JP2015511139A - 非侵襲的療法中の参照ベースの動き追跡 - Google Patents

Abstract

集束超音波または他の非侵襲的治療手技の間、治療標的または他の着目対象の動きが、予期される動きの範囲に対して、治療に先立って取得され、予期される動きの範囲の中の標的または他の対象の場所を識別するために処理された画像の参照ライブラリに対する治療画像の比較に基づいて、リアルタイムで追跡されることができる。一実施形態において、治療の間、追跡に基づいて、解剖学的対象を回避するように、標的上への集束超音波ビームを成形する。

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６１／５９５，３３８号、第６１／５９５，３４１号（両方とも２０１２年２月６日出願）を基礎とする優先権および利益を主張し、それらの全体が参照により本明細書に引用される。さらに、国際出願（名称「Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｌｉｂｒａｒｙ Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ Ｄｕｒｉｎｇ Ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ Ｍｏｖｉｎｇ Ｏｒｇａｎｓ」、本願と同日に出願）も参照する。

（技術分野）
本発明は、一般に、画像ガイド下非侵襲的療法に関し、特に、移動する組織または器官の画像ベースの追跡に関する。

磁気共鳴画像診断（ＭＲＩ）は、種々の医療用途において、超音波集束または他の非侵襲的治療モダリティと併せて使用され得る。超音波は、軟組織を通して良好に浸透し、その短波長により、数ミリメートルの寸法を伴うスポットまで集束されることができる。これらの特性の結果、超音波は、非侵襲的な非常に局所化された外科手術、例えば、周囲の健康組織に有意な損傷を生じさせずに、癌組織を切除または凝固させるために使用されることができる。超音波集束システムは、概して、音響変換器表面、すなわち、変換器表面のアレイを利用して、超音波ビームを発生させる。変換器は、超音波エネルギーが、患者内の標的組織塊に対応する「集束帯」に集束されるように、幾何学的に成形および位置付けられ得る。組織を通した波動伝搬の間、超音波エネルギーの一部は、好ましくは、集束帯内の標的組織塊において、吸収され、温度が上昇し、最終的に、細胞壊死につながる。変換器アレイの個々の表面、すなわち、「要素」は、典型的には、個々に制御可能でり、すなわち、その位相および／または振幅は、互から独立して設定され（例えば、好適な遅延を伴う「ビーム形成装置」および要素のための増幅器回路を使用して）、ビームが、所望の方向に操向され、所望の距離に集束され、集束帯特性が、必要に応じて、成形されることを可能にすることができる。したがって、集束帯は、独立して、変換器要素に入力される電気信号の振幅および位相を調節することによって、高速で変位および／または再成形されることができる。

ＭＲＩガイド下集束超音波（ＭＲｇＦＵＳ）方法では、ＭＲＩは、標的組織および超音波集束の両方を視覚化する役割を果たす。概して、ＭＲＩシステム１００は、図１に描写されるように、静磁場磁石１０２と、１つ以上の勾配磁場コイル１０４と、高周波（ＲＦ）送信機１０６と、ＲＦ受信機（図示せず）とを含む。（いくつかの実施形態では、同一のデバイスが、代替として、ＲＦ送信機または受信機として使用される。）磁石は、患者１１０をその中に受け取るための領域１０８を含み、静的かつ比較的に均質な磁場を患者にわたって提供する。勾配磁場コイル１０４によって発生させられる時変磁場勾配は、静磁場と重ね合される。ＲＦ送信機１０６は、患者１１０にわたってＲＦパルスシーケンスを伝送し、患者の組織に、（２次元または３次元）撮像領域全体にわたって統合される（時変）ＲＦ応答信号を放出させ、ＲＦ受信機によってサンプリングされ、未加工画像データを構成する、応答信号の時系列を作成する。この未加工データは、計算ユニット１１２に渡される。時系列内の各データ点は、ｋ空間（すなわち、波数ベクトル空間）内の特定の点における位置依存局所磁化のフーリエ変換の値として解釈されることができ、波数ベクトルｋは、勾配磁場の時間展開の関数である。したがって、応答信号の時系列をフーリエ変換することによって、計算ユニット１１２は、未加工データから組織の実空間画像（すなわち、空間座標の関数として測定された磁化影響組織特性を示す、画像）を再構築することができる。実空間磁気共鳴（ＭＲ）画像は、次いで、ユーザに表示され得る。ＭＲＩシステム１００は、医療手技を計画し、手技の間、治療進度を監視するために使用され得る。例えば、ＭＲＩは、解剖学的領域を撮像し、領域内の標的組織（例えば、腫瘍）の位置を特定し、超音波変換器１１４によって発生させられるビームを標的組織に誘導し、および／または標的組織内およびその周囲の温度を監視するために使用され得る。

呼吸による周期的動きまたは無作為移動等の治療の間の患者の動きは、治療の有効性および安全性に著しい課題を呈し得る。動きの補償が、超音波ビームが標的上に集束されたままであり、周囲健康組織を損傷しないことを確実にするために必要である。画像ガイド下システム（ＭＲｇＦＵＳシステム等）では、動き補償は、概して、画像内の標的を追跡し（直接または間接的に）、追跡された位置に基づいて、超音波ビームを操向することによって達成される。標的追跡のアプローチの１つは、各画像内に位置し得る、一式の１つ以上の識別可能な特徴または「解剖学的目印」の座標を決定することと、これらの座標に基づいて、目印に対して固定された場所において考えられる、標的の動きを算出することとを伴う。代替アプローチでは、連続画像間の相対的シフトが、１つの画像と多数の計算上シフトされた他の画像のコピーを関連させ、最良一致を提供する、シフトされた画像を選択することによって決定される。いずれの場合も、有意な画像処理時間が、標的場所を決定するために費やされ、有効撮像率を減少させ、多くの場合、リアルタイム動き補償を妨害する。ある場合には、標的動きの認識および定量化の遅延は、ビーム標的化に許容可能範囲内の不正確性を生じさせる。しかしながら、多くの場合、治療プロセスを停止し、治療が再開され得る前に、標的組織または器官の変位によるいかなる不整合も補正する必要がある。これは、治療プロセスに有意な非効率性をもたらし、有意な遅延を発生させ得る。

故に、標的の追跡と、治療中のリアルタイムでのその動きの補償とを促進する、改良された動き追跡アプローチの必要性が、存在する。

本発明は、画像ガイド下治療手技の間、治療標的または他の着目対象の動きをリアルタイムで追跡するためのシステムおよび方法を提供する。従来の追跡アプローチと比較して、種々の実施形態は、概して、治療に先立って取得および処理される、参照画像のライブラリを利用することによって、治療の間に必要とされる画像処理時間を有意に短縮する。参照画像は、予期される動きの範囲（例えば、完全呼吸サイクル）を網羅し、（直接または間接的に）その中の着目対象の位置を特定するように処理される。場所情報は、画像とともに記憶される。治療の間、解剖学的着目領域は、繰り返し、好ましくは、リアルタイムで撮像され得、取得された画像は、画像類似性に基づいて、参照ライブラリ内の画像と比較およびマッチングされ得る。十分に近似する一致参照画像が識別される場合、参照画像内の各着目対象の場所は、治療画像内の各々の対象の場所でもあると見なされる。したがって、任意のさらなる処理を要求せずに、治療画像内の着目対象の場所は、一致する参照とともに記憶された場所情報から容易に推測されることができる。画像マッチングは、概して、計算上、画像内での対象の検出および位置特定ほど複雑ではないため、本方法は、治療の間の処理時間の有意な節約を達成し、したがって、リアルタイム追跡を促進し得る。

故に、一側面では、本発明は、治療シーケンスの間、１つ以上の（概して、移動する）解剖学的着目対象を追跡する方法を提供する。解剖学的着目対象は、治療の標的、例えば、集束超音波を用いて治療される腫瘍または組織領域であり得る。代替として、着目対象は、例えば、その温度が監視される必要がある、標的近傍の器官または組織、あるいは、特に、超音波からの損傷を受けやすいため、またはそうでなければ、その材料特性（超音波反射性等）により、標的の治療に干渉するであろうためのいずれかによって、超音波（または、他の治療）ビームによって回避されるべき器官または組織等、標的以外の器官または組織であり得る。多くの場合、複数の対象（例えば、標的および回避されるべき１つ以上の組織領域）は、治療の有効性および安全性の両方を確実にするために、同時に追跡される。

本方法は、治療シーケンスに先立って、その動きの間の解剖学的着目対象を含む解剖学的領域の一連の参照画像（すなわち、少なくとも１つの画像、典型的には、複数の画像）（動きの異なる段階に対応する各参照画像）を取得することと、画像を処理し、画像毎に、着目対象に関連付けられたその中の１つ以上の場所を決定することとを伴う。本明細書では、「着目対象に関連付けられた場所」とは、着目対象自体の場所、または典型的には、画像内で容易に判別される解剖学的目印（例えば、画像内の周囲組織に対して高コントラストをもたらす、物質特性のため）であり、着目対象に対するその位置は、既知であり、通常、固定されている別の対象の場所であり得る。画像は、例えば、ＭＲまたは他のトモグラフィ画像であり得る。さらに、文脈から別様に明白でない限り、用語「画像」は、本明細書で使用される場合、実空間画像（例えば、再構築されたＭＲ画像）、そこからそれらが導出される未加工データ、または両方を指し得る。

治療シーケンスの間、解剖学的領域の「治療画像」が、取得され、類似性に基づいて、参照画像と関連させられ、着目対象は、関連させられた参照画像内の対象に関連付けられた場所に基づいて、治療画像内で追跡される。いくつかの実施形態では、画像類似性は、未加工データから決定される。用語「治療シーケンス」は、本明細書で使用される場合、治療用エネルギー（例えば、超音波）への解剖学的標的の１回を上回る暴露のシーケンスを指す。完全治療手技は、単一治療シーケンスまたは複数の時間で分離された治療シーケンスを含み得る。治療が複数の時間で分離された治療シーケンスを含む、実施形態では（それぞれ、単回暴露または暴露のシーケンスを含む）、ある治療シーケンスで撮影された治療画像は、次の治療シーケンスにおける参照画像としての役割を果たすために、記憶および分析され得る。

いくつかの実施形態では、参照画像を処理することは、参照画像の各々内の解剖学的目印または複数の解剖学的目印を識別することを含み、治療シーケンスの間、解剖学的対象を追跡することは、治療画像内の対象の場所を対応する参照画像内の解剖学的目印の場所から推測することを伴う。追跡される解剖学的対象自体が治療される実施形態では、本方法はさらに、追跡に基づいて、集束超音波ビーム等の治療用エネルギービームを対象上に操向することを含み得る。追跡される解剖学的対象以外の標的が治療される、実施形態では、本方法は、追跡に基づいて、解剖学的対象を回避するように、エネルギー（例えば、超音波）ビームを成形することを含み得る。いくつかの実施形態では、本方法はさらに、治療画像と対応する参照画像との間の基準減算を行なうことによって、解剖学的領域内の温度を監視することを含む。本方法はまた、治療画像を一連の参照画像に追加することを含み得る。さらに、追跡される対象の動きを一連の参照画像と比較し、それに基づいて、追跡される動きを平滑化し、および／または追跡誤差を検出することを含み得る。

別の側面では、本発明は、治療シーケンスの間、移動する解剖学的対象を追跡するためのシステムに関する。本システムは、治療シーケンスに先立って、対象を含む解剖学的領域の一連の参照画像を取得し（一連の画像は、その動きの間、対象を捕捉し、各参照画像は、動きの異なる段階に対応する）、治療シーケンスの間、解剖学的領域の治療画像を取得するために、治療装置（例えば、超音波変換器）と併せて動作可能な撮像装置（例えば、ＭＲＩ装置）を含む。さらに、本システムは、参照画像を処理し、参照画像毎の対象に関連付けられた場所を決定し、それらの間の類似性に基づいて、治療画像を対応する参照画像と関連させ（例えば、未加工画像データを使用して）、対応する参照画像内の対象に関連付けられた場所に基づいて、治療画像内の対象を追跡するように構成される、計算ユニットを含む。

計算ユニットは、参照画像の各々内において、その場所が対象の場所に対して固定されている少なくとも１つの解剖学的目印を識別し、標的の場所を対応する参照画像内の解剖学的目印の場所から推測することによって、標的を追跡するように構成され得る。計算ユニットはさらに、追跡に基づいて、治療装置によって発生させられる治療用エネルギー（例えば、超音波ビーム）を対象上に集束するか、または（追跡される解剖学的対象以外の標的が、治療されている場合）追跡に基づいて、対象を回避するように、ビームを成形するように構成され得る。計算ユニットはまた、治療画像と対応する参照画像との間の基準減算を行なうことによって、解剖学的領域内の温度を監視するように構成され得る。さらに、計算ユニットは、追跡される対象の動きを一連の参照画像と比較し、それに基づいて、追跡される動きを平滑化し、および／または追跡誤差を検出するように構成され得る。

計算ユニットはまた、治療画像を以前に取得された一連の参照画像に追加し得る。いくつかの実施形態では、治療シーケンスは、複数の時間で分離された治療シーケンス（各々は、治療用エネルギーへの解剖学的標的の少なくとも１回の暴露を含む）を含む、治療手技の一部であり、計算ユニットは、治療シーケンスの後続の第２のシーケンスのために、参照画像として、治療シーケンスの第１のシーケンスの間に得られた治療画像を使用するように構成される。

前述は、特に、図面と併せて熟読されるとき、以下の発明を実施するための形態からより容易に理解されるであろう。

図１は、種々の実施形態による、ＭＲＩガイド下集束超音波システムを図示する。 図２は、種々の実施形態による、追跡方法を図示する、流れ図である。 図３Ａは、従来の温度測定方法を図示する、流れ図である。 図３Ｂは、種々の実施形態による、標的追跡と併せた温度測定のための方法を図示する、流れ図である。 図４は、種々の実施形態による、画像処理および制御設備を図示する、ブロック図である。

本発明は、画像ガイド下手技の間、着目対象、例えば、治療標的の動きをリアルタイムで追跡するためのシステムおよび方法を提供する。手技は、例えば、癌である場合、組織を壊死、切除、または別様に破壊するために、それを加熱する目的のために、あるいは疼痛軽快または温熱療法の制御誘発等の非破壊的治療のために、例えば、組織または器官への集束超音波の印加（すなわち、その音波破砕）を伴い得る。超音波はまた、例えば、神経調節等の他の非熱的タイプの治療のために使用され得る。代替として、手技は、例えば、高周波（ＲＦ）照射、Ｘ線またはガンマ線、または荷電粒子等の異なる形態の治療用エネルギーを使用するか、または、冷凍切断等の他の治療モダリティを伴い得る。種々の治療手技における動き追跡は、治療用エネルギービームを標的上および／または他の非標的組織および器官の周囲に誘導する役割を果たし、すなわち、罹患した解剖学的領域の画像（いくつかの実施形態では、また、ビーム集束を可視化し得る）に基づいて、ビーム集束、プロファイル、および／または方向を調節する役割を果たし得る。ＭＲＩは、そのような画像ベースの動き追跡のために広く使用される技法である。しかしながら、例えば、Ｘ線撮像、Ｘ線コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、または超音波撮像を含む、他の撮像技法もまた、使用され得、本発明の範囲内である。種々の実施形態による方法を実装するための例示的システムは、図４を参照して以下に詳細に説明される好適な画像処理および制御設備を伴う、図１に描写されるもの等のＭＲｇＦＵＳシステムである。

図２は、種々の実施形態による、リアルタイム動き追跡のための方法を図示する。参照の容易性のために、以下の説明は、標的追跡のみを参照する。しかしながら、同一の方法は、概して、他の着目器官または組織（治療用ビームから損傷を受けやすい器官等）の追跡にも同様に適用されることを理解されたい。本方法は、着目手技に先立って行なわれる準備ステップと、手技の間に実行されるステップとを含む。第１の準備ステップ２００では、標的を含む、解剖学的領域の一連の画像が、その動きの間、取得される。各画像は、典型的には、動きの異なる段階に対応し、一連の画像は、集合的に、予期される動きの範囲を網羅する。例えば、一連の画像は、完全呼吸サイクルの間、規則的間隔で撮影され得る。別の実施例として、患者内の解剖学的着目領域は、偶発的な突発的動きから生じる位置の範囲を捕捉するために、ある期間の間、監視され得る。ＭＲＩベースの方法では、画像を取得すことは、典型的には、最初に、未加工ｋ空間ＭＲ信号を取得すること（ステップ２０２）と、次いで、実空間画像を未加工データから再構築すること（ステップ２０４）とを伴う。ｋ空間および実空間画像データは両方とも、複素数値化される（すなわち、ある大きさおよび位相、あるいは、実部および虚部を有する）。

次のステップ２０６では、実空間画像は、標的座標自体または標的に対して固定位置に位置する解剖学的目印の座標等、標的に関連付けられた座標を決定するために処理される。本ステップは、当業者に公知のいくつかの特徴検出または追跡方法のいずれかによって行なわれ得る。いくつかの実施形態では、標的または目印場所は、例えば、エッジ検出または塊検出を使用して、画像フレーム内の絶対座標で（例えば、行および列番号を単位として）画像毎に別個に決定される。他の実施形態では、異なる画像間の標的または目印場所における相対的変化（例えば、座標差または変換／動きベクトルとして表される）が、決定される。例えば、一連の画像の第１の画像内の標的の場所は、任意に、原点として指定され得、後続画像内の標的の場所は、その原点に対して測定され得る。動きベクトルは、ブロックマッチングアルゴリズム、位相相関および周波数領域法、画素再帰アルゴリズム、ベイズ推定値（例えば、最大事後確率（ＭＡＰ）推定またはマルコフ確率場モデル）、および／またはオプティカルフロー法等の画素ベースの（「直接的」）方法によって、ならびに、画像間の対応する特徴（例えば、ハリスのコーナー検出等）を一致させる特徴ベースの（「間接的」）方法によって得られることができる。ブロックマッチングアルゴリズムは、例えば、多数の既知のベクトルによって、第１の画像の一部（または、「ブロック」）を計算上シフトさせ、結果として生じるブロックのコピーを後続画像と関連させ、最良一致を識別することを伴う。重要なこととして、標的場所を決定することに関連付けられる計算上のコストは、画像処理ステップ２０６が、概して、リアルタイム標的追跡と並行してではなく、その前に行なわれるため、適切な方法を選択する際、あまり重要ではない。

画像から導出される場所情報（ステップ２０６）は、それぞれの（ｋ空間および／または実空間）画像に関連して参照ライブラリ内に記憶される（ステップ２０８）。例えば、各参照画像は、参照記録（１つ以上のデータファイルを含み得る）内にその関連付けられた場所情報と組み合わせられ得る。代替として、参照画像と場所情報とは、異なるデータ構造および／または異なるメモリ場所に記憶され得、追加のデータベースが、各画像を関連付けられた場所情報とリンクさせ得る。

準備ステップ２００−２０８において構築された参照ライブラリは、続いて、リアルタイム標的追跡のために、着目手技の間、使用される。これは、いくつかの実施形態では、準備ステップが、標的の治療が開始する前に完了されることを意味する。他の実施形態では、特定の治療シーケンスのための準備ステップは、早期治療シーケンスの間に行なわれる。例えば、腫瘍の集束超音波切除は、２つ以上の位相において行われ得る。すなわち、腫瘍の中心領域が標的化される、第１の位相と、腫瘍の周辺領域が超音波に暴露される、１つ以上の後続位相において行なわれ得る。腫瘍の周囲の健康組織へのリスクは、治療が進行するにつれて増加するので、正確なリアルタイム撮像が必要であり得る。したがって、第１の位相の間の動き追跡は、従来の手段（すなわち、参照ライブラリに依拠しない手段）によって、標的位置特定を可能にするために十分に低い撮像率で進行し得、後の位相の間の動き追跡は、参照画像として第１の位相からの治療画像を利用して、はるかに高い撮像率を可能にし得る。一般に、治療が、複数の個別的な治療シーケンスを伴う場合、同一の参照ライブラリが、全シーケンスのために使用され得るか、または参照ライブラリは、１つ以上の以前のシーケンスの間に得られた画像を新しい参照画像として使用して、シーケンス毎にリセットされ得る。さらに、いくつかの実施形態では、取得された参照画像のサブセット（例えば、呼吸サイクルの間に撮影された１つおきの画像）のみ、着目治療シーケンスに先立って、処理され、標的追跡のための初期参照ライブラリとして使用され、残りの参照画像は、続いて、着目治療シーケンスの間、処理され、参照ライブラリを精緻化する。

標的の治療の間、解剖学的領域は、繰り返し、例えば、いくつかの実施形態では、１００ｍｓ毎に、撮像される（ステップ２１０）。各フレーム内の（概して、移動する）標的の位置を決定するために、シーケンスの各画像（または、そのサブセット）は、参照ライブラリ内の画像と比較され、最近似一致が、画像類似性の好適な測定規準を使用して識別される（ステップ２１２）。比較は、例えば、実空間またはｋ空間画像データに基づき得、すなわち、治療の間、取得された未加工データからの実空間治療画像の再構築を伴い得るが、必ずしも、それを要求しなくてもよい。さらに、それは、画像の一部の比較で十分であり得る。典型的には、比較は、画素毎に行なわれ、「画素」とは、概して、それぞれ、実空間座標またはｋ空間座標の関数として、振幅および位相値を記憶する、画像データアレイの要素を指す。好適な類似性測定規準として、例えば、相互相関係数、差分平方和、相互情報（この用語は、確率および情報理論において使用される）、画像均一比（すなわち、対応する画素値の比率の正規化された標準偏差）、平均平方誤差、差分絶対値和、誤差平方和、差分絶対値変換和（２つの画像内の対応する画素間の差分のアダマールまたは他の周波数変換を使用する）、または複合相互相関（ＭＲＩ画像等の複合画像の場合）、および画像位置合わせと関連する当業者に周知の他の技法が挙げられる。

いくつかの実施形態では、選定された類似性測定規準によって測定される、治療画像と最近似参照画像との間の類似性は、（測定規準固有）類似性閾値と比較され得、類似性のレベルがその閾値を上回る（典型的には、画像間の差分、すなわち、相違を測定する測定規準に対して、測定規準の値が閾値を下回ることを意味する）場合のみ、参照画像は、治療画像に一致すると見なされる。他の実施形態では、治療画像に最も類似する参照画像は、類似性の絶対度に関わらず、一致と見なされる。

一致する参照画像が識別されると、標的の場所は、参照画像に関連付けられた以前に決定された場所情報から容易に推測されることができる（ステップ２１４）。例えば、記憶された場所情報が、標的座標を含むか、またはそれ自体から成る場合、これらの座標は、現在の治療画像内の標的の座標であると捉えられる。したがって、標的は、再構築された治療画像内で標的または他の目印を識別する必要なく、リアルタイムで追跡されることができる。さらに、いくつかの実施形態では、両画像またはその一部の未加工データに基づいて、各治療画像が参照画像のうちの１つと関連させられる場合、治療画像再構築自体、不必要である。追跡される標的座標に基づいて、超音波（または、他の治療用エネルギー）ビームは、治療手技の間、操向され、任意の標的動きを補償し得る（ステップ２１６）。同様に、非標的器官または組織が追跡される場合、その座標は、治療用エネルギーのその暴露を回避または最小限にするように、超音波（または、他のエネルギー）ビームを操向および／または成形するために使用され得る。特に、音響ビームからの損傷を受けやすい器官は、多くの場合、非常に着目され、そのような器官の位置は、それらが移動するに場合、敏感な隣接する器官への損傷を回避しながら、エネルギービームが、標的を治療するよう成形されるように、ビーム形成の間、考慮され得る。

現在の治療画像に一致する参照画像が見つからない事例では、標的（または、他の着目対象）は、他の手段によって追跡され得る。例えば、先行画像内で追跡された標的の動きは、現在の画像フレーム内の標的の位置を予測するために外挿され得るか、または現在の位置は、呼吸監視ベルト等の補完的画像追跡システムを使用して決定され得る。標的座標が、リアルタイムで更新されることができず、標的追跡が、その結果、一時的に、中断される場合でも、治療手技は、いくつかの実施形態では、短時間（例えば、１つまたは２つの画像フレームの間）、持続し得、一致する参照画像が、続いて取得された治療画像に対して識別される場合、手技における遅延は、回避される。しかしながら、画像をスキップすることが安全ではない場合、またはあまりに多くの連続した手技画像が、参照ライブラリ画像のいずれとも一致し得ない場合、手技は、中止されるか、または、標的場所が確認されるまで（例えば、従来の計算上より高価な手段によって）、中断され、その後再開されるかのいずれかである。

いくつかの実施形態では、参照ライブラリは、手技の間にリアルタイムで得られた画像に基づいて、拡張される。例えば、新しく取得された画像が、標的（または、他の着目対象）の位置が、初期参照ライブラリ内に集合的に表される領域外にあることを明らかにする場合、新しく取得された画像が、標的の場所を決定するために分析され、場所情報とともに、参照ライブラリに追加され得る。随意に、治療は、画像処理の間、一時停止され、画像分析が完了すると、再開され得る。極端な場合、参照ライブラリは、手技の開始時は、空でさえあり得、参照画像が、手技が行なわれるにつれて、連続して追加され得る。これは、計算オーバーヘッドを犠牲にした正確度（ライブラリが大きく、例えば、以前のセッションからの画像を含む場合）、または正確度の低下が臨床上許容可能であるとき（例えば、以前のセッションからの参照画像が、現在の治療シーケンスと関連する可能性が低い場合であって、その場合、参照ライブラリは、現在のシーケンスの間、構築される）の計算効率間の設計トレードオフを容易にする。

追跡される標的動きが周期的である用途（呼吸サイクルの間等）では、参照画像は、典型的には、動きのサイクルの間、連続して撮影され、治療手技の間の追跡正確度は、したがって、参照ライブラリに対して追跡結果をフィルタ処理することによって改良されることができる。例えば、治療の間の経時的標的動きを記述する曲線が、参照ライブラリの取得の間の経時的標的動きと比較され、それに基づいて、平滑化され得る。さらに、参照ライブラリの画像内に反映される標的動きは、誤った追跡結果を検出する役割を果たすことができる（例えば、ある時間点において、追跡される標的が、サイクル内のその期間中の動きの傾向に反して移動するようなとき）。

いくつかの実施形態では、手技の間の撮像は、同時に、生体内温度を定量的に監視するために使用される。これは、特に、治療面積の周囲の組織への損傷を回避するために、治療の進度を査定し、熱伝導およびエネルギー吸収における局所差を補正するために治療面積（例えば、熱によって破壊される腫瘍）の温度が継続して監視されるべきであるＭＲガイド下温熱療法（例えば、ＭＲｇＦＵＳ治療）において有用である。ＭＲ撮像を用いた温度の監視（例えば、測定および／またはマッピング）は、概して、ＭＲ温度測定またはＭＲ熱撮像と称される。

ＭＲ温度測定のために利用可能な種々の方法の中でも、プロトン共鳴周波数（ＰＲＦ）シフト方法は、温度変化に対するその優れた線形性と、組織タイプからほぼ独立していることと、高空間および時間分解能を伴う温度マップ取得とにより、多くの場合、最適な方法である。ＰＲＦシフト方法は、水分子中のプロトンのＭＲ共鳴周波数が、温度に伴って線形に変化する（有利には、組織タイプ間で比較的に一定である、比例定数を伴う）現象に基づく。温度に伴う周波数変化は、わずかであるため（バルク水の場合、わずか−０．０１ｐｐｍ／℃、組織中では、約−０．００９６〜−０．０１３ｐｐｍ／℃）、ＰＲＦシフトは、典型的には、撮像が２回行われる（１回目は、温度変化に先立って、基準ＰＲＦの位相画像を取得し、次いで、温度変化後の第２の位相画像、すなわち、治療画像を取得し、それによって、温度変化に比例する、わずかな位相変化を捕捉する）、位相敏感撮像方法を用いて検出される。温度変化のマップは、次いで、画素毎に、基準画像と治療画像との間の位相差を決定し、静的磁場の強度および（例えば、勾配リコールエコーの）エコー時間（ＴＥ）等の撮像パラメータを考慮して、ＰＲＦ温度依存に基づいて、位相差を温度差に変換することによって、（再構築された、すなわち、実空間）画像から計算され得る。

基準画像の取得時の撮像された面積内の温度分布が、既知である場合は、温度差マップが、治療画像に対応する絶対温度分布を得るために、その基準温度に追加されることができる。いくつかの実施形態では、基準温度は、単純に、撮像領域全体を通して、均一体温である。より複雑な基準温度分布は、いくつかの実施形態では、数学的適合（例えば、平滑、多項式適合）に基づく補間および／または外挿と組み合わせて、種々の場所における直接温度測定によって、治療に先立って決定される。

ＭＲ温度測定の状況では、動き追跡は、前述のように、予期される動きの範囲を網羅し、治療に先立って、解剖学的領域内の温度に対応する基準位相マップを提供する、参照画像のライブラリを取得することによって、達成されることができる。治療画像のための温度マップを決定するために、空間的に整列された基準画像が、識別され（前述の方法のいずれかを使用して）、選択された基準および治療画像は、次いで、温度変化を決定するために処理される。本方法は、多くの場合、多基準温度測定と称される。図３Ａに図示される、その従来の実装では、多基準温度測定は、音波破砕または他の温度が影響する治療に先立って、（実空間）基準画像のライブラリを取得すること（ステップ３００、３０２）と、音波破砕を行なうこと（ステップ３０４）と、治療領域のための未加工画像データを取得し、そこから実空間画像を再構築すること（ステップ３０６、３０８）と、例えば、画像類似性基準に基づいて、好適な参照画像を基準ライブラリから選択すること（ステップ３１０）と、温度マップを治療および参照画像から計算すること（ステップ３１２）とを伴う。例えば、標的が画像によって網羅される領域外に移動したため、基準画像のいずれも、治療画像と十分に一致しない場合、プロセスは、中止される（ステップ３１４）。そうでなければ、温度は、反復した画像取得、参照選択、および処理によって、監視され続けることができる。

図３Ｂは、本発明のある実施形態による、ビーム調節および温度測定の目的のために、動き追跡を組み合わせる、方法を図示する。再び、予期される動きの範囲を網羅する、参照／基準画像のライブラリが、治療に先立って、動きの異なる段階の間、未加工画像データを取得するステップ（ステップ３２０）と、実空間参照／基準画像をそこから再構築するステップ（ステップ３２２）とによって、作成される。標的（および／または他の解剖学的着目対象あるいは特徴）が、計算上シフトされた以前の画像のコピーに対する画像関連によって、または図２に関して前述の方法のいずれかによって、例えば、容易に識別可能な解剖学的目印に対して、これらの画像内で追跡される（ステップ３２４）。識別された標的場所（例えば、画像内の行および列番号またはある他の座標系内の座標）は、各それぞれの参照画像とともに、またはそれに関連して記憶される（例えば、結合データ記録内に、またはそのエントリが参照画像にリンクされる、別個のデータベース内に）。治療の間、例えば、標的の音波破砕が始まった後（ステップ３２６）、画像データが、治療領域に対して取得され（ステップ３２８）、参照／基準画像が、類似性に基づいて、選択される（ステップ３３０）。示されるように、基準ライブラリとの比較のために使用される画像データは、再構築された実空間画像を構成する必要はない。むしろ、より典型的には、（治療画像および基準画像の両方の）未加工（ｋ空間）データは、好適な参照画像を識別するために使用され得る。いくつかの実施形態では、完全ｋ空間画像を収集する必要さえない。代わりに、部分的未加工データが、参照選択の目的のために使用され得る。

選択された参照画像およびそれに関連付けられた標的座標に基づいて、音波破砕または他の治療手技は、例えば、ビーム成形および／またはビーム操向によって、ビーム集束が標的上にあるままであることを確実にするように、調節され得る（ステップ３３２）。さらに、温度測定を促進するために、治療領域に対する未加工画像データの取得が、完了され得（ステップ３３４）（未だ完了してない場合）、実空間画像が、再構築され（ステップ３３６）、当業者に公知の様式においてさらに処理され、温度マップをもたらし得る（ステップ３３８）。撮像および温度マッピングプロセスは、次いで、同一または別のサブ音波破砕（すなわち、全体的音波破砕手技内の音波破砕のシーケンスのうちの１つ）に対して繰り返され得る。図示されるように、実空間画像の再構築（ステップ３３６）に先立って、治療用エネルギービームを再成形または方向変更することが可能である（ステップ３３２）。このように、治療（例えば、音波破砕）、撮像、および画像処理は、並行して行なわれ、全体的治療時間を短縮することができる。

本明細書に従う動き追跡方法は、治療装置（例えば、超音波変換器アレイの位相および振幅を設定するビーム形成装置）および撮像装置と通信する、好適な画像処理および制御設備（例えば、計算ユニット１１２と統合される）と併せて、図１に描写されるＭＲｇＦＵＳシステム１００等の（その他の点では従来の）画像ガイド下治療システムを使用して実装されることができる。画像処理および制御設備は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、または配線の任意の好適な組み合わせにおいて実装され得る。図４は、設備が、好適にプログラムされた汎用コンピュータ４００によって提供される、例示的実施形態を図示する。コンピュータは、中央処理ユニット（ＣＰＵ）４０２と、システムメモリ４０４と、不揮発性大容量記憶デバイス４０６（例えば、１つ以上のハードディスクおよび／または光学記憶ユニット等）とを含む。コンピュータ４００はさらに、双方向システムバス４０８を含み、それを経由して、ＣＰＵ４０２、メモリ４０４、および記憶デバイス４０６は、互に、かつ従来のユーザインターフェース構成要素４１０（例えば、画面、キーボード、およびマウスを含む）ならびに治療装置４１２、撮像装置４１４、および（随意に）絶対温度測定を促進する任意の温度センサ４１６等の内部または外部入力／出力デバイスと通信する。

システムメモリ４０４は、ＣＰＵ４０２の動作および他のハードウェア構成要素とのその相互作用を制御する、モジュール群として概念的に図示される、命令を含む。オペレーティングシステム４２０は、大容量記憶デバイス４０６のメモリ配分、ファイル管理、および動作等の低レベルの基本的システム機能の実行を指示する。より高いレベルでは、１つ以上のサービスアプリケーションが、画像処理、動き追跡、および（随意に）温度測定のために要求される計算機能性を提供する。例えば、図示されるように、システムは、撮像装置４１４から受信した未加工画像データから実空間画像を構築するための画像再構築モジュール４２２と、再構築された参照画像から標的および／または他の着目対象の場所情報を抽出するための画像分析モジュール４２４と、治療画像と参照画像（未加工または再構築された画像かどうかにかかわらず）との間の類似性を測定し、それに基づいて、好適な参照画像を選択するための参照選択モジュール４２６と、位相シフトまたは治療装置の他のパラメータを計算し、いかなる検出された動きも補償するためのビーム調節モジュール４２８と、参照を治療画像から減算し、温度差マップを取得し、選択された参照基準に対応する絶対温度が既知である場合、治療画像に対する絶対温度マップを取得する、温度マップモジュール４３０とを含み得る。種々のモジュールは、限定ではないが、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ａｄａ、Ｂａｓｉｃ、Ｃｏｂｒａ、Ｆｏｒｔｒａｎ、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｌｉｓｐ、Ｐｅｒｌ、Ｐｙｔｈｏｎ、Ｒｕｂｙ、またはＯｂｊｅｃｔ Ｐａｓｃａｌ等の高水準言語、あるいは低水準アセンブリ言語を含む、任意の好適なプログラミング言語でプログラムされ得る。いくつかの実施形態では、異なるモジュールは、異なる言語でプログラムされる。

本明細書で採用される用語および表現は、限定ではなく、説明の用語および表現として使用され、そのような用語および表現の使用において、図示および説明される特徴またはその一部の任意の均等物の除外を意図するものではない。加えて、本発明のある実施形態が説明されたが、本明細書に開示される概念を組み込む他の実施形態も、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、使用され得ることが、当業者には明白となるであろう。故に、説明される実施形態は、制限ではなく、例証にすぎないものとして、あらゆる観点からみなされるべきである。

Claims (31)

1. 治療シーケンスの間、移動する解剖学的対象を追跡する方法であって、
   （ａ）前記治療シーケンスに先立って、（ｉ）前記解剖学的対象の動きの間、前記解剖学的対象を含む解剖学的領域の一連の参照画像を取得することであって、各参照画像は、前記動きの異なる段階に対応する、ことと、（ｉｉ）前記画像を処理し、画像毎に、前記対象に関連付けられた場所を決定することと、
   （ｂ）前記治療シーケンスの間、（ｉ）前記解剖学的領域の治療画像を取得することと、（ｉｉ）それらの間の類似性に基づいて、前記治療画像のうちの少なくともいくつかを対応する参照画像と関連させることと、（ｉｉｉ）前記対応する参照画像内の前記対象に関連付けられた場所に基づいて、前記関連させられた治療画像内の前記対象を追跡することと
   を含む、方法。
2. 前記治療シーケンスは、前記解剖学的対象の治療を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記治療シーケンスは、前記追跡に基づいて、集束超音波ビームを前記対象上に操向することを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記治療シーケンスは、前記解剖学的対象以外の標的の治療を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記治療の間、前記追跡に基づいて、前記解剖学的対象を回避するように、前記標的上への集束超音波ビームを成形することをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記治療シーケンスは、複数の時間で分離された治療シーケンスを含む治療手技の一部であり、各時間で分離された治療シーケンスは、治療用エネルギーへの解剖学的標的の少なくとも１回の暴露を含み、治療シーケンスの間に使用される前記取得された参照画像のうちの少なくとも１つは、以前の治療シーケンスの間に得られた治療画像である、請求項１に記載の方法。
7. 各暴露は、前記解剖学的標的を音響エネルギーにさらすことである、請求項６に記載の方法。
8. 前記治療画像と前記対応する参照画像との間の基準減算を行なうことによって、前記解剖学的領域内の温度を監視することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記参照画像を処理することは、前記参照画像の各々内で少なくとも１つの解剖学的目印を識別することを含み、前記対象に関連付けられた場所は、前記少なくとも１つの解剖学的目印の場所であり、前記少なくとも１つの解剖学的目印の場所は、前記対象の場所に対して固定されている、請求項１に記載の方法。
10. 前記標的を追跡することは、前記標的の場所を前記対応する参照画像内の前記解剖学的目印の場所から推測することを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記対象に関連付けられた場所は、前記対象の場所である、請求項１に記載の方法。
12. 画像は、ＭＲＩ画像である、請求項１に記載の方法。
13. 類似性は、未加工画像データに基づいて決定される、請求項１３に記載の方法。
14. 前記一連の画像は、少なくとも１つの画像を含む、請求項１に記載の方法。
15. 前記一連の画像は、複数の画像を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記治療シーケンスの間、治療画像を前記一連の参照画像に追加することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記追跡される対象の動きを前記一連の参照画像と比較し、それに基づいて、前記追跡される動きを平滑化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記追跡される対象の動きを前記一連の参照画像と比較し、それに基づいて、追跡誤差を検出することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
19. 治療シーケンスの間、移動する解剖学的対象を追跡するためのシステムであって、前記システムは、
    （ａ）治療装置と連動して動作可能な撮像装置であって、前記撮像装置は、（ｉ）前記治療シーケンスに先立って、前記解剖学的対象の動きの間、前記対象を含む解剖学的領域の一連の参照画像を取得することであって、各参照画像は、前記動きの異なる段階に対応する、ことと、（ｉｉ）前記治療シーケンスの間、前記解剖学的領域の治療画像を取得することとを行う、撮像装置と、
    （ｂ）計算ユニットであって、前記計算ユニットは、（ｉ）前記参照画像を処理することと、参照画像毎に、前記対象に関連付けられた場所を決定することと、（ｉｉ）それらの間の類似性に基づいて、前記治療画像のうちの少なくともいくつかを対応する参照画像と関連させることと、（ｉｉｉ）前記対応する参照画像内の前記対象に関連付けられた前記場所に基づいて、前記関連させられた治療画像内の対象を追跡することとを行うように構成されている、計算ユニットと
    を備えている、システム。
20. 前記治療装置は、超音波変換器を含む、請求項１９に記載のシステム。
21. 前記計算ユニットは、前記追跡に基づいて、前記変換器によって発生させられる超音波ビームを前記対象上に集束させるようにさらに構成されている、請求項２０に記載のシステム。
22. 前記治療シーケンスは、前記解剖学的対象以外の標的の治療を含み、前記計算ユニットは、前記追跡に基づいて、前記対象を回避するように、前記変換器によって発生させられる超音波ビームを成形するようにさらに構成されている、請求項２０に記載のシステム。
23. 前記撮像装置は、ＭＲＩ装置を含む、請求項１９に記載のシステム。
24. 前記治療シーケンスは、複数の時間で分離された治療シーケンスを含む治療手技の一部であり、各時間で分離された治療シーケンスは、治療用エネルギーへの解剖学的標的の少なくとも１回の暴露を含み、前記計算ユニットは、前記治療シーケンスのうちの後続の第２のシーケンスのために、参照画像として、前記治療シーケンスのうちの第１のシーケンスの間に得られた治療画像を使用するように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
25. 前記計算ユニットは、前記治療画像と前記対応する参照画像との間の基準減算を行なうことによって、前記解剖学的領域内の温度を監視するようにさらに構成されている、請求項１９に記載のシステム
26. 前記計算ユニットは、前記参照画像の各々内で少なくとも１つの解剖学的目印を識別するようにさらに構成され、前記対象に関連付けられた場所は、前記少なくとも１つの解剖学的目印の場所であり、前記少なくとも１つの解剖学的目印の場所は、前記対象の場所に対して固定されている、請求項１９に記載のシステム。
27. 前記計算ユニットは、前記標的の場所を前記対応する参照画像内の前記解剖学的目印の場所から推測することによって、前記標的を追跡するようにさらに構成されている、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記計算ユニットは、未加工画像データに基づいて、前記治療画像を前記参照画像と関連させるように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
29. 前記計算ユニットは、治療画像を前記一連の参照画像に追加するようにさらに構成されている、請求項１９に記載のシステム。
30. 前記計算ユニットは、前記追跡される対象の動きを前記一連の参照画像と比較し、それに基づいて、前記追跡される動きを平滑化するようにさらに構成されている、請求項１９に記載のシステム。
31. 前記計算ユニットは、前記追跡される対象の動きを前記一連の参照画像と比較し、それに基づいて、追跡誤差を検出するようにさらに構成されている、請求項１９に記載のシステム。