(57)【要約】【課題】放射線処置中に移動する放射線ターゲットを追跡するシステムを提供する。【解決手段】２Ｄ輪郭及び適応窓を使用して映像誘導放射線処置中に放射線ターゲットを直接的に追跡するためのシステム、方法及び装置。【選択図】図１Ａ
2010508895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つまでの並進移動方向に動くターゲットを、該ターゲットの直接的な登録を用いて検出するステップと、
前記ターゲットを追跡して、処置ビームを前記ターゲットの動きと同期させるステップと、を備えた方法。
【請求項２】
１つ以上のデジタルで再構成された放射線写真（ＤＲＲ）がそれに対応するＸ線映像とマッチングされる処置提供システムにおいて、患者を事前に位置合わせするステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ターゲットを検出する前記ステップは、
前記ターゲットの２Ｄ輪郭を発生する段階と、
１つ以上のデジタルで再構成された放射線写真（ＤＲＲ）の各々において前記ターゲットの２Ｄ輪郭を含む当該領域（ＲＯＩ）を発生する段階と、
前記ＤＲＲのＲＯＩをそれに対応するＸ線映像とマッチングさせる段階と、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ＲＯＩをマッチングさせる前記段階は、類似性尺度を最大にするサーチアルゴリズムに基づき前記対応するＸ線映像のサーチ窓内でＲＯＩを移動する工程を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
各２Ｄ投射においてターゲットを検出するためのクオリティ尺度を決定する工程を更に備え、これは、
選択されたＤＲＲに第１の複数のシフト相関窓を発生し、
前記対応するＸ線映像における前記第１の複数のシフト相関窓を登録して、前記第１の複数のシフト相関窓にマッチする前記対応するＸ線映像における第２の複数のシフト相関窓を見出し、前記第１の複数のシフト相関窓及び第２の複数のシフト相関窓は、複数のシフト相関対を構成し、
前記複数のシフト相関対のうちのシフト相関対の各対間の変位を決定し、
ＶＯＩの各２Ｄ投射においてターゲット検出のためのクオリティ尺度を指定する、ことを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
最も高いクオリティ尺度をもつ第１投射におけるＤＲＲのＲＯＩを選択して、第２投射において限定されたサーチ窓を発生し、
前記第２投射における前記限定されたサーチ窓内をサーチして、前記第２投射におけるクオリティ尺度を最大にする、ことを含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１投射及び第２投射におけるＲＯＩの位置に対応する３Ｄ並進移動を計算して、３Ｄ基準処置フレームにおけるターゲットの位置を決定することを更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ターゲットの位置と外部呼吸マーカーとの間の相関モデルで前記ターゲットを追跡して、前記ターゲットの動きと同期して処置を施すことを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記サーチアルゴリズムは多レベル勾配サーチアルゴリズムを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項１０】
処置座標系において患者を事前に位置合わせするステップを更に備え、患者を事前に位置合わせするこのステップは、患者のセグメント化された脊柱の２つの２Ｄ投射を、２つの対応する投射における患者の２Ｄ処置中のＸ線映像とマッチングさせる段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
処置座標系において患者を事前に位置合わせするステップを更に備え、患者を前位置合わせするこのステップは、患者のセグメント化された脊柱の３つ以上の２Ｄ投射を、３つ以上の対応する投射における患者の２Ｄ処置中のＸ線映像とマッチングさせる段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
１つ以上のＤＲＲは、基準マーカーを含み、処置座標系において患者を事前に位置合わせする前記ステップは、１つ以上の２Ｄ投射における基準マーカーを、１つ以上の対応する投射における患者の２Ｄ処置中のＸ線映像とマッチングさせる段階を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
１つ以上のＤＲＲは、３Ｄ映像データから導出され、この３Ｄ映像データは、処置プランニングのためのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）映像データ、磁気共鳴（ＭＲ）映像データ、ポジトロン放出断層撮影（ＰＥＴ）映像データ、及び３Ｄ回転血管造影（３ＤＲＡ）映像データのうちの１つ以上を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項１４】
前記ターゲット及び処置線源の相対的な位置を処置プランに適合させ、
前記処理プランに基づいて前記ターゲットに処置を施す、ことを更に含む請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
マシンによりアクセスされたときに、そのマシンが、
３つまでの並進移動方向に動くターゲットを、該ターゲットの直接的な登録を用いて検出し、
前記ターゲットを追跡して、処置線源を前記ターゲットの動きと同期させる、
というオペレーションを遂行するようにさせるデータを含むマシンアクセス可能な媒体を備えた製造物。
【請求項１６】
前記マシンアクセス可能な媒体は、前記ターゲットを含む１つ以上のデジタルで再構成された放射線写真（ＤＲＲ）がそれに対応するＸ線映像とマッチングされる処置提供システムにおいて患者を事前に位置合わせするオペレーションを前記マシンが遂行するようにさせるデータを更に含む、請求項１５に記載の製造物。
【請求項１７】
前記ターゲットの前記検出は、
前記ターゲットの２Ｄ輪郭を発生し、
１つ以上のデジタルで再構成された放射線写真（ＤＲＲ）の各々において前記ターゲットの２Ｄ輪郭を含む当該領域（ＲＯＩ）を発生し、
前記ＤＲＲのＲＯＩをそれに対応するＸ線映像とマッチングさせる、
ことを含む、請求項１５に記載の製造物。
【請求項１８】
前記ＲＯＩのマッチングは、類似性尺度を最大にするサーチアルゴリズムに基づき前記Ｘ線映像のサーチ窓内でＲＯＩを移動することを含む、請求項１７に記載の製造物。
【請求項１９】
前記マシンアクセス可能な媒体は、
各２Ｄ投射においてターゲットを検出するためのクオリティ尺度を決定し、これは、
選択されたＤＲＲに第１の複数のシフト相関窓を発生し、
前記対応するＸ線映像における前記第１の複数のシフト相関窓を登録して、前記第１の複数のシフト相関窓にマッチする前記対応するＸ線映像における第２の複数のシフト相関窓を見出し、前記第１の複数のシフト相関窓及び第２の複数のシフト相関窓は、複数のシフト相関対を構成し、
前記複数のシフト相関対のうちのシフト相関対の各対間の変位を決定し、
ＶＯＩの各２Ｄ投射においてターゲット検出のためのクオリティ尺度を指定する、
ことを含むオペレーションを前記マシンが遂行するようにさせるデータを更に含む、請求項１８に記載の製造物。
【請求項２０】
前記マシンアクセス可能な媒体は、
最も高いクオリティ尺度をもつ第１投射におけるＤＲＲのＲＯＩを選択して、第２投射において限定されたサーチ窓を発生し、
前記第２投射における前記限定されたサーチ窓内をサーチして、前記第２投射におけるクオリティ尺度を最大にする、
ことを含むオペレーションを前記マシンが遂行するようにさせるデータを更に含む、請求項１９に記載の製造物。
【請求項２１】
前記マシンアクセス可能な媒体は、前記第１投射及び第２投射におけるＲＯＩの位置に対応する３Ｄ並進移動を計算して、３Ｄ基準処置フレームにおけるターゲットの位置を決定することを含むオペレーションを前記マシンが遂行するようにさせるデータを更に含む請求項２０に記載の製造物。
【請求項２２】
前記マシンアクセス可能な媒体は、前記ターゲットの位置と外部呼吸マーカーとの間の相関モデルで前記ターゲットを追跡して、前記ターゲットの動きと同期して処置を施すことを含むオペレーションを前記マシンが遂行するようにさせるデータを更に含む、請求項２１に記載の製造物。
【請求項２３】
前記サーチアルゴリズムは、多レベル勾配サーチアルゴリズムを含む、請求項１８に記載の製造物。
【請求項２４】
前記マシンアクセス可能な媒体は、処置座標系において患者を事前に位置合わせすることを含むオペレーションを前記マシンが遂行するようにさせるデータを更に含み、前記患者を事前に位置合わせすることは、患者のセグメント化された脊柱の２つの２Ｄ投射を、２つの対応する投射における患者の２ＤＸ線映像とマッチングさせることを含む、請求項１５に記載の製造物。
【請求項２５】
前記マシンアクセス可能な媒体は、処置座標系において患者を事前に位置合わせすることを含むオペレーションを前記マシンが遂行するようにさせるデータを更に含み、前記患者を事前に位置合わせすることは、患者のセグメント化された脊柱の３つ以上の２Ｄ投射を、３つ以上の対応する投射における患者の２ＤＸ線映像とマッチングさせることを含む、請求項１５に記載の製造物。
【請求項２６】
１つ以上のＤＲＲは、基準マーカーを含み、処置座標系において患者を事前に位置合わせすることは、１つ以上の２Ｄ投射における基準マーカーを、１つ以上の対応する投射における患者の２Ｄ処置中のＸ線映像とマッチングさせることを含む、請求項１６に記載の製造物。
【請求項２７】
１つ以上のＤＲＲは、３Ｄ映像データから導出され、この３Ｄ映像データは、処置プランニングのためのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）映像データ、磁気共鳴（ＭＲ）映像データ、ポジトロン放出断層撮影（ＰＥＴ）映像データ、及び３Ｄ回転血管造影（３ＤＲＡ）映像データのうちの１つ以上を含む、請求項１７に記載の製造物。
【請求項２８】
前記マシンアクセス可能な媒体は、
前記ターゲット及び処置線源の相対的な位置を処置プランに適合させ、
前記処理プランに基づいて前記ターゲットに処置を施す、
ことを含むオペレーションを前記マシンが遂行するようにさせるデータを更に含む、請求項２１に記載の製造物。
【請求項２９】
第１処理装置、像形成システム、及び放射線処置線源を含む処置提供システムを備え、前記第１処理装置は、３つまでの並進移動方向に動くターゲットを検出及び処理するために前記像形成システムを制御するように構成されたシステム。
【請求項３０】
第２処理装置及びディスプレイ装置を含む処置プランニングシステムを更に備え、前記第２処理装置は、
脊柱をセグメント化して当該ボリューム（ＶＯＩ）の３Ｄ映像データから除去して、ターゲットを見えるようにし、
複数のデジタルで再構成された放射線写真（ＤＲＲ）を、３Ｄ映像データの１つ以上の２Ｄ投射における３Ｄ映像データから発生し、各ＤＲＲは、ターゲットの２Ｄ輪郭と、該２Ｄ輪郭の周りの当該領域（ＲＯＩ）とを含み、更に、
複数のＤＲＲを前記ディスプレイ装置に表示する、というように構成された請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
ターゲットを検出するために、前記第１処理装置は、対応するＸ線映像のサーチ窓において前記複数のＤＲＲのうちのＤＲＲのＲＯＩをマッチングするように構成された、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
ＲＯＩをマッチングするために、前記第１処理装置は、類似性尺度を最大にするサーチアルゴリズムに基づき前記対応するＸ線映像のサーチ窓内でＲＯＩを移動するように構成された、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
前記第１処理装置は、各２Ｄ投射においてターゲットを検出するためのクオリティ尺度を決定するように更に構成され、前記第１処理装置は、
ＤＲＲにシフト相関窓の第１セットを発生し、
前記対応するＸ線映像における前記シフト相関窓の第１セットを登録して、それに対応する処置中のＸ線映像においてマッチングシフト相関窓のセットを見出し、
前記マッチングシフト相関窓の対間の変位を決定し、
ＶＯＩの各２Ｄ投射においてターゲット検出のためのクオリティ尺度を指定する、
というように構成された請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
前記第１処理装置は、最も高いクオリティ尺度をもつ第１投射におけるＤＲＲのＲＯＩを選択して、第２投射において限定されたサーチ窓を発生し、且つ前記第２投射における前記限定されたサーチ窓内をサーチして、前記第２投射におけるクオリティ尺度を最大にするように更に構成された、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記第１処理装置は、前記第１投射及び第２投射におけるＲＯＩの位置に対応する３Ｄ並進移動を計算して、３Ｄ基準処置フレームにおけるターゲットの位置を決定するように更に構成された、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
前記第１処理装置は、前記ターゲットの位置と外部呼吸マーカーとの間の相関モデルで前記ターゲットを追跡して、前記ターゲットの動きと同期して処置を施すように更に構成された、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記処置提供システムは、患者位置付けシステムを更に備え、前記第１処理装置は、患者のセグメント化された脊柱の２つの２Ｄ投射を、２つの対応する投射における患者の２ＤＸ線映像とマッチングさせることにより処置座標系において患者を事前に位置合わせするように更に構成された、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３８】
前記処置提供システムは、患者位置付けシステムを更に備え、前記第１処理装置は、患者のセグメント化された脊柱の３つ以上の２Ｄ投射を、３つ以上の対応する投射における患者の２ＤＸ線映像とマッチングさせることにより処置座標系において患者を事前に位置合わせするように更に構成された、請求項２９に記載のシステム。
【請求項３９】
前記処置提供システムは、患者位置付けシステムを更に備え、前記第１処理装置は、患者の基準マーカーを含む１つ以上の２Ｄ投射を、１つ以上の対応する投射における患者のＸ線映像とマッチングさせることにより処置座標系において患者を事前に位置合わせするように更に構成された、請求項２９に記載のシステム。
【請求項４０】
前記３Ｄ映像データは、処置プランニングのためのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）映像データ、磁気共鳴（ＭＲ）映像データ、ポジトロン放出断層撮影（ＰＥＴ）映像データ、及び３Ｄ回転血管造影（３ＤＲＡ）映像データのうちの１つ以上を含む、請求項３０に記載のシステム。
【請求項４１】
前記第１処理装置は、前記ターゲット及び処置線源の相対的な位置を処置プランに適合させ、そして前記処理プランに基づいて前記処置線源から前記ターゲットに処置を施す、請求項３５に記載のシステム。
【請求項４２】
前記第１処理装置及び第２処理装置は、同じ処理装置である、請求項３０に記載のシステム。
【請求項４３】
前記第１処理装置及び第２処理装置は異なる処理装置である、請求項３０に記載のシステム。
【請求項４４】
３つまでの並進移動方向に動くターゲットを、該ターゲットの直接的な登録を用いて検出する手段と、
処置線源を前記ターゲットの動きと同期させる手段と、を備えた装置。
【請求項４５】
前記ターゲットの動きを外部マーカーと相関させる手段と、
処置を放射線ターゲットの動きに適合させる手段と、を更に備えた請求項４４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、映像誘導型の放射線処置システムに係り、より詳細には、放射線処置中に移動する放射線ターゲットを追跡することに係る。
【背景技術】
【０００２】
腫瘍や病変部のような病理学的解剖学的部位は、手術のような侵襲的手順(invasive procedure)で処置できるが、患者にとって有害で且つ危険がいっぱいある。病理学的解剖学的部位（例えば、腫瘍、病変部、血管奇形部、神経不調部等）を処置する非侵襲的方法は、外部ビーム放射線療法である。あるタイプの外部ビーム放射線療法では、外部放射線源を使用し、腫瘍がＸ線ビームの回転の中心（アイソセンター(isocenter)）に来るように患者を位置付け、複数の角度から腫瘍の位置に一連のＸ線ビームを向ける。放射線源の角度が変化するにつれて、各ビームは、腫瘍の位置を通過するが、腫瘍への途中では健全な組織の異なる領域を通過する。その結果、腫瘍における累積放射線ドーズ（量）が高くなり、健全な組織への平均放射線ドーズが低くなる。
【０００３】
「放射線療法」という語は、壊死の目的ではなく治療の目的でターゲット領域に放射線を当てる手順を指す。放射線療法処置セッションに使用される放射線の量は、典型的に、放射線手術セッションに使用される量に比して、ほぼ１桁少ない。放射線療法は、典型的に、処置当たりのドーズが低く（例えば、１００−２００センチグレイ（ｃＧｙ）、処置時間が短く（例えば、処置当たり１０ないし３０分）、及び超細分化（例えば、処置日数３０ないし４５日）であることを特徴とする。便宜上、ここで使用する「放射線治療」という語は、特に指示のない限り、放射線手術及び／又は放射線療法を意味する。
【０００４】
映像誘導型放射線療法及び放射線手術システムは、ガントリー型のシステム及びロボット型のシステムを備えている。ガントリー型のシステムでは、単一の平面内において回転の中心（アイソセンター）の周りを移動するガントリーに放射線源が取り付けられる。放射線源は、ガントリーにしっかり取り付けられるか又はジンバルメカニズムによって取り付けられる。処置中に放射線ビームが施されるたびに、ビームの軸がアイソセンターを通過する。それ故、処置角度は、放射線源の回転角度と、患者ポジショニングシステムの自由度とによって制限される。カリフォルニアのアキュレイ社によって製造されたＣＹＢＥＲＫＮＩＦＥ（登録商標）定位放射線手術システムのようなロボットベースのシステムでは、放射線源が単一の回転平面に拘束されず、５つ以上の自由度を有している。
【０００５】
従来の映像誘導型放射線処置システムでは、処置中の患者の追跡は、患者の二次元（２Ｄ）処置中のＸ線映像を、診断及び処置プランニングに使用される三次元（３Ｄ）前処置像形成データから導出された２Ｄデジタル再構成放射線写真（ＤＲＲ）と比較することにより達成される。前処置像形成データは、例えば、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）データ、磁気共鳴像形成（ＭＲＩ）データ、陽電子放出断層撮影（ＰＥＴ）データ、又は３Ｄ回転血管造影（３ＤＲＡ）である。典型的に、処置中Ｘ線像形成システムは、立体的であり、２つ以上の異なる視点（例えば、直交）から患者の映像を発生する。
【０００６】
ＤＲＲは、３Ｄ像形成データに放射線を投じ（数学的な投射）、処置中のＸ線像形成システムの幾何学形状をシミュレートすることにより発生された合成Ｘ線映像である。それにより得られるＤＲＲは、処置中のＸ線像形成システムと同じスケール及び視点を有し、処置中のＸ線像形成システムと比較して患者の位置を決定することができる。ＤＲＲを発生するために、３Ｄ像形成データがボクセル（ボリュームエレメント）に分割され、各ボクセルには、３Ｄ像形成データから導出された減衰（ロス）が指定される。従って、ＤＲＲ内の各ピクセルの相対的強度は、３Ｄ映像を通して投射される各放射線に対するボクセルロスの総和である。ＤＲＲが発生される前の３Ｄ像形成データに対して３Ｄ変換（回転及び並進移動）を行うことにより異なる患者ポーズがシミュレーションされる。
【０００７】
ある映像誘導型システムでは、３Ｄ変換及びＤＲＲ発生が、処置中に、リアルタイムで繰り返し遂行される。カリフォルニア州サニーベールのアキュレイ社によって製造されたＣＹＢＥＲＫＮＩＦＥ（登録商標）定位放射線手術システムのような他のシステムでは、患者のポーズの予想範囲に対応する（各投射における）ＤＲＲのセットを、処置開始の前に、予め計算することができる。
【０００８】
処置中のＸ線映像とＤＲＲとを比較するたびに、類似性の尺度、又はそれと同等のことであるが、相違性の尺度（例えば、クロス相関、エントロピー、相互情報、勾配相関、パターン強度、勾配差、映像強度勾配）が発生され、これは、処置中のＸ線映像に対して高い類似性尺度をもつＤＲＲを発生する３Ｄ変換をサーチする（又は上述した予め計算されたＤＲＲを直接サーチする）のに使用できる。類似性の尺度が充分に最大化される（又はそれと同等のことであるが、相違性の尺度が最小化される）ときには、ＤＲＲに対応する３Ｄ変換を使用して、処置平面の３Ｄ座標系を、処置提供システムの３Ｄ座標系と位置合わせし、処置平面に対する放射線源及び患者の相対的な位置を一致させることができる。予め計算されたＤＲＲの場合には、最大の類似性尺度を使用して、２つの最も接近したＤＲＲ間の差の３Ｄ変換を計算することができる。
【０００９】
映像誘導型放射線処置システムは、種々様々な病理学的解剖学的部位（病的部位）の処置に対して有効で且つ非侵襲的な解決策を提供する。しかしながら、ある形式の病的部位は、特に困難な処置上の挑戦をもたらす。これらの形式の病的部位は、肺、肝臓及び膵臓のような比較的大きな器官における比較的小さな腫瘍を含み、この場合、腫瘍の密度は、その周囲の健全な組織の密度に非常に近く、且つ腫瘍は、標準的な像形成技術（例えば、Ｘ線造影）を使用して見ることが困難である。典型的に、これらの腫瘍は、直径が約１５ｍｍ以下であるが、それより大きな腫瘍は、腫瘍の形式及び特定の器官に基づき同じ又は同様の問題を生じさせることがある。この挑戦は、処置中に患者が呼吸をすることで腫瘍が動き、又、腫瘍をリアルタイム又はほぼリアルタイムで追跡しなければならないときには、特に困難である。
【００１０】
放射線処置中にターゲット領域の動きを取り扱う１つの従来の方法は、ターゲット領域内又はその付近に配置された基準マーカーの映像を追跡することを含む。基準マーカーの位置及び動きは、ターゲット領域の位置及び動きと相関され、ターゲット領域の動きをたどるための処置ビームの位置のリアルタイム相関を実現できるようにする。この解決策は、基準マーカーを配置するために侵襲性の手術手順を要求するという欠点がある。
【００１１】
従来の映像誘導型処置システムは、映像情報を最大にする試みにおいて比較的大きな視野でＤＲＲ及び処置中のＸ線映像を使用して病的部位を探索するように試みる。しかしながら、上述した小さく、区別化が不充分で、動きのある病的部位の場合にあっては、従来の解決策では、計算に経費がかかり且つ時間浪費で、処置システムの映像処理機能を低速化し、且つ正確な腫瘍追跡のために出力データレートを低くし過ぎることになり得る。
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明を一例として説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】本発明の実施形態が具現化される処置プランニング及び処置提供プロセスの概略を示すフローチャートである。
【図１Ｂ】一実施形態における放射線ターゲット検出を示すフローチャートである。
【図２】一実施形態における映像誘導型ロボット式放射線手術システムを示す。
【図３Ａ】一実施形態における像形成及び処置提供の座標系を示す。
【図３Ｂ】一実施形態におけるＸ線映像及びＤＲＲの２Ｄ−２Ｄ登録を示す。
【図３Ｃ】一実施形態におけるＸ線映像及びＤＲＲの２Ｄ−２Ｄ登録を示す。
【図３Ｄ】一実施形態におけるＸ線映像及びＤＲＲの２Ｄ−２Ｄ登録を示す。
【図３Ｅ】一実施形態におけるＸ線映像及びＤＲＲの２Ｄ−２Ｄ登録を示す。
【図４】一実施形態における全体的な患者の位置合わせを示すフローチャートである。
【図５Ａ】一実施形態における脊柱セグメント化及び除去を示す。
【図５Ｂ】一実施形態における脊柱セグメント化及び除去を示す。
【図６Ａ】一実施形態における腫瘍の視覚化及びセグメント化を示す。
【図６Ｂ】一実施形態における腫瘍の視覚化及びセグメント化を示す。
【図６Ｃ】一実施形態における腫瘍の視覚化及びセグメント化を示す。
【図６Ｄ】一実施形態におけるセグメント化ツールを示す。
【図７】一実施形態の処置プランニングシステムにおける肺腫瘍のセグメント化を示す。
【図８Ａ】一実施形態における放射線ターゲットを取り巻く当該領域を示す。
【図８Ｂ】一実施形態における放射線ターゲットを取り巻く当該領域を示す。
【図９】一実施形態における複数のＲＯＩの発生を示す。
【図１０Ａ】一実施形態における図８Ａの第１の投射で２Ｄ輪郭形成された肺腫瘍及び当該領域を示す。
【図１０Ｂ】図１０Ａの当該ボリュームの第１の投射における処置中Ｘ線映像のサーチ窓を示す。
【図１０Ｃ】一実施形態におけるサーチ窓内の当該領域の位置の関数としての類似性尺度の値を示す。
【図１０Ｄ】一実施形態における多レベルマッチングを示す。
【図１１Ａ】一実施形態における正しい腫瘍検出に対応するシフト相関窓を示す。
【図１１Ｂ】一実施形態における正しい腫瘍検出に対応するシフト相関窓を示す。
【図１２Ａ】一実施形態における正しいターゲット検出のためのクオリティ尺度を示すグラフである。
【図１２Ｂ】一実施形態における正しいターゲット検出のためのクオリティ尺度を示すグラフである。
【図１３Ａ】一実施形態における誤ったターゲット検出のためのクオリティ尺度を示すグラフである。
【図１３Ｂ】一実施形態における誤ったターゲット検出のためのクオリティ尺度を示すグラフである。
【図１４Ａ】一実施形態における誤ったターゲット検出に対応するシフト相関窓を示す。
【図１４Ｂ】一実施形態における誤ったターゲット検出に対応するシフト相関窓を示す。
【図１５Ａ】一実施形態におけるサーチ窓の縮小を示す。
【図１５Ｂ】一実施形態におけるサーチ窓の縮小を示す。
【図１６】一実施形態におけるターゲット検出方法を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の実施形態が具現化され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】
【００１４】
以下の説明において、本発明の実施形態を完全に理解するために、特定のコンポーネント、装置、方法、等の多数の特定の細部について述べる。しかしながら、当業者であれば、本発明の実施形態を具現化するのに、これらの特定の細部を使用する必要がないことが明らかであろう。他の例において、本発明の実施形態を不必要に不明瞭にしないために、良く知られた材料又は方法は、詳細に説明しない。ここで使用する「Ｘ線映像」という語は、目に見えるＸ線映像（例えば、ビデオスクリーンに表示された）、或いはＸ線映像のデジタル表示（例えば、Ｘ線検出器のピクセル出力に対応するファイル）を意味する。ここで使用する「処置中のＸ線映像」という語は、放射線源がオン又はオフであるときも含めて、放射線手術又は放射線療法手順の処置提供段階中の任意の時点で捕獲された映像を指す。時々、説明の便宜上、ＣＴ映像データを、ここでは、３Ｄ映像様式の一例として使用する。ＣＴデータ、ＭＲＩデータ、ＰＥＴデータ、３ＤＲＡデータ、等の、任意の形式の３Ｄ映像様式からのデータも、本発明の種々の実施形態に使用できることが明らかであろう。
【００１５】
以下の説明から明らかなように、特に指示のない限り、「セグメント化」、「発生」、「登録」、「決定」、「位置合わせ」、「位置付け（ポジショニング）」、「処理」、「計算」、「選択」、「推定」、「追跡」、等の語は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理的（例えば、電子的）量として表わされたデータを、コンピュータシステムのメモリ又はレジスタ或いは他のそのような情報記憶、送信又は表示装置内の物理的量として同様に表わされた他のデータへと操作及び変換するコンピュータシステム又は同様の電子的コンピューティング装置のアクション及びプロセスを指すことが明らかであろう。ここに説明する方法の実施形態は、コンピュータソフトウェアを使用して実施することができる。認められた規格に適合するプログラミング言語で書かれた場合には、方法を実施するように設計されたインストラクションのシーケンスは、種々のハードウェアプラットホームにおいて実行し且つ種々のオペレーティングシステムへインターフェイスするようにコンパイルすることができる。更に、本発明の実施形態は、特定のプログラム言語を参照して説明しない。種々のプログラミング言語を使用して、本発明の実施形態を具現化できることが明らかであろう。
【００１６】
３つまでの並進移動方向に動きをもつ移動する放射線ターゲットを、その放射線ターゲットの直接的な登録を使用して処置放射線源を放射線ターゲットの動きと同期させることにより、検出し及び追跡するための方法、装置、及びシステムについて説明する。本発明の実施形態は、二次元（２Ｄ）輪郭付けとして知られた前処置映像向上技術を使用して、放射線ターゲット（例えば、肺腫瘍）の輪郭の周りの限定された当該領域を画成する。これらの当該領域は、放射線ターゲットを探索するために、処置中のＸ線映像における限定サイズのサーチ窓に一致する限定サイズのＤＲＲの領域で表わされる。ＤＲＲの当該領域及び処置中のＸ線映像のサーチ窓の限定サイズは、映像登録の計算タスクを減少し、ターゲット検出の速度を高めることができる。又、減少された計算時間は、検出クオリティ尺度を計算するための処理時間を空けることもでき、これは、低コントラストターゲットを検出するためのクオリティ保証ステップを与える。本発明の実施形態は、説明を容易にするために、肺腫瘍のような特定形式の病理学的解剖学的部位に関して説明する。別の実施形態では、ここに述べる技術は、他の器官（例えば、肝臓、膵臓、等）における他のタイプの病理学的解剖学的部位を検出し、追跡するのにも使用できる。
【００１７】
図１Ａは、以下に詳細に述べる一実施形態における処置プランニング及び処置提供プロセスの概略を示すフローチャートである。図１Ａにおいて、処置プランニング１００は、ＣＴスキャナ、ＭＲＩスキャナ、等の３Ｄ像形成システムから３Ｄ映像データを取得すること（オペレーション１１０）で開始する。３Ｄ映像データのセグメント化（オペレーション１２０）が遂行されて、放射線ターゲット、処置中に回避すべき重要な構造部、及び／又は脊柱や頭蓋のような骨構造部の境界を画成及び識別し、これらは、処置中に患者を位置合わせさせるのに使用することができる。
【００１８】
次のオペレーション（オペレーション１３０）は、処置提供中に使用されるＤＲＲの投射に対応する３Ｄ映像データの２Ｄ投射において、放射線ターゲットの輪郭を発生することである。二次元輪郭付け方法は、この技術で知られており、一般的に、ソーベル(Sobel)オペレータ及びフライ・チェン(Frei-Chen)オペレータのような異なる形式の空間的オペレータを伴うグレーレベルエッジ検出を使用する。次いで、処置プランニング（オペレーション１４０）が医療物理学者又は他の臨床医によって遂行され、健全な組織及び重要な構造部への放射線ドーズ（量）を指定レベルより低く維持しながら、指定レベルの均質性及び適合性で放射線ターゲットに対する指定放射線ドーズを得る。プランにおいて処置目標が達成されると、処置中の患者の予想位置に対応するＤＲＲのセットが発生され、そして処置プラン及びＤＲＲが格納される（オペレーション１５０）。他の実施形態では、ＤＲＲは、放射線処置中にリアルタイムで発生される。一実施形態では、脊柱及び／又は他の骨構造部が放射線ターゲットの妨げとなるか又はそれを不明瞭にする場合には、放射線ターゲットの可視性／コントラストを高めるためにそのような構造部を除去した３Ｄ映像データからＤＲＲのセットを発生することができる。これら構造部の除去は、良く知られるように、３Ｄ映像データにおいてボクセルマスクを操作することにより遂行できる。一実施形態では、脊柱及び任意であるがその周囲の組織のみを保持し且つ動きの影響（例えば、呼吸の影響）を除去した３Ｄ映像データからＤＥＥのセットを発生することができ、これは、以下に述べるように、患者の位置合わせを向上させるのに使用できる。
【００１９】
処置提供プロセス２００は、処置システムにおける全体的な患者位置合わせ（事前位置合わせ）で開始し（オペレーション２１０）、それに続いて、ターゲット検出（オペレーション２２０）、ターゲットの動きと外部マーカーとの相関（オペレーション２４０）、及び処置プランに従い放射線処置が施される。これらのステップは、図１Ｂにおいて拡張され、以下に説明する。
【００２０】
全体的な患者位置合わせ（オペレーション２１０）は、３つの並進移動及び３つの回転を含む６つの次元において、大きな当該ボリュームのＤＲＲ及びＸ線映像を使用して遂行され、これは、識別可能な目印、例えば、基準マーカー及び／又は骨構造部（例えば、脊柱、頭蓋）、及び／又は全体的な位置合わせに使用できるパターン強度変化を含むことができる。或いは又、位置合わせは、セグメント化された脊柱又は他のデータを含む上述したような向上型ＤＲＲを使用して遂行されてもよい。異なる実施形態では、全体的な位置付けは、処置中像形成システムの幾何学形状に基づいて、１つの投射、２つの投射、又は３つ以上の投射においてＤＲＲ及びＸ線映像をマッチングさせることで遂行されてもよい。
【００２１】
初期の全体的位置付けが達成されると、放射線ターゲットの検出（オペレーション２２０）を遂行することができる。一実施形態では、図１Ｂに示すように、ターゲットの検出は、次のステップを含み、これについて以下に詳細に説明する。
【００２２】
１．複数の投射において放射線ターゲットの２Ｄ輪郭の周りに複数の当該領域（ＲＯＩ）を画成する（オペレーション２２１）。
２．放射線ターゲットを含む当該ボリュームのライブ（例えば、処置中Ｘ線）映像を捕獲する（オペレーション２２２）。
３．投射を選択する（オペレーション２２３）。
４．選択された投射においてＲＯＩを選択する（オペレーション２２４）。
５．ターゲットの登録を行って、放射線ターゲットを探索する（オペレーション２２５）。
６．選択されたＲＯＩからオフセットした多数のシフト相関窓を画成する（オペレーション２２６）。
７．各シフト相関窓に対してターゲット登録を繰り返し、相関させる（オペレーション２２７）。
８．シフト相関結果からクオリティ尺度を計算する（オペレーション２２８）。
９．選択された投射における全てのＲＯＩがテストされるまでオペレーション２２４−２２８を繰り返す（オペレーション２２９）。
１０．全ての投射における全てのＲＯＩがテストされるまでオペレーション２２３−２２９を繰り返す（オペレーション２３０）。
１１．最良のクオリティ尺度をもつＲＯＩを選択する（オペレーション２３１）。
１２．クオリティ尺度が処置を提供するに足るほど良好であるかどうか決定し（オペレーション２３２）、そしてクオリティ尺度が充分良好である場合には、
１３．処置を施すために選択されたＲＯＩのターゲット位置を出力する（オペレーション２３３）。しかし、クオリティ尺度が充分良好でない場合には、ターゲット追跡が失敗したことを決定する（オペレーション２３４）。
【００２３】
ターゲット検出が首尾良く行われた場合には、処置提供プロセスは、オペレーション２４０において、ターゲットの位置を患者の外部マーカー（これは、独立した光学的追跡システム（例えば、レーザー追跡システム）により視覚的に追跡される）と相関させ、そしてライブ映像の別のセットのキャプチャーを開始することにより、続けられる。オペレーション２２０及び２４０を繰り返して、外部マーカーの移動と放射線ターゲットの検出位置との間に相関モデルが発生されるまで放射線ターゲットを追跡してもよい。又、オペレーション２２０及び２４０を繰り返して、相関モデルを更新することもできる。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態を具現化するのに使用できるカリフォルニア州サニーベールのアキュレイ社によって製造されたＣＹＢＥＲＫＮＩＦＥ（登録商標）定位放射線手術システムのような映像誘導ロボット型の放射線処置システム２００の構成を示す。図２において、処置放射線源は、ロボットアーム２０２の端に装着されたリニアアクセラレータ（ＬＩＮＡＣ）２０１であり、ロボットアーム２０２は、患者の周りの操作ボリュームにおいて多数の平面内で多数の角度から施されるビームで病理学的解剖学的部位（ターゲット領域又はボリューム）を照射するようにＬＩＮＡＣ２０１を位置付けるために、複数（例えば、５以上）の自由度を有している。処置は、単一のアイソセンター、複数のアイソセンター、又は非アイソセンターアプローチをもつビーム経路を含む。
【００２５】
図２の処置提供システムは、Ｘ線源２０３Ａ及び２０３Ｂと、Ｘ線検出器（像形成装置）２０４Ａ及び２０４Ｂとを含む処置中像形成システムを備えている。２つのＸ線源２０３Ａ及び２０３Ｂは、手術室の天井の固定位置に装着され、２つの異なる角度位置（例えば、９０度分離された）からの像形成Ｘ線をマシンアイソセンター２０５（処置中に処置寝床２０６に患者を位置付けるための基準点をなす）で交差するように投射すると共に、患者を通過した後に各検出器２０４Ａ及び２０４Ｂの像形成平面を照射するように位置合わせされる。他の実施形態では、システム２００は、２つより多くの又は２つより少ないＸ線源及び２つより多くの又は２つより少ない検出器を含んでもよく、又、いずれの検出器も、床レベルより下に固定及び／又は装着されるのではなく、可動であってもよい。更に別の実施形態では、Ｘ線源及び検出器の位置を交換してもよい。
【００２６】
処置プランニング
上述したように、３Ｄ映像データを取得した後の、処置プランニング１００の第１ステップは、セグメント化（オペレーション１２０）である。医療映像のセグメント化は、３Ｄ医療映像（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴ又は３ＤＲＡ映像）を、１つ以上の特性又は特徴（例えば、組織の形式、密度）に対して均質な領域へ仕切るプロセスである。放射線処置システム（フレームベース型及び映像誘導型の両方を含む）では、セグメント化は、ターゲットとする病理学的解剖学的部位（例えば、腫瘍又は病変部）及び重要な解剖学的構造部（例えば、脊髄）の境界及びボリュームを画成して処置プランへとマップする処置プランニングのステップである。セグメント化の精度は、健全な組織を不必要な放射線から回避させながら病理学的解剖学的部位を処置する間に放射線ドーズに高度の適合性及び均質性を得るために重要である。
【００２７】
上述したように、セグメント化は、映像登録の改善のために望ましからぬ特徴又は欠陥を除去するように３Ｄ映像データを操作するのに使用できる。図５Ａ及び５Ｂは、その一実施例を示す。図５Ａは、非変更の３Ｄ映像ファイルから発生された１つの投射におけるＤＲＲを示す。対照的に、図５Ｂは、脊柱をセグメント化しそして非脊柱特徴を排除した後の同じ３Ｄ映像ファイルから発生されたＤＲＲを示す。ある実施形態では、この形式のＤＲＲは、（例えば、基準マーカーが使用されなかったときに）処置システム内の患者の初期の全体的位置合わせを向上させるのに使用できる。
【００２８】
図６Ａ及び６Ｂは、セグメント化の異なる使用を示す。図６Ａは、非変更の３ＤスキャンデータからのＤＲＲを示し、脊柱６０７の特徴が肺腫瘍６０８の境界に重畳して、腫瘍輪郭の画成を困難にしている。図６Ｂでは、脊柱がセグメント化されて、３Ｄスキャンデータから削除され、腫瘍が良く見えるようになったＤＲＲを発生する。図６Ｃは、以下に述べるように、２Ｄ輪郭発生に対して腫瘍をどのようにセグメント化できるかを示す。
【００２９】
上述したプロセスは、カリフォルニア州サニーベールのアキュレイ社から入手できるＭｕｌｔｉＰｌａｎTM処置プランニングシステムに設けられたツールのようなセグメント化ツールによって自動化することができる。このセグメント化ツールは、患者の医療映像（例えば、ＣＴ、又は他の映像ボリューム、例えば、ＭＲＩ、ＰＥＴ等）を操作するのに使用できる。或いは又、他のツールを使用してもよい。
【００３０】
図６Ｄは、セグメント化ツールにより、ユーザが、医療映像の３つの切断面、即ち軸面６０１、頭蓋面６０２及び冠状面６０３から同時に当該ボリュームにおいて脊柱をどのように描写できるか示すスクリーンショット６００である。
【００３１】
軸面６０１では、二次元輪郭が表示される。この輪郭は、ユーザにより画成されるときには実線輪郭であり、又はコンピュータにより隣接輪郭から補間された破線輪郭である。ユーザは、サイズ変更、スケーリング又は移動により輪郭を変更することができる。
【００３２】
頭蓋面６０２及び冠状面６０３には、当該脊柱ボリュームの投射シルエット輪郭６０５が表示される。全てのユーザ画成輪郭（例えば、輪郭６０４）の中心は、脊柱６０６の中心軸として接続される。ユーザは、輪郭の中心を移動又はドラグ(drug)することにより輪郭を移動、追加又は除去することができる。輪郭の中心が頭蓋面又は冠状面上を移動されるときには、軸方向映像スライス上に画成される実際の輪郭もそれに応じて移動される。ユーザが、隣接軸方向輪郭の２つの中心点間の任意の点を選択するときには、その位置に新たな輪郭が追加され、輪郭は、２つの隣接する軸方向輪郭の補間に自動的にセットされる。ユーザが、２つの隣接する輪郭の領域の外側又は映像境界の外側の輪郭の中心点をドラグしそしてドロップすると、当該ボリュームから輪郭が除去される。脊柱が幾何学的フォーマットで描写されて記憶されると、脊柱に関連したボクセルのみを含む三次元映像ボリュームとしてボリュームフォーマットへ変換される。
【００３３】
ある実施形態における処置プランニングの次のステップは、ターゲットセグメント化に基づいて放射線ターゲットの２Ｄ輪郭を発生することである（オペレーション１３０）。図７は、前記軸面、頭蓋面及び冠状面において肺腫瘍７０１を示すＣＴ映像のスクリーンショット７００である（肺腫瘍の場合のように、腫瘍のＸ線密度がその周囲組織のそれに非常に近いときには、ＭＲＩ又は別の非Ｘ線映像様式をＣＴデータに関連して使用して、腫瘍を見ることができる）。前記脊柱セグメント化について述べた同じ輪郭付けツールを使用して、３Ｄ映像における腫瘍をセグメント化すると共に、自動２Ｄ輪郭発生プロセスへデータ入力を与えることができ、このプロセスは、処置提供中に２Ｄ腫瘍輪郭を生成してＤＲＲにオーバーレイするように使用することができる。２Ｄ輪郭を自動的に発生する（例えば、自動エッジ検出）方法は、この技術分野で知られており、例えば、Delp & Chu, Edge Detection Using Contour Tracing, 47 (Center for Robotics and Integrated Manufacturing)(1983)に説明されている。
【００３４】
処置プランニングプロセスは、実際の処置プランの開発、即ちＤＲＲを発生し、そして処置提供においてその後に使用するためのプラン、ＤＲＲ及び２Ｄターゲット輪郭を（例えば、デジタルで）セーブすることで終了となる（オペレーション１４０及び１５０）。オペレーション１４０及び１５０の詳細は、この技術分野で知られており、従って、ここでは、詳細に説明しない。
【００３５】
処置提供
全体的位置合わせ
上述したように、処置提供の第１ステップは、処置提供システム内での全体的な患者の位置合わせである（オペレーション２１０）。全体的位置合わせ（事前位置合わせ）及びそれに続くターゲット検出の説明を理解する助けとして、図３Ａは、処置提供システム（例えば、処置提供システム２００）の３Ｄ座標系、処置中像形成システム（例えば、処置提供システム２００の処置中像形成システム）の２Ｄ座標系、及び３Ｄ映像（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴ等）の３Ｄ座標系の関係を示す。図３Ａにおいて、座標系ｘｙｚ（ｘは、図３Ａの紙面に直角で、それを指している）は、前処理映像の３Ｄ座標に関連付けられ、座標系ｘ’ｙ’ｚ’（ｘ’は、図３Ａの紙面に直角で、それを指している）は、処置提供システムに関連付けられ、そして投射Ａ及びＢは、処置中像形成システムに関連付けられ、ここで、ＳA及びＳBは、Ｘ線源（例えば、Ｘ線源１０３Ａ及び１０３Ｂ）を表し、ＯA及びＯBは、Ｘ線検出器（例えば、Ｘ線検出器１０４Ａ及び１０４Ｂ）の像形成平面の中心である。図２において、投射Ａ及びＢは、各々、方向ＯAＳA及びＯBＳBから見たものである。全体的患者位置付けと、ここに述べる放射線ターゲット追跡の実施形態の両方に対して、これら２つの２Ｄ映像投射をＤＲＲに対して比較して、映像登録及び位置合わせを達成する。
【００３６】
３Ｄ変換は、３つの並進移動（Δｘ、Δｙ、Δｚ）及び３つの回転（Δθx、Δθy、Δθz）に関して、座標系ｘｙｚから図３Ａの座標系ｘ’ｙ’ｚ’へと定義することができる。２つの３Ｄ座標系間の３Ｄ剛体変換は、基本的三角法から次のように導出することができる。
【数１】
2010508895.tif 000003
【００３７】
投射Ａに対する２Ｄ座標系（ｘAｙA）においては、３Ｄ剛体変換は、平面内(in-plane)変換（ΔｘA、ΔｙA、ΔθA）及び２つの平面外(out-of-plane)回転（ΔθxA、Δθy'）へと分解することができる。同様に、投射Ｂに対する２Ｄ座標系（ｘBｙB）においては、分解は、平面内変換（ΔｘB、ΔｙB、ΔθB）及び２つの平面外回転（ΔθxB、Δθz'）より成る。図３Ｂないし３Ｅは、ここに述べる平面内変換及び平面外回転を示し、ここで、２Ｄ  Ｘ線映像は、平面３０１により表わされ、そして２Ｄ  ＤＲＲは、平面３０２により表わされる。式（１）の３Ｄ剛体変換は、２つの投射を使用すると、６パラメータの３Ｄ剛体変換に対する解が過剰制約を受けることに注意することで、簡単化することができる。投射Ａにおける並進移動ｘAは、投射ＢにおけるｘBと同じパラメータであり、そして投射Ａにおける平面外回転θxAは、投射ＢにおけるθxBと同じである。αA及びαBが、各々、投射Ａ及びＢに対する幾何学的増幅係数（例えば、線源から患者及び患者から検出器の距離に関連した倍率）である場合には、座標系（ｘ’ｙ’ｚ’）と２Ｄ座標系との間の並進移動は、次の関係を有する。
【数２】
2010508895.tif 000004
【００３８】
投射Ａについて、２つの平面外回転（ΔθxA、Δθy'）の異なる組合せに対応するＤＲＲ映像のセットが与えられると、２Ｄ平面内変換（ΔｘA、ΔｙA、ΔθA）は、２Ｄと２Ｄの映像比較により推定することができ、又、２つの平面外回転（ΔθxA、Δθy'）は、類似性尺度を使用して、Ｘ線映像を、以下に述べるようにＤＲＲ映像のセットとマッチングさせることにより計算することができる。同様に、同じプロセスを使用して、投射Ｂについて、２Ｄ平面内変換（ΔｘB、ΔｙB、ΔθB）及び平面外回転（ΔθxB、Δθz'）を解くことができる。以下に述べるように、平面内変換及び平面外回転は、投射Ａ及び投射Ｂの両方について独立して、Ｘ線映像とＤＲＲ映像のセットとの間の登録により得ることができる。マッチングする平面外回転を伴うＤＲＲ映像が識別されるときは、平面内回転及び平面外回転は、次の関係を有する。
【数３】
2010508895.tif 000005
【００３９】
平面外回転θy'が投射Ａに対する基準ＤＲＲ映像のセットにおいて無視される場合に、平面内変換は、Δθy'が小さい（例えば、５°未満）ときは、Δ（ｘA、ΔｙA、ΔθA）によりおおよそ表すことができる。この簡単化の仮定がなされ、そして種々の平面外回転ΔθxAに対応する基準ＤＲＲ映像のセットが与えられると、平面内変換（ΔｘA、ΔｙA、ΔθA）及び平面外回転ΔθxAは、この技術分野で知られた１つ以上のサーチ方法により見出すことができる。これらの方法は、一般に、類似性尺度の計算を使用し、その後、勾配サーチアルゴリズムを適用して、処置中のＸ線映像と、選択されたＤＲＲとの間の類似性を最大にする。類似性尺度は、例えば、正規化された断面、差の映像のエントロピー、相互情報、勾配相関、パターン強度、及び勾配差を含む（がこれに限定されない）。それに対応する簡単化を投射Ｂに対して行うことができる。
【００４０】
投射Ａにおける結果（ΔｘA、ΔｙA、ΔθA、ΔθxA）及び投射Ｂにおける（ΔｘB、ΔｙB、ΔθB、ΔθxB）が与えられると、次の式を使用して、３Ｄ映像座標系における３Ｄ剛体変換の近似を得ることができる。
【数４】
2010508895.tif 000006
【００４１】
従って、処置提供システム内の患者の３Ｄ座標系を３Ｄ処置プランの座標系と位置合わせするのに必要な３Ｄ変換は、４つのパラメータの２セット（ΔｘA、ΔｙA、ΔθA、ΔθxA）及び（ΔｘB、ΔｙB、ΔθB、ΔθxB）によって完全に定義することができる。
【００４２】
全体的位置合わせのプロセス（オペレーション２１０）が図４に概略的に示されている。このプロセスは、処置中のＸ線映像の取得（オペレーション４０１）で開始する。オペレーション４０２では、Ｘ線映像が、上述したように、３Ｄスキャンデータから生成され且つ処置プランニングシステムからインポートされたＤＲＲセットと比較され、登録される。登録の結果は、２セットの２Ｄ変換パラメータであり、これらパラメータは、オペレーション４０４において患者を位置合わせ状態にもっていくために必要な３Ｄ変換をオペレーション４０３において計算するのに使用される。
【００４３】
全体的位置合わせプロセスの１つの結果は、その後のターゲット検出のオペレーション（オペレーション２２０）中に、サーチが各投射において２つの平面内並進移動（ｘ、ｙ）に制限されることである。というのは、６Ｄの全体的位置合わせプロセスが平面内及び平面外回転エラーを排除するからである。上述した幾何学的変換は、像形成投射のどの対についても変換を計算することにより２つより多い（例えば、３つ以上の）像形成投射を有する像形成システムに適用できることが明らかである。
【００４４】
ターゲット検出
再び図１Ｂを参照すれば、ターゲット検出（オペレーション２２０）は、オペレーション２２１で開始し、これは、処置中像形成システムに対応する複数の投射において、処置プランニング中に生成される放射線ターゲットの２Ｄ輪郭の周りに、複数の当該領域（ＲＯＩ）を画成するというものである。このプロセスは、肺腫瘍のケースを例示するために図８Ａ、８Ｂ及び９に示されている。図８Ａ及び８Ｂは、上述した全体的な患者位置合わせの後に直接的なターゲット登録のために選択された２つの投射（例えば、投射Ａ及びＢ）においてＤＲＲ８００Ａ及び８００Ｂを各々示している。図示された実施例では、ＤＲＲは、腫瘍のコントラストを高めるために脊柱を除去した状態で３Ｄ映像データから合成されている。図８Ａにおいて、２Ｄ腫瘍輪郭８０１ＡがＤＲＲ８００Ａ上にオーバーレイされ、そして投射Ａにおける初期ＲＯＩ８０２Ａが腫瘍輪郭８０１Ａの周りに発生されている。同様に、図８Ｂでは、２Ｄ腫瘍輪郭がＤＲＲ８００Ｂ上にオーバーレイされ、そして投射Ｂにおける初期ＲＯＩ８０２Ｂが腫瘍輪郭８０１Ｂの周りに発生されている。これらの初期ＲＯＩは、各ＤＲＲの水平及び垂直次元における腫瘍輪郭の寸法に厳密に適合するように選択されて、ＲＯＩが、腫瘍輪郭と、腫瘍輪郭の外側の若干の組織とを含むようにすることができる。
【００４５】
初期ＲＯＩが画成された後に、良好に腫瘍を検出する機会を与えるために、初期ＲＯＩより広いエリア及び初期ＲＯＩより狭いエリアを含む付加的なＲＯＩが画成される。例えば、腫瘍の境界が不完全に画成され、及び／又は通常の３Ｄ像形成技術のいずれかを使用して像形成することが困難な場合には、処置プランニング段階で発生される腫瘍の２Ｄ輪郭は、それに含まれるものが、全腫瘍より広くても狭くてもよい。その結果、異なるサイズのＲＯＩが、より良好な腫瘍検出及び／又は処置を発生し得る。これらの異なるサイズのＲＯＩが図９に示されており、輪郭ベースのＲＯＩ８０２に加えて、それより大きなＲＯＩ８０３及びそれより小さなＲＯＩ８０４が画成されている。他の実施形態では、臨床医の裁量で３つより多い又は少ないＲＯＩを使用してもよい。一実施形態では、ＲＯＩ間のステップサイズは、腫瘍のサイズに基づいて約１ｍｍから約５ｍｍまで変化し得る。しかしながら、臨床医の裁量でいかなるステップサイズが選択されてもよい。
【００４６】
ターゲット検出の次のステップ、即ちオペレーション２２２では、処置中像形成システムの複数の投射において患者のライブ映像がキャプチャーされる。オペレーション２２３では、投射の１つが選択される。オペレーション２２４では、ＲＯＩの１つがターゲット検出のために選択される。オペレーション２２５では、選択されたＲＯＩ（ターゲットのＤＲＲ映像を含む）を、それに対応する処置中のＸ線映像（上述した全体的な事前位置合わせの患者を表す）上にオーバーレイし、そして処置中のＸ線映像のサーチ窓内でサーチを遂行することによりターゲット位置を検出するためにターゲット登録が遂行される。一実施形態では、サーチアルゴリズムは、全体的な位置合わせに使用されるもの（例えば、類似性の尺度の計算及び類似性を最大にするための勾配サーチ）と同じでよいが、サーチ窓のエリアに制約がある。他の実施形態では、サーチは、最大の類似性尺度のためのサーチ窓内の決定論的なサーチ（例えば、ラスタサーチ）でよい。更に、サーチは、以下に述べるように、多レベルマッチングを使用して、登録プロセスをスピードアップしてもよい。図１０Ａないし１０Ｃは、このプロセスを示す。
【００４７】
図１０Ａは、２Ｄ輪郭８０１Ａ及び当該領域８０２Ａを示す図８Ａのセグメント化されたＤＲＲ８００Ａの複写である。図１０Ｂは、サーチ窓８０３Ａを有する投射Ａにおける対応する処置中のＸ線映像８１０を示す。一実施形態では、サーチ窓８０３Ａの面積は、当該領域８０２Ａの面積の２ないし４倍の範囲となるように選択される。他の実施形態では、サーチ窓の面積は、それより大きくても小さくてもよく、経験及び／又は臨床データに基づいて臨床医により決定される。
【００４８】
ターゲット検出は、処置中のＸ線映像８１０Ａのサーチ窓８０３Ａに当該領域８０２Ａをオーバーレイし、サーチ窓８０３Ａ内で当該領域８０２Ａを移動し（図１０Ｂにおいてサーチ窓８０３Ａ内の当該領域８０２Ａの多数の例示的位置で示したように）、そして当該領域８０２Ａと、その当該領域８０２Ａが重畳するサーチ窓８０３Ａの部分との間の類似性尺度を最大にする位置をサーチすることによって遂行できる。図１０Ｃに示すように、サーチ窓内での当該領域の移動は、当該領域８０２Ａが処置中のＸ線映像の腫瘍と適切に位置合わせされたときに最大値８０５Ａを有する類似性尺度面８０４Ａを表す。サーチが類似性面８０４Ａの局部最大値にくっついてサーチ窓の全体的最大値を見出さない確率を減少するために、多レベルサーチを使用することができる。図１０Ｄに示すように、例示的多レベルサーチは、低解像度サーチレベル８０９で始まり、より高い解像度レベル８０８、８０７及び８０６へと進む。最低の解像度レベル８０９では、選択されたＲＯＩ及びサーチ窓の大きさがサブサンプリングによりある倍率で減少される。最低解像度において類似性尺度が最大になると、その結果が、次に高い解像度レベルへ渡され、そこで、類似性尺度が再び最大になり、等々となって、やがて、類似性尺度が最大解像度レベルにおいて最大にされる。図１０Ｄは、４つの解像度レベルを有し、各次々のレベルで解像度が２倍になる一実施形態を示す。他の実施形態は、４つより多い又は少ないレベルを使用し、各レベルに異なる解像度係数を使用する。
【００４９】
類似性尺度が最大になると、クオリティ尺度を決定することができる。オペレーション２２６では、オペレーション２２５における先行するサーチアルゴリズムにより決定されたターゲットの公称位置の周りにシフト相関窓の第１セットが画成される。各シフト相関窓は、交渉ターゲット位置から異なる量でオフセットされ、各シフト相関窓は、ターゲット及びその周囲の組織の異なる部分を含むことになる。オペレーション２２７では、各シフト相関窓は、処置中のＸ線映像において登録され（オペレーション２２５と同様に）、それに対応する処置中のＸ線映像においてシフト相関窓の第２のマッチングセットを見出す。図１１Ａは、ＤＲＲ８００Ａ内に画成されたシフト相関窓８１５Ａの第１グループを示す。シフト相関窓８１５Ａの同じグループが、図１１Ｂにおいて処置中のＸ線映像８１０Ａにオーバーレイされる。
【００５０】
オペレーション２２５における初期ターゲット検出が正しかった場合には、処置中のＸ線映像におけるマッチングシフト相関窓のセットが、ほとんど又は全く動かないシフト相関窓の第１セットの位置に一致（マッチ）する。即ち、各マッチングシフト相関窓の最終的位置は、最良のマッチングが得られたときに、シフト相関窓の第１セットの初期位置に接近することになる。逆に、初期ターゲット検出が誤っていた場合には、マッチングシフト相関窓の最終位置は、最良のマッチングが得られたときに、シフト相関窓の第１セットの初期位置とはかなり異なるものになり得る。
【００５１】
初期位置と最終位置との間の差は、シフト相関窓の第１セットと、シフト相関窓のマッチングセットとの間の処置中のＸ線映像のｘ及びｙ座標の変位として特徴付けることができる。オペレーション２２８では、クオリティ尺度は、例えば、２５個の異なるシフト相関窓の例について、図１２Ａ及び１２Ｂに示すように、ｘ及びｙ方向における平均変位として計算することができる。図１２Ａ及び１２Ｂでは、シフト相関窓の変位は、平均値がほぼゼロに等しい範囲内に入る。実際には、使用すべきシフト相関窓の数及び各窓の変位の選択は、臨床医の経験及び／又は臨床データに基づく。他の実施形態では、異なるクオリティ尺度が使用されてもよい（例えば、絶対又は二乗距離の和）。
【００５２】
偽の又は不適切な腫瘍検出が図１３Ａ及び１３Ｂのグラフにより示されており、ここでは、シフト相関窓のｘ及びｙ変位は、著しく可変で且つ不規則である。この結果は、図１４Ａ及び１４Ｂに示されており、ここでは、シフト相関窓８１６Ａ、８１７Ａ及び８１８Ａの最終位置は、ＤＲＲ８００Ａ及び処置中のＸ線映像８１０Ａにおける最終位置とは著しく異なる。
【００５３】
選択された投射における選択されたＲＯＩのクオリティ尺度が決定された後に、プロセスは、オペレーション２２９において、選択された投射における全てのＲＯＩがテストされたかどうか尋ね、もしそうでなければ、オペレーション２２４−２２８が繰り返される。選択された投射における全てのＲＯＩがテストされた場合には、プロセスは、オペレーション２３０において、全ての投射がテストされたかどうか尋ねる。もしそうでなければ、全ての投射がテストされるまでオペレーション２２３ないし２２９が繰り返される。
【００５４】
一般に、処置中のＸ線映像のクオリティは、当該ボリュームの各投射において同じでないことがある。というのは、Ｘ線は、異なる解剖学的構造をもつ異なる経路を経て進行するからである。その結果、上述したクオリティ尺度により決定される、各投射における腫瘍検出のクオリティは、１つの投射においてより高いものとなる。従って、オペレーション２２７及び２２８は、付加的なステップを含んでもよい。一実施形態では、１つの投射における高クオリティのターゲット検出を使用して、他の投射におけるサーチ窓に制約を課すことによって別の投射におけるターゲット検出を改善することができる。図１５Ａは、当該ボリュームの第１投射における処置中のＸ線映像８５０Ａを示し、ここでは、腫瘍８５１Ａが、上述したシフト相関クオリティ尺度により決定される正しい腫瘍検出でサーチ窓８５２Ａ内に探索されている。その結果、腫瘍８５１Ａのｘ及びｙ座標が良好に定義される。図１５Ｂは、第２の投射における当該ボリュームの処置中のＸ線を示し、ここでは、初期のサーチが腫瘍８５１Ｂを誤って検出し（第２の投射における腫瘍８５１Ａの投射）、低いクオリティ尺度を生じていると仮定する。映像８５０Ａ及び８５０Ｂが同じｘ軸を共有するので（図３Ａ及び前記説明を参照）、腫瘍８５１Ｂのｘ座標は、腫瘍８５１Ａのｘ座標によって定義され、そして制約の課せられたサーチ窓８５２Ｂが映像８５０Ｂに画成され、これは、サーチをｘ軸に制限すると共に映像８５０Ｂのｙ軸でのサーチを最適化できるようにする。
【００５５】
ある実施形態では、異なる投射におけるオペレーションを並列に遂行することができる。図１６は、ターゲット検出方法５００の一実施形態を示すフローチャートである。オペレーション５０１では、患者の全体的な事前位置合わせ（即ち、オペレーション２１０）に対応する投射においてＤＲＲに１つ以上のＲＯＩが発生され、ここでは、放射線ターゲットの２Ｄ輪郭に対して各ＲＯＩが画成される。オペレーション５０２では、ＤＲＲにおけるＲＯＩが、処置提供システムの各投射においてそれに対応する処置中のＸ線映像とマッチングされる。オペレーション５０２は、オペレーション５０３及び５０４を含む。
【００５６】
オペレーション５０３では、サーチアルゴリズムに基づいて各投射における処置中のＸ線映像のサーチ窓内でＲＯＩを移動して、類似性尺度を最大にする。オペレーション５０４では、各投射におけるターゲット検出のためのクオリティ尺度を決定する。オペレーション５０４は、オペレーション５０５ないし５０９を含む。オペレーション５０５は、選択されたＤＲＲに、シフト相関窓の第１セットを発生する。オペレーション５０６では、シフト相関窓の第１セットが、それに対応する処置中のＸ線映像において登録されて、シフト相関窓の第１セットにマッチングするシフト相関窓の第２セットをそれに対応する処置中のＸ線映像において見出し、シフト相関窓の第１及び第２セットがシフト相関窓のマッチング対を形成するようにする。オペレーション５０７は、シフト相関窓の第１セット及びシフト相関窓の第２セットからシフト相関窓のマッチング対間の変位を決定する。オペレーション５０８は、ＶＯＩの各投射において腫瘍検出のためのクオリティ尺度を指定する。
【００５７】
この方法は、オペレーション５０９に続き、これは、最も高いクオリティ尺度を有する第１投射におけるＲＯＩを選択し、第２投射におけるサーチ窓を制限する。次いで、オペレーション５１０は、第２投射における制限されたサーチ窓内でサーチを行い、第２投射における腫瘍検出のクオリティを最大にする。オペレーション５１１では、各投射における次のＲＯＩが選択され、そしてオペレーション５０１において方法が繰り返される。
【００５８】
一実施形態における方法は、骨構造体をセグメント化して当該ボリューム（ＶＯＩ）の３Ｄ像形成データから除去して、３Ｄ像形成データから発生されるＤＲＲにおいて放射線ターゲットが見えるようにし、ＤＲＲを処置中のＸ線映像とマッチングさせ、放射線ターゲットの２Ｄ輪郭を含むＤＲＲ内の当該領域を選択し、そしてマッチング処置中のＸ線映像のサーチ窓内でサーチを行って、ＲＯＩをそのマッチング処置中のＸ線映像内の対応するＲＯＩとマッチングさせることを含む。
【００５９】
図１７は、本発明の実施形態が具現化される放射線処置を遂行するのに使用できるシステム１３００の一実施形態を示す。図１７に示されて以下に説明されるように、システム１３００は、診断像形成システム１０００と、処置プランニングシステム２０００と、処置提供システム３０００とを備えている。
【００６０】
診断像形成システム１０００は、その後の医療診断、処置プランニング及び／又は処置提供に使用できる患者の医療診断映像を発生することのできる任意のシステムである。例えば、診断像形成システム１０００は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）システム、磁気共鳴像形成（ＭＲＩ）システム、ポジトロン放出断層撮影（ＰＥＴ）システム、超音波システム等でよい。説明を容易にするために、診断像形成システム１０００は、時々、ＣＴ像形成様式に関連して論じる。しかしながら、上述したような他の像形成様式も使用できる。
【００６１】
診断像形成システム１０００は、映像ビーム（例えば、Ｘ線、超音波、高周波等）を発生するための映像線源１０１０と、この映像線源１０１０により発生されるビーム又は（例えば、ＭＲＩ又はＰＥＴスキャンにおいて）映像線源からのビームにより刺激される二次ビーム又は二次放出を検出し及び受信するための映像検出器１０２０とを備えている。一実施形態では、診断像形成システム１０００は、２つ以上の診断Ｘ線源と、２つ以上の対応する映像検出器とを備えている。例えば、２つのＸ線源が、像形成されるべき患者の周りに配置され、互いに角度的に分離して固定され（例えば、９０度、４５度等）、そして患者を通して、Ｘ線源とは直径方向反対側にある映像検出器（１つ又は複数）に向けられる。又、各映像Ｘ線源によって照射される単一の大きな映像検出器又は複数の映像検出器が使用されてもよい。或いは又、他の個数及び他の構成の映像線源及び映像検出が使用されてもよい。
【００６２】
映像線源１０１０及び映像検出器１０２０は、像形成オペレーションを制御し及び映像データを処理するためにデジタル処理システム１０３０に結合される。診断像形成システム１０００は、デジタル処理システム１０３０、映像線源１０１０及び映像検出器１０２０の間にデータ及びコマンドを転送するためにバス又は他の手段１０３５を備えている。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）、特殊目的のプロセッサ、例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又は他の形式の装置、例えば、コントローラ又は現場でプログラム可能なゲートアレー（ＦＰＧＡ）を含んでもよい。又、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他のコンポーネント（図示せず）を含んでもよい。デジタル処理システム１０３０は、例えば、ＤＩＣＯＭ（医学におけるデジタル像形成及び通信）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映像を発生するように構成されてもよい。他の実施形態では、デジタル処理システム１０３０は、他の標準的又は非標準的デジタル映像フォーマットを発生してもよい。デジタル処理システム１０３０は、データリンク１５００を経て処置プランニングシステム２０００へ診断映像ファイル（例えば、前記ＤＩＣＯＭフォーマットのファイル）を送信し、データリンクは、例えば、直接的リンク、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ワイドエリアネットワークリンク（ＷＡＮ）でよい。更に、システム間に転送される情報は、例えば、遠隔診断又は処置プランニング構成では、システムを接続する通信媒体にわたりプル又はプッシュされてもよい。遠隔診断又は処置プランニングでは、ユーザは、本発明の実施形態を利用して、システムユーザと患者との間に物理的な分離が存在しても、診断又は処置プランニングを行うことができる。
【００６３】
処置プランニングシステム２０００は、映像データを受け取って処理するための処理装置２０１０を備えている。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）、特殊目的プロセッサ、例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又は他の形式の装置、例えば、コントローラ又は現場でプログラム可能なゲートアレー（ＦＰＧＡ）を表す。処理装置２０１０は、ここに述べる脊柱セグメント化ツールのように、ここに述べる処置プランニング及び／又は映像処理オペレーションを遂行するインストラクションを実行するように構成される。
【００６４】
また、処置プランニングシステム２０００は、処理装置２０１０により実行されるインストラクション及び情報を記憶するためにバス２０５５により処理装置２０１０に結合されたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）又は他のダイナミック記憶装置を含むシステムメモリ２０２０も備えている。また、このシステムメモリ２０２０は、処理装置２０１０によりインストラクションを実行する間に一時的変数又は他の中間情報を記憶するのにも使用できる。また、システムメモリ２０２０は、処理装置２０１０に対するスタティック情報及びインストラクションを記憶するためにバス２０５５に結合されたリードオンリメモリ（ＲＯＭ）及び／又は他のスタティック記憶装置を含んでもよい。
【００６５】
また、処置プランニングシステム２０００は、情報及びインストラクション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的ディスクドライブ）を表す記憶装置２０３０も備えている。この記憶装置２０３０は、ここに述べる処置プランニングステップを遂行するためのインストラクションを記憶し及び／又はここに述べる３Ｄ像形成データ及びＤＲＲを記憶するのに使用できる。
【００６６】
また、処理装置２０１０は、情報（例えば、ＶＯＩの２Ｄ又は３Ｄ表現）をユーザに表示するために、陰極線管（ＣＲＴ）又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のようなディスプレイ装置２０４０にも結合される。キーボードのような入力装置２０５０は、処理装置２０１０へ情報及び／又はコマンド選択を通信するために処理装置２０１０に結合される。また、１つ以上のユーザ入力装置（例えば、マウス、トラックボール又はカーソル方向キー）を使用して、方向情報を通信し、処理装置２０１０に対するコマンドを選択し、そしてディスプレイ２０４０上でのカーソルの移動を制御することもできる。
【００６７】
処置プランニングシステム２０００は、多数の異なる構成及びアーキテクチャーを有することができ、処置プランニングシステム２０００より多数のコンポーネント又は少数のコンポーネントを含むことができ、且つ本発明に使用できる処置プランニングシステムの一例に過ぎないことが明らかである。例えば、あるシステムは、周辺バス、専用キャッシュバス、等の複数のバスをしばしば有する。また、処置プランニングシステム２０００は、ＤＩＣＯＭインポートをサポートするためのＭＩＲＩＴ（医療映像レビュー及びインポートツール）（従って、映像を融合し、ターゲットを異なるシステムにおいて描写し、次いで、プランニング及びドーズ計算のために処置プランニングシステムへインポートすることができる）や、ユーザが種々の像形成様式（例えば、ＭＲＩ、ＣＴ、ＰＥＴ、等）のいずれか１つにおいて処置を行い、プランを立てそしてドーズ分布を見ることができる拡張映像融合能力も含むことができる。処置プランニングシステムは、この技術分野で知られており、従って、更に詳細に説明しない。
【００６８】
処置プランニングシステム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、処置提供システム３０００のような処置提供システムと共有し、従って、処置提供の前に処置プランニングシステムからエクスポートする必要はない。処置プランニングシステム２０００は、データリンク２５００を経て処置提供システム３０００にリンクすることができ、このデータリンクは、データリンク１５００について上述したように、直接リンク、ＬＡＮリンク又はＷＡＮリンクでよい。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ときには、診断像形成システム１０００、処置プランニングシステム２０００及び／又は処置提供システム３０００は、それらシステムが互いに物理的に離れるように、分散して配置されてもよいことに注意されたい。或いは又、診断像形成システム１０００、処置プランニングシステム２０００及び／又は処置提供システム３０００は、１つ以上のシステムにおいて互いに一体化されてもよい。
【００６９】
処置提供システム３０００は、処置プランに従ってターゲットボリュームに規定の放射線ドーズを施すための治療及び／又は手術放射線源３０１０を備えている。また、処置提供システム３０００は、上述した診断映像と登録又は相関して患者を放射線源に対して位置付けるために（ターゲットボリュームを含む）患者ボリュームの処置中映像を捕獲する像形成システム３０２０も備えている。この像形成システム３０２０は、上述した像形成システムのいずれを含んでもよい。また、処置提供システム３０００は、放射線源３０１０、像形成システム３０２０、及び患者支持装置、例えば、処置寝床３０４０を制御するためのデジタル処理システム３０３０も備えている。このデジタル処理システム３０３０は、２つ以上の立体的放射による像形成システム３０２０からの２Ｄ放射線写真映像を、診断像形成システム１０００のデジタル処理システム１０３０により発生されるデジタル再構成放射線写真（例えば、セグメント化された３Ｄ映像データからのＤＲＲ）、及び処置プランニングシステム２０００の処理装置２０１０により発生されるＤＲＲを登録するように構成される。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、特殊目的のプロセッサ、例えば、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又は他の形式の装置、例えば、コントローラ又は現場でプログラム可能なゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含む。また、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、等の他のコンポーネント（図示せず）も備えている。デジタル処理システム３０３０は、バス３０４５又は他の形式の制御及び通信インターフェイスにより、放射線源３０１０、像形成システム３０２０、及び処置寝床３０４０に結合される。
【００７０】
デジタル処理システム３０３０は、像形成システム３０２０から得た映像を、前動作の処置プランニング映像とともに登録して、処置提供システム３０００内の処置寝床３０４０上で患者を位置合わせさせると共に、ターゲットボリュームに対して放射線源を正確に位置付けるための方法（例えば、上述した方法１２００）を実施することができる。
【００７１】
処置寝床３０４０は、複数（例えば、５つ以上）の自由度を有する別のロボットアーム（図示せず）に結合することができる。寝床アームは、５つの回転自由度及び１つの実質的に垂直の、直線自由度を有する。或いは又、寝床アームは、６つの回転自由度及び１つの実質的に垂直の、直線自由度、又は少なくとも４つの回転自由度を有してもよい。寝床アームは、柱又は壁に垂直に取り付けられるか、或いは台座、床又は天井に水平に取り付けられる。或いは又、処置寝床３０４０は、カリフォルニアのアキュレイ社によって開発されたＡｘｕｍ（登録商標）処置寝床、又は当業者に知られた別の形式の従来の処置テーブルのような別の機械的メカニズムのコンポーネントでもよい。
【００７２】
或いは又、処置提供システム３０００は、別の形式の処置提供システム、例えば、ガントリーベース（アイソセンター）の強度変調放射線療法（ＩＭＲＴ）システムでもよい。ガントリーベースのシステムでは、放射線源（例えば、ＬＩＮＡＣ）は、患者の軸方向切片に対応する平面内で回転するようにガントリーに取り付けられる。次いで、円形回転平面上の多数の位置から放射線が施される。ＩＭＲＴでは、放射線ビームの形状は、ビームの一部分を阻止できるようにする複葉コリメーターにより、患者に入射する残りのビームが所定の形状になるように画成される。これにより得られるシステムは、アイソセンターで互いに交差してターゲット領域にドーズ分布を与える任意の形状の放射線ビームを発生する。ＩＭＲＴプランニングでは、最適化アルゴリズムが、メインビームのサブセットを選択すると共に、患者を各サブセットに露出すべき時間長さを決定し、規定のドーズ制約が最良に満足されるようにする。１つの特定の実施形態では、ガントリーベースのシステムは、ジンバル付きの放射線源ヘッドアッセンブリを有する。
【００７３】
ここに述べる方法及び装置は、医療診断像形成及び処置のみの使用に限定されないことに注意されたい。別の実施形態では、ここに述べる方法及び装置は、医療技術分野以外の用途、例えば、材料の工業用像形成及び非破壊テスト（例えば、自動車産業におけるモータ閉塞、航空機産業における機体、建設産業における溶接及び石油産業における掘削）並びに地震調査に使用することができる。このような用途では、例えば、「処置」とは、一般的に、処置プランニングシステムによるオペレーションの遂行、例えば、ビーム（例えば、放射線、音響等）の適用を指し、そして「ターゲット」は、非解剖学的物体又はエリアを指す。
【００７４】
本発明の実施形態は、ここに述べる種々のオペレーションを含む。これらのオペレーションは、ハードウェアコンポーネント、ソフトウェア、ファームウェア又はその組合せにより遂行できる。ここに述べる種々のバスを経て供給される信号は、他の信号と時間マルチプレクスされて、１つ以上の共通のバスを経て供給することができる。更に、回路コンポーネント又はブロック間の相互接続部は、バス又は単一信号ラインとして示されている。或いは又、これらバスの各々が１つ以上の単一信号ラインでもよく、又、単一信号ラインの各々がバスでもよい。
【００７５】
ある実施形態は、マシン読み取り可能な媒体に記憶されるインストラクションを含むコンピュータプログラム製品として具現化されてもよい。これらのインストラクションは、ここに述べるオペレーションを遂行するように汎用プロセッサ又は特殊目的のプロセッサをプログラムするのに使用できる。マシン読み取り可能な媒体は、マシン（例えば、コンピュータ）により読み取り可能なフォーム（例えば、ソフトウェア、処理アプリケーション）で情報を記憶又は送信するためのメカニズムを含む。又、マシン読み取り可能な媒体は、これに限定されないが、磁気記憶媒体（例えば、フロッピー（登録商標）ディスケット）、光学記憶媒体（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ）、磁気−光学記憶媒体、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能なプログラマブルメモリ（例えば、ＥＰＲＯＭ及びＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、電気的、光学的、音響的又は他の形態の伝播信号（例えば、提供波、赤外線信号、デジタル信号等）、或いは電子的インストラクションを記憶するのに適した別の形式の媒体を含む。
【００７６】
更に、ある実施形態は、マシン読み取り可能な媒体が２つ以上のコンピュータシステムに記憶され及び／又はそれにより実行されるような分散型コンピューティング環境において具現化される。更に、コンピュータシステム間で転送される情報は、例えば、リモート診断又は監視システムにおいてコンピュータシステムを接続する通信媒体にわたってプル又はプッシュされてもよい。リモート診断又は監視においては、ユーザは、ユーザと患者との間に物理的な分離が存在しても、患者を診断又は監視することができる。更に、処置提供システムは、処理プランニングシステムから離れていてもよい。
【００７７】
前記方法（１つ又は複数）のオペレーションは、特定の順序で図示して説明したが、各方法のオペレーションの順序は、あるオペレーションを逆の順序で行うように、又はあるオペレーションを他のオペレーションと少なくとも一部分同時に行うように、変更されてもよい。別の実施形態では、異なるオペレーションのインストラクション又はサブオペレーションは、間欠的に及び／又は交互に行われてもよい。更に、特定の方法の繰り返しの中で、あるオペレーションを繰り返してもよい。
【００７８】
以上、特定の実施形態を参照して本発明を説明した。しかしながら、特許請求の範囲に述べた本発明の広い精神及び範囲から逸脱せずに種々の変更や修正がなされ得ることが明らかであろう。従って、明細書及び添付図面は、本発明を例示するためのもので、これに制限するためのものではない。
【符号の説明】
【００７９】
２０１：ＬＩＮＡＣ
２０２：ロボットアーム
２０３Ａ：像形成Ｘ線源
２０３Ｂ：像形成Ｘ線源
２０４Ａ：検出器
２０４Ｂ：検出器
２０６：処置寝床
８０２：輪郭ベースのＲＯＩ
８０３：より大きなＲＯＩ
８０４：より小さなＲＯＩ
１０００：診断像形成システム
１０１０：映像線源
１０３０：デジタル処理システム
１０２０：映像検出器
２０００：処置プランニングシステム
２０２０：システムメモリ
２０１０：処理装置
２０３０：記憶装置
２０４０：ディスプレイ
２０５０：入力装置
３０００：処置提供システム
３０１０：放射線源
３０２０：像形成システム
３０３０：デジタル処理システム
３０４０：処置寝床
【図１Ａ】
2010508895.tif 000007
【図１Ｂ】
2010508895.tif 000008
【図２】
2010508895.tif 000009
【図３Ａ】
2010508895.tif 000010
【図３Ｂ】
2010508895.tif 000011
【図３Ｃ】
2010508895.tif 000012
【図３Ｄ】
2010508895.tif 000013
【図３Ｅ】
2010508895.tif 000014
【図４】
2010508895.tif 000015
【図５Ａ】
2010508895.tif 000016
【図５Ｂ】
2010508895.tif 000017
【図６Ａ】
2010508895.tif 000018
【図６Ｂ】
2010508895.tif 000019
【図６Ｃ】
2010508895.tif 000020
【図６Ｄ】
2010508895.tif 000021
【図７】
2010508895.tif 000022
【図８Ａ】
2010508895.tif 000023
【図８Ｂ】
2010508895.tif 000024
【図１０Ｃ】
2010508895.tif 000025
【図１０Ｄ】
2010508895.tif 000026
【図１１Ａ−１１Ｂ】
2010508895.tif 000027
【図１２Ａ】
2010508895.tif 000028
【図１２Ｂ】
2010508895.tif 000029
【図１３Ａ】
2010508895.tif 000030
【図１３Ｂ】
2010508895.tif 000031
【図１４Ａ−１４Ｂ】
2010508895.tif 000032
【図１６】
2010508895.tif 000033
【図１７】
2010508895.tif 000034
【図９】
2010508895.tif 000035
【図１０Ａ】
2010508895.tif 000036
【図１０Ｂ】
2010508895.tif 000037
【図１５Ａ】
2010508895.tif 000038
【図１５Ｂ】
2010508895.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成21年5月11日(2009.5.11)
【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】
３つまでの並進移動方向に動くターゲットを、該ターゲットの直接的な登録を用いて検出するステップと、
前記ターゲットを追跡して、処置ビームを前記ターゲットの動きと同期させるステップと、を備えた方法。
【請求項２】
１つ以上のデジタルで再構成された放射線写真（ＤＲＲ）がそれに対応するＸ線画像とマッチングされる処置提供システムにおいて、患者を事前に位置合わせするステップを更に備えた、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ターゲットを検出する前記ステップは、
前記ターゲットの２Ｄ輪郭を発生する段階と、
１つ以上のデジタルで再構成された放射線写真（ＤＲＲ）の各々において前記ターゲットの２Ｄ輪郭を含む当該領域（ＲＯＩ）を発生する段階と、
前記ＤＲＲのＲＯＩをそれに対応するＸ線画像とマッチングさせる段階と、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
ＲＯＩをマッチングさせる前記段階は、類似性尺度を最大にするサーチアルゴリズムに基づき前記対応するＸ線画像のサーチ窓内でＲＯＩを移動する工程を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
各２Ｄ投射においてターゲットを検出するためのクオリティ尺度を決定する工程を更に備え、これは、
選択されたＤＲＲに第１の複数のシフト相関窓を発生し、
前記対応するＸ線画像における前記第１の複数のシフト相関窓を登録して、前記第１の複数のシフト相関窓にマッチする前記対応するＸ線画像における第２の複数のシフト相関窓を見出し、前記第１の複数のシフト相関窓及び第２の複数のシフト相関窓は、複数のシフト相関対を構成し、
前記複数のシフト相関対のうちのシフト相関対の各対間の変位を決定し、
ＶＯＩの各２Ｄ投射においてターゲット検出のためのクオリティ尺度を指定する、ことを含む請求項４に記載の方法。
【請求項６】
最も高いクオリティ尺度をもつ第１投射におけるＤＲＲのＲＯＩを選択して、第２投射において限定されたサーチ窓を発生し、
前記第２投射における前記限定されたサーチ窓内をサーチして、前記第２投射におけるクオリティ尺度を最大にする、ことを含む請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１投射及び第２投射におけるＲＯＩの位置に対応する３Ｄ並進移動を計算して、３Ｄ基準処置フレームにおけるターゲットの位置を決定することを更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記ターゲットの位置と外部呼吸マーカーとの間の相関モデルで前記ターゲットを追跡して、前記ターゲットの動きと同期して処置を施すことを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
第１処理装置、像形成システム、及び放射線処置線源を含む処置提供システムを備え、前記第１処理装置は、３つまでの並進移動方向に動くターゲットを検出及び処理するために前記像形成システムを制御するように構成されたシステム。
【請求項１０】
第２処理装置及びディスプレイ装置を含む処置プランニングシステムを更に備え、前記第２処理装置は、
脊柱をセグメント化して当該ボリューム（ＶＯＩ）の３Ｄ画像データから除去して、ターゲットを見えるようにし、
複数のデジタルで再構成された放射線写真（ＤＲＲ）を、３Ｄ画像データの１つ以上の２Ｄ投射における３Ｄ画像データから発生し、各ＤＲＲは、ターゲットの２Ｄ輪郭と、該２Ｄ輪郭の周りの当該領域（ＲＯＩ）とを含み、更に、
複数のＤＲＲを前記ディスプレイ装置に表示する、というように構成された請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
ターゲットを検出するために、前記第１処理装置は、対応するＸ線画像のサーチ窓において前記複数のＤＲＲのうちのＤＲＲのＲＯＩをマッチングするように構成された、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
ＲＯＩをマッチングするために、前記第１処理装置は、類似性尺度を最大にするサーチアルゴリズムに基づき前記対応するＸ線画像のサーチ窓内でＲＯＩを移動するように構成された、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１処理装置は、各２Ｄ投射においてターゲットを検出するためのクオリティ尺度を決定するように更に構成され、前記第１処理装置は、
ＤＲＲにシフト相関窓の第１セットを発生し、
前記対応するＸ線画像における前記シフト相関窓の第１セットを登録して、それに対応する処置中のＸ線画像においてマッチングシフト相関窓のセットを見出し、
前記マッチングシフト相関窓の対間の変位を決定し、
ＶＯＩの各２Ｄ投射においてターゲット検出のためのクオリティ尺度を指定する、
というように構成された請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１処理装置は、最も高いクオリティ尺度をもつ第１投射におけるＤＲＲのＲＯＩを選択して、第２投射において限定されたサーチ窓を発生し、且つ前記第２投射における前記限定されたサーチ窓内をサーチして、前記第２投射におけるクオリティ尺度を最大にするように更に構成された、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１処理装置は、前記第１投射及び第２投射におけるＲＯＩの位置に対応する３Ｄ並進移動を計算して、３Ｄ基準処置フレームにおけるターゲットの位置を決定するように更に構成された、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１処理装置は、前記ターゲットの位置と外部呼吸マーカーとの間の相関モデルで前記ターゲットを追跡して、前記ターゲットの動きと同期して処置を施すように更に構成された、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記処置提供システムは、患者位置付けシステムを更に備え、前記第１処理装置は、患者のセグメント化された脊柱の２つの２Ｄ投射を、２つの対応する投射における患者の２ＤＸ線画像とマッチングさせることにより処置座標系において患者を事前に位置合わせするように更に構成された、請求項９に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１処理装置は、前記ターゲット及び処置線源の相対的な位置を処置プランに適合させ、そして前記処理プランに基づいて前記処置線源から前記ターゲットに処置を施す、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第１処理装置及び第２処理装置は、同じ処理装置である、請求項１０に記載のシステム。
【国際調査報告】
2010508895.tif 000040