JP2012191986A

JP2012191986A - 位置決め装置

Info

Publication number: JP2012191986A
Application number: JP2011056541A
Authority: JP
Inventors: Makito Seki; 真規人関
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2012-10-11

Abstract

【課題】治療計画時の患部基準位置と、治療時の患部位置とを、３次元照合することによって、正確に変化量を求められる位置決め装置を提供する。
【解決手段】治療時に、Ｘ線画像取得部４、５にて、治療台上での患部の２次元Ｘ線画像を複数の方向から撮像し、複数の２次元Ｘ線画像データを取得し、シルエット抽出部７にて、複数の２次元Ｘ線画像のそれぞれから患部の２次元シルエットを抽出し、視体積交差構成部８にて、複数の２次元シルエットの視体積交差部分から患部の３次元表面形状を復元し、変化量算出部９にて、治療計画時の患部の基準位置に対する、治療時の患部の位置の変化量を、治療計画時に取得した患部の３次元ＣＴデータと３次元表面形状との照合によって算出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、粒子線治療のための患部の位置決め装置に関する。

粒子線治療は、粒子線を患部に向けて照射することで癌細胞を死滅させる治療方法である。この粒子線治療では、患部の形状に合わせて粒子線をピンポイントで照射するため、治療計画を立てた際の患部の３次元位置や姿勢を基準として、現在の患部の位置や姿勢を合わせる「位置決め作業」が必要となる。粒子線治療装置には、粒子線照射装置や位置決め装置が構成要素として含まれるが、位置決め作業は、患者を載せて位置を調整できる治療台を備えた位置決め装置を用いて行われる。位置決め作業は、Ｘ線撮像装置によって患部を観察しながら、患部の位置や姿勢が治療計画時の値（基準位置）に合うように治療台の位置や角度を調整することで行われる。しかし、この作業には時間がかかるため、効率的に行いたいという要望がある（例えば、特許文献１参照）。

最近では、位置決め作業を支援する位置決め装置の開発が進み、一部が自動化されている。これは、治療計画時に取得されている３次元ＣＴ（Computed Tomography：断層撮影）データと治療時に撮影される２次元Ｘ線画像のデータ同士を比較し、治療計画時と治療時における患部の３次元位置・姿勢の変化量を推定することで行われる。具体的には、３次元ＣＴデータを任意の仮想視点に向かって再投影した２次元投影画像（ＤＲＲ：Digitally Reconstructed Radiographと呼ばれる）を繰り返し生成し、Ｘ線画像と投影画像が最も一致するときの仮想視点パラメータを探索することで実現される。なお、患部を基準としてみたときの仮想視点の３次元位置とＸ線撮像装置の３次元位置の並進・回転量の変位量が患部の３次元位置・姿勢の変化量そのものになる。

特開２００８−２２８９６６号公報

Ｘ線画像と投影画像が一致するときの仮想視点パラメータを求めるためには、すべてのパラメータで投影画像を生成し、一致度を検証すればよいが、時間がかかってしまうという問題がある。そのため、一般的には「山登り法」と呼ばれる局所探索法が用いられている。山登り法は、現在探索中のパラメータの近傍の中から最も成績の良い（一致度の高い）パラメータを近傍解として選び、現在のパラメータよりも近傍パラメータの成績の方が良い場合に近傍パラメータを採用するといったことを繰り返すことで最適解を見つける方法である。ただし、これが有効に機能するのは、任意のパラメータに対する一致度の分布が単峰性になる場合であり、多峰性の場合には初期値に依存して誤った局所解に陥る可能性を持っている。
本発明は、任意のパラメータに対する一致度の分布が多峰性である場合においても、初期値に依存せずに最適解を見つけ、その最適解を反映させて患部の位置決めの変化量を最適化させることが可能な位置決め装置を提供することを目的とする。

この発明に係わる位置決め装置は、治療計画時に取得した、治療台上での患部の基準位置を示す３次元ＣＴデータを保持するＣＴデータ保持部、治療時に、上記治療台上での上記患部の２次元Ｘ線画像を複数の方向から撮像し、複数の２次元Ｘ線画像データを取得するＸ線画像取得部、複数の上記２次元Ｘ線画像のそれぞれから上記患部の２次元シルエットを抽出するシルエット抽出部、複数の上記２次元シルエットの視体積交差部分から上記患部の３次元表面形状を復元する視体積交差構成部、治療計画時の上記患部の基準位置に対する、治療時の上記患部の位置の変化量を、上記３次元ＣＴデータと上記３次元表面形状との照合によって算出する変化量算出部を備えたものである。

この発明の位置決め装置によれば、３次元ＣＴデータと多方向から撮影した２次元Ｘ線画像から復元した３次元表面形状とを３次元照合して、患部の変化量を算出するため、位置決めの変化量を最適化させることができる。

本発明の実施の形態１の説明に必要な、課題解説のための説明図である。本発明の実施の形態１の説明に必要な、課題解説のための説明図である。本発明の実施の形態１によるＣＴ画像データ取得時のイメージ構成図である。本発明の実施の形態１による２次元画像データ取得時のイメージ構成図である。本発明の実施の形態１による位置決め装置のブロック構成図である。本発明の実施の形態１による視体積交差法の説明図である。本発明の実施の形態１による位置決め装置の動作フロー図である。本発明の実施の形態２による位置決め装置のブロック構成図である。本発明の実施の形態２による位置決め装置の動作フロー図である。

実施の形態１．
まず、従来技術の問題点についてより詳細に考察する。図１に示すような３次元ＣＴデータ１００、および、Ｘ線画像（２次元Ｘ線画像）１０１を対象とし、Ｘ線画像１０１と、３次元ＣＴデータ１００から得られる投影画像が一致する仮想視点パラメータを求めたとき、仮想視点をＡからＢを経てＣに向かって変位させ、仮想視点Ａにて投影画像Ａ（１０２）を得、仮想視点Ｂにて投影画像Ｂ（１０３）を得、仮想視点Ｃにて投影画像Ｃ（１０４）を得たとする。その場合、Ｘ線画像１０１と投影画像１０２〜１０４の一致度を見ると、図２のような多峰性のグラフが得られる。図２では、縦軸にＸ線画像１０１と投影画像との一致度を、横軸に仮想視点に関するパラメータ（仮想視点Ａ、Ｂ、Ｃ）を示している。この場合、仮想視点ＡおよびＣにて一致度が同じように高くなる多峰性であることが分かる。そのため、仮想視点ＡとＣのどちらが真の解であるか判断がつかない。

また、真の解が投影視点Ａである場合に、偽の解であるＣ付近に初期値を設定した場合には、山登り法では偽の解であるＣが選択され、判断を誤ることになる。これは、３次元の対象物を２次元投影画像として次元縮退し、情報がロスしているために発生している問題である。逆に言えば、３次元のレベルで一致度を検証することができれば、グラフは単峰性となり、山登り法であっても最適解が見つかるはずである。本発明においては、このような問題に鑑み、３次元のレベルでの照合を行い、一致度を向上させて最適解を求めることにより、患者位置決めの際の変化量（位置・姿勢変化量）を最適化できる位置決め装置を提案する。

本発明の実施の形態１について、図３〜図７を用いて説明する。図３は、治療計画時に、患者の３次元ＣＴデータを取得時のイメージ構成図であり、ＣＴデータ取得装置を用いて患者３の患部を撮影する様子を示している。Ｘ線管１ａと検出器１ｂからなるＣＴデータ取得装置を用い、ＣＴ撮影台２に寝ている患者３の患部である頭部を、Ｘ線管１ａと検出器１ｂで挟むように設置し２次元断層画像を連続的に撮影することで３次元ＣＴデータの取得を行う。この治療計画時に得られた３次元ＣＴデータでの患部の位置が治療時の基準位置に設定される。治療時には、治療台上にて、その基準位置に患部を合致させることができるように、患部の配置を再現する必要がある。ＣＴデータ取得装置で得られた３次元ＣＴデータは、治療時に位置決め装置のＣＴデータ保持部１（後述する）に記憶され、位置決め（患部の再配置）の基準位置を示すデータとして用いられる。

図４は、治療時に必要となる粒子線治療装置の治療台６およびその周囲に配置されたＸ線画像取得装置（Ｘ線画像取得部）を用いて、患者３の患部の２次元画像データ（Ｘ線画像）を取得する際のイメージ構成図である。Ｘ線画像取得部（４）は、Ｘ線管４ａと検出器４ｂから成り、治療台６に寝ている患者３の患部を所定方向からはさむように設置され、所定方向からの撮影を行う。また別のＸ線画像取得部（５）は、異なる方向からの撮影が可能なように、角度を変えてＸ線管５ａと検出器５ｂが配置されている。なお、説明を簡単にするためにＸ線画像取得部を２組として記載しているが、実施の形態１では、比較的多くのＸ線画像取得部が設置されているものとする。これは１組のＸ線画像取得部が移動することによって異なる位置（多方向）から複数枚のＸ線画像を撮影するケースも含むものとする。ここで得られるＸ線画像のデータ数が多いほど、復元する患部の３次元表面形状をより正確なものとできる。

以下、図５の位置決め装置のブロック構成図を用いて、実施の形態１を説明する。ＣＴデータ保持部１は、治療計画時に取得した、ＣＴ撮影台２に寝た患者３の患部付近の３次元ＣＴデータを保持している。治療時には患者３は、粒子線治療装置の治療台６上に寝て位置決めおよび粒子線照射が行われる。また、Ｘ線画像取得部４および５は、治療時の患部のＸ線画像を複数の方向から撮影し、複数の２次元画像データを得る。
シルエット抽出部７は、Ｘ線画像取得部４および５で撮影された複数のＸ線画像を受け取り、それぞれの画像上で患部領域のシルエットを抽出する。抽出方法は問わないが、正常な臓器画像との画像間差分、あるいは、テクスチャ（模様）特徴解析による領域分割法などを用いて抽出する。なお、シルエット抽出部７は、Ｘ線画像取得部４、５と対になって個別に複数存在してもよい。

視体積交差構成部８は、複数のＸ線画像（Ｘ線画像１、２、・・・。）から抽出されたシルエットの情報をもとに、視体積交差法によって患部の３次元表面形状を復元する。視体積交差法は、図６に示すように、画像上でのシルエットを三次元空間に逆投影したときに出来る視体積の共通部分を抽出することで、元の３次元表面形状を復元する手法である。図６では２つの画像におけるシルエットを使っているが、より多くの画像を使えば、視体積の共通部分は限りなく実際の患部形状に近づくことになる。詳しくは、情処論文誌 Vol.42, No.SIG6(CVIM2), pp.1-12の“平面間透視投影を用いた並列視体積交差法”などに記載されている。

変化量算出部９は、復元された患部の３次元表面形状と、ＣＴデータ保持部１に保持されている３次元ＣＴデータを３次元照合し、ＣＴデータ取得時（治療計画時）とＸ線画像取得時（治療時）における患部の３次元位置・姿勢の変化量を算出する。この３次元照合の方法として、一つにＩＣＰ(Iterative Closest Point)法がある。ＩＣＰ法は対象となる２つの三次元データ群（Ａ、Ｂ）において、対応点間の距離の総和を誤差関数として、最小二乗評価に基づく逐次的繰り返し計算により、三次元データ群間の最適な位置姿勢変換パラメータを推定する手法であり、文献Paul J. Besl and Neil D. McKay, “A method for registration of 3-D shapes,” IEEE Trans. PAMI, 14(2), pp. 239-256, 1992に開示されている。

次に、本発明の位置決め装置を用いた位置決め作業の動作フローを、図７を用いて説明する。粒子線治療では、まず、治療計画を立てるために、ステップＳＴ１０にて、患者３がＣＴ撮影台２に寝た状態で、ＣＴデータ取得装置により患部の基準位置（値）を示す３次元ＣＴデータを取得する。この３次元ＣＴデータの診断結果に基づいて粒子線の当て方や量などの治療計画が立てられる。
治療時には、ステップＳＴ１１にて、Ｘ線画像取得部４（５、・・・。）を用い、２方向以上から患部の２次元Ｘ線画像を撮影し、多方向からのＸ線画像を取得する。次に、ステップＳＴ１２にて、シルエット抽出部７は、撮影された多方向からのＸ線画像を受け取り、画像上で患部領域のシルエットを抽出する。次に、ステップＳＴ１３にて、視体積交差構成部８は、視体積交差法により患部の３次元表面形状を復元する。最後にステップＳＴ１４において、変化量算出部９は、復元された患部の３次元表面形状と、ＣＴデータ保持部１で保持されている３次元ＣＴデータを３次元照合し、ＣＴデータ取得時とＸ線画像取得時における患部の３次元位置・姿勢の変化量を算出する。

以上のように、この発明の実施の形態１では、複数（多方向から）のＸ線画像のそれぞれから、患部の２次元シルエットを抽出し、その視体積交差部分から復元した３次元表面形状と３次元ＣＴデータを照合することにより変化量を算出するようにしたので、次元縮退による情報ロスもなく、位置・姿勢の変化が大きい場合であっても正確に、最適解を探索することができる。
よって治療計画時と治療時の患部の変化量を正確に求めることができ、その変化量から、治療台６の移動方向、移動量を換算できるため、患者３の患部を、治療計画時の基準位置に再現して位置決めすることが可能となり、高精度な治療を実施することが可能となる。

実施の形態２．
上述した実施の形態１では、患部の３次元表面形状をより正確に復元するためには、より多方向から患部を撮影した２次元画像データが必要であった。
実施の形態２では比較的少数（ただし２組以上）のＸ線画像取得部しかない場合を想定し、実施の形態１と従来手法を組み合わせた構成について説明する。Ｘ線画像取得部が少数の場合には、視体積交差法による３次元復元の厳密性が損なわれてしまうが、この組み合わせは、従来手法の欠点とあわせ、双方の欠点を補完する狙いがある。

以下、図８のブロック図を用いて、実施の形態２を説明する。実施の形態２では、変化量算出部９は、特定の投影視点を決定し、その情報を投影画像生成部１０へ出力する。投影画像生成部１０は、ＣＴデータ保持部１から３次元ＣＴデータを読み出して受け取り、その投影視点に向かって再投影した２次元投影画像（ＤＲＲ）を生成する。それ以外の機能は実施の形態１と同様であるので省略する。

次に、実施の形態２の位置決め装置を用いた位置決め作業を、図９の動作フロー図を用いて説明する。まず、ステップＳＴ１０からステップＳＴ１４までは実施の形態１と同じである。次に、ステップＳＴ１５にて、変化量算出部９は、ステップＳＴ１４で算出した患部の３次元位置・姿勢の変化量にもとづき投影視点を初期設定する。次に、ステップＳＴ１６にて、投影画像生成部１０は、変化量算出部９から投影視点情報を受け取り、２次元投影画像（ＤＲＲ）を生成する。次に、ステップＳＴ１７にて、変化量算出部９は、ステップＳＴ１６で得た２次元投影画像と、ステップＳＴ１１で得た２次元Ｘ線画像を２次元照合する。その照合度合いが最も高くなるときの投影視点パラメータを求めるために、ステップＳＴ１８でパラメータの収束判定を行い、収束していなければＮｏに進み、ステップＳＴ１９で投影視点を更新して、ステップＳＴ１６からステップＳＴ１８までを繰り返し行う。投影視点の更新方法は、従来と同じく山登り法などの局所探索法を用いればよい。ステップＳＴ１８にて、パラメータが収束すれば、Ｙｅｓに進み、ステップＳＴ２０において投影視点パラメータから位置・姿勢変化量に変換する（位置・姿勢変化量の算出）。
その後、実際の位置決め作業においては、上述のように求めた患部位置の変化量をもとに、治療台６を移動させて患者の患部の位置決めを完了させる。

以上のように、この実施の形態２の位置決め装置は、実施の形態１と従来手法を組み合わせた構成であり、３次元ＣＴデータから、任意の投影視点に向かって再投影した患部の２次元投影画像を生成する投影画像生成部１０を備え、変化量算出部９は、投影視点を、治療時の患部の位置の変化量に基づいて初期設定し、投影画像生成部１０にて得られる２次元投影画像と２次元Ｘ線画像との照合を行い、照合度合がもっとも高くなる投影視点をくり返し探索し、探索された最適な投影視点の情報を基に、変化量を最適化させるものであるため、３次元照合で大まかに解を推定した後に、最後の微小なパラメータ推定を従来手法で行うことで、推定精度も確保することができるものである。

つまり、この実施の形態２では、Ｘ線画像取得部で得られるＸ線画像の情報量が少なく、視体積交差法による３次元復元の厳密性が損なわれて正確に３次元表面形状の再現ができない場合に有用であり、まず、３次元照合で大まかなパラメータ推定までを行い、誤った局所解へ陥るといった従来手法の欠点は補いつつ、さらに、投影画像生成部１０で得る２次元投影画像と、Ｘ線画像とを２次元照合することで、最適な投影視点を探索でき、患部位置の変化量を最適化させることができ、良好な位置決めを行うことが可能となる。

１ＣＴデータ保持部
１ａ、４ａ、５ａＸ線管
１ｂ、４ｂ、５ｂ検出器
２ＣＴ撮影台
３患者
４、５Ｘ線画像取得部
６治療台
７シルエット抽出部
８視体積交差構成部
９変化量算出部
１０投影画像生成部。

Claims

治療計画時に取得した、治療台上での患部の基準位置を示す３次元ＣＴデータを保持するＣＴデータ保持部、治療時に、上記治療台上での上記患部の２次元Ｘ線画像を複数の方向から撮像し、複数の２次元Ｘ線画像データを取得するＸ線画像取得部、複数の上記２次元Ｘ線画像のそれぞれから上記患部の２次元シルエットを抽出するシルエット抽出部、複数の上記２次元シルエットの視体積交差部分から上記患部の３次元表面形状を復元する視体積交差構成部、治療計画時の上記患部の基準位置に対する、治療時の上記患部の位置の変化量を、上記３次元ＣＴデータと上記３次元表面形状との照合によって算出する変化量算出部を備えたことを特徴とする位置決め装置。
上記３次元ＣＴデータから、任意の投影視点に向かって再投影した上記患部の２次元投影画像を生成する投影画像生成部を備え、上記変化量算出部は、上記投影視点を、治療時の上記患部の位置の変化量に基づいて初期設定し、上記投影画像生成部にて得られる上記２次元投影画像と上記２次元Ｘ線画像との照合を行い、照合度合がもっとも高くなる上記投影視点をくり返し探索し、探索された最適な上記投影視点の情報を基に、上記変化量を最適化させることを特徴とする請求項１記載の位置決め装置。