JP2008545498A - 高速変形可能な点ベースイメージングのための点予備選択 - Google Patents

Abstract

画像化される対象物の変形可能なレジストレーションを実行するための頂点の選択方法が提供される。その選択された頂点は対応するペアを形成し、それぞれのペアは第１の画像化される対象物からの頂点と第２の画像化される対象物からの頂点とを含む。対応する頂点ペアは、対応する頂点ペアを構成する頂点間の距離の順にソートされる。対応する頂点ペアのうち距離が最大のものは、最高の優先度が与えられる。選択された対応する頂点ペアから選択された距離内にある対応する頂点ペアは除去される。このようにして、画像化される対象物の変形可能なレジストレーションに使用される頂点ペアの数が減らされ、従って、臨床的に受け入れ可能な処理時間が可能となる。

Description

本発明は、高速変形可能な点ベースイメージングのための点予備選択についての方法及び装置に関する。

放射線治療は、癌腫瘍といった病気をX線のような放射線を用いて治療するものである。病理組織への放射を施す過程で、健康な組織もいくらか放射線にさらされることになる。健康な組織が放射線にさらされることは、治療関連の合併症をもたらす可能性がある。従って、放射線の大部分がその病理組織に適用され、かつ周囲の健康な組織に最小限に適用されるよう、精密かつ正確に病理領域の輪郭を示すことが望ましい。

精密かつ正確に治療領域の輪郭を示すこと(計画ターゲットボリューム、別名PTV)は、分割治療(fractionated treatment)の間のそのターゲットの動きを組み入れる。動きは、患者の物理的な動き(セットアップエラー)、又は病理組織を含む内部組織の運動及び変形とすることができる。それらの運動及び変形は、心臓系、呼吸系及び消化系といった物理的機能によりもたらされるか、治療に対する反応の結果として得られる。従来の治療計画において、PTVは、患者集団の統計量に基づかれており、その結果、ターゲット領域があまりに大きいか又は不正確であることをもたらす。患者特有の動きを評価するために、病理組織及び周辺器官の幾何学的変化の3D描写を得るための時間期間にわたり、連続する画像が取られる。時間サンプリングは、4Dゲートイメージングを用いて例えば呼吸運動を監視する秒単位、若しくは日単位及び週単位、又はこれらの組み合わせで実行することができる。組み合わせとしては例えば、4Dゲートイメージング技術を用いる週に一度のイメージングなどである。放射線治療における3D画像の時間サンプルを一体化することは、一般的に画像誘導放射線治療(IGRT)又は適応放射線治療と呼ばれる。斯かる調整が、より正確なターゲット領域への放射線の適用を可能にする。

治療の間に生じる変形過程の定量的な測定は、IGRTにおける多くの用途において必要である。線量体積ヒストグラム(DVH)は、ターゲット領域及び危険な器官における線量分布を統計的に記述する治療の量を評価するための重要な手段である。DVHは従来単一の3D画像に基づかれている。４次元線量ヒストグラムを累積するため、ターゲット領域のボリュームエレメントと周囲の器官のボリュームエレメントとの空間的な対応が、すべての画像において計算される必要がある。これは、変形可能なレジストレーションにより行われることができる。腸におけるガス及び排せつ物といった運動及び塊運動によりもたらされる変化が原因で、ボクセルベースのレジストレーション方法は通常不効率である。なぜなら、その方法は、画像における対応する点をマッチさせることが非常に困難だからである。また、(例えば点又は表面間での)幾何学的な対応に基づくレジストレーション方法が使用されることができる。三角形の表面メッシュを注目領域の表面に自動的に変形させることにより、注目領域における構造体をきれいにセグメント化するのに、モデルベースのセグメント化方法が使用されてきた。もしこの技術がすべての画像におけるすべての構造に適用されると、適応されたメッシュの頂点は、基準対象物表面と画像化された対象物表面との間の対応する目印を規定する。その目印は整列され、画像におけるすべてのボクセルに対する変形フィールドが変形可能な点ベースのレジストレーション方法を用いて推定されることができ、結果として、画像における各ボクセルの動きを表すボリュメトリックな変形フィールドを生じさせる。

変形可能モデルは生物構造の重要な変形能力に適応する能力がある。しかながら、斯かるモデルは複雑である。通常、生体構造対象物に対して規定される頂点の量は、千の単位である。数千の頂点又は目印に基づく点ベースのレジストレーション技術を用いるボリュメトリック変形フィールドを計算することは、かなりの処理時間を必要とし、それは、臨床的な設定においては実現可能ではない。そのようなものとして、臨床的に受け入れ可能な時間期間内に生体構造対象物に対する推定されたボリュメトリック変形を提供することができる変形処理に対する必要性が存在する。

本発明は、臨床的に受け入れ可能な時間期間内にボリュメトリックな画像対象物を生成する変形モデルに向けられる。その変形モデルは変形可能なレジストレーションにおいて使用されることになる、より少ない数の頂点を体系的に選択する。使用される頂点の数が少ないことは、受け入れ可能な処理時間を可能にする。使用される頂点の体系的な選択は、選択された頂点が、画像化される対象物の全体の表面にわたり分散することを与え、隣接する頂点によりもたらされるトポグラフィカルエラーを減らす。

１つの実施形態においては、選択された距離に基づき、対応する頂点ペアの数を減らすための方法が提供される。その方法は、頂点ペアの頂点間の距離に基づき、降順に対応する頂点ペアをソートする。最大距離を持つ対応する頂点ペアに最高の優先度が与えられる。選択された距離内にある対応する頂点ペアが除外され、それにより、変形可能なレジストレーションにおいて使用される対応する頂点ペアの数が減らされる。ある実施形態においては、選択された距離は、上記選択された対応する頂点ペアの頂点間の距離である。他の実施形態では、選択された距離は所定のものである。ある実施形態では、上記距離が変化されることができる。

この明細書の一部に組み込まれ、本明細書を構成する対応する図面において、上記本発明の一般的な説明と共に、本発明の実施形態が図示される。以下の詳細な説明は、この発明の原理を説明するものとして機能する。当業者であれば、これらの実施形態が本発明を限定するものではなく、単に本発明の原理を組み込む例示を提供するに過ぎないことを理解されるであろう。

本書において開示される変形モデルは、臨床的に受け入れ可能な時間期間内にボリュメトリックな画像対象物を生成することを提供する。その変形モデルは、運動していることを示す画像化対象物の再構成を可能にする。上記変形モデルは、注目するターゲットの輪郭をより正確に示すことを可能にし、それにより、より正確な放射線治療を可能にする。この開示は、本発明の画像誘導放射線治療への適用可能性について論じるが、当業者であれば、開示される変形モデルが、他のイメージング処理及びモダリティにも等しく適用可能であることを理解されるであろう。特に、時間期間にわたり注目領域が運動していることを示すようなものに適用可能である。

開示される変形モデルは、変形において使用される頂点数を少なくする方法を提供する。それにより、臨床的な使用に対する合理的な処理時間を可能にする。頂点を減らすことは、画像精度を低下させることなく処理時間を削減することを可能にするようなものでなければならない。この点に関して、本書で開示される変形モデルは、画像化される対象物の表面にわたり選択された頂点が分散されるような態様で、頂点を減らすことを提供する。選択された頂点は、表面のすべての部分を表現し、かつ近接して位置する目印の弾性的な点ベースのレジストレーションによりもたらされるトポロジカルな妨害(topological violation)を実質的に減らすよう十分離れて間隔を空けられる。

本発明の１つの実施形態において、変形モデルは図４におけるステップ１０で開始する。図１及び図２に示される膀胱のような対応する対象物の三角形表面メッシュのペアが、ステップ２０で入力される。図４におけるステップ３０では、三角形表面メッシュの各頂点の位置が頂点インデックスに記録される。多くの場合、対象物は同じ頂点数を持つが、この方法が実効的であるために、２つの対象物が同じ頂点数を持つ必要はないことに留意されたい。ステップ３５において、２つの三角形表面メッシュでの個別の頂点がそれぞれマッチされ、結果として、対応する頂点ペアのセットを生じさせる。２つのメッシュが同一のトポロジを持つ場合、対応する頂点ペアが頂点のインデックスにより決定される。そうでない場合、対応する頂点が、例えば、ユークリッド距離の意味において最も近いものとして、頂点位置での表面法線に沿って最も近いものとして、又は他の方法を用いて決定されることができる。

対応する各頂点ペア間のユークリッド距離はステップ３８で計算され、その距離はステップ４０で降順に格納される。そのようなものとして、最大距離を持つ対応する頂点ペアに最高優先度が与えられる。最大距離を持つ対応する頂点ペアはステップ４５で選択される。その後、選択された対応する頂点ペアの半径内にあるいずれの対応する頂点ペアも、ステップ４８で除去される。これは、図５を参照することで最も良く理解されることができる。図５は、２、３の対応する頂点ペアを重ねた図(overlay)を表し、第１の対象物からの頂点は実線で、第２の対象物からの頂点は点線で描かれる。点Ａ及びＢが、最大距離を持つ対応する頂点ペアであると決定されると、選択された対応する頂点ペア間の距離を表す半径Ｒが決定される。点Ａの周りで半径Ｒの領域内をなぞると、点Ｃ及びＤが半径Ｒ内にある一方で点Ｅが半径Ｒの外側にあることがわかる。ステップ４８は、点Ｃ及びＤ並びに対応する頂点を、第２の画像化対象物及び対応する頂点ペアリストから除去することになる。除去された点は、変形可能なレジストレーションにおいては使用されない。

選択された頂点ペアの半径内にある対応する頂点ペアが一旦除外されると、その方法はステップ５０へ進み、いずれかの追加的な対応する頂点ペアが頂点ペアリスト内に残っているかどうかが決定される。もしなければ、即ち、すべての対応する頂点ペアが選択されるか、又は除外されるかのいずれかとなっていれば、その方法はステップ６０へ進み、変形可能レジストレーションが実行される。対応する頂点ペアリストにおいて対応する頂点ペアが残っていれば、その方法はステップ４５に戻り、最大距離を持つ次の対応する頂点ペアで、以前に選択又は除外のいずれもされていないものを決定する。それから、その方法はステップ４８へ進み、その新たに選択された対応する頂点ペアの半径内の対応する点が除外される。この処理は、すべての対応する頂点ペアが選択又は除外のいずれかがされるまで繰り返される。

この処理の結果として、通常は千単位である対応する頂点ペアの数が、約10分の1から100分の1、更にはそれ以上体系的に減らされる。例えば、数千の対応する頂点ペアを持つ生体構造対象物が、50から100の対応する頂点ペアにまで削減されることができる。選択された頂点ペアの数は、対象物の大きさ及び画像間の相対的な幾何学的変化の量を含む多数の要因に応じて変化する。頂点数が少ないことは、画像化される対象物の変形可能なレジストレーションに対する臨床的に受け入れ可能な処理時間を可能にする。その方法は、対象物全体の表面にわたり拡散される頂点を選択することも提供する。これは、対象物のすべての部分が変形可能なレジストレーションで表されることを保証し、結果としてトポログラフィカルエラーを生じさせる場合がある隣接頂点ペアの使用を妨げる。

変形可能なレジストレーション方法の別の実施形態において、除外される対応する頂点ペアは、選択された対応する頂点ペアの半径により決定されるのではなく、その代わりに所定の距離に基づかれる。ある実施形態では、その所定の距離は、医師により変化されることができる。ある実施形態では、医師に距離を入力するよう求めるステップが追加されることができる。その後、その方法が実行され、選択された対応する頂点ペアの数が決定される。その後、その方法は、医師に、選択された対応ペアの数が、変形可能レジストレーションを実行前の所望の範囲内にあるかどうかを尋ねる。選択された対応頂点ペアの数が所望の範囲内にない場合、その医師は、所定の距離を変えることができ、その方法が、選択された対応する頂点ペアの新たな数を決定することを可能にする。また、選択された頂点ペアの数は閾値範囲を持つことができる。選択された対応する頂点ペアの数がその閾値範囲内にある場合、その変形可能レジストレーションが実行される。選択された対応する頂点ペアの数がその閾値範囲の外にある場合、選択された対応する頂点ペアの数がその閾値範囲内に含まれるようになるまで、所定の距離が変えられる。

当業者であれば、画像における単一の対象物又は画像における複数の対象物の変形可能なレジストレーションを実行する上述の方法が実現されることができることを理解されるであろう。複数の対象物が画像内にある場合、すべての対象物の頂点は、それぞれの対象物に対して１つの、対応する頂点群(cloud)に結合される。するとその方法は、各対応する頂点群に対して実行される。画像化される対象物は同じ数の頂点を持つ必要がないことにも留意されたい。頂点の量が対応する対象物において同一でない場合、その対応は、より少ない数の頂点を備える対象物に基づき規定されることができる。より大きな頂点数を備える対象物は、除外される余分な頂点、即ち対応する頂点ペアを生じさせないものを持つことになる。

本発明は、１つ又は複数の好ましい実施形態を参照して説明されてきた。明らかに、本明細書を読み理解すれば、他者は修正及び変形を思いつくであろう。斯かる修正及び変形はすべて、それらが添付された請求項又はその均等の範囲に含まれる限りにおいて含まれるものと意図される。

第１の画像化される膀胱を三角形表面モデルとして頂点サブセットと共に示す図である。 第２の画像化される膀胱を三角形表面モデルとして頂点サブセットと共に示す図である。 頂点サブセットに基づき、第１及び第２の画像化される膀胱間の対応を示す図である。 対象物の三角形メッシュ頂点の選択されたサブセットに基づき、画像化される対象物のボリュメトリックな変形を計算する例示的な方法フローチャートを示す図である。 対応する頂点ペアの選択されたサブセットを規定する例示的な方法を示す図である。

Claims (19)

1. 画像化される対象物において変形可能なレジストレーションを実行するため頂点を選択する方法において、
   第１及び第２の画像化対象物で複数の頂点の位置を決定するステップと、
   第１の画像化対象物からの頂点と第２の画像化対象物からの頂点とをそれぞれが有する、対応する頂点ペアのセットを決定するステップと、
   各対応する頂点ペア間の距離を決定するステップと、
   前記各対応する頂点ペア間の距離に基づき、前記対応する頂点ペアのセットをソートするステップと、
   最大距離を持つ前記対応する頂点ペアを選択するステップと、
   前記選択された頂点ペアから選択された距離内にある対応する頂点ペアを除外するステップと、
   すべての対応する頂点ペアが選択又は除外のいずれかがされるまで、前記選択ステップ及び前記除外ステップを繰り返すステップとを有する、方法。
2. 前記選択された距離が、前記選択された頂点ペアの頂点間の距離である、請求項１に記載の方法。
3. 前記選択された距離が、所定の値である、請求項１に記載の方法。
4. 前記選択された距離が、変化されることができる、請求項１に記載の方法。
5. 選択された対応する頂点ペアの数を決定するステップを更に有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記選択された頂点ペアの数が所定の閾値範囲に含まれない場合、前記選択された距離を修正するステップを更に有する、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の画像化対象物における頂点の数が、前記第２の画像化対象物における頂点の数と等しくない、請求項１に記載の方法。
8. 前記第１及び第２の画像化対象物のそれぞれが、複数の生体構造対象物を有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記第１及び第２の画像化対象物における複数の頂点が、三角形表面メッシュから得られる、請求項１に記載の方法。
10. 画像化対象物上で変形可能なレジストレーションを実行するため頂点を選択する装置であって、
    第１及び第２の画像化対象物で複数の頂点の位置を決定する手段と、
    第１の画像化対象物からの頂点と第２の画像化対象物からの頂点とをそれぞれが有する、対応する頂点ペアのセットを決定する手段と、
    各対応する頂点ペア間の距離に基づき、前記対応する頂点ペアのセットをソートする手段と、
    最大距離を持つ前記対応する頂点ペアを選択する手段と、
    前記選択された頂点ペアから選択された距離内にある対応する頂点ペアを除外する手段と、
    ２番目に大きな距離を持つ前記対応する頂点ペアを選択し、かつ前記新たに選択された頂点ペアから前記選択された距離内にある対応する頂点ペアを除外する手段であって、すべての対応する頂点ペアが選択又は除外のいずれかがされるまで、対応する頂点ペアの選択及び除外を繰り返す手段とを有する、装置。
11. 前記選択された距離が、前記選択された頂点ペアの頂点間の距離である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記選択された距離が、所定の値である、請求項１０に記載の装置。
13. 前記選択された距離が、変化されることができる、請求項１０に記載の装置。
14. 選択された対応する頂点ペアの数を決定する手段に有する、請求項１０に記載の装置。
15. 選択された頂点ペアの数が所定の閾値範囲に含まれない場合、前記選択された距離を修正する手段を更に有する、請求項１４に記載の装置。
16. 前記第１の画像化対象物における頂点の数が、前記第２の画像化対象物における頂点の数と等しくない、請求項１０に記載の装置。
17. 前記第１及び第２の画像化対象物のそれぞれが、複数の生体構造対象物を有する、請求項１０に記載の装置。
18. 前記第１及び第２の画像化対象物における複数の頂点が、三角形表面メッシュから得られる、請求項１に記載の装置。
19. 画像化される対象物において変形可能なレジストレーションを実行する方法において、
    第１及び第２の画像化対象物で複数の頂点の位置を決定するステップと、
    第１の画像化対象物からの頂点と第２の画像化対象物からの頂点とをそれぞれが有する、対応する頂点ペアのセットを決定するステップと、
    各対応する頂点ペア間の距離を決定するステップと、
    前記各対応する頂点ペア間の距離に基づき、前記対応する頂点ペアのセットをソートするステップと、
    最大距離を持つ前記対応する頂点ペアを選択するステップと、
    前記選択された頂点ペアから選択された距離内にある対応する頂点ペアを除外するステップと、
    すべての対応する頂点ペアが選択又は除外のいずれかがされるまで、前記選択ステップ及び前記除外ステップを繰り返すステップと、
    前記画像化対象物に関する変形可能なレジストレーションを実行するため前記選択された対応する頂点ペアを用いるステップとを有する、方法。

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