JP2008514352A - 運動中の標的の動的追跡 - Google Patents
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Abstract
Description
Registration)、2)米国特許出願第10/880,486号明細書(代理人事件番号:ACCL−137)(発明の名称:Motion Field Generation For Non-right Image Registration)、3)米国特許出願第10/880,486号明細書(代理人事件番号:ACCL−146)(発明の名称:ROI Selection in Image Registration)、4)米国特許出願第10/881,208号名称(代理人事件番号:ACCL−147)(発明の名称:Image Enhancement Method and System For Fiducial-less Tracking of Treatment Targets)、5)米国特許出願第10/880,486号明細書(代理人事件番号:ACCL−150)(発明の名称:DRR Generation Using A Non-Linear Attenuation Model)である。共通所有者の5つの特許出願全てを参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。
Claims (52)
- 1つ又は2つ以上の基準構造を含む解剖学的領域内の1つ又は2つ以上の標的を動的に追跡して治療用放射線を前記解剖学的領域の運動中、前記標的に投与する方法であって、
前記運動中の解剖学的領域内の前記基準構造に対する前記標的の存在場所をリアルタイムで突き止めるステップと、
前記運動中の解剖学的領域内の前記標的にリアルタイムで投与されるべき前記治療用放射線の所望の量を処方する放射線量分布を生じさせるステップとを有し、前記放射線量分布は、前記運動中における前記解剖学的領域の変形を計算に入れている、方法。 - 前記運動は、サイクルPにより特徴付けられる周期運動から成る、請求項1記載の方法。
- 前記運動中の解剖学的領域内の前記基準構造に対する前記標的の前記存在場所をリアルタイムで突き止める前記ステップは、
前記標的の3D運動を前記サイクルP内における時間的相対位置の関数として前記基準構造の3D運動と相関させ、前記サイクルP内における前記解剖学的領域の非剛体変形を計算に入れた4D数学的モデルを構築するステップと、
前記解剖学的領域の前記周期運動を動的に追跡して前記サイクルP内における1又は2以上の時点の相対位置をリアルタイムで突き止めることができるようにするステップと、
前記基準構造の1又は2以上の近リアルタイム画像と前記基準構造の1又は2以上の術前画像を位置合わせして前記基準構造の存在場所を近リアルタイムで導くステップと、
前記基準構造の前記近リアルタイム存在場所、前記4D数学的モデル、及び前記サイクルP内における前記時点の前記相対位置を用いて前記標的の存在場所をリアルタイムでコンピュータ処理するステップとを含む、請求項2記載の方法。 - 前記解剖学的領域の前記変形及び前記運動を処方する前記4D数学的モデルを構築する前記ステップは、
各々が前記サイクルP内における一連の時点tj(j=1,...,p)のうちの一時点で撮られた前記解剖学的領域の複数個の画像Ij(j=1,...,p)を生じさせるステップと、
前記サイクルP及び前記サイクルP内における各時点tjの相対位置を測定するステップと、
画像Ijを導き出すもととなり且つ前記基準構造に対する前記標的の位置を前記対応の画像Ij中で任意の時点tjにおいて測定することができるもととなる数学的モデルを構築するステップとを含む、請求項3記載の方法。 - 前記サイクルP及び前記サイクルP内における時点tjの相対位置を測定する前記ステップは、外部装置を前記解剖学的領域の少なくとも一部に取り付けて前記解剖学的領域の前記一部の存在場所及び向きの変化を前記サイクルP内における前記時点の関数として検出するステップを含む、請求項4記載の方法。
- 前記解剖学的領域の前記運動は、呼吸であり、前記サイクルPは、呼吸サイクルであり、前記外部装置は、呼吸センサである、請求項5記載の方法。
- 前記解剖学的領域の前記運動は、心拍動であり、前記サイクルPは、心拍動サイクルであり、前記外部装置は、心拍動モニタである、請求項5記載の方法。
- 時点tjで撮られた前記複数個の画像は、3D CT走査、3D MRI(磁気共鳴画像法)走査、3D PET(ポジトロンエミッショントモグラフィ)走査、及び3D超音波走査のうち少なくとも1つから成る、請求項4記載の方法。
- 前記解剖学的領域が運動を行なっている間、前記放射線量分布に従って治療用放射線をリアルタイムで前記標的に投与するステップを更に有する、請求項1記載の方法。
- 前記時点tj(j=1,...,p)は、前記解剖学的領域の前記周期運動の全範囲を実質的に含む、請求項4記載の方法。
- 前記時点は、少なくとも、前記サイクルPの山に対応した第1の時点及び前記サイクルPの谷に相当する第2の時点を含む、請求項10記載の方法。
- 前記複数個の画像Ijから、前記サイクルP内における各時点tjでの前記解剖学的領域の前記変形及び前記運動に関する情報を含む変形データを得るステップと、
各時点tjに関し、前記変形データ及び前記測定サイクルPを用いて前記サイクルP内における前記時点tjの前記相対位置を前記時点tjにおける前記標的の前記変形及び前記運動と数学的に相関させるステップとを更に有し、
前記複数個の画像から前記変形データを得る前記ステップは、
前記サイクルP内における時点tjで撮られた各画像を前記サイクルP内の引き続く時点tj+1で撮られた撮られた引き続く画像上にモーフィングするステップを含む、請求項4記載の方法。 - 前記変形データに含まれる前記情報は、前記基準構造に対する前記標的の位置及び向きの前記変化に関連した情報を含む、請求項4記載の方法。
- 前記標的は、腫瘍及び病変部のうち少なくとも一方であり、前記基準構造は、骨格構造である、請求項1記載の方法。
- 前記所望の放射線量分布は、前記所望の時点の各々において前記1つ又は2つ以上の標的に投与されるべき治療的に有効な量の放射線を表わす、請求項1記載の方法。
- 前記4D数学的モデルは、前記サイクルP内における任意の時点tjで前記基準構造の前記3D存在場所を前記標的の前記3D存在場所と相関させる、請求項4記載の方法。
- 少なくとも1つの基準構造は、前記サイクルP全体を通じて実質的に静止しており、
前記4D数学的モデルは、前記実質的に静止した基準構造に対する前記標的の前記3D存在場所を前記サイクルP内における時間の関数として説明する、請求項16記載の方法。 - 少なくとも1つの基準構造は、前記患者の前記周期運動に伴って動き、
前記4D数学的モデルは、i)前記サイクルP中の時間及びii)前記運動中の基準構造の変化する存在場所の複合関数として前記標的の前記3D存在場所を説明する、請求項16記載の方法。 - 前記放射線量分布を生じさせる前記ステップは、
時点tjで撮られた画像Ij内に定められた名目上の患者座標系に対する1つ又は2つ以上の放射線ビーム軌跡を特定するステップと、
各ビームに関し、前記ビームが時点tjから先へターンオンされた場合、結果的に前記ビームにより所望の放射線量が投与されることになる前記ビームの持続時間を計算するステップと、
前記解剖学的領域が前記数学的モデルで説明された前記変形及び前記運動を生じたときに、前記時点tjでの前記各ビームのターンオンに起因する放射線量吸収度を時間の関数として計算するステップとを含む、請求項4記載の方法。 - 前記解剖学的領域の前記周期運動を動的に追跡する前記ステップは、
1つ又は2つ以上の表面マーカを前記解剖学的領域の表面の少なくとも一部に取り付けるステップと、
前記表面マーカの前記運動をリアルタイムでモニタして前記サイクルPを測定し、それにより前記表面マーカのリアルタイム存在場所を突き止めると共に前記解剖学的領域の前記一部の存在場所及び向きの変化を前記サイクルP内における時間的位置の関数として突き止めるステップとを含む、請求項3記載の方法。 - 前記表面マーカは、LED(発光ダイオード)である、請求項20記載の方法。
- 前記基準構造の前記近リアルタイム画像と前記基準構造の1つ又は2つ以上の術前3D走査データを位置合わせする前記ステップは、
a)前記術前3D走査データから複数のDRRを再構築するステップと、
b)複数の画像解像レベルの各々について、前記DRRと前記近リアルタイム画像との間の類似性測度を用いて複数の2D局所運動場を推定するステップと、
c)前記複数の2D局所運動場から全運動場を演繹するステップと、
d)前記全運動場から、前記DRRに示された前記基準構造の前記位置及び向きと比較して、前記近リアルタイム画像に示された前記基準構造の前記位置及び向きの差を表わす1組の非剛体変換パラメータを求めるステップとを含む、請求項3記載の方法。 - 前記標的の前記近リアルタイム存在場所を突き止める前記ステップは、前記基準構造の前記存在場所から1つ又は2つ以上の3D運動場ベクトルを構成するステップを含む、請求項22記載の方法。
- 前記標的の前記リアルタイム存在場所をコンピュータ処理する前記ステップは、
前記近リアルタイム画像と前記基準構造の前記術前画像との間の画像位置合わせの結果を用いて前記基準構造の存在場所を突き止めるステップと、
前記4D数学的モデル及び前記画像位置合わせの前記結果により突き止められた前記基準構造の前記存在場所を用いて前記標的の対応の存在場所を見出すステップと、
請求項20で突き止められた前記表面マーカの前記リアルタイム存在場所を用いて前記表面マーカの前記リアルタイム存在場所を前記標的の前記リアルタイム存在場所に関連付けるマーカ−標的相関モデルを構築するステップとを含む、請求項20記載の方法。 - 前記標的の前記リアルタイム存在場所をコンピュータ処理する前記ステップは、
前記近リアルタイム画像と前記基準構造の前記術前画像との間の画像位置合わせの結果を用いて前記基準構造の存在場所を突き止めるステップと、
前記基準構造の存在場所から補間して前記標的の存在場所を突き止めるステップと
請求項20で突き止められた前記表面マーカの前記リアルタイム存在場所を用いて前記表面マーカの前記リアルタイム存在場所を前記標的の前記リアルタイム存在場所に関連付けるマーカ−標的相関モデルを構築するステップとを含む、請求項20記載の方法。 - 1つ又は2つ以上の基準構造を含む解剖学的領域内の1つ又は2つ以上の標的を動的に追跡し、前記解剖学的領域が運動サイクルPを特徴とする周期運動を行なっている間に治療用放射線を前記標的に投与する方法であって、
前記周期運動をモニタして前記サイクルPを測定するステップと、
前記運動中の解剖学的領域内における前記基準構造に対する前記標的の存在場所をリアルタイムで突き止めるステップと、
前記解剖学的領域が前記周期運動を行なっているときに前記標的に対してリアルタイムで放射線治療を行なうステップとを有する、方法。 - 前記基準構造に対する前記標的の存在場所をリアルタイムで突き止める前記ステップは、
前記サイクルP内における時間の関数として前記解剖学的領域の非剛体変形を説明し、前記サイクルP内における前記時間の関数として前記基準構造に対する前記標的の3D運動を説明する4D数学的モデルを構築するステップと、
前記基準構造の近リアルタイム画像と前記基準構造の術前画像を位置合わせすることにより複数の時点ti(i=1,...,N)の各々において前記基準構造の前記リアルタイム存在場所を突き止め、前記解剖学的領域の前記周期運動をモニタして前記サイクルP内における各時点tiの相対位置を突き止めるステップと、
前記基準構造の前記近リアルタイム存在場所及び前記サイクルP内における各時点tiの既知の位置を用いて各時点tiにおける前記標的のリアルタイム存在場所をコンピュータ処理するステップとを含む、請求項26記載の方法。 - 少なくとも1つの基準構造を含む解剖学的領域内の1つ又は2つ以上の標的を動的に追跡し、前記解剖学的領域がサイクルPを特徴とする周期運動を行なっている間、治療用放射線を前記標的に投与する方法であって、
前記解剖学的領域の非剛体変形及び前記基準構造に対する前記標的の3D運動を前記サイクルP内における時間の関数として説明する4D数学的モデルを構築するステップと、
前記数学的モデルを用いて前記標的への治療用放射線の投与のための所望の放射線量分布を生じさせるステップと、
前記基準構造の1つ又は2つ以上の近リアルタイム画像と前記基準構造の1つ又は2つ以上の術前画像を位置合わせし、前記解剖学的領域の前記周期運動を動的に追跡して前記サイクルP内における所望の時点の相対位置を突き止めて前記基準構造のリアルタイム存在場所を導き出すステップと、
前記基準構造の前記リアルタイム存在場所、前記4D数学的モデル、及び前記サイクルP内における所望の時点の前記相対位置の知識を用いて前記標的のリアルタイム存在場所をコンピュータ処理するステップと、
前記所望の放射線量分布に従って前記標的の前記リアルタイム存在場所に治療用放射線を投与するステップとを有する、方法。 - 患者の解剖学的領域内の1つ又は2つ以上の標的を動的に追跡し、前記患者がサイクルPを特徴とする周期運動を行なっている間、治療用放射線を前記1つ又は2つ以上の標的に投与する方法であって、
前記解剖学的領域は少なくとも1つの基準構造を含み、前記方法は、前記標的の術前走査データから前記解剖学的領域の非剛体変形を前記サイクルP内における時間の関数として説明すると共に前記基準構造に対する前記標的の3D運動を説明する4D数学的モデルを構築するステップと、
前記数学的モデルから、前記サイクルP全体を通じて治療用放射線を前記1つ又は2つ以上の標的に投与するための放射線量分布を生じさせるステップと、前記基準構造の近リアルタイム2D画像と前記基準構造の術前3D走査の非剛体画像位置合わせを実施するステップと、
前記解剖学的領域の少なくとも一部に取り付けられた1つ又は2つ以上の追跡装置を用いて前記サイクルP内における少なくとも1つの時点の相対位置を突き止めるステップと、
前記非剛体画像位置合わせ及び前記4D数学的モデルの結果を用いて前記少なくとも1つの時点における前記標的の存在場所をリアルタイムでコンピュータ処理するステップと、
前記所望の放射線量分布に従って前記サイクルP内における少なくとも1つの時点における前記標的の前記リアルタイム存在場所に治療用放射線を投与するステップとを有する、方法。 - 前記追跡装置は、
レーザスキャナ、
ビデオシステム、
超音波スキャナ、及び
心電図
のうち少なくとも1つである、請求項29記載の方法。 - 1つ又は2つ以上の基準構造を含むと共に運動を行なう解剖学的領域内の1つ又は2つ以上の標的を動的に追跡して治療用放射線を前記標的に投与する装置であって、
前記周期的に運動する解剖学的領域内の前記基準構造に対する前記標的の存在場所をリアルタイムで突き止めるよう構成された標的ロケータと、
前記運動中の解剖学的領域に関して4D治療計画を時間の関数として生じさせるよう構成された4D治療計画立案発生器とを有し、前記治療計画は、前記標的にリアルタイムで投与されるべき所望の放射線量分布を処方すると共に前記運動中における前記解剖学的領域の変形を計算に入れている、装置。 - 前記運動は、周期サイクルPを特徴とする周期運動である、請求項31記載の装置。
- 前記標的ロケータは、
a)前記サイクルP内における一連の時点tj(j=1,...,p)の各々において前記解剖学的領域の複数の3D画像Ij(j=1,...,p)を生じさせるよう構成された3Dスキャナと、
b)仮定的放射線を体積3D走査データ中に差し向け、各放射線に沿う前記3D走査データを統合することにより、各時点tjにおいて前記3D走査データからDRRを再構築するよう構成されたDRR発生器と、
c)前記運動中の解剖学的領域内の前記標的及び前記基準構造の近リアルタイム2Dx線射影画像を生じさせるよう構成されたx線画像化システムと、
d)前記基準構造の前記近リアルタイムx線射影画像と前記基準構造の前記DRRを位置合わせし、それにより基準構造の存在場所を突き止めるよう構成された画像位置合わせサブシステムと、
e)前記解剖学的領域の前記周期運動をモニタすると共に前記サイクルPを測定し、それにより前記サイクルP内における1つ又は2つ以上の所望の時点の相対位置を表わす時間位置データを生じさせるよう構成された1つ又は2つ以上の運動センサと、
f)前記運動中の解剖学的領域内の前記基準構造に対する前記標的の運動を前記サイクルP内における時間の関数として説明する4D数学的モデルを生じさせるよう構成された4Dモデル発生器と、
g)前記4D数学的モデルを用いて前記標的の存在場所と前記画像位置合わせサブシステムにより突き止められた前記基準構造の既知の存在場所を相関させ、前記時間位置データを用いて前記サイクルP内における各所望の時点の相対位置を突き止めることにより、前記1つ又は2つ以上の所望の時点における前記標的の存在場所をリアルタイムでコンピュータ処理するよう構成された標的存在場所コンピュータとを有する、装置。 - 前記4Dモデル発生器は、前記解剖学的領域の前記変形及び前記運動を前記サイクルP内での時間的位置の関数として説明する数学的モデルを構築するよう構成された変形モデル構築器から成り、
前記変形モデル構築器は、前記3Dスキャナにより生じた前記複数個の画像Ijから、前記解剖学的領域の前記変形及び前記運動に関する情報を含む変形データを引き出すよう構成されており、
前記変形モデル構築器は、前記変形データ及び前記時間位置データを用いて各時点tjについて、前記サイクルP内における前記時点tjの前記相対位置と前記時点tjにおける前記標的の前記変形及び前記運動を数学的に相関させるよう構成されている、請求項33記載の装置。 - 前記解剖学的領域の前記運動は、呼吸であり、前記サイクルPは、呼吸サイクルである、請求項32記載の装置。
- 前記運動センサは、呼吸センサから成る、請求項35記載の装置。
- 前記解剖学的領域の前記運動は、心拍動であり、前記サイクルPは、心拍動サイクルであり、前記運動センサは、心拍動モニタである、請求項32記載の装置。
- 時点tjで撮られた前記複数個の画像は、3D CT走査、3D MRI(磁気共鳴画像法)走査、3D PET(ポジトロンエミッショントモグラフィ)走査、及び3D超音波走査のうち少なくとも1つから成る、請求項33記載の装置。
- 前記解剖学的領域の前記周期運動を生じている間、前記放射線量分布に従って治療用放射線を前記標的にリアルタイムで投与するよう構成された治療ビーム発生器を更に有する、請求項32記載の装置。
- 前記センサは、
表面マーカ、
レーザスキャナ、
ビデオシステム、
超音波スキャナ、及び
心電図
のうち少なくとも1つである、請求項32記載の装置。 - 前記時点tj(j=1,...,p)は、前記解剖学的領域の前記周期運動の全範囲を実質的に含むよう選択されている、請求項4記載の方法。
- 前記時点は、少なくとも、前記サイクルPの山に対応した第1の時点及び前記サイクルPの谷に相当する第2の時点を含む、請求項33記載の装置。
- 前記複数個の画像から前記変形データを導き出す前記ステップは、
前記サイクルP内における時点tjにおいて撮られた各画像と前記サイクルP内における引き続く時点tj+1で撮られた引き続く画像を位置合わせするステップを含む、請求項35記載の装置。 - 前記変形データに含まれる前記情報は、前記基準構造に対する前記標的の位置及び向きの前記変化に関連した情報を含む、請求項35記載の装置。
- 前記標的は、腫瘍及び病変部のうち少なくとも一方であり、前記基準構造は、骨格構造である、請求項32記載の装置。
- 前記所望の放射線量分布は、前記所望の時点の各々において前記1つ又は2つ以上の標的に投与されるべき治療的に有効な量の放射線を表わす、請求項32記載の装置。
- 前記3Dスキャナは、
3D CT走査、3D MRI(磁気共鳴画像法)走査、3D PET(ポジトロンエミッショントモグラフィ)走査、及び3D超音波走査のうち少なくとも1つから成る、請求項32記載の装置。 - 解剖学的領域内の1つ又は2つ以上の標的を動的に追跡して治療用放射線を前記標的に投与する装置であって、前記解剖学的領域は、1つ又は2つ以上の基準構造を含み、前記解剖学的領域は、サイクルPを有する、周期運動を行なって前記標的と前記基準構造との間の相対位置が時間につれて周期的に変化するようになっており、前記装置は、
前記周期P内における一連の時点Tjの各々において体積3D走査データを生じさせるよう構成された3D走査データ発生器を有し、
前記走査データ発生器に結合された1つ又は2つ以上の運動センサを有し、前記運動センサは、前記サイクルP内における各所望の時点Tjの時間的相対位置を表わす出力信号を発生させて前記3D走査データ発生器を前記サイクルP内における時間的にあらかじめ選択された位置で作動させることができるように構成されており、
仮定的放射線を体積3D走査データ中に差し向け、各放射線に沿う前記3D走査データを統合することにより、各時点tjにおいて前記3D走査データからDRRを再構築するよう構成されたDRR発生器を有し、
前記運動中の幾何学的領域について前記サイクルP内における時間的相対位置の関数として治療計画を生じさせるよう構成された4D治療計画立案プロセッサを有し、前記標的と前記基準構造との相対位置は、時間につれて周期的に変化し、前記治療計画は、前記解剖学的領域が前記周期運動を行なっているとき、前記運動中の標的に投与されるべき治療用放射線の所望の放射線量分布を表わし、
前記4D治療計画立案プロセッサは、各時点Tjにおいて前記DRRの受け取りに応答して、Tj-1で生じた前記DRRと比較して、Tjで生じた前記DRRに示すように前記解剖学的領域の非剛体変形を表わすパラメータPj発生させると共に前記サイクルP内における前記時点Tjの時間的相対位置の関数としてこれらパラメータPjを数学的モデルで説明するよう構成され、
前記運動中の解剖学的領域内の前記標的及び前記基準構造の近リアルタイム2Dx線射影画像を生じさせるよう構成されたx線画像化システムを有し、
前記近リアルタイムx線射影画像と前記DRRを位置合わせして前記基準構造及び前記標的のうちの少なくとも一方の前記近リアルタイム存在場所を前記解剖学的領域の前記周期運動全体を通じて突き止めることができるよう構成された画像位置合わせプロセッサを有し、
作動時に、治療効果を前記標的に生じさせるのに十分な強度を有する1本又は2本以上のビームx線を生じさせるよう構成された治療ビーム発生器を有し、
前記解剖学的領域の外面の少なくとも一部に取り付けられた1つ又は2つ以上の表面マーカを有し、前記表面マーカは、前記解剖学的領域の周期運動を検出すると共に前記期間P内における1つ又は2つ以上の所望の時点の前記相対位置時間を表わす出力信号を発生させるように構成されており、
前記治療ビーム発生器に結合されていて、前記4D治療計画立案プロセッサ、前記画像位置合わせプロセッサ、及び前記表面マーカの出力に応答するコントローラを有し、前記コントローラは、前記解剖学的領域が前記周期運動を行なっている間、前記所望の放射線量分布に従って治療用放射線の1本又は2本以上のビームを前記運動中の標的に投与するよう前記治療ビーム発生器を作動させるよう構成されている、装置。 - 前記運動中の解剖学的領域内の前記基準構造に対する前記標的の前記存在場所をリアルタイムで突き止める前記ステップは、
前記標的の3D運動を前記サイクルP内における時間的相対位置の関数として前記基準構造の3D運動と相関させ、前記サイクルP内における前記解剖学的領域の非剛体変形を計算に入れた4D数学的モデルを構築するステップと、
前記解剖学的領域の前記運動を動的に追跡して前記サイクルP内における1又は2以上の時点の相対位置をリアルタイムで突き止めることができるようにするステップと、
前記基準構造の1又は2以上の近リアルタイム画像と前記基準構造の1又は2以上の術前画像を位置合わせして前記基準構造の存在場所を近リアルタイムで導くステップと、
前記基準構造の前記近リアルタイム存在場所、前記4D数学的モデル、及び前記サイクルP内における前記時点の前記相対位置を用いて前記標的の存在場所をリアルタイムでコンピュータ処理するステップとを含む、請求項1記載の方法。 - 前記運動中の解剖学的領域の前記変形は、非剛体変形及び剛体変形のうちの一方である、請求項1記載の方法。
- 前記解剖学的領域の前記周期運動を動的に追跡する前記ステップは、
追跡装置を前記解剖学的領域の表面の少なくとも一部に取り付けるステップと、
前記追跡装置をリアルタイムでモニタして前記サイクルPを測定し、前記サイクルP内における時間的位置の関数として前記解剖学的領域の表面の前記一部の存在場所及び向きの変化を突き止めるステップとを含む、請求項3記載の方法。 - 前記追跡装置は、
レーザスキャナ、
ビデオシステム、
超音波スキャナ、及び
心電図
のうち少なくとも1つである、請求項51記載の方法。
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