(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
患者位置の目標位置からのずれ量を計測するための患者位置ずれ計測装置において、
予め計算した患者位置ずれ量の予想範囲内における、画像上の画素の動きをベクトルで表したオプティカルフローを全て保存する保存手段と、
実際のオプティカルフローを計測する計測手段と、
前記保存手段に保存された保存オプティカルフローと実際に計測された計測オプティカルフローを比較して、患者の位置ずれ量を求めるマッチング手段と、
を備えたことを特徴とする患者位置ずれ計測装置。
【請求項２】
予め計算した各オプティカルフローで合成ベクトルのノルムを計算し、該ノルムが最大となる基準ノルムを求める手段を備え、
該基準ノルム近傍で前記実際のオプティカルフローを計測することを特徴とする請求項１に記載の患者位置ずれ計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の患者位置ずれ計測装置と、
該患者位置ずれ計測装置により求められた位置ずれ量に応じて、患者の位置決めを行う患者位置決め制御装置と、
を備えたことを特徴とする患者位置決め装置。
【請求項４】
請求項３に記載の患者位置決め装置と、
該患者位置決め装置により位置決めされた患者に放射線を照射する放射線照射装置と、
を備えたことを特徴とする放射線治療装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、患者位置ずれ計測装置、及び、これを用いた患者位置決め装置、並びに放射線治療装置に係り、特に、外部照射による放射線治療の患者位置決めに用いるのに好適な、患者位置の目標位置からのずれ量を計測するための患者位置ずれ計測装置、及び、これを用いた患者位置決め装置、並びに放射線治療装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、外部照射による放射線治療、特に、線量局在性に優れた放射線治療を行う際には、放射線を照射ターゲットである病巣に正確に照射するために、正確に患者を位置決めする必要がある。
【０００３】
図１に、放射線治療で一般的に行われている患者位置決めの様子を示す。
【０００４】
患者位置決めに際しては、図２に示す如く、まずステップ１００で、放射線の照射門数、方向、強度等の照射計画（治療計画と称する）を決定するために、Ｘ線ＣＴ撮影装置１２で、患者１０のＸ線ＣＴ画像を撮影する。
【０００５】
次いでステップ１１０に進み、治療計画装置３０で、前記Ｘ線ＣＴ画像を用いて、照射する患部の位置や大きさを把握し、照射方向や厚さ等の条件（いわゆる照射パラメータ）を決定する治療計画を行う。具体的には、撮影したＸ線ＣＴ画像を用い、患者の体輪郭や腫瘍領域の設定、更に放射線を照射してはいけない重要臓器の入力設定を行い、これらの３次元モデルを作成する。この３次元モデル及び画像を用いて治療計画を行い、照射方向や、照射線量を、計算機シミュレーションにより決定する。照射の際、計画に使用したＸ線ＣＴと治療台上の患者の位置や姿勢がずれていると、正確な照射ができないため、照射治療の際の患者位置決めは、治療の成否を決める非常に重要な作業となる。
【０００６】
治療計画終了後、ステップ１２０で、患者位置決めのための疑似Ｘ線画像を計算機シミュレーションにより作成する。該疑似Ｘ線画像は、例えば患者上方及び側方からの２方向を作成し、記録装置に記録保存する。
【０００７】
ここまでが、照射治療のための事前準備となる。
【０００８】
次いで、患者位置決めのための作業を行う。これには、事前位置決め段階１３０と、照射時位置決め段階１４０の２つの作業があり、事前位置決め１３０は、照射治療前に１回だけ行う。放射線の外部照射治療の場合、通常２０〜３０回の分割照射が行われるが、照射時位置決め１４０は、照射毎に毎回行われる。従って、この位置決め作業を簡略化できれば、技師と患者の双方の負担を減らすことができる。
【０００９】
前記事前位置決め段階１３０では、例えば患者の体表（又は患者固定具表面）へのマーキングと、照射時位置決めのためのＸ線画像撮影を行う。
【００１０】
具体的には、図１に示すように、ステップ１３２で、治療用の回転ガントリ１４内の治療台１６上における患者１０の位置を大まかに推定し、これに合わせて治療台１６を目視による手動操作で移動する（荒位置決めと称する）。
【００１１】
次いでステップ１３４に進み、患者１０の例えば上方と側方と２方向から、例えばＸ線発生装置２２Ａ、２２Ｂ及びＸ線撮像装置２４Ａ、２４Ｂをそれぞれ含むＸ線透過撮影装置２０Ａ、２０Ｂを用いてＸ線透過撮影を行い、ステップ１２０で作成した疑似Ｘ線画像と一致するように、治療台１６を動かす。治療台１６を動かしたら、再度Ｘ線画像を撮影し、結果を確認する。必要に応じ、この作業が繰り返される（詳細位置決めと称する）。
【００１２】
両者が一致したら、ステップ１３６に進み、２つのＸ線透過画像を記録装置に記録保存する。
【００１３】
次いでステップ１３８で、例えば照射装置系に固定された投光器により、患者体表に投影されたマーカーを、例えばインキ等で体表や固定具に転写する。
【００１４】
最後に、実際の照射治療の度に、照射時位置決め１４０を行う。具体的には、ステップ１４２で、体表のマーカーと照射装置系に固定された投光器による投影マーカーを一致させるよう、目視による手動操作で治療台１６を動かす（荒位置決めと称する）。
【００１５】
次いでステップ１４４で、Ｘ線透過撮影を行い、ステップ１３６で保存した位置決め用Ｘ線透過画像と一致するように、治療台１６を動かす。治療台１６を動かしたら、再度Ｘ線透過画像を撮影し、結果を確認する。必要に応じて、この作業が繰り返される（詳細位置決めと称する）。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
放射線は、前記治療計画で決定された照射パラメータに基づいて照射されるが、Ｘ線ＣＴ撮影装置１２と治療装置（回転ガントリ１４）は異なる装置であるため、治療台１６上の患者１０の座標系と、治療計画時に用いたＸ線ＣＴ画像の座標系との間には、若干のずれが生じることになる。従って、治療計画どおりに正確に患部に照射するためには、この座標系のずれを補正する必要がある。ずれ量を正確に測定できれば、例えば６自由度の治療台１６により、患者位置の補正が可能である。
【００１７】
前記ステップ１３４及び１４４の詳細位置決めでは、Ｘ線透過画像を用いて患者位置の計測を行っている。Ｘ線透過画像では、骨等の密度の高い物質は比較的視認し易いが、筋肉やその他の軟部組織は判別が難しい。従って、通常は近傍にある骨等の特徴ある形状をランドマークとして位置決めを行うが、胸部や腹部のような体幹部では、コントラストが低く、正確な位置決めが困難であるという問題点を有していた。
【００１８】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、判別が難しい軟部組織中の照射ターゲットの位置を直接計測することにより、位置決め精度を向上させることを第１の課題とする。
【００１９】
本発明は、又、放射線の照射精度を向上させて、病院側スタッフ及び患者の負担を軽減することを第２の課題とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、患者位置の目標位置からのずれ量を計測するための患者位置ずれ計測装置において、予め計算した患者位置ずれ量の予想範囲内における、画像上の画素の動きをベクトルで表したオプティカルフローを全て保存する保存手段と、実際のオプティカルフローを計測する計測手段と、前記保存手段に保存された保存オプティカルフローと実際に計測された計測オプティカルフローを比較して、患者の位置ずれ量を求めるマッチング手段と、を備えることにより、前記第１の課題を解決したものである。
【００２３】
又、予め計算した各オプティカルフローで合成ベクトルのノルムを計算し、該ノルムが最大となる基準ノルムを求める手段を備え、該基準ノルム近傍で前記実際のオプティカルフローを計測するようにして、照射ターゲットの検出を容易としたものである。
【００２５】
本発明は、又、患者位置決め装置において、前記の患者位置ずれ計測装置と、該患者位置ずれ計測装置により求められた位置ずれ量に応じて、患者の位置決めを行う患者位置決め制御装置とを備えることにより、同じく前記第１の課題を解決したものである。
【００２６】
本発明は、又、放射線治療装置において、前記の患者位置決め装置と、該患者位置決め装置により位置決めされた患者に放射線を照射する放射線照射装置とを備えることにより、前記第２の課題を解決したものである。
【００２７】
前記オプティカルフローとは、画像上の画素の流れ（動き）をベクトルで表わしたものを言い、通常は動画像のフレーム間での各画素の動きをベクトルで求めることで、移動方向を検出するのに用いられている。その特徴は、瞬間瞬間の微小変化を扱い、変化が連続的であれば、各画素の動きが流れるように変化するところであると判断する。移動ベクトルを検出できれば、移動物体の把握や追跡や可能であり、交通量調査や人間のジェスチャの認識等に用いることが検討されている。
【００２８】
本発明では、このオプティカルフローを利用して、照射ターゲットの３次元位置決めを行う。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３０】
本発明に係る放射線治療装置の実施形態は、図３に示す如く、図１に示したＸ線ＣＴ撮影装置１２で撮影された、放射線治療に必要なＸ線ＣＴ画像を保存する画像データベース（ＤＢ）３２と、該画像ＤＢ３２からＸ線ＣＴ画像を取出し、照射ターゲットの３次元位置・形状入力や、線量分布シミュレーションを行って、放射線治療の照射パラメータを決定する、従来と同様の治療計画装置３０と、該治療計画装置３０で設定された照射ターゲット付近のオプティカルフロー情報、及び、患者１０の回りに回動可能な照射ノズル１８から放射線を照射して治療を行うための回転ガントリ１４の回転情報を計算し、後出３次元（３Ｄ）位置決め制御装置３６に送信する、本発明に係る３次元（３Ｄ）位置決め計画装置３４と、まず、該３Ｄ位置決め計画装置３４で計算されたガントリ回転情報に基づきＸ線透過撮影を行って、その画像を収集し、次に、この画像からオプティカルフローを計算して、照射ターゲット付近のオプティカルフロー情報とのずれを計算し、これを治療台１６の回転・移動情報に変換する、本発明に係る３次元（３Ｄ）位置決め制御装置３６とを含んで構成されており、これらが、治療システムのネットワークに接続されている。
【００３１】
前記３Ｄ位置決め計画装置３４では、図４に示す如く、まずステップ２００で、治療直前の患者位置決めで行われているＸ線透過撮影の画像を、１回転分（ガントリ角度０〜３６０°）、設定された各回転角度ステップ（例えば２°）でシミュレーションして、図５に示す如く、多ガントリ方向からのＸ線透過シミュレーション画像ＸＩ（ｎ）、ＸＩ（ｎ＋１）・・・を作成する。ステップ角度は任意に設定できるが、例えば２°に設定すると、１８０枚のＸ線透過シミュレーション画像が作成される。
【００３２】
次いで、ステップ２１０で、前記治療計画装置３０で設定された照射ターゲット付近のオプティカルフローを、各シミュレーション画像間で計算する。具体的には、図６に示す如く、２つの隣接するＸ線透過シミュレーション画像Ｘ（ｎ）、Ｘ（ｎ＋１）において、同じ場所に設定した、ある微小領域内の等輝度画素は、同じ物が移動したと仮定して、２つの画素間の移動ベクトルを算出することにより、オプティカルフローを計算して、図６の右側に示すようなオプティカルフロー画像Ｏを得る。画像中の矢印が、Ｘ（ｎ）とＸ（ｎ＋１）との間での移動量と方向を示す。筋肉やその他の、コントラストが低い、軟部組織であっても、動きの判別は可能である。
【００３３】
次いでステップ２２０に進み、図７に示す如く、それぞれのオプティカルフロー画像で、画像中心付近のオプティカルフローベクトルｏｆ（ｉ）及びそのノルム（絶対値）を計算し、その中から最大のノルム値を検索して、基準ノルムＸＮ（ｎ）とする。又、このときのオプティカルフローを基準オプティカルフローとし、この基準オプティカルフローを計算した回転角度情報と合わせて、計３つの情報を保存する。基準ノルム近傍では、オプティカルフローベクトルが大きく、照射ターゲット付近での画像の見え方に大きな変化があると考えられるため、この回転角度情報を用いて、Ｘ線透過撮影を行えば、照射ターゲットを検出し易くなる。
【００３４】
前記３Ｄ位置決め計画装置３４は、次いで、図８のステップ２３０に進み、この回転角度近傍で患者セットアップ誤差（例えば±３０％）の範囲で、Ｘ線ＣＴ画像を回転・移動させて、ステップ２４０で、図９に示す如く、ベッド角度やチルト角度も入れて基準角度周辺微小領域のＸ線透過シミュレーション画像を再作成し、回転・移動量（ｎ）と、そのときのオプティカルフロー（ｎ）（ステップ２５０）、合成ベクトルのノルム（ｎ）（ステップ２６０）を計算して、テーブルに保存する。この保存情報は、前記３Ｄ位置決め制御装置３６に転送される。
【００３５】
前記３Ｄ位置決め制御装置３６は、図１０に示す如く、ステップ３１０で前記３Ｄ位置決め計画装置３４から出力された回転角度情報と回転角度ステップ情報を用いて、回転ガントリ及びＸ線透過撮影装置を制御し、Ｘ線透過撮影を行い、ステップ３２０で、計測されたオプティカルフローを計測オプティカルフローとして計算し、保存する。更に、ステップ３３０で、合成ベクトルのノルムも計算し、計測ノルムとして保存する。
【００３６】
次いで図１１のステップ３４０に進み、この計測オプティカルフローＯｆｍ（ｉ）と、テーブルとして保存したオプティカルフローＯｆｍ（ｉ）とのパターンマッチングを、図１２に示す如く、例えば対応する画素毎のベクトルの内積の総和ＰＭをとることによって行い、マッチングの値が最小（ＰＭは最大）になった回転・移動量を、回転・移動のずれ量として出力する。
【００３７】
本実施形態においては、照射ターゲット近傍での画像の見え方に大きな変化があると考えられる基準ノルム近傍での回転角度情報を用いて、Ｘ線透過撮影を行っているので、照射ターゲットを容易に精度良く検出できる。なお、基準ノルム近傍でなくても十分な精度が得られる時には、他の回転角度で位置ずれを検出することも可能である。
【００３８】
更に、高速計算が可能になれば、リアルタイムでのシミュレーションも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、骨等の密度の高い物質を代わりに用いるのではなく、照射ターゲットそのものを計測するので、位置決めの精度が向上する。従って、放射線の照射精度が向上して、病院側スタッフと患者双方の負担を軽減させることができる。
【００４０】
又、実際のＸ線透過撮影は、１回で済み、患者の被爆量が低減される。
【００４１】
特に、全自動で位置決めを行うようにした場合には、オペレータ毎のばらつきを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】放射線治療で一般的に行われている患者位置決めの様子を示す線図
【図２】前記患者位置決め作業の手順を示す流れ図
【図３】本発明が採用された放射線治療装置の全体構成を示すブロック図
【図４】前記実施形態で用いられている３次元位置決め計画装置の動作の前半を示す流れ図
【図５】前記３次元位置決め計画装置において、多ガントリ角度方向からシミュレーション画像を作成している様子を示す斜視図
【図６】同じくオプティカルフローを計算している様子を示す線図
【図７】同じくオプティカルフローの特徴量を計算している様子を示す線図
【図８】前記３Ｄ位置決め計画装置の動作の後半を示す流れ図
【図９】前記３Ｄ位置決め計画装置において、基準角度周辺微小領域でのシミュレーション画像を作成している様子を示す斜視図
【図１０】前記実施形態で用いられている３Ｄ位置決め制御装置の動作の前半を示す流れ図
【図１１】同じく後半を示す流れ図
【図１２】前記３Ｄ位置決め制御装置において、オプティカルフローのパターンマッチングを行っている様子を示す線図
【符号の説明】
１０…患者
１２…Ｘ線ＣＴ撮影装置
１４…回転ガントリ
１６…治療台（患者ベッド）
２０Ａ、２０Ｂ…Ｘ線透過撮影装置
２２Ａ、２２Ｂ…Ｘ線発生装置
２４Ａ、２４Ｂ…Ｘ線撮像装置
３０…治療計画装置
３２…画像データベース（ＤＢ）
３４…３次元（３Ｄ）位置決め計画装置
３６…３次元（３Ｄ）位置決め制御装置
Ｏ…オプティカルフロー画像
【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】
0004159227.tif 000009
【図９】
0004159227.tif 000010
【図１０】
0004159227.tif 000011
【図１１】
0004159227.tif 000012
【図１２】
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