除外するように構成される請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記３Ｄボクセルマスクが、２Ｄ輪郭一式から発生する請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記３Ｄボクセルマスクが、複数の多重ビットボクセルマスクを含み、多重ビットボクセルマスク内の各ビットが、異なるＶＯＩに対応する請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
医療撮像システムから前記３Ｄ撮像データを得ることを更に含む請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記３Ｄ撮像データが、治療計画のためのコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）画像データ、磁気共鳴（ＭＲ）画像データ、陽電子射出断層撮影法（ＰＥＴ）画像データ及び３Ｄ回転血管撮影法（３ＤＲＡ）画像データの１つ以上を含む請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記３Ｄセグメント化領域が脊椎である請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記３Ｄセグメント化領域が頭蓋である請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記対応する二次元（２Ｄ）治療中画像が、治療中Ｘ線画像を含む請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
機械によってアクセスされる時、前記機械に、
３Ｄ撮像データが、病理構造を含む、セグメント化関心ボリューム（ＶＯＩ）を得るために三次元（３Ｄ）撮像データからのＶＯＩをセグメント化することと、
２つ以上の投影の各々において、前記セグメント化ＶＯＩの３Ｄ変換からデジタル再構成Ｘ線写真（ＤＲＲ）を発生させることとを含む操作を実行させるデータを含む機械アクセス可能な媒体を含む製品。
【請求項２４】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、
各投影において類似度を生成するために、各投影におけるＤＲＲを、対応する二次元（２Ｄ）治療中画像と比較することと、
各投影において最大類似度に対応する３Ｄ剛体変換を計算することとを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項２３に記載の製品。
【請求項２５】
前記最大類似度が、各投影における前記ＤＲＲと、対応する２Ｄ治療中画像との間の登録に対応し、各投影における前記ＤＲＲと、前記対応する２Ｄ治療中画像との間の変換から、前記３Ｄ剛体変換を計算することを更に含む請求項２４に記載の製品。
【請求項２６】
前記ＤＲＲと、前記対応する２Ｄ治療中画像との間の前記変換が、各投影における２Ｄ変位場である請求項２４に記載の製品。
【請求項２７】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、
各投影における前記２Ｄ変位場からの前記セグメント化ＶＯＩの平均剛体変換を決定することを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項２６に記載の製品。
【請求項２８】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、
前記病理構造及び放射線治療源の相対位置を、放射線治療計画に一致させることを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項２７に記載の製品。
【請求項２９】
前記３Ｄ剛体変換を計算することは、
各投影における第１ＤＲＲと、対応する２Ｄ治療中画像との間の類似度を計算することと、
前記対応する２Ｄ治療中画像と、増加した類似度を有する、各投影において第２ＤＲＲを発生させる前記類似度から３Ｄセグメント化領域の変換を選択することとを含む請求項２４に記載の製品。
【請求項３０】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、
各投影における最大類似度を生成する３Ｄセグメント化領域データの変換を選択することを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項２９に記載の製品。
【請求項３１】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、
各投影における複数のＤＲＲの各々と、対応する２Ｄ治療中画像との間の類似度を計算し、投影における各ＤＲＲは、前記セグメント化ＶＯＩの異なる３Ｄ変換に対応することを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項２４に記載の製品。
【請求項３２】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、
各投影における最大類似度を生成するセグメント化ＶＯＩの変換を選択することを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項３１に記載の製品。
【請求項３３】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、
各投影における最大類似度を生成するセグメント化ＶＯＩの変換から、病理構造の３Ｄ座標を決定することを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項３２に記載の製品。
【請求項３４】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、
放射線治療ビーム源から放出された放射線ビームが、前記病理構造に集中されるように、前記病理構造の前記３Ｄ座標を使用して、前記放射線治療ビーム源を位置決めすることを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項３３に記載の製品。
【請求項３５】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、
放射線治療ビーム源から放出された放射線ビームが、前記病理構造に集中されるように、前記病理構造の前記３Ｄ座標を使用して、患者を位置決めすることを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項３３に記載の製品。
【請求項３６】
前記セグメント化ＶＯＩが、前記３Ｄ撮像データの１つ以上の図における２Ｄ輪郭一式を含む請求項２３に記載の製品。
【請求項３７】
前記ＶＯＩをセグメント化することは、３Ｄボクセルマスクを発生させることを含み、前記ボクセルマスクが、前記ＶＯＩを線引きし、かつ前記ＶＯＩの外側の全ての解剖学的構造を除外するように構成される請求項２３に記載の製品。
【請求項３８】
前記３Ｄボクセルマスクが、２Ｄ輪郭一式から発生する請求項３７に記載の製品。
【請求項３９】
前記３Ｄボクセルマスクが、複数の多重ビットボクセルマスクを含み、多重ビットボクセルマスク内の各ビットが、異なるＶＯＩに対応する請求項３７に記載の製品。
【請求項４０】
前記機械アクセス可能な媒体が、前記機械に、医療撮像システムから前記３Ｄ撮像データを得ることを含む操作を実行させるデータを更に含む請求項２３に記載の製品。
【請求項４１】
前記３Ｄ撮像データが、治療計画のためのコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）画像データ、磁気共鳴（ＭＲ）画像データ、陽電子射出断層撮影法（ＰＥＴ）画像データ及び３Ｄ回転血管撮影法（３ＤＲＡ）画像データの１つ以上を含む請求項２３に記載の製品。
【請求項４２】
前記３Ｄセグメント化領域が脊椎である請求項２３に記載の製品。
【請求項４３】
前記３Ｄセグメント化領域が頭蓋である請求項２３に記載の製品。
【請求項４４】
前記対応する二次元（２Ｄ）治療中画像が、治療中Ｘ線画像を含む請求項２３に記載の製品。
【請求項４５】
第１処理装置が、セグメント化ＶＯＩを得るために三次元（３Ｄ）走査データから関心ボリューム（ＶＯＩ）をセグメント化するように構成され、３Ｄ撮像データが、病理構造を含み、かつ前記第１処理装置が、２つ以上の投影の各々において、前記セグメント化ＶＯＩから複数のデジタル再構成Ｘ線写真（ＤＲＲ）を発生させるように更に構成される、前記第１処理装置を含む治療計画システムと、
各投影において２Ｄ変位場を発生させるために、各投影における１つ以上のＤＲＲを、対応する二次元（２Ｄ）治療中画像と比較するように構成された第２処理装置を含む治療送達システムとを含むシステム。
【請求項４６】
第３処理装置を含む画像獲得システムを更に含み、前記第３処理装置は、３Ｄ撮像データを得るように構成され、かつ第２プロセッサが３Ｄ画像データの平均剛体変換と、病理構造の３Ｄ変位とを決定し、かつ前記病理構造に画像誘導放射線治療を適用するように更に構成される請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記第１処理装置、前記第２処理装置、及び前記第３処理装置が、同じ処理装置である請求項４６に記載のシステム。
【請求項４８】
前記第１処理装置、前記第２処理装置、及び前記第３処理装置が、異なる処理装置である請求項４６に記載のシステム。
【請求項４９】
撮像ボリュームから画像アーチファクトを除去する手段と、
画像アーチファクトのない前記撮像ボリュームの二次元（２Ｄ）投影を発生させる手段とを含む装置。
【請求項５０】
前記画像アーチファクトが、動きアーチファクトである請求項４９に記載の装置。
【請求項５１】
前記画像アーチファクトが、干渉アーチファクトである請求項４９に記載の装置。
【請求項５２】
２Ｄ治療中画像と、前記撮像ボリュームとの間での２Ｄ−３Ｄ変換を決定するために、対応する２Ｄ治療中画像によって前記撮像ボリュームの前記２Ｄ投影を登録する手段を更に含む請求項４９に記載の装置。
【請求項５３】
類似度を発生させるために、対応する２Ｄ治療中画像と、前記撮像ボリュームの前記２Ｄ投影を比較する手段を更に含み、前記類似度が、前記撮像ボリュームの３Ｄ変換に対応する請求項４９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施態様は、画像誘導放射線治療システム、及び特には画像誘導放射線治療システムにおけるデジタル再構成Ｘ線写真の有用性を改善するためのセグメント化の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像誘導放射線外科及び放射線治療システム（集合的に、画像誘導放射線治療システム）は、周囲組織及び重大な解剖学的構造（例えば脊髄）への放射線被曝を最小限に抑えながら、病理構造（例えば、腫瘍、病変、血管奇形、神経障害等）に処方量の放射線（例えばＸ線又はガンマ線）を送達（デリバー）することによって病理構造を治療するために外部放射線ビームを使用する放射線治療システムである。放射線外科及び放射線治療の両方は、健常組織及び重大な構造に危害を加えずにおきながら、病理構造を壊死させる、又は損傷を与えるように設計されている。放射線治療は、治療１回当たりの低い放射線量（治療１回当たり１〜２グレイ）及び多くの治療（例えば３０〜４５回の治療）を特徴とする。放射線外科は、１〜５回の治療における比較的高い放射線量（概して治療当たり５グレイ以上）を特徴とする（１グレイは、１キログラム当たり１ジュールに等しい）。
【０００３】
放射線治療及び放射線外科の両方において、放射線量は、複数の角度から病理構造の部位に送達される。各放射線ビームの角度が異なるので、各ビームは、標的領域へ又は標的領域からの途中で、健常組織の異なる領域を通過しながら、病理構造が占める標的領域を横断できる。結果として、標的領域内の累積放射線量は、高く、かつ健常組織及び重大な組織への平均放射線量は、低い。
【０００４】
（剛性の、侵襲性フレームが、画像診断、治療計画及びその後の治療送達を通して患者を固定化するために患者に固定される）フレーム式放射線治療及び放射線外科システムと対照的に、画像誘導放射線外科及び放射線治療システムは、治療中に患者の姿勢（位置及び方向）を追跡することによって侵襲性フレーム固定を不要にする。その上、フレーム式システムは、一般的に頭蓋内治療に限定される一方で、画像誘導システムは、そのように限定されない。
【０００５】
画像誘導放射線治療及び放射線外科システムは、ガントリー式システム及びロボット式システムを含む。ガントリー式システムにおいて、放射線源は、単一面内の回転中心（アイソセンタ）の周りを動くガントリーに取り付けられる。放射線ビームが治療中に送達される度に、ビーム軸はアイソセンタを通過する。従って、治療角度は、放射線源の回転範囲及び患者測位システムの自由度によって限定される。カリフォルニアのＡｃｃｕｒａｙ，Ｉｎｃ．によって製造されるＣｙｂｅｒＫｎｉｆｅ（登録商標）定位的放射線外科システムのようなロボット式システムにおいて、放射線源は、５以上の自由度を有し、単一の回転面に制約されない。
【０００６】
従来の画像誘導放射線治療システムにおいて、治療中の患者追跡は、患者の二次元（２Ｄ）の治療中Ｘ線画像（in-treatment x-ray images ）を、診断及び治療計画に使用される三次元（３Ｄ）治療前撮像データから導かれる２Ｄのデジタル再構成Ｘ線写真（ＤＲＲ, digitally reconstructed radiographs ）と比較することによって達成される。治療前撮像データは、例えばコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）データ、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）データ、陽電子射出断層撮影法（ＰＥＴ, positron emission tomography）データ又は３Ｄ回転血管撮影法（３ＤＲＡ, 3D rotational angiography)であっても良い。概して、治療中Ｘ線撮像システムは立体視的であり、患者の画像を（例えば、直交する）２つ以上の異なる視点から生成し、かつ対応するＤＲＲは、各視点に関して発生する。
【０００７】
ＤＲＲは、３Ｄ画像を通して光線を投じる（数学的に投影する）ことによって発生する合成Ｘ線画像であり、治療中Ｘ線撮像システムの形状をシミュレートする。結果として生じたＤＲＲは、その場合治療中Ｘ線撮像システムと同じ規模及び視点を有する。ＤＲＲを発生させるために、３Ｄ撮像データは、ボクセル（ボリュームエレメント）に分割され、かつ各ボクセルは、３Ｄ撮像データから導かれる減衰（損失）値が割り当てられる。ＤＲＲ内の各ピクセルの相対強度は、その場合３Ｄ画像を通して投影される各光線に関するボクセル損失の合計である。異なる患者の姿勢は、ＤＲＲが発生する前に３Ｄ撮像データ上で３Ｄ変換（回転及び平行移動）を実行することによってシミュレートされる。
【０００８】
幾つかの画像誘導システムにおいて、３Ｄ変換及びＤＲＲ発生は、治療中に反復してリアルタイムで実行される。カリフォルニア州サニーベイルのＡｃｃｕｒａｙ，Ｉｎｃ．によって製造されるＣｙｂｅｒＫｎｉｆｅ（登録商標）定位的放射線外科システムのような他のシステムにおいて、予期される患者の姿勢の範囲に対応する（各投影での）ＤＲＲ一式は、治療が開始する前に事前計算される。
【０００９】
治療中Ｘ線画像の、ＤＲＲとの各比較は、治療中Ｘ線画像への高い類似度（類似性測定度）によってＤＲＲを生成する３Ｄ変換を探索する（又は上記のように事前計算されたＤＲＲを直接探索する）ために使用できる類似度、又は同等に差異測度（例えば、相互相関、エントロピー、相互情報、勾配相関、パターン強度、勾配差、画像強度勾配）を生成する。類似度が十分に最大化される（又は同等に、差異測度が最小化される）時、ＤＲＲに対応する３Ｄ変換は、放射線源及び患者の相対位置を治療計画に一致させるために、治療計画の３Ｄ座標系を、治療送達（デリバリー）システムの３Ｄ座標系と位置合わせするために使用できる。事前計算されたＤＲＲの場合、最大類似度は、２つの最も近いＤＲＲの間の差分３Ｄ変換を計算するために使用できる。図１は、治療中ＤＲＲ発生の場合の上記プロセスを示す。
【００１０】
登録及び追跡アルゴリズムの精度の１つの制限因子は、３Ｄ撮像データから導かれたＤＲＲの品質である。（例えばＣＴ又はＭＲＩスキャンのような）三次元走査処置は、時間がかかり、多くの場合何分もかかる。理想的には、最良の画像品質のために、患者は処置中に絶対的に静止したままでなければならないが、このことは、常に可能でない。特に、患者は呼吸を止めることができず、かつ多くの場合長期間、呼吸を詰めることができない。高齢患者又は損傷した呼吸器系を有する他の人々は、全く呼吸を停止できないことがある。例えば脊椎が撮像される時、肺、肋骨及び横隔膜のような身体構造は、脊椎に対して運動しているので、呼吸は３Ｄ撮像データ内に動きアーチファクトを作る。３Ｄ撮像データが、ＤＲＲを発生させるためにその後に使用される時、３Ｄ内の動きアーチファクトは、ＤＲＲ及びＸ線画像の間の差に対する類似度の感度を減少させる、真の詳細の損失並びに偽の詳細及びＤＲＲ内のノイズの存在を含む２Ｄ内の画像アーチファクトとして現れる。その上、動きアーチファクトがない場合でも、他の骨構造及び軟組織の単なる存在が、画像比較を低下させるために十分な、ＤＲＲ内の画像アーチファクトを作ることがある。
【００１１】
本発明は、添付図面の図において、限定としてでなく、例として示される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の画像誘導放射線治療システムにおける２Ｄ−３Ｄ登録を示す。
【図２】一実施態様における画像誘導ロボット放射線外科システムを示す。
【図３】一実施態様における座標系の表示を示す。
【図４】一実施態様における２Ｄ−２Ｄ登録を示す。
【図５Ａ−５Ｂ】従来の画像誘導放射線治療システムにおけるワークフローを示すフローチャートである。
【図６Ａ】一実施態様におけるワークフローを示すフローチャートである。
【図６Ｂ】代替的実施態様におけるワークフローを示すフローチャートである。
【図７】一実施態様における関心ボリュームの幾何学的表示を示す。
【図８】一実施態様における関心ボリュームのボリューム表示を示す。
【図９】一実施態様におけるセグメント化ツールを示す。
【図１０】一実施態様における輪郭作成(contouring)を示す。
【図１１】動きアーチファクトを示す非セグメント化３Ｄ画像データからの２つの投影におけるＤＲＲである。
【図１２】一実施態様におけるセグメント化３Ｄ画像データからの図１１Ａ及び１１Ｂの２つの投影におけるＤＲＲである。
【図１３】骨及び軟組織アーチファクトを示す非セグメント化３Ｄ画像データからの２つの投影におけるＤＲＲである。
【図１４】一実施態様におけるセグメント化３Ｄ画像データからの図１３Ａ及び１３Ｂの２つの投影におけるＤＲＲである。
【図１５】一実施態様における方法を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の実施態様を実施できるシステムを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の記載において、本発明の実施態様の徹底的な理解を提供するために、具体的な部品、装置、方法等の例のような多数の具体的な詳細が示される。しかしながら、当業者にとってこれらの具体的な詳細は、本発明の実施態様を実施するために用いられる必要がないことが明らかであろう。他の例において、周知の材料又は方法は、本発明の実施態様を不必要に曖昧にすることを避けるために、詳細に記載されなかった。本明細書で使用するような用語「Ｘ線画像」は、（例えばビデオスクリーンに表示された）可視Ｘ線画像、又はＸ線画像のデジタル表示（例えばＸ線検出器のピクセル出力に対応するファイル）を意味しても良い。本明細書で使用するような用語「治療中画像」は、放射線源がオンか、オフである時間を含み得る、放射線外科及び放射線治療処置の治療送達（デリバリー）段階中のいずれかの時点で捕捉された画像を指しても良い。時折、記載の都合上でＣＴ撮像データは、代表的３Ｄ撮像様式として本明細書において使用されることがある。ＣＴデータ、ＭＲＩデータ、ＰＥＴデータ、３ＤＲＡデータ等のような、いずれかのタイプの３Ｄ撮像様式からのデータが、本発明の種々の実施態様においても使用できることが認められるであろう。
【００１４】
以下の考察から明らかなように、特に明記しない限り、「セグメント化する」、「発生させる」、「登録する」、「決定する」、「位置合わせする」、「位置決めする」、「処理する」、「計算する」、「選択する」、「推定する」、「追跡する」等のような用語は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理（例えば電子）量として表されるデータを、コンピュータシステムメモリ若しくはレジスタ、又は他のかかる情報記憶、伝送若しくは表示装置内の物理量として同様に表される他のデータに変換及び操作するコンピュータシステム、又は類似する電子計算装置の作用及びプロセスを指し得る。本明細書に記載された方法の実施態様は、コンピュータソフトウェアを使用して実行できる。認識される標準に従ってプログラミング言語で書かれるならば、方法を実行するように設計された命令シーケンスは、種々のハードウェアプラットフォームでの実行のために、かつ種々の操作システムへのインタフェースのためにまとめることができる。その上、本発明の実施態様は、いかなる特定のプログラミング言語に関連しても記載されない。種々のプログラミング言語が、本発明の実施態様を実施するために使用できることが認められるであろう。
【００１５】
図２は、カリフォルニア州サニーベイルのＡｃｃｕｒａｙ，Ｉｎｃ．によって製造されるＣｙｂｅｒＫｎｉｆｅ（登録商標）定位的放射線外科システムのような画像誘導ロボット式放射線治療システム１００の構成を示す。図２で、放射線治療源は、多くの角度から、多くの面で、患者の周りの操作ボリューム内で送達されるビームによって病理構造（標的領域又はボリューム）を照射するために線形加速器（ＬＩＮＡＣ）１０１を位置決めするために、複数（例えば５以上）の自由度を有するロボットアーム１０２の端部に取り付けられたＬＩＮＡＣ１０１である。治療は、単一のアイソセンタ、複数のアイソセンタを有するか、又は非アイソセンタアプローチによりビーム経路を伴うことがある。
【００１６】
図２の治療送達システムは、Ｘ線源１０３Ａ及び１０３Ｂと、Ｘ線検出器（イメージャ）１０４Ａ及び１０４Ｂとを含むことができる治療中撮像システムを含む。２つのＸ線源１０３Ａ及び１０３Ｂは、手術室の天井の固定位置に取り付けることができ、かつ（治療中、患者を治療台１０６に位置決めするための基準点を提供する）機械のアイソセンタ１０５で交差し、かつ患者を通過した後にそれぞれの検出器１０４Ａ及び１０４Ｂの撮像面を照らすために、（例えば９０度離された）２つの異なる角度位置から撮像Ｘ線ビームを投影するために位置合わせできる。他の実施態様において、システム１００は、２つを超える又は２つ未満のＸ線源と、２つを超える又は２つ未満の検出器とを含むことができ、かつ検出器のいずれも、固定されるよりもむしろ可動であっても良い。更に他の実施態様において、Ｘ線源及び検出器の位置は、交換できる。
【００１７】
検出器１０４Ａ及び１０４Ｂは、Ｘ線を可視光に変換する発光物質（例えば非晶質シリコン）、及び登録プロセス中に基準画像と比較できるデジタル画像に光を変換するＣＭＯＳ（相補型金属酸化物シリコン）又はＣＣＤ（電荷結合素子）撮像セルのアレイから製造できる。
【００１８】
図３は、（治療送達システム１００のような）治療送達システムの３Ｄ座標系、（治療送達システム１００内の治療中撮像システムのような）治療中撮像システムの２Ｄ座標系、及び（例えば治療前ＣＴ画像のような）３Ｄ画像の３Ｄ座標系の間の幾何学的関係を示す。図３で、座標系ｘｙｚ（ここでｘは図３の面に垂直である）は、３Ｄ画像に関連し、座標系ｘ’ｙ’ｚ’（ここでｘ’は図３の面に垂直である）は、治療送達システムに関連し、かつ投影Ａ及びＢは、ＳA及びＳBが、（Ｘ線源１０３Ａ及び１０３Ｂのような）Ｘ線源を表し、かつＯA及びＯBが、（Ｘ線検出器１０４Ａ及び１０４Ｂのような）Ｘ線検出器の撮像面の中心である、治療中撮像システムと関連する。図３で、投影Ａ及びＢは、それぞれ方向ＯAＳA及びＯBＳBから見られる。
【００１９】
３Ｄ変換は、図３に示すような、３つの平行移動（Δｘ、Δｙ、Δｚ）及び３つの回転（Δθx、Δθy、Δθz）に関して、座標系ｘｙｚから座標系ｘ’ｙ’ｚ’に定義できる。反対に、３Ｄ変換は、３つの平行移動（Δｘ’、Δｙ’、Δｚ’）及び３つの回転（Δθx'、Δθy'、Δθz'）に関して、座標系ｘ’ｙ’ｚ’から座標系ｘｙｚに定義できる。投影Ａの座標内の軸の方向ｘAは、３Ｄ画像座標系内の軸ｘのそれに対向する。投影Ｂの座標内の軸の方向ｘBは、３Ｄ画像座標系内の軸ｘのそれと同じである。２つの３Ｄ座標系の間の３Ｄ剛体変換は、
ｘ＝ｘ’、ｙ＝（ｙ’−ｚ’）／√２、ｚ＝（ｙ’＋ｚ’）／√２、
θx＝θx'、θy＝（θy'−θz'）／√２、θz＝（θy'＋θz'）／√２  （１）
のような基本三角法から導くことができる。
【００２０】
投影Ａの２Ｄ座標系（ｘAｙA）において、３Ｄ剛体変換は、面内変換（ｘA、ｙA、θA）及び２つの面外回転（θxA、θy'）に分解される。同様に、投影Ｂの２Ｄ座標系（ｘBｙB）において、分解は、面内変換（ｘB、ｙB、θB）及び２つの面外回転（θxB、θz'）からなる。図４Ａ〜４Ｄは、本明細書に記載された面内変換及び面外回転を示し、ここで２Ｄ・Ｘ線画像は、面２０１によって表され、かつ２Ｄ・ＤＲＲは、面２０１によって表される。式（１）の３Ｄ剛体変換は、２つの投影の使用が、３Ｄ剛体変換の６つのパラメータの解を過度に制約することに注目することによって簡略化できる。投影Ａにおける平行移動ｘAは、投影ＢにおけるｘBと同じパラメータであり、かつ投影Ａにおける面外回転θxAは、投影ＢにおけるθxBと同じである。αA及びαBが、それぞれ投影Ａ及びＢの幾何学的増幅係数（例えば源から患者、及び患者から検出器の距離に関するスケール係数）であるならば、座標系（ｘ’ｙ’ｚ’）及び２Ｄ座標系の間の平行移動は、以下の関係を有する：
ｘ’＝（αBｘB−αAｘA）／２、ｙ’＝αAｙA、ｚ’＝αBｙB。  （２）
【００２１】
投影Ａに関して、２つの面外回転（θxA、θy'）の異なる組み合わせに対応するＤＲＲ画像一式を考慮すると、２Ｄ面内変換（ｘA、ｙA、θA）は、２Ｄから２Ｄ画像比較によって推定でき、かつ２つの面外回転（θxA、θy'）は、類似度（類似性測定度）を使用して、下記のようにＸ線画像をＤＲＲ画像一式に最も一致させることによって計算できる。同様に、同じプロセスが、投影Ｂに関して２Ｄ面内変換（ｘB、ｙB、θB）及び面外回転（θxB、θz'）を解くために使用できる。下記のように、面内変換及び面外回転は、投影Ａ及び投影Ｂ両方に関して独立して、Ｘ線画像及びＤＲＲ画像一式の間の登録によって得ることができる。一致する面外回転を有するＤＲＲ画像が識別される時、面内回転及び面外回転は、以下の関係を有する：
θy'＝θB、θz'＝θA。  （３）
【００２２】
面外回転θy'が、投影Ａの基準ＤＲＲ画像一式において無視されるならば、面内変換は、θy'が小さい時（例えば５°未満）、（ｘA、ｙA、θA）によってほぼ表現できる。一旦この簡略化仮定が立てられ、かつ種々の面外回転θxAに対応する基準ＤＲＲ画像一式を考慮すると、面内変換（ｘA、ｙA、θA）及び面外回転θxAは、両方とも参照によって本明細書に組み込まれる、２００４年６月３０日に出願された「Ｆｉｄｕｃｉａｌ−ｌｅｓｓ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｎｏｎ−ｒｉｇｉｄ  Ｉｍａｇｅ  Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ」という題名の米国特許出願第１０／８８０４８６号及び２００４年６月３０日に出願された「Ｉｍａｇｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｆｉｄｕｃｉａｌ−ｌｅｓｓ  Ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  Ｔａｒｇｅｔｓ」という題名の米国特許出願第１０／８８１２０８号に記載されたような、１つ以上の多相登録方法によって解くことができる。対応する簡略化が、投影Ｂに関してなされ得る。一実施態様において、面外回転が、初期の患者位置合わせ後に小さいことが予期できるので、基準ＤＲＲ画像に関して定義された面外回転範囲は、約±５°に限定できる。
【００２３】
投影Ａにおける結果（ｘA、ｙA、θA、θxA）及び投影Ｂにおける（ｘB、ｙB、θB、θxB）を考慮すると、３Ｄ画像座標系内の３Ｄ剛体変換の近似値は、以下の式を使用して得ることができる
ｘ＝（−αAｘA＋αBｘB）／２、ｙ＝（αAｙA−αBｙB）／√２、ｚ＝（αAｙA＋αBｙB）／√２、θx＝（θxA＋θxB）／２、θy＝（θB−θA）／√２、θz＝（θB＋θA）／√２。  （４）
それ故に、２つの投影は、２組の４つのパラメータ（ｘA、ｙA、θA、θxA）及び（ｘB、ｙB、θB、θxB）によって完全に定義できる。類似度は、それぞれのパラメータ：ＳA＝ｆ（ｘA、ｙA、θA、θxA）及びＳB＝ｆ（ｘB、ｙB、θB、θxB）に応じて各投影に関して定義できる。しかしながら、２つの投影を共同で定義するために必要とされるパラメータの総数は、最初に
θxA＝θxB＝θx  （４）
であることに注目することによって６に減少できる。
【００２４】
次に、それぞれ投影Ａ及びＢの幾何学的増幅係数αA及びαBを考慮すると、座標系（ｘ’ｙ’ｚ’）及び２Ｄ投影座標系の間の平行移動は、以下の関係を有する：
ｘ’＝−αAｘA＝αBｘB、ｙ’＝αAｙA、ｚ’＝αBｙB。  （５）
前述の等価を式セット（１）に代入することによって
ｘ＝−αAｘA＝αBｘB、
ｙ＝（αAｙA−αBｙB）／√２、
ｚ＝（αAｙA＋αBｙB）／√２、θx＝θxA＝θxB、
θy＝（θB−θA）／√２、θz＝（θB＋θA）／√２      （６）
が生じる。
【００２５】
従って、２つの投影における一対のＤＲＲ及び一対のＸ線画像を考慮すると、組み合わされた類似度Ｓtotal＝ＳA＋ＳB＝ｆ（ｘ、ｙA、ｙB、θx、θA、θB）は、２つの４パラメータ検索空間か、１つの６パラメータ検索空間で検索することによって、全体的に最大化できる。その後、登録結果は、式セット（６）を使用して治療送達システムの座標系にマッピングできる。
【００２６】
前述の記載は、本発明の実施態様が実施できる、１つの代表的な画像誘導放射線治療システムにおける３Ｄ治療前撮像、３Ｄ剛体変換、ＤＲＲ及び治療中Ｘ線画像の間の関係の理解を提供することが意図される。しかしながら、本発明の実施態様は、ガントリー型画像誘導放射線治療システム及び／又はＤＲＲ画像を、治療中リアルタイム又はほぼリアルタイムで発生させる放射線治療システムを含む他のタイプの放射線治療システムにおいても実施できることが認められるであろう。
【００２７】
医療画像セグメント化は、（ＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴ又は３ＤＲＡ画像のような）３Ｄ医療画像を、１つ以上の特性又は特徴（例えば組織型、密度）に対して均質である領域に区分化するプロセスである。（フレーム式及び画像誘導の両方を含む）放射線治療システムにおいて、セグメント化は、標的病理構造（例えば腫瘍又は病変）及び重要な解剖学的構造（例えば脊髄）の境界及びボリュームが定義され、かつ治療計画にマッピングされる治療計画における重大なステップである。セグメント化の正確さは、健常組織に不必要な放射線が及ばないようにしながら、病理構造の治療中、放射線量の高度な等角性及び均質性を得るために重大である。
【００２８】
従来の画像誘導放射線治療システムにおいて、治療計画中に画像セグメント化に使用される３Ｄ撮像データは、ＤＲＲ発生にも使用される。図５Ａは、上記のような治療中にＤＲＲ画像を発生させる従来の画像誘導放射線治療システムにおけるワークフローを示す。図５Ａに示すように、画像セグメント化及びＤＲＲ発生は、治療計画及び治療送達の異なる経路で実行される。図５Ａに示すように、治療前３Ｄ撮像データが発生した後、画像セグメント化は、標的病理構造及び回避すべき重大な解剖学的構造（例えば脊髄）を区別するために使用される。画像セグメント化の結果は、病理構造への放射線の送達を計画するための治療計画に使用される。
【００２９】
しかしながらＤＲＲは、上記のような動きアーチファクト及び他のアーチファクトを含むことがある、事前セグメント化３Ｄ撮像データの３Ｄ剛体変換から発生する。治療時に、２Ｄ治療中Ｘ線画像は、２Ｄ・ＤＲＲと比較され、かつ比較結果（上記のような類似度）は、治療中Ｘ線画像と非常に類似するＤＲＲを生成する３Ｄ撮像データの３Ｄ剛体変換を見出すために、反復して使用される。類似度が最大化される時、対応する３Ｄ剛体変換は、（例えば放射線源及び／又は患者を動かすことによって）３Ｄ撮像データの座標系を治療送達システムの３Ｄ座標系と位置合わせするために選択される。
【００３０】
図５Ｂは、上記のような治療前にＤＲＲ画像を発生させる画像誘導放射線治療システムにおけるワークフローを示す。図５Ｂのワークフローは、２Ｄ−２Ｄ画像比較の結果が３Ｄ変換機能を推進するよりもむしろ事前計算されたＤＲＲから選択するために使用されることを除き、あらゆる点で図５Ａのワークフローと同じである。図５Ｂで一旦最大類似度が、（最も一致する事前計算されたＤＲＲに基づき）見出されると、３Ｄ変換は、３Ｄ−３Ｄ位置合わせプロセスのためにＤＲＲから外挿又は補間できる。しかしながらここでもまた、ＤＲＲは、事前セグメント化３Ｄ撮像データの３Ｄ剛体変換から発生する。
【００３１】
ＤＲＲを、治療中Ｘ線画像と比較し、かつ類似度を計算するために使用される方法及びアルゴリズムは、非常にロバストであることができ、かつ埋め込み基準マーカなしに、脊椎のような、剛性及び非剛性（変形可能な）両方の解剖学的構造を追跡することが可能である。脊椎のような、非剛性かつ／又は変換可能な解剖学的構造に関して、登録及び追跡は、（例えば治療前撮像中の患者の姿勢に対する脊椎の捻れ又は屈曲を反映する）治療前撮像から導かれたＤＲＲ及び治療中に得られるＸ線画像の間の減少できない差によって複雑にされる。かかる画像から平均剛体変換パラメータを計算する方法は、非剛体の登録及び追跡に取り組むように開発された。ＤＲＲ及び治療中Ｘ線画像の間のベクトル変位場の計算を含むかかる方法、並びに２Ｄ−２Ｄ登録、及び２Ｄ−３Ｄ登録及び追跡方法は、米国特許出願第１０／８８０４８６号及び米国特許出願第１０／８８１２０８号に詳細に記載されている。しかしながらＤＲＲが非セグメント化３Ｄ撮像データから発生し、かつ偽の詳細を含むか、真の詳細を欠く限りにおいて、ＤＲＲ画像及び治療中Ｘ線画像の間で計算されるいかなる類似度も、画像差に対する感度低下を有するであろう。
【００３２】
図６Ａは、ＤＲＲ発生前に３Ｄ撮像データから望ましくないアーチファクトを除去するために、リアルタイムＤＲＲを発生させる放射線治療システムで画像セグメント化がどのように使用できるかを示す、一実施態様における方法３００を示す。図６Ａで、３Ｄ撮像データは、操作３０１で従来の方法（例えばＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴ、３ＤＲＡ等）で得られる。操作３０２で、３Ｄ撮像データは、治療計画目的で、標的病理構造（例えば脊髄腫瘍又は病変）及び重大な解剖学的構造の線引きをするためにセグメント化される。操作３０３で、３Ｄ撮像データの関心ボリューム（ＶＯＩ, volume of interest）は、ＤＲＲ発生のためにセグメント化される。関心ボリュームは、脊椎のような解剖学的構造を含むことができ、かつ若干の直接隣接した組織も含むことができ、かつ手動か、自動的に（例えば医療撮像輪郭ツールを使用して）定義することが容易な輪郭（例えば円筒形輪郭）を有することができる。例えば頭蓋骨又は骨盤のような脊椎以外の解剖学的構造も、セグメント化できた。画像セグメント化（３０２）は、上記のような治療計画（３０４）において使用される。操作３０３からのセグメント化ＶＯＩデータは、操作３１０で上記のように３Ｄ変換され、かつ治療中撮像システムの各投影で、操作３０６で「セグメント化」ＤＲＲを発生させるために使用される。操作３０７で、ＤＲＲは、固定又は適応治療計画３０４に従って操作３０５で獲得された治療中Ｘ線画像と比較される。上記のように、比較は、各投影で新規なＤＲＲを発生させるために、ＶＯＩセグメント化データの３Ｄ変換にフィードバックされる類似度を発生させ得る。類似度が最大化される時（３１１）、現在の３Ｄ変換は、放射線治療システム内の患者の姿勢と、３Ｄ治療前画像の３Ｄ座標の間で３Ｄ−３Ｄ位置合わせ（３０８）のために選択及び使用される。
【００３３】
図６Ｂは、ＤＲＲ発生前に３Ｄ撮像データから望ましくないアーチファクトを除去するために、事前計算ＤＲＲを使用する放射線治療システムで画像セグメント化がどのように使用できるかを示す、一実施態様における方法４００を示す。図６Ｂで、３Ｄ撮像データは、操作４０１で従来の方法（例えばＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴ、３ＤＲＡ等）で得られる。操作４０２で、３Ｄ撮像データは、上記のように治療計画目的で、標的病理構造及び重大な解剖学的構造の線引きをするためにセグメント化される。操作４０３で、３Ｄ撮像データの関心ボリューム（ＶＯＩ）は、上記のようにＤＲＲ発生のためにセグメント化される。画像セグメント化（４０２）は、上記のような治療計画（４０４）において使用される。操作４０３からのセグメント化ＶＯＩデータは、放射線治療システム内の患者の姿勢の予期される範囲をカバーする複数の３Ｄ変換を介して３Ｄ変換される（４１０）。複数３Ｄ変換は、上記のように治療中撮像システムの各投影において複数の「セグメント化」ＤＲＲを発生させるために使用される（４０６）。操作４１２で、初期ＤＲＲが、各投影で選択され、かつ固定又は適応治療計画４０４に従って操作４０５で獲得された治療中Ｘ線画像と比較される。上記のように、比較は、各投影で新規なＤＲＲを選択するために、ＤＲＲ選択操作４１２にフィードバックされる類似度を発生させ得る。最も一致するＤＲＲに基づき最大類似度がある時（４１１）、３Ｄ変換は、予め選択された３Ｄ変換から補間又は外挿でき、かつ放射線治療システム内の患者の姿勢と、３Ｄ治療前画像の３Ｄ座標の間で３Ｄ−３Ｄ位置合わせ（４０８）のために使用される。
【００３４】
ＶＯＩセグメント化は、（例えば脊椎のような）解剖学的構造と、任意に望ましくないアーチファクトなしにＤＲＲを発生させるために使用できる解剖学的構造を直接取り囲む領域とを単離するために患者の３Ｄ治療前画像空間（例えばＣＴ又は他の３Ｄ画像ボリューム）内の三次元幾何学的構造を定義する。関心ボリュームは、通常多量の平行な輪郭からなる幾何学的表示、又は下記のような本質的にバイナリマスクボリュームであるボリューム表示の、２つのフォーマットで表すことができる。２つのフォーマットは、一方から他方に変換可能である。関心ボリュームは、記憶スペースを残すために、幾何学的フォーマットで記憶できる。
【００３５】
図７は、多量の輪郭４０２によって定義されるＶＯＩ４０１を含むＣＴ画像ボリューム４００の簡略化した幾何学的表示を示す。各輪郭は、ＣＴ画像ボリューム４００のスライスに平行な対応する面４０３上で定義される。輪郭は、図７に示すように閉輪郭を得るために補間できる、一連の点として通常表される。
【００３６】
図８は、図７のＶＯＩ４０１の幾何学的表示が、どのようにＶＯＩ４０１のボリューム表示に変換できるかを示す。図８で、ＣＴ画像ボリューム４００は、元のＣＴ撮像データと同じ解像度を有する（代表的ボクセル５０１のような）ボクセルに分割される。ＣＴ画像ボリューム４００内のボクセルは、３Ｄバイナリマスク（すなわち３Ｄ・ＣＴ画像ボリューム内の各ボクセルのマスク）によってマスクできる。３Ｄバイナリマスクは、ＣＴ画像ボリューム内の各ボクセルに関して１ビットマスクを有する１ビットバイナリマスクセット、又はＣＴ画像ボリューム内の各ボクセルに関して複数ビットマスクを有する複数ビットマスクセットと定義できる。１ビットバイナリマスクは、単一ＶＯＩを定義するためにＣＴ画像ボリューム内のボクセルを選択又は非選択にすることができる。例えば、単一ビット値は、輪郭４０２によって定義されるＶＯＩ内部に位置するボクセルに関して１、及び輪郭４０２によって定義されるＶＯＩ外部に位置するボクセルに関して０に設定できる。複数ビットマスクは、１つの３Ｄバイナリマスク内でコード化されるべき複数関心ボリュームを可能にし、各ビットが１つのＶＯＩに対応する。例えば、８ビットマスクは、８の関心ボリュームを表すことができる。図５で代表的複数ビットマスク５０２及び５０３によって示すような、３２ビットマスクは、３２の異なる関心ボリュームの各々でそのボクセルの状態（すなわち選択又は非選択）を表すことが可能である。
【００３７】
上記プロセスは、カリフォルニア州サニーベイルのＡｃｃｕｒａｙ，Ｉｎｃ．から入手可能なＭｕｌｔｉＰｌａｎ（商標）治療計画システムで提供されるツールのような脊椎セグメント化ツールによって自動化できる。セグメント化ツールは、患者の医療画像（例えばＣＴ、又はＭＲＩ、ＰＥＴ等のような他の画像ボリューム）を操作するために使用できる。図９は、セグメント化ツールにより、ユーザがどのようにして医療画像の３つの切断面：軸方向面６０１、矢状面６０２及び前頭面６０３から関心脊椎ボリュームを同時に線引きできるようになるかを示すスクリーンショット６００である。
【００３８】
軸方向面６０１上に、二次元輪郭が表示される。輪郭は、ユーザによって定義される時に実線輪郭であっても良いか、又はコンピュータによって隣接輪郭から補間された破線輪郭であっても良い。ユーザは、輪郭のサイズを変更すること、輪郭を拡大縮小すること、又は動かすことによって輪郭を修正できる。ユーザは、形状モーフィングパラメータを微調整することによって表示されている画像スライス上の実際の脊椎を一致させるために輪郭の形状を同様に修正できる。形状モーフィングパラメータは、輪郭が楕円にどのように近接しているかを定義する。形状モーフィングパラメータが例えば０に設定される時、輪郭は、標準楕円であり得る。形状モーフィングパラメータが１に設定される時、輪郭は、例えば同時係属の米国特許出願第１０／８８０４８６号及び第１０／８８１２０８号に記載されたような自動縁部認識方法を使用して、脊柱の外形を取ることができる。モーフィングパラメータを［０，１］の範囲で調整することにより、輪郭の形状は、図１０Ａに示すような楕円７０１から図１０Ｂに示すような例えば脊柱７０２にスムーズにモーフィングできる。ユーザは、輪郭７０２の境界ボックス７０４上の（制御点７０３のような）制御点を例えば使用して、輪郭７０２の形状も調整できる。
【００３９】
矢状面６０２及び前頭面６０３上で、関心脊椎ボリュームの投影されたシルエット輪郭６０５が、表示される。（例えば輪郭６０４のような）全てのユーザ定義された輪郭の中心は、脊椎６０６の中心軸として接続される。ユーザは、輪郭の中心を動かす、又は引っ張ることによって輪郭を動かす、追加する、又は除去することができる。輪郭の中心が、矢状又は前頭面上で動かされる時、軸方向画像スライス上に定義された実際の輪郭は、それに応じて動かされる。ユーザが、隣接軸方向輪郭の２つの中心点間のいずれかの点を選択する時、新規な輪郭が、その位置に追加され、輪郭は、２つの隣接軸方向輪郭の補間に自動的に設定される。ユーザが輪郭の中心点を２つの隣接輪郭の領域外部に、又は画像境界外部に引っ張り、かつ落とす時、輪郭は、関心ボリュームから除去される。一旦関心脊椎ボリュームが、線引きされ、かつ幾何学的フォーマット内に記憶されるならば、それは、関心ボリューム内にボクセルのみを含む三次元画像ボリュームとしてボリュームフォーマットに変換される。
【００４０】
図１１Ａ及び１１Ｂは、ＣＴ画像ボリューム内の非セグメント化３Ｄ撮像データから得られた患者の胸椎の２つの直交して投影されたＤＲＲを示す。両方の画像は、ＣＴ画像獲得中の呼吸運動から生じる重度の画像アーチファクトを示すことが分かる。図１２Ａ及び１２Ｂは、脊椎セグメント化が適用され、かつＶＯＩ外部の骨及び軟組織からの画像アーチファクトが除去された後に、図１１Ａ及び１１Ｂによって表される同じ２つの直交する投影を示す。
【００４１】
図１３Ａ及び１３Ｂは、ＣＴ画像ボリューム内の非セグメント化３Ｄ撮像データから得られた患者の胸椎の２つの直交して投影されたＤＲＲを示す。両方の画像は、骨構造及び軟組織からの干渉アーチファクトを示すことが分かる。図１４Ａ及び１４Ｂは、脊椎セグメント化が適用され、かつＶＯＩ外部の骨及び軟組織からの画像アーチファクトが除去された後に、図１３Ａ及び１３Ｂによって表される同じ２つの直交する投影を示す。
【００４２】
セグメント化３Ｄ撮像データから導かれたＤＲＲは、ＤＲＲと、治療中Ｘ線画像との間の小さい差に対して感度が高い類似度を提供するために、上記のように画像誘導放射線治療中に、治療中Ｘ線と比較できる。結果として、ＤＲＲと、治療中Ｘ線との間の登録は、より精密である。脊椎のような非剛性構造の場合に、精密な登録は、ＤＲＲと、治療中Ｘ線との間の撮像視野の各点で、ベクトル変位を表現する治療中撮像システムの各投影における改善された精度の２Ｄ変位場で現れることがある。各投影における変位場は、次に米国特許出願第１０／８８０４８６号及び第１０／８８１２０８号に記載されたような平均剛体変換を決定するために組み合わせ及び平均化できる（２Ｄ変位場は、非剛性構造の登録の類似度のタイプとして処理できる）。
【００４３】
一旦剛体変換が得られると、放射線治療システム内の患者の姿勢は、３Ｄ治療前画像の座標と位置合わせでき、（例えば治療計画から導かれるような）標的病理構造の座標が特定でき、かつ放射線治療が、病理構造に適用できる。
【００４４】
このように、ＤＲＲ発生及び画像登録のためのＶＯＩセグメント化方法が、記載された。一実施態様において、図１５に示すように、方法１２００は、関心ボリューム（ＶＯＩ）及び病理構造を含む３Ｄ撮像データを得ること（操作１２０１）と、撮像アーチファクトを除去するために３Ｄ撮像データからの関心ボリュームをセグメント化すること（操作１２０２）と、２つ以上の投影におけるセグメント化ＶＯＩの３Ｄ変換からデジタル再構成Ｘ線写真（ＤＲＲ）を発生させること（操作１２０３）と、各投影において類似度を発生させるために、ＤＲＲを、患者の２Ｄ治療中画像と比較すること（操作１２０４）と、患者の姿勢を３Ｄ撮像データと位置合わせし、かつ治療計画に対する病理構造の座標を特定するために、各投影において最大類似度に対応する３Ｄ剛体変換を計算すること（操作１２０５）と、病理構造及び放射線治療源の相対位置を、治療計画に一致させること（操作１２０６）とを含む。図１５に示すように、操作１２０４〜１２０６（又は任意に上記のように１２０３〜１２０６）は、放射線治療セッション中のいかなる患者の動きも絶えず補正するために、反復できる。
【００４５】
図１６は、本発明の特徴が実施できる、放射線治療の実行に使用できるシステム１３００の一実施態様を示す。下記のように、かつ図１３に示すように、システム１３００は、診断撮像システム１０００と、治療計画システム２０００と、治療送達システム３０００とを含むことができる。
【００４６】
診断撮像システム１０００は、その後の医療診断、治療計画及び／又は治療送達に使用できる患者の医療診断画像を生成できるいかなるシステムであっても良い。例えば、診断撮像システム１０００は、コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）システム、磁気共鳴映像法（ＭＲＩ）システム、陽電子射出断層撮影法（ＰＥＴ）システム、超音波システム等であっても良い。考察を容易にするために、診断撮像システム１０００は、時折ＣＴ撮像様式に関連して以下で論じることがある。しかしながら、上記のような他の撮像様式も使用できる。
【００４７】
診断撮像システム１０００は、撮像ビーム（例えばＸ線、超音波、高周波等）を発生させる撮像源１０１０と、撮像源１０１０によって発生したビーム、又は（例えばＭＲＩ又はＰＥＴスキャンにおいて）撮像源からのビームによってシミュレートされた放射若しくは二次ビームを検出及び受ける撮像検出器１０２０とを含む。
【００４８】
撮像源１０１０及び撮像検出器１０２０は、撮像操作を制御し、かつ画像データを処理するために、デジタル処理システム１０３０に結合できる。診断撮像システム１０００は、デジタル処理システム１０３０、撮像源１０１０及び撮像検出器１０２０の間でデータ及び指令を転送するバス又は他の手段１０３５を含む。デジタル処理システム１０３０は、１つ以上の汎用プロセッサ（例えばマイクロプロセッサ）と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）のような専用プロセッサ又はコントローラ若しくはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のような他のタイプの装置とを含むことができる。デジタル処理システム１０３０は、メモリ、記憶装置、ネットワークアダプタ等のような他の部品（図示せず）も含むことができる。デジタル処理システム１０３０は、例えばＤＩＣＯＭ（医用におけるデジタル撮像及び通信）フォーマットのような標準フォーマットでデジタル診断画像を発生させるように構成できる。他の実施態様において、デジタル処理システム１０３０は、他の標準又は非標準デジタル画像フォーマットを発生させることができる。デジタル処理システム１０３０は、例えば直接リンク、ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）リンク、又はインターネットのような広域ネットワーク（ＷＡＮ）リンクであっても良い、データリンク１５００で診断画像ファイル（例えば前述のＤＩＣＯＭフォーマット済みファイル）を治療計画システム２０００に伝送できる。その上、システム間で転送された情報は、遠隔診断又は治療計画形態でのような、システムを接続する通信媒体を通して引き出せるか、又は推し進めることができる。遠隔診断又は治療計画において、ユーザは、システムユーザ及び患者の間の物理的分離の存在にもかかわらず、診断又は治療計画に本発明の実施態様を利用できる。
【００４９】
治療計画システム２０００は、画像データを受信及び処理する処理装置２０１０を含む。処理装置２０１０は、１つ以上の汎用プロセッサ（例えばマイクロプロセッサ）と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）のような専用プロセッサ又はコントローラ若しくはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のような他のタイプの装置とに相当し得る。処理装置２０１０は、本明細書に記載された脊椎セグメント化ツールのような、本明細書で論じられる治療計画及び／又は画像処理操作を実行するための命令を実行するように構成できる。
【００５０】
治療計画システム２０００は、処理装置２０１０によって実行されるべき情報及び命令を記憶するための、バス２０５５によって処理装置２０１０に結合された、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、又は他の動的記憶装置を含むことができるシステムメモリ２０２０も含むことができる。システムメモリ２０２０は、処理装置２０１０による命令の実行中に一時的変数又は他の中間情報を記憶するためにも使用できる。システムメモリ２０２０は、処理装置２０１０の静的情報及び命令を記憶するために、バス２０５５に結合されたリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）及び／又は他の静的記憶装置も含むことができる。
【００５１】
治療計画システム２０００は、情報及び命令を記憶するためにバス２０５５に結合された、１つ以上の記憶装置（例えば磁気ディスクドライブ又は光学ディスクドライブ）に相当する記憶装置２０３０も含むことができる。記憶装置２０３０は、本明細書に論じられた治療計画ステップを実行する命令を記憶するために、かつ／又は本明細書に論じられたような３Ｄ撮像データ及びＤＲＲを記憶するために使用できる。
【００５２】
処理装置２０１０は、ユーザに情報（例えばＶＯＩの２Ｄ又は３Ｄ表示）を表示するための、陰極線管（ＣＲＴ）又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような表示装置２０４０にも結合できる。キーボードのような入力装置２０５０は、処理装置２０１０に情報及び／又は指令選択を伝達するために処理装置２０１０に結合されても良い。１つ以上の他のユーザ入力装置（例えばマウス、トラックボール又はカーソル方向キー）は、方向情報を伝達し、処理装置２０１０の指令を選択し、かつディスプレイ２０４０上のカーソルの動きを制御するためにも使用できる。
【００５３】
治療計画システム２０００は、多くの異なる構成及びアーキテクチャを有することができ、治療計画システム２０００よりも多くの部品又は少ない部品を含むことができ、かつ本発明によって用いることができる治療計画システムの一例のみに相当することが認められるであろう。例えば、幾つかのシステムは、多くの場合周辺バス、専用キャッシュバス等のような複数のバスを有する。治療計画システム２０００は、ユーザが治療を計画し、かつ種々の撮像様式（例えばＭＲＩ、ＣＴ、ＰＥＴ等）のいずれかに対する線量分布を見ることを可能にする拡張した画像融合能力である、ＤＩＣＯＭインポートを支援するためのＭＩＲＩＴ（医療画像検査及びインポートツール）も含むことができる（従って画像は、融合でき、かつ標的は、異なるシステム上で線引きされ、かつ次に計画及び線量計算のために治療計画システムにインポートされる）。治療計画システムは、当該技術分野において公知であり、従って更に詳細な考察は、提供されない。
【００５４】
治療計画システム２０００は、そのデータベース（例えば記憶装置２０３０に記憶されたデータ）を治療送達システム３０００のような治療送達システムと共有でき、その結果治療送達前に治療計画システムからエクスポートすることが、必要でない場合がある。治療計画システム２０００は、データリンク１５００に対して以上で論じたような、直接リンク、ＬＡＮリンク又はＷＡＮリンクであっても良い、データリンク２５００を介して治療送達システム３０００に結合できる。データリンク１５００及び２５００がＬＡＮ又はＷＡＮ接続として実施される時、診断撮像システム１０００、治療計画システム２０００、及び／又は治療送達システム３０００のいずれかは、これらのシステムが物理的に互いから遠隔であり得るように、分散位置にあっても良いことに注目すべきである。あるいは、診断撮像システム１０００、治療計画システム２０００、及び／又は治療送達システム３０００のいずれかは、１つ以上のシステムにおいて互いに統合され得る。
【００５５】
治療送達システム３０００は、治療計画と一致する標的ボリュームに処方された放射線量を投与する、治療及び／又は外科的放射線源３０１０を含む。治療送達システム３０００は、放射線源に対して患者の位置決めをするために、上記の診断画像との相関又は登録のための（標的ボリュームを含む）患者ボリュームの治療中画像を捕捉する撮像システム３０２０も含むことができる。撮像システム３０２０は、上記の撮像システムのいずれかを含むことができる。治療送達システム３０００は、放射線源３０１０を制御するデジタル処理システム３０３０と、撮像システム３０２０と、治療台３０４０のような患者支持装置とを同様に含むことができる。デジタル処理システム３０３０は、診断撮像システム１０００内でデジタル処理システム１０３０によって発生した、デジタル再構成Ｘ線写真（例えばセグメント化３Ｄ撮像データからのＤＲＲ）及び／又は治療計画システム２０００内の処理装置２０１０によって発生したＤＲＲによって、２つ以上の立体視的投影から、撮像システム３０２０からの２Ｄ・Ｘ線画像を登録するように構成できる。デジタル処理システム３０３０は、１つ以上の汎用プロセッサ（例えばマイクロプロセッサ）と、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）のような専用プロセッサ又はコントローラ若しくはフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）のような他のタイプの装置とを含むことができる。デジタル処理システム３０３０は、メモリ、記憶装置、ネットワークアダプタ等のような他の部品（図示せず）も含むことができる。デジタル処理システム３０３０は、バス３０４５又は他のタイプの制御及び通信インタフェースによって放射線源３０１０、撮像システム３０２０、及び治療台３０４０に連結できる。
【００５６】
デジタル処理システム３０３０は、治療送達システム３０００内で治療台３０４０上に患者を位置合わせし、かつ標的ボリュームに対して放射線源を正確に位置決めするために、術前治療計画画像と、撮像システム３０２０から得られた画像を登録する（例えば上記の方法１２００のような）方法を実施できる。
【００５７】
治療台３０４０は、複数（例えば５以上）の自由度を有するもう１つのロボットアーム（図示せず）に連結できる。台アームは、５つの回転自由度、及び１つの実質的に垂直な線形自由度を有することができる。あるいは、台アームは、６つの回転自由度、及び１つの実質的に垂直な線形自由度、又は少なくとも４つの回転自由度を有することができる。台アームは、柱若しくは壁に垂直に取り付けられるか、又は台座、床若しくは天井に水平に取り付けられる。あるいは、治療台３０４０は、カリフォルニアのＡｃｃｕｒａｙ，Ｉｎｃ．によって開発されたＡｘｕｍ（登録商標）治療台のようなもう１つの機械的機序の部品、又は当業者に公知のもう１つのタイプの従来の治療台であっても良い。
【００５８】
本明細書に記載された方法及び装置が、医療診断撮像及び治療のみによる使用に限定されないことに注目すべきである。代替的実施態様において、本明細書の方法及び装置は、工業的撮像及び材料の非破壊試験（例えば自動車産業におけるモータブロック、航空産業における機体、建設業における溶接、及び石油産業におけるボーリグコア）及び地震調査のような、医療技術分野以外での応用に使用できる。かかる応用において、例えば「治療」は、放射線ビームの適用を一般的に指すことができる。
【００５９】
前述の記載から本発明の態様が、ソフトウェアで少なくとも部分的に具体化できることが明らかである。すなわち、技術は、例えばシステムメモリ２０２０のような、メモリ内に含まれる命令シーケンスを実行する、例えば処理装置２０１０のようなそのプロセッサに応答してコンピュータシステム又は他のデータ処理システムにおいて行なうことができる。種々の実施態様において、ハードウェア回路が、本発明を実施するためにソフトウェア命令と組み合わせて使用できる。それ故に技術は、ハードウェア回路及びソフトウェアのいかなる具体的な組み合わせ、又はデータ処理システムによって実行される命令のいかなる特定の源にも限定されない。その上、この記載を通じて、種々の機能及び操作は、記載を簡略にするために、ソフトウェアコードによって実行されるか、又は引き起こされるとして記載できた。しかしながら、当業者は、かかる表現によって意味されるものは、機能が、処理装置２０１０のようなプロセッサ又はコントローラによるコードの実行に由来することであることを認識するであろう。
【００６０】
機械可読媒体は、データ処理システムによって実行される時に、システムに本発明の種々の方法を実行させるソフトウェア及びデータを記憶するために、使用できる。この実行可能なソフトウェア及びデータは、例えばシステムメモリ２０２０及び記憶装置２０３０、又はソフトウェアプログラム及び／又はデータを記憶することが可能な他のいかなる装置も含む、種々の場所に記憶できる。
【００６１】
それ故に機械可読媒体は、機械（例えばコンピュータ、ネットワーク装置、携帯情報端末、製造ツール、１つ以上のプロセッサ一式を有するいずれかの装置等）によってアクセス可能な形状で情報を提供する（すなわち記憶及び／又は伝送する）いかなる機構も含む。例えば、機械可読媒体は、記録可能な／記録不可能な媒体（例えばリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリ素子等）並びに電気、光学、音響又は他の形状の伝搬信号（例えば搬送波、赤外線信号、デジタル信号等）等を含む。
【００６２】
本明細書を通じた、「一実施態様」、又は「実施態様」の参照は、実施態様と関連して記載された特定の特徴、構造又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施態様に含まれることが認められるべきである。従って、本明細書の種々の部分での「実施態様」、又は「一実施態様」、又は「代替的実施態様」への２つ以上の参照は、必ずしも全てが同じ実施態様を参照しないことが強調され、かつ認められるべきである。更に、特定の特徴、構造又は特性は、本発明の１つ以上の実施態様において適切な場合、組み合わせることができる。その上、本発明は、幾つかの実施態様の点から記載されたが、当業者は、本発明が記載された実施態様に限定されないことを認識するであろう。本発明の実施態様は添付の請求項の範囲内の、修正及び変更によって実施できる。それ故に明細書及び図面は、発明を限定するのではなく、例示的と見なされるべきである。
【符号の説明】
【００６３】
１０００  診断撮像システム、１０１０  撮像源、１０２０  撮像検出器、１０３０  デジタル処理システム、２０００  治療計画システム、２０１０  処理装置、２０２０  システムメモリ、２０３０  記憶装置、２０４０  ディスプレイ、２０５０  入力装置、３０００  治療送達システム、３０１０  放射線源、３０２０  撮像システム、３０３０  デジタル処理システム、３０４０  治療台
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１５】
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【図１６】
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【図９】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年6月4日(2009.6.4)
【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】
セグメント化関心ボリューム（ＶＯＩ）を得るために、病理構造を含む三次元（３Ｄ）撮像データから生成された減衰値を用いて前記３Ｄ撮像データからのＶＯＩをセグメント化するステップと、
１つまたは複数の投影の各々において、前記セグメント化ＶＯＩの１つまたは複数の３Ｄ変換からデジタル再構成Ｘ線写真（ＤＲＲ）を発生させるステップと、
から成ることを特徴とする方法。
【請求項２】
各投影における類似度を生成するために、各投影におけるＤＲＲを対応する二次元（２Ｄ）治療中画像と比較するステップと、
各投影において最大類似度に対応する３Ｄ剛体変換を計算するステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記最大類似度は、各投影における前記ＤＲＲと対応する２Ｄ治療中画像との間の登録に対応し、各投影における前記ＤＲＲと前記対応する２Ｄ治療中画像との間の変換から、前記３Ｄ剛体変換を計算するステップをさらに有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
各投影における前記類似度は、前記ＤＲＲと前記対応する２Ｄ治療中画像との間のベクトル変位場を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
各投影における２Ｄ変位場からの前記セグメント化ＶＯＩの平均剛体変換を決定するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記病理構造及び放射線治療源の相対位置を、放射線治療計画に一致させるステップを更に含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記３Ｄ剛体変換を計算するステップは、
各投影における第１ＤＲＲと対応する２Ｄ治療中画像との間の類似度を計算するステップと、
増加した類似度を有する各投影において、前記対応する２Ｄ治療中画像とともに第２ＤＲＲを発生させる前記類似度からセグメント化ＶＯＩの変換を選択するステップを
含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項８】
各投影における最大類似度を生成するセグメント化ＶＯＩの変換を選択するステップをさらに有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記３Ｄ剛体変換を計算するステップは、
各投影における複数のＤＲＲの各々と、対応する２Ｄ治療中画像との間の類似度を計算するステップを有し、投影における各ＤＲＲは前記セグメント化ＶＯＩの異なる３Ｄ変換に対応することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
各投影における最大類似度を生成する前記セグメント化ＶＯＩの変換を選択するステップをさらに有することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
各投影における最大類似度を生成する前記セグメント化ＶＯＩの変換から、病理構造の３Ｄ座標を決定するステップをさらに有することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
放射線治療ビーム源から放出された放射線ビームが、前記病理構造に集中されるように、前記病理構造の前記３Ｄ座標を使用して、前記放射線治療ビーム源を位置決めするステップをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
放射線治療ビーム源から放出された放射線ビームが、前記病理構造に集中されるように、前記病理構造の前記３Ｄ座標を使用して、患者を位置決めするステップをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記ＶＯＩは前記３Ｄ撮像データの１つまたは複数の図における２Ｄ輪郭一式を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記ＶＯＩをセグメント化するステップは、３Ｄボクセルマスクを発生させるステップを有し、前記ボクセルマスクは、セグメント化ＶＯＩを線引きし、かつ前記セグメント化ＶＯＩの外側の全ての解剖学的構造を除外するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記３Ｄボクセルマスクは、２Ｄ輪郭一式から発生することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記３Ｄボクセルマスクは、複数の多重ビットボクセルマスクを含み、前記多重ビットボクセルマスク内の各ビットは異なるＶＯＩに対応することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
医療撮像システムから前記３Ｄ撮像データを得るステップを更に有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記３Ｄ撮像データは、治療計画のためのコンピュータ断層撮影法（ＣＴ）画像データ、磁気共鳴（ＭＲ）画像データ、陽電子射出断層撮影法（ＰＥＴ）画像データ及び３Ｄ回転血管撮影法（３ＤＲＡ）画像データのうち、１つ以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記病理構造は脊椎であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記病理構造は頭蓋であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記対応する二次元（２Ｄ）治療中画像は、治療中Ｘ線画像を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
第１処理装置が、セグメント化ＶＯＩを得るために、病理構造を含む３Ｄ撮像データから生成された減衰値を用いて三次元（３Ｄ）走査データから関心ボリューム（ＶＯＩ）をセグメント化するように構成され、かつ、前記第１処理装置が１つまたは複数の投影の各々において、前記セグメント化ＶＯＩから複数のデジタル再構成Ｘ線写真（ＤＲＲ）を発生させるように更に構成された前記第１処理装置を備える治療計画システムと、
各投影において２Ｄ変位場を発生させるために、各投影における１つまたは複数のＤＲＲを対応する二次元（２Ｄ）治療中画像と比較するように構成された第２処理装置を備える治療送達システムと、
から構成されることを特徴とするシステム。
【請求項２４】
３Ｄ撮像データを得るように構成された第３処理装置を含む画像獲得システムをさらに備え、第２プロセッサは３Ｄ画像データの平均剛体変換と、病理構造の３Ｄ変位とを決定し、かつ前記病理構造に画像誘導放射線治療を適用するように更に構成されることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記第１処理装置、前記第２処理装置、及び前記第３処理装置は、同じ処理装置であることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記第１処理装置、前記第２処理装置、及び前記第３処理装置は、異なる処理装置であることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【国際調査報告】
2010500151.tif 000020