JP2008253765A - 被検体の呼吸周期を追跡するシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】撮像被検体の呼吸を追跡する単純、正確で且つ低経費のシステムを提供する。また、医療被検体の呼吸周期を予測する方法を提供する。
【解決手段】システム（１００）は、撮像被検体（１１０）に配置される少なくとも１個の第一のセンサ（１１５）と、被検体（１１０）の呼吸に伴う少なくとも１個の第一のセンサ（１１５）の位置変化に対する参照に配置される少なくとも１個の第二のセンサ（１２０）とを含んでいる。システム（１００）はまた、少なくとも１個の第二のセンサ（１２０）からの位置データを受け取るように結合されている呼吸装置（１３０）を含んでいる。呼吸装置（１３０）は、時間に対する位置データを、撮像被検体（１１０）の呼吸運動に伴う第一のセンサ（１１５）の運動を経時的に表わす呼吸信号（３００）へ変換するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本書に記載する主題は一般的には、被検体の生理学的活動を監視するシステム及び方法に関し、さらに具体的には、被検体の呼吸周期を監視し又は追跡するシステム及び方法に関する。

多くの形式の医療処置は、撮像被検体の位置又は配向の変化が望ましくないような装置を必要としている。例えば、放射線治療は、高線量の放射線による非癌性組織の被曝が望ましくないような医療処置を必要とする。他の例として、放射線撮像では、撮像されている身体の部分にのみ放射線を照射することが望ましい。同様に、計算機式断層写真法（ＣＴ）走査、ＰＥＴ走査及びＭＲＩ走査のような三次元撮像応用は、撮像したい撮像被検体の特定の関心領域に放射線の方向を限定することが望ましい。手術ナビゲーション・システムを用いる外科的処置のような医療処置の他の例では、撮像被検体の選択された部分に対して手術器具を誘導（ナビゲート）するために正確な位置及び配向情報が望まれる。

以上に述べたような医療処置の臨床計画及び投与における一般的な制限は、生体である撮像被検体に伴う正常な生理学的運動である。呼吸運動又は心臓運動のような正常な生理学的運動は、医療処置を受けている関心領域の位置的な移動を引き起こし得る。特に放射線治療応用に関して述べると、標的とする関心領域の運動のため、放射線ビームが標的面積を完全にカバーするのに十分でない寸法又は形状となる場合がある。撮像応用に関して述べると、正常な生理学的運動が、ボケた画像又は画像アーティファクトを生成し得る。外科的処置では、撮像被検体の正常な生理学的運動が、手術器具のナビゲーション時に望ましくない位置の不正確さを生じ得る。

このように、一般に医療被検体の生理学的活動に伴う運動が医療処置（例えば多くの形式の手術ナビゲーション、放射線治療及び撮像）の精度及び効力に影響を与える場合がある。

呼吸活動は、多くの医療処置時に撮像被検体の生理学的運動を生ずる重要な寄与因子である。診断撮像においては、呼吸活動に伴う運動を低減する幾つかの手法が用いられている。保息は多くの画像取得応用及び厳密位置を要する手術介入処置に用いられて成功を収めているが、この手法は放射線治療では実際的でない。というのは、放射線ビーム投与時間は典型的には非常に長いため、殆どの撮像被検体は呼吸活動を止めておくことができないからである。

従って、撮像被検体の呼吸を追跡する単純、正確で且つ低経費のシステムが必要とされている。また、医療被検体の呼吸周期を予測する方法が必要とされている。

以上に述べた必要性は、本書に記載する主題を精読して理解することにより対処され把握され得る。本書に記載する主題のその他様々な特徴、目的及び利点は、添付図面及び詳細な説明から当業者には明らかとなろう。

一実施形態では、被検体の呼吸周期を追跡するシステムを提供する。このシステムは、被検体に配置される少なくとも１個の第一のセンサと、被検体の呼吸に伴う第一のセンサの位置変化に対する参照に配置される少なくとも１個の第二のセンサとを含んでいる。システムはまた、参照に対する第一のセンサの位置データを受け取るように結合されている呼吸周期測定装置を含んでいる。呼吸周期測定装置は、時間に対する第一のセンサの位置データを被検体の呼吸周期を表わす呼吸信号へ変換するように構成されている。

もう一つの実施形態では、撮像被検体の画像データを取得するシステムを提供する。このシステムは、呼吸周期測定装置と連絡して撮像被検体の画像データを取得するように動作可能なイメージング・システムを含んでいる。呼吸周期測定装置は、参照に位置する第二のセンサに関する撮像被検体に位置する第一のセンサの位置データを受け取るように結合されている。呼吸周期測定装置は、時間に対する第一のセンサの位置データを撮像被検体の呼吸周期を表わす呼吸信号へ変換する。

さらにもう一つの実施形態では、放射線源から被検体への放射線の投与をゲート制御するシステムを提供する。このシステムは、参照に位置する第二のセンサに関する撮像被検体に位置する第一のセンサの位置データを受け取るように連絡している呼吸周期測定装置を含んでいる。呼吸周期測定装置は、経時的な位置データを呼吸信号へ転換し、呼吸信号をゲート信号へ変換するように構成されている。システムはまた、呼吸周期測定装置からゲート信号を受け取るように連絡している制御ユニットを含んでいる。ゲート信号は、放射線源から被検体への放射線の投与を被検体の呼吸周期に対してゲート制御することを制御ユニットに行なわせる。

また、撮像被検体の画像データに対して器具をナビゲートするように動作可能なシステムのもう一つの実施形態を提供する。このシステムは、参照に関する患者に取り付けられた第一のセンサの位置データを受け取るように結合された呼吸周期測定装置を含んでいる。呼吸周期測定装置は、時間に対する位置データを撮像被検体の呼吸周期を表わす呼吸信号へ変換する。システムはまた、参照に対する第一のセンサの位置に基づいて表示画像の限界に対して画像データを連続的に再配置するように動作可能な制御器を含んでいる。

本書では様々な観点のシステム及び方法について説明する。この概要に記載した観点及び利点に加えてさらに他の観点及び利点が、図面及び以下の詳細な説明を参照することにより明らかとなろう。

以下の詳細な説明では、説明の一部を成しており実施され得る特定の実施形態を例として示す添付図面を参照する。これらの実施形態は当業者が当該実施形態を実施することを可能にするように十分に詳細に説明されており、他の実施形態を利用し得ること、並びに実施形態の範囲から逸脱することなく論理的変形、機械的変形、電気的変形及び他の変形を施し得ることを理解されたい。従って、以下の詳細な説明は、限定する意味で解釈すべきでない。

図１は、呼吸周期を測定し又は監視し又は追跡するように動作可能なシステム１００の一実施形態の模式図である。システム１００の技術的効果は、画像の取得及び／又は放射線治療をゲート制御することにある。システム１００は、医療被検体又は患者１１０の呼吸周期を監視するように構成された追跡システム１０５を含んでいる。患者又は被検体１１０とは、医療処置（例えば撮像、放射線治療及び手術等）を受けている人間又は動物を指す。但し、システム１００は他の環境（例えば産業環境等）においては多様な被検体１１０に応用されることができ、単に医療分野に限らないことを理解されたい。

追跡システム１０５は一般的には、患者１１０の呼吸力学に伴う可変位置の特性を決定するように動作可能である。追跡システム１０５の一実施形態は、患者１１０（例えば胸部）に配置される少なくとも１個の第一のセンサ１１５と、第一のセンサ１１５の移動に対する参照に配置される少なくとも１個の第二のセンサ１２０とを含んでいる。第一のセンサ１１５又は第二のセンサ１２０の数は様々であってよい。参照の一実施形態としては、患者１１０を支持するテーブル若しくは患者配置アセンブリ１２５、又は患者１１０の画像データを取得するように動作可能なイメージング・システム等がある。但し、参照は以上に述べた例に限らず、様々であってよい（例えば医療処置を提供するために選択された部屋の床又は壁等）ことを理解されたい。

第一のセンサ１１５は、患者１１０の呼吸周期（例えば肺の吸気及び呼気）と相関して移動するように患者１１０に配置される。例えば、第一のセンサ１１５は、患者１１０の呼吸周期を追跡するように患者１１０の胸部に配置され得る。第二のセンサ１２０は、第一のセンサ１１５の実際の位置及び／又は位置の変化のような可変位置を検出し、測定し又は感知すると共に、検出され又は感知された可変位置を第一のセンサ１１５に対する位置データへを変換するように構成され得る。第一のセンサ１１５又は第二のセンサ１２０のいずれかが、他方のセンサ１１５又は１２０に対する感知された位置データを測定して伝達するように構成されていてよい。

追跡システム１０５はさらに、第一のセンサ１１５及び／又は第二のセンサ１２０と連絡して結合された呼吸周期測定装置１３０を含んでいる。連絡の形式は様々であってよい（例えばハーネス、無線及びインターネット等）。呼吸周期測定装置１３０は一般的には、少なくとも１個の第二のセンサ１２０から受信された位置データに基づいて患者１１０の呼吸周期を示す呼吸信号を発生するように動作可能である。呼吸周期測定装置１３０は、第二のセンサ１２０とは独立であってもよいし、第二のセンサ１２０に一体化されていてもよい。呼吸周期測定装置１３０の一実施形態は一般的には、プロセッサ１３２と、プロセッサ１３２によって実行されるプログラム可能な命令を記憶するメモリ１３４とを含んでいる。

代替的な実施形態では、第一のセンサ１１５又は第二のセンサ１２０のいずれも呼吸周期測定装置１３０と直接的に連絡していなくてもよい。すると、第一又は第二のセンサ１１５又は１２０のいずれかが、第二のセンサ１２０に対する第一のセンサ１１５の位置及び／又は第一のセンサ１１５の位置変化に対応するセンサ・データをプロセッサ１３２へ送ることができる。さらに、プロセッサ１３２が、センサ・データに基づいて位置データを算出し、結果的に位置データを呼吸周期測定装置１３０へ送るように構成され得る。

加えて、追跡システム１０５は、呼吸周期測定装置１３０に結合されたインタフェイス１３６（例えばマウス装置、キーボード又はキーパッド、及びタッチ・モニタ等）並びに表示器１３８（例えばモニタ、ＬＥＤ及び音響スピーカ等）を含み得る。表示器１３８は、観察のために患者１１０に伴う呼吸信号を図解表示するように構成され得る。追跡システム１０５はまた、遠隔ワークステーション又は受信器１４０と連絡するように接続され得る（例えば有線、無線及びインターネット等）。

追跡システム１０５の一実施形態は、呼吸活動を示すデータを生成する電磁式又は光学式システムであってよい。従って、第一のセンサ１１５又は第二のセンサ１２０の各々が、互いに対する変更自在位置又は可変位置を感知して、呼吸時の変更自在位置又は可変位置を表わす線形電気出力（ＬＥＯ）又はディジタル電気出力（ＤＥＯ）のような電気出力を生成するように動作可能な光学センサ、電磁センサ若しくはその他任意の感知装置、又はこれらの組み合わせを含み得る。第一のセンサ１１５及び／又は第二のセンサ１２０の電気出力は、電圧電位、電流又は他の可測の電気的形態として表現され得る。追跡システム１０５は、ＡＣ電源から、及び／又は再充電可能型バッテリ若しくは再充電不能型バッテリから電力を受けることができる。

もう一つの実施形態では、追跡システム１０５は、呼吸周期測定装置１３０と連絡するように（例えばハーネス、無線及びインターネット等）接続された複数の第一のセンサ１１５又は複数の第二のセンサ１２０を含み得る。多数の第一のセンサ１１５及び多数の第二のセンサ１２０を含むシナリオでは、第一のセンサ１１５の各々が追跡システム１０５において第二のセンサ１２０の各々から追跡され得る。図１は、１個の第一のセンサ１１５及び１個の第二のセンサ１２０を有する追跡システム１０５を示しているが、第一のセンサ１１５及び第二のセンサ１２０の数は様々であってよいことを理解されたい。また、第一のセンサ１１５及び／又は第二のセンサ１２０は、無線センサであってもよく、追跡システム１０５から電力を引き入れてもよいし、例えばバッテリ又は光電池のような別個の電源を有していてもよい。追跡システム１０５のさらにもう一つの実施形態では、センサ１１５が人工換気システム又は換気検出装置に配置されていてもよい。センサ１１５は、患者１１０の呼吸に伴う人工換気システム又は換気検出装置の人工換気構成要素の検出された位置変化又は変位に相関付けされる呼吸周期を表わす信号を発生するように動作可能であり得る。

以上、システム１００の全体的な構成について述べた。以下では、患者１１０の呼吸周期を追跡し又は監視する方法２００について説明する。

図２は、患者１１０の呼吸周期を追跡する方法２００の一実施形態を示す流れ図である。ステップ２０２は、方法２００の開始である。ステップ２０５は、患者１１０に少なくとも１個の第一のセンサ１１５を配置することを含んでいる。ステップ２１０は、少なくとも１個の第二のセンサ１２０を介して少なくとも１個の第一のセンサ１１５に関連する位置データを感知することを含んでいる。ステップ２１５は、第一のセンサ１１５の感知された位置データを少なくとも１個の第二のセンサ１２０を介して伝達することを含んでいる。ステップ２２０は、少なくとも１個の第一のセンサ１１５に関連する受信された位置データに基づいて患者１１０の呼吸周期を示す呼吸信号を発生することを含んでいる。ステップ２２２は、方法２００の終了である。

図３は、追跡システム１０５において発生される呼吸信号３００の時間変化プロットを示す。呼吸信号３００は、患者１１０の呼吸周期を表わす運動の実時間指標として用いられ得る。図３において図形的に表わされている呼吸信号３００は、第二のセンサ１２０によって測定された第一のセンサ１１５の位置の変化を秒の単位で測定されたものとして時間に対して示している。

システム１００によって発生される呼吸信号３００は、患者１１０の呼吸活動についての統計を収集し又は情報を表示することを支援し得る。患者１１０の呼吸周期を表わす各々の呼吸信号３００（図３に示すようなもの）は、一連のディジタル・データ・サンプルを含んでおり、これらのデータ・サンプルは集合的に、呼吸周期を表わす信号波パターンを形成している。この一連のデータ・サンプルは、所与の時間にわたって採取され得る。例えば、各々の約７秒の時間区間に約２００個〜２１０個のデータ・サンプルが測定される。

測定データ・サンプルに対してパターン・マッチング解析を実行することができる。一実施形態では、呼吸信号３００についての最新のデータ・サンプル集合を直前のデータ・サンプル集合に対して相関付けして、呼吸信号３００の周期及び反復性を決定する。このように、パターン・マッチング解析は、呼吸信号３００の周期性を測定する道具を提供し、従って正常な呼吸運動からの逸脱の検出を可能にする。パターン・マッチング解析は、促進される又は患者１１０の呼吸運動の監視を要求する放射線治療、撮像及び侵襲的処置時に用いられる。パターン・マッチング解析はまた、患者１１０の呼気及び吸気の将来時刻を含めて呼吸信号３００を予測するのにも用いられ得る。

図３に示すように、呼吸信号３００は、本来全体的にシヌソイド型であり、吸気の最大又はピーク３０５及び呼気の最小又はピーク３１０には最小限の運動又は位置変化しか生じない。呼吸信号３００のピーク点３０５及び３１０では、患者１１０の運動は最小にある。画像データを取得すること又は放射線治療装置の放射線ビームを作動させることのいずれにも最適の時刻は、患者１１０の運動又は移動が最小となっているピーク点３０５及び／又は３１０にある。従って、最小運動となる呼吸ピーク３０５及び３１０を感知し、画像データ取得及び器具ナビゲーションをピーク点３０５及び３１０に生じさせるようにタイミングを計ることにより、呼吸運動による不正確さを低減することができる。加えて、両ピーク３０５及び３１０において画像データ及び患者位置データを取得することにより、画像データ及び患者位置データを補間して、呼吸周期時に正確なナビゲーションを提供する可能性を促進する。追跡システム１０５の一実施形態は、患者１１０の完全呼気又は完全吸気として指定されるべき呼吸信号３００の瞬間又は位置の選択の指令を受け取る（マウス、キーボード又はタッチ・スクリーン等のような入力装置を介して）ように構成され得る。追跡システム１０５はまた、画像データの取得又は放射線治療での放射線の伝達にトリガを与えるための呼吸信号３００の瞬間又は位置（例えばピーク３０５及び３１０の一方又は両方）の選択の指令を受け取るように構成され得る。

もう一つの実施形態では、システム１００によって発生される呼吸信号３００を呼吸応答型ゲート制御システムにおいて利用することができる。呼吸応答型ゲート制御システムは、放射線治療システム／イメージング・システムにおいて放射線を制御するシステムを含んでいる。放射線治療の場合には、呼吸応答型システム１００は、放射線の投与を患者１１０の呼吸運動に同期させる。画像データ取得の場合には、システム１００は画像データの取得を患者１１０の呼吸運動に同期させる。

ゲート制御の一観点は、放射線を投与し又は画像データを取得するときのゲート区間（例えばオン状態の持続時間）の境界を決定することにある。ゲート制御の目的で、ゲート区間の境界を決定するために呼吸信号３００の振幅範囲に対する閾値を画定することができる。例えば、ゲート区間の一つの境界は、患者１１０の運動又は移動の予め決められた閾値を含み得る。予め決められた閾値の範囲外の許容不能な水準の移動は、呼吸周期に起因しているか、又は患者１１０による突然の移動若しくは咳払いに起因している場合がある。第一のセンサ１１５の運動は、患者１１０の体内の解剖学的構造の運動の表現として受け入れられ得る。

撮像応用において、ゲート区間の境界の一例は、画像誤差の可能性を高めるものと予測される予め決められた呼吸運動を含み得る。代替的には、ゲート区間の境界は、画像データ取得において相対的に少数の誤差に対応するものと予測される予め決められた呼吸運動を含み得る。

治療応用では、ゲート区間は、臨床的標的容積の運動が最小化される呼吸周期の部分に対応する。放射線は、呼吸信号３００がゲート区間の境界の範囲内にあるときに患者１１０に投与される。このようにして、放射線ビーム・パターンを、患者１１０の呼吸運動を考慮に入れて可能な最小のマージンを有するように整形することができる。

図４は、被検体４０２（図６）の画像データの連絡をゲート制御するシステム４００の一実施形態のブロック図を表わす。システム４００は、ナビゲーション・システム４０５と、被検体４０２の画像データを取得するように動作可能なイメージング・システム４１０と、追跡システム４２０とを含んでおり、追跡システム４２０は、センサ１１５及び１２０、並びに呼吸周期測定装置１３０を有する上述のような追跡システム１０５と同様に、少なくとも１個のセンサ４２２（必須ではないが参照として第二のセンサ４２４をさらに含んでいてもよい）及び呼吸周期測定装置４２６を有している。

ナビゲーション・システム４０５、イメージング・システム４１０、及び追跡システム４２０は、ネットワークの一部として互いに連絡するように接続されている。ネットワークの一例としては、病院又は医療施設に設置されているイーサネット（商標）のような閉域網（ＬＡＮ）等がある。ネットワークは、有線接続（例えばケーブル及びバス等）若しくは無線接続（例えば赤外線及び無線周波数等）、又はこれらの組み合わせを介して相互接続されていてよい。

ナビゲーション・システム４０５は一般的には、手術器具（例えば骨ドリル、埋植物挿入装置、カテーテル及びガイド・ワイヤ等のような手術用具）の位置及び配向を追跡すると共に、イメージング・システム４１０を用いて撮像される患者１１０の体内の解剖学的構造に対する手術器具の位置及び配向を図解表示するように動作可能である。一実施形態では、手術器具の位置及び配向は、イメージング・システム４１０に対して追跡システム４２０によって追跡され、これによりイメージング・システム４１０を用いて画像データを連続的に取得する必要性を軽減し、またこれにより被検体４０２及び／又は施術者の放射線被曝量を低減することができる。

イメージング・システム４１０は、計算機式断層写真法（ＣＴ）イメージング・システム、陽電子放出断層写真法（ＰＥＴ）イメージング・システム、磁気共鳴（ＭＲ）イメージング・システム、超音波イメージング・システム又はＸ線イメージング・システムのような可動式又は固定式のイメージング・システムを含み得る。但し、当業者は、イメージング・システム４１０が上で掲げた実例に限定されないことを認められよう。

ナビゲーション・システム４０５と連絡しているイメージング・システム４１０は、被検体４０２に関連する画像データを取得するように構成されている。イメージング・システム４１０は、取得された画像データをクロック時刻と共にナビゲーション・システム４０５へ伝達するように構成されている。

代替的な実施形態では、イメージング・システム４１０は、ナビゲーション・システム４０５とアナログで連絡しており、取得された画像データについての連続的なビデオ出力を伝達する。ナビゲーション・システム４０５は、画像データを受け取って、クロック時刻を算出し、これにより画像データを相関付けする。例えば、イメージング・システム４１０はナビゲーション・システム４０５及び追跡システム４２０と共に、被検体４０２の呼吸周期において完全吸気と完全呼気との間でタイミング設定された間隔毎に被検体４０２の一連の画像を取得する。呼吸周期を画定する限界又は瞬間は様々であってよい。システム４００は、一連の取得画像の各々を、検出された呼吸周期における瞬間又は位置（例えば被検体４０２の呼吸に伴う対時間の位置又は位置変化、及び被検体４０２の完全呼気又は完全吸気の百分率等）に相関付けするように構成され得る。例えば、第一の画像を被検体４０２の完全吸気又は完全呼気の第一の百分率（例えば完全吸気又は完全呼気の９０％）に相関付けし、第二の画像を第二の百分率（例えば完全吸気又は完全呼気の５０％）に相関付けすることができる。システム４００は、呼吸周期に沿った瞬間又は位置に相関付けされた一連の画像の１枚の選択を可能にするように構成されることができ、この画像はナビゲーション・システム４０５によって追跡されている手術用具の位置の図形表現と重ね合わされる。

図５は、呼吸装置４２６の実施形態の一例のブロック図である。呼吸装置４２６は、メモリ４３５及びタイマ又はクロック・ユニット４４０と連絡しているプロセッサ４３０を含んでいる。メモリ４３５は一般的には、呼吸信号３００に関連して位置データを処理し、これによりゲート信号を発生するようにプロセッサ４３０によって実行されるプログラム可能な命令を含んでいる。メモリ４３５はまた、呼吸信号３００を記憶するように構成されている。タイマ又はクロック・ユニット４４０は一般的には、クロック出力信号を発生するように構成されている。呼吸周期測定装置４２６のプロセッサ４３０は一般的には、呼吸信号３００の呼吸データを、発生されるゲート信号へ変換するように動作可能である。ゲート信号は、オン状態及びオフ状態を含む電気出力又はディジタル出力であってよい。ゲート信号はクロック出力信号と共に、一般的には、被検体４０２の移動に対して放射線治療又は画像データ取得をゲート制御し又は調節するように動作可能である。

追跡システム４２０から呼吸信号３００を受け取ると、呼吸周期測定装置４２６は第一のセンサ４２２の位置変化を算出する。第一のセンサ４２２の位置変化は閾値と比較される。閾値は、被検体４０２の呼吸によって誘起される許容可能な水準の変位に関連した第一のセンサ４２２の移動又は位置変化の適当な限度に対応している。閾値を選択してプロセッサ・アセンブリ４１５のメモリ・ユニット５１０に記憶させることができる。閾値の選択によってゲート区間の境界が決まる。

呼吸周期測定装置４２６はまた、第一のセンサ４２２の三次元位置の変化が閾値を上回ったとき、且つ／又は呼吸信号３００の数学的導関数（例えば変化速度）が閾値を上回ったとき等の予め決められたゲート制御事象を識別するように構成されている。呼吸周期測定装置４２６は、単一の呼吸周期の範囲内の１又は複数の個々に識別可能な位置を含めて、単一の呼吸周期の任意の予め決められた部分集合期間を連続的な態様又は逐次的な態様のいずれかで識別するように構成されている。

予め決められたゲート制御事象を識別したら、呼吸周期測定装置４２６は、ゲート信号のオフ状態を生成するように動作可能である。代替的には、呼吸周期測定装置４２６は、第一のセンサ４２２の位置変化が移動の閾値よりも小さいときにゲート信号のオン状態を生成するように構成されていてもよい。このようにして発生されたゲート信号はさらに、タイマ・ユニット４４０によって発生されるクロック出力信号と同期させられる。

ナビゲーション・システム４０５は、画像データの取得を選択的にゲート制御するように、ゲート信号を画像データに相関付けするように構成されている。撮像取得をゲート制御する目的で、ナビゲーション・システム４０５は、ゲート信号のオン状態を検出したらイメージング・システム４１０から画像データを受け入れるように構成される。代替的には、ナビゲーション・システム４０５は、ゲート信号のオフ状態を検出したら画像データの転送又は利用を廃棄し又は阻止するように構成されていてもよい。画像データをゲート制御することの利益は、ナビゲーション・システム４０５によって受け入れられる画像データのナビゲーション精度の改善を生ずる。

呼吸周期測定装置４２６は追跡システム４２０と一体化されているものとして図示されているが、呼吸周期測定装置４２６は代替的には、ナビゲーション・システム４０５及びイメージング・システム４１０の一方又は両方と一体化されていてもよい。代替的には、呼吸周期測定装置４２６は、独立した装置に設置されていてもよい。同様に、プロセッサ４３０、メモリ４３５及びタイマ・ユニット４４０は呼吸周期測定装置４２６と一体化されているものとして図示されているが、プロセッサ４３０、メモリ４３５又はタイマ・ユニット４４０の１又は複数がナビゲーション・システム４０５、イメージング・システム４１０又は追跡システム４２０の１又は複数と一体化されていてもよいし、これらのシステムから独立したシステムであってもよいことを理解されたい。

図６は、患者４０２の画像データを取得し、且つ／又は取得された画像データを連絡するように動作可能なシステム４００の実施形態の模式図を示す。システム４００は、追跡システム４２０を設置したイメージング・システム４１０を含んでいる。イメージング・システム４１０は、上述の患者配置アセンブリ１２５と同様に、患者配置アセンブリ４１４に配置された被検体４０２に放射線ビームを照射するように配置された従来のＣアーム４１２を含んでいる。システム４００を他の形式のイメージング・システム（ＰＥＴ、ＭＲＩ、超音波、マンモグラム及び内視鏡等）、治療システムと共に用いてもよいし、他の応用に用いてもよいことを理解されたい。

図示のイメージング・システム４１０は、主アセンブリ６０５、主アセンブリ６０５に結合された可動式支持アセンブリ６１０、少なくとも１基の放射線源６１５、及び放射線源６１５と共に動作するように構成されている少なくとも１基の放射線検出器６２０を含んでいる。可動形式のイメージング・システム４１０の場合には、支持アセンブリ６１０は、放射線源６１５及び／又は放射線検出器６２０を支持する。支持アセンブリ６１０は、放射線源６１５及び／又は放射線検出器６２０を支持したＣ字形構造部材又はＯ字形構造部材を含み得る。主アセンブリ６０５は支持アセンブリ６１０と共に、被検体４０２の１又は複数の関心領域の異なるビューの画像データ（例えば二次元、三次元）を取得するように、イメージング・システム４１０の放射線源６１５及び放射線検出器６２０を様々な位置に選択的に移動させるように動作可能である。

イメージング・システム４１０に設置された追跡システム４２０は、被検体４０２に配置された第一のセンサ４２２及び患者配置アセンブリ４１４に配置された第二のセンサ４２４を含んでいる。代替的には、少なくとも１個の第一のセンサ４２２に関連する位置データを感知するように構成されている少なくとも１個の第二のセンサ４２４をイメージング・システム４１０に結合してもよい。従って、少なくとも１個の第二のセンサ４２４は、イメージング・システム４１０の主アセンブリ６０５、支持アセンブリ６１０、放射線源６１５又は放射線検出器６２０に固定され、取り付けられ、設置され又は装着され得る。

図７は、画像データの取得をゲート制御するように動作可能なシステム４００の実施形態のもう一つの構成の模式図である。システム４００は少なくとも１個の第二のセンサ４２４を含んでおり、第二のセンサ４２４は、関心領域の近くで第一のセンサ４２２と連絡するようにイメージング・システム４１０の放射線検出器６２０に配置される。

図８は、被検体４０２の呼吸周期の追跡に基づいて表示画像データの位置を調節する方法７００の一実施形態を示す流れ図を含んでいる。第一のセンサ４２２は患者４０２に配置されて呼吸周期測定装置４２６と連絡するように接続されており、呼吸周期測定装置４２６はナビゲーション・システム４０５及びイメージング・システム４１０と連絡していると仮定する。ステップ７０１は、センサ４２１と連絡しており被検体４０２の呼吸運動に伴う第一のセンサ４２２の対応する位置を測定して記録する呼吸周期測定装置４２６を介して、呼吸周期３００を検出し又は測定することを含んでいる。ステップ７０２は、被検体４０２の呼吸周期３００の呼吸ピーク３０５及び３１０の発生に相関している被検体４０２の位置のそれぞれの画像を取得するように、ナビゲーション・システム４０５を介して撮像装置４１０による画像の取得をゲート制御し、各々の取得画像に対応する第一のセンサ４２２の位置を記録することを含んでいる。ステップ７０３は、被検体４０２の呼吸周期３００に沿ったそれぞれの異なる点（例えば呼吸ピーク３０５及び３１０）又は位置に相関付けされた取得画像の間での位置の差を算出することを含んでいる。例えば、第一のセンサ４２２の２５ｍｍの位置移動は、取得画像から図解表示されて測定された場合の被検体４０２の椎骨（例えば関心領域）の１５ｍｍ移動に相関し得る。画像の間での位置の差を算出する一例は、２枚の比較画像における捕獲された画像データの最も外側のエッジの共通の参照に対する空間的関係の差を決定することを含んでいる。もう一つの例は、公知の画像処理手法を用いた比較画像において識別される解剖学的標認点又は参照について共通の参照に対する位置又は配置の差を算出することを含んでいる。

ステップ７１１は、被検体４０２における第一のセンサ４２２の現在位置を測定し又は検出することを含んでいる。ステップ７１２は、上述のように前回に取得されて記憶された被検体４０２の画像の１枚に相関付けされた第一のセンサ４２２の前回の位置に対する第一のセンサ４２２の現在の位置の差又は変化を算出することを含んでいる。ステップ７１３は、上述のステップ７１２において算出された第一のセンサ４２２の差又は変化に相関付けされ又は依存する量又は空間的関係だけ表示画像の画像データを再配置することを含んでいる。再配置の一実施形態は一般的には、取得画像の画像データの外側の限界を画定する窓に対して表示画像の画像データの全て又は一部（例えば現在の画像の関心領域）の位置を移動させることを含んでいる。再配置の量又は空間的関係は、上のステップ７１２において算出された第一のセンサ４２２の位置の差に比例する。取得画像を再配置する手法は補間及び補外を含んでいるが、手法の形式は様々であってよい。

例えば、呼吸周期３００（図３）において識別された吸気点（例えばピーク点３０５）が、参照に対する第一のセンサ４２２（図４）の２５ｍｍの移動に相関付けされると仮定する。すると、図９に示すように、表示画像７２５の元の関心領域７２０の画像データは、表示画像７２５の限界又は窓７３５に対する関心領域７２０のそれぞれの画像データの実時間位置を達成するように、第一のセンサ４２２の測定された移動に比例した方向（矢印及び参照７３０によって示す）に空間的に再配置され又は移動される。図９に示すように、再配置後の画像データを破線及び参照７４０によって示す。空間的再配置の率又は比は、関心領域又は解剖学的標認点又は参照の関連する移動に対してセンサ４２２の移動を相関付けする記憶データに従って予め決められ得る。

図８に戻り、ステップ７５０は、上述の再配置後の現在画像に重ね合わせて１又は複数の追跡対象又は器具７５５（図４を参照されたい）の表現を表示することを含んでいる。ステップ７１１、７１２、７１３及び７５０は、被検体４０２を通した対象又は器具７５５のナビゲーション時に、新たに取得された画像を再配置して表示するときに繰り返される。

代替的には、ステップ７０２及び７０３は、各々の集合が被検体４０２の呼吸ピーク３０５及び３１０の一つに対応している画像を含むような多数の画像集合が収集されるように、１よりも多い視点においてイメージング・システム４１０を整列させて繰り返され得る。ステップ７１２及び７１３は、イメージング・システム４１０の視点の各々から各々の取得画像集合毎に反復されることができ、ステップ７１３において記載されるようにして算出された関連する多数の再配置後の画像集合が、撮像装置４１０の各々の視点から同時に表示されるようにする。ステップ７５０と同様に、追跡される器具又は対象の１又は複数の表現を各々の再配置後の画像集合に重ね合わせすることができる。

もう一つの代替的な実施形態によれば、１又は複数の画像が、呼吸周期３００の任意の点において取得され得る。被検体４０２を通した対象のナビゲーション時に、センサ４２２の位置が測定され、当技術分野で公知の手法を用いて、取得画像を再配置するための量又は空間的関係を算出する。上述のステップ７５０と同様に、追跡される器具又は対象の表現を１又は複数の再配置後の画像に重ね合わせすることができる。

図１０は、放射線治療処置において行なわれ得るような放射線８１０による被検体８０５の曝射をゲート制御するように動作可能なシステム８００の一実施形態を示す。システム８００は一般的には、放射線源８１５からの放射線８１０の曝射又は投与を、被検体８０５の呼吸周期において予め決められたゲート制御事象の発生又は非発生に対して同期させるように動作可能である。放射線源８１５に加えて、システム８００は、制御ユニット８２０及び追跡システム８２５を含んでおり、追跡システム８２５は、互いに連絡し、また放射線源８１５と連絡するように接続された呼吸周期測定装置８３０を有する。放射線源８１５、制御ユニット８２０及び追跡システム８２５は、病院又は医療施設に設置されたネットワークの一部として互いに連絡するように接続され得る。放射線８１０の形式としては、Ｘ線、可視又は近可視の周波数スペクトルの範囲内の電磁放射線、ＭＲＩ撮像に用いられる励起性無線周波数（ＲＦ）場、音響放射線、又は粒子ビームの形態の放射線等がある。放射線源８１５は一般的には、放射線８１０を発生して、伝達し又は連絡するように動作可能である。放射線８１０は、呼吸周期と共に移動する又は呼吸周期の影響を受ける標的部位又は関心領域（ＲＯＩ）に照射され得る。かかる部位としては、限定しないが心臓、縦隔、肺、乳房、腎臓、食道、胸部域、肝臓、及び末梢血管等がある。放射線８１０はまた、実質的には移動しないがそれでも呼吸周期の影響を受ける腫瘍のような部位に対しても、呼吸周期の特定の部分にわたって投与することができる。

前述の呼吸周期測定装置１３０及び４２６と同様に、追跡システム８２５の呼吸周期測定装置８３０は、制御ユニット８２０への連絡のために呼吸信号３００をゲート信号へ転換するように動作可能である。ゲート信号に応答して、制御ユニット８２０は、システム１００及びシステム４００に関して前述したものと同様に、被検体８０５の呼吸に伴う検出された移動に対して放射線源８１５からの放射線８１０の曝射又は伝達を調節する。制御ユニット８２０の一実施形態は、放射線源８１５からの放射線８１０の伝達をオン及びオフの態様で切り換えるように結合されて動作する電気開閉器を含んでいる。開閉器は、ゲート制御信号に基づいて被検体８０５への放射線８１０の投与を作動させる、投与の作動を可能な状態にする、又は投与を一時停止するように動作することができる。一実施形態では、追跡システム８２５によって発生されるゲート信号のオフ状態を検出すると、制御ユニット８２０は、放射線源８１５の作動停止を生ずる。放射線源８１５は、プロセッサ８２５が、放射線源８１５を作動させて被検体８０５に照射される放射線８１０を発生して伝達することを制御ユニット８２０に行なわせるオン状態をゲート信号に発生するまで、作動停止状態となる。放射線源８１５は、ゲート信号のオフ状態を検出するまで作動状態となる。

代替的な実施形態では、制御ユニット８２０は、放射線源８１５の作動を可能な状態にし、放射線源８１５は、ゲート信号にオフ状態を検出するまで医療人員のような利用者によって作動させられたり作動停止させられたりすることができる。

このように、追跡システム８２５によって実行される測定の技術的効果は、ゲート信号のオン状態及びオフ状態を発生し、次いでこれにより放射線源８１５の作動及び作動停止を制御することを含んでいる。「作動させる」との用語は、被検体８０５に衝突するように照射される放射線８１０を伝達するように放射線源８１５に電圧を印加したり放射線源８１５を作動可能な状態にしたりすることを記述するために広い意味で用いられている。このように、この用語は、放射線源８１５が通常は休止状態にあるような場合（例えばＸ線の発生にトリガを与える電気信号を要求するＸ線源）を包含するばかりでなく、放射線源８１５が放射線８１０を連続的に発生するものであり、放射線源８１５の「作動」が被検体８０５に向かって放射線８１０の伝達を照射するようにシャッタ又は他の遮蔽機構の開放を含んでいるようなシナリオも包含するものとする。

さらにもう一つの実施形態では、追跡システム８２５の第一及び第二のセンサ８３８及び８４０（前述の第二のセンサ１２０及び４２４と同様のもの）は、被検体８０５の呼吸活動を表わすオン状態及びオフ状態を有するディジタル電気出力を発生するように構成され得る。ディジタル電気出力において表現されるオン状態及びオフ状態は、放射線源８１５の作動停止及び作動を制御するように直接的に伝達され得る。

放射線源８１５は、放射線８１０が診断機能又は撮像機能を果たすように投与される診断とは対照的に、放射線８１０の被検体８０５への投与が治療機能を果たすような放射線治療装置に一体化されていてよい。代替的には、放射線源８１５は、前述のイメージング・システム４１０に一体化されていてもよい。

もう一つの実施形態では、制御ユニット８２０は、放射線治療装置、線形加速器、ＣＴ、ＭＲＩ、ＰＥＴ、ＳＰＥＣＴ若しくは超音波画像取得装置、レーザ手術装置、又は砕石術装置のように、検査又は治療の必要に応じて多数の医療装置に結合された多数の放射線源８１５を制御するように接続され得る。この実施形態によれば、多数の医療装置の放射線源８１５の作動及び作動停止は、被検体８０５に対する多数の医療処置について実行されることができ、追跡システム８２５からのゲート信号を介して同時に制御され得る。

システム１００、４００及び８００の電源の一実施形態は、交換を容易にするように着脱自在に装着され得る１又は複数のバッテリを含んでいる。電源は再充電可能型であってよく、１若しくは複数のセンサ１１５、１２０、４２２、４２４、及び／又は追跡システム４２０、８２５、及び／又は放射線源８１５、及び／又は制御ユニット８２０を動作させ、また表示器１３８（図１を参照されたい）のような補助要素に給電するために電力を供給するように構成され得る。

システム１００、４００及び８００についての以上の記載は、患者又は被検体１１０、４０２及び８０５の呼吸周期の単純で低経費の追跡を可能にする。さらに、システム１００、４００及び８００、並びに方法２００は、撮像、放射線治療及び手術のような様々な医療処置において用いられ得る。

追跡システム１０５によって発生される呼吸信号３００を用いて、撮像応用における画像データの取得を制御すると共に治療応用における放射線の投与を制御することができる。ＣＴ、ＰＥＴ及びＭＲＩのような三次元撮像応用では、呼吸信号３００は、再構成工程を遡及的に「ゲート制御」するように動作可能である。この目的のために、画像データの取得は、呼吸信号３００と共通の時間基点に同期させられる。関心のある呼吸周期間隔に対応する取得画像データの各区画を用いて、容積画像データを再構成し、このようにして、被検体１１０、４０２及び８０５の運動に起因する歪み及び寸法変化を最小限にする。また、上述の画像データのゲート制御式取得は、術間（inter-operation）取得画像データに代えて術前画像データの代用を可能にし、全体的な放射線投与線量を低減し得る。

被検体８０５の呼吸周期の選択された部分の間に被検体８０５の組織容積への治療又は診断用放射線の投与をゲート制御する上述のシステム８００は、被検体８０５の呼吸運動によって誘起される変位から生ずる組織容積の想定される空間的位置の不正確さを低減する。

上述のシステム１００、４００及び８００、並びに方法２００はまた、患者又は被検体１１０、４０２及び８０５の時間変化する解剖学的構造の実時間表現を要求する手術応用に応用可能である。画像データのゲート制御は、表示器１３２又はナビゲーション・システム４０５での図解表示のための取得されたナビゲーション画像データの精度を高めることができる。ナビゲーション画像データの精度を高めると、被検体１１０及び８０５の体内に手術器具を配置するときの精度を高め、結果として外科的処置の侵襲性を低くして、侵襲性の高い外科的処置（例えば開腹手術）に伴うリスクを低減する。

また、上述のシステム１００、４００及び８００、並びに方法２００は、被検体１１０及び８０５に生ずる生理学的活動を監視して、生理学的活動に対するデータの記録及び表示をゲート制御する等のような他応用と関連させて具現化することもできる。

この書面の記載は、最適な態様を含めて本書において主題を記載し、また当業者が主題を製造して利用することを可能にするように実例を用いている。主題の特許付与可能な範囲は特許請求の範囲によって画定され、当業者に想到される他の実例を含み得る。かかる他の実例は、特許請求の範囲の書字言語に相違しない構造要素を有する場合、又は特許請求の範囲の書字言語と非実質的な相違を有する等価な構造要素を含む場合には、特許請求の範囲内にあるものとする。

追跡システムの一実施形態の模式図である。 呼吸周期を監視する方法の一実施形態の流れ図である。 撮像被検体の呼吸周期のグラフ図である。 画像データの連絡をゲート制御するシステムの一実施形態のブロック図である。 プロセッサ・アセンブリの一実施形態のブロック図である。 患者の呼吸周期を測定し又は追跡するシステムの一実施形態の模式図である。 患者の呼吸周期を測定し又は追跡するシステムのもう一つの実施形態の模式図である。 患者の呼吸周期に従って調節される画像データを再配置する方法のもう一つの実施形態の流れ図である。 取得画像の関心領域において画像データを再配置する一実施形態を示す模式図である。 放射線の伝達をゲート制御するシステムの一実施形態のブロック図である。

符号の説明

１００ システム
１０５ 追跡システム
１１０ 医療被検体又は患者
１１５ 第一のセンサ
１２０ 第二のセンサ
１２５ テーブル又は患者配置アセンブリ
１３０ 呼吸装置
１３２ プロセッサ
１３４ メモリ
１３６ インタフェイス
１３８ 表示器
１４０ 遠隔ワークステーション又は受信器
２００ 被検体の呼吸周期を追跡し又は監視する方法
２０２ 方法２００の開始
２０５ センサ１１５を配置するステップ
２１０ 位置データを感知するステップ
２１５ 感知された位置データを伝達するステップ
２２０ 呼吸信号を発生するステップ
２２２ 方法２００の終了
３００ 追跡システム１０５において発生される呼吸信号
３０５ 吸気の最大又はピーク
３１０ 呼気の最小又はピーク
４００ 画像データの連絡をゲート制御するシステム
４０２ 被検体
４０５ ナビゲーション・システム
４１０ イメージング・システム
４２０ 追跡システム
４２２、４２４ センサの対
４２６ 呼吸装置
４３０ プロセッサ
４３５ メモリ
４４０ タイマ又はクロック・ユニット
６０５ 主アセンブリ
６１０ 可動式支持アセンブリ
６１５ 放射線源
６２０ 放射線検出器
７２０ 元の関心領域
７２５ 表示画像
７３０ 移動参照
７３５ 限界又は窓
７４０ 再配置後の画像データ
８００ 放射線の曝射をゲート制御するシステム
８０５ 被検体
８１０ 放射線の投与
８１５ 放射線源
８２０ 制御ユニット
８２５ 追跡システム
８３０ 呼吸装置
８３８及び８４０ 第一及び第二のセンサ

Claims (10)

1. 被検体（１１０）の呼吸周期を追跡するシステム（１００）であって、
   前記被検体（１１０）に配置される少なくとも１個の第一のセンサ（１１５）と、
   前記被検体（１１０）の呼吸に伴う前記第一のセンサ（１１５）の位置変化に対する参照に配置される少なくとも１個の第二のセンサ（１２０）と、
   前記参照に対する前記第一のセンサ（１１５）の位置データを受け取るように結合されている呼吸周期測定装置（１３０）であって、時間に対する前記参照に関する前記第一のセンサ（１１５）の前記位置データを前記被検体（１１０）の呼吸周期を表わす呼吸信号（３００）へ変換するように構成されている呼吸周期測定装置（１３０）と
   を備えたシステム（１００）。
2. 前記呼吸周期測定装置（１３０）は、前記呼吸信号（３００）の表示を受け取って図解表示するように連絡して結合されている表示装置（１３８）を含んでいる、請求項１に記載のシステム（１００）。
3. 前記呼吸周期測定装置（１３０）は、前記第一のセンサ（１１５）の位置の比較に基づいてゲート信号を発生するように動作可能なプロセッサ（１３２）を含んでおり、前記ゲート信号は、前記第一のセンサ（１１５）の位置が前記第二のセンサ（１２０）の位置に対してピーク位置である第一の閾値と最小位置である第二の閾値との範囲内にあるときにはオン状態となり、前記第一のセンサ（１１５）の位置が前記第二のセンサ（１２０）に対して前記第一の閾値と第二の閾値との範囲内以外で検出されたときにはオフ状態となる、請求項２に記載のシステム（１００）。
4. 撮像被検体（４０２）の画像データを取得するシステム（４００）であって、
   前記撮像被検体（４０２）の前記画像データを選択的に取得するように動作可能なイメージング・システム（４１０）と、
   参照（７３０）に位置する第二のセンサ（４２４）に関する前記撮像被検体（４０２）に位置する第一のセンサ（４２２）の位置データを受け取るように結合されている呼吸周期測定装置（４２６）であって、時間に対する前記位置データを前記撮像被検体（４０２）の呼吸周期を表わす呼吸信号へ変換する呼吸周期測定装置（４２６）と
   を備えたシステム（４００）。
5. 前記参照（７３０）は、前記撮像被検体（４０２）を支持するように構成されている配置アセンブリ（６１０）、又は前記イメージング・システム（４１０）を含んでおり、追跡システム（４２０）が、前記撮像被検体（４０２）に配置された前記第一のセンサ（４２２）と、前記撮像被検体（４０２）の位置に対する前記参照（７３０）に配置された前記第二のセンサ（４２４）とを含んでおり、該第二のセンサ（４２４）は、該第二のセンサ（４２４）に対する前記第一のセンサ（４２２）の位置データを検出するように構成されている、請求項４に記載のシステム（４００）。
6. 前記呼吸周期測定装置（４２６）は、前記呼吸信号に相関付けされたゲート信号を発生するように動作可能なプロセッサ（４３０）を含んでいる、請求項４に記載のシステム（４００）。
7. 前記プロセッサ（４３０）は、前記ゲート信号をクロック出力信号に同期させる、請求項６に記載のシステム（４００）。
8. 前記プロセッサ（４３０）は、前記第一のセンサ（４２２）の前記位置データを閾値と比較し、前記第一のセンサ（４２２）の前記位置データが前記閾値の範囲内にあるときには前記ゲート信号はオン状態となり、前記第一のセンサ（４２２）の前記位置データが前記閾値の範囲内以外で検出されたときにはオフ状態になる、請求項７に記載のシステム（４００）。
9. 前記プロセッサ（４３０）は、前記第二のセンサ（４２４）に対する前記第一のセンサ（４２２）の位置変化を前記クロック出力信号に対して計算し、前記ゲート信号は、前記第一のセンサ（４２２）の前記位置変化が前記閾値の範囲内にあるときに前記オン状態となり、前記第一のセンサ（４２２）の前記位置変化が前記閾値の範囲内以外で検出されたときに前記オフ状態となり、当該システム（４００）は、前記呼吸周期測定装置（４２６）からの前記ゲート信号を前記イメージング・システム（４１０）から受領された前記画像データと相関付けするように動作可能であり、また前記ゲート信号のオン状態を検出することに応答して前記イメージング・システム（４１０）からの前記画像データの連絡を受け入れるように構成されると共に、前記ゲート信号のオフ状態を検出することに応答して前記イメージング・システム（４１０）からの前記画像データの連絡を拒絶するように構成されている請求項７に記載のシステム（４００）。
10. 放射線源（８１５）から被検体（８０５）への放射線（８１０）の投与をゲート制御するシステム（８００）であって、
    参照に位置する第二のセンサ（８４０）に関する前記撮像被検体（８０５）に位置する第一のセンサ（８３８）の位置データを受け取るように連絡している呼吸周期測定装置（８３０）であって、経時的な前記位置データを呼吸信号へ転換し、該呼吸信号をゲート信号へ変換するように構成されている呼吸周期測定装置（８３０）と、
    該呼吸周期測定装置（８３０）から前記ゲート信号を受け取るように連絡している制御ユニット（８２０）であって、前記ゲート信号は、前記放射線源（８１５）から前記被検体への放射線（８１０）の投与を前記被検体（８０５）の呼吸周期に対してゲート制御することを前記制御ユニットに行なわせる、制御ユニット（８２０）と
    を備えたシステム（８００）。