(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断層像撮影装置にて患者の病巣部を撮影した３次元データを用いて放射線治療の計画を立てるための画像処理装置において、
放射線治療に用いられる放射線を照射する条件を設定する手段と、
該断層像撮影装置にて得られた３次元データの画素値に応じて色情報を割り当てるテーブルを設定する手段と、
該放射線の線源位置から照射される放射線の軌跡に沿って、該３次元データの画素値を補間することで求め、補間された画素値を該色情報割り当てテーブルにより変換した色情報の値を加算することにより、透過画像を生成する手段を有する、画像処理装置。
【請求項２】
該３次元データを用いて、断層像を表示する手段と、
該断層像の中から、着目する領域を指定する手段と、
該指定した領域の画素値を含む画素値の範囲を指定する手段と、
該指定した画素値の範囲について、該色情報割り当てテーブルを設定する手段を有する、請求項１記載の画像処理装置。
【請求項３】
該３次元データについて、標準偏差を用いることによりエッジ処理を行う手段と、
該エッジ処理後の３次元データの画素値を補間することで求める手段を有する、請求項１記載の画像処理装置。
【請求項４】
該透過画像の投影位置を、線源とアイソセンタを結ぶ直線に垂直な平面上とする手段を有し、
該透過画像を生成する手段は、該線源から照射される放射線の軌跡上に存在する該３次元データの画素値を補間することで求め、放射線の軌跡に沿って補間した画素値、又は補間した画素値を変換した値を加算する、請求項１記載の画像処理装置。
【請求項５】
該透過画像の画素数、及び分解能を設定する手段と、
該放射線の軌跡に沿った画素をサンプリングする間隔を設定する手段を有する、請求項３又は４記載の画像処理装置。
【請求項６】
該透過画像を生成する手段は、透過画像を生成する際に、最終的に透過画像を生成する際の分解能よりも低い分解能で透過画像を生成し、段階的に中間画像を表示する、請求項３乃至５記載の画像処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線による癌等の治療において、Ｘ線ＣＴなどで患者を計測した3次元データを用いた治療計画作成に関する。特に、断層像撮影装置により得られた3次元データから生成する透過像であるDigitally Reconstructed Radiograph (DRR)を用いた治療計画作成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、癌などの病巣部にＸ線や陽子線などの放射線を照射する治療法があり、有効性が認められている。このような治療を行うためには、事前に治療計画をすることが必要となり、放射線治療は一般に以下のような手順で行われる。
【０００３】
まず、患部を含む患者の身体の一部をＸ線ＣＴなどの装置により計測する。次に計測されたデータより、患部を特定し、位置・大きさなどを把握する。続いて、患部に対してアイソセンタを設定し、照射方向や照射門数、照射範囲などの条件をシミュレーションし、できるだけ患部のみに放射線が照射されるように検討を行い、その結果を患者にマーキングを行う。その後、放射線治療装置に患者は移動し、シミュレーションによるマーキングから位置合わせを行い、治療を行う。
【０００４】
シミュレーションには、線量分布計算を行い正確に計画をする方法と、同一部位について既に線量分布計算を行った結果がある場合などに照射の方向や方法などから簡易的に計画をする方法とがある。前者は患部の抽出や線量分布計算のための処理時間が非常にかかるため、臨床では後者の方法により計画を行うことも多い。後者の方法では、Ｘ線シミュレータや、ＣＴシミュレータという装置により計画を行う。
【０００５】
本発明は、前記のシミュレーションを行う際に、照射線源から放射状に広がる放射線により、Ｘ線ＣＴなどの断層撮像装置により得たデータの画素（以下ボクセルと記す）をある平面に投影した透過画像であるＤＲＲ画像を用いて治療計画を行う方法に関する。
【０００６】
ＤＲＲ画像を用いた治療計画は、患部の位置を実際の治療装置による照射線錐と同じパスで透過像を計算することにより、正確なシミュレーションを行うことが可能となるこという利点がある。
【０００７】
しかし、単純に透過画像を計算すると、透過された人体の構造が分かりにくくなるという問題がある。この問題を解決するための文献として、（１）J. M. GALVIN, C. SIMS, "THE USE OF DIGITALLY RECONSTRUCTED RADIOGRAPHS FOR THREE-DIMENSIONAL TREATMENT PLANNING AND CT-SIMULATION", Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. Vol.31, No.4, pp.935-942, (1995)、（２）特開平８−１６４２１７号公報がある。
【０００８】
これらの文献では、透過像を計算したときにランドマークとなる骨領域を強調するために、bone windowなどによりCT値変換を行うLook up tableを用いたDRR生成手法が述べられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来技術では、骨領域のコントラスト向上は見られるものの、より明確に関心領域の位置が特定できるようなDRR画像を生成することができれば、より正確な治療計画を行うことが可能となる。また、特開平８−１６４２１７号公報では、骨などの領域を明確に投影するために、エッジ処理を用いるという実施形態が述べられているが、エッジ処理の具体的な内容に関する記述がなく、X線CTなどの医療用データ中の輪郭を強調するために有効なエッジ処理方法が必要となる。
【００１０】
また、治療計画を行う場合に、ターゲットととなる腫瘍の大きさや、照射範囲の大きさなどの計測を行う必要があるが、DRR画像は放射状に広がるレイによる投影画像であるため、DRR画像上での計測は行うことができなかった。
【００１１】
さらに、DRR画像を生成するための処理時間がかかるため、対話的な処理を行うためには、高性能な計算機が必要となり、処理性能の低い計算機で対話的な処理を行うことは難しかった。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、X線CT装置等により計測された３次元データの画素値に応じて、色情報を割り当てる手段を提供し、画素値から変換された色情報を用いて投影することによりDRR画像を生成する。また、本発明では、X線CT装置等により計測された３次元データを標準偏差によるエッジ処理を行い、エッジ処理後の３次元データを用いて投影することによりDRR画像を生成してもよい。
【００１３】
本発明では、DRR画像を投影させる位置をアイソセンタを含み、アイソセンタと照射線源を結ぶ直線に垂直な平面上としてもよい。さらに本発明では、DRR画像の画素数と分解能及び、DRR画像上のピクセルと照射線源を結ぶレイ上のボクセルのサンプリング間隔を指定してもよい。また、最終的なDRR画像を表示するまでに、低分解能の中間画像を表示してもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明を適用した画像処理方法の第1の実施形態を示す透過画像の生成方法のフローチャートである。図２の放射線治療の処理の流れを利用しながら説明する。
【００１５】
まず、治療を行う前に図２のX線CT(Computed Tomography)などの断層像撮影装置１により、患部を含む領域を撮影し、3次元の画像データを用意する（ステップ１０１）。次に、図2の放射線治療機７により治療を行う場合の、放射線照射条件を設定する（ステップ１０２）。この照射条件とは、放射線を発生する線源位置３及び放射線を照射する中心となるアイソセンタ位置４、照射線錘５の広がりなどのことである。線源位置は、放射線治療機７のガントリ８及び寝台９が回転・移動することにより、指定したアイソセンタを中心として回転できるようになっている。
【００１６】
続いて、関心領域を強調するために、CT値などのボクセルのデータ値（以下ボクセル値と記す）に応じた色情報変換テーブルを設定する（ステップ１０３）。テーブルの内容は例えば図１０のようにあるボクセル値の範囲に対して、色情報のRGBの割合のテーブルとして持つようにする。ここで、図１０中のVはボクセル値を示すものとする。図１０のテーブルは、色情報として、ボクセル値範囲内について線形に値を割り当てることが可能なテーブルとなっている。この例では、ボクセル値-1000〜-100については、変換後の色情報は0〜128の階調を持った灰色となり、主に血管系領域のボクセル値である-99〜99については、200の値を持った赤色、主に骨領域のボクセル値である100〜1000については、0〜255の階調を持つ黄色となる。
【００１７】
ここで、この色情報テーブルをユーザが指定する方法の１つの実施形態を図３に示す。ユーザはまず、色情報を指定する範囲１１を指定する。指定方法としては、例えばボクセル値範囲１１の両端をマウスでドラッグすることにより範囲を調整する。続いて、そのボクセル値範囲に対応する色情報のテーブルを作成する。この例の場合には、Ｇ，Ｂの色は直線１２のように変化し、Ｒは直線１３のように0となるように指定している。この直線を指定する方法としては、直線の端点をマウスでドラッグするなどする。以上のようにして、色情報変換テーブルを設定した後、透過画像であるDRR画像を、DRR画像上の全てのピクセルについて順に計算をしてゆくことにより求める。
【００１８】
まず、DRR画像上のピクセルと線源とを結ぶレイを考え、そのレイ上にあるボクセル値を補間して求める（ステップ１０６）。求められたボクセル値をステップ１０３で設定した色情報変換テーブルにより、色情報へ変換する（ステップ１０７）。続いて変換された色情報をDRR画像のピクセル値を記憶するメモリへ加算する（ステップ１０８）。ピクセル値を記憶するメモリは最初にクリアしておき、レイ上のボクセルによる色情報を次々に加算していく。この加算は、ＲＧＢの各色成分ごとに行う。この計算を、レイ上に存在する３次元データ中の全てのボクセルについて行う（ステップ１０５）。DRR画像上の全てのピクセルについて計算が終了したら（ステップ１０４）、計算したDRR画像を表示する（ステップ１０９）。この後で、DRR画像をプリントアウトしても良いし、ハードディスクに保存するなどしても良い。このように、色で領域を区別することにより、骨領域や、臓器、腫瘍などを識別しやすく表示することが可能となる。
【００１９】
以上の方法により、指定したボクセル値の領域について、色分けすることが可能となり、治療計画をたてる際に関心領域を分かり易くすることが可能となる。
【００２０】
＜ボクセル値範囲の指定法＞
色情報の指定方法に関する別の実施形態について図４を用いて説明する。
断層像計測装置により治療前に撮影した3次元データを用い、２１のように断層像を表示する。表示した断面の位置は、２２のスキャノグラム像上に直線２３として表され、位置が分かるようになっている。２１に表示される断層像の位置は、直線２３をマウスでドラッグすることにより移動したり、スライダ２４により断面位置を移動したりすることが可能なようにする。
【００２１】
次に２１に表示された断層像上で、強調して表示したい領域の中からポインタ２５により1点を指定する。指定された位置のボクセル値Ｖを取り出し、ボクセル値から色情報へ変換するテーブル作成のための、ボクセル値範囲２６の中央値としてセットし、±α分の範囲を設定する。このαの初期値はデフォルトのものとするが、色情報を設定する範囲の上端、または下端をマウスでドラッグすることにより、範囲を変更することは可能であるとする。このようにして、ボクセル値範囲を指定した後、先に述べた図３のような方法により、色情報テーブルを生成する。この方法により、強調したい領域のボクセル値を直感的に指定することが可能となる。
【００２２】
また、ボクセル値範囲を指定したとき、その範囲に含まれるボクセルのみを断層像として２１に表示することにより、ボクセル値範囲をより容易に設定することが可能となる。
さらに、強調したい領域を1点で指定するのではなく、ある矩形領域に含まれるボクセルの値の最大値と最小値により、色情報を設定するボクセル値範囲を決定するようにしても良い。
【００２３】
＜標準偏差＞
骨などの輪郭を滑らかに強調することにより、DRR画像上での骨などの構造を判別し易いように表示する方法について、図５を用いて説明する。輪郭を強調するためには、エッジ処理を行い、ボクセル値の変化が急激な位置のボクセル値を高い値にするような画像処理を行えば良い。しかし、このとき微分などの手法によると、高周波成分が強調され、ノイズの多いデータとなってしまうため、標準偏差を用いる。
【００２４】
標準偏差σは、あるブロック内ボクセル数n、ボクセルiの濃度値viとすると、数１で求められる。
【００２５】
【数１】
0003896188.tif 000002
【００２６】
図５では、簡潔に説明するため２次元のデータを利用し、ブロックサイズを３×３とした場合にエッジ処理を行った結果を示している。３１のような2次元のデータがあった場合に、太線で囲まれた領域に対し、３×３ブロックの標準偏差によるエッジ処理を施した結果は３２のようになる。右側のグラフは、データの変化を示したものであり、３３はオリジナルの太線で囲まれたデータ、３４はエッジ処理後のデータの変化を示したものである。
【００２７】
グラフ３３を見ると、オリジナルデータ中のエッジは、左から２番目と３番目のピクセルの間にあると考えられる。標準偏差によるエッジ処理後のグラフ３４では、２番目と３番目のピクセルの値がエッジとして高い値となり、輪郭が強調されたことが確認できる。また、オリジナルデータ中の左から５番目と６番目のピクセル間にもエッジが存在するが、これは、最初のエッジよりは濃度差が少ないため、エッジ処理後のデータ３２では、最初のエッジの値よりも小さな値となっている。また、左から6番目と7番目のピクセル間のエッジは、さらに濃度差が少ないので、エッジ処理後のデータの値はさらに小さくなる。
【００２８】
この例のように、エッジ処理後のデータはボクセルとボクセルの間にエッジがあるように変換されるため、輪郭が１画素分ひろくなってしまう。しかし、この手法ではスムージングの効果があり、ノイズの影響が少なくなり、骨の輪郭を良好に強調することが可能である。
【００２９】
実際の3次元データについてエッジ処理する場合には、図６のように、エッジ処理を行うボクセル４２を中心とする３×３×３のブロック４１を用いて、標準偏差を求めるようにすると、良好な結果を得ることができる。ここで、このようなブロックを用いる場合には、3次元データの最も外側にある全てのボクセルについては、エッジ処理が行えないことになるが、全てのデータ量から考えると、わずかな領域であるため、無視することが可能である。
【００３０】
＜DRR面位置＞
図７を用いて、アイソセンタを通る位置にDRR画像を投影させる実施の形態について説明する。図７は図２の治療計画を示した図の、ある断面を示したようなものである。DRR画像はアイソセンタ４を含む平面６となるように設定する。線源３から照射される照射線錘５により、3次元データ２をDRR面６へ投影する。このとき、3次元データは矢印のように投影する。即ち、線源からDRR面上のピクセル５１を結ぶレイ上に存在する３次元データ中のボクセル全てを投影するようにする。この方法で投影するならば、DRR画像のピクセル順に計算を行う画像順アプローチによる方法でも良いし、３次元データ順に計算を行うオブジェクト順アプローチによる方法などでも良い。
【００３１】
以上の実施形態によれば、DRR画像の投影位置はアイソセンタを含む平面上となるが、通常の投影では考慮しない投影位置よりも線源から遠い場所に存在するボクセルについても投影されるため、全ての3次元データがDRR画像として可視化できることになる。但し、ユーザの指定により、計算領域を限定することにより関心領域に絞ったDRR画像を生成する場合などについては、全てのデータを投影するとは限らなくてもよい。
【００３２】
また、通常アイソセンタは治療する患部の中心に設定され、アイソセンタを含む平面上で照射範囲の設定をすることも多い。そこで、本実施形態によれば、DRR画像の分解能をボリュームデータと同じ条件とすることにより、DRR画像上に照射範囲を表示するようにすると、アイソセンタを含む平面上での大きさと等しいものとなる。このように関心領域の中心であるアイソセンタを含む平面上のDRR画像によりシミュレーションを容易に行うことが可能となる。
【００３３】
＜分解能指定＞
図８を用いて、画素数、分解能を指定することにより高画質化、高速化をする実施形態について説明する。図８は図７と同様に、DRR画像を生成する様子をある断面で表示したものである。
【００３４】
まず、DRR画像の分解能５２と画素数を指定する。デフォルトとしては、3次元データの分解能と等しい値（非等方な分解能の場合には、最も細かい分解能）に指定し、3次元データ領域全てが投影できるような画素数（線源、アイソセンタ位置、3次元データボクセル数、分解能などから求めることが可能）を指定するようにする。 次に、線源３とピクセル５１を結ぶレイ上のサンプリング間隔５３を指定する。デフォルトとしては、DRR画像の分解能と同じ値を指定する。以上のデフォルト値を用いることにより、3次元画像データの質に対応したDRR画像を計算できる。
【００３５】
ここで、計算時間を重視する場合には、DRR画像の画素数を少なくする、或いは、線源とピクセルを結ぶレイ上のボクセルのサンプリング間隔を広くすることにより、高速にDRR画像を計算することが可能となる。DRR画像の分解能をそのままで、画素数を少なくすれば、投影範囲は小さくなるが、画質はそのままで観察することができる。一方、画素数を少なくすると同時に、それに応じて分解能を低くすれば、画質は劣化するものの、投影範囲は同じままで観察することが可能となる。レイ上のサンプリング間隔についても同様のことがいえる。また、画質を重視する場合には、DRR画像の分解能を細かくする、また、レイ上のボクセルのサンプリング間隔を細かくすることにより、画質を向上することが可能である。
【００３６】
以上のように、本実施形態によれば、目的や計算機の能力などに応じて、計算速度や画質をコントロールすることが可能となる。
【００３７】
＜対話性向上＞
DRR画像を生成するためには、時間がかかるため、図９を用いてDRR画像の生成時間を見かけ上高速にすることにより、対話性を向上させる実施形態について説明する。図９は５×５ピクセルのDRR画像を生成するときに、４段階に分けて計算を行う１つの実施形態を示したものである。
【００３８】
最終的に求める５×５ピクセルのDRR画像が６１であるとする。画像上の数字は、各ピクセルに対して割り当てられており、ピクセルの値を計算する順序を示している。
【００３９】
まず、最初に縦横とも１ピクセルづつ飛ばして、ピクセル番号1〜９までを計算する。最初に求めた９ピクセルから第1段階DRR画像６２を生成し、表示する。次に、最初に計算したピクセルの縦横それぞれ１ピクセル増やした位置のピクセル１０〜１３までを計算する。計算された１３ピクセルまでを用いて第２段階DRR画像６３を生成し、表示する。次に、最初に計算したピクセルの横方向に１ピクセル増やした位置のピクセル１４〜１９を計算し、１９ピクセルまでを用いて第３段階DRR画像６４を生成し、表示する。そして、最後に、残ったピクセル２０〜２５を計算し、最終DRR画像６１を生成し、表示する。
【００４０】
以上の方法により、ユーザは、最終的な６１のDRR画像すべてのピクセルについての計算が終了する以前に、DRR画像の概要を把握することが可能となり、対話性が向上することになる。なお、最終的にDRR画像全体の計算が終了するまでの時間は、中間画像を生成するためにわずかな時間が必要となるが、すべてのピクセルを計算してから表示する方法とほとんど変わらない。
【００４１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明による画像処理方法によれば、放射線治療の前にX線CTなどの断層像撮影装置により撮影された３次元データを用いて、透過像であるDRR画像により治療計画を行う場合に、骨構造などの関心領域や、臓器などの輪郭を明確に表示し容易に把握することができる。
【００４２】
また、治療のターゲットとなる腫瘍や、照射範囲などの計測を行う場合に、DRR画像上で、最も関心のあるアイソセンタを含む平面上の計測が可能となる。画質のスピードの関係で、ユーザが選択できる。分解能を細かく、画素数を多くして精密な画像を生成する際に、最終的な画像の前におおよその状態が分かるため、照射方向を変えるなどの処理がインタラクティブに可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した画像処理方法の第１の実施形態を示すフローチャートである。
【図２】放射線治療計画の全体の流れを示す図である。
【図３】色情報を割り当てるボクセル値範囲を指定する手段と色情報を割り当てる手段の例を示す説明図である。
【図４】色情報を割り当てるボクセル値範囲を指定する手段の１例を示す説明図である。
【図５】標準偏差によるエッジ処理の例を２次元で示す説明図である。
【図６】３次元データに対して標準偏差を計算するブロックの例を示す説明図である。
【図７】アイソセンタを含む位置にDRR画像を投影する例を示す説明図である。
【図８】  DRR画像の画素数と分解能、ピクセルと線源を結ぶレイ上のボクセルのサンプリング間隔を指定する例を示す説明図である。
【図９】  DRR画像を段階的に高画質に表示する例を示す説明図である。
【図１０】色情報割り当てテーブルの１例を示す表である。
【符号の説明】
１０１…３次元データ生成手段、１０２…照射条件設定手段、１０３…色情報テーブル設定手段、１０４…DRR画像計算終了判定手段、１０５…１ピクセルに関する計算終了判定手段、１０６…ボクセル値計算手段、１０７…ボクセル値変換手段、１０８…色情報加算手段、１０９…DRR画像表示手段。
【図１】
0003896188.tif 000003
【図２】
0003896188.tif 000004
【図３】
0003896188.tif 000005
【図４】
0003896188.tif 000006
【図５】
0003896188.tif 000007
【図６】
0003896188.tif 000008
【図７】
0003896188.tif 000009
【図８】
0003896188.tif 000010
【図９】
0003896188.tif 000011
【図１０】
0003896188.tif 000012