JP2013075193A - 医用画像セグメンテーション用の多角形メッシュを用いた効率的ユーザインタラクション - Google Patents

Abstract

【課題】
３次元の画像又はマップ内で関心構造を描写する方法及び装置を提供する。
【解決手段】
関心構造を描写する装置は、３次元の画像又はマップ（８０）内で選択可能な方向の輪郭描写平面を選択するための平面選択インタフェース（３２、７０）、選択された輪郭描写平面内で輪郭を定めるための輪郭描写インタフェース（３２、７２）、及び３次元の画像又はマップ内で関心構造を描写する３次元多角形メッシュ（９０）を構築するように構成されたメッシュ構築部（７４、７６）を含む。メッシュ構築部は、輪郭描写インタフェースを用いて定められた複数の、同一平面内にない描写輪郭（８４、Ｃｃｏｒ、Ｃｏｂｌ）の上又は付近に制約頂点（１０２、Ｖｃ）を位置付ける。
【選択図】 図１

Description

以下の開示は図形技術に関する。以下の開示は、放射線治療計画又はその他の医療処置計画の準備として医用画像の構造が画成される医療用途を例として参照して説明される。しかしながら、以下の開示は、より一般的に、実質的に如何なる種類の３次元画像又は３次元地図などにおいて構造を画成することや、例えば視覚化若しくはその他の収集後の画像処理、隠れた解剖学的構造を見たり収集後に画像処理したりすることを可能にするよう３次元画像内の特徴の形状を変えること、又はその後のＳＰＥＣＴ若しくはＰＥＴ撮像データの再構成に使用するために構造の吸収特性を評価すること等、放射線治療計画以外の用途にも関する。

腫瘍学に関する放射線治療（ラジオテラピーと呼ばれることがある）においては、癌性腫瘍を殺したり、その増殖を遅延させたりするために電離放射線が適用される。しかしながら、問題なことに、放射線は周囲の健康な組織に悪影響を及ぼす。

強度変調放射線治療においては、癌性腫瘍を照射し且つ生物学的にクリティカルな健康組織を照射しないようバイアスをかけた構成で、１つ以上の放射線ビームが患者に適用される。固定ビーム手法においては、複数の交差するビームが患者内で重なり合うように同時に適用される。各ビームの空間的なビーム強度分布が例えばマルチリーフ（multi-leaf）型コリメータによって制御される。空間的なビーム強度分布を好適に選択し、且つ患者内での相異なるビームからのビームレットの交差を考慮に入れることにより、患者内で放射線強度の所望の３次元分布が達成され得る。断層撮影手法においては、少なくとも１つのビームが患者の周りで回転され、あるいは段階的に進められ、この回転又は進み（ステッピング）の間に、時間積分された放射線量が患者内での所望の３次元分布に一致するよう、空間的なビーム強度分布が修正される。

強度変調放射線治療の効果的な適用は、癌性腫瘍又は癌性増殖の形状及び大きさの先験的な知識を有することと、放射線被爆量が最小化あるいは閾値未満に保たれるべき隣接するクリティカルな組織の形状及び大きさの先験的な知識を有することとに頼っている。一般的な手法において、この先験的な知識は、例えば透過型コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、単一光子放出型コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、陽電子放出型断層撮影（ＰＥＴ）又は磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）等の医用撮像技術を用いて取得される。放射線治療計画では、ＣＴは解剖学的情報及び組織の放射線吸収特性を提供するという利点を有する。後者は、一般的に、３次元放射線分布をより正確に計算するために、放射線治療セッションの計画中に考慮に入れられる。ＣＴ計画用画像に基づいて強度変調放射線治療セッションの計画を行う幾つかの技術例が特許文献１に記載されている。

放射線治療計画中、癌性腫瘍若しくは癌性増殖と放射線被爆量が制限されるべきクリティカル構造とを特定するためにＣＴ計画用画像が分析される。１つの手法は、表面メッシュを用いて関心構造をモデル化し、自動化されたメッシュ変形技術を用いて該メッシュを関心構造の表面に位置整合（アライメント）するものである。一般的に、表面はＣＴ画像内の強度勾配によって定められる。

クリティカル構造及び標的構造の輪郭を定めることは繊細で、労力を要し、且つ時間を消費する処理である。例えば、放射線治療の準備として３次元画像又はマップ内で頭部及び頚部の輪郭を定めることは数時間もかかり得るものである。この処理を改善するために自動セグメント化アルゴリズムが開発され、例えば前立腺、肝臓、胸部、肺及び脳などの様々な治療部位の危険器官の描写に適用されてきた。１つの手法において、三角形の要素を有する多角形メッシュが、弾性及び画像形状の制約の下で、画像内の物体表面に整合するように変形される。初期化のために平均的なメッシュを提供すること、及び表面の濃淡値範囲や勾配強度などに関する特徴を各モデルにエンコードすることによって、このアルゴリズムに予備知識がエンコードされる。

しかしながら、既存の自動メッシュ変形技術は一定の制約を有する。例えば、関心構造の表面がはっきりしない場合、フィッティングされたメッシュは不正確あるいは不明確となり得る。例えば頸部のリンパ節などの幾つかの構造は不十分な画像コントラストを有し、これらの形状に自動セグメント化を使用することを事実上妨げる。他の例では、殆どの構造が自動セグメント化を可能にするのに十分な画像コントラストを有するにもかかわらず、撮像された構造の一定部分が乏しい画像コントラストを示しために、それらの低コントラスト領域における自動セグメント化に失敗や実質的な誤りが生じる。

手作業で描いた輪郭で画像形状を補うことが知られている。例えば、特許文献２は、２次元スライス群で構成された３次元データセットの領域に変形技術を適用する１つの手法を開示している。スライス群が不十分な形状情報を示すために自動セグメント化が失敗する場合、ユーザは問題のスライス群において手作業でアトラクター（attractor）を定めることができる。そして、この手作業で描かれたアトラクターは、後続の自動メッシュ変形中、問題のアクシャルスライス群において自動セグメント化を導くために使用される。

また、例えばグラフィカル・ユーザ・インタフェース及びクリックアンドドラッグ・ポインタ器具（例えば、マウス）操作インタフェースをユーザに提供することにより、メッシュとの手動相互作用を可能にすることも知られている。例えば、特許文献３は、自動メッシュフィッティングの選択領域内でメッシュの頂点又はノードの最初の手動移動及び／又は後の手動移動を行う自動的な変形可能メッシュの最適化を用い、そして場合により、その後にメッシュの更なる最適化を行うという、３次元構造をセグメント化する１つの方法を開示している。

これらの既存技術は、関心構造の大部分が３次元画像内で不十分に画成される場合、完全に満足できるものではない。このような場合に特許文献２の手法を適用することは、低いコントラストを有する関心構造の幅のある部分又は部分群と交差するような、３次元データセットの多数のスライスにおいて、アトラクターを描くことを必要とする。これは、時間を消費する、うんざりする処理である。さらに、ユーザがスライス画像内で関心構造を視覚的に特定しアトラクターを描き込むことが困難な場合がある。また、このような場合に特許文献３の手法を適用することは、メッシュの多数の頂点又はノードについて、最初の手動調整及び／又は補正手動調整を必要とし、これもまた、時間を消費する、うんざりする処理である。

米国特許第６７３５２７７号明細書 国際公開第２００４／１１１９３７号パンフレット 国際公開第２００４／０５３７９２号パンフレット

本開示にて、３次元の画像又はマップ内で関心構造を描写する方法及び装置の実施形態が開示される。

３次元の画像又はマップ内で関心構造を描写する方法の一実施形態において、関心構造を描写する少なくとも２つの輪郭が定められる。これら少なくとも２つの輪郭は、互いに平行でない少なくとも２つの異なる輪郭描写平面内にある。定められた輪郭を多角形メッシュの頂点についての制約として考慮しながら、３次元多角形メッシュがフィッティングされる。

装置の一実施形態において、３次元の画像又はマップ内で選択可能な方向の輪郭描写平面を選択するため、平面選択インタフェースが設けられる。選択された輪郭描写平面内で輪郭を定めるため、輪郭描写インタフェースが設けられる。３次元の画像又はマップ内で関心構造を描写する３次元多角形メッシュを構築するようメッシュ構築部が構成される。メッシュ構築部は、輪郭描写インタフェースによって定められた複数の、同一平面内にない描写輪郭の上又は付近に制約頂点を位置付ける。

適応型治療処置に連動する装置の一実施形態において、構造を描写するようにセグメント化プロセッサが構成される。セグメント化プロセッサは、（ｉ）少なくとも２つの異なる、平行でない輪郭描写平面内で構造描写輪郭を定めるように構成された輪郭描写インタフェース、及び（ｉｉ）少なくとも前記定められた構造描写輪郭によって制約された、メッシュ変形処理を用いて、メッシュを構築するメッシュ構築部を含む。被検体の３次元の画像又はマップ内でのセグメント化プロセッサによる少なくとも１つの関心構造の描写に基づいて、被検体の適応型治療を特定するよう、計画作成プロセッサが構成される。

１つの効果は、関心構造を迅速且つ正確にセグメント化あるいは描写することが容易になることにある。

他の１つの効果は、メッシュ変形処理への手動入力及び自動入力が効果的に統合されることにある。

他の１つの効果は、例えば強度変調放射線治療などの適応型治療処置の一層迅速且つ正確な計画がもたらされることにある。

以下の詳細な説明を読み、理解することにより、本発明の更なる効果が当業者に認識される。

ＣＴ撮像に基づく計画作成を含む強度変調放射線治療システムの一例を示す図である。 図１の輪郭描写プロセッサ４４の主な構成要素を示す図であり、主なデータ構造及び主なデータの流れも指し示している。 脊椎Ｓと交差するように選択された輪郭描写平面の２つの例である、冠状輪郭描写平面Ｐ_ｃｏｒと、冠状輪郭描写平面Ｐ_ｃｏｒに直交する傾斜輪郭描写平面Ｐ_ｏｂｌとを示す図である。 冠状輪郭描写平面Ｐ_ｃｏｒ内で画成された、脊椎Ｓを描写する輪郭Ｃ_ｃｏｒを示す図である。 傾斜輪郭描写平面Ｐ_ｏｂｌ内で画成された、脊椎Ｓを描写する輪郭Ｃ_ｏｂｌを示す図である。 図４及び５の冠状輪郭Ｃ_ｃｏｒ及び傾斜輪郭Ｃ_ｏｂｌに整合するように変形された三角形要素を有する多角形メッシュＭ_ｓの一部を示す図である。 図１及び２の３次元メッシュ最適化部７６の主な構成要素を示す図であり、主なデータ構造及び主なデータの流れも指し示している。

本発明は、様々な構成要素及びそれらの配置、並びに様々な段階及びそれらの編成の形態を取り得る。図面は、好適実施形態を例示するためだけのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。

図１を参照するに、放射線治療システム１０は、強度変調放射線治療の治療セッションを計画することにおいて使用するＣＴ計画用画像を取得するためのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャナ１２を含んでいる。ＣＴスキャナ１２は、検査領域１８の周りを回転するように回転式ガントリー１６に搭載されたｘ線源１４、検査領域１８内に被検体を位置付けるためのカウチ又はその他の支持台２０、及びｘ線が検査領域１８内の被検体を通過した後に該ｘ線を検出するための、ｘ線源１４と対向するように回転式ガントリー１６に配置されたｘ線検出器アレイ２２を含んでいる。ＣＴスキャナ１２は、例えば、複数のアクシャル画像スライスの投影データ（例えば、マルチスライス型ＣＴスキャナ）又はヘリカル３次元投影データセット（例えば、ヘリカルＣＴスキャナ）等の投影データを収集するために使用される。投影データは、撮像データメモリ２４に格納され、再構成プロセッサ２６によって、例えばフィルタ補正逆投影などの好適なアルゴリズムを用いて、複数の積み重なるアクシャル画像スライス、又は被検体の３次元画像若しくはマップを定めるその他の画像データ構造を生成するように再構成される。再構成された画像などは計画用画像メモリ２８に格納される。ＣＴスキャナ１２は、例えばガントリー回転速度、螺旋ピッチ（ヘリカルスキャンの場合）、及び軸方向（アクシャル）スキャン距離などのスキャンパラメータを設定あるいは制御するＣＴコントローラ３０によって操作される。強度変調放射線治療セッションを計画するための計画用画像を収集するようにＣＴスキャナ１２を操作するためにユーザがＣＴコントローラ３０とやり取りすることを可能にするため、例えば例示のキーボード３４、又は例えば例示のマウス３６といったポインティングデバイス等、少なくとも１つの入力装置と、例えば例示のディスプレー３８等の少なくとも１つの出力装置とを含むユーザインタフェース３２が備えられる。

ここで説明されるＣＴスキャナ１２は、計画用の画像又はマップの収集システムの一例である。他の実施形態においては、計画用画像は、単一光子放出型コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）システム、陽電子放出型断層撮影（ＰＥＴ）スキャナ、又は磁気共鳴（ＭＲ）スキャナ等を用いて収集されてもよい。また、ここで開示される計画用画像内で関心対象を描写する技術は、強度変調放射線治療に加えて、その他の適応型治療処理にも適用可能である。例えば、ここで開示される構造描写技術は、例えばステント移植などの外科治療の計画作成にも適用可能である。その場合、非侵襲撮像及びここで開示される技術に従った血管描写によってステントの構造が効果的に決定されるので、特注のステントが製造され、ステント移植手順時に利用されることが可能となる。計画用の画像又はマップの収集システムの選択は、計画される適応型治療処置の種類に基づいてもよい。例えば、ステント移植の計画作成の場合、好適な静脈磁気造影剤を用いるＭＲ撮像が好ましい。

さらに、ここで開示される構造描写技術は、適応型治療処置の計画作成以外の応用をも有する。例えば、ここで開示される構造描写技術は、視覚化又はその他の収集後画像処理に用いられてもよい。一応用例において、ここで開示される構造描写技術は、隠された解剖学的構造に関して、それを見ること又はその他の収集後画像処理を行うことを可能にするよう、後に３次元画像から彫り出される器官を描写するために使用される。更なる一応用例においては、ここで開示される構造描写技術は、後のＳＰＥＣＴ又はＰＥＴ撮像データ再構成に使用する構造の吸収特性を評価するために使用されることが可能である。

図１に示した強度変調放射線治療の適用例に戻って、計画用の画像又はマップの収集システム１２は、後述の強度変調放射線治療システムから分離されている。好ましくは、計画用画像の収集に先立って、被検体に複数の基準マーカが取り付けられ、これらのマーカは、計画用の画像又はマップと放射線治療送達との間の空間的な整合（レジストレーション）を提供するよう、後の放射線治療セッションまで同じ位置に置かれたままにされる。例えば、固有の特徴的な骨格などの身体構造上のマーカを用いる等、計画用の画像又はマップの収集システムと放射線治療システムとの間の空間的レジストレーションのための別の方法も意図される。さらに、計画用の画像又はマップの収集システムを放射線治療装置と一体化し、計画用画像収集と放射線治療との双方に共通の座標系を用いることも意図される。

引き続き図１を参照するに、必要に応じて被検体の密度分布マップが密度プロファイリングプロセッサ４０によって計算される。密度分布は典型的に、放射線治療中の治療放射線の吸収を見積もるために使用される。有利には、計画用の撮像技術が例示のような透過型ＣＴである場合、典型的に、治療放射線の吸収は、ＣＴ計画用画像内に示されるｘ線管１２からのｘ線の吸収に基づいて、比較的正確に見積もられる。一部の実施形態において、ここで開示される構造描写技術は、密度の分布又は値を計算する対象となる構造を描写するために使用される。例えば、骨が描写され、密度プロファイリングプロセッサ４０によって骨密度が割り当てられ、同様に、例えば心臓組織、肺組織及び筋肉組織などのその他の組織が描写され、密度プロファイリングプロセッサ４０によって適切な組織密度値が割り当てられてもよい。この後者の手法においては、密度値は測定されたｘ線吸収に基づいてではなく解剖学的情報に基づいて割り当てられるので、撮像技術は放射線に基づいてもよいし（例えば、ＣＴ）、放射線以外に基づいてもよい（例えば、ＭＲ）。

関心構造は輪郭描写プロセッサ４４によって描写される。強度変調放射線治療の場合、関心構造は、例えば、標的の癌性腫瘍又は癌性増殖、放射線被曝量のレベルが制限されるべきクリティカル構造、及び治療放射線の送達を実質的に妨げ得る吸収性の高い構造などを含み得る。この構造描写情報は、例えば、上述の密度プロファイリングプロセッサ４０、又は帰納的（インバース、逆方向）計画作成プロセッサ５０等によって使用されてもよい。

収集されたＣＴ計画用画像に基づいて強度変調放射線治療セッションを計画する手法の一例は以下の通りである。帰納的計画作成プロセッサ５０が、被検体内で放射線強度の所望の３次元分布をもたらす治療放射線ビームの空間的なビーム強度分布を決定する。この３次元分布は、願わくは期待される治療効果が得られるように標的構造（例えば、癌性腫瘍又は癌性増殖）に十分な放射線を供給する一方で（技術的に理解されるように、患者間のバラつきによる影響のため、一部の患者では期待される治療効果が残念ながら生じなかったり、様々な程度の有効性で生じたりし得る）、例えば影響を受けやすい重要臓器などのクリティカル構造の放射線被曝量を、選定された閾被曝レベル未満に保つべきである。例えば、放射線治療を受ける領域又は領域群では８０Ｇｙの放射線量が目標とされ、過度な放射線被曝によって悪影響を受けやすいクリティカル構造内では、この値の２０％（すなわち、１６Ｇｙ）以下という制限が設けられ得る。計画作成はまた、場合により、例えば、治療ビーム源によって送達可能な最大治療放射線強度レベル、又は空間分解能の限界などのシステム制約を受け入れる。１つの計画作成手法において、治療放射線ビームは、アレイ状、又はその他の複数の、ビームレットに数学的に分けられ、被検体内で所望の時間積分３次元放射線分布を実現する値がビームレット群に対して計算される。これらビームレットパラメータは、変換プロセッサ５２によって、治療放射線ビーム又はビーム群の（場合により、時変的な）強度分布を制御するマルチリーフ型コリメータの設定に変換される。

変換プロセッサ５２によって出力された計画情報に従って、放射線送達装置コントローラ５４が放射線送達装置５６を操作し、それにより、ＣＴ計画用画像から決定された計画に従った治療放射線が被検体に送達される。図示した放射線送達装置５６の例は、回転式のアーム又はガントリー６０を備えた静止した支持構造５８を有し、アーム又はガントリー６０には治療放射線源６２が搭載されている。一部の実施形態において、放射線源６２は、ｘ線又は光子照射療法の場合のガンマ線の治療ビームを生成するため、タングステン又はその他の材料から成るターゲットに衝突させる加速電子ビームを作り出す線形電子加速器（リニアック）を含む。他の一部の実施形態においては、治療放射線源６２は、例えば陽子ビーム、中性子ビーム又は電子ビーム等、その他の種類の放射線を生成する。

ガントリー６２が回転することにより、治療放射線源６２は、支持台６４上に配置された患者の周りを回転する。１つの手法において、この回転中に支持台６４が線形に被検体を移動させ、被検体の周りでの放射線源の螺旋軌道を生じさせる。他の１つの手法においては、支持台６４を静止させて単一のスライス又はスラブが照射され、より大きい領域が照射されるべき場合には、一連のスライス又はスラブが照射されるように支持台６４が段階的に進められ得る。治療放射線の適用中、マルチリーフ型コリメータ６６が、変換プロセッサ５２によって出力された計画に従って治療放射線ビームの空間強度分布を変調することにより、意図された３次元放射線分布に従って被検体に時間積分された放射線量が送達される。典型的に、マルチリーフ型コリメータ６６は、選択的な大きさ及び形状の放射線アパーチャを一緒になって画成する、個々に移動可能な放射線遮断用のリーフ対のアレイを含む。

図示した断層撮影放射線送達装置５６においては、マルチリーフ型コリメータ６６の設定は典型的に、上記の所望の３次元分布を生成するように放射線源６２の回転中に変化する。他の１つの手法においては、複数の放射線源が、該複数の放射線源からのビームが被検体内で交差するように、被検体の周りで角度的に隔てて配置される。各ビームは、ＣＴ計画用画像から作成された計画に従った空間的なビーム強度分布を与える付随のマルチリーフ型コリメータを有し、患者内で交差する同時適用ビーム群によって所望の３次元分布が実現される。

放射線治療セッションにおける被検体の位置（すなわち、放射線治療送達装置５６の支持台６４上での被検体位置）を、事前に収集した診断画像における被検体の位置（すなわち、ＣＴシステム１２の支持台２０上での被検体位置）に対してレジストレーションするため、好ましくは基準マーカが用いられる。好適な一実施形態において、診断撮像に先立って被検体に配置された基準マーカを撮像するために使用されることが可能な低分解能のＣＴ撮像を実現するため、検出器（図示せず）が放射線源６２によって生成された低パワーのｘ線を受ける。他の１つの手法においては、別個のスキャナ（図示せず）が放射線治療送達装置５６に一体化され、基準マーカを撮像する。

以上、図１を参照して強度変調放射線治療応用の一例の実施形態を説明した。次に、輪郭描写プロセッサ４４の実施形態を更に詳細に説明する。図１に示したように、輪郭描写プロセッサ４４は、輪郭描写平面選択部７０、輪郭選択部７２、３次元メッシュ生成部７４、及び必要に応じての３次元メッシュ最適化部７６を含んでいる。

図２を参照するに、輪郭描写プロセッサ４４は、画像又はマップの収集の幾何学的な性質又は態様を問わず、ＣＴスキャナ１２及び再構成プロセッサ２６によって生成された３次元の画像又はマップ８０上で機能する。例えば、３次元画像又はマップ８０は、一連のアクシャルスライスとして収集されてもよい。しかしながら、輪郭描写プロセッサ４４は、アクシャルスライス群であることを意識せずに、３次元画像又はマップ８０を取り扱う。ユーザインタフェース３２と協働する輪郭描写平面選択部７０は、ユーザが２つ以上の輪郭描写平面８２を選択することを可能にする。例えば、３次元画像若しくはマップ８０又はその一部がディスプレー３８上に好適に表示され、ユーザは、マウス３６、キーボード３４、又は他の入力装置を用いてグラフィックポインタを操作し、輪郭描写平面８２を選択する。一般に、関心３次元構造の適切な輪郭描写を確実にするため、２つ以上の輪郭描写平面８２は、少なくとも２つの異なる、平行でない輪郭描写平面を含むべきである。一部の実施形態において、これら少なくとも２つの異なる、平行でない輪郭描写平面は、矢状（サジタル）平面、冠状（コロナル）平面及び軸（アクシャル）平面を含むグループから選択された少なくとも２つの異なる、平行でない平面を含む。一部の実施形態において、これら少なくとも２つの異なる、平行でない輪郭描写平面は、サジタル平面、コロナル平面及びアクシャル平面から成る平面グループに属さない少なくとも１つの傾斜（oblique）平面を含む。

ユーザインタフェース３２と協働する輪郭選択部７２は、各輪郭描写平面８２内でユーザが１つ以上の描写輪郭８４を選択することを可能にする。例えば、輪郭描写平面８２のうちの１つ又はその一部が、ディスプレー３８上に好適に表示され、ユーザは、マウス３６、キーボード３４、又は他の入力装置を用いてグラフィックポインタを操作し、表示された輪郭描写平面８２内で１つ以上の輪郭を描く。１つの手法において、ユーザがその輪郭上に位置する点群を指定し、その輪郭は、指定された点群と該指定点群を接続する接続線分とによって定められる。輪郭描写平面８２はユーザが選択するものであるため、輪郭描写平面は、関心構造に対して解剖学的に意味を有するような向きにされることができ、それにより、より容易且つ正確な輪郭描写が推進される。また、輪郭８４は好ましくは、関心３次元構造の適切な輪郭描写を確実にするため、同一平面にないようにされる。この条件は、一般的に、２つ以上の異なる、平行でない輪郭描写平面８２の各々において輪郭を描くことによって満たされる。

３次元メッシュ生成部７４は、３次元画像又はマップ８０内で関心構造を描写する３次元の多角形メッシュ９０を構築する。メッシュ９０は、同一平面内にない複数の描写輪郭８４のうちの１つ以上の上又は付近に位置付けられた、制約を有する頂点を含む。一部の実施形態において、メッシュ９０は、変形処理を用いることなく、メッシュの頂点を輪郭８４上に配置することによって構築される。他の一部の実施形態においては、メッシュ９０は、関心構造の近くに配置された初期設定のメッシュ構造９２から始め（例えば、輪郭８４を包囲する有界ボックスの中心、輪郭８４の重心、又は描写輪郭８４によって定められる他の平均位置若しくは中心位置に初期設定のメッシュ構造９２を配置すること、あるいは、３次元画像又はマップ８０内の関心構造の画像の重心又はその他の平均位置若しくは中心位置に初期設定のメッシュ構造９２を配置することによる）、且つ３次元メッシュ最適化部７６を起動して、初期設定のメッシュを、３次元画像又はマップ８０内で関心構造を描写する３次元の多角形メッシュ９０を生成するように変形することによって構築される。場合により、初期設定のメッシュ構造９２の配置は、輪郭８４及び／又は関心構造の画像を例えばＩＣＰ−ｌｉｅ手法を用いて整合させるように、該初期設定のメッシュ構造を回転、平行移動、スケーリング、あるいはその他の方法で操作することを含む。

引き続き図２を参照しながら図３−６をも参照し、例えば肺癌の治療のための強度変調放射線治療セッションを計画する際に有用となり得る脊柱の描写の例を用いて、輪郭描写プロセッサ４４の処理を説明する。図３は、脊柱の冠状図を示している。見て取れるように、“Ｓ字”状の脊椎Ｓは実質的に、冠状平面Ｐ_ｃｏｒ内に位置している。従って、ユーザは有利には、ユーザインタフェース３２と協働する輪郭描写平面選択部７０を用いて、輪郭描写平面８２の１つとして冠状平面Ｐ_ｃｏｒを選択する。さらに、３次元空間で脊椎Ｓを適切に描写するため、第２の輪郭描写平面が有利に選択される。図示した傾斜平面Ｐ_ｏｂｌは、冠状平面Ｐ_ｃｏｒと異なり且つ平行でない第２の輪郭描写平面８２として、好ましく選択されている。（なお、図３において、傾斜輪郭描写平面Ｐ_ｏｂｌは“真横”に見え、直線として現れている。）一般に、図示した例の輪郭描写平面Ｐ_ｃｏｒ及びＰ_ｏｂｌの場合のように、互いに実質的に直交する２つの異なる、平行でない輪郭描写平面を選択することが有利であることがある。図４は、冠状輪郭描写平面Ｐ_ｃｏｒ内に描かれた冠状平面輪郭Ｃ_ｃｏｒを示している。図５は、傾斜輪郭描写平面Ｐ_ｏｂｌ内に描かれた傾斜平面輪郭Ｃ_ｏｂｌを示している。図６は、脊椎Ｓを描写するように３次元メッシュ生成部７４によって構築されたメッシュＭ_ｓの一例の一部の斜視図を示している。メッシュＭ_ｓは、輪郭Ｃ_ｃｏｒ、Ｃ_ｏｂｌの上又は付近に位置するように制約された制約頂点Ｖ_ｃを含んでいる。図示した３次元多角形メッシュＭ_ｓは三角形要素を用いているが、例えば四角形要素などの他の多角形要素から成るメッシュも用いられることが可能である。

図７を参照するに、３次元メッシュ最適化部７６の好適な一実施形態が例示されている。メッシュ最適化部７６は、エネルギー最小化アルゴリズム又は力（force）最小化アルゴリズムを用いる。制約頂点特定部１００が、制約頂点１０２を、３次元多角形メッシュ９０の頂点のうちの輪郭８４に非常に近接した頂点として特定する。すなわち、制約頂点１０２は、輪郭８４からの最小頂点距離に基づいて特定される。一部の実施形態において、制約頂点１０２はユークリッド距離変換を用いて特定される。

一部の実施形態において、各制約頂点１０２は、例えば頂点を輪郭上に投影することによって、最も近い輪郭上に移動される。そして、制約頂点１０２は、メッシュ９０の変形中、固定位置に保持される。他の一部の実施形態においては、各制約頂点とその最も近い輪郭との間の最小距離に基づいて、拘束エネルギー若しくは拘束力の項１０４が計算され、エネルギー又は力の最小化変形処理は、この拘束エネルギー若しくは拘束力の項１０４を最小化処理に組み入れる。

変形プロセッサ１１０はエネルギー又は力の項を最小化する。これらの項は、例えば、拘束エネルギー若しくは拘束力の項１０４、３次元画像又はマップ８０内で関心構造の少なくとも一部を描写するコントラストから得られるコントラストに基づくエネルギー若しくは力の項１１２、及び／又は、初期設定のメッシュ構造９２からの３次元多角形メッシュ９０の変形程度から得られる変形エネルギー若しくは変形力の項１１４を含んでいてもよい。必要に応じてのコントラストに基づくエネルギー若しくは力の項１１２は、関心構造の画像コントラストをメッシュ変形処理に組み入れるものであり、必要に応じての変形エネルギー若しくは変形力の項１１４は、メッシュ９０は、予期される、すなわち、初期設定のメッシュ構造９２から過度に逸脱すべきではないという予期を考慮するものである。必要に応じての拘束エネルギー若しくは拘束力の項を支配的（例えば、大きく）することにより、変形は、各制約頂点を近接する輪郭の上又は付近に配置する傾向を強くする（そう配置するようバイアスされる）。他の一部の実施形態においては、各制約頂点は近接する輪郭上に投影され、変形プロセッサ１１０によって移動されることはない。

制約頂点１０２を取り扱う他の１つの手法例として、滑らかな初期変形関数が、各制約頂点を最も近い描写輪郭上に並進させることに基づいて定められる。制約頂点の近傍のその他の頂点は、その並進ベクトルに該制約頂点までの測地（geodesic）距離の平滑ガウス関数を掛け合わせたものに従って移動される。制約頂点１０２は変形処理における境界条件としての役割を果たし、残りの頂点の並進は、変形処理によって最小化される外部エネルギーを計算する際に使用される。

一部の実施形態において、３次元多角形メッシュ９０は変形プロセッサ１１０によって、境界条件（例えば、制約頂点を輪郭８４上の固定位置に有すること等）の下で内部エネルギーＥ＝Σ（ｘ_ｉ−ｙ_ｉ）^２を最小化させること、又はエネルギー性能指数Ｅを定義する和にエネルギー若しくは力の項１０４、１１２、１１４のうちの１つ以上を更に含めることに基づいて変形される。ただし、ｘ_ｉ及びｙ_ｉは単一のエッジによって接続される２つのメッシュ頂点である。

一部の実施形態において、変形プロセッサ１１０によって実行される変形処理は反復処理であり、制約頂点１０２は各反復の間に制約頂点プロセッサ１００によって特定され直す。この手法においては、メッシュ９０の頂点のうちの制約頂点を構成する頂点の部分集合は反復ごとに変化する。一部の実施形態において、制約頂点の数は一定とされる。一部の実施形態において、制約頂点の数は、輪郭の各単位長さに対して一定の線密度の制約頂点が存在すべきとの仮定の下で、輪郭８４の長さに応じて定められる。他の一部の実施形態においては、制約頂点の数は一定とされず、最も近い描写輪郭８４からの最小距離が閾値未満である如何なる頂点も制約頂点として特定される。その他の技術も使用され得る。

図２を再び参照するに、輪郭描写プロセッサ４４は様々な方法で適用され得る。実質的に手動な一手法において、ユーザは、ユーザインタフェース３２とともに輪郭描写平面選択部７０及び輪郭選択部７２を用いて、２つ以上の異なる、平行でない輪郭８４を画成する。輪郭８４は、湾曲した輪郭、直線状の線分、又は閉じた輪郭となり得る。一部の状況において、関心構造は、例えば矢状平面及び冠状平面の各々内で輪郭を描写した、２つの異なる平行でない輪郭８４によって十分に描写され得る。異なる平行でない平面内で輪郭が画成され得るように任意の輪郭描写平面内で輪郭を描写することを可能にすることにより、ほんの数個の輪郭（場合により、２つの輪郭）を用いて描写することが可能となる。効率的で迅速な輪郭描写は、例えば脊椎Ｓの例に関して図示した解剖学的に重要なＰ_ｃｏｒ平面及びＰ_ｏｂｌ平面のように、関心構造を包含する解剖学的に重要な方向として輪郭描写平面を選択することによって更に向上される。輪郭がメッシュ表面の部分集合とされる一方で、メッシュの残りの部分がメッシュのトポロジー的な完全性を確保するように内部エネルギー制約に従って変形されるように、メッシュ９０は変形される。好ましくは、描写輪郭のうちの少なくとも２つは、互いに直交あるいは略直交させられる。得られたメッシュが満足できるものでない場合、ディスプレー３８上で画像８０に重ねられたメッシュ９０をユーザが再検討し、メッシュ９０の形状を更に改善するように既存の描写輪郭を調整したり更なる描写輪郭を追加したりする反復的な手動調整が実行されてもよい。より自動化された一手法においては、メッシュは図７のように先ず画像に整合するように変形され、その後、自動的にフィッティングされたメッシュが満足いくものでない領域を補正するための輪郭８４の手動画成が行われてもよい。輪郭を手動画成した後、該輪郭を強い制約として機能させて、更なる自動適応が行われてもよい。

また、輪郭描写プロセッサ４４は、後の放射線治療セッションのための輪郭を適応的に調整するために適用されることができる。例えば、後の放射線治療セッションを計画するための計画用画像は、以前の放射線治療セッションの計画用画像と同様であると期待される。相違は、放射線治療の効能による癌性腫瘍又は癌性増殖の大きさの縮小、又は器官若しくはその他の構造の経時的なズレ若しくは移動などを含み得る。これらの小さい変化が、更なる自動最適化を含んでもよい輪郭描写平面及び／又は描写輪郭のユーザ調整によって、容易に捕捉される。開示された輪郭描写プロセッサ４４は同様に、その他の種類の適応型治療処置との間で描写メッシュを調整することにも使用され得る。

好適な実施形態を参照しながら本発明を説明してきた。以上の詳細な説明を読み、理解した者は改良及び改変に想到し得る。本発明は、添付の特許請求の範囲又はその均等範囲に入る限りにおいて、そのような全ての改良及び改変を含むとして解釈されるものである。

Claims (6)

1. ３次元の画像又はマップ内で関心構造を描写する方法であって：
   前記関心構造を描写する少なくとも２つの輪郭を手動で定める画成段階であり、該少なくとも２つの輪郭は、互いに平行でない少なくとも２つの異なる輪郭描写平面内にある画成段階；及び
   前記３次元の画像又はマップ内で３次元多角形メッシュを前記関心構造に自動的にフィッティングする自動フィッティング段階であり、手動で定められた前記少なくとも２つの輪郭からの最小頂点距離に基づいて、該３次元多角形メッシュの頂点の部分集合を、手動で定められた前記輪郭の上又は付近に配置されるべき制約頂点として特定し、各制約頂点を、手動で定められた前記少なくとも２つの輪郭のうちの最も近い輪郭に投影し、そして、該自動フィッティング段階の間、前記制約頂点を固定位置に保持することによって、手動で定められた前記輪郭を該３次元多角形メッシュの頂点についての制約として考慮しながらフィッティングする自動フィッティング段階；
   を有する方法。
2. 前記自動フィッティング段階は：
   初期設定のメッシュ構造からの前記３次元多角形メッシュの逸脱に関する変形力若しくは変形エネルギーの項、を少なくとも含む力若しくはエネルギーの項の組み合わせを最小化すること
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. ３次元の画像又はマップ内で関心構造を描写する装置であって：
   平面選択インタフェース装置であり、それによってユーザが前記３次元の画像又はマップ内で選択可能な方向の輪郭描写平面を選択する平面選択インタフェース装置；
   輪郭描写インタフェース装置であり、それによってユーザが、選択された前記輪郭描写平面内で輪郭を定める輪郭描写インタフェース装置；及び
   前記３次元の画像又はマップ内で前記関心構造を描写する３次元多角形メッシュを構築するメッシュ構築装置であり、該メッシュ構築装置は、前記３次元多角形メッシュの頂点の部分集合を制約頂点として特定し、且つ、前記輪郭描写インタフェース装置を用いて定められた複数の、同一平面内にない描写輪郭の上に前記制約頂点を投影し、該メッシュ構築装置は、各制約頂点を前記同一平面内にない描写輪郭上のその投影位置に保持しながら前記３次元多角形メッシュを自動的に変形するメッシュ最適化部を含む、メッシュ構築装置；
   を有する装置。
4. ポインティングデバイス；及び
   ディスプレー；
   を更に含み、
   前記ポインティングデバイス及び前記ディスプレーは、前記平面選択インタフェース装置及び前記輪郭描写インタフェース装置の各々の構成要素である、
   請求項３に記載の装置。
5. 請求項３に記載の３次元の画像又はマップ内で関心構造を描写する装置；及び
   前記３次元の画像又はマップと、前記３次元の画像又はマップ内で前記関心構造を描写する前記３次元多角形メッシュとに基づいて放射線治療セッションを計画するように構成された計画作成プロセッサ；
   を有する放射線治療計画装置。
6. 請求項３に記載の３次元の画像又はマップ内で関心構造を描写する装置；
   前記３次元の画像又はマップと、前記３次元の画像又はマップ内で前記関心構造を描写する前記３次元多角形メッシュとに基づいて放射線治療セッションを計画するように構成された計画作成プロセッサ；及び
   計画された放射線治療セッションを実行する放射線治療システム；
   を有する放射線治療装置。

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