JP2007282877A

JP2007282877A - 放射線照射対象部位の位置決め装置および位置決め方法

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Publication number: JP2007282877A
Application number: JP2006114090A
Authority: JP
Inventors: Akira Sawada; 晃澤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2007-11-01

Abstract

【課題】放射線照射対象部位の位置決めを３次画像を用いて的確に行う。
【解決手段】患者などの放射線照射対象部位についての３次元参照画像を入力する参照ＣＴ画像入力部１０２と、前記３次元参照画像から位置姿勢情報に基づいて擬似透視画像を生成する擬似透視画像生成部１０６と、位置決めされる放射線照射対象部位についての照合透視画像を入力する照合Ｘ線透視画像入力部１０４とを備え、前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えた時の位置姿勢と前記３次元参照画像撮像時の位置姿勢の変化量を放射線照射対象部位の並進量と回転量として、前記放射線照射対象部位を位置決めする最適化計算部１１０を含む位置決め手段を設けた。
【選択図】図１

Description

この発明は、放射線照射対象部位の位置決め装置および位置決め方法、特に、放射線治療における患者位置決めに関するものである。

粒子線治療では粒子線の線量集中性のため、高精度な患者位置決めが要求される。従来の患者位置決め装置では、正側２方向からのＸ線透視画像を用いて、予め撮影した参照画像と、治療時に撮影する照合画像を重ねあわせ、対応する画素間の類似度を比較し、手動により移動量を求めていた。

従来技術では、２つのカメラにより、カメラ軸線での基準画像と最新の画像とからのサブトラクション画像を得ることおよび視覚的な差異を最小化することによって位置決め量を求めていることが示されている（例えば、特許文献１参照）。

移動量をパラメータとし，画素値差分の累積量を指標とした評価関数を定義し、最適化パラメータを自動計算により求める方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

特開２００３−３１９９３０号公報赤城卓、他２名，「患者位置決めシステムにおける自動画像位置合わせ機能の開発」，医学物理，２００３年４月，２３巻，Ｓｕｐ．２，ｐ．５９−６１

このような患者位置決め装置にあっては、患者の並進量と回転量が撮像面内に限定され、撮像面外の方向に対する並進量や回転量を求めることができない。その結果、患者の３次元的な位置・姿勢の位置決めが行えないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、放射線照射対象部位の位置決めを３次元画像を用いて的確に行うことを目的としている。

この発明に係る放射線照射対象部位の位置決め装置では、放射線照射対象部位についての３次元参照画像を入力する参照画像入力部と、前記３次元参照画像から位置姿勢情報に基づいて擬似透視画像を生成する擬似透視画像生成部と、位置決めされる放射線照射対象部位についての照合透視画像を入力する照合画像入力部とを備え、前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えた時の位置姿勢と前記３次元参照画像撮像時の位置姿勢の変化量を放射線照射対象部位の並進量と回転量として、前記放射線照射対象部位を位置決めする位置決め手段を設けたものである。

この発明に係る放射線照射対象部位の位置決め方法では、放射線照射対象部位についての３次元参照画像から位置姿勢情報に基づいて擬似透視画像を生成する工程と、位置決めされる放射線照射対象部位についての照合透視画像を生成する工程とを含み、前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えた時の位置姿勢と前記３次元参照画像撮像時の位置姿勢の変化量を放射線照射対象部位の並進量と回転量として、前記放射線照射対象部位を位置決めするものである。

この発明によれば、放射線照射対象部位の位置決めを３次元画像を用いて的確に行うことができる。

実施の形態１．
この発明による実施の形態１を図１から図４までについて説明する。図１は実施の形態１における患者位置決め装置の構成を示すブロック図である。図２は実施の形態１における患者位置決め装置での処理手順を示す手順図である。図３は実施の形態１における患者位置決め装置での擬似透視画像生成処理を示す模式図である。図４は実施の形態１における患者位置決め装置での擬似透視画像とＸ線透視画像を示す模式図である。

図１において、参照ＣＴ画像入力部１０２と、照合Ｘ線透視画像入力部１０４と、擬似透視画像生成部１０６と、ＲＯＩ（ＲｅｇｉｏｎＯｆＩｎｔｒｅｓｔ）領域設定部１０８と、並進量，回転量の位置決めパラメータを求める位置決め手段としての最適化計算部１１０と、画像表示部１１２とを備えることを特徴とする。

図２は、この発明の実施の形態１による患者位置決め装置における処理手順を示す手順図である。
参照ＣＴ画像入力ステップＳ２０２では、参照ＣＴ画像入力部１０２（図１参照）によって治療計画時に撮像した患者の３次元ＣＴ画像データを入力する。この３次元ＣＴ画像は、放射線治療における治療計画立案に必要なデータであり、必ず撮像される。
次に、Ｘ線透視画像撮像装置の位置姿勢パラメータの初期値設定を行い（ステップＳ２０４）、擬似透視画像生成ステップＳ２０６で擬似透視画像生成部１０６（図１参照）によって擬似透視画像生成を行う。位置姿勢パラメータとは、例えば治療室のような固定座標系に対するＸ線透視画像撮像装置の相対的な位置姿勢を表し、直交３軸方向に対する並進量および各軸周りの回転角度を含む。３次元ＣＴ画像データから擬似透視画像を生成する時に用いた位置姿勢パラメータと、実Ｘ線透視画像装置の位置姿勢パラメータとの変化量が患者の位置姿勢の変化量を表す。
Ｘ線透視画像撮像装置の位置姿勢パラメータの初期値設定ステップＳ２０４では、実際のＸ線透視画像撮像装置の位置姿勢データの近傍値を設定すると、擬似透視画像生成ステップＳ２０６から、後段の画像相関値計算ステップＳ２０８、画像相関値判定ステップＳ２１０、位置姿勢パラメータの変更ステップＳ２１２の繰返し計算が早く収束する。
擬似透視画像生成ステップＳ２０６では、擬似透視画像生成部１０６によって、設定したＸ線透視画像撮像装置の位置姿勢パラメータとＸ線透視画像生成原理を用いて、設定したＸ線透視画像撮像装置の位置姿勢における擬似Ｘ線透視画像を、患者の３次元ＣＴ画像から生成する。擬似Ｘ線透視画像と、照合Ｘ線画像入力ステップＳ２１４による照合Ｘ線画像間の画像相関値計算を画像相関値計算ステップＳ２０８で最適化計算部１１０（図１参照）によって行う。
相関値判定ステップＳ２１０により、相関値が予め指定した判定基準以下であれば、位置姿勢パラメータの変更処理ステップＳ２１２を行い、変更後の位置姿勢パラメータを用いて擬似透視画像を生成し、再度、参照用透視画像との画像相関値を計算する。この処理を評価値が判定基準を超えるか、予め指定した繰返し計算回数等の収束条件を満たせば処理を終了する（ステップＳ２１５）。この時の位置姿勢パラメータは、相対的に患者の位置姿勢の計画時と現在との変化量を表すため、患者位置決め量となる。
この位置姿勢パラメータに基づいて治療台等を移動させることで、患者の位置決めを正確に行うことが可能となる。また、画像表示部１１２（図１参照）では、参照ＣＴ画像や照合画像および擬似透視画像を表示し、適切なＲＯＩ領域設定を可能にする。また、擬似透視画像と照合画像の重畳表示により、患者位置決めの良否判定を可能にする。

図３は、この発明の実施の形態１による患者位置決め装置における擬似透視画像生成処理の模式図である。
Ｘ線透視画像撮像装置の原理は、Ｘ線源から撮像対象３０２をＸ線による透視投影を行い、Ｘ線透視画像を撮像する。擬似透視画像３０８では、Ｏｃ点３０４を原点として、擬似透視画像３０８の各画素までの直線上の軌跡に対し、通過した参照ＣＴ画像３０６の各ＣＴ値を加算してその値を各画素の画素値とする。参照ＣＴ画像３０６は、画像上のアイソセンタ位置姿勢と、絶対座標系である治療室座標系のアイソセンタ位置姿勢を合わせることで、治療室座標系へ変換できる。治療室座標系に配置した参照ＣＴ画像３０６は、幾何学的には、患者が治療室座標系の同じ位置姿勢で存在することと等価であり、擬似透視画像３０８は、Ｏｃ点３０４から撮像したＸ線透視画像と等価である。擬似透視画像３０８を、次のようにして求める。

まず、撮像中心Ｏｃ点３０４を原点として、撮像座標系３２２を定義する。次に、擬似透視画像３０８の画像中心をＣ点３１０として、擬似透視画像座標系３２４を定義する。ここで、撮像座標系３２２のｘｃ軸、ｙｃ軸は擬似透視画像座標系３２４のｘim軸、ｙim軸と平行な関係にあり、スケールも同じとする。また、ここで用いる数式の変数や定義を以下に示す。

擬似透視画像上の任意のＰ点３１２に対して、ＯｃＰベクトルは、撮像座標系３２２で次の式１により計算できる。

撮像中心Ｏｃ点３０４から擬似透視画像上のＰ点３１２までの軌跡上のＱ点３１４は、次の式２で表される。

また、Ｘ線透視画像撮像装置の位置姿勢は、撮像座標系３２２から治療室座標系３２０への変換行列を表し、治療室座標系のアイソセンタ位置姿勢に対するＣＴ画像のアイソセンタ位置姿勢は、参照ＣＴ画像座標系３２６から治療室座標系３２０への変換行列を表す。これらから、線分ＯｃＰ上のＱ点３１４の参照ＣＴ座標系３２６での座標は、次の式３により表される。

擬似透視画像３０８の各画素値は、線分ＯｃＰ上のＱ点３１４のＣＴ値の積算値であり、次の式４により求められる。

図４は、この発明の実施の形態１による患者位置決め装置における擬似透視画像とＸ線透視画像の模式図である。図４（ａ）は擬似透視画像４０２を示し、図４（ｂ）は照合Ｘ線透視画像４０４を示す。
擬似透視画像４０２と照合Ｘ線透視画像４０４間において画像相関値を求める。画像相関値は、ＲＯＩ領域設定部１０８において、擬似透視画像４０２上に設定したマスク領域と、対応する照合Ｘ線透視画像内の領域において、各々の領域内の各画素値を要素としたベクトルを生成する。生成した２ベクトル間の内積値を各ベクトルのノルムで除算し相関値を得る。この画像相関値を最大とする時の擬似透視画像生成時のカメラ中心位置姿勢と照合Ｘ線透視画像撮像装置との位置姿勢の差が患者の位置姿勢の変化量となる。この患者の位置姿勢の変化量をベッドの移動の並進，回転で調整することにより、３次元的な患者の位置決めが可能となる。

また、この発明の実施の形態１の処理を複数方向、例えば直交２方向において行ってもよい。各方向における画像相関値を計算し、相関値が判定基準を超えるか、予め指定した繰返し計算回数等の収束条件を満たせば処理を終了し、その時の位置姿勢パラメータを患者位置決めパラメータとする。複数方向から位置姿勢を推定することにより計算精度が向上する。また、ある方向で求めた位置姿勢パラメータを初期値として、他方向の位置姿勢パラメータを求めることにより、画像相関値の最適計算の収束時間を短縮できる効果がある。

（１Ａ）この発明による実施の形態１によれば、放射線照射対象部位についての３次元参照画像を入力する参照ＣＴ画像入力部１０２からなる参照画像入力部と、前記３次元参照画像から位置姿勢情報に基づいて擬似透視画像を生成する擬似透視画像生成部１０６と、位置決めされる放射線照射対象部位についての照合透視画像を入力する照合Ｘ線透視画像入力部１０４からなる照合画像入力部とを備え、前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えた時の位置姿勢と前記３次元参照画像撮像時の位置姿勢の変化量を放射線照射対象部位の並進量と回転量として、前記放射線照射対象部位を位置決し画像表示部１１２に表示するめする位置決め手段を構成する最適化計算部１１０を設けたので、放射線照射対象部位の位置決めを３次元画像を用いて的確に行うことができる放射線照射対象部位の位置決め装置を得ることができる。
すなわち、放射線治療における患者位置決めにおいて、参照ＣＴ画像入力部１０２と、照合Ｘ線透視画像入力部１０４と、擬似透視画像生成部１０６と、擬似透視画像と位置決め用の画像との相関値から、治療装置に対する患者の並進量、回転量を求める最適化計算部１１０を備えることを特徴とするものである。
したがって、治療計画で必ず撮像するＣＴ画像からＸ線透視画像撮像装置の撮像位置姿勢を仮定した擬似透視画像を生成し、治療直前に撮像する位置決め用の照合Ｘ線画像との画像相関値が最大値となる仮想透視画像撮像装置の撮像位置姿勢と、真の透視画像撮像装置との差を求めることにより、３次元的な患者の位置決めを行うことができる。

（１Ｂ）この発明による実施の形態１によれば、前記（１Ａ）項における構成において、前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値を求めるために必要な所定の領域を設定するＲＯＩ領域設定部１０８からなる所要領域設定部を備え、前記ＲＯＩ領域設定部１０８からなる所要領域設定部により設定された所定の領域における前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えるか所定の計算回数に達するまで、前記擬似透視画像生成部に与える位置姿勢情報を変化させながら繰り返し行い、放射線照射対象部位の並進量および回転量を求める最適化計算部１１０を設けたので、放射線照射対象部位の位置決めを３次元画像を用いてより的確かつ迅速に行うことができる放射線照射対象部位の位置決め装置を得ることができる。
すなわち、ＲＯＩ領域設定部１０８により設定される所要領域としてのＲＯＩ領域において、擬似透視画像とＸ線透視画像との画像相関計算を、複数の方向から撮像したＸ線透視画像にて計算し、各方向における相関値が予め指定した値を超えるか繰返し計算回数まで行うことを特徴とするものである。
したがって、複数方向から位置姿勢を推定することにより計算精度が向上する。また、ある方向で求めた位置姿勢パラメータを初期値として、他方向の位置姿勢パラメータを求めることにより、画像相関値の最適計算の収束時間を短縮できる効果がある。

（１Ｃ）放射線照射対象部位についての３次元参照画像を入力する参照ＣＴ画像入力部１０２からなる参照画像入力部と、前記３次元参照画像から位置姿勢情報に基づいて擬似透視画像を生成する擬似透視画像生成部１０６とにより、放射線照射対象部位についての３次元参照画像から位置姿勢情報に基づいて擬似透視画像を生成する工程と、位置決めされる放射線照射対象部位についての照合透視画像を入力する照合Ｘ線透視画像入力部１０４からなる照合画像入力部により、位置決めされる放射線照射対象部位についての照合透視画像を生成する工程とを含み、最適化計算部１１０により、前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えた時の位置姿勢と前記３次元参照画像撮像時の位置姿勢の変化量を放射線照射対象部位の並進量と回転量として、前記放射線照射対象部位を位置決めすることを特徴とする放射線照射対象部位の位置決め方法としたので、放射線照射対象部位の位置決めを３次元画像を用いて的確に行うことができる放射線照射対象部位の位置決め方法を得ることができる。
すなわち、放射線治療における患者位置決めにおいて、擬似透視画像と位置決め用の画像との相関値から、治療装置に対する患者の並進量および回転量を求める最適化計算を行うことを特徴とするものである。
したがって、治療計画で必ず撮像するＣＴ画像からＸ線透視画像撮像装置の撮像位置姿勢を仮定した擬似透視画像を生成し、治療直前に撮像する位置決め用の照合Ｘ線画像との画像相関値が最大値となる仮想透視画像撮像装置の撮像位置姿勢と、真の透視画像撮像装置との差を求めることにより、３次元的な患者の位置決めを行うことができる。

（１Ｄ）この発明による実施の形態１によれば、前記（１Ｃ）項における構成において、ＲＯＩ領域設定部１０８からなる所要領域設定部により前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値を求めるために必要な所定の領域を設定し、最適化計算部１１０により、前記ＲＯＩ領域設定部１０８からなる所要領域設定部によって設定された所定の領域における前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えるか所定の計算回数に達するまで、前記擬似透視画像生成部に与える位置姿勢情報を変化させながら繰り返し行い、放射線照射対象部位の並進量および回転量を求めることを特徴とするので、放射線照射対象部位の位置決めを３次元画像を用いてより的確かつ迅速に行うことができる放射線照射対象部位の位置決め方法を得ることができる。
すなわち、上記、擬似透視画像とＸ線透視画像との画像相関計算を、複数の方向から撮像したＸ線透視画像にて計算し、各方向における相関値が予め指定した値を超えるか繰返し計算回数まで行うことを特徴とするものである。
したがって、複数方向から位置姿勢を推定することにより計算精度が向上する。また、ある方向で求めた位置姿勢パラメータを初期値として、他方向の位置姿勢パラメータを求めることにより、画像相関値の最適計算の収束時間を短縮できる効果がある。

実施の形態２．
この発明による実施の形態２を説明する。
この実施の形態２において、ここで説明する特有の構成以外の構成については、先に説明した実施の形態１における構成と同一の構成内容を具備し、同様の作用を奏するものである。

また、画像相関値の計算として、実施の形態１で述べた手法以外に限らず、他の手法、例えば残差マッチング法を用いてもよい。残差マッチングは、２画像上の対応領域において、対応画素間の差分の総和を計算し評価値とする。差分の総和が最小となるほど画像相関が強いことを示し、差分の総和の負符号を相関値とする。

（２Ａ）この発明による実施の形態２によれば、前記（１Ａ）〜（１Ｃ）項における構成において、残差マッチング法によって前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値を求めるように放射線照射対象部位の位置決め装置を構成したので、残差マッチング法により相関値を求めることによって放射線照射対象部位の３次元的な位置決めを行うことができる放射線照射対象部位の位置決め装置を得ることができる。

（２Ｂ）この発明による実施の形態２によれば、実施の形態１における前記（１Ｄ）〜（１Ｆ）項のいずれかにおける構成において、残差マッチング法によって前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値を求める放射線照射対象部位の位置決め方法としたので、残差マッチング法により相関値を求めることによって放射線照射対象部位の位置決めを３次元画像を用いることによって的確に行うことができる放射線照射対象部位の位置決め方法を得ることができる。

以上のように、この発明による実施の形態では、治療計画時に撮像した患者の３次元ＣＴ画像と治療直前に患者位置決め用に撮像したＸ線透視画像を用いる。ＣＴ撮像条件から３次元ＣＴ画像データを治療室座標系へ変換する。Ｘ線透視画像撮像装置の撮像条件および撮像位置姿勢パラメータを用いて、３次元ＣＴ画像から擬似透視画像を生成する。擬似透視画像と患者位置決め用に撮像したＸ線透視画像とのマッチング処理（画像相関値計算）を行う。上記処理を、撮像位置・姿勢パラメータを変化させて行い、最大値となる擬似透視画像の撮像位置姿勢と真のＸ線透視画像撮像装置の撮像位置姿勢の差を求め、それに基づきベッドの位置・姿勢を修正する。

この発明の実施の形態によれば、Ｘ線透視画像撮像装置の撮像条件および撮像位置姿勢パラメータに基づき治療計画時の患者の３次元ＣＴ画像から生成した擬似透視画像と、治療直前時のＸ線透視画像とのマッチング処理（画像相関値計算）を行い、相関値が最大となる撮像位置姿勢パラメータを計算することにより、治療直前の患者の位置姿勢と計画時の位置姿勢の３次元的な患者位置姿勢の差を求めるものである。

この発明による実施の形態１における患者位置決め装置の構成を示すブロック図である。この発明による実施の形態１における患者位置決め装置での処理手順を示す手順図である。この発明による実施の形態１における患者位置決め装置での擬似透視画像生成処理を示す模式図である。この発明による実施の形態１における患者位置決め装置での擬似透視画像とＸ線透視画像を示す模式図である。

符号の説明

１０２ＣＴ画像入力部、１０４照合Ｘ線透視画像入力部、１０６擬似透視画像生成部、１０８ＲＯＩ領域設定部、１１０並進量，回転量の位置決めパラメータを求める最適化計算部、１１２画像表示部、Ｓ２０２参照ＣＴ画像入力ステップ、Ｓ２０４Ｘ線透視画像撮像装置の位置姿勢パラメータの初期値設定ステップ、Ｓ２０６擬似透視画像生成ステップ、Ｓ２０８画像相関値計算ステップ、Ｓ２１０相関値判定ステップ、Ｓ２１２位置姿勢パラメータの変更処理ステップ、Ｓ２１４照合Ｘ線画像入力ステップ、３０２撮像対象、３０４Ｏｃ点、３０６参照ＣＴ画像、３０８擬似透視画像、３１０擬似透視画像の画像中心Ｃ、３１２擬似透視画像の任意の点Ｐ、３１４線分ＯｃＰ上の点Ｑ、３２０治療室座標系、３２２撮像座標系、３２４擬似透視画像座標系、３２６参照ＣＴ画像座標系、４０２擬似透視画像、４０４照合Ｘ線透視画像。

Claims

放射線照射対象部位についての３次元参照画像を入力する参照画像入力部と、前記３次元参照画像から位置姿勢情報に基づいて擬似透視画像を生成する擬似透視画像生成部と、位置決めされる放射線照射対象部位についての照合透視画像を入力する照合画像入力部とを備え、前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えた時の位置姿勢と前記３次元参照画像撮像時の位置姿勢の変化量を放射線照射対象部位の並進量と回転量として、前記放射線照射対象部位を位置決めする位置決め手段を設けたことを特徴とする放射線照射対象部位の位置決め装置。
前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値を求めるために必要な所定の領域を設定する所要領域設定部を備え、所要領域設定部により設定された所定の領域における前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えるか所定の計算回数に達するまで、前記擬似透視画像生成部に与える位置姿勢情報を変化させながら繰り返し行い、放射線照射対象部位の並進量および回転量を求める最適化計算部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の放射線照射対象部位の位置決め装置。
放射線照射対象部位についての３次元参照画像から位置姿勢情報に基づいて擬似透視画像を生成する工程と、位置決めされる放射線照射対象部位についての照合透視画像を生成する工程とを含み、前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えた時の位置姿勢と前記３次元参照画像撮像時の位置姿勢の変化量を放射線照射対象部位の並進量と回転量として、前記放射線照射対象部位を位置決めすることを特徴とする放射線照射対象部位の位置決め方法。
前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値を求めるために必要な所定の領域を設定し、設定された所定の領域における前記擬似透視画像と前記照合透視画像との相関値が所定の値を超えるか所定の計算回数に達するまで、前記擬似透視画像生成部に与える位置姿勢情報を変化させながら繰り返し行い、放射線照射対象部位の並進量および回転量を求めることを特徴とする請求項３に記載の放射線照射対象部位の位置決め方法。