JP2008022896A - 位置決め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置決め時間が短縮され、精度の高い位置決めができる位置決め装置を得る。
【解決手段】計測光１３とカメラ１７を用いた３次元計測により患者の体表面を計測する３次元光計測手段と、３次元光計測手段であらかじめ取得された体表面基準位置データと治療時又は診断時に３次元光計測手段で取得される体表面計測位置データとを比較照合し、位置姿勢変換パラメータを求めるデータ照合手段２８と、データ照合手段の位置姿勢変換パラメータにより体表面基準位置データと体表面計測位置データとの差異が許容範囲になるように患者支持台の位置および角度を調整する位置調整手段を備え、患者の位置決めを実施するようにした。
【選択図】図３

Description

この発明は、放射線治療装置，粒子線治療装置，画像診断装置などに使用される位置決め装置に関し、例えば、パターン状の計測光を用いた３次元計測可能な光計測手段を用いて、治療時、治療計画時又は診断時等の計測時に患者の患部を所定の位置及び角度に位置決めする位置決め装置に係わるものである。

放射線治療又は粒子線治療における患者の位置決め操作の従来の流れについて、図１３を用いて説明する。放射線治療，粒子線治療，画像診断において、放射線の照射野あるいは粒子線の照射野は、治療の対象となる患部の位置と形状に一致させる必要がある。まずステップ１において、患者受け入れを行い、登録やインフォームドコンセントなどの作業を経て、ステップ２で、Ｘ線ＣＴ装置を用いてＣＴ画像を取得する。治療計画作成のステップ３では照射する部位、すなわち治療標的領域を前記ＣＴ画像に基づいて設定する。治療計画が終了した後、前記治療計画に基づき、患者固定具や治療に必要なその他の治具を製作する。治療照射時には放射線あるいは粒子線をこの治療標的領域に精度よく照射する必要がある。このためにリハーサルと呼ばれるステップ４で以下の手順を踏む。

リハーサルは通常、治療照射の事前に、別の日に実施される。リハーサルにおいては、前記ＣＴ画像を加工し新たな画像を作成し、この加工画像に基づいて患者位置決めを行う。このようにして照射時の患者位置が確定した段階で、新たな２次元画像Ｘ線透視画像を撮影し、これを基準位置画像とし、それに伴う位置決め情報を基準位置データと呼ぶ。このような手順を踏む理由は、照射する前の位置決めステップで撮影するＸ線透視画像の画質がＸ線ＣＴ画像と異なるためである。

治療時においても、精度よく治療標的領域に照射するために照射直前に位置決めを行う。このステップ５では通常、レーザポインタで粗い位置決めを行い、その後、Ｘ線透視画像を用いて、高精度位置決めを行う。このときに取得されるＸ線透視画像のことを位置決め画像と呼んでいる。粗い位置決めで使うレーザポインタの合せ位置は、リハーサル時に患者の体表面にマーキングされる。このとき、図７の（Ｆ）に示すように、画像診断で決定した患部の特定部位及び任意の部位を治療計画に対応した体表面に移し、その位置に患部位置マーカ及び位置マーカを付置し、そのマーカを参照し、レーザポインタなどと対応させ、目視か、２次元計測可能なビデオカメラを用いて観測し、患者を位置決めしていた。

２次元計測可能なビデオカメラで３次元的に患者の位置決めをするためには、ビデオカメラが２台以上必要である。異なる方向から患者の体表面に設けた３個以上の位置マーカを読みとることにより、患者の患部の３次元的な位置を推定し、照射の領域（照射野）の中心と患部の中心及び照射野の方向と患部の方向とが一致するように治療台を移動および回転させる方法で患者の位置決めを行っていた。

Ｘ線透視画像を用いた高精度位置決めにおいては、位置決め画像と基準位置画像との差が許容範囲内になるまで、治療台の設定位置や設定角度を調整する。患者の体位の補正、すなわち臥位の場合は、患者の治療台上での横たわりかたの補正、座位の場合は患者の治療台上での座りかたの補正が必要な場合もある。その後、ステップ６の照射が行われる。粒子線治療や放射線治療においては最大４０回程度で何日かに分割して実施するため、位置決めの再現性は重要となる。照射の度に上記ステップの位置決め手順が繰り返される。なお、ここに記述した手順は一般的なものであり、他の手順も行われている。なお、この分野の位置決め装置としては、例えば、特許文献１〜特許文献４がある。

特開平１１−１９７２５９号公報 特表２００１−５０５０８２号公報 特開２００３−３１９９３０号公報 特開２０００−１６７０７２号公報 奥田 晴久，橋本 学，鷲見 和彦「参照画像を用いた空間コード化法のエラー低減手法」、第１７回日本ロボット学会学術講演会、1999年9月9日〜11日

従来の放射線治療装置又は粒子線治療装置における患者の位置決め方法は、図７（Ｆ）に示すように、患者の体表面に複数の病巣部位置表示マーカ（図７（Ｆ）中の５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｆ）を付置し、２次元計測可能なビデオカメラを２台以上用い、異なる方向からこれらの病巣部位置表示マーカを読みとることにより、患者の患部の３次元的な位置を推定し、照射領域（照射野）の中心と患部（ターゲット領域）の中心が一致するように治療台を移動および回転させて、患者の患部の位置及び角度と照射する放射線あるいは粒子線の照射野を合致させるような患者位置決めを行っていた。

しかし、この方法は２次元計測可能なビデオカメラを用いて患者の体表面に設けた複数の患部位置表示マーカを読みとることにより、患者の患部の３次元位置を算定しているので、患者の体表面に設けた複数の患部中心位置表示マーカを参照し、患部の位置決めを精度良く行うには、体表面上の水平面及び垂直面上に高精度のマーキングが必要でかつ、体表面の患部位置表示マーカの数は、少なくとも３個以上必要である。

このような従来の方法ではマーカを体表面に付与する際に誤差が生じるという問題点があった。また、測定対象である人体は剛体ではないので、人体に非剛性的な変形があった場合、位置決め誤差が増大しやすいという問題点があった。また、カメラを２台以上設置する必要があり、設置に関する制約を受けやすいという問題点もあった。さらに、２次元情報の組み合わせだけでは、回転角度の誤差を取り除くことが困難なため、位置合わせが許容範囲内に集束するまでに時間がかかるという問題点があった。また、マーカや、局所的な情報のみに制限されているため、手足や首の傾きなど体位全体の再現性が悪いため、位置決めが集束するまでに時間がかかるという問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、放射線治療，粒子線治療，治療計画，画像診断などに使用される位置決め装置において、患者の体表面上に位置表示マーカを用いる必要がなく、従来の２次元データの計測では得られなかった立体的な回転角度の補正が可能となり、位置決め時間が短縮され、精度の高い位置決めができる位置決め装置を得ることを目的とする。

この発明に係わる位置決め装置は、計測光とカメラを用いた３次元計測により患者の体表面から反射された反射光を計測する３次元光計測手段と、上記３次元光計測手段であらかじめ取得された体表面基準位置データと計測時に上記３次元光計測手段で取得される体表面計測位置データとを比較照合し、位置姿勢変換パラメータを求めるデータ照合手段と、上記データ照合手段の位置姿勢変換パラメータにより上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データとの差異が許容範囲になるように患者支持台の位置および角度を調整する位置調整手段を備え、位置決めを実施するものである。

また、この発明に係わる位置決め装置は、第１計測光とカメラを用い上記第１計測光が照射される患者の体表面部分の３次元データを取得する第１の３次元光計測手段と、上記第１計測光と異なる方向から照射する第２計測光とカメラを用い上記第２計測光が照射される患者の体表面部分の３次元データを取得する第２の３次元光計測手段と、上記第１と第２の３次元光計測手段であらかじめ取得された体表面基準位置データと計測時に上記第１と第２の３次元光計測手段で取得される体表面計測位置データとを比較照合し、位置姿勢変換パラメータを求めるデータ照合手段と、上記データ照合手段の位置姿勢変換パラメータにより上記体表面基準位置データに上記体表面計測位置データを合わせるように患者支持台の位置および角度を調整する位置調整手段を備え、位置決めを実施するものである。

また、この発明に係わる位置決め装置は、上記データ照合手段は、上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データにおける対応する複数位置の３次元位置データに関し、最も近傍に位置する位置データ同士を仮対応させ、これを一致させるため仮位置姿勢変換パラメータを求める処理を漸次行うことにより、最終的な位置姿勢変換パラメータを得るものである。

さらに、この発明に係わる位置決め装置は、上記データ照合手段は、上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データにおける対応する複数位置の３次元位置データに関し、最も近傍に位置する位置データ同士を仮対応させ、これを一致させるため仮位置姿勢変換パラメータを求め、上記仮姿勢変換パラメータで変換した後の対応点間における位置偏差が、対応点群全体の位置偏差から著しく大きいと統計的に判断される特異点を除去した上で、再度仮姿勢変換パラメータを求めることにより、最終的な位置姿勢変換パラメータを得るものである。

この発明の位置決め装置によれば、放射線治療，粒子線治療，治療計画，画像診断などに使用される位置決め装置において、患者の体表面上に位置表示マーカを用いる必要がなく、データ照合手段の位置姿勢変換パラメータにより患者支持台の位置および角度を調整するので、回転角度の補正が可能となり、位置決め時間が短縮され、精度の高い位置決めができる。

実施の形態１．
以下に、この発明の実施の形態１を図１，図２，図３，図４及び図５に基づいて説明する。図１は粒子線治療装置の照射ヘッド、治療台及び患者を示す配置図である。図２は粒子線治療装置の粒子線加速器、照射ヘッド、治療台、それらの制御装置及び患者を示すシステムブロック図である。図３は粒子線治療装置の照射ヘッドに搭載されている３次元光計測装置（手段）のシステムブロック図である。図４は図３の３次元光計測装置を用いて患者の位置決めをするときの配置図である。図５は３次元光計測装置を用いて患者体表面の特徴領域を特化しこの位置データを照合データとして、患者の位置決めをする説明図である。なお、各実施の形態及び各図を通して、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、１は粒子線治療照射ヘッド、２は患者、３は治療台（患者支持台）、３ａは治療台天板、３ｂは治療台支持脚、４はＸ線検出器、５は回転駆動機構、５ａは照射ヘッドの水平回転軸、５ｂはアイソセンタ、６は粒子線、７は偏向電磁石、８は散乱体、９はリッジフィルタ、１０はレンジフィルタ、１１はＸ線管、１２はパターン光源、１４はビームモニタ、１５はコリメータ、１６は多葉コリメータ、１７はビデオカメラ、１８はビデオモニタ、１９はキーボード、２０はライトローカライザ及び２１はレーザポインタである。なお、図１（Ａ）は（Ｂ）のビデオモニタ１８を取り除いて示す正面配置図、（Ｂ）は（Ａ）の側面配置図である。

図２において、１２ａはパターン光源制御器、２２は粒子線加速器、２２ａはビーム輸送系、２３は加速器制御装置、２４は回転制御装置、２５は照射ヘッド制御装置、２６は治療台制御器、２７は信号処理装置、２８は画像処理計算機、２９は加速器制御計算機及び３０は照射系制御計算機である。図３において、１３は走査パターン光、１３ａは反射パターン光、３１はレーザ変調回路、３２はレーザ光源、３３は変調レーザ光、３５はパターン光、３６はミラー、３７はミラー駆動回路、３８ドライバである。なお、実施の形態１ではパターン光源１２およびビデオカメラ１７が照射ヘッドに搭載されているが、実施の形態７で述べるように、これらの装置を照射室の天井か壁、もしくは治療室に設置された架台に取り付ける方法でもよい。

次に動作について説明する。図１及び図２において、粒子線治療装置の粒子線加速器２２で加速された粒子線６は、ビーム輸送系２２ａで照射ヘッド１に導かれ、偏向電磁石７によって必要な方向に偏向され、散乱体８に入射され、治療照射に必要な散乱角を持った粒子線に広げられる。散乱体８を出た粒子線６は、リッジフィルタ９を通り、そのエネルギー幅を広げ、さらにレンジフィルタ１０を通ってそのエネルギーを減少させ、コリメータ１５および多葉コリメータ１６で粒子線の照射野が整形され、患者２の患部に照射される。照射ヘッド１は、回転駆動機構５によってアイソセンタ５ｂを含む水平回転軸５ａのまわりに回転し、粒子線６は、アイソセンタ５ｂを含む回転軸５ａに垂直の面内で、任意の方向から患者２に照射される。

患者２は、治療台天板３ａに固定され、治療台天板３ａは、治療台３の支持脚３ｂに対し前後、左右及び上下方向に移動する他に支持脚３ｂを中心とした水平回転ができる。さらに支持脚３ｂは、アイソセンタを含む垂直回転中心軸を中心に水平回転ができ、治療台３の天板上の患者２を、粒子線の照射野に対し任意の位置及び角度（方向）に置くことができる。

図３は、３次元光計測装置のシステムブロック図である。図１２は実施の形態において、放射線治療又は粒子線治療における患者の位置決め操作の流れを示すフローチャートである。なお、図１２のフローの順序は図１３のフローの順序と同様であり重複部分の説明を省略する。図１２で示すフローのように、放射線治療、粒子線治療では治療に先立ち、ステップ４のリハーサルにおいて、患者の位置決めにこの３次元計測可能な光計測装置を用い、患者の体表面を計測し、その３次元位置データを取得し、体表面基準位置データとして画像処理計算機２８のメモリーに記録する。その後、ステップ５の治療時における患者位置決めステップの粗位置決めの段階において再度３次元計測を行い、前記体表面基準位置データに対して照合する。

図３において、レーザ変調回路３１で変調されたレーザ光源３２からは、変調レーザ光３３が発射される。パターン状の計測光であるパターン光３５は、変調レーザ光とスキャナミラー３６の動作により走査パターン光１３として患者２の体表面に入射される。なお、パターン状の計測光の代わりに、複数の縞状の計測光を使用してよい。患者２の体表面に入射された走査パターン光１３は、患者２の体表面から反射され、反射パターン光１３ａとなり、その一部を患者の体表面観測用の１台又は複数台のビデオカメラで観測する。ビデオカメラで患者の体表面から反射された反射パターン光１３ａを読みとることにより、パターン光３５に照射された患者２の体表面の形状を観測できる。ミラー３６は、走査パターン光１３が、患者２の体表面の必要な計測領域をカバーするように、ミラー３６の回転軸を中心に振られ、パターン光３５を走査パターン光１３に変換している。なお、パターン状の計測光を体表面に投影し，体表面におけるパターンの変位量をカメラで計測することで、体表面の距離を測定できる。また、複数の縞状の計測光を体表面に投影し、体表面における縞模様の変位量をカメラで計測することで、体表面の距離を測定することができる。

ドライバ３８は、レーザ変調回路３１、ミラー駆動回路３７及び信号処理装置２７へ送るタイミング信号や制御の信号の生成回路である。ミラーの反射点とビデオカメラの受光点の距離及び走査パターン光１３の振り角度から体表面の３次元的な位置を求めることができる。走査パターン光１３の振り角度は、レーザ変調回路３１に送られるタイミング信号のタイミングで決定される。ここで述べた計測方法の一例として、光切断法による空間コード化法があり、例えば非特許文献１に記載されている。

図４は、粒子線治療装置の照射ヘッドに搭載された図３の３次元光計測装置を用いて、患者の位置決め及び粒子線治療を実施する時の機器配置図で、その（Ａ）はビデオモニタ１８と治療台支持脚３ｂを省いて示す正面配置図、（Ｂ）は側面配置図、（Ｃ）は患者の上面配置図である。図５は、上記の３次元光計測装置を用いて患者の体表面の第１，第２の特徴領域４６、４７の位置データを照合データとして、患者の位置決めをする説明図である。図４及び図５において、２ａは患者の患部、２ｂは患部の患部輪郭、２ｃは患部の中心、２ｄは体表面（体輪郭）及び２ｅは体表面基準位置データによる体輪郭である。

１３は走査パターン光、１３ａは反射パターン光、１３ｂは走査パターン光照射野である。２０ａはライトローカライザの十字線、２０ｂはライトローカライザ十字線の交点である。４６は患者の第１の特徴的な体表面を示す体表面特徴領域、４７は患者の第２の特徴的な体表面を示す体表面特徴領域および図４の４８は患者の第３の特徴的な体表面（例えば上腕）を示す体表面特徴領域である。４９ａは患部中心を垂直方向に投影し体表面２ｄと交わる患部中心体表面投影点（Ｈ）、４９ｂは患部中心を体軸と直角をなし水平方向に投影し体表面と交わる患部中心体表面投影点（Ｖ）である。

粒子線照射時の位置決めの照合データとして、予め計測され取得された３次元体表面基準位置データＤａと、治療前位置決め時に照射ヘッドに付置されている３次元計測可能な光計測装置を用いて患者の体表面を計測した３次元体表面計測位置データ（３次元体表面変動位置データ）Ｄｂとを画像処理計算機２８に取り込み記録する。体表面基準位置データＤａと位置決め時に取得した体表面計測位置データＤｂから体表面特徴領域に着目し、両者の位置を比較照合し、その差が最小になるように治療台（支持台）を前後、左右、上下及び水平面内回転させて患者の位置決め行う。図５には、３次元体表面基準位置データＤａと患者の体表面を計測した３次元体表面計測位置データＤｂを用いて、両者を比較照合し、患者の位置決めをする様子を示す。

図５において、２ｄは患者が最初に治療台にセットされた時の照射ヘッドの３次元光計測装置で計測された体表面、２ｅは３次元体表面基準位置データから求めた体表面、１３ｂは３次元光計測装置の走査パターン光の照射野、２０ａはライトローカライザ十字線、２０ｂはライトローカライザ十字線の交点で、粒子線照射野の中心を示す。ここで、第１，第２，第３の体表面特徴領域４６、４７、４８は３次元表面形状についての特徴のある領域を対象とする。すなわち、３次元的表面形状の変化のことであり、表面の色や輝度といった２次元的特徴（例えばホクロやアザ等）のことではない。

体表面特徴領域を第１の体表面特徴領域４６及び第２の体表面特徴領域４７にとるとする。照射ヘッドに付置されている３次元計測可能な光計測装置を用いて、患者の体表面を計測した３次元体表面計測位置データＤｂから、第２の体表面特徴領域４７に沿って点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3、・・・・、Ｐnをとるとする。同様に、体表面基準位置データＤａから、第２の体表面特徴領域４７に沿って対応する点Ｐ1’、Ｐ2’、Ｐ3’、・・・・、Ｐn’をとる。体表面基準位置データＤａと体表面計測位置データＤｂにおける対応する複数位置の３次元位置データに関しては、３次元的に最も近傍に位置する位置データ同士を仮対応させ、これを一致させるため仮位置姿勢変換パラメータを求める処理を漸次行うことにより、最終的な位置姿勢変換パラメータ求め、求めた位置姿勢変換パラメータにより、治療台３及び治療台天板３ａ（つまり患者支持台）を移動及び回転させ、患者の位置を体表面基準位置データ取得時の位置の近傍にもってくることができる。

即ちＰ1―Ｐ1’、Ｐ2―Ｐ2’、Ｐ3―Ｐ3’、 、Ｐn―Ｐn’間のｘ、ｙ及びｚ方向の３次元空間における距離をそれぞれｘ１、ｘ２、ｘ３、・・・・・、ｘｎ、ｙ１、ｙ２、ｙ３、・・・・、ｙｎ、ｚ１、ｚ２、ｚ３、・・・・、ｚｎとし、図２の照射系制御計算機３０及び治療台制御器２６を介して、距離ｘk、ｙk、ｚk（k=1…n）が最小、あるいはこれらの総和が最小になるように治療台３及び治療台天板３ａを漸次移動または回転させ、患者の位置を体表面基準位置データ取得時の位置の近傍にもってくることができる。さらに、第２の体表面特徴領域４７の位置データに第１の体表面特徴領域４６の位置データを加え、位置姿勢変換パラメータ求めるることにより、治療台３の上の患者２を、図５の（Ａ）に示す患部の中心４９ａを、（Ｂ）に示すように、照射野中心２０ｂの近傍により高い精度で設定することができる。つまり患者支持台の位置および角度（方向）を調整して体表面基準位置データと体表面計測位置データとの差異が許容範囲になるように設定することができる。

このとき、体表面基準位置データと体表面計測位置データとの差異が許容範囲になるように、位置姿勢変換パラメータで、患者支持台の位置および角度（方向）を調整する調整量を、治療台の近傍の表示画面（ビデオモニタ１８）に表示し、知らせるようにすると良い。

また放射線又は粒子線の照射治療中は、常に３次元光計測手段で患者の体表面計測位置データを取得し、体表面基準位置データと比較することにより、もしも上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データとの差異が許容範囲を超え、患者の患部の位置と放射線又は粒子線照射野が許容範囲を超えてずれた場合は、放射線又は粒子線の照射を停止させる信号を送出し、放射線又は粒子線照射を一旦停止させ、患者支持台の位置及び角度を再調整し、ずれを除いた後、放射線又は粒子線を再照射するようにしても良い。
また放射線又は粒子線の照射治療中の患者の位置を常に監視し記録するようにしても良い。

以上により、粒子線治療を受ける患者は、患者の体表面に位置表示マークを付置することなく位置決めすることができるため、煩雑な手順を省略することができるために位置決め時間が短縮できると共に、位置表示マーカを体表面に付与する際に生じる誤差の影響を受けないため位置決めの再現性を向上することができる。また人体に非剛性的な変形があった場合でも、位置決め誤差を全体的に補正する方式であるため再現性を確保しやすい。またカメラを１台のみ設置するときは、設置に関する制約が非常に少ない。

さらに、実施の形態１では３次元情報に基づく補正を行うため、２次元情報の組み合わせだけでは取り除くことが困難であった、回転角度の誤差を補正することが容易であり、従来のように位置合わせが集束するまでに時間がかかるという問題点を解決することができる。また、実施の形態１では、特徴領域を抽出することによって照合アルゴリズムの対象領域を狭めるため、アルゴリズムの時間短縮も得られる。なお、ここでは、図１２のステップ４のリハーサルにおいて、３次元光計測装置を用い、患者の体表面を計測し、その３次元位置データを、体表面基準位置データとしたが、図１２のフローに示すように、ステップ２の治療計画ＣＴ画像取得時に３次元光計測装置を用い、体表面基準位置データを取得することもできる。その場合は治療計画より下流の全てのステップにおいて、治療計画時の基準位置データに合わせることができるため、再現性の点でより望ましい。

実施の形態２．
実施の形態１において、３次元光計測領域内の特定の体表面特徴領域を抽出し、体表面計測位置データを取得し、体表面基準位置デ―タと比較照合し、位置決めを行っているが、患部以外の部位、例えば上腕部、頭頸部、脚部の位置や、体幹部全体のねじれなどが、診断時または治療計画時の状態で異なる場合がある。このような場合、単に治療台を６軸方向に並進させたり、回転させたりすることでは十分な位置合わせができない場合がある。図４（Ｃ）は患者２が治療中に比較的動きやすい部位（例えば腕部、頭頸部など）に関し、位置決め時の体表面特徴領域を第３の体表面特徴領域４８にとり、３次元光計測装置により体表面計測位置データを取得し、あらかじめ取得された同部位の体表面基準位置データと、データ照合手段で比較照合し、両者の位置の差異を算定し、位置の差異が許容値を超えている場合は、対象とする部位の体位を、治療台の移動又はそれ以外の方法、たとえば曲がっている腕を伸ばすなどの方法で補正し、再度計測・照合しながら体位差異を許容値以下にもっていくことができる。

このようにして患部の位置決めの前に、通常は患部位置決めに使わなかった別の部位の体表面特徴領域を用い体位補正をする。このように、実施の形態２により、患部位置に直接関係のない部位まで３次元光計測装置を用いて、体表面計測位置データを取得し、これと体表面基準位置データとを比較照合し、両者の位置の差異を算定することにより、患者の体位全体の再現性が高まり、従来の方法における位置表示マーカや、局所的な情報のみに制限された場合に比べて、手足や首の傾きなど体位全体の再現性が改善され、位置決めが集束するまでの時間が短縮できると共に位置決めの再現性向上が得られる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３を図５に基づいて説明する。図５において、（Ａ）及び（Ｂ）は、患者２の体表面特徴領域を第２の体表面特徴領域４７にとった場合であるが、必ずしも、３次元体表面計測位置データＤｂから、患者の特定の体表面特徴領域の体表面計測位置データを抽出し、対応する体表面基準位置データと比較照合し患者の位置決めをする必要はない。特定の体表面特徴領域のみならず計測した全体データを使って比較照合し位置決めをする方法でも良い。図５の（Ｃ）及び（Ｄ）は、照射ヘッドに付置されている３次元計測可能な光計測装置を用いて患者の体表面を計測した３次元体表面計測位置データＤｂから、全ての観測点の体表面計測位置データを用い、対応する体表面基準位置データと比較照合し、患者２の位置決めをする場合の説明図である。

ここでは、実施の形態１で述べたような特徴領域を絞り込む手順は省略されている。体表面位置データを比較照合するデータ照合手段としては、実施の形態１で記載のものの他に、次のものがある。即ち、異なる位置を計測した３次元体表面位置データの照合手段として、体表面基準位置データと体表面計測位置データにおける対応する複数位置の３次元体表面位置データに関し、最も近傍に位置する位置データ同士を仮対応させ、これを一致させるため仮位置姿勢変換パラメータを求め、上記仮姿勢変換パラメータで変換した後の対応点間における位置偏差が、対応点群全体の位置偏差から著しく大きいと統計的に判断される特異点を除去した上で、再度仮姿勢変換パラメータを求めることにより、最終的な位置姿勢変換パラメータを得る。この位置姿勢変換パラメータで治療台３及び治療台天板３ａを移動回転させる。このようにして、治療照射系は、治療台３の上の患者を、その患部の中心を照射野中心（図５の２０ｂ）の近傍に自動的にセットすることができる。以上により、実施の形態１で述べた効果に加え、複数位置の３次元体表面位置データを用いて補正することにより、非剛性的な体位の変動があった場合でも位置決めの再現性を確保することができる。

実施の形態４．
また、実施の形態４では、実施の形態３と異なって、３次元光計測装置（手段）を複数個使用して、患者の体表面の３次元データを取得する。このように、３次元光計測装置を複数個使用すると、１つの３次元光計測装置ではカバーできない、体の反対側も計測することができ、患者の体表面のより広範囲なデータを収集することができ、位置決めの精度を向上させることができる。
３次元光計測装置のパターン光源（計測光）１２とビデオカメラ１７は、例えば、後述する図１０の（Ｂ）のように、治療室の側壁などの固定側に装着し、これを患者支持台の左右又前後に複数個（例えば２個）装着する。第１の３次元光計測装置では、第１計測光とカメラを用い上記第１計測光が照射されている患者の体表面部分の３次元データを取得する。第２の３次元光計測装置は、第１計測光と異なる方向から第２計測光を患者に照射し、第１計測光がカバーできない患者部分を照射する。第２の３次元光計測装置では第２計測光とカメラを用い第２計測光が照射されている患者の体表面部分の３次元データを取得する。

第１と第２の３次元光計測装置で他の実施の形態と同様に、あらかじめ体表面基準位置データを取得しておく。治療時又は診断時に第１と第２の３次元光計測装置で体表面計測位置データを取得する。データ照合手段では異なる位置で計測したこれらの両位置データを比較照合し、次のようにして、位置姿勢変換パラメータを求める。上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データにおける対応する複数位置の３次元体表面位置データに関し、最も近傍に位置する位置データ同士を仮対応させ、これを一致させるため仮位置姿勢変換パラメータを求め、上記仮姿勢変換パラメータで変換した後の対応点間における位置偏差が、対応点群全体の位置偏差から著しく大きいと統計的に判断される特異点を除去した上で、再度仮姿勢変換パラメータを求める処理を漸次行うことにより、最終的な位置姿勢変換パラメータを得る。

この位置姿勢変換パラメータで治療台及び治療台天板を移動回転させる。このようにして、治療照射系は、治療台（患者支持台）の上の患者を、その患部の中心を照射野中心（図５の２０ｂ）の近傍に自動的にセットすることができる。以上により、実施の形態１で述べた効果に加え、複数位置の３次元体表面位置データを用いて補正することにより、非剛性的な体位の変動があった場合でも位置決めの再現性を確保することができる。

実施の形態５．
この発明の実施の形態５を図６及び図７に基づいて説明する。図６は、３次元光計測装置を搭載した診断及び治療計画用ＣＴ装置であり、放射線あるいは粒子線で治療する前の治療計画と断層撮影に用いるＣＴ装置の配置図であり、その（Ａ）は正面配置図、（Ｂ）は上面配置図である。図７は、治療計画用ＣＴ装置で、患者を照射可能な位置に設定し、治療計画を実施して線量分布を求める説明図である。

図６，図７において、１１ａはＣＴ用Ｘ線管、１１ｂはＸ線検出器、１２ｃはＣＴ装置に組み込まれたパターン光源、１３ｃはパターン光の照射野、１７ａはＣＴ搭載のビデオカメラ、２０ａはＣＴ搭載ライトロ−カライザ、２１ａはＣＴ用レーザポインタ、４０はＣＴ構台、４１は移動架台、４１ａは移動架台天板である。４３はＣＴ画像の体幹中心、４４ａは照射野中心を垂直方向に投影した照射野中心体表面投影点（Ｈ）、４４ｂは照射野中心を水平方向に投影した照射野中心体表面投影点（Ｖ）である。４５は患者の移動架台である。４６は第１の体表面特徴領域、４７は第２の体表面特徴領域、４８は第３の体表面特徴領域、４９ａは患部中心体表面投影点（Ｈ）、４９ｂは患部中心体表面投影点（Ｖ）である。

次に動作について説明する。図６は、パターン光源１２ｃ及びビデオカメラ１７ａを含む３次元光計測装置を搭載した断層撮影及び治療計画用ＣＴの配置図であり、断層撮影時及び治療計画時に、この３次元光計測装置を用いて患者の体表面を計測し、体表面位置データを取得し、画像処理計算機２８に記録する。図６において、３次元光計測装置の動作に関しては、実施の形態１の動作と同じである。図７の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）はＣＴ装置による患部を含む横断断層像、体軸水平断層像及び体軸垂直断層像である。

図７の（Ｄ）は断層像（Ｃ）に対応した患者の体表面をあらわす図である。図７の断層像（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）において、体輪郭２ｄ、患部輪郭２ｂ及び患部中心位置２ｃを確定させた後、放射線ないしは粒子線の照射の最適条件（照射位置、照射方向、照射野の大きさ、照射門数）を求める。治療計画上の患者の患部に放射線（粒子線）を照射した場合の患部付近の線量分布を図７の（Ｅ）に示す。図７の（Ｅ）で、６は粒子線、６ａはその照射野を示す。この分布に示す治療計画が妥当ある事を確認した後、治療計画に用いた断層像の撮影時に３次元光計測装置で計測し取得した患者の体表面位置データを体表面基準位置データとして、画像処理計算機２８に記録する。

このようにして、Ｘ線シミュレータ時及び放射線ないしは粒子線治療時に必要な患者の体表面基準位置データを得ることができる。以上の操作は、基本的にはＸ線シミュレータ及び治療照射の患者の位置決めを、モニタ画面上のみで実行でき、患者の体表面に煩わしい位置表示マークを付置することなく、短時間でＸ線シミュレーションや放射線ないし粒子線治療における患者位置決めを行うことができ、患者の体表面位置データを記録し保管することもできる。また、ＣＴ画像を取得した後に放射線治療又は粒子線治療を実施する場合、体位全体の３次元データあるいは、特徴領域の３次元データに基づき、治療計画時および照射時にもＣＴ画像取得時と同じ体位を再現することができるため、治療精度を向上させることができる。なお、図７の（Ｆ）は、患者の体表面に複数の病巣部位置表示マーカ５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ，５０ｅ，５０ｆを付置した従来方式を示す図である。

実施の形態６．
この発明の実施の形態６を図８、図９に基づいて説明する。図８は、３次元光計測装置を患者の位置決め手段として搭載したＸ線シミュレータの配置図であり、放射線あるいは粒子線で治療する前段階で、照射野（治療を模擬した照射野）の位置、方向、大きさ、形状及び照射方向の確認を行うものである。図８の（Ａ）は正面配置図、（Ｂ）は側面配置図、（Ｃ）は患者の上面配置図である。図９は、３次元光計測装置を用いて計測した体表面計測位置データと体表面基準位置データとを比較照合し、患者支持台を基準位置に調整し、Ｘ線シミュレーションを実施する説明図である。３次元光計測装置で患者の体表面を計測し、体表面計測位置データを取得し、体表面基準位置データと比較照合し、患者を照射可能な位置に調整するのは、実施の形態１と同様である。

図８、図９において、１１ｃはＸ線シミュレータ用Ｘ線管、１１ｄはディジタルラジオグラフィ用Ｘ線検出器、１２ｄはＸ線シミュレータに組み込まれたパターン光源、１３ｂは走査パターン光の照射野、１７ａはＸ線シミュレータに搭載のビデオカメラ、２０ａはＸ線シミュレータに搭載されたライトロ−カライザ、２１ａはＸ線シミュレータ用レーザポインタである。４１ｂは患者の移動架台、４１ｃは移動架台天板である。

４４ｃはＸ線の照射野中心を垂直方向に投影した照射野中心体表面投影点（Ｈ）、４４ｄはＸ線の照射野中心を水平方向に投影した照射野中心体表面投影点（Ｖ）である。４６は第１の体表面特徴領域、４７は第２の体表面特徴領域、４８は第３の体表面特徴領域である。４９ａは患部中心を垂直方向に投影した患部中心体表面投影点（Ｈ）、４９ｂは患部中心を水平方向に投影した患部中心体表面投影点（Ｖ）である。

次に動作について説明する。図８は、パターン光源１２ｄ及びビデオカメラ１７ａを含む３次元光計測装置を搭載したＸ線シミュレータの配置図であり、シミュレーション時に、この３次元光計測装置を用いて患者の体表面を計測し、体表面計測位置データを取得し、常に患者位置を体表面基準位置データと比較照合し、患者位置姿勢を所定の位置及び姿勢に保つようにする。図８において、３次元計測の動作に関しては、実施の形態１の動作と同様である。Ｘ線シミュレーションにおいて、図８の（Ｃ）示すように、患者を移動架台４１ｂに置き、３次元光計測装置で体表面を計測し、体表面特徴領域を描出する。

図９の（Ａ）は３次元光計測装置を用いて計測した体表面計測位置データと体表面基準位置データとを比較照合し、患者移動架台を体表面基準位置に調整する前の体表面図である。（Ｂ）は３次元光計測装置を用いて計測した体表面計測位置データと体表面基準位置データとを比較照合し、患者移動架台を体表面基準位置に調整した図である。（Ｃ）は患者移動架台を体表面基準位置に調整した状態でＸ線シミュレーションを実施した時の患者の患部とその周辺の横断像である。４２ｂはＸ線シミュレーションの患者が体表面基準位置にある状態で、放射線または粒子線治療に必要な照射野にＸ線を絞って２重照射したときの患者の横断像である。このようにして治療に必要な照射野の位置、形状、大きさ、方向が確認でき、並行して患者の位置及び姿勢データの取得及び確認が可能となる。

以上の操作は、基本的にはＸ線シミュレータのモニタ画面及び３次元光計測のモニタ画面上で行う。以上により、粒子線治療を受ける患者の治療シミュレーションが、患者の体表面に煩わしい位置マークを付置することなく、モニタ画面上でシミュレーションができる。また、シミュレーション後に実施する放射線治療もしくは粒子線治療において、体位全体の３次元データもしくは、特徴領域の３次元データに基づきシミュレーション時と同じ体位を再現することができるため、治療精度を向上することができる。

実施の形態７．
実施の形態１では、３次元光計測装置のパターン光源とビデオカメラとを一体にして回転する照射ヘッドに装着し、照射ヘッドの回転角度とは独立にパターン光源とビデオカメラとの間隔は一定として患者の体表面を測定し位置決めするようにしている。しかしパターン光源とビデオカメラとを回転ヘッドに必ずしも装着する必要はない。パターン光源１２及びビデオカメラ１７を治療室の側壁などの固定側に装着し、照射ヘッド１を３次元光計測装置に対し独立に回転するような構成にしてもよい。

図１０は、３次元光計測装置のパターン光源１２及ビデオカメラ１７を固定した治療室の側壁に設置した治療照射系の配置図である。このパターン光源１２とビデオカメラ１７の配置では、体表面特徴領域は、図５に示す第２の体表面特徴領域４７ではなく、図１１に示す第４の体表面特徴領４８ａにとる。また３次元光計測装置のパターン光源１２とビデオカメラ１７が図１０に示す配置の場合、パターン光源１２とビデオカメラ１７の間の距離は、ビデオカメラ１７の設置する位置が決まった時点で予め求めて置く。３次元計測可能な光計測装置を用いて患者の体表面を計測した体表面計測位置データＤｂから、第４の体表面特徴領域４８ａに沿って点ｑ1、ｑ2、ｑ3、・・・・、ｑnをとるとする。実施の形態１と同様に、体表面基準位置データＤａから第４の体表面特徴領域４８ａに沿って対応する点ｑ1’、ｑ2’、ｑ3’、・・・・、ｑn’をとる。

画像処理計算機２８でｑ1―ｑ1’、ｑ2―ｑ2’、ｑ3―ｑ3’、・・・・、ｑn―ｑn’間のｘ、ｙ及びｚ方向の距離をそれぞれｘ１、ｘ２、ｘ３、・・・・・、ｘｎ、ｙ１、ｙ２、ｙ３、・・・・、ｙｎ、ｚ１、ｚ２、ｚ３、・・・・、ｚｎとし、体表面上の複数位置の３次元位置データに関しては、最も近傍に位置する位置データ同士を仮対応させ、これを一致させるため仮位置姿勢変換パラメータを求める処理を漸次行うことにより、最終的な位置姿勢変換パラメータ求める。

この位置姿勢変換パラメータにより、図２の照射系制御計算機３０及び治療台制御器２６を介して、距離ｘｎ、ｙｎ及びｚｎが最小になるように治療台３及び治療台天板３ａを動かす。このようにして、治療照射系は、治療台３の上の患者を、その患部の中心を照射野中心（図１１の２１ｂ）の近傍に自動的にセットすることができる。以上により、粒子線治療を受ける患者は、患者の体表面に煩わしい位置表示マークを付置することなく位置決めすることができ、短時間に高い位置精度で確実に粒子線治療を実現することができる。

この発明の実施の形態１における粒子線治療装置の照射ヘッド、治療台及び患者を示す配置図である。 実施の形態１における粒子線治療装置の粒子線加速器、照射ヘッド、治療台、それらの制御装置及び患者を示すシステムブロック図である。 実施の形態１における粒子線治療装置の照射ヘッドに搭載されている３次元光計測装置のシステムブロック図である。 図３の３次元光計測装置を用いて患者の位置決めをするときの配置図である。 実施の形態１であって、３次元光計測装置を用いて患者体表面の特徴領域を特化し、患者の位置決めをする説明図である。 実施の形態５であって、３次元光計測装置を搭載し放射線あるいは粒子線で治療する前の治療計画と断層撮影に用いるＣＴ装置の配置図である。 実施の形態５であって、治療計画用ＣＴ装置で、患者を照射可能な位置に調整し、治療計画を実施して線量分布を求める説明図である。

実施の形態６であって、３次元光計測装置を患者の位置決め手段として搭載したＸ線シミュレータの配置図である。 実施の形態６であって、３次元光計測装置を用いて計測した体表面計測位置データと体表面基準位置データとを比較照合し、患者を基準位置に調整し、Ｘ線シミュレーションを実施する説明図である。 実施の形態７であって、３次元光計測装置のパターン光源及ビデオカメラを固定した治療室の側壁に設置した治療照射系の配置図である。 実施の形態７であって、３次元光計測装置を用いて計測した体表面計測位置データと体表面基準位置データとを比較照合し、患者を基準位置に調整する説明図である。 実施の形態において、放射線治療又は粒子線治療における患者の位置決め操作の流れを示すフローチャートである。 従来において、放射線治療又は粒子線治療における患者の位置決め操作の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 粒子線治療照射ヘッド ２ 患者
２ａ 患部 ２ｂ 患部輪郭
２ｃ 患部中心 ２ｄ 体輪郭
２ｅ 基準位置データ体輪郭 ３ 治療台
３ａ 治療台天板 ３ｂ 治療台支持脚
４ Ｘ線検出器 ５ 回転駆動機構
５ａ 水平回転軸 ５ｂ アイソセンタ
６ 粒子線 ６ａ 粒子線照射野
７ 偏向電磁石 ８ 散乱体
９ リッジフィルタ １０ レンジフィルタ

１１ Ｘ線管 １１ａ ＣＴ用Ｘ線管
１１ｂ Ｘ線検出器 １１ｃ Ｘ線シミュレータ用Ｘ線管
１１ｄ ディジタルラジオグラフィ用Ｘ線検出器
１２ パターン光源 １２ａ パターン光源制御器
１２ｃ パターン光源 １２ｄ パターン光源、
１３ 走査パターン光 １３ａ 反射パターン光
１３ｂ 走査パターン光照射野 １３ｃ パターン光照射野
１４はビームモニタ １５ コリメータ
１６ 多葉コリメータ １７ ビデオカメラ
１７ａ ビデオカメラ、 １８ ビデオモニタ

１９ キーボード ２０ ライトローカライザ
２０ａ ライトローカライザの十字線 ２０ｂ ライトローカライザ十字線の交点
２１ レーザポインタ ２１ａ レーザポインタ
２１ｂ 照射野中心 ２２ 粒子線加速器
２２ａ ビーム輸送系 ２３ 加速器制御装置
２４ 回転制御装置 ２５ 照射ヘッド制御装置
２６ 治療台制御器 ２７ 信号処理装置
２８ 画像処理計算機 ２９ 加速器制御計算機
３０ 照射系制御計算機 ３１ レーザ変調回路
３２ レーザ光源 ３３ 変調レーザ光

３５ パターン光 ３６ ミラー
３７ ミラー駆動回路 ３８ ドライバ
４０ ＣＴ構台 ４１ 移動架台
４１ａ 移動架台天板 ４１ｂ 移動架台
４１ｃ 移動架台天板 ４２ｂ 横断像
４３ ＣＴ画像の体幹中心 ４５ 移動架台
４６ 第１体表面特徴領域 ４７ 第２体表面特徴領域
４８ 第３体表面特徴領域 ４８ａ 第４体表面特徴領域

Claims (11)

1. 計測光とカメラを用いた３次元計測により患者の体表面から反射された反射光を計測する３次元光計測手段と、上記３次元光計測手段であらかじめ取得された体表面基準位置データと計測時に上記３次元光計測手段で取得される体表面計測位置データとを比較照合し、位置姿勢変換パラメータを求めるデータ照合手段と、上記データ照合手段の位置姿勢変換パラメータにより上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データとの差異が許容範囲になるように患者支持台の位置および角度を調整する位置調整手段を備え、位置決めを実施するようにしたことを特徴とする位置決め装置。
2. 第１計測光とカメラを用い上記第１計測光が照射される患者の体表面部分の３次元データを取得する第１の３次元光計測手段と、上記第１計測光と異なる方向から照射する第２計測光とカメラを用い上記第２計測光が照射される患者の体表面部分の３次元データを取得する第２の３次元光計測手段と、上記第１と第２の３次元光計測手段であらかじめ取得された体表面基準位置データと計測時に上記第１と第２の３次元光計測手段で取得される体表面計測位置データとを比較照合し、位置姿勢変換パラメータを求めるデータ照合手段と、上記データ照合手段の位置姿勢変換パラメータにより上記体表面基準位置データに上記体表面計測位置データを合わせるように患者支持台の位置および角度を調整する位置調整手段を備え、位置決めを実施するようにしたことを特徴とする位置決め装置。
3. 上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データは、患者の体表面特徴領域について、比較照合するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の位置決め装置。
4. 上記３次元光計測手段は、パターン状の計測光を患者の体表面に照射し、これを１台または複数台のカメラで観測し、計測光が照射されている体表面部分の３次元データを取得するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の位置決め装置。
5. 上記３次元光計測手段は、複数の縞状の計測光を患者の体表面に照射し、これを１台または複数台のカメラで観測し、計測光が照射されている体表面部分の３次元データを取得するものであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の位置決め装置。
6. 上記データ照合手段は、上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データにおける対応する複数位置の３次元位置データに関し、最も近傍に位置する位置データ同士を仮対応させ、これを一致させるため仮位置姿勢変換パラメータを求める処理を漸次行うことにより、最終的な位置姿勢変換パラメータを得るものであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の位置決め装置。
7. 上記データ照合手段は、上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データにおける対応する複数位置の３次元位置データに関し、最も近傍に位置する位置データ同士を仮対応させ、これを一致させるため仮位置姿勢変換パラメータを求め、上記仮姿勢変換パラメータで変換した後の対応点間における位置偏差が、対応点群全体の位置偏差から著しく大きいと統計的に判断される特異点を除去した上で、再度仮姿勢変換パラメータを求めることにより、最終的な位置姿勢変換パラメータを得るものであることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の位置決め装置。
8. 上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データとの差異が許容範囲になるように、位置姿勢変換パラメータで、上記患者支持台の位置および角度を調整する調整量を、表示画面に表示するようにした請求項１、請求項２、請求項６、又は請求項７記載の位置決め装置。
9. 上記３次元光計測手段を用い、患部周辺部以外の部位から体表面計測位置データを取得し、これとあらかじめ取得された同部位の体表面基準位置データとを上記データ照合手段で比較照合し、両者の位置の差異を算定するようにしたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項６、又は請求項７記載の位置決め装置。
10. 上記３次元光計測手段を用い、患部周辺部以外の部位から体表面計測位置データを取得し、これとあらかじめ取得された同部位の体表面基準位置データとを上記データ照合手段で比較照合し、両者の位置の差異を算定することにより、患者の同部位の体位を修正するようにしたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項６、又は請求項７記載の位置決め装置。
11. 放射線又は粒子線の照射治療中に、上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データとの差異が許容範囲を超えたときは、放射線又は粒子線の照射を一旦停止させ、患者支持台の位置及び角度の再調整後、上記体表面基準位置データと上記体表面計測位置データとの差異が許容範囲になったときに、放射線又は粒子線を再照射するようにしたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項６、又は請求項７記載の位置決め装置。

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