(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
陽子線の照射方向の決定を支援するシステムであって、
陽子線の照射対象となる病巣の形状情報を利用して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出する算出手段と、  算出された値の分布を示す分布図を表示する表示手段と、備え、
前記算出手段は、前記算出された拡大ブラッグピーク幅を使って病巣を覆ったときに、病巣からはみ出す領域の体積を算出し、
前記表示手段は、算出された体積の値の分布を示す分布図を表示する
ことを特徴とする陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項２】
陽子線の照射対象となる病巣を含む画像データを入力する入力手段と、
前記画像データから病巣の形状情報を抽出する抽出手段と
を更に有することを特徴とする請求項１に記載の陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項３】
陽子線の照射方向の決定を支援するシステムであって、
陽子線の照射対象となる病巣の形状情報を利用して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出する算出手段と、  算出された値の分布を示す分布図を表示する表示手段と、
陽子線の照射対象となる病巣を含む画像データを入力する入力手段と、
前記画像データから病巣の形状情報を抽出する抽出手段と、を備え、
前記算出手段は、病巣から体表までの水等価距離を算出し、
前記表示手段は、算出された水等価距離の分布を示す分布図を表示することを特徴とする陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項４】
前記算出手段は、更に、病巣から体表までの水等価距離を算出し、
前記表示手段は、更に、算出された水等価距離の分布を示す分布図を表示することを特徴とする請求項２に記載の陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項５】
陽子線の照射方向の決定を支援するシステムであって、
陽子線の照射対象となる病巣の形状情報を利用して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出する算出手段と、  算出された値の分布を示す分布図を表示する表示手段と、備え、
前記表示手段は、選択された照射方向に対応する分布図上の位置、および、分布図の値が照射方向に関して対称性を有する場合は対称関係にある位置に、マークを表示することを特徴とする陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項６】
陽子線の照射方向の決定を支援するシステムであって、
陽子線の照射対象となる病巣の形状情報を利用して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出する算出手段と、  算出された値の分布を示す分布図を表示する表示手段と、
陽子線の照射対象となる病巣を含む画像データを入力する入力手段と、
前記画像データから病巣の形状情報を抽出する抽出手段と、を備え、
前記表示手段は、選択された照射方向に対応する分布図上の位置、および、分布図の値が照射方向に関して対称性を有する場合は対称関係にある位置に、マークを表示することを特徴とする陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項７】
前記表示手段は、選択された照射方向に対応する分布図上の位置、および、分布図の値が照射方向に関して対称性を有する場合は対称関係にある位置に、マークを表示することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項８】
前記表示手段は、更に、
病巣及びその周囲の組織並びに陽子線ビームを３次元表示し、
３次元表示された陽子線ビームの方向と前記分布図上のマークが連動する
ことを特徴とする請求項５〜７に記載の陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項９】
前記表示手段は、更に、
選択された照射方向の緯度と経度の値と、その照射方向に対応する拡大ブラッグピーク幅の値、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣周囲を覆う領域との体積差の値、および、病巣中心から体表までの水等価距離の値を表示する
ことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項１０】
陽子線の照射方向の決定を支援するシステムであって、
陽子線の照射対象となる病巣の形状情報を利用して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出する算出手段と、  算出された値の分布を示す分布図を表示する表示手段と、備え、
陽子線治療で採択できる拡大ブラッグピーク幅が限定されている場合、
前記表示手段は、前記拡大ブラッグピーク幅に対応する点を、分布図上に該拡大ブラッグピーク幅ごとに異なる色で表示することを特徴とする陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項１１】
陽子線の照射方向の決定を支援するシステムであって、
陽子線の照射対象となる病巣の形状情報を利用して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出する算出手段と、  算出された値の分布を示す分布図を表示する表示手段と、
陽子線の照射対象となる病巣を含む画像データを入力する入力手段と、
前記画像データから病巣の形状情報を抽出する抽出手段と、を備え、
陽子線治療で採択できる拡大ブラッグピーク幅が限定されている場合、
前記表示手段は、前記拡大ブラッグピーク幅に対応する点を、分布図上に該拡大ブラッグピーク幅ごとに異なる色で表示することを特徴とする陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項１２】
陽子線治療で採択できる拡大ブラッグピーク幅が限定されている場合、
前記表示手段は、前記拡大ブラッグピーク幅に対応する点を、分布図上に該拡大ブラッグピーク幅ごとに異なる色で表示することを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の陽子線照射方向決定支援システム。
【請求項１３】
表示装置、記憶装置、及び入力装置を有するコンピュータにより、陽子線の照射方向の決定を支援する方法であって、
前記記憶装置に予め記憶されている、陽子線の照射対象となる病巣を三次元座標により示す形状情報に対して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出するステップと、
算出された拡大ブラッグピーク幅の値の分布を示す分布図を前記表示装置に表示させるステップと
ある方向から見た病巣の前記算出された拡大ブラッグピーク幅と、予め求められている、その方向の病巣の射影面積との積から、病巣の体積を減じて、病巣からはみ出す領域の体積を、複数の照射方向について算出するステップと、
前記算出された病巣からはみ出す領域の体積の値の分布を示す分布図を前記表示装置に表示させるステップと
を有することを特徴とする陽子線照射方向決定支援方法。
【請求項１４】
前記記憶装置に記憶されている、陽子線の照射対象となる病巣を三次元座標により示す形状情報は、
陽子線の照射対象となる病巣を含む人体の画像データの入力を受け付けるステップと、
前記画像データを前記表示装置に表示させ、表示されている画像について、前記入力装置を介して病巣の形状の指示を受け付けて、当該病巣の形状を示す三次元座標を抽出するステップと、
により求められること、を特徴とする請求項１３に記載の陽子線照射方向決定支援方法。
【請求項１５】
表示装置、記憶装置、及び入力装置を有するコンピュータにより、陽子線の照射方向の決定を支援する方法であって、
陽子線の照射対象となる病巣を含む人体の画像データの入力を受け付けるステップと、
前記画像データを前記表示装置に表示させ、表示されている画像について、前記入力装置を介して病巣の形状の指示を受け付けて、陽子線の照射対象となる病巣を三次元座標により示す形状情報を抽出するステップと、
前記抽出された陽子線の照射対象となる病巣を三次元座標により示す形状情報に対して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出するステップと、
算出された拡大ブラッグピーク幅の値の分布を示す分布図を前記表示装置に表示させるステップと
前記陽子線の照射対象となる病巣を含む人体の画像データに基づいて、病巣から体表までの水等価距離を複数の照射方向について算出するステップと、
算出された水等価距離の分布を示す分布図を前記表示装置に表示させるステップと
を有することを特徴とする陽子線照射方向決定支援方法。
【請求項１６】
前記陽子線の照射対象となる病巣を含む人体の画像データに基づいて、病巣から体表までの水等価距離を複数の照射方向について算出するステップと、
算出された水等価距離の分布を示す分布図を前記表示装置に表示させるステップと
を更に有することを特徴とする請求項１４に記載の陽子線照射方向決定支援方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正常組織への被曝を極力抑えつつ、病巣へ線量を効果的に与えるような陽子線治療を可能にする治療計画に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線を使って治療を行う放射線治療では、正常組織への被曝を極力抑えつつ、癌等の病巣へ十分な治療効果のある線量を与えなければならない。そのため、一般に、Ｘ線ＣＴ装置などの画像診断装置で撮影した画像データを用いて、治療前にどの方向からどの程度の強さの放射線を照射すべきかを、線量分布のシミュレーション結果などに基づいて判断し決定する治療計画が必要となる。
【０００３】
一方、陽子線治療で使われる陽子線という放射線には「ブラッグピーク（Bragg Peak）」と呼ばれる特性がある。陽子線は、物質に照射すると、表面からある深さのところで線量が急激に大きくなって最大値を持ち、それよりも深いところでは線量が急激に０まで減少する。この線量が最大値を持つ位置をブラッグピークと呼ぶ。このような特性を利用すれば、病巣にだけに高い線量を与え、病巣の背後にはほとんど線量を与えないようにすることが可能になる。なお、このブラッグピーク特性を実際の治療に利用するに当たっては、病巣は照射方向に所定の奥行きを有することから、ブラッグピークをそのまま使うのではなく、陽子線照射装置内に設置されたリッジフィルタによりブラッグピークを拡大し、ある一定幅だけ平坦な領域を持たせるようにして利用する。この一定幅の平坦な領域を拡大ブラッグピーク（ＳＯＢＰ：Spread Out of Bragg Peak）と呼ぶ。
【０００４】
陽子線治療の場合、ＳＯＢＰの幅と位置をコントロールすれば、ほぼ病巣の形状に合わせて、そこだけに高い線量を与え、病巣の背後にはほとんど線量を与えないようにすることが可能になる。そのため、陽子線治療の治療計画では病巣の形状とその周囲の正常組織と病巣との位置関係をよく把握して照射方向を決定することが重要になる。
【０００５】
このような治療計画は、一般に、コンピュータ・システム上のソフトウエアで実施する。治療計画ではまず画像データを利用して病巣とその周囲にある注目すべき正常組織（例えば、陽子線を照射してはならない臓器等）について３次元領域を設定して、その座標をメモリに記憶させる。次に、病巣の大きさに合わせて決めた照射範囲（照射野と呼ぶ）と、仮に決めた照射方向と照射強度に基づき、ある物理モデルに従って画像データを用いて人体内部の３次元線量分布を計算する。このようにして得られた結果は、各種の評価手段を用いて評価される。例えば、病巣や各正常組織に対して線量とその線量値を持つ組織体積の関係を表わすグラフであるＤＶＨ(Dose Volume Histogram)、人体断層像に線量分布を重ね合わせた２次元等線量線図、あるいは、人体組織に線量分布を３次元データのまま重ね合わせ、半透明で立体的に表示する３次元表示などである。これらによって、線量分布が望ましいものであると判断されれば、仮に決めた照射方向と照射強度を治療に採用し、そうでなければ、再び照射方向と照射強度を決め直して、線量分布を計算し、その結果を評価する。治療計画では一般にこのような繰り返しによって治療に採用する照射方向と照射強度を決定する。
【０００６】
人がこの繰り返し過程によって治療計画を行うのは、非常に手間のかかる作業となる。そこで、数理的な処理により照射方向と照射強度を計算する方法がいくつか提案されている。例えば、A. Brahme, P. Kallman, B. Lind: "Optimization of the Probability of Achieving Complication Free Yumor Control Using a 3D Pencil Beam Scanning Technique for Protons and Heavy Ions"（Proceedings from the NIRS international workshop on heavy charged particle therapy and related subjects. Chiba, Japan, 124/142, 1991）や、B. Lind, A. Brahme: "Photon Field Quantities and Units for Kernel Based Radiation Therapy Planning and Treatment Optimization"（Phys. Med. Biol., Vol. 37, 891/909, 1992）に記載された方法がある。これらの方法は、最小２乗法に基づいて最適な線量分布を与えるような照射方向と照射強度を計算するもので、人体内部の所望の線量分布から照射方向と照射強度を求める、いわゆる逆問題の形式を採っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法を陽子線治療計画に適用した場合、計算が複雑になり、計算時間が長くなるという問題があった。また、人体内部の所望の線量分布を入力として与えることが前提であるため、３次元の治療計画を扱う場合には、その入力にかかる手間が膨大になってしまうという問題点もあった。
【０００８】
本発明は、陽子線を使った放射線治療の治療計画において、陽子線の照射方向を決定するのを容易にする手段を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る陽子線照射方向決定支援システムは、陽子線の照射方向の決定を支援するシステムであって、陽子線の照射対象となる病巣の形状情報を利用して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出する算出手段と、算出された値の分布を示す分布図を表示する表示手段とから構成されることを特徴とする。
【００１０】
この場合において、更に、前記算出された拡大ブラッグピーク幅を使って病巣を覆ったときに、病巣からはみ出す領域の体積を算出し、算出された体積の値の分布を示す分布図を表示するようにしてもよい。
【００１１】
また、前記陽子線照射方向決定支援システムは、陽子線の照射対象となる病巣を含む画像データを入力する入力手段と、前記画像データから病巣の形状情報を抽出する抽出手段とを更に有するようにしてもよい。
【００１２】
この場合において、更に、病巣から体表までの水等価距離を算出し、この算出された水等価距離の分布を示す分布図を表示するようにしてもよい。
【００１３】
また、前記表示手段は、選択された照射方向に対応する分布図上の位置、および、分布図の値が照射方向に関して対称性を有する場合は対称関係のある位置に、マークを表示するようにしてもよい。更に、病巣及びその周囲の組織並びに陽子線ビームを３次元表示し、３次元表示された陽子線ビームの方向と前記分布図上のマークが連動するようにしてもよい。
【００１４】
また、選択された照射方向の緯度と経度の値と、その照射方向に対応する拡大ブラッグピーク幅の値、病巣と拡大ブラッグピーク幅が病巣周囲を覆う領域との体積差の値、および、病巣中心から体表までの水等価距離の値を表示するようにしてもよい。
【００１５】
また、陽子線治療で採択できる拡大ブラッグピーク幅が限定されている場合は、前記拡大ブラッグピーク幅に対応する照射方向を各分布図上で特殊表示するようにしてもよい。ここでの特殊表示とは、選択可能な照射方向を明確にするために、例えば、分布図内の他の点や線と、異なる色や方法で表示することをいう。
【００１６】
本発明に係る陽子線照射方向決定支援方法は、陽子線の照射方向の決定を支援する方法であって、陽子線の照射対象となる病巣の形状情報を利用して、複数の照射方向について、病巣を覆うのに必要となる拡大ブラッグピーク幅の値を算出するステップと、算出された値の分布を示す分布図を表示するステップとから構成されることを特徴とする。
【００１７】
この場合、前記算出された拡大ブラッグピーク幅を使って病巣を覆ったときに、病巣からはみ出す領域の体積を複数の照射方向について算出するステップと、算出された体積の値の分布を示す分布図を表示するステップとを更に有するようにしてもよい。
【００１８】
また、前記方法において、陽子線の照射対象となる病巣を含む画像データを入力するステップと、前記画像データから病巣の形状情報を抽出するステップとを更に有するようにしてよい。
【００１９】
また、この場合において、病巣から体表までの水等価距離を複数の照射方向について算出するステップと、算出された水等価距離の分布を示す分布図を表示するステップとを更に有するようにしてもよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
まず、本発明の実施形態が利用される陽子線治療システムについて説明する。図１２は、そのような陽子線治療システムを示す。同図に示すように、本システムは、Ｘ線ＣＴ装置１２０１と、治療計画装置１２０２と、治療装置１２０４とから構成されている。また、治療装置１２０４は、加速器１２０６、ガントリー１２０８、照射ノズル１２０９、治療ベッド１２１０とこれらを制御する制御装置１２０５から構成されている。
【００２２】
Ｘ線ＣＴ装置１２０１は、治療対象となる人体の人体断層像を取得する。Ｘ線ＣＴ装置１２０１によって取得された人体断層像は、治療計画装置１２０２に入力される。治療計画装置１２０２では、各種パラメータ１２０３に基づいて線量分布を計算し、結果の評価・判定を行う。そして、これらのパラメータ１２０３を何回か変更して最も適切な照射条件を決定する。決定された照射条件は、治療装置１２０４内の制御装置１２０５へ入力される。制御装置１２０５は、その照射条件に従って、陽子線の最大飛程、陽子線のＳＯＢＰ、ガントリー１２０８の回転角度、照射ノズル１２０９内に設置されたリッジフィルタなどの各種機器のパラメータ、治療ベッド１２１０の位置や回転角度などを制御する。
【００２３】
図１３は、治療計画装置１２０２を実現するためのコンピュータ・システムを示す。同図に示すように、このシステムは、コンピュータ本体１３０１、画像データ等のデータやオペレータの指示を入力するための入力装置１３０２、入力されたデータに基づく算出結果等を表示するための表示装置１３０３、及び、治療計画用ソフトウエア自体や出力結果を保存しておくための記憶装置１３０４から構成される。
【００２４】
図２は、陽子線治療システムによる治療の様子を示す図である。同図に示すように、陽子線２０３は、人体２０１の内部の病巣２０２に向けて、リッジフィルタ２０４、ボーラス２０５、患者コリメータ２０６を介して照射される。なお、同図の右側に示したグラフは、陽子線２０３を照射したときの深部線量分布２０９を示すグラフであり、横軸Ｄ２０８は、線量を、ＳＯＢＰ２１０での線量を１００％としたときの相対線量［％］で表わし、縦軸ｚ２０７は、陽子線の照射方向の深さを表す。
【００２５】
リッジフィルタ２０４は、ブラッグピークを拡大し、ある一定幅だけ平坦な領域を持つようにするためのものである。ボーラス２０５は、距離補償用フィルタの一種であり、ＳＯＢＰ２１０の後端を病巣２０２の後端に合わせる役目をするものである。ボーラス２０５の形状は、ボーラス２０５から病巣２０２の後縁までの水等価深さが一定値となるように決める。そうすれば、病巣の形状に応じて、病巣より先には、ほとんど線量が与えられないようになる。患者コリメータ２０６は、病巣２０２以外の横方向に陽子線が照射されないように遮蔽をするためのものである。
【００２６】
このようにして病巣に陽子線を照射する場合、ＳＯＢＰの位置は陽子線の入射エネルギーを調整することでコントロールできる。従って、体表から病巣までの水等価深さと、その病巣の深さ方向の水等価厚がわかれば、その病巣にＳＯＢＰをうまく一致させることが可能になる。体表から病巣までの水等価深さと、その病巣の深さ方向の水等価厚はＸ線ＣＴ装置で撮影した画像データを用いて求めることができる。
【００２７】
ところで、前述したように、ＳＯＢＰ幅はリッジフィルタ２０４によって規定されるので、その値は場所によらず一定となり、病巣の水等価厚の最大値にあわせて、ＳＯＢＰ幅を定めると、最大値をとらない位置ではＳＯＢＰは病巣の前縁方向にはみ出すことになる。つまり、病巣近傍の正常組織のいくらかには１００％の線量が与えられてしまうことになる。このようなはみ出し部分が存在することはある程度はやむを得ないが、その量は小さい方が望ましい。そこで、次に、このはみ出し部分について考える。
【００２８】
簡単のため２次元断面における陽子線照射を考える。図３は、照射方向と病巣の形状とはみ出し部分の関係を示す図である。図３（ａ）に示すように照射方向３０１を決めたとき、この方向において、病巣をＳＯＢＰで完全に覆うには、ＳＯＢＰ幅を、この方向で病巣３０２を見たときの病巣の取りうる最大の長さ（深さ）３０３にあわせる必要がある。また、照射方向に垂直な方向の広がりは、照射方向から見たときの病巣の横方向の長さ３０４とする必要がある。ＳＯＢＰ幅３０３はリッジフィルタによって規定され、その位置に関係なく、どこでも一定となるので、結局、線量１００％領域の面積は、病巣の縦方向最大長さ(ＳＯＢＰ幅)３０３と横方向長さ３０４の積に等しい。一方、病巣の面積は画像データからの抽出処理によって求めることができる。従って、前者から後者を引けば、それがはみ出し部分３０５の面積になる。また、病巣の面積は一定値であるので、結局のところ、はみ出し部分３０５の面積が最小になるのは、ある方向から見た病巣の最大長さ３０３とそれに垂直な横方向長さ３０４の積が最小になるような方向に照射方向を選んだときである。これを３次元に拡張して考えると、はみ出し部分の体積は、ある方向から見た病巣の最大長さ(ＳＯＢＰ幅)と、その方向の病巣の射影面積の積に等しく、この積が最小になるような方向に照射方向を選んだときに、はみ出し部分の体積が最小になる。
【００２９】
図３は、その他の例として、病巣の形状が円の場合（ｂ）と、矩形の場合（ｃ）も示している。図３（ｂ）に示すように、病巣の形状が円の場合、病巣の縦方向最大長さ３０７と横方向長さ３０８は円の直径と等しく、どんな照射方向を選んでも一定である。したがって、はみ出し部分３０９の面積は照射方向に関係なく一定値となる。一方、図３（ｃ）に示すように、病巣の形状が矩形の場合、矩形の各辺に垂直な照射方向において、はみ出し部分３１３は完全に０となる。これから、一般に病巣が円に近いものほど照射方向を変化させても、はみ出し量を小さくしにくく、矩形に近いものほど照射方向を変化させれば、はみ出し量を小さくしやすいと考えられる。
【００３０】
以上のことから、陽子線治療の治療計画においては、はみ出し部分の体積が最小になる照射方向を最終解として採用することが、まず考えられる。しかしながら、そのような照射方向を最終解として採用できない場合もありうる。例えば、その方向を選んだときにはそれに対応して、病巣を覆うのに必要となるＳＯＢＰ幅が一意的に決まる。しかし、実際の治療においては、あらかじめ準備されたいくつかのリッジフィルタの中から選択して使用する場合が多く、必ずしも、必要となるＳＯＢＰ幅を実現できるリッジフィルタが用意されているとは限らない。
【００３１】
また、はみ出し部分の体積が最小になる照射方向を選んでも、その方向では病巣と体表との距離が長くなって、不必要に多くの正常組織を被曝させることにもなりかねない。そこで、はみ出し部分の体積、ＳＯＢＰ幅、および、病巣から体表までの水等価距離の３つの情報を勘案しながら、照射方向を決定する方が好ましい。
【００３２】
本発明の実施形態においては、照射方向を決定するための判断材料として、上記の３つの情報（ＳＯＢＰ幅、はみ出し部分の体積、および、病巣から体表までの水等価距離）を採用し、これらの情報を比較検討するのを容易にするために、以下のような方法を採る。
【００３３】
まず、照射方向を緯度と経度の組で表わす。図４は、以下の説明で使用される座標系を示す。同図に示すように、人体４０１の内部に病巣４０２があり、その中心に座標原点をとる。照射方向４０３は、経度θ４０４、緯度φ４０５で指定される。
【００３４】
このような座標系のもと、緯度と経度を所定の分解能（角度刻み）にしたがって変化させ、各照射方向毎に上記の３つの値を算出し、各々異なる２次元の地図上にその値の分布を濃淡や等高線などを使って表示する。
【００３５】
はみ出し部分の体積とＳＯＢＰ幅の場合、これらの地図に対称性がある。すなわち、照射方向を単位球面上の点として考えれば、ある照射方向とその逆方向で算出される値は等しくなる（点対称）。従って、はみ出し部分の体積とＳＯＢＰ幅の算出に当たっては、半球面上の点についてだけ、それらの値を計算すればよいことになる。一方、病巣から体表までの水等価距離の場合には、病巣中心を１点決めて、そこから体表までの水等価厚を求める。これには一般に他の２つのような対称性はないので、全方向について算出する必要がある。
【００３６】
図５、図６、図７は、それぞれ、ＳＯＢＰ幅、はみ出し部分の体積、および、病巣から体表までの水等価距離の各分布地図の概念図を示す。これらは、各値の分布を等高線で表示した場合の例である。ＳＯＢＰ幅の分布図５０１は、図４の極座標系に基づいて、横軸に経度θ５０２を、縦軸に緯度φ５０３をとっている。同じ値をとる照射方向（分布図上の点）は、等高線５０４等で示される。また値が最も小さくなる最小点５０５には、×印が表示される。ＳＯＢＰ幅の場合は、その対称性から最小点５０５は２か所あることにある。図６のはみ出し部分の体積の分布図６０１と図７の病巣から体表までの水等価距離の分布図７０１も、図５とほぼ同様である。但し、水等価距離には一般に対称性がないため最小点７０５は１か所だけとなる。
【００３７】
これら３つの地図を同時に表示すれば、相互に比較検討して、望ましい照射方向を絞り込むことが容易に行えるようになる。また、各分布地図上で、オペレータがマウスのピック操作等によって、照射方向（分布図上の点）を選択すると、選択された方向は、その分布図上でマーク表示される。３つの分布地図は相互に連動しており、ある分布地図上で照射方向が選択されると、すべての分布地図上のその方向に対応する位置にマークが表示される。このように、３つの分布地図を連動させることにより、ある照射方向を選択したときの、３つの情報の判断が容易になり、照射方向の決定が容易に行えるようになる。
【００３８】
なお、各分布地図は、値の分布を、等高線でなく、濃淡によって表してもよい。また、値の分布を濃淡で表したものに、等高線を重ねて表示してもよい。等高線の本数や色は、例えば、オペレータの指示により、任意に設定される。
【００３９】
採択できるリッジフィルタの種類に制限がある場合は、リッジフィルタに対応して定まるＳＯＢＰ幅の値を登録しておき、その値をとる照射方向に対応する点（等高線）をＳＯＢＰ幅の分布図５０１上で特殊表示する。特殊表示とは、他の点（等高線）と区別が付くように、例えば、他の点（等高線）とは色を変えて表示することをいう。更に、他の２つの分布図についても、分布図５０１で特殊表示された点（曲線）と同じ点（曲線）を特殊表示する。このようにすることで、既存のリッジフィルタを使う場合に、採用可能な照射方向が明示されるので、その制約の元で、照射方向を選択することが容易になる。なお、既存のリッジフィルタでは実現できないＳＯＢＰ幅を使用する必要がある場合は、採用した照射方向でのＳＯＢＰ幅を実現するフィルタを新たに製作することになる。
【００４０】
次に、上述したようなＳＯＢＰ分布図５０１、はみ出し部分体積分布図６０１、及び、水等価厚分布図７０１を表示させる表示処理について説明する。
【００４１】
図８は、ＳＯＢＰ分布図及びはみ出し部分体積分布図の表示処理を説明するフローチャートである。
【００４２】
まず、実際の表示処理を行う前の準備段階として、病巣、注目組織の形状、位置を設定するため、領域設定処理を行う（Ｓ１５０１）。具体的には、ボクセルから成る３次元配列に格納された３次元画像データから人体組織全体、病巣、および、正常組織の３次元座標を得る処理を行う。なお、人体の断層像に注目した場合、断層像内の各点はピクセルと呼ばれ、断層像複数枚からなる全体に注目した場合、内部の各点はボクセルと呼ばれる。上記の処理は、３次元画像データから病巣等の領域内にあるボクセルを識別し、その存在範囲をコンピュータ内のメモリに記憶させるものである。
【００４３】
病巣領域の設定には各種の方法があるが、ここでは、オペレータが、表示装置に表示された断層像上で病巣領域を指定する領域指定法について説明する。治療計画では一般的にＸ線ＣＴ装置で撮影された画像データを利用するが、これは人体の断層像複数枚から成るものである。コンピュータの画面上に断層図を表示し、まずは、病巣が存在するものを見つける。そして、その断層像上でマウス等のポインティング・デバイスを使って病巣領域を囲む曲線を描く。このとき、曲線の内部の各点に対応するメモリ領域に、病巣領域であることを識別するためのフラグをたてる。これによって、コンピュータは、そこを病巣組織であると判別することができるようになる。この処理を病巣が存在する断層像すべてにわたって行い、病巣領域の３次元的な存在範囲を特定する。なお、３次元座標を得る方法としては、これ以外にも、画像濃度のしきい値を使う方法や組織の連結情報を使う領域拡張法などの半自動的な抽出方法などがある。
【００４４】
上記のような方法によって、例えば、病巣が１つ、正常組織が複数個設定される。そして、設定された組織についてのデータは、内部メモリや外部記憶装置に保存される。
【００４５】
次に、そのようにして指定された病巣領域の体積を算出する（Ｓ１５０２）。画像データではボクセルの縦、横、高さの各長さが既知であるので、それを利用して病巣体積を計算し、メモリ内に記憶しておく。ここでは、水等価距離を使って体積を計算するので、各ボクセルの密度を重み付けして体積を求める。なお、水等価距離とは、仮に人体組織の密度が水のそれと等しいとした場合の２点間の距離である。Ｘ線ＣＴ装置で得られた画像データに対して、ある値が水の密度1.0に対していくつになるかを計算する変換方法は、例えば、所定の関数で与えられ、変換後の密度を重みとして２点間の線績分を行うことで、その水等価距離が計算できる。
【００４６】
次に、初期照射方向を設定する（Ｓ１５０３）。つまり、最初の計算に使われる照射方向を規定する緯度θと経度φを設定する。
【００４７】
以上のような準備処理が完了すると、次に、病巣領域の設定処理（Ｓ１５０１）で得られた病巣の形状情報に基づいて、各照射方向におけるＳＯＢＰ幅及びはみ出し部分の体積を計算して、それらの分布地図を表示するための処理を行う。
【００４８】
そのために、まず、設定された照射方向に基づいて、リサンプリングを行う（Ｓ１５０４）。任意の照射方向を考えた場合、一般に、上記の断層像間同士を斜めによぎる方向を対象とすることもある。そのような場合には、その照射方向に沿って格子点を取り直し、ボクセルを並び替える必要がある。このような処理をリサンプリングという。リサンプリングは、病巣を含む限られた範囲だけで行ってもよいし、画像データ全体で行ってもよい。リサンプリングによって病巣領域の存在範囲も新たな格子点上に展開され直すことになる。
【００４９】
次に、リサンプリングされた３次元データ使って、病巣の最大長さの算出を行う（Ｓ１５０５）。この場合、まず、現時点での照射方向でリサンプリングされたデータをスキャニングして、病巣の奥行き方向で幅が最大となるものを探し、その長さを水等価厚で求める。そして、求めた最大値を、照射方向と組にしてメモリ中に記憶しておく。
【００５０】
次に、現時点の照射方向に関して、病巣射影面積の算出を行う（Ｓ１５０６）。すなわち、現時点の照射方向に垂直な方向での病巣の存在範囲を特定し、病巣の射影面積を求め、メモリ中に記憶しておく。ここでも、水等価距離を使って射影面積を計算する。
【００５１】
次に、はみ出し部分の体積の算出を行う（Ｓ１５０７）。すなわち、Ｓ１５０５で求めた病巣縦方向最大長さとＳ１５０６で求めた病巣射影面積の積を求め、これからＳ１５０２で求めた病巣体積を減じて、はみ出し部分体積を計算する。得られた値は現時点での照射方向と組にしてメモリ内に記憶しておく。
【００５２】
次に、すべての計算すべき方向について、処理を終了したかどうかを判定する（Ｓ１５０８）。ここでの計算すべき方向とは、ＳＯＢＰ幅及びはみ出し部分の体積は共に、ある照射方向とその正反対の方向でその値が等しくなるので、３次元空間内の全方向の半分である。
【００５３】
判定の結果、まだ、計算していない方向が有る場合は（Ｓ１５０８：ＮＯ）、照射方向の変更を行う（Ｓ１５０９）。すなわち、設定された分解能に従って、ある角度刻み分だけ現時点の照射方向を表す緯度θや経度φを変更し、変更後の方向について、あらためてＳＯＢＰ幅及びはみ出し部分の体積を計算する（Ｓ１５０４〜Ｓ１５０７）。
【００５４】
一方、必要なすべての方向に関して、病巣縦方向最大長さ及びはみ出し部分体積の算出が終了した場合は（Ｓ１５０８：ＹＥＳ）、照射方向と対応した形式でメモリ中に格納された病巣縦方向最大長さ及びはみ出し部分体積の値をそれぞれ読み出して、図５及び図６に示したようなＳＯＢＰ分布図及びはみ出し部分体積の分布図を表示する（Ｓ１５１０）。
【００５５】
図９は、水等価厚分布図の表示処理を説明するフローチャートである。
【００５６】
まず、上述したＳ１５０１及びＳ１５０２と同様の処理によって、病巣領域の設定処理Ｓ１６０１及び初期照射方向の設定処理Ｓ１６０２が行われる。
【００５７】
病巣領域の設定処理Ｓ１６０１及び初期照射方向の設定処理Ｓ１６０２が終了すると、病巣−体表間の水等価厚の算出を行う（Ｓ１６０３）。すなわち、現時点の照射方向において、あらかじめ決めておいた病巣内の１点と体表までの水等価厚を計算する。得られた値は現時点での照射方向と組にしてメモリ中に記憶しておく。病巣内の１点は、例えば、病巣に外接する直方体の中心などが選ばれる。
【００５８】
次に、計算すべき方向をすべて計算したかどうかを判定する（Ｓ１６０４）。病巣−体表間の水等価厚は、一般に対称性を有しないので、計算すべき方向は３次元空間内の全方向とする。判定の結果、まだ、計算していない方向が有る場合は（Ｓ１６０４：ＮＯ）、照射方向の変更を行う（Ｓ１６０５）。すなわち、設定された分解能に従って、ある角度刻み分だけ現時点の照射方向を表す緯度θや経度φを変更し、変更後の方向で、あらためて病巣から体表までの水等価厚を計算する。
【００５９】
一方、すべての方向に関して、病巣−体表間の水等価厚の算出が終了した場合は（Ｓ１６０４：ＹＥＳ）、水等価厚分布図の表示を行う（Ｓ１６０６）。すなわち、照射方向と対応した形式でメモリ中に格納された病巣−体表間の水等価厚の値を読み出して、図７に示したような分布図を表示する。
【００６０】
以上、ＳＯＢＰ分布図、はみ出し部分体積分布図、及び、水等価厚分布図を表示させる表示処理について、便宜上、図８の処理と図９の処理とに分けて説明したが、実装条件に応じて、ＳＯＢＰ分布図、はみ出し部分体積分布図、及び、水等価厚分布図を、それぞれ別の処理で表示したり、全部を１つの処理で表示してもよい。
【００６１】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。本実施形態においては、上述したＳＯＢＰ幅、はみ出し部分の体積、および、病巣から体表までの水等価距離の各分布地図に加えて、３次元表示を併用する。３次元表示とは病巣と共にその周囲にあるいくつかの正常組織を２次元投影面に立体的に陰影を付けて表示することをいう。これによって、ある照射方向が実際の人体に対してどんな方向になるのかを直感的に理解することが容易になる。
【００６２】
本実施形態では、組織と陽子線ビームを３次元的に重ね合わせて、両者を半透明で２次元投影面に表示する。そして、ある照射方向を分布地図上で選択したとき、選択された照射方向に対応して、その方向を示す陽子線ビームを人体組織に重ね合わせて３次元表示する。これにより、その方向を直感的に把握することが可能になる。
【００６３】
逆に、３次元表示において照射方向を指定すれば、その方向を上記の分布地図上にマークを付けて表示するようにしてもよい。こうすれば直感的に把握した照射方向について、分布図を使った定量的な判断を行うことが可能になる。
【００６４】
陽子線ビームは病巣を中心として任意本数分生成可能で、各ビームを任意方向に設定することができるものとする。なお、病巣中心点は、初期位置として、病巣に外接する直方体の対角線交点がとられ、その後、その位置が調整できるものとする。
【００６５】
また、３次元表示においては、表示対象を任意回転させて表示したり、任意断面で切断して内部を表示したりすることができるようにする。また、領域設定を行った組織のうち任意組織に対して表示/非表示を選択できるようにする。
【００６６】
図１０は、３次元表示の様子を示す図である。同図に示すように、体表８０１の内部に、脊柱８０２、心臓８０３、左肺８０４、右肺８０５、及び、病巣８０６が３次元表示されている。更に、照射方向を示す矢印８０７に対応して陽子線ビーム８０８が体表８０１から病巣８０６まで伸びている。照射方向の確認のために観察する場合、これら全体を３次元空間内で回転させることにより、照射の状況が任意方向から観察できることになる。３次元画像を使って照射方向を決定する場合は、陽子線ビーム８０８をマウスカーソルなどでドラッグして方向を指定したり変更したりする。照射方向を多方向設定する場合は、指定本数だけ陽子線ビーム８０８が表示され、１つの場合と同様に、各陽子線ビームをマウスなどを使って操作する。
【００６７】
以上、説明したように、分布地図と３次元表示を併用することにより、分布地図では定量的な情報を、そして、３次元表示では定性的な情報を提示できる。つまり、これら２つの異なる情報を同時に提示することにより、これら性質の異なる情報が相互に補い合って、照射方向を決定することがより容易になる。
【００６８】
図１は、以上説明した本発明による陽子線照射方向決定支援システムの表示画面の一例を示す。同図に示すように、この表示画面は、ＳＯＢＰ幅の分布図１０１、はみ出し部分の体積の分布図１０２、病巣から体表までの水等価厚の分布図１０３、表示方法選択ボタン１０４、等高線本数設定用スクロールバー１０５、等高線本数初期化ボタン１０６、等高線色パレット１０７、等高線色設定領域１０８、等高線色初期化ボタン１０９、数値テーブル１１０、分解能設定用スクロールバー１１１、３次元表示画面１１２、連動ボタン１１３、３次元画像緯度回転用スクロールバー１１５、３次元画像経度回転用スクロールバー１１６、３次元画像表示対象選択ボタン１１７、発生ボタン１１８、消去ボタン１１９、選択／移動ボタン１２０とから構成されている。オペレータは、この画面上でマウス等のポインティング・デバイスを使って、操作対象について、ピックやドラッグなどの操作を行う。
【００６９】
表示方法選択ボタン１０４は、分布図を濃淡、等高線のどちらで表示するかを設定するトグルボタンである。等高線本数設定用スクロールバー１０５は、等高線の本数を設定するためのものである。等高線本数初期化ボタン１０６は、設定値を初期化するためのものである。オペレータは、等高線色パレット１０７から色を選択して、それを等高線色設定領域１０８へ置くことで等高線の色を設定する。等高線色の初期化は等高線色初期化ボタン１０９で行う。
【００７０】
数値テーブル１１０は、分布図１０１〜１０３上や３次元表示画面上でオペレータによって選択された照射方向に対応して、照射方向の緯度及び経度、ＳＯＢＰ幅、はみ出し部分の体積、および、病巣と体表の水等価厚を数値で表示する。それらの数値は各分布図１０１、１０２、１０３でマーク付けされたものと整理番号で対応づけされる。
【００７１】
分解能設定用スクロールバー１１１は、分布図１０１〜１０３の緯度・経度の角度刻みを変更するためのものである。オペレータがこのスクロールバー１１１を使って、分解能を変更すると、変更後の分解能にしたがって、各値が計算され、変更後の分解能で分布図１０１〜１０３が表示される。
【００７２】
連動ボタン１１３をピックすると、３次元表示画面１１２には、各分布図１０１、１０２、１０３で選択された照射方向に対応して陽子線ビーム１１４が表示されるようになる。陽子線ビーム１１４は、ドラッグすることでその方向を変更でき、そのとき各分布図１０１、１０２、１０３の対応するマークも移動する。連動ボタン１１３を再度ピックすると、それ以降は、連動表示を行わないようになる。３次元画像緯度回転用スクロールバー１１５、３次元画像経度回転用スクロールバー１１６を操作すれば、３次元表示画面１１２内の表示物全体が回転させることができる。
【００７３】
３次元画像表示対象選択ボタン１１７は、３次元表示画面１１２内のどの臓器を表示するかを指定するためのトグルボタンである。再度、３次元画像表示対象選択ボタン１１７をピックすると、その臓器の表示は消える。
【００７４】
発生ボタン１１８をピックした後に、分布図１０１、１０２、１０３、あるいは、３次元表示画面１１２の上で、マウスカーソルをピックすれば、それに従ってマーク、あるいは、陽子線ビーム１１４を発生させることができる。消去ボタン１１９をピックすれば分布図１０１、１０２、１０３内で選択されていたマーク、あるいは、３次元表示１１２内で選択されていた陽子線ビーム１１４を消去することができる。
【００７５】
選択／移動ボタン１１９をピックすれば分布図１０１、１０２、１０３、あるいは、３次元表示画面１１２で選択したマーク、あるいは、陽子線ビーム１１４を連動、あるいは、移動させることができる。
【００７６】
次に、陽子線照射方向決定支援システムの操作例について説明する。
【００７７】
図１１は、オペレータの指示に対応して、システムが行う処理を説明するフローチャートである。
【００７８】
まず、システムが起動されると、システムは、図８及び図９を使って説明したような処理によって、ＳＯＢＰ幅、はみ出し部分の体積、および、病巣から体表までの水等価厚を算出し、それぞれの値の分布を緯度・経度の組で表わした分布図を等高線等を使って表示する（Ｓ１１０１）。この場合、初めて分布図を表示するときは、事前に設定された分解能（緯度・経度の角度刻み）、等高線本数および等高線色を使って算出・表示を行い、そうでない場合は、直前に設定された値を使って算出・表示を行う。
【００７９】
次に、オペレータによってパラメータの変更が指示されたか否かを判断する（Ｓ１１０２）。すなわち、等高線本数や等高線色の変更が指示されたか否かを判定する。判定の結果、変更が指示されていた場合は、続けて、その指示が初期状態への遷移の指示か否か、すなわち、等高線本数および等高線色を初期状態に戻す指示がされたか否かを判定する（Ｓ１１０３）。判定の結果、初期状態に戻す場合は、各種パラメータを初期値に戻して、初期値にしたがって、各分布図を再描画する（Ｓ１１０１）。
【００８０】
一方、初期状態遷移の指示でなかった場合は、等高線の本数を、指定された本数に変更し（Ｓ１１０４）、等高線色を選択された色に変更する（Ｓ１１０５）。そして、変更された値によって、再度、各分布図を表示する（Ｓ１１０１）。
【００８１】
上記操作によって、所望の表示を得たオペレータは、注目する照射方向を任意位置で任意個数、適宜指定する（Ｓ１１０６〜Ｓ１１０７）。指定された指定方向は、システムによって画面上でマーク表示される。このとき、ある照射方向が指定されると、システムは、照射方向の正・逆方向の対称性を考慮に入れて、対象性がある分布図においては、対応する方向もマーク表示する。この際、どれとどれが対称関係にある照射方向かがわかるように、マークの色や形を揃えて表示する。
【００８２】
また、オペレータは、候補として指定された照射方向の中から３次元表示と連動させる照射方向を適宜選択する（Ｓ１１０８〜Ｓ１１０９）。この場合、複数個選択することも可能である。
【００８３】
次に、各分布図の分解能、すなわち、緯度・経度の角度刻みの変更がオペレータによって指示されたか否かを判定する（Ｓ１１１０）。判定の結果、変更が指示された場合は、システムは、各分布図の緯度・経度の角度刻みを変更し（Ｓ１１１１）、変更後の分解能（角度刻み）に基づいて、ＳＯＢＰ幅等を算出し、分布図の表示を行う（Ｓ１１０１）。
【００８４】
一方、分解能の変更が指示されなかった場合、更に、３次元表示との連動をさせるか否かの判定を行う（Ｓ１１１２）。すなわち、オペレータによって、選択された照射方向と３次元表示との連動が指示されたか否かを判定する。判定の結果、連動が指示された場合は、選択された照射方向に連動して３次元表示を行う（Ｓ１１１３）。３次元表示画面においては、領域設定処理で設定された組織の表示／非表示を指定することができる。また、表示対象物は任意方向に回転させることができる。
【００８５】
オペレータは、上述したような操作を経て照射方向の候補を比較検討することによって、最適な照射方向を決定する。照射方向を決定した場合は、次に、その照射方向におけるＳＯＢＰ幅を記憶装置に保存するかどうかを判定する（Ｓ１１１４）。判定の結果、保存する場合は、ＳＯＢＰ幅を記憶装置に保存する（Ｓ１１１５）。このようにして保存されたＳＯＢＰ幅は、実際の陽子線治療に使用されるリッジフィルタの選択（また、必要であれば、製作）に利用される。
【００８６】
続けて、決定した照射方向を記憶装置に保存するかどうかを判定する（Ｓ１１１６）。判定の結果、保存する場合は、照射方向を記憶装置に保存し（Ｓ１１１７）、処理を終了する。このようにして保存された照射方向に基づいて、実際の陽子線治療が行われる。一方、保存しない場合は、そのまま処理を終了する。
【００８７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明による陽子線照射方向決定支援システムでは、病巣を覆うのに必要なＳＯＢＰ幅、ＳＯＢＰで病巣を覆ったときのはみ出し部分の体積、病巣と体表までの水等価距離の分布図を表示するので、使用できるリッジフィルタ、あるいは、どのようなリッジフィルタを製作すればよいかを念頭に置きながら、各分布図を比較することにより、照射方向を決定するにあたって、定量的な判断を行うことができる。更に、三次元表示と連動させることで、照射方向を直感的に把握しつつ、最終的な照射方向を対話的に絞り込んでいくことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による陽子線照射方向決定支援システムの表示画面の一例を示す図である。
【図２】  陽子線治療システムによる治療の様子を示す図である。
【図３】  照射方向と病巣の形状とはみ出し部分の関係を説明する図である。
【図４】  本発明の実施形態で使用される座標系を示す図である。
【図５】  ＳＯＢＰ幅分布図の例を示す図である。
【図６】  はみ出し部分体積分布図の例を示す図である。
【図７】  病巣から体表までの水等価厚分布図の例を示す図である。
【図８】  ＳＯＢＰ分布図及びはみ出し部分体積分布図の表示処理を示すフローチャートである。
【図９】  水等価厚分布図の表示処理を示すフローチャートである。
【図１０】  ３次元表示の例を示す図である。
【図１１】  オペレータの指示に応じたシステムの動作を説明するフローチャートである。
【図１２】  本発明の実施形態が利用される陽子線治療システムを示す図である。
【図１３】  本発明によるシステムを実現するコンピュータシステムを示す図である。
【符号の説明】
１０１  ＳＯＢＰ分布図
１０２  はみ出し部分体積分布図
１０３  水等価厚分布図
１０４  表示方法選択ボタン
１０５  等高線本数設定用スクロールバー
１０６  等高線本数初期化ボタン
１０７  等高線色パレット
１０８  等高線色設定領域
１０９  等高線色初期化ボタン
１１０  数値テーブル
１１１  分解能設定用スクロールバー
１１２  ３次元表示画面
１１３  連動ボタン
１１４  陽子線ビーム
１１５  ３次元画像緯度回転用スクロールバー
１１６  ３次元画像経度回転用スクロールバー
１１７  ３次元画像表示対象選択ボタン
１１８  発生ボタン
１１９  消去ボタン
１２０  選択／移動ボタン
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003926468.tif 000009
【図９】
0003926468.tif 000010
【図１０】
0003926468.tif 000011
【図１１】
0003926468.tif 000012
【図１２】
0003926468.tif 000013
【図１３】
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