(57)【要約】【課題】実際の腫瘍運動を再現するため３次元の並進運動が可能な自由度を持ち、放射線治療の品質保証に活用できる追従精度を有する動体ファントムシステムを提供する。【解決手段】ロボット動体ファントムシステム（６０）は、３次元の並進運動自由度を有するロボットマニピュレータ（６１）と、ロボットマニピュレータ（６１）を制御するロボット制御装置（６２）と、ロボットマニピュレータ（６１）の先端に固定され、人体と同等の放射線吸収率を有するファントム（６５）と、腫瘍付近に留置された患者のマーカ位置の変化を実時間で測定する動体追跡装置（８０）と、を備え、ロボット制御装置（６２）は、患者のマーカ位置の３次元運動軌跡からロボットマニピュレータ（６１）の標軌道を生成する目標軌道生成部（６６）を有し、ファントム（６５）内のマーカ位置が目標軌道に追従するようにロボットマニピュレータ（６１）を制御することを特徴とする。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元の並進運動自由度を有するロボットマニピュレータと、該ロボットマニピュレータを制御するロボット制御装置と、該ロボットマニピュレータの先端に固定され、人体と同等の放射線吸収率を有するファントムと、腫瘍付近に留置された患者のマーカ位置の変化を実時間で測定する動体追跡装置と、を備え、  前記ロボット制御装置は、前記患者のマーカ位置の３次元運動軌跡から前記ロボットマニピュレータの目標軌道を生成する目標軌道生成部を有し、前記ファントム内のマーカ位置が前記目標軌道に追従するように前記ロボットマニピュレータを制御することを特徴とするロボット動体ファントムシステム。
【請求項２】
前記ロボット制御装置と情報信号の送受信を行う外部コントローラをさらに備え、  該外部コントローラは、前記患者のマーカ位置の情報を保持して該マーカ位置の軌跡をアップサンプリングすることにより、前記動体追跡装置の腫瘍位置追跡の時間間隔と前記目標軌道との追従動作の制御周期を一致させることを特徴とする請求項１に記載のロボット動体ファントムシステム。
【請求項３】
前記ロボット制御装置と情報信号の送受信を行う外部コントローラをさらに備え、  該外部コントローラは、前記時間間隔の計測結果を補間して前記マーカ位置の軌跡をアップサンプリングすることにより、前記動体追跡装置の腫瘍位置追跡の時間間隔と前記目標軌道との追従動作の制御周期を一致させることを特徴とする請求項１に記載のロボット動体ファントムシステム。
【請求項４】
前記目標軌道生成部は、前記患者のマーカ位置の３次元運動軌跡を取得する位置取得部と、３次元運動軌跡を取得したマーカが埋め込まれた腫瘍の回転角度を算出する角度算出部と、を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のロボット動体ファントムシステム。
【請求項５】
前記目標軌道を補正する目標軌道補正部をさらに有し、  該目標軌道補正部は、動体追跡装置の腫瘍位置追跡の結果出力された軌道を補間することによって規定されるロボットマニピュレータ運動軌跡の速度または加速度を用いてロボット目標軌道を補正することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のロボット動体ファントムシステム。
【請求項６】
前記目標軌道を再生成する目標軌道再生成部をさらに有し、前記目標軌道生成部より与えられた前記目標軌道に対する制御実績から各制御サンプリング時点での目標軌道の追従誤差を算出してその情報を前記目標軌道再生成部に伝達し、  前記目標軌道再生成部は、受領した目標軌道の追従誤差を当該時間に対応する補間区間の始点の目標値情報に加算することで制御中に実時間で補間をやり直して目標軌道を再生成することを特徴とする請求項５に記載のロボット動体ファントムシステム。
【請求項７】
前記目標軌道補正部は、前記ロボットマニピュレータの３次元座標位置を補正する位置補正部と、３次元座標位置を補正した前記ロボットマニピュレータの回転角度を補正する角度補正部と、を備えることを特徴とする請求項５または６に記載のロボット動体ファントムシステム。
【請求項８】
前記ロボット制御装置と前記動体追跡装置とは、通信手段を用いて情報信号の送受信を行うことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のロボット動体ファントムシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ロボット動体ファントムシステムに関し、より詳細には、ロボットマニピュレータ、動体追跡装置およびファントムを備え、放射線治療の治療計画を検証するロボット動体ファントムシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】  超高齢化社会の到来により、悪性新生物（がん）を治療する場合は、低侵襲な治療が選択されるようになり、放射線治療のニーズが非常に高まっている。放射線治療は、コンピュータなどの技術の進歩により目覚ましい発展を遂げ、がん治療の３本柱の一つに位置づけられている。この放射線治療は、腫瘍の完全根治にのみ使用されるのではなく、腫瘍による痛みを軽減する緩和目的においても使用される。【０００３】  現在の放射線治療は、ＣＴ(Computed Tomography) 画像を用い、人体の解剖学的構造と腫瘍位置を３次元的に把握して治療を行う３次元放射線治療が主流である。しかし、胸部や腹部など呼吸性移動を伴う腫瘍に対する放射線治療は、腫瘍が呼吸運動によって動く領域全てを含めて治療を行う必要がある。そのため、放射線治療には、腫瘍への放射線集中性は高まるものの、周囲の正常組織にも余分な放射線投与が行われ、放射線による副作用が増加するという問題がある。【０００４】  さらに、コンピュータの助けを借りて、多葉絞りで形成された複数のビームを組み合わせることで放射線に強弱をつけ、正常組織へ線量低減させながら、腫瘍に集中的に照射できる放射線治療技術として強度変調放射線治療が知られている。強度変調放射線治療は、呼吸性移動を伴う部位へその治療を施行すると、予定とは全く異なった放射線量を投与することになり、腫瘍の制御率の低下や正常組織に対する副作用が増加する問題がある。【０００５】  これらの問題を解決するため、近年、放射線治療は、３次元空間に時間要素を加えた４次元化に向けた研究開発が進んでおり、臨床への展開が期待されている。臨床現場では、４次元放射線治療の一つである動体追跡装置（ＳｙｎｃＴｒａＸＴＭ,島津製作所）を用いた動体追跡放射線治療を行っている。【０００６】  このような動体追跡装置の一例として、特許文献１には、２方向のＸ線透視画像をパターン認識画像処理することで、気管支鏡下またはＣＴもしくは超音波ガイド下で腫瘍付近に留置された金属マーカの３次元位置座標をリアルタイムに算出し、呼吸性移動によって動く金属マーカ（腫瘍）を追跡することが可能な動体追跡装置が開示されている。動体追跡装置のＸ線透視位置は、３方向から選択することができ、医療用直線加速器の照射角度（ガントリ、カウチ角度に依存せず）に制約を受けることなく、金属マーカの追跡をすることが可能である。動体追跡放射線治療は、動体追跡装置を用いてリアルタイムに算出される金属マーカの３次元位置が、ある位置に来たときのみ放射線が照射される治療であり、動体追跡装置および医療用直線加速器を組み合わせることで治療実施可能となる。【０００７】  動体追跡放射線治療では、医師の診察後、患者専用の固定具を作成し、治療計画用ＣＴ撮影を行う。そのＣＴ画像の解剖学的情報を基に、放射線を照射する方向や照射量をコンピュータ上でシミュレーションする治療計画を行う。治療計画が完了すると、動体追跡装置を使用して、患者に留置された金属マーカの視認性を確認し、治療で使用するＸ線透視位置を決定する。この時、呼吸によって動いた金属マーカの３次元座標をログとして記録する。その後、シミュレーション上の治療計画の妥当性を評価するため、治療計画の品質保証���行う。【０００８】  治療計画に基づく放射線治療の一例として、特許文献２には、人体と同等の放射線吸収率を有し、水等価組織として模擬したファントムに対して施行し、ファントム内に挿入された線量計で測定された放射線量と治療計画時の計算値に相違がないことを検証する品質保証の手順が開示されている。この品質保証により、放射線治療の精度が担保されると、患者に対して治療が開始される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３０５３３８９号公報
【特許文献２】特許第４１１５６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  しかしながら、現在の動体追跡放射線治療の品質保証は、特許文献１に開示されているような動体追跡装置を利用して取得した金属マーカの３次元座標のある１軸の座標データを基に、特許文献２に開示されているようなファントムを１軸駆動させて行っている。そのため、人体の呼吸により３次元的に動く腫瘍の動きを再現するファントムを用いた装置等が存在せず、高精度に動体追跡放射線治療の品質保証ができていないのが現状である。【００１１】  本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、実際の腫瘍運動を再現するため３次元の並進運動が可能な自由度を持ち、放射線治療の品質保証に活用できる追従精度を有する動体ファントムシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  上記課題を解決するために本発明に係るロボット動体ファントムシステムは、３次元の並進運動自由度を有するロボットマニピュレータと、ロボットマニピュレータを制御するロボット制御装置と、ロボットマニピュレータの先端に固定され、人体と同等の放射線吸収率を有するファントムと、腫瘍付近に留置された患者のマーカ位置の変化を実時間で測定する動体追跡装置と、を備え、ロボット制御装置は、患者のマーカ位置の３次元運動軌跡からロボットマニピュレータの目標軌道を生成する目標軌道生成部を有し、ファントム内のマーカ位置が目標軌道に追従するようにロボットマニピュレータを制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】  本発明に係るロボット動体ファントムシステムによれば、放射線治療の品質保証の精度を高めることができる。なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係るロボット動体ファントムシステムの座標系を示す模式図であり、（Ａ）は医療用直線加速器の治療装置座標系を示し、（Ｂ）はロボットマニピュレータの作業座標系を示す。
【図２】本発明の第１実施形態に係る動体追跡装置により測定された、患者の肺腫瘍軌跡を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施形態に係る動体追跡装置により測定された、患者の肺腫瘍軌跡を示すグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態に係る動体追跡装置により測定された、患者の肺腫瘍軌跡を示すグラフである。
【図５】本発明の第１実施形態に係る動体追跡装置により測定された、患者の肺腫瘍軌跡を示すグラフである。
【図６】本発明の第１実施形態に係るロボット動体ファントムシステムの構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る医療用直線加速器とともに設置された動体追跡装置を示す模式図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る動体追跡装置の測定結果のサンプル点間における目標値を定める方法を説明する図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る制御装置による直線補間の場合の本アルゴリズムの動作を示すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る外部コントローラを用いた追加のフィードバックループの導入を示す模式図である。
【図１１】角度算出部が腫瘍の回転角度を定める際の計算方法の一例を説明する図である。
【図１２】実際に複数埋め込まれたマーカを導体追跡装置が捉えた画像例である。
【図１３】本発明にかかる方法で求めた腫瘍回転角度の例である。
【図１４】本発明の一実施例に係るロボットマニピュレータの設置例を示す模式図である。
【図１５】本発明の他の実施例に係るロボットマニピュレータの設置例を示す模式図である。
【図１６】本発明の第１実施形態に係る制御装置による３次元誤差の時間変化のプロットを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】＜１．第１実施形態＞  まず、本発明の第１実施形態に係るロボット動体ファントムシステムの構成について、図１〜図６を用いて説明する。なお、本発明の実施形態は、以下に示す実施形態に限られず、いずれかの実施形態を組み合わせることもできる。また、以下に示す実施形態では、動体ファントムとして「水等価ファントム」を用いているが、これに限らず「水等価」以外のファントムを用いてもよい。
【００１６】＜２−１．動体ファントムシステムの概要＞  放射線治療において、呼吸や心拍などの影響を受けて移動する腫瘍（マーカ）の動きを再現するデバイスは、動体追跡放射線治療や動体追尾照射などの移動腫瘍に対する放射線治療の品質保証を行う上で重要である。このようなデバイスとして、動体ファントムシステムが知られている。ここで動体ファントムシステムとは、患者の体内における腫瘍位置の変化を実時間で模擬するファントム駆動装置と、生体組織（人体）と同等の放射線吸収率を有する水等価ファントムおよび線量計や放射線感応フィルムの組み合わせで構成される、放射線治療用の品質保証システムである。
【００１７】  ファントム駆動装置上に設置された水等価ファントムには、動体追跡装置で位置測定対象となるマーカが埋め込まれるとともに線量計もしくは放射線感応フィルムなどが必要に応じて設置される。ファントム駆動装置は、あらかじめ記録された患者の安静時における腫瘍移動軌跡を目標値として水等価ファントムを動かす。この動作を治療時と同様にモニタリングしながら治療計画に沿った放射線照射を行うとともに、線量を線量計によって計測し、治療計画で定められた照射線量を投与できているかを確認する。
【００１８】  現在、上記動体ファントムシステムは、１自由度の直線往復運動が可能なもので、かつ過渡的に数mm程度の大きな追従誤差が発生することが知られている。体内での腫瘍の動きは３次元空間での運動であり、それを再現できること、また高精度放射線治療のため全時間の３次元追従誤差が１mm 程度に抑えられる動体ファントムシステムが望まれている。
【００１９】  ロボットマニピュレータおよびそれに類する位置決め装置を利用した動体ファントムシステムの構成に関して、ステッピングモータと６軸のロボットマニピュレータを利用し、胸郭の呼吸による変形を模擬しつつ、かつ胸郭内での腫瘍の動きを模擬する放射線治療のための動体ファントムシステムを構築したものが知られている。しかし、この動体ファントムシステムは、ロボットマニピュレータの先端に固定されるのが粒子線の検出器であることに加え、腫瘍軌跡への追従精度評価のために用いられている３次元目標軌道が正弦波のみで、追従精度向上が比較的容易であると考えられる目標値に対する誤差評価しかなされていない。動体ファントムシステムにロボットマニピュレータを利用する場合の問題設定の特殊性と困難は、目標軌道が大マーカに周期的ではあるものの振幅や位相、場合によっては波形形状そのものも変動するという状況にあるが、この動体ファントムシステムではその点には触れられていない。
【００２０】  一方、直動型アクチュエータを組み合わせて構成したＸＹＺテーブルによるファントム駆動装置が開発されている。このファントム駆動装置によると、その腫瘍軌道追従性能を３次元誤差信号のμ＋２σ値で評価した結果が、肺がん、肝臓がんおよび膵臓がんの計20症例について０．８mm以内であったことが報告されている。上記ファントム駆動装置の性能評価は、事前に測定されたがん患者の腫瘍運動軌跡に対する追従精度を指標として行われている。後述するように、腫瘍の運動は症例間の差が大きいが、本発明者らも上記値を一つの目安として性能評価を行うこととした。
【００２１】  そこで、本発明者らは、産業用の小型６軸ロボットマニピュレータシステム（ＭＺ０７-０１，株式会社不二越）を用いたロボット動体ファントムシステムの構築を行った。表１に、一例として、選択したロボットマニピュレータの仕様の概要を示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】  ロボット動体ファントムとして要求される運動自由度は、３次元の並進運動自由度（並進３自由度）のみであるが、ロボットマニピュレータの先端に固定する水等価ファントムと固定用の治具が合計６．７ｋｇの質量を有するため、ロボットマニピュレータに保証されている先端の可搬質量を考慮して機種選定を行った。ロボットマニピュレータに要求される運動が並進運動のみである場合、回転関節型のロボットマニピュレータは、直動アクチュエータに基づく位置決め装置に対して機構的、制御的に不利であることは否めない。ところが、本明細書では、ロボットマニピュレータに与える目標軌道の補正方法を提案し、姿勢によりアクチュエータに掛かる負荷が大きく変化する回転関節型のロボットマニピュレータを用いても、患者の腫瘍軌道に対する追従性能が臨床現場の要求精度を満たすことができるロボット動体ファントムシステムを提案している。
【００２４】＜２−２．ロボット動体ファントムシステムの構成例＞  ロボットマニピュレータを通常の生産現場において利用する場合、その動作は、point to pointの位置制御であれ連続軌跡への追従であれ、付属の教示装置や専用ソフトウェアなどを利用してプログラムすることが可能で、同じ場所で同一作業のために利用される限りにおいては、一度プログラムされた軌道と動作を変更する必要はない。しかし、ロボットマニピュレータを動体ファントムのファントム駆動装置として利用する場合には、ファントムが追従すべき腫瘍軌跡は患者ごとに異なり、かつ動作中の全時間で高精度な追従が求められる。
【００２５】  図１は、本発明の第１実施形態に係るロボット動体ファントムシステムの座標系を示す模式図である。図１（Ａ）は、品質保証における腫瘍位置の測定と治療時に用いられる医療用直線加速器１０の座標系の取り方を示し、図１（Ｂ）は、ロボットマニピュレータの作業計画に使われる作業座標系の設定を示す。図１（Ａ）において、医療用直線加速器１０および寝台１１で放射線治療・計測システムを形成し、治療装置座標系の原点ｉｃ(iso-center)が設けられている。図１（Ｂ）において、ロボットマニピュレータ１２は、先端に水等価ファントム１３を取り付け、後端が作業座標系の原点Ｏに設置されている。
【００２６】  ロボット動体ファントムシステムを図１（Ａ）の放射線治療・計測システムと組み合わせて用いる場合、ロボットマニピュレータ１２は、図１（Ａ）の手前に見えている寝台１１上に、ロボットマニピュレータ１２のＸ軸方向が、治療装置である医療用直線加速器１０のｙ軸方向と一致するように固定される。このため、治療装置座標系で計測された腫瘍軌跡の座標データをロボット動体ファントムシステムに渡す際には座標変換が必要である。本明細書で示す３次元の軌跡データとロボットマニピュレータ１２との動作結果は、全て図１(Ｂ)のロボットマニピュレータ１２の作業座標系で表現されたものであるが、その原点Ｏが治療装置座標系の原点ｉｃと重なるように平行移動してplotを作成している。
【００２７】  図２〜図５は、本発明の第１実施形態に係る動体追跡装置により測定された、４名の肺がん患者Ａ〜ＤのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向の肺腫瘍軌跡を示すグラフである。図２〜図５に表された波形は、本実施形態のロボット動体ファントムシステムの精度検証で目標軌道として取り上げた患者Ａ〜Ｄの肺腫瘍軌跡を示している。肺腫瘍の場合、呼吸性移動と呼ばれる周期４ｓ程度のゆっくりした振動に、隣接する心臓の拍動に起因する高い周波数成分の振動が重畳したような挙動を示すが、その振幅や重なりの度合いには非常に大きな個人差があることがわかる。また、生体のリズム運動の揺らぎを反映し、厳密な意味での周期信号にはまずなり得ないという事実も重要である。
【００２８】＜２−３．ロボット制御システムの構成例＞  図６は、本発明の第１実施形態に係るロボット動体ファントムシステムの構成を示す模式図である。ロボット動体ファントムシステム６０は、ロボットマニピュレータ６１、ロボット制御装置６２、ティーチングペンダント６３、および外部コントローラ６４を備えている。さらに、ロボットマニピュレータ６１のアーム先端には、水等価ファントム６５が取り付けられている。
【００２９】  ロボット制御装置６２は、動体追跡装置を用いて事前に測定された患者腫瘍の３次元運動軌跡をロボットマニピュレータ６１のための目標軌道に変換して出力する目標軌道生成部６６を有している。外部コントローラ６４は、動体追跡装置の腫瘍位置追跡の時間間隔とロボット制御装置６２によるロボットマニピュレータ６１の目標軌道との追従動作の制御周期を一致させるために、患者のマーカ位置の情報を保持するか、または動体追跡装置による時間間隔の計測結果を補間し患者のマーカ位置の情報を保持してアップサンプリングする「サンプリング周期変換」機能を有する。このように、ロボット動体ファントムシステム６０は、ロボットマニピュレータ６１の先端に固定された水等価ファントム６５内のマーカ位置をロボット目標軌道生成部６６により生成された目標軌道に高精度に追従動作させるよう構成されている。
【００３０】  本実施形態では、選択したロボットマニピュレータ６１のロボット制御装置６２が備える外部コントローラ６４の追従モードを利用して、臨床現場の要求精度を満たすロボット動体ファントムシステム６０を構築している。なお、「サンプリング周期変換」機能は、外部コントローラ６４が有する場合に限らず、ロボット制御装置６２等の他の構成が有していてもよい。
【００３１】  ロボット制御装置６２は、ロボットマニピュレータ６１の各軸を駆動するモータのドライバとエンコーダ信号の処理回路を含む。ロボット制御装置６２は、各軸レベルの２自由度制御器によりサーボ補償制御を行う下位システムと、作業者によるティーチングペンダント６３を用いた操作への応答と、教示再生の機能を実現する上位システムと、の階層構造を取っている。下位システムと上位システムは、通信手段で制御および動作に必要なデータ（情報信号）を常時、送受信しながら動作している。
【００３２】  外部コントローラ６４の追従モードでは、ロボット制御装置６２の上位システムが外部コントローラ６４と一定周期５ｍｓでＴＣＰ(Transmission Control Protocol)のデータ通信を行う。外部コントローラ６４は、ロボット制御装置６２に対してエンドエフェクタの目標軌道を実時間で指令することができる。
【００３３】  一方、ロボット制御装置６２は、外部コントローラ６４より与えられた目標軌道情報に基づき制御を行い、その結果である現在の先端位置・姿勢などの情報を外部コントローラ６４へフィードバックするように構成されている。以下の表２は、これらのロボット制御装置６２と外部コントローラ６４との間でやり取りされる情報を示している。
【００３４】
【表２】
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【００３５】  選択したロボットマニピュレータ６１は、表１に示したように、ロボット制御装置６２での制御により位置繰り返し精度(JIS B 8342 準拠)で±０．０２mmを達成している。しかし、ロボット動体ファントムシステム６０として用いる場合に求められる追従性能は、固定点への反復位置決めではなく、時間の関数として陽に記述できない目標軌道への実時間での高精度追従である。
【００３６】  本実施形態のロボット動体ファントムシステム６０を品質保証の道具として臨床の現場で用いる場合、軌道追従精度の向上のためシステムの使用者にロボットマニピュレータ６１の制御動作の調整をゆだねることは難しいと考えられる。加えて目標軌道は規則性に乏しく、患者ごとに大きく異なる腫瘍軌道である。
【００３７】  そこで本実施形態では、動体追跡装置で計測された患者の腫瘍位置軌跡を出発点として、ロボットマニピュレータ６１に与える先端位置目標軌道をオンライン補正する方法を提案し、患者の腫瘍軌跡ごとのパラメータ再調整が不要なロボット動体ファントムシステム６０の構築を図ることとした。
【００３８】＜３. 目標軌道の補正による追従誤差低減＞  次に、目標軌道の補正による追従誤差低減について、図７〜図１０を用いて説明する。
【００３９】＜３−１．腫瘍移動軌跡の測定＞  ここでは、ロボット動体ファントムシステム６０にとっての目標軌道となる、患者の腫瘍軌跡データの取得について説明する。本発明者らは、上述のとおりマーカの動体追跡装置を利用し、臨床現場のプロセスの中でこの測定を行っている。
【００４０】  図７は、本発明の第１実施形態に係る医療用直線加速器８１とともに設置された動体追跡装置８０を示す模式図である。図７（Ａ）に示すように、本実施形態の動体追跡装置８０は、２つのＸ線源８２、８３に対応するカラー受像装置８４、８５を備えている。医療用直線加速器８１と対向する位置には、治療対象の患者を載せる寝台８６が設置されている。２枚のステレオ画像内に捕らえられたマーカは、テンプレートマッチングの技法を用いて画像内の座標値が特定され、治療装置座標系におけるマーカの座標値が出力される。
【００４１】  また、図７(Ｂ) に示すように、Ｘ線源８２、８３とカラー受像装置８４、８５には３とおりの異なる空間的な組み合わせが可能となっており、腫瘍部位と、治療のために移動させる寝台８６とガントリに干渉しない組み合わせを選択して利用するようになっている。
【００４２】  パターン１は、図７（Ａ）に示すように、Ｘ線源８２、８３と対応するカラー受像装置８４、８５が医療用直線加速器８１を挟んで交差する位置に配置されている。パターン２は、図７（Ｂ）の紙面に向かって左側に２つのＸ線源８２ｂ、８３が配置され、図７（Ｂ）の紙面に向かって右側に対応する２つのカラー受像装置８４ｂ、８５が各Ｘ線の交差する位置に配置されている。パターン３は、図７（Ｂ）の紙面に向かって右側に２つのＸ線源８２、８３ｂが配置され、図７（Ｂ）の紙面に向かって左側に対応する２つのカラー受像装置８４、８５ｂが各Ｘ線の交差する位置に配置されている。
【００４３】  しかし、いずれの場合でもテンプレートマッチングによるステレオ座標計測を行うという原理に変わりはない。動体追跡装置８０では、マーカ位置の定位誤差が０．８mm 以内であることを保証している。
【００４４】＜３−２．腫瘍移動軌跡の生成＞  本実施形態の動体追跡装置８０は、移動性腫瘍の位置を追跡するため、腫瘍付近に留置されたマーカ位置の追跡結果を３３ｍｓ前後の周期で計測出力する能力を有する。一方、ロボット動体ファントムシステム６０の構成では、外部コントローラ６４は５ｍｓ間隔で目標値をロボット制御装置６２にフィードするように構成されている。そのため、ロボットマニピュレータ６１の駆動には、動体追跡装置８０の計測結果ログファイルの時系列から、より短い時間間隔のロボットマニピュレータ用目標値時系列を生成する必要がある。この目標軌道生成において、動体追跡装置８０の測定結果のサンプル点間における目標値を定める方法として、図８を用いて以下に４とおりの方法を示す。
【００４５】  図８は、本発明の第１実施形態に係る動体追跡装置の測定結果のサンプル点間における目標値を定める方法を説明する図である。図８[Ｓ]は、本実施形態のいずれの目標値を定める方法にも共通する工程で、ａ）例えば、ＳｙｎｃＴｒａＸＴＭで計測された患者のマーカ位置情報と対応する時間情報を読み出す、工程である。なお、本実施形態に係る動体追跡装置の測定は、ＳｙｎｃＴｒａＸＴＭで計測する場合に限られない。
【００４６】  図８[１] の方法は、最も基本的な方法で、目標座標値が更新されるまで現在の値を維持する方法である。図８[１]では、図８[Ｓ]ａ）の工程後に、ｂ）最新のマーカ位置情報を次のサンプリング時刻まで保持し、ｃ）前工程で保持したマーカ位置情報の軌跡をサンプリング周期５ｍｓでアップサンプリングする。
【００４７】  図８[２]の方法は、次のサンプリング時刻のマーカ位置を先読みする方法である。図８[２]では、図８[Ｓ]ａ）の工程後に、ｂ）次のサンプリング時刻のマーカ位置を先読みして保持し、ｃ）前工程で保持したマーカ位置の軌跡をサンプリング周期５ｍｓでアップサンプリングする。図８[２]の方法は、１時間区間内で一定値を保つことは図８[１]の方法と同一であるが、動体追跡装置８０ログの１サンプル先の値を先取りして目標値と設定することで、ロボット制御装置６２の過渡応答動作が誤差に与える影響を小さくすることを狙ったものである。
【００４８】  図８[３]の方法は、単純に、隣り合う２つの座標間を線分で補間する直線補間の方法である。図８[３]では、図８[Ｓ]ａ）の工程後に、ｂ）座標データを線分で補間し、ｃ）前工程で補間した座標データの軌跡をサンプリング周期５ｍｓでアップサンプリングする。
【００４９】  図８[４]の方法は、座標データを３次スプライン関数で補間する方法である。図８[４]では、図８[Ｓ]ａ）の工程後に、ｂ）座標データを３次スプライン関数で補間し、ｃ）前工程で補間した座標データの軌跡をサンプリング周期５ｍｓでアップサンプリングする。図８[４]の方法は、腫瘍などの生体組織の運動を示す速度および加速度は連続であるとの考え方に基づいて、時間の接続点における速度と加速度の連続性を保証する補間方法である。
【００５０】  最終的に生成される軌道は、図８[１]〜[４]の４とおりのどの方法を用いたとしても動体追跡装置８０ログファイル上のｋ(ｋ＝０,１,・・・,Ｎ−１) 番目の時間区間に属する時間変数ｔ∈［Ｔst[k],Ｔst[k+1]) を用いて、以下の(式１)で表される。2019198765.tif 000005
【００５１】  このように、ｔについての３次多項式で表すことができることから、動体追跡装置８０ログファイルの１時間区間に対応する目標軌道計算用データは、これら３つの多項式の係数12個となる。
【００５２】  基本的に１サンプル区間の長さは、Tst[k+1]−Tst[k]＝0.033ｓである。しかし、多少の揺らぎがあることに加え、ごくまれではあるが動体追跡装置８０の画像処理の工程でマーカの認識に失敗した場合に当該区間でデータが欠落する。データが欠落した場合は、次に取得できたマーカ位置と時刻を用いて計算する。動体追跡装置８０ログファイルから(式１)の係数集合を生成する処理は、ＭＡＴＬＡＢ(Mathworks)のｍスクリプトを作成して実行する。以上により、目標軌道を時間の関数として表現できるようになるので、これを用いて以下で詳述する外部コントローラ６４上での実時間での目標軌道の補正や、追従誤差改善のための処理が実行可能となる。
【００５３】＜４．第２実施形態＞  次に、本発明の第２実施形態に係るロボット動体ファントムシステムについて説明する。
【００５４】＜４−１．目標軌道の通信遅延低減補正とオンライン再補間＞  第１実施形態で説明した、動体追跡装置８０ログからの多項式係数生成は、治療対象となる患者の腫瘍軌跡データをロボット動体ファントムシステム６０に指令するために必要な処理であり、動体追跡装置８０のログに含まれるデータを変更するものではない。しかし、図８[１]の方法を利用して外部コントローラ６４からロボット制御装置６２に目標軌道を単純フィードしただけでは、求められる臨床現場の要求精度は満足しにくい。そこで第２実施形態では、図６で示したロボット動体ファントムシステム６０の構成を前提として、より追従精度が高いシステムを構築するための、目標軌道の補正および追従誤差の情報を用いた目標軌道のオンライン再補間法について説明する。
【００５５】＜４−２．通信遅延影響の低減を目的とした目標軌道の補正＞  図６中に記入されているが、ロボット動体ファントムシステム６０では各サブシステム間のデータ授受にネットワーク通信を利用しており、各システム間の通信が原因で遅延が発生しうる。制御に関する量の授受におけるデータの遅延は、追従精度の悪化に直結するため、実時間で高い追従精度が要求されるロボット動体ファントムシステム６０は、この遅延の影響を軽減することが必要である。
【００５６】  そこで、この補償を意図して、(式１) のxk(t)、yk(t)、zk(t)に対し、Ｔｒ＝0.005ｓを用いて、補正量2019198765.tif 000006
を以下の(式２)により算出して目標値を拡張する。2019198765.tif 000007
【００５７】  ただし，(式２)に含まれる定数αx、αy、αz、βx、βy、βzは、正値となるように選択した。なお、動体追跡装置８０からロボット制御装置６２の短時間間隔の目標値系列を生成する工程で、動体追跡装置８０ログの一時間区間内で一定値を保つ図８[１]および[２]の方法については、区間内で速度と加速度の変化がないことから、実験評価においてはこの補正の適用対象外としている。
【００５８】  図８[３]のように直線補間を行った場合、加速度項はサンプリング周期変換の接続点後の１サンプルでパルス状の０でない値を取るが、その他のステップでは０となってしまい、ロボットマニピュレータ６１の振動を誘起する原因となるだけでなく補正の効果も十分に表れない。ロボットマニピュレータ６１の速度制御系について、速度目標値から速度目標までの伝達特性が一次遅れとして近似できると仮定すると、加速度は一次遅れシステムのインパルス応答のように変化する。
【００５９】  その伝達関数が１／（Ｔｓ＋１）（Ｔ＞０）と表せる場合、加速度信号α(t)を一定時間間隔Ｔｒ＞０ごとに観察すれば、α(t)は、以下の(式３-１) に従って減衰する。  α((i+1)Tr)=γ・α(i・Tr)(γ=e-Tr/T) ・・・(式３-１)
【００６０】  そこで、直線補間の場合、区間最初に算出される０でないｘ軸の加速度値をαkとして，区間ｔ∈[Tst[k],Tst[k+1])中の時刻ti=i・Tr(i=1,2,・・・) なる時刻における加速度の値を、以下の(式３-２) に従って減衰させている。2019198765.tif 000008
【００６１】  ｙ軸およびｚ軸についても、上記ｘ軸の処理と同様に処理することができる。なお、γの値は実験を重ねる中で試行錯誤的に調整し、γ＝０．９を用いているが、他の値を用いてもよい。
【００６２】＜４−３．動的再補間によるフィードバック目標値補正＞  次に、図９および図１０を用いて、ロボット制御装置６２内の追従誤差情報を利用した動的再補間によるフィードバック目標値補正について説明する。
【００６３】  上記（式２）で定義された各軸の補正目標値は、動体追跡装置８０で観測された腫瘍運動軌跡のみから決定されるもので、ロボットマニピュレータ６１を実際に動かしたときに発生する追従誤差を考慮した補正とはなっていない。そこで、ロボット制御装置６２から外部コントローラ６４にフィードバックされるロボットマニピュレータ６１の先端位置情報を用いて、ロボット制御装置６２に与える目標値に追従誤差情報を利用した追加のフィードバック補正を行う。
【００６４】  上述のとおり、ロボット制御装置６２の外部コントローラ６４追従モードでは、ロボットマニピュレータ６１の先端位置・姿勢の現在値が外部コントローラにフィードバックされる。この両者の差である追従誤差の値を用い、５ｍｓ周期でロボット制御装置６２に送出する目標値を生成するための補間作業をやり直し、補間軌道を再生成する。具体的には、すでに過去のデータとなった補間の始点の座標値に上述の追従誤差を加算して、誤差の符号に応じて今後ロボット制御装置６２に送出される目標座標値を増減する補正を行う。
【００６５】  ここで、動的再補間の計算アルゴリズムを以下に示す。Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の全ての軸に同一の処理を独立に行うので、ここでは代表してＸ軸に対する計算手順を説明する。今、再補間を実施する時間区間を動体追跡装置ログのｋ番目の時間区間ｔ∈［Ｔst[k],Ｔst[k+1])であるとすると、上述のとおり、この区間での補正前目標値は、以下の(式４)の３次多項式で決定される。  xk(t)＝ax[k]＋bx[k](t-Tst[k])＋cx[k](t-Tst[k])2＋dx[k](t-Tst[k])3・・・(式４)
【００６６】  この時間区間内での外部コントローラ６４のサンプル番号をi (i＝１、２、・・・) で表すことにし、ロボット制御装置６２より外部コントローラ６４にフィードバックされるＸ軸の現在位置から、例えば、ステップｉにおいてｅｘ［ｉ］なる誤差が観測されたとする。このとき、この区間内でのみ有効な、(式４)に替わる目標軌道生成式は、以下の(式５)により表される。  x(i)k(t)＝ax[k,i]＋bx[k,i](t-Tst[k])＋cx[k,i](t-Tst[k])2                                                ＋dx[k,i](t-Tst[k])3 ・・・(式５)
【００６７】  そして、（式５）が以下の拘束条件を全て満足するように係数ax[k,i]〜dx[k,i]を定める。2019198765.tif 000009
【００６８】  上記(式７)は、この区間の終端時刻における目標値の値が次区間の目標値の初期値に一致することを要請する。上記(式８)および(式９)は、３次スプライン補間の特徴である接続点における速度と加速度の連続性を担保するための条件式であり、ここで示した方法を用いてこの区間での目標値生成多項式を上記(式５)に変更したとしても、位置、速度および加速度の連続性は維持されることになる。
【００６９】  ここで、2019198765.tif 000010
として、(式５)の係数は、(式６)と以下の(式１０) により定められるので、これらの式をオンラインで計算することで再補間実施後の補間多項式を求めることができる。2019198765.tif 000011
【００７０】  図９は、本発明の第２実施形態に係る制御装置による直線補間の場合の本アルゴリズムの動作を示すグラフである。図９(Ａ)は、ロボットコントローラに送られる次の目標値を表し、図９(Ｂ)は、ロボットのエンコーダ情報で計算される先端の現在位置を表し、図９(Ｃ)は、修正前の目標軌道およびロボットコントローラに送られる次の目標値を表す。続いて、図９(Ｄ)は、ロボットのエンコーダで計算される新しい先端の現在位置を表し、図９(Ｅ)は、修正前の目標軌道および修正後の目標軌道を表す。
【００７１】  目標値軌道を３次スプライン関数で定める場合も再補間の計算の考え方は、図９で示すアルゴリズムと全く同じである。なお、図８[１]および[２]に示す区間内で目標値を一定値とする場合については、(式６)と(式７)を同時に満たすことができない。この場合でも(式６)のみを用いて区間内で使用する目標値を増減させることは可能であるが、そのような設定でロボットマニピュレータ６１を試験動作させた場合、激しい振動を誘発することがある。これは、目標値の変化が階段状で一時的に大きな偏差が発生することで、(式６)で加算されるex[i]の値も大きくなることが原因であると考えられる。試行動作の結果、この設定で実験を行うことは危険であると判断されたため、以下の評価実験では、一定目標値を利用する場合先の速度および加速度を利用した補正と同様適用の対象外としている。
【００７２】  目標値軌道の動的再補間アルゴリズムを適用した結果得られる目標値と、速度および加速度を利用した上記(式２)で表される目標値補正を同時に用いた場合、外部コントローラ６４からロボット制御装置６２に送出される軌道指令値2019198765.tif 000012
は、以下の(式１１)〜(式１３)で与えられる。2019198765.tif 000013
【００７３】  上記(式１１)〜(式１３)は、ロボットマニピュレータ６１とロボット制御装置６２との間で出来上がっているフィードバック制御系の外側に、以下の図１０に示すように追加のフィードバックループを導入することに相当する。
【００７４】  図１０は、本発明の第２実施形態に係る外部コントローラを用いた追加のフィードバックループの導入を示す模式図である。本実施形態のロボットマニピュレータ６１とロボット制御装置６２との間では、フィードバック制御系が形成されている。また、本実施形態の外部コントローラ６４は、目標軌道生成部６６と、目標軌道補正部１１１と、目標軌道再生成部１１２と、を有している。目標軌道生成部６６は、患者のマーカ位置の３次元運動軌跡を取得する位置取得部２０１と、３次元運動軌跡を取得したマーカの回転角度を算出する角度算出部２０２と、を備えることができる。腫瘍の回転角度も把握したい場合は、位置取得部２０１で患者の最低３つのマーカ位置の３次元運動軌跡を取得し続ける必要がある。そして、取得したマーカ位置に基づいて角度算出部２０２で腫瘍の回転角度を算出する処理を行うことにより、ロボットマニピュレータ６１の目標軌道を生成する。
【００７５】  図１１は、角度算出部２０２が腫瘍の回転角度を定める際の計算方法の一例を説明する図である。図１１（ａ）は、動体追跡装置８０が時刻ｋ−１で３個のマーカｍ１，ｍ２，ｍ３の位置を検出した時の様子を示している。図１１（ｂ）は次の時刻ｋにおいて同じ３個のマーカ位置を検出した時の様子を示している。図１２は、実際に複数埋め込まれたマーカを導体追跡装置８０が捉えた画像例である。マーカｍ１，ｍ２，ｍ３の位置変化が、腫瘍重心位置の３次元位置変化と、３次元空間内の回転のみで十分表されると仮定する。この２枚の画像の間の腫瘍の回転角はロール・ピッチ・ヨーもしくはオイラー角などの角度を用いて定義できる。図１３は本発明にかかる方法で求めた腫瘍回転角度の例である。時刻ｋ−１における各ベクトルｖ１，ｖ２，ｎｋ−１と、時刻ｋにおける対応するベクトルｖ’１，ｖ’２，ｎｋの間は、先の３次元空間内の回転角度を用いて定義される回転行列Ｒと、位置取得部２０１を用いて定められる腫瘍重心位置の３次元位置変化を表すベクトルδを用いて定義される同時変換行列2019198765.tif 000014
を用いて2019198765.tif 000015
と関係づけられるので、この３つの式から回転行列Ｒを数値的に一意に定めることができ、定まった回転行列からロボットの手先に固定されているファントムの回転角度の目標軌道を生成することができる。
【００７６】  実際の腫瘍の運動、特に肺腫瘍に関しては、患者の呼吸に伴い肺自体が拡張と収縮を繰り返す。この変形をより厳密に表現するには、先の回転変換行列を列ベクトルｒ１，ｒ２，ｒ３を用いて表現した          Ｒ＝［ｒ１，ｒ２，ｒ３］に、座標軸方向の拡大、縮小を表すスカラ実数ａ，ｂ，ｃを導入し          Ｒ＝［ａｒ１，ｂｒ２，ｃｒ３］と表現して、行列Ｒに加えてａ，ｂ，ｃを定めると良い。ａ，ｂ，ｃを導入したことによって未知数が増えるが、その場合はｍ２からｍ３に至るベクトルの時刻ｋ−１，ｋ間の変化を利用すればよい。
【００７７】  目標軌道補正部１１１は、動体追跡装置８０の腫瘍位置追跡の結果出力された軌道を補間することによって規定されるロボットマニピュレータ６１の運動軌跡の速度または加速度を用いてロボット目標軌道を補正する機能を有する。目標軌道補正部１１１は、ロボットマニピュレータ６１の３次元座標位置を補正する位置補正部２０３と、３次元座標位置を補正したロボットマニピュレータ６１の回転角度を補正する角度補正部２０４と、を備えることができる。回転角度も考慮してロボット目標軌道を補正する場合は、位置補正部２０３でロボットマニピュレータ６１の３次元座標位置を補正し、補正した３次元座標位置に基づいて角度補正部２０４でロボットマニピュレータ６１の回転角度を算出する処理を行うことにより、ロボットマニピュレータ６１の目標軌道を補正する。
【００７８】  目標軌道再生成部１１２は、目標軌道生成部６６から与えられた目標軌道に対する制御実績から各制御サンプリング時点での目標軌道の追従誤差を算出してその情報を目標軌道補正部１１１に伝達する機能を有する。目標軌道補正部１１１は、受領した目標軌道の追従誤差を当該時間に対応する補間区間の始点の目標値情報に加算することで制御中に実時間で補間をやり直して目標軌道を再生成する機能を有する。
【００７９】  本実施形態の外部コントローラ６４内において、目標軌道生成部６６で補間により生成された作業座標系の目標軌道の情報が、目標軌道補正部１１１および目標軌道再生成部１１２に伝達される。その後、目標軌道補正部１１１では、速度および加速度を用いた遅延補正がなされ、目標軌道再生成部１１２では、フィードバック再保管による補正がなされる。そして、各補正後の目標値の情報が、ロボットマニピュレータ６１に伝達される。
【００８０】＜５．実施例＞  次に、上記実施形態のロボット動体ファントムシステム６０を用いた放射線治療の品質保証の実施例について、図１４〜図１６を用いて説明する。
【００８１】  図１４は、本発明の一実施例に係るロボットマニピュレータの設置例を示す模式図である。図１４のロボットマニピュレータ６１は、固定台１２１に固定され、アームの先端に水等価ファントム６５が取り付けられている。
【００８２】  図１５は、本発明の他の実施例に係るロボットマニピュレータの設置例を示す模式図である。図１５のロボットマニピュレータ６１は、図８(Ａ)に示すような寝台８６に固定具１３１で固定され、アームの先端に水等価ファントム６５が取り付けられている。
【００８３】＜５−１．腫瘍軌跡への追従精度評価実験＞  本実施例では、上記提案した目標軌道の補正法の効果を評価するため、ロボットマニピュレータ６１の先端に実際に水等価ファントム６５を固定した状態で、図２〜図５で示した肺腫瘍軌跡４症例を目標軌道として開発した上記実施形態に係るロボット動体ファントムシステム６０を駆動し、その追従精度を評価した。
【００８４】  本明細書で提案した手法では、３３ｍｓ程度の時間間隔で得られている動体追跡装置８０を用いた腫瘍軌跡の測定結果から、５ｍｓ周期でロボット制御装置６２に供給する目標値を生成するサンプリング周期変換に４とおりの選択が可能である。(式２)で示される遅延補償を意図した補正の有無に２とおりの選択が可能である。(式４)〜(式１０)を用いて説明した、ロボット制御装置６２で取得できる追従誤差を用いた目標軌道生成のための動的再補間適用の有無に２とおりの選択が可能である。したがって、全ての組み合わせは１６とおりとなる。
【００８５】  しかしながら、上述したように、動体追跡装置８０の１サンプリング周期内で一定の目標値を用いる場合については、軌道の速度・加速度が1サンプリング周期内で０となるので、遅延補償項が０となることに加え、（式６）と（式７）を同時に満たすこともできないので、フィードバック再補間も適用することができない。そこで、この評価では、全１６とおりの組み合わせから、補正が機能しないか実現できない６とおりを除外した計１０とおりの異なる組み合わせを対象として実験を行い、ロボットマニピュレータ６１を利用したロボット動体ファントムシステム６０の補正前目標軌道に対する追従精度を評価した。追従誤差は時系列データとして定まるが、そこから誤差のＲＭＳ値と、発生しうる最大誤差に関する指標であるμ＋２σ値を計算してまとめた。
【００８６】  実験は２台のロボットマニピュレータ６１を用いて、２つの異なる環境で行った。第一の環境は、コンクリート床を有する実験室で、図１４に示すように、ロボットマニピュレータ６１は、製造メーカの指定に従った設置固定がなされている。この環境で得られるロボットマニピュレータ６１の先端位置の情報は、ロボット制御装置６２がエンコーダ情報から計算して外部コントローラ６４にフィードバックした先端位置のみとなる。
【００８７】  第二の環境は、実際に患者の治療が行われている臨床環境である。ここでは、ロボット制御装置６２による先端位置情報に加え、動体追跡装置８０を用いた測定値も得られる。詳細は後述するが、臨床環境においては、図１５に示すように、ロボットマニピュレータ６１を医療用直線加速器８１の寝台８６に固定具１３１で固定し、かつ吸振ウレタンフォームを寝台と寝台基部の間に設置して実験した。
【００８８】＜５−２．実験室における実験結果＞  実験室で行った実験結果から、目標腫瘍軌跡に対する二乗平均誤差値とμ＋２σの値を計算したものを、表３に示す。
【００８９】
【表３】
2019198765.tif 000016
【００９０】  この場合の誤差は、外部コントローラ６４からあるサンプル周期にロボット制御装置６２に送出した目標値の補正前の値と、次のサンプル周期にロボット制御装置６２から返送されるマーカ位置の差として計算している。上述したように、外部コントローラ６４とロボット制御装置６２との間、およびロボット制御装置６２内のデータ授受にネットワーク通信が利用されており、それに伴う遅延があること、およびその遅延はネットワークのバッファの状態によりランダムに変化することを考えれば、ここで計算している誤差はあるサンプル時点における正確な誤差とはなっていない。ただし、以下の臨床環境での評価結果が示すように、ロボット制御装置６２の実績値を用いて計算した統計誤差指標値が大きければ、動体追跡装置８０を用いて評価した統計誤差指標値も大きくなる。
【００９１】  表３の数値より、上記で提案した通信遅延の低減を目的とした目標軌道の補正が極めて有効に作用していることが見て取れる。４症例全て、直線補間に遅延補償を組み合わせ、フィードバック再補間を用いないものが最も小さなμ＋２σ値を与えていることがわかる。しかし、直線補間での結果を見比べると、遅延補償がある状態でフィードバック再補間を行う場合と行わない場合のμ＋２σ 値の差は、症例Ｄを除いて表１に記載したこのロボットマニピュレータ６１の静的反復位置決め精度である０．０２ｍｍ以内となっており，偶発的に発生する誤差と区別できないレベルに収まっていることがわかる。
【００９２】  一方、サンプリング周期変換に３次スプライン補間を用いた場合、μ＋２σ値は直線補間に対して０．１ｍｍ以上悪化しており、今回の４症例について、実験室環境での実験では３次スプライン補間の使用が直線補間と比して誤差を大きくするよう作用していることがわかる。
【００９３】  フィードバック再補間の手法は、サンプリング周期変換単体でロボットマニピュレータ６１を駆動した場合に比べれば大きな誤差低減効果を発揮するが、遅延補償を利用した場合の誤差低減量に比べれば効果が小さい。また遅延補償とフィードバック再補間を併用した場合、本環境では微小ではあるが結果の悪化を招くことも確認された。ただし、その差は、使用したロボットマニピュレータ６１が保証する固定点への繰り返し位置決めの誤差に収まる程度のものである。
【００９４】＜５−３．臨床環境における評価実験＞  次に、病院の臨床設備を用い、動体追跡装置８０も併用した評価実験を行った。実験の内容は実験室での実験と全く同一で、図２〜図５に示した４症例の腫瘍軌跡に対して、実験室での実験と全く同じパラメータ値を用いてロボット動体ファントムシステム６０を駆動した。臨床環境では、ロボットマニピュレータ６１の動作結果として、ロボット制御装置６２が出力する位置情報と、動体追跡装置８０により得られる計測値の２つの計測結果が得られる。ロボット制御装置６２が出力する位置情報を用いた場合の誤差の定義は上記と同様である。
【００９５】  以下の表４に、上記場合の補正前腫瘍位置目標軌道との誤差を処理した結果を示す。また、以下の表５に、動体追跡装置８０のマーカ位置測定結果と補正前腫瘍目標位置との誤差を統計処理した結果を示す。
【００９６】
【表４】
2019198765.tif 000017
【００９７】
【表５】
2019198765.tif 000018
【００９８】  また、誤差評価の一例として、図５の腫瘍軌跡を目標値とし、表５中の３つの目標値生成スキームについて３次元誤差の時間変化をプロットしたグラフを図１６に示す。
【００９９】  まず、実験室環境と同様ロボット制御装置６２で得られる先端位置を用いた誤差解析の結果である表４で最小のμ＋２σ値を与える組み合わせは、表３と同じで直線補間に基づき遅延補償項を入れたものとなっている。またその最小値も、表３のものとほぼ同等となっている。フィードバック再補間は単独で用いればある程度の誤差低減効果を発揮するが、遅延補償と組み合わせた場合大きくはないが結果の悪化を招く傾向も同一であった。
【０１００】  これに対して、動体追跡装置８０を利用した測定結果を用いた誤差である表５では、異なる結果が得られている。まず、μ＋２σの最良値が表３および表４と比較して、腫瘍の動きが大きいＡ、Ｂ、Ｄの症例で０．２ｍｍから０．２５ｍｍほどで、動きが小さい症例Ｃで０．０６ｍｍほど大きくなっている。また、４例中３例で３次スプライン補間を用いたものが最小のμ＋２σ値を与える結果となった。遅延補償と動的再補間を併用すると結果が悪くなる点は、ロボット制御装置６２の位置出力を用いた解析と同じになった。
【０１０１】  ロボット制御装置６２が出力するマーカ位置は、ロボットマニピュレータ６１の固定台１２１上にある作業座標原点Ｏからの相対位置情報であるのに対し、動体追跡装置８０での計測結果は、医療用直線加速器８１の原点ｉｃに対して定まる部屋内で固定された座標系での絶対座標値である。もしロボットマニピュレータ６１の作業座標原点Ｏが医療用直線加速器８１の座標系上で動かないのであれば、２つの測定値の差は測定系の差に起因するものとなる。今回の場合それは動体追跡装置８０によるステレオＸ線画像を用いた３次元位置計測で発生しうる誤差である。Ｘ線透視画像内でのマーカ捕捉にはテンプレートマッチングを用いており、その過程でマーカ重心位置の算出に誤差が発生しうる。
【０１０２】  本実施例で利用したロボットマニピュレータ６１には、その設置固定について、固定台１２１の固定のため、床にアンカーボルトを打つこと、ロボットマニピュレータ６１の固定台１２１への固定については満足すべきボルト締め付けトルクの値が指示されている。
【０１０３】  一方、臨床環境ではアンカーボルトの設置は不可能で、かつ金属製の台座も放射線に悪影響を与えることから使用できなかったため、ロボットマニピュレータ６１を医療用直線加速器８１の寝台８６に対して固定するにとどまっている。予備実験の過程で寝台とロボットマニピュレータが目視ではっきり確認できる大きさで振動した場合があったため、上述のとおり防振材を用いて振動の軽減化を図った。これにより目視でわかるほどの振動は無くなったが、目視では確認できない微細振動は残存していると考えられ、かつ動体追跡装置８０での計測値はその振動も捉えることができるので、ロボット制御装置６２での誤差値と比較して大きな値となることの理由として大きな要因であると考えられる。
【０１０４】  動体追跡装置８０を利用した評価で、４症例中３症例において３次スプライン補間を用いた場合が最も高精度になったことも、この寝台８６とロボットマニピュレータ６１の振動で説明が可能であると考えられる。３次スプラインでは、補間の接続点における速度と加速度の連続性が担保されているため、ロボット制御装置６２が生成する操作量の連続性も高いと思われるが、直線補間の場合接続点で速度と加速度がステップ状、インパルス状に変化をするため、スプライン補間に比べれば過渡的な振動を誘起しやすいと考えられる。
【０１０５】  放射線治療の品質保証に上記実施形態のロボット動体ファントムシステム６０を利用する場合、その品質に与える影響の評価として意味を持つのは動体追跡装置８０を用いた場合の値である。その意味で、臨床環境での測定結果において、動体追跡装置８０を用いた誤差解析の結果、４症例全てにおいて、μ＋２σの最良値が0.8mm 未満となったことは、ロボット動体ファントムシステム６０の良好な精度を示している。
【０１０６】  呼吸性移動を示す腫瘍の放射線治療における品質保証では、動体追跡装置８０を用いたファントム内マーカの位置計測を実際に行いながら水等価ファントム６５に対して治療を施行する。一般に待ち伏せ照射と呼ばれる、呼吸性移動を示す腫瘍が事前に計画された位置の指定範囲近傍に来た際に放射線を照射する治療について、実際の治療では、腫瘍付近に留置されたマーカが、計画位置を中心とする一辺４mmの立方体内部に入ったことをもって放射線を投与するプロトコルになっている。μ＋２σ＜０．８という結果は、腫瘍軌跡が計画位置である立方体の中心にあるにもかかわらず、水等価ファントム６５の位置決め誤差が原因で投与がなされないという状況がほぼ発生しないことを意味しており、ロボット動体ファントムシステム６５を用いることで、品質保証の精度を向上させることができることを示す、意義のある結果である。
【０１０７】  本実施例では、放射線治療の品質保証の精度向上を目的として、患者の体内における３次元の腫瘍運動軌跡に高い精度で追従することのできる、４Ｄロボット動体ファントムシステム６０の構築を試みた。本実施例に示した結果からは、開発したロボット動体ファントムシステム６０を臨床現場における品質保証に用いることができることがわかった。
【符号の説明】
【０１０８】１０  医療用直線加速器１１  寝台１２  ロボットマニュピレータ１３  水等価ファントム６０  ロボット動体ファントムシステム６１  ロボットマニュピレータ６２  ロボット制御装置６３  教示ペンダント６４  外部コントローラ６５  水等価ファントム６６  目標軌道生成部８０  動体追跡装置８１  医療用線形加速器８２、８３、８２ｂ、８３ｂ  Ｘ線源８４、８５、８４ｂ、８５ｂ  カラー受像装置８６  寝台１１１  目標軌道補正部１１２  目標軌道再生成部１２１  固定台１３１  固定具２０１  位置取得部２０２  角度算出部２０３  位置補正部２０４  角度補正部ｉｃ  治療装置座標系の原点Ｏ    作業座標系の原点
【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】
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【図９】
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【図１０】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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