JP2016144573A - 画像処理装置および粒子線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】人体の呼吸等により腫瘍等の標的の位置が周期的に変化する場合にも、この周期的に往復移動を行う標的に対して従来に比べてより高精度に粒子線を照射することに寄与する画像処理装置および粒子線治療装置を提供する。【解決手段】透視Ｘ線撮影制御装置５７で得られた透視Ｘ線画像上の軟組織から２次元透視画像上で区別可能な高密度物質の位置と治療計画装置５３のＣＴ画像の前記高密度物質の位置情報から前記高密度物質の治療計画位置からのズレを検出し、予め準備された治療計画用ＣＴ画像でズレた状態での粒子線通過領域を再び設定する。そして再設定した粒子線通過領域の水等価厚変化を計算し、予め設定した変化量以内の場合に限り粒子線の照射許可判定を出力する。【選択図】 図５

Description

本発明は、腫瘍等の標的の位置をリアルタイムに追跡しながら粒子線を照射する動体追跡粒子線治療に好適な画像処理装置および粒子線治療装置に関する。

人体の呼吸により腫瘍等の治療対象部分の位置が周期的に変化するにもかかわらず、この周期的に往復移動を行う治療対象部分に対して治療用放射線ビームを精度良く照射させることができる放射線治療システムの一例として、特許文献１の技術がある。

特許文献１の放射線治療システムは、人体内撮像装置と治療用放射線ビーム照射装置とを備えている。そして、人体内の腫瘍等の治療対象部分の治療を行う際に、人体内撮像装置によって人体の内部の透視画像を経時的に生成する。この経時的に生成される透視画像の画像情報が、予め生成された特定の呼吸位相における基準透視画像の画像情報と略一致したときに、治療用放射線ビーム照射装置によって人体内の治療対象部分に対して治療用放射線ビームを照射するものである。

特開２００８―１５４８６１号公報

がんの治療法として挙げられる放射線治療では、治療に用いる放射線（以下、治療放射線）としてＸ線、γ線電子線、陽子線、炭素線、中性子線がある。治療放射線の特性に応じた照射方法により、体内の腫瘍形状に合わせた線量を付与することで治療が実施される。

例えば、治療放射線として陽子や炭素等の荷電粒子（以下、粒子）を用いた粒子線治療では、粒子の飛程終端部で線量の大部分を落とす性質を利用して体内の腫瘍を治療する。この飛程終端部における線量の集中部位はブラッグピークと呼ばれている。飛程は粒子自身の持つエネルギーに依存するため、体内の腫瘍形状に合わせてブラッグピークを形成するように粒子線の最適なエネルギーを粒子線照射装置により生成し、照射することで正常組織への線量を低くする一方で腫瘍（以下、ターゲット）に集中した線量の付与を可能としている。

近年、ターゲットにより集中した線量を付与する高精度の放射線治療の一例として動体追跡放射線治療が開発されている。この動体追跡放射線治療では、患者の正常部位への不要な照射を抑制するために呼吸による位置や形状の変動に応じて放射線照射を制御する。

動体追跡時に用いる照射法には、例えば迎撃照射法と追尾照射法とがある。迎撃照射法では、位置変動するターゲットが決められた領域（ゲート）内に存在するときに限り放射線を照射（以下、ゲート照射と記載）する。一方、追尾照射法では、変動する患部の動きに追従しながら放射線を照射する。

ここで、ゲート領域を用いたゲート照射におけるターゲット位置および照射許可信号のタイミングチャートの一例を図１に示す。図１に示すように、照射許可信号は、ターゲット位置がゲート領域（照射許可領域）内にないときはＯＦＦとなり、ゲート領域（照射許可領域）内にあるときはＯＮとなる。

このような動体追跡に用いるターゲット位置の計測方法の一つとして、治療放射線照射時に撮影した透視Ｘ線画像を用いる方法がある。例えば、放射線照射装置と一体に設けられたＸ線撮影装置等により、治療の開始から終了までの間、所定の撮影間隔で間欠的にターゲット位置を撮影する。

ターゲットの位置や形状の変動を治療時に把握する方法としては、（１）患者の体表の動きとターゲット位置との相関を予め求め、患者体表位置を計測することでターゲット位置を推定する方法、（２）患者体内のターゲット近傍にＸ線不透過なマーカを埋め込み、このマーカをＸ線撮影することによりターゲットの位置や形状の変動を計測する方法、（３）マーカを用いずにＸ線画像からターゲットの位置や形状の変動を直接計測する方法、等がある。

以下では、治療用の放射線と計測用の放射線とを区別するため、陽子線、炭素線等の荷電粒子線を「粒子線」、治療用のＸ線を「治療Ｘ線」、計測用のＸ線を「透視Ｘ線」と称す。

粒子線を用いた動体追跡治療を実施する場合で、粒子線の体内通過領域に治療計画時から密度変化が発生した場合に、たとえターゲットが事前の治療計画で設定されたゲート内にあっても、照射した粒子線の線量分布は計画時とは異なる状況が発生し得る。粒子線通過領域の密度変化による線量分布への影響について図２を用いて説明する。図２に示すように、患者体内の断面を考える。この際、患者１６の体内の粒子線通過領域２５に計画時とは異なる高密度な物質（以下では骨２１で説明）の混入がある場合は、骨２１の存在により水等価厚が計画時から変化が生じる。このため、ターゲット１８が計画位置に存在するとして照射を行っても、水等価厚が変化しているために線量分布も計画からずれてしまい、より高精度な照射を行うことが難しくなる。

このような状況を考慮して、実際の治療では、粒子線の通過領域の密度変化による線量分布変化を考慮して、粒子線の照射方向にマージン（以下、照射マージン）を設けて粒子線を照射する。しかし、照射マージンを設定することは、標的の周囲にある正常組織の照射線量を更に低減することに逆行する。

ここで、粒子線治療では、患者体内のターゲットに対して粒子線が到達する深さを評価する指標として、粒子線が通過する領域の質量と同等の質量を持つ水の厚みである「水等価厚」を用いる。治療計画時に患者体内の線量分布は水等価厚を基に計算されるため、治療計画通りの粒子線照射を確認するには照射する粒子線の状況およびターゲット位置のみならず粒子線通過領域の水等価厚も知る必要がある。

透視Ｘ線画像上で見える人体の情報から水等価厚の情報が得られれば、粒子線照射時および照射直前時に水等価厚の治療計画時からの変化を知ることができる。水等価厚の変化量に応じて照射条件の修正および粒子線照射の可否を判定できれば、従来設ける必要が有った照射マージンの低減が可能である。

しかし、一般的にＸ線撮影装置により得られる２次元の透視Ｘ線画像だけでは、粒子線の体内通過領域の構造を見ることは体内臓器間のコントラストが低いため困難である。患者体内の水等価厚情報を取得する方法としては、透視Ｘ線画像と治療計画立案時に取得する３次元のＣＴ画像を組合せて利用する方法が考えられる。

上述した特許文献１によると、治療計画時のＣＴから得られる組織の位置情報について、透視Ｘ線画像上のターゲット位置との相関を予め求めておき、治療時に得られる透視Ｘ線画像から組織位置を検出することでターゲットの位置を推定することができる。

しかし、特許文献１に記載の方法では、透視Ｘ線画像で得られる情報から粒子線通過領域の水等価厚情報を検出することは治療計画で決定した３次元の粒子線照射情報および解剖学的情報が不足しているため、照射マージンの更なる低減や線量分布の更なる高精度化は困難であった。

本発明は、人体の呼吸等により移動を行う標的に対しても従来に比べて高精度に粒子線を照射することに寄与する画像処理装置および粒子線治療装置を提供する。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、被検体中の任意の位置にある標的に関する情報を取得するための画像処理装置であって、前記被検体の２次元透視画像を撮影する透視Ｘ線撮影装置と、この透視Ｘ線撮影装置によって撮影した２次元透視画像から、予め定めた被検体中の軟組織から前記２次元透視画像上で区別可能な高密度物質の位置を検出し、照射計画時の前記高密度物質の位置からのズレの量を演算するズレ演算部と、このズレ演算部によって演算したズレ量と予め取得したＣＴ画像に基づく３次元情報から、粒子線通過領域の水等価厚を演算する水等価厚演算部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、人体の呼吸等により移動を行う標的に対しても従来に比べてより高精度に粒子線を照射することに寄与する画像処理装置および粒子線治療装置が提供される。

一般的な動体追跡粒子線治療装置におけるゲート照射のタイミングチャートの一例を示す図である。 粒子線通過領域の変化の一例を示す図である。 第１の実施形態の粒子線治療装置の全体概略構成を示す図である。 第１の実施形態の粒子線治療装置のガントリー内の機器構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の粒子線治療装置の制御システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の粒子線治療装置の標的位置とマージンとを比較表示した画面の一例を示す図である。 第１の実施形態の粒子線治療装置を用いた照射の流れの一例を説明するフローチャート図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置の制御システムの構成を示すブロック図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置における相関テーブルの作成方法の一過程を示す図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置における相関テーブルの作成方法の一過程を示す図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置における相関テーブルの作成方法の一過程を示す図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置における相関テーブルの作成方法の一過程を示す図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置における相関テーブルの作成方法の一過程を示す図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置における相関テーブルの作成方法の一過程を示す図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置における相関テーブルの作成方法の一過程を示す図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置における相関テーブルの一例を示す図である。 第１の実施形態の変形例の粒子線治療装置を用いた照射の流れの一例を説明するフローチャート図である。 第２の実施形態の制御システムの構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の粒子線治療装置を用いた照射の流れの一例を説明するフローチャート図である。 第２の実施形態の変形例の制御システムの構成を示すブロック図である。 第２の実施形態の変形例の粒子線治療装置を用いた照射の流れの一例を説明するフローチャート図である。

以下に本発明の画像処理装置および粒子線治療装置の実施形態を、図面を用いて説明する。

＜第１の実施形態＞
本発明の画像処理装置および粒子線治療装置の第１の実施形態を、図３乃至図７を用いて説明する。まず、図３を用いて粒子線治療装置の全体概略図を説明する。

本実施形態の粒子線治療装置は、患者１６内のターゲット１８に対して治療用粒子線を照射するための装置であって、粒子線の照射時に透視Ｘ線撮影装置によって透視Ｘ線画像を取得し、取得した透視Ｘ線画像上の密度が高い領域、例えば肋骨の位置情報に基づいてターゲット１８に対する治療用粒子線の出射制御、例えば出射の可否（標的と照射装置との間の空間に肋骨が入った場合は照射を停止する）、出射条件の変更等を行うものである。なお、密度の高い領域の一例として肋骨を挙げたが、密度の高い領域は肋骨に限られず、肋骨以外の骨であってもよく、この他の骨の位置情報に基づきターゲット１８に対する治療用粒子線の出射制御を行ってもよい。

図３において、粒子線治療装置は、荷電粒子線を用いて動体追跡粒子線治療を行うものであり、主に粒子線発生装置１、ビーム輸送系５および治療室９から構成されている。

粒子線発生装置１は、図示しないイオン源、前段粒子線加速装置としてのライナック２およびシンクロトロン３を有する。なお、粒子線発生装置１にはライナック２およびシンクロトロン３の代わりにサイクロトロンを用いてもよい。

ビーム輸送系５は粒子線発生装置１と治療室９とを接続するビーム経路７を有し、このビーム経路７の途中には、四極電磁石（図示せず）および偏向電磁石４，６，８が設けられている。治療室９は略筒状のガントリー１１、照射装置１０、透視Ｘ線発生装置１２，１３、Ｘ線検出器１４，１５、カウチ１７を有する。

イオン源より発生した粒子線はライナック２により前段加速され、シンクロトロン３に入射する。シンクロトロン３でさらに加速された荷電粒子ビームはビーム輸送系５に出射される。

シンクロトロン３から出射された粒子線は、ビーム経路７を通過しながら四極電磁石によって収束し、偏向電磁石４，６，８によって方向を変えて治療室９に入射する。ビーム輸送系５の一部（偏向電磁石６，８、ビーム経路７の一部）は、ガントリー１１と一体に回転するようガントリー１１に設置されている。

ビーム輸送系５から治療室９内に入射した荷電粒子ビームは、照射装置１０からカウチ１７上に配置された患者１６内のターゲット（標的）１８に向けて照射される。照射装置１０は、ガントリー１１に設置されており、ガントリー１１の回転制御によって任意の角度に調整できる。

ガントリー１１の内部機器構成について図４を用いて説明する。

ガントリー１１には、患者１６内のターゲット１８に向けて粒子線を照射する照射装置１０が設置されており、さらに透視Ｘ線発生装置１２およびＸ線検出器１４と透視Ｘ線発生装置１３およびＸ線検出器１５との２組の組合せからなる透視Ｘ線撮影装置がそれぞれのＸ線の経路が直交するように設置されている。これら透視Ｘ線発生装置１２，１３およびＸ線検出器１４，１５によって、患者１６の２次元透視画像を撮影する。なお、透視Ｘ線発生装置１２，１３とＸ線検出器１４，１５は、必ずしもガントリー１１の内部に配置されている必要はなく、天井や床などの固定された場所に配置されていても良い。

治療放射線をターゲット１８に照射するためには、患者１６は予め設定された位置に精度良く配置されている必要がある。操作者は透視Ｘ線撮影装置１２〜１５による患者１６のＸ線画像を確認しながらカウチ１７を移動させ、患者１６を予め設定された位置に配置する。

照射装置１０は患者１６に照射する治療放射線のサイズを決定し、患者１６内におけるターゲット１８の形状に適した線量分布を形成する。なお、粒子線発生装置１にサイクロトロンを用いた場合はエネルギー変更機構が照射装置１０内に内蔵される。

〜制御システム〜
本実施形態の粒子線治療装置に備えられた制御システム５０について、図４および図５を用いて説明する。図５は制御システム５０の制御ブロックを示す図である。

図５に示すように、制御システム５０は、ガントリー制御装置５１、照射制御装置５２、治療計画装置５３、動体追跡装置５４、患者位置決め装置５５、水等価厚情報設定表示装置５６、透視Ｘ線撮影制御装置５７、カウチ制御装置５８を備えている。

画像処理装置は、透視Ｘ線撮影装置１２〜１５に加えて、患者１６中の任意の位置にあるターゲット１８の情報を取得するための装置であり、動体追跡装置５４内に設けられたズレ演算部５４ａ、水等価厚演算部５４ｂ、変化量演算部５４ｃ、判定部５４ｄ、水等価厚情報設定表示装置５６内に設けられた入力装置５６ａ、比較出力部５６ｂ、表示部５６ｃによって構成されている。

ガントリー制御装置５１はガントリー１１に接続されており、ガントリー１１の回転を制御する。

照射制御装置５２は粒子線発生装置１、ビーム輸送系５、照射装置１０内の機器を制御しており、患者１６内で意図する線量分布を形成するように粒子線を照射する。

治療計画装置５３は治療計画で立てた照射条件を再現し、治療計画通りの照射が実施できるように照射制御装置５２、ガントリー制御装置５１を制御する。

動体追跡装置５４は、ズレ演算部５４ａ、水等価厚演算部５４ｂ、変化量演算部５４ｃ、判定部５４ｄを備えている。動体追跡装置５４は、治療計画装置５３から治療計画時に設定した照射条件および治療計画ＣＴ画像を取得する。さらに、透視Ｘ線撮影制御装置５７で得られた透視Ｘ線画像から患者１６内のターゲット１８の位置を計測し、ターゲット１８の位置が治療計画で設定されたゲート領域内に存在するか否かを判定し、その判定結果を照射許可信号として照射制御装置５２に送信する。

動体追跡装置５４のズレ演算部５４ａは、透視Ｘ線発生装置１２，１３およびＸ線検出器１４，１５によって撮影した２次元透視画像から、予め定めた患者１６中の骨２１の位置を検出し、照射計画時の骨２１の位置からのズレ量を演算し、水等価厚演算部５４ｂに対して出力する。

水等価厚演算部５４ｂは、粒子線の照射中に、ズレ演算部５４ａによって演算したズレ量と予め取得したＣＴ画像に基づく３次元情報とから、ズレが発生した際の粒子線通過領域２５の水等価厚を演算し、変化量演算部５４ｃに出力する。このズレが発生した際の粒子線通過領域２５の水等価厚は、例えば、演算したズレ量から、患者１６中の粒子線通過領域２５を新たに設定し、この新たに設定された粒子線通過領域２５の水等価厚を演算する等の方法で演算する。

変化量演算部５４ｃは、水等価厚演算部５４ｂで演算された新たな水等価厚の照射計画時の水等価厚からの変化量を演算し、演算した水等価厚の変化量を判定部５４ｄに対して出力する。

判定部５４ｄは、変化量演算部５４ｃで演算された水等価厚変化量と、後述する水等価厚情報設定表示装置５６の入力装置５６ａによってオペレータが入力した予め定めた変化量許容値とを比較し、変化量が許容値を下回る場合は照射制御装置５２に対して粒子線照射許可信号を出力し、変化量が許容値以上の場合は粒子線照射許可信号を出力しない。

患者位置決め装置５５は、治療計画装置５３から治療計画で決定した患者の位置情報および治療計画ＣＴ画像を取得し、患者の位置が計画と同じになるように透視Ｘ線撮影制御装置５７やカウチ制御装置５８を制御して、患者位置の計画時からのズレに応じてカウチを動かし患者を位置決めする。

水等価厚情報設定表示装置５６は、予め操作者が水等価厚変化の許容値を入力するための入力装置５６ａ、比較出力部５６ｂおよび表示部５６ｃを有しており、動体追跡装置５４もしくは患者位置決め装置５５により計算された水等価厚情報を表示する表示部５６ｃを有している。

比較出力部５６ｂは、入力装置５６ａで入力された変化量許容値から演算されたマージン２７とターゲット１８の位置とを比較して表示部５６ｃに出力し、図６に示すように、表示部５６ｃにおいてどのような位置に照射されようとしているかを表示する。

透視Ｘ線撮影制御装置５７は、透視Ｘ線発生装置１２，１３やＸ線検出器１４，１５に接続されており、動体追跡装置５４および患者位置決め装置５５からの信号を基に透視Ｘ線発生装置１２，１３、Ｘ線検出器１４，１５を制御して透視Ｘ線画像を取得し、動体追跡装置５４および患者位置決め装置５５に出力する。

カウチ制御装置５８は、ターゲット１８を保持するカウチ１７に接続され、患者位置決め装置５５から得られる信号を基にカウチ１７を制御する。

〜照射（治療）の流れ〜
本実施形態における粒子線治療装置による動体追跡粒子線治療の処理フローについて、図７を用いて説明する。

まず、操作者は患者をカウチ１７上に配置し、レーザマーカ等を用いて患者体表面の位置決め用マークを基準に患者を位置決めする（ステップＳ１００）。

次いで、透視Ｘ線撮影装置１２〜１５を用いて透視Ｘ線撮影画像を撮影する（ステップＳ１０１）。

その後、透視Ｘ線画像上のターゲット１８（もしくはマーカ）が呼気位相に相当するタイミングで撮影した透視Ｘ線画像を参考にして、ターゲット１８の位置を計測する（ステップＳ１０２）。

次いで、治療計画で定めたターゲット１８の位置と、ステップＳ１０２で計測したターゲット１８の位置とが一致するか否かを判定する（ステップＳ１０３）。治療計画で定めた位置と一致すると判定されればステップＳ１０５に処理を進め、一致しなければステップＳ１０４に処理を進め、計画時の位置を参照しながら、カウチ１７上の患者１６が所定の照射位置に配置されるようにカウチ１７の位置を調整する（ステップＳ１０４）。

ステップＳ１０３に続いて、透視Ｘ線撮影制御装置５７は透視Ｘ線撮影装置１２〜１５を制御し、ターゲット１８の位置確認のための間欠的な透視Ｘ線撮影を開始する（ステップＳ１０５）。

次いで、間欠的に撮影された透視Ｘ線画像上でテンプレートマッチングを行うことで肋骨位置およびターゲット１８の位置を計測し（ステップＳ１０６）、肋骨位置処理のためにステップＳ１０７に、ターゲット１８位置処理のためにステップＳ１０９に処理を進める。

ステップＳ１０６に続いて、動体追跡装置５４のズレ演算部５４ａは治療計画装置５３の治療計画用ＣＴ画像情報から計画時の肋骨位置を取得し、ステップＳ１０６で求めた肋骨位置と比較することで治療計画からのズレを計算し、また水等価厚演算部５４ｂはこのズレ量を基にして治療計画ＣＴ画像上で粒子線通過領域を再設定する（ステップＳ１０７）。

ステップＳ１０７に続いて、動体追跡装置５４の水等価厚演算部５４ｂは、治療計画装置５３の治療計画用ＣＴ画像情報を用いて新たに再設定した粒子線通過領域の水等価厚を再計算して変化量演算部５４ｃに出力するとともに、水等価厚情報設定表示装置５６により動体追跡ソフトウェアの画面上に出力する（ステップＳ１０８）。

次いで、動体追跡装置５４の判定部５４ｄは、ステップＳ１０６で得られたターゲット位置とステップＳ１０８で得られた水等価厚情報を基にして、ターゲットがゲート領域内に存在し、かつ水等価厚変化が予め設定した許容範囲内にあるかを判定する（ステップＳ１０９）。片方の条件のうちいずれか一方でも満たさないと判定された場合はステップＳ１０５に処理を戻し、どちらの条件も満たすと判定された場合に限り、ステップＳ１１０に処理を進める。

ステップＳ１０９で条件を満たすと判定されたら、照射制御装置５２はゲート領域内のターゲット１８に対して粒子線を照射するよう粒子線発生装置１、ビーム輸送系５、照射装置１０を制御し（ステップＳ１１０）、ステップＳ１１１に処理を進める。

その後、照射制御装置５２は計画線量を全て照射したか否かを判定し（ステップＳ１１１）、すべて照射していない場合（ステップＳ１１１のＮｏ）はステップＳ１０５に処理を戻し、照射し終えた場合（ステップＳ１１１のＹｅｓ）はステップＳ１１２に処理を進み、照射終了とする（ステップＳ１１２）。

次に、本実施形態の効果について説明する。

上述した本発明の画像処理装置および粒子線治療装置の第１の実施形態では、治療時に得られる透視Ｘ線画像上でビーム通過領域に含まれ、水等価厚変化に影響の大きな骨に着目する。動体追跡装置５４において、透視Ｘ線撮影制御装置５７で得られた透視Ｘ線画像上の骨の位置と治療計画装置５３のＣＴ画像の肋骨位置情報から骨の治療計画位置からのズレを検出し、予め準備された治療計画用ＣＴ画像でズレた状態での粒子線通過領域を再び設定する。そして再設定した粒子線通過領域の水等価厚変化を計算し、得られた結果を水等価厚情報設定表示装置５６により表示するとともに、予め設定した変化量以内の場合に限り粒子線の照射許可判定を出力する。

治療照射中は放射線が飛び交いＣＴ撮像をすることができないため、治療中に照射している部位周辺の詳細な３次元情報を取得することは困難である。同様にビームが通過する領域の水等価厚変化も検知できない。そのため従来は、万が一治療中に骨がビーム通過領域に入ったとしてもその先にあるターゲットに十分に線量を付与できるように、予め治療計画の段階から大きめの照射マージンを取った治療計画が立てられていた。

しかし、本実施例の粒子線治療装置によって、透視Ｘ線画像上から、まるで治療中にその場でＣＴ撮影をしているかのように水等価厚変化情報を推定でき、ターゲットへの粒子線照射による線量分布の治療計画時からの変化をいち早く検出することが可能となるため、変化に応じて照射可否判定、照射マージンの再設定することができ、従来に比べて高い精度で線量分布を形成することができる。また、治療中に大きな水等価厚変化があった時は照射しないようにゲーティングを行うことを前提に、従来に比べて照射マージンを低減した治療計画を立てることが可能となり、正常組織への被爆を低減させた粒子線照射が可能となる。

＜第１の実施形態の変形例＞
次に本実施形態の画像処理装置および粒子線治療装置の変形例を、図８乃至図１７を用いて説明する。第１の実施形態と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下、他の形態でも同様である。

第１の実施形態の画像処理装置は、ステップＳ１０７およびステップＳ１０８で透視Ｘ線画像上の肋骨位置から治療計画ＣＴ画像を用いて粒子線通過領域を再設定し水等価厚を計算するものであったが、本変形例の画像処理装置は、予め透視Ｘ線画像上の肋骨位置と水等価厚変化の相関テーブルを作成しておき、相関テーブルと肋骨位置情報を用いて水等価厚を計算するものである。

図８において、本変形例における画像処理装置は、透視Ｘ線撮影装置１２〜１５、ズレ演算部５４ａ、変化量演算部５４ｃ、判定部５４ｄ、入力装置５６ａ、比較出力部５６ｂ、表示部５６ｃに加えて、水等価厚演算部５４ｂ１および記憶部５４ｅを備えている。

記憶部５４ｅは、治療計画段階に予め作成された２次元透視画像上の骨２１の座標位置と水等価厚変化量との相関テーブルを記憶している。

水等価厚演算部５４ｂ１は、記憶部５４ｅに記憶された２次元透視画像上の骨２１の座標位置と水等価厚変化量との相関テーブル基づいて新たな粒子線通過領域２５の水等価厚を演算する。

以下、本変形例の画像処理装置における処理について説明する。まず、図９ないし図１６を用いて、相関テーブルの作成方法について説明する。

図９に示すように、まず、治療計画で定めた粒子線照射条件（照射角度、照射サイズなど）をＣＴ画像上に反映させ、粒子線通過領域２５を設定する。

次に、図１０に示すような治療計画の照射条件における粒子線通過領域２５における水等価厚を図１１に示すように求める。なお水等価厚はＣＴ画像上で粒子線通過領域のＣＴ値（画素値に相当）を通過軸方向に足し合わせることで計算が可能であり、水等価厚の計算範囲は体表面からターゲット手前までとした。図１１では、粒子線通過領域の通過軸上に垂直な面で水等価厚を計算メッシュ５×５（単位：ｍｍ）で計算した結果の例を示している。

次に、図１２に示すように、ＣＴ画像を平行移動して、粒子線通過領域２５を再設定する（粒子線通過領域は固定状態とする）。この場合、骨２１の位置は、計画時の骨２１Ａの位置からずれ、粒子線通過領域２５にかかる状態となる。

その後、図１３に示すように、図１２において再設定した粒子線通過領域２５内の水等価厚を再計算する。平行移動の移動量（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，１，０）の場合は、肋骨と重なる粒子線通過領域２５は水等価厚変化が大きく、変化が最も大きい数値４ｍｍを移動量（０，１，０）における水等価厚変化量として相関テーブルに追加する。

次いで、図１４に示すように、図１２および図１３と同様に、ＣＴ画像を平行移動させて、平行移動の移動量（ｘ，ｙ，ｚ）＝（１，１，０）の場合の粒子線通過領域２５を再設定し、図１５に示すような水等価厚を計算する。水等価厚変化が最も大きい数値３ｍｍを移動量（１，１，０）における水等価厚変化量として相関テーブルに追加する。

この図１４〜図１５の平行移動と水等価厚再計算を繰り返すことで、図１６に示すような骨移動量と水等価厚変化量の相関テーブルを作成する。作成した相関テーブルは記憶部５４ｅにおいて記憶しておき、水等価厚演算部５４ｂ１において動体追跡時に透視Ｘ線画像上で計測した骨の位置から求めた計画時からの移動量と記憶部５４ｅに記憶された相関テーブルを使用して粒子線通過領域の水等価厚変化量を呼び出して利用する。

以下、図１７を参照して、本変形例における粒子線治療装置による動体追跡粒子線治療の処理フローについて説明する。

まず、ステップＳ１００〜ステップＳ１０６までの処理は同じである。

ステップＳ１０６に続いて、動体追跡装置５４のズレ演算部５４ａは治療計画装置５３の治療計画用ＣＴ画像情報から計画時の肋骨位置を取得し、ステップＳ１０６で求めた肋骨位置と比較することで治療計画からのズレを演算する（ステップＳ１１３）。

次いで、水等価厚演算部５４ｂ１は、記憶部５４ｅに記憶された相関テーブルに基づいて新たな粒子線通過領域２５の水等価厚を記憶部５４ｅに記憶されたズレ量に対応する水等価厚データを読み込むことで求め、変化量演算部５４ｃに出力するとともに、水等価厚情報設定表示装置５６により動体追跡ソフトウェアの画面上に出力する（ステップＳ１１４）。

その後の処理（ステップＳ１０９〜ステップＳ１１２）は同じである。

本変形例においても、前述した画像処理装置および粒子線治療装置の第１の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。

更に、予め透過Ｘ線画像上の骨の位置に対応する、ビーム通過領域の水等価厚およびその変化量を求めて記憶しておくことで、第１の実施形態の画像処理装置および粒子線治療装置に比べてより高速な演算処理が可能となり、装置構成の簡略化が可能となる。

なお上述した第１の実施形態およびその変形例においては、ステップＳ１０６からステップＳ１０９に掛けて実施する水等価厚計算の頻度は計算時間に応じて調整することができる。例えば、患者の呼吸数周期に一回計算を実施することもできる。また、粒子線発生装置１にシンクロトロン３を含む場合は、シンクロトロン運転周期で粒子線照射ができない加速、減速時において水等価厚計算を実施することもできる。

＜第２の実施形態＞
本発明の画像処理装置および粒子線治療装置の第２の実施形態を図１８および図１９を用いて説明する。

第１の実施形態の画像処理装置は、水等価厚情報の取得機能を照射制御に適用したものであるが、本実施形態の画像処理装置は、患者位置決めに適応したものである。

図１８において、本実施形態の画像処理装置は、透視Ｘ線撮影装置１２〜１５、患者位置決め装置５５に設けられたズレ演算部５５ａ、水等価厚演算部５５ｂ、変化量演算部５５ｃ、判定部５５ｄ、水等価厚情報設定表示装置５６内に設けられた入力装置５６ａ、比較出力部５６ｂ、表示部５６ｃによって構成されている。

ズレ演算部５５ａは第１の実施形態のズレ演算部５４ａと概略同じであり、変化量演算部５５ｃは第１の実施形態の変化量演算部５４ｃと概略同じである。

水等価厚演算部５５ｂは、ターゲット１８の位置合せ中に、ズレ演算部５５ａによって演算したズレ量と予め取得したＣＴ画像に基づく３次元情報とから、ズレが発生した際の粒子線通過領域２５の水等価厚を演算する。ズレが発生した際の粒子線通過領域２５の水等価厚の演算方法は、第１の実施形態の水等価厚演算部５４ｂと概略同じでよい。

判定部５４ｄは、変化量演算部５５ｃで演算された変化量と、後述する水等価厚情報設定表示装置５６の入力装置５６ａによってオペレータが入力した予め定めた変化量許容値とを比較し、変化量が許容値以上の場合は、カウチ制御装置５８に対して位置修正信号を出力し、カウチ１７を移動させる。

〜照射（治療）の流れ〜
本実施形態における粒子線治療装置による動体追跡粒子線治療の処理フローについて図１９を用いて説明する。

まず、操作者は患者をカウチ１７上に配置し、レーザマーカ等を用いて患者体表面の位置決め用マークを基準に患者を位置決めする（ステップＳ２００）。

次いで、透視Ｘ線撮影装置１２〜１５を用いて透視Ｘ線撮影画像を連続撮影する（ステップＳ２０１）。

次いで、患者位置決め装置５５は、透視Ｘ線画像上のターゲット１８が呼気位相に相当するタイミングで撮影した透視Ｘ線画像を用いて粒子線通過領域付近に位置する肋骨の位置およびターゲット１８の位置を計測し（ステップＳ２０２）、肋骨位置処理のためにステップＳ２０３に、ターゲット１８位置処理のためにステップＳ２０５に処理を進める。

ステップＳ２０２に続いて、患者位置決め装置５５のズレ演算部５５ａは治療計画装置５３の治療計画用ＣＴ画像情報から計画時の肋骨位置を取得し、ステップＳ２０２で求めた肋骨位置と比較することで治療計画からのズレを計算し、また水等価厚演算部５５ｂはこのズレ量を基に治療計画ＣＴ画像上で粒子線通過領域を再設定する（ステップＳ２０３）。

ステップＳ２０３に続いて、患者位置決め装置５５の水等価厚演算部５５ｂは、治療計画装置５３の治療計画用ＣＴ画像情報を用いて新たに再設定した粒子線通過領域の水等価厚を再計算して変化量演算部５５ｃに出力するとともに、水等価厚情報設定表示装置５６により動体追跡ソフトウェアの画面上に出力する（ステップＳ２０４）。

次いで、治療計画で定めたターゲット１８の位置と、ステップＳ１０２で計測したターゲット１８の位置とが一致するか否かを判定する（ステップＳ２０５）。治療計画で定めたターゲット１８の位置に一致し、かつ予め設定した水等価厚変化の許容範囲内にあると判定されればステップＳ２０７に処理を進める。これに対し、一致しない、若しくは予め設定した水等価厚変化の許容範囲内にないと判定されればステップＳ２０６に処理を進める。

その後、計画時の位置を参照しながら、カウチ１７の位置調整、照射マージンの再設定、粒子線通過領域の水等価厚を計画時と合わせるためのレンジシフタの挿入等により治療計画と照射条件とを一致させる（ステップＳ２０６）。

ステップＳ２０５に続いて、透視Ｘ線撮影制御装置５７は透視Ｘ線撮影装置１２〜１５を制御して間欠的に透視Ｘ線画像を撮影し（ステップＳ２０７）、撮影された透視Ｘ線画像上でテンプレートマッチングによりターゲット１８の位置を計測する（ステップＳ２０８）。

ステップＳ２０８に続いて、動体追跡装置５４はステップＳ２０８で得られたターゲット１８の位置情報を基にしてターゲット１８がゲート領域内に存在するかを判定し（ステップＳ２０９）、ゲート領域内に存在しない場合はステップＳ２０７に処理を戻し、存在する場合はステップＳ２１０に処理を進め、粒子線の照射制御を実施する（ステップＳ２１０）。

その後、照射制御装置５２は計画線量を全て照射したか否かを判定し（ステップＳ２１１）、すべて照射していない場合（ステップＳ２１１のＮｏ）はステップＳ１０５に処理を戻し、照射し終えた場合（ステップＳ２１１のＹｅｓ）はステップＳ１１２に処理を進み、照射終了とする（ステップＳ２１２）。

本発明の画像処理装置および粒子線治療装置の第２の実施形態により、再度のＣＴ撮像をしなくても透過Ｘ線画像上の骨の位置から水等価厚情報を推定し、水等価厚情報の取得までの時間が大幅に短縮できる。これにより、予め患者位置決め時の水等価厚変化の許容範囲を設定することができるようになって範囲内に照射条件を合わせることにより、従来に比べて高い精度で線量分布を形成することができる。

＜第２の実施形態の変形例＞
次に本実施形態の画像処理装置および粒子線治療装置の変形例を、図２０および図２１を用いて説明する。

第２の実施形態の画像処理装置は、ステップＳ２０３およびステップＳ２０４において透視Ｘ線画像上で計測した肋骨位置から治療計画ＣＴ画像を用いて粒子線通過領域を再設定し水等価厚を計算するものであったが、本変形例の画像処理装置は、予め透視Ｘ線画像上の肋骨位置と水等価厚変化の相関テーブルを作成しておき、相関テーブルと肋骨位置情報を用いて水等価厚を計算するものである。

図２０において、本変形例における画像処理装置は、透視Ｘ線撮影装置１２〜１５、ズレ演算部５５ａ、変化量演算部５５ｃ、判定部５５ｄ、入力装置５６ａ、比較出力部５６ｂ、表示部５６ｃに加えて、水等価厚演算部５５ｂ１および記憶部５５ｅを備えている。

記憶部５５ｅは第１の実施形態の変形例の記憶部５４ｅと概略同じであり、水等価厚演算部５５ｂ１も第１の実施形態の変形例の水等価厚演算部５４ｂ１と概略同じである。

以下、本変形例の画像処理装置における処理について説明する。相関テーブルの作成方法については第１の実施形態の変形例と同様の方法である。以下、図２１を参照して、本変形例における粒子線治療装置による動体追跡粒子線治療の処理フローについて説明する。

まず、ステップＳ２００〜ステップＳ２０２までの処理は同じである。

ステップＳ２０２に続いて、患者位置決め装置５５のズレ演算部５５ａは治療計画装置５３の治療計画用ＣＴ画像情報から計画時の肋骨位置を取得し、ステップＳ２０２で求めた肋骨位置と比較することで治療計画からのズレを演算する（ステップＳ２１３）。

次いで、水等価厚演算部５５ｂ１は、記憶部５５ｅに記憶された相関テーブル基づいて新たな粒子線通過領域２５の水等価厚を記憶部５５ｅに記憶されたズレ量に対応する水等価厚データを読み込むことで求め、変化量演算部５５ｃに出力するとともに、水等価厚情報設定表示装置５６により動体追跡ソフトウェアの画面上に出力する（ステップＳ２１４）。

その後の処理（ステップＳ２０５〜ステップＳ２１２）は同じである。

本変形例においても、前述した画像処理装置および粒子線治療装置の第２の実施形態とほぼ同様な効果が得られる。

更に、本変形例によれば、第２の実施形態の画像処理装置および粒子線治療装置に比べてより高速な演算処理が可能となり、装置構成の簡略化が可能となる。

＜その他＞
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

例えば、照射対象に照射する粒子線には、陽子や陽子より質量の重い炭素等の重粒子イオン、中性子などが挙げられる。

１…粒子線発生装置、
２…ライナック、
３…シンクロトロン、
４，６，８…偏向電磁石、
５…ビーム輸送系、
７…ビーム経路、
９…治療室、
１０…照射装置、
１１…ガントリー、
１２，１３…透視Ｘ線発生装置、
１４，１５…Ｘ線検出器、
１６…患者、
１７…カウチ、
１８…ターゲット（標的）、
２１…骨、
２１Ａ…計画時の骨、
２２…体表面、
２４…体内領域、
２５…粒子線通過領域、
５０…制御システム、
５１…ガントリー制御装置、
５２…照射制御装置、
５３…治療計画装置、
５４…動体追跡装置、
５５…患者位置決め装置、
５４ａ，５５ａ…ズレ演算部、
５４ｂ，５４ｂ１，５５ｂ，５５ｂ１…水等価厚演算部、
５４ｃ，５５ｃ…変化量演算部、
５４ｄ，５５ｄ…判定部、
５４ｅ，５５ｅ…記憶部、
５６…水等価厚情報設定表示装置、
５６ａ…入力装置、
５６ｂ…比較出力部、
５６ｃ…表示部、
５７…透視Ｘ線撮影制御装置、
５８…カウチ制御装置。

Claims (14)

1. 被検体中の任意の位置にある標的に関する情報を取得するための画像処理装置であって、
   前記被検体の２次元透視画像を撮影する透視Ｘ線撮影装置と、
   この透視Ｘ線撮影装置によって撮影した２次元透視画像から、予め定めた被検体中の軟組織から前記２次元透視画像上で区別可能な高密度物質の位置を検出し、照射計画時の前記高密度物質の位置からのズレの量を演算するズレ演算部と、
   このズレ演算部によって演算したズレ量と予め取得したＣＴ画像に基づく３次元情報から、粒子線通過領域の水等価厚を演算する水等価厚演算部と、を備えた
   ことを特徴とする画像処理装置。
2. 請求項１に記載の画像処理装置において、
   前記水等価厚演算部で演算された新たな水等価厚の照射計画時の水等価厚からの変化量を演算する変化量演算部と、
   この変化量演算部で演算された変化量と予め定めた変化量許容値とを比較する判定部とを更に備えた
   ことを特徴とする画像処理装置。
3. 請求項２に記載の画像処理装置において、
   前記判定部は、前記変化量が前記許容値を下回る場合は粒子線照射許可信号を出力し、前記変化量が前記許容値以上の場合は前記粒子線照射許可信号を出力しない
   ことを特徴とする画像処理装置。
4. 請求項３に記載の画像処理装置において、
   前記水等価厚演算部は、前記粒子線照射中に前記新たな粒子線通過領域の水等価厚を演算する
   ことを特徴とする画像処理装置。
5. 請求項３に記載の画像処理装置において、
   予め作成された２次元透視画像上の前記高密度物質の座標位置と水等価厚変化量との相関テーブルを記憶する記憶部を更に備え、
   前記水等価厚演算部は、前記記憶部に記憶された前記相関テーブル基づいて新たな粒子線通過領域の水等価厚を演算する
   ことを特徴とする画像処理装置。
6. 請求項２に記載の画像処理装置において、
   前記判定部は、前記変化量が前記許容値以上の場合は前記標的を保持するカウチに対して位置修正信号を出力する
   ことを特徴とする画像処理装置。
7. 請求項６に記載の画像処理装置において、
   前記水等価厚演算部は、前記標的の位置合せ中に前記新たな粒子線通過領域の水等価厚を演算する
   ことを特徴とする画像処理装置。
8. 請求項６に記載の画像処理装置において、
   予め作成された２次元透視画像上の前記高密度物質の座標位置と水等価厚変化量との相関テーブルを記憶する記憶部を更に備え、
   前記水等価厚演算部は、前記記憶部に記憶された前記相関テーブル基づいて新たな粒子線通過領域の水等価厚を演算する
   ことを特徴とする画像処理装置。
9. 請求項２に記載の画像処理装置において、
   前記変化量許容値を入力する入力装置を更に備えた
   ことを特徴とする画像処理装置。
10. 請求項９に記載の画像処理装置において、
    前記入力装置で入力された前記変化量許容値と前記標的の位置とを比較出力する比較出力部を更に備えた
    ことを特徴とする画像処理装置。
11. 請求項１に記載の画像処理装置において、
    前記水等価厚演算部で演算された新たな水等価厚情報を表示する表示装置を更に備えた
    ことを特徴とする画像処理装置。
12. 前記粒子線を照射するための照射装置と、
    請求項１に記載の画像処理装置とを備えた
    ことを特徴とする粒子線治療装置。
13. 粒子線を加速する粒子線発生装置と、
    前記加速された粒子線を輸送するビーム輸送系と、
    前記粒子線を標的に照射する照射ノズルを備えた照射装置とを有し、
    前記照射部は透視Ｘ線撮影装置を備え、
    照射時に透視Ｘ線画像を取得し、この取得した透視Ｘ線画像上の密度が高い領域が、前記標的と前記照射ノズルの間の空間に入った場合は照射を停止する
    ことを特徴とする粒子線治療装置。
14. 請求項１３に記載の粒子線治療装置において、
    前記粒子線発生装置と照射装置を制御する制御装置を有し、
    前記制御装置は、予め取得した被検体のＣＴ画像及び、前記透視Ｘ線撮影装置が取得した密度が高い領域の位置情報から、前記粒子線が被検体を通過する経路の水等価厚情報を取得する
    ことを特徴とする粒子線治療装置。

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