JP2017144000A - 医用画像処理装置、方法、プログラム及び放射線治療装置 - Google Patents

Abstract

【課題】透視動画に鮮明に写し出される体内部位の変位との相関に基づいて、画像が不鮮明な病巣変位の追跡を正確に行うことができる医用画像処理技術を提供する。【解決手段】医用画像処理装置１０は、立体動画２を仮想平面上に再構成した再構成動画５を取得する取得部１と、再構成動画５から第１病巣領域を識別する識別部６と、再構成動画５から第１特徴領域を２つ以上識別する第１識別部７と、医用透視撮像機器４０を用いて患者３１の透視動画１２を取得する取得部１１と、２つ以上の第２特徴領域の各々を透視動画１２から識別する第２識別部１５と、２つ以上の第１特徴領域及び２つ以上の第２特徴領域を対比して変位の相関性のとれたものを選定する選定部１６と、第１特徴領域を第１病巣領域に変換させる変換パラメータを演算する演算部１７と、この選定された第２特徴領域及び変換パラメータに基づいて第２病巣領域を検出する変換部１８と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、患者の呼吸等により変位する病巣にビームを照射し治療するための医用画像処理技術及び放射線治療技術に関する。

放射線治療は、治療ビームを患者の病巣（癌等）に照射して破壊する治療技術であるため、病巣の位置に合わせて治療ビームを正確に照射しないと、正常組織まで破壊してしまう虞がある。そこで、患者に治療ビームを照射する治療作業に先立って、治療計画が実施される。
この治療計画においては、患者体内をＣＴ撮影してボクセルデータを取得し、病巣位置を３次元的に把握するとともに、正常組織への照射が少なくなるように、治療ビームの照射方向や照射強度が決定される。さらに病巣が呼吸等に同期して周期的に変位する内臓（肺など）に存在する場合、治療ビームの患者体内に対する照射目標とタイミングとを検討する。

そして治療作業の段階において、放射線治療装置内のベッドに患者を固定し、治療計画で検討した照射目標に、ビーム照射ポートのビーム照準が合うように、このベッドを移動する。そして、このビーム照準に、呼吸と同期して変位する病巣が、一致するタイミングで、ビーム照射ポートから治療ビームが照射される。
ビーム照準と病巣とが一致するか否かの確認は、放射線治療装置に常設されたＸ線撮影部でベッド上の患者をリアルタイム撮影したＸ線透視画像と、治療計画で使用したボクセルデータを二次元画像に再構成したＤＲＲ（Digitally Reconstructed Radiograph）と、を照合することにより行われる。

しかし、放射線治療装置のＸ線撮影部が出力するＸ線は、患者の被曝を低減するためその強度が抑えられている。このために、Ｘ線透視画像に写し出される病巣は、不鮮明である場合が多く、この病巣の変位を正確に追跡することが困難である。
このような場合、従来においては、病巣近傍に金などのマーカを埋め込んでＸ線撮影部によりこのマーカの動きを追跡したり、レーザ距離計を用いて体表面の動きを計測したりして、病巣変位の追跡結果を補完する方法がとられている。

特許第５６１０４４１号公報

しかし、マーカを病巣近傍に埋め込む方法は、手術を伴うため患者の負担も大きくなる課題があった。
また体表面の動きを計測する方法も、体表面の動き情報と病巣の位置との関係が、患者の状態によって呼吸の深さが異なる等の理由により、安定していないため、信頼性が低い課題があった。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、透視画像に鮮明に写し出される体内部位の変位との相関に基づいて、画像が不鮮明な病巣変位の追跡を正確に行うことができる医用画像処理技術及び放射線治療技術を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る医用画像処理装置において、患者の体内を撮像した立体動画であって呼吸と同期して変位する病巣の領域が指定された前記立体動画の少なくとも一周期分データを、設定した仮想視点から仮想平面上に再構成した再構成動画を取得する再構成動画取得部と、前記再構成動画から前記指定された病巣に対応する第１病巣領域を識別する病巣領域識別部と、前記再構成動画から呼吸と同期して変位する体内部位の輪郭で規定される第１特徴領域を２つ以上識別する第１特徴識別部と、医用透視撮像機器を用いて前記患者を前記再構成動画に対応させて透視した透視動画の少なくとも一周期分データを取得する透視動画取得部と、前記体内部位に対応する２つ以上の第２特徴領域の各々を前記透視動画から識別する第２特徴識別部と、前記再構成動画から識別された２つ以上の前記第１特徴領域及び前記透視動画から識別された２つ以上の前記第２特徴領域を対応する前記体内部位が一致する組み合わせで対比して変位の相関性のとれたいずれか一つの前記体内部位を選定する対比選定部と、前記選定された前記体内部位に対応する前記第１特徴領域を前記再構成動画において同位相で変位する前記第１病巣領域に変換させる変換パラメータを演算する変換パラメータ演算部と、前記選定された前記体内部位に対応する前記第２特徴領域及び前記変換パラメータに基づいて前記透視動画において変位する第２病巣領域を検出する病巣領域検出部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明の実施形態に係る放射線治療装置において、患者を固定したベッドを移動して、変位する前記病巣の軌跡上に予め指定した照射目標に、ビーム照射ポートのビーム照準が合うように調整するベッド移動調整部と、前記医用画像処理装置から出力されるトリガ信号を受信するトリガ信号受信部と、前記トリガ信号を受信したタイミングで前記ビーム照射ポートから治療ビームを照射させるビーム照射指示部と、を備えることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、鮮明に写し出される体内部位の変位との相関に基づいて、画像が不鮮明な病巣変位の追跡を正確に行うことができる医用画像処理技術及び放射線治療技術が提供される。

本発明の第１実施形態にかかる放射線治療装置及び医用画像処理装置を示すブロック図。 各実施形態に係る医用画像処理装置の要素機能を示す定義式。 第１実施形態にかかる医用像処理方法、医用画像処理プログラム及び放射線治療装置の動作を説明するフローチャート。 第２実施形態にかかる放射線治療装置及び医用画像処理装置を示すブロック図。 第２実施形態における医用画像処理装置に適用される参照領域の説明図。 第３実施形態にかかる放射線治療装置及び医用画像処理装置を示すブロック図。 各実施形態に係る医用画像処理装置の要素機能を示す定義式。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１に示すように第１実施形態にかかる医用画像処理装置１０は、医用立体撮像機器（図示略）を用いて患者（図示略）の体内を撮像した立体動画であって呼吸と同期して変位する病巣の領域が指定されたこの立体動画２の少なくとも一周期分データを、設定した仮想視点９ａから仮想平面上に再構成した再構成動画５を取得する再構成動画取得部１と、この再構成動画５から前記指定された病巣に対応する第１病巣領域を識別する病巣領域識別部６と、再構成動画５から呼吸と同期して変位する体内部位の輪郭で規定される第１特徴領域を２つ以上識別する第１特徴識別部７と、医用透視撮像機器４０を用いて患者３１を再構成動画５に対応させて透視した透視動画１２（図５参照）の少なくとも一周期分データを取得する透視動画取得部１１と、体内部位に対応する２つ以上の第２特徴領域の各々を透視動画１２から識別する第２特徴識別部１５と、再構成動画５から識別された２つ以上の第１特徴領域及び透視動画１２から識別された２つ以上の第２特徴領域を体内部位が一致する組み合わせで対比して変位の相関性のとれたいずれか一つの体内部位を選定する対比選定部１６と、この選定された体内部位に対応する第１特徴領域を再構成動画５において同位相で変位する第１病巣領域に変換させる変換パラメータを演算する変換パラメータ演算部１７と、この選定された体内部位に対応する第２特徴領域及び変換パラメータに基づいて透視動画１２において変位する第２病巣領域を検出する病巣領域検出部１８と、を備えている。

このように医用画像処理装置１０が構成されることにより、患者３１の被曝を低減するため照射強度が抑制され病巣の描写が不鮮明なＸ線の透視動画１２において、呼吸と同期して周期的な変位を繰り返す病巣を正確に追跡することが可能になる。
すなわち、予め医用立体撮像機器で撮像された立体動画２から、立体的に指定された病巣が仮想平面上に再構成されている、再構成動画５を生成し、この再構成動画５から呼吸と同期して変位する体内部位（横隔膜等）の第１特徴領域を識別する。この体内部位は、最終的に一つのみが選定されることになるがこの時点では複数を識別しておく。

次に、再構成動画５の第１特徴領域に対応する透視動画１２の第２特徴領域を対比し、第１特徴領域及び第２特徴領域の変位の軌跡が最も一致する体内部位が選定される。ここで、透視動画１２において第２特徴領域は鮮明に描写されていることが前提である。
そして、再構成動画５において再構成された病巣領域と第１特徴領域との動きの相関性は、透視動画１２において不鮮明な病巣領域と鮮明な第２特徴領域との動きの相関性に一致し、さらに第１特徴領域と第２特徴領域との動きの相関性が一致していれば、透視動画１２において不鮮明な病巣の位置を正確に特定することができる。
つまり、再構成動画５における病巣領域と第１特徴領域との位置関係から演算される変換パラメータを用い、透視動画１２の第２特徴領域を演算処理すれば、この透視動画１２おける不鮮明な病巣領域を正確に特定することができる。

さらに第１実施形態に係る医用画像処理装置１０は、第２病巣領域を透視動画１２に描画する描画部（図示略）と、医用透視撮像機器４０からリアルタイムで送られてくる透視動画１２ａに描画される第２病巣領域が、指定した照射目標２２に変位したタイミングで第１トリガ信号を出力する第１トリガ信号出力部２１と、をさらに備えている。

このように医用画像処理装置１０が構成されることにより、患者３１のリアルタイムなＸ線の透視動画１２から、呼吸と同期して周期的な変位を繰り返し描写が不鮮明な病巣を正確に検出しリアルタイムで追跡することが可能になる。これにより、治療ビーム３５を病巣に照射するタイミングを正確に把握することができる。

また図１に示すように放射線治療装置３０は、患者３１を固定したベッド３２を移動してビーム照射ポート３６のビーム照準が、変位する病巣の軌跡上に予め指定した照射目標２２に合うように調整するベッド移動調整部３３と、患者３１を透視した透視動画１２ａを生成する医用透視撮像機器４０を制御して医用画像処理装置１０の透視動画取得部１１にこの透視動画１２ａを送信する撮像制御部４３と、医用画像処理装置１０から出力されるトリガ信号を受信したタイミングでビーム照射ポート３６から治療ビーム３５を照射させる照射制御部３７と、を備えている。

ここで、治療ビーム３５とは、ガン等の病巣組織に照射して細胞を死滅させる放射線であり、そのような放射線として、Ｘ線、γ線、電子線、陽子線、中性子線、及び、重粒子線などが挙げられる。
ビーム照射ポート３６を患者３１の体軸周りに回転させたり、患者３１の位置を変更させたりして、治療ビーム３５を病巣組織に多方向から照射することにより、病巣周辺の正常組織への線量を最小限に抑えることができる。

放射線治療装置３０で患者３１に治療ビーム３５を照射する治療作業に先立って、別の場所で治療計画が実施される。この治療計画では、この後の治療作業でベッド３２に固定され治療ビーム３５の照射を受ける姿勢と同じ姿勢で、患者の体内を医用立体撮像機器で撮像した立体動画を撮像する。
本実施形態に適用される医用立体撮像機器とは、Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography）や核磁気共鳴（ＭＲＩ:magnetic resonance imaging）等といった、病巣を含む患者体内の立体像（ボクセルデータ）を得ることができるものである。さらに、この医用立体撮像機器は、呼吸周期の経時的変化をとらえた立体動画が撮像できるものとする。
治療計画では、呼吸等に同期して変位する病巣に治療ビームを照射させる患者体内の照射目標２２を検討する。さらに、治療ビーム３５の照準がこの照射目標２２に一致するように、放射線治療装置３０のベッド３２の設定位置が決定される。さらに治療計画では、病巣に照射する治療ビーム３５の、放射線量、照射角度、照射範囲、回数などが決定される。

呼吸している患者の体内を少なくとも一周期分撮像した立体動画２は、医師により呼吸と同期して変位する病巣の領域が指定された状態で、データ保存部に保存される。この保存されている立体動画２は、データ形式は特に限定されず、呼吸位相の異なる静止画をキャプチャした場合、指定された病巣の領域と特徴領域とが、他の臓器等と識別できる程度に鮮明に描写されているものとする。

設計情報８は、医用透視撮像機器４０を構成するＸ線発生部４１（４１ａ，４１ｂ）及びＸ線受像部４２（４２ａ，４２ｂ）の空間座標系における機械的な位置や角度等を示す設計情報である。
再構成動画生成部３は、この設計情報８に基づき、Ｘ線発生部４１を仮想視点９ａに設定し、患者を撮像した立体動画２を、Ｘ線受像部４２に見立てた仮想平面上に再構成した再構成動画５を生成する。

この再構成動画５は、立体動画２を平面に再構成したＤＲＲ（Digitally Reconstructed Radiograph）であり、仮想平面を構成する各々のピクセルから仮想視点９ａまでを結ぶ直線に沿って存在する立体動画２のボクセル輝度値を、直線に沿って積算した輝度値のピクセルの集合体として生成される。そして、生成した再構成動画５は、取得部１を介して医用画像処理装置１０のデータ保持部に保持される。
なおデータ保持部に保持される再構成動画５は、動画のファイルフォーマットで構成される場合の他に、呼吸位相の異なる複数の静止画で構成されていてもよい。

病巣領域識別部６は、データ保持部の再構成動画５から、立体動画２で指定された病巣に対応する第１病巣領域を、識別する。具体的には、立体動画２で立体的に指定された病巣の領域を、仮想視点９ａから仮想平面上に再構成したものが、第１病巣領域として識別される。

同様にして第１特徴識別部７も、モニタ４５に表示させた再構成動画５から、呼吸と同期して変位する体内部位の輪郭で規定される第１特徴領域を２つ以上識別する。
なお第１特徴領域として適用される体内部位は、横隔膜、肺の一部、肝臓の一部、助骨などが挙げられるが、呼吸に連動して繰り返し変位するものであれば特に限定されない。
また、第１特徴領域の指定は、オペレータのマニュアル操作による場合の他に、例えば、エッジ検出、輪郭検出、テンプレート・マッチングなどのオート機能によることも可能である。

ここで第１特徴識別部７において、再構成動画５から抽出された静止画像を対象として、体内部位の輪郭を規定する処理方法の一例を、次に示す。なおこの処理方法は、後記する第２特徴識別部１５にも等しく適用される。
特徴領域は、横隔膜や肺野の境界など、画像のなかでコントラストが高い境界位置の境界線を、画像処理によって自動検出することにより指定することができる。境界線の検出方法として、ＡＣＭ（Active Contour Model）やＬｅｖｅｌ Ｓｅｔ法などを挙げることができる。画像の中から境界線を検出した後、解剖学的同位置の１点を境界線上から選択する。例えば、境界線をまたぐ画素間の差分の絶対値が最も高くなる境界線上の点を選択する。例えば、第１特徴領域は、画像内の所定の領域内で、コントラストが高い境界位置を画像処理によって自動検出する。

ここで所定の領域とは、たとえばオペレータが画像上に入力した線分である。所定の領域は、横隔膜や肺野の境界など、画像でコントラストが高く撮影される領域の境界に位置することが望ましい。また、所定の領域は、少なくとも１つとする。
呼吸位相の異なるＮ枚の画像に含まれる特徴領域の位置を、Ｘ＝｛ｘ₁，…，ｘ_N｝と表す。ここでｘ_iは、ｉ番目の画像内の特徴領域を表す２次元ベクトルである。つまり、ｘ₁，…，ｘ_Nは、１番目の画像からＮ番目画像にかけての特徴領域の軌跡を表す。この特徴領域の軌跡に関する目的関数Ｇ(ｘ₁，…，ｘ_N)を、図２の（１）式のように定義する。

ここで、ｌ_i(ｘ_i)は、ｉ番目の画像内の画素位置ｘ_iにおける特徴領域らしさを表す尤度関数である。また、ｄ(ｘ_i+1，ｘ_i)は、ｉ番目とｉ＋１番目の特徴領域の位置に関する関数であり、動きのモデルを表す。λは、定数値であり、オペレータが設定する。
尤度関数は、たとえば横隔膜や肺野の境界などを特徴領域とする場合、画像のエッジ強度を求めるソーベルオペレータによる畳み込み値を出力する。または、ラプラシアンオペレータによる畳み込み値を出力する。その他、Ｃａｎｎｙオペレータなど画像処理におけるエッジ検出オペレータによる畳み込み値を出力する。または、連続した２枚の画像の画素値の差分値を出力する。または、これらのいずれかの２つ以上の出力値の積を出力する。

尤度関数は、たとえば所定の領域内の画像をテンプレート画像として用意し、ｘ_ｉを中心とした、テンプレート画像との類似度を出力してもよい。類似度は、たとえば相互相関値や正規化相互相関値、相互情報量などにする。
動きのモデルは、例えば図２の（２）式で表される。
目的関数Ｇ(ｘ₁，…，ｘ_N)を、最大化する特徴領域の軌跡ｘ₁，…，ｘ_Nを効率的に求めるためには、たとえば動的計画法などの最適化手法を用いてもよい。
所定の領域が複数の場合、それぞれの領域に対して上記と同様の方法によって特徴領域の軌跡を求める。所定の領域がＬ個ある場合、それぞれの第１特徴領域の軌跡を図２の（３）式で表し、第２特徴領域の軌跡を図２の（４）式で表す。

医用画像処理装置１０のなかで符号１〜９が付されている機能構成部は、治療計画の段階で、Ｘ線ＣＴ等により立体動画２を取得した後に処理を実行するものである。
図１、図４及び図６における医用画像処理装置１０のなかで符号１１〜２７が付されている機能構成部は、治療作業の段階で、放射線治療装置３０のビーム照準に患者３１をセットした後に処理を実行するものである。
ここで、治療作業の段階で処理を実行する医用画像処理装置１０の機能構成部（符号１１〜２７）の説明に入る前に、放射線治療装置３０の説明を行う。

放射線治療装置３０は、治療ビーム３５を照射するビーム照射ポート３６と、トリガ信号を受信してこの治療ビーム３５の照射タイミングを制御する照射制御部３７と、患者３１を固定するベッド３２と、患者３１の病巣の位置に治療ビーム３５の照準を合わせるベッド移動調整部３３と、照準を合わせた後で患者３１の透視動画１２を撮像する医用透視撮像機器４０と、この医用透視撮像機器４０を制御し撮像した患者３１の透視動画１２を医用画像処理装置１０の取得部１１に送信する撮像制御部４３と、から構成される。

この医用透視撮像機器４０は、二対のＸ線発生部４１（４１ａ，４１ｂ）及びＸ線受像部４２（４２ａ，４２ｂ）から構成されている。Ｘ線受像部４２は、Ｘ線の検出素子が２次元アレイ状に配置され、Ｘ線発生部４１から照射され患者３１を透過してそれぞれの検出素子に到達したＸ線のエネルギーの減衰量に応じ、透視動画１２を形成する。

ベッド移動調整部３３は、患者３１を固定したベッド３２を移動してビーム照射ポート３６のビーム照準が、変位する病巣の軌跡上に予め指定した照射目標２２に合うように調整する。なおこの照射目標２２は、上述した治療計画の段階においてすでに決定されている。

撮像制御部４３は、Ｘ線発生部４１に照射開始を指示し、このＸ線が照射されている期間、患者３１を透過したＸ線をＸ線受像部４２で検出し、形成された透視動画１２ａを透視動画取得部１１に送信する。
ここで、医用画像処理装置１０に患者３１をセッティングした後の治療作業の工程は、オフライン期間と、オンライン期間に分けられることを説明する。オフライン期間は、透視動画１２から病巣領域を特定するのに最も適したな体内部位を、複数の中から選定する期間である。そしてオンライン期間は、オフライン期間で選定された体内部位を用いて、リアルタイムで送信される透視動画１２から病巣領域を検出し、治療ビーム３５の照射を行う期間である。

透視動画取得部１１は、オフライン期間において、医用透視撮像機器４０から送信された透視動画１２を受信してデータ保持部に保持させる。このデータ保持部に保持される透視動画１２は、少なくとも呼吸の一周期分が必要である。
透視動画取得部１１は、オンライン期間において、医用透視撮像機器４０から送信された透視動画１２ａを病巣領域検出部１８に送り、リアルタイムに病巣領域を検出させる。

第２特徴識別部１５は、オフライン期間において、データ保持部に保持されている透視動画１２から２つ以上の体内部位を第２特徴領域の各々として識別する。
オフライン期間においては、透視動画１２から位相の異なる第２特徴領域が描画されている複数の静止画を抽出し、この静止画をモニタ４５に表示させたうえで入力手段４６から第２特徴領域を識別する。具体的には、第１特徴識別部７で既に説明した同様の方法で第２特徴領域を識別することができるが（図２の（４）式）、その識別方法に特に限定はない。

第２特徴識別部１５は、オンライン期間において、医用透視撮像機器４０からリアルタイムに送信される透視動画１２ａから２つ以上の体内部位を第２特徴領域の各々として識別する。オンライン期間においては、マニュアル操作を適用することはできず、オート機能により第２特徴領域を識別する。

対比選定部１６は、データ保持部にある再構成動画５から識別された２つ以上の第１特徴領域及びデータ保持部にある透視動画１２から識別された２つ以上の第２特徴領域を体内部位が一致する組み合わせで対比して変位の相関性のとれたいずれか一つの体内部位を選定する。

ここで対比選定部１６において、第１特徴領域及び第２特徴領域の相関性の判断方法の一例を、次に示す。
図２の式（１）〜（４）において、ｘ_i＝(ｍ_i，ｎ_i)、ｙ_i=(ｕ_i，ｖ_i)とすれば、ｘ座標に関する相関係数ｒは、図２の式（５）によって求める。また、同様にして、軌跡が示すy座標に関する相関係数を求めてもよい。または、それらの積を相関としてもよい。
なお、再構成動画５から静止画をサンプリングする時間間隔と透視動画１２から静止画をサンプリングする時間間隔とが同じである前提で説明を行ったが、この時間間隔が両者で異なる場合は、適切な外挿処理によりこの時間間隔及び位相を揃える必要がある。

複数（Ｌ個）の体内部位が選ばれている場合、それぞれの第１特徴領域および第２特徴領域の組における相関を上記方法によって求める。そして最も優れた値を示すものが、この後の変換パラメータを生成する処理に利用する体内部位に選定される。または、相関値に対し閾値を設定し、選定の基準にしてもよい。

変換パラメータ演算部１７は、対比選定部１６で選定された体内部位に対応する第１特徴領域を、再構成動画５において同位相で変位する第１病巣領域に変換させる変換パラメータを演算する。
次に変換パラメータ演算部１７において、変換パラメータを演算する方法の一例を示す。この変換パラメータは、第１特徴領域の軌跡Ｘ＝｛ｘ₁，…，ｘ_N｝と、病巣領域の軌跡Ｓ＝｛Ｓ₁，…，Ｓ_N｝を演算処理することによって求められる。

第１特徴領域と病巣領域との位置関係は、図２の式（６）の回帰式によって表される。ここで、Ａは、２×３の行列、ｂは、３次元の縦ベクトルである。この場合、求めるべき変換パラメータは、Ａとｂになる。これら変換パラメータは、最小二乗法によって求める。

次に図１の医用透視撮像機器４０に示すように２方向から透視動画１２を撮影している場合を検討する。この場合、方向１に対応する仮想視点から生成した再構成動画５から得た第１特徴領域の軌跡を軌跡Ｘ₁＝｛ｘ_1,1，…，ｘ_1,N｝とし、方向２に対応する仮想視点から生成した再構成動画５から得た第１特徴領域の軌跡を軌跡Ｘ₂＝｛ｘ_2,1，…，ｘ_2,N｝とする。すると第１特徴領域と病巣領域との位置関係は、図２の式（７）の回帰式によって表される。ここでＡ₁，Ａ₂は、２×３の行列、ｂは、３次元の縦ベクトルである。この場合、求めるべき変換パラメータは、Ａ₁，Ａ₂とｂになる。これら変換パラメータは、最小二乗法によって求める。

次に、Ｋ個の第１特徴領域がある場合、第１特徴領域と病巣領域との位置関係は、図２の式（８）の回帰式によって表される。ここで、Ａ_kは、２×３の行列、ｂは、３次元の縦ベクトルである。この場合、求めるべき変換パラメータは、Ａ_kとｂになる。これら変換パラメータは、最小二乗法によって求める。

病巣領域検出部１８は、この選定された体内部位に対応する第２特徴領域及び変換パラメータに基づいて透視動画１２において変位する第２病巣領域を検出する。
次に病巣領域検出部１８において、第２特徴領域の軌跡を第２病巣領域の軌跡にデータ変換する方法の一例を示す。

第２特徴領域Ｂの軌跡Ｙ＝｛ｙ₁，…，ｙ_N｝と、変換パラメータ演算部１７で求めた変換パラメータＡ，ｂと、を用いた図２の式（９）から、透視動画１２ａ内の第２病巣領域の軌跡Ｔ＝｛Ｔ₁，…，Ｔ_N｝を求めることができる。
また第２特徴領域Ｂの軌跡Ｙ＝｛ｙ₁，…，ｙ_N｝と、変換パラメータ演算部１７で求めた変換パラメータＡ₁，Ａ₂，ｂとを用いた図２の式（１０）から、透視動画１２ａ内の第２病巣領域の軌跡Ｔ＝｛Ｔ₁，…，Ｔ_N｝を求めることができる。
また第２特徴領域Ｂの軌跡Ｙ＝｛ｙ₁，…，ｙ_N｝と、変換パラメータ演算部１７で求めた変換パラメータＡ₁，…Ａ_K，ｂとを用いた図２の式（１１）から、透視動画１２ａ内の第２病巣領域の軌跡Ｔ＝｛Ｔ₁，…，Ｔ_N｝を求めることができる。
そして、オフライン期間で撮影された透視動画１２に基づいて、モニタ４５に第２病巣領域の軌跡を表示し、この軌跡上に照射目標２２が存在することを確認する。

第１トリガ信号出力部２１は、オンライン期間でリアルタイムに送られてくる透視画像１２ａに基づき病巣領域検出部１８で検出した第２病巣領域が、オフライン期間で設定した軌跡をトレースすることを確認するとともに、照射目標２２に一致したタイミングで第１トリガ信号を出力する。
そして放射線治療装置３０の照射制御部３７は、医用画像処理装置１０から出力されるトリガ信号を受信したタイミングで、ビーム照射ポート３６から治療ビーム３５を患者３１の病巣に照射させる。

図３のフローチャートに基づいて、各実施形態に係る医用画像処理方法、医用画像処理プログラム及び放射線治療装置の動作について説明する（適宜、図１参照）。
まず、治療計画の段階において、Ｘ線ＣＴ装置等といった医用立体撮像機器を用いて患者の体内の病巣を包含した立体動画を撮像する（Ｓ１１）。そして、この撮像した立体動画を呼吸周期の少なくとも一周期分データを取得し、病巣の領域を立体的に指定した上でデータ保持する（Ｓ１２）

次に、医用透視撮像機器４０の設計情報８から設定される仮想視点から立体動画を仮想平面上に再構成した再構成動画（ＤＤＲ）を生成する（Ｓ１３）。そして、この再構成動画から、立体的に指定された病巣から平面上に再構成された第１病巣領域を識別する（Ｓ１４）。さらにこの再構成動画から、呼吸と同期して変位する体内部位の輪郭で規定される複数の第１特徴領域を識別する（Ｓ１５）（Ｓ１６）。
なお、この治療計画の段階において、治療ビーム３５の照射目標２２となる病巣の変位位置が決定される。

次に、治療作業のオフライン工程に入る。
このベッド３２に患者３１を固定した後、決定された位置に移動調整し、患者３１の体内の照射目標２２を治療ビーム３５の照準に合わせる（Ｓ１７）。なおこのベッド３２の移動調整は、医用透視撮像機器４０でＸ線透視画像を１枚撮影し、この透視画像とＤＲＲ像とを比較し、両者が一致するように実施される。
そして、医用透視撮像機器４０を動作させて透視動画の少なくとも一周期分データを取得し、データ保持させる（Ｓ１８）。そして、この透視動画から呼吸と同期して変位する体内部位に対応する２つ以上の第２特徴領域の各々を識別する（Ｓ１９）（Ｓ２０）。

再構成動画５から識別された２つ以上の第１特徴領域と透視動画１２から識別された２つ以上の第２特徴領域とを体内部位が一致する組み合わせで対比する（Ｓ２１）（Ｓ２２）。そして、複数の体内部位のうち再構成動画５と透視動画１２とにおいて変位軌道の相関性のとれたいずれか一つを選定する（Ｓ２３）。
次に、選定された体内部位に対応する再構成動画５の特徴領域と病巣領域との関係から、この特徴領域からこの病巣領域に変換する変換パラメータを演算する（Ｓ２４）。

次に、治療作業のオンライン工程に入る。
医用透視撮像機器４０からリアルタイムで送られてくる透視動画１２ａから、選定した体内部位の特徴領域を識別し、変換パラメータに基づくデータ変換により、病巣領域を検出する（Ｓ２５）。
この透視動画１２ａで検出された病巣領域が、指定した照射目標２２に変位したタイミングで（Ｓ２６）、トリガ信号が、出力され治療ビーム３５が患者３１の病巣に、照射される（Ｓ２７）（ＥＮＤ）。

（第２実施形態）
次に図４及び図５を参照して本発明における第２実施形態について説明する。なお図４において図１と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第２実施形態に係る医用画像処理装置１０は、透視動画１２において検出された第２病巣領域５１（図５）が呼吸と同期して変位する範囲の少なくとも一部を包含する参照領域５２を設定する参照領域設定部２３と、呼吸に同期して周期的に変化する参照領域５２を異なる位相毎に複数のテンプレートとして抽出するテンプレート抽出部２４と、複数の中から指定されたいずれか一つのテンプレート２５に医用透視撮像機器４０からリアルタイムで送られてくる透視動画１２ａにおいて呼吸に同期して周期的に変化する参照領域５２が一致したタイミングで第２トリガ信号を出力する第２トリガ信号出力部２６と、をさらに備えている。

このように医用画像処理装置１０が構成されることにより、患者３１のリアルタイムなＸ線の透視動画１２ａから、呼吸と同期して周期的な変位を繰り返し描写が不鮮明な病巣を、正確にリアルタイムで追跡することが可能になる。
さらに、リアルタイムに透視動画１２ａの第２特徴領域５３を識別する必要がなく、さらに変換パラメータにより第２病巣領域５１を検出する必要もないので、その分の演算遅延がなくなる。これにより、治療ビーム３５を病巣に照射するタイミングをより正確に把握することができる。

参照領域設定部２３は、治療作業のオフライン工程で取得した（データ保持部に保持されている）透視動画１２に基づき、病巣領域検出部１８で検出した第２病巣領域５１の情報を利用する。そして、呼吸と同期して変位する第２病巣領域５１の少なくとも一部を包含する領域を参照領域５２に設定する。この参照領域５２の画像は、呼吸の変位に同期して変化するものである。

テンプレート抽出部２４は、透視動画１２に設定された参照領域５２において、呼吸の位相毎に変化する複数の異なる画像をそれぞれテンプレートとして抽出する。このようにして抽出されたテンプレートは、透視動画１２で呼吸位相毎に位置が異なる病巣変位に対応している。そしてテンプレート抽出部２４は、このように抽出された異なる複数のテンプレートから、治療計画で決定した患者体内の照射目標に対応するテンプレート２５を一つ指定する。

第２トリガ信号出力部２６は、医用透視撮像機器４０からリアルタイムで送られてくる透視動画１２ａの参照領域５２の画像と、指定されたテンプレート２５の画像とが一致したタイミングで第２トリガ信号を出力する。
そして放射線治療装置３０の照射制御部３７は、医用画像処理装置１０から出力されるトリガ信号を受信したタイミングでビーム照射ポート３６から治療ビーム３５を患者３１の病巣に照射させる。

（第３実施形態）
次に図６を参照して本発明における第３実施形態について説明する。なお図６において図１及び図４と共通の構成又は機能を有する部分は、同一符号で示し、重複する説明を省略する。
第３実施形態の医用画像処理装置１０は、第１実施形態と第２実施形態を合わせた構成を有している。そして、リアルタイムに検出部１８に送られてくる透視動画１２ａに基づいて検出された病巣領域と、指定されたテンプレート２５に記録された病巣の位置と、が所定の範囲内にあり、かつ、検出された病巣領域が照射目標２２に変位したタイミングで第３トリガ信号を出力する第３トリガ信号出力部２７が設けられている。

第１実施形態では、医用透視撮像機器４０からリアルタイムで送信される透視動画１２ａから、識別された体内部位に基づいて病巣の位置を検出し、この位置がビーム照準に一致するタイミングをはかっていた。
一方で第２実施形態では、医用透視撮像機器４０からリアルタイムで送信される透視動画１２ａの参照領域５２と、指定したテンプレートとが画像的に一致するタイミングをはかっていた。

このようなプロセスの相違により、第１実施形態で求められたタイミングと第２実施形態で求められたタイミングとが厳密に一致している保証はない。
そこで、第３実施形態では、双方のタイミングの一致性を瞬時に評価して、一致していると判断されれば照射制御部３７にトリガ信号を出力し、不一致と判断されればトリガ信号を出力しない。

このような、双方のタイミングの一致・不一致の判断は、指定したテンプレート２５に病巣領域の位置を記録しておき、テンプレート２５に記録された病巣領域の位置と、病巣領域検出部１８で検出された病巣領域の位置との一致度を閾値判断する。この場合の他に、第１実施形態において出力された第1トリガ信号と、第２実施形態において出力された第２トリガ信号との、出力タイミングの時間差を閾値判断してもよい。
これにより、治療ビーム３５を病巣に正確に照射するためのタイミングの精度を向上させることができる。

ここで第３トリガ信号出力部２７において、治療ビーム３５を照射するタイミングの精度向上を目的とした処理方法の一例を、次に示す。
まず、テンプレート２５に記録された病巣領域の軌跡をＹ_d＝｛ｙ_1,d，…，ｙ_M,d｝とし、病巣領域検出部１８で検出された病巣領域の軌跡をＹ_s＝｛ｙ_1,s，…，ｙ_M,s｝とし、オフライン期間において、このＹ_d及びＹ_sを求める。
両者の一致度ｅを、図７の（１２）式のように定義し、この一致度が所定の範囲内にあれば、オンライン期間に移行し、検出された病巣領域が照射目標２２に変位したタイミングで第３トリガ信号が出力される。
ここで、||ｘ||は、ベクトルｘのユークリッドノルムを表す。一致度ｅの値が所定の閾値以内であればトリガ信号を出力する。それ以外は、トリガ信号を出力せずにリアルタイムに透視動画１２ａの取得を継続し、照射タイミングを決定するためのアルゴリズムを継続する。

（第１特徴識別部７、第２特徴識別部１５及び対比選定部１６の他の実施例）
以下、再構成動画５及び透視動画１２，１２ａに含まれる体内部位を特徴領域として、さらに高精度に識別するための方法について説明する。
各実施形態において、第１特徴識別部７および第２特徴識別部１５は、画像の局所的な部分に関しての画素値の空間的微分値によって画像の境界を検出する。コントラストが高く撮影される場合には十分ではあるが、透視動画１２の画質を高めるためには、医用透視撮像機器４０において患者３１に照射するＸ線線量を高くする必要があり、人体への影響が懸念される。
そこで、医用透視撮像機器４０の線量を下げた場合においても、透視動画１２から第２特徴領域を高精度に検出するために、この第２特徴領域周辺の広範囲な画像情報を利用して、よりロバストに特徴領域を検出することを検討する。

第１特徴識別部７は、再構成動画（ＤＤＲ）内の第１動きベクトルを求める。第２特徴識別部１５は、透視動画１２内の第２動きベクトルを求める。
ここで動きベクトルとは、所定の領域内の任意の位置、望ましくは所定の領域の重心位置の動きベクトルを意味する。ここで、第１動きベクトルの軌跡を、図７の（１３）式のように定義し、第２動きベクトルの軌跡を、図７の（１４）式のように定義する。
なお、画像の動きベクトルを求める手法は様々あり、画像上のある点の動きベクトルを表したオプティカルフローを求める手法として、勾配法やＬｕｃａｓ−Ｋａｎａｄｅ法がある。または、所定の領域内の画像をテンプレートとしてテンプレート追跡などによって所定の領域の動きベクトルを求めてもよい。

第１動きベクトルの軌跡を用いて、時刻ｉ＋１における第１特徴領域を予測する。予測した時刻ｉ＋１における第１特徴領域の位置を、図７の（１５）式のように定義する。
この（１５）式を用いて、第１特徴領域の軌跡に関する目的関数Ｇ(ｘ₁，…，ｘ_N)を、図７の（１６）式のように定義する。また第２特徴領域の軌跡に関する目的関数Ｇ(ｙ₁，…，ｙ_N)も同様に定義する。

対比選定部１６は、再構成動画５のデータ保存部から第１特徴領域及び第１動きベクトルを取得し、透視動画１２のデータ保存部から第２特徴領域及び第２動きベクトルを取得する。
そして対比選定部１６は、第１特徴領域及び第２特徴領域の組み合わせだけでなく、第１動きベクトル及び第２動きベクトルの組み合わせを対比して変位の相関性のとれたいずれか一つの体内部位を選定する。

対比選定部１６は、第１動きベクトルと第１特徴領域との相関を、図２の式（５）によって求める。１番目の第１特徴領域と第１動きベクトルとの相関を、図７の（１７）式の右辺の第１項のように定義する。
さらに対比選定部１６は、第２動きベクトルと第２特徴領域との相関を、図２の式（５）によって求める。ｌ番目の第２特徴領域と第２動きベクトルとの相関を、図７の（１７）式の右辺の第２項のように定義する。さらに両者の積をとり図７の（１７）式を相関値として定義する。

そして対比選定部１６では、図７の（１７）式の左辺で表される相関値が最も優れた値を示すものが、この後の変換パラメータを生成する処理に利用する体内部位に選定される。または、相関値に対し閾値を設定し、選定の基準にしてもよい。

（第１特徴識別部７、第２特徴識別部１５及び病巣領域識別部６の他の実施例）
特徴領域及び病巣領域をオートで正確に識別する方法について説明する。
Ｐ個の点に対して動きベクトルを求めて得られた軌跡を、図７の式（１８）のように定義する。また、異なる呼吸位相における腫瘍領域の重心の軌跡を、Ｓ＝{Ｓ₁，…，Ｓ_N}と定義する。
ある点ｐの軌跡と腫瘍の重心の軌跡との相関r_pを図２の式（５）から導く。そして図７の式（１９）に基づいて、最も腫瘍の重心の軌跡との相関の高い点ｐを求め、この点ｐを含めた周辺の一定の領域を、識別領域として出力する。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の医用画像処理装置によれば、立体動画を平面上に再構成した動画と透視動画とにおいて、変位の軌跡が最も一致する体内部位を選定し、この選定された体内部位の変位との相関性に基づいて、写し出される画像が不鮮明な病巣を、透視動画において正確に検出し追跡することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

以上説明した医用画像処理装置１０は、専用のチップ、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、又はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを高集積化させた制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）などの記憶装置と、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）などの外部記憶装置と、ディスプレイなどの表示装置と、マウスやキーボードなどの入力装置と、通信Ｉ／Ｆとを、備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成で実現できる。

また医用画像処理装置１０で実行されるプログラムは、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供される。もしくは、このプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ、メモリカード、ＤＶＤ、フレキシブルディスク（ＦＤ）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供するようにしてもよい。

また、本実施形態に係る医用画像処理装置１０で実行されるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせて提供するようにしてもよい。
また、装置１０は、構成要素の各機能を独立して発揮する別々のモジュールを、ネットワーク又は専用線で相互に接続し、組み合わせて構成することもできる。

１…再構成動画取得部、２…立体動画、３…再構成動画生成部、５…再構成動画、６…病巣領域識別部、７…特徴識別部、８…設計情報、９（９ａ）…仮想視点、９ａ…仮想視点、１０…医用画像処理装置、１１…透視動画取得部、１２，１２ａ…透視動画、１５…特徴識別部、１６…対比選定部、１７…変換パラメータ演算部、１８…病巣領域検出部、２１…第１トリガ信号出力部、２２…照射目標、２３…参照領域設定部、２４…テンプレート抽出部、２５…テンプレート、２６…第２トリガ信号出力部、２７…第３トリガ信号出力部、３０…放射線治療装置、３１…患者、３２…ベッド、３３…ベッド移動調整部、３５…治療ビーム、３６…ビーム照射ポート、３７…照射制御部、４０…医用透視撮像機器、４１…Ｘ線発生部、４２…Ｘ線受像部、４３…撮像制御部、４５…モニタ、４６…入力手段、５１…病巣領域、５２…参照領域、５３…特徴領域。

Claims (7)

1. 患者の体内を撮像した立体動画であって呼吸と同期して変位する病巣の領域が指定された前記立体動画の少なくとも一周期分データを、設定した仮想視点から仮想平面上に再構成した再構成動画を取得する再構成動画取得部と、
   前記再構成動画から前記指定された病巣に対応する第１病巣領域を識別する病巣領域識別部と、
   前記再構成動画から呼吸と同期して変位する体内部位の輪郭で規定される第１特徴領域を２つ以上識別する第１特徴識別部と、
   医用透視撮像機器を用いて前記患者を前記再構成動画に対応させて透視した透視動画の少なくとも一周期分データを取得する透視動画取得部と、
   前記体内部位に対応する２つ以上の第２特徴領域の各々を前記透視動画から識別する第２特徴識別部と、
   前記再構成動画から識別された２つ以上の前記第１特徴領域及び前記透視動画から識別された２つ以上の前記第２特徴領域を、対応する前記体内部位が一致する組み合わせで対比して変位の相関性のとれたいずれか一つの前記体内部位を選定する対比選定部と、
   前記選定された前記体内部位に対応する前記第１特徴領域を、前記再構成動画において同位相で変位する前記第１病巣領域に、変換させる変換パラメータを演算する変換パラメータ演算部と、
   前記選定された前記体内部位に対応する前記第２特徴領域及び前記変換パラメータに基づいて、前記透視動画において変位する第２病巣領域を検出する病巣領域検出部と、を備えることを特徴とする医用画像処理装置。
2. 請求項１に記載の医用画像処理装置において、
   前記第２病巣領域を前記透視動画に描画する描画部と、
   前記医用透視撮像機器からリアルタイムで送られてくる前記透視動画に描画される前記第２病巣領域が、指定した照射目標に変位したタイミングで第１トリガ信号を出力する第１トリガ信号出力部と、をさらに備えることを特徴とする医用画像処理装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の医用画像処理装置において、
   前記透視動画において検出された前記第２病巣領域が呼吸と同期して変位する範囲の少なくとも一部を包含する参照領域を設定する参照領域設定部と、
   前記呼吸に同期して周期的に変化する前記参照領域を、異なる位相毎に複数のテンプレートとして、抽出するテンプレート抽出部と、
   複数の中から指定されたいずれか一つの前記テンプレートに、前記医用透視撮像機器からリアルタイムで送られてくる前記透視動画において周期的に変化する前記参照領域が、一致したタイミングで、第２トリガ信号を出力する第２トリガ信号出力部と、をさらに備えることを特徴とする医用画像処理装置。
4. 請求項１に記載の医用画像処理装置において、
   前記透視動画において検出された前記第２病巣領域が呼吸と同期して変位する範囲の少なくとも一部を包含する参照領域を設定する参照領域設定部と、
   前記呼吸に同期して周期的に変化する前記参照領域を、異なる位相毎に複数のテンプレートとして、抽出するテンプレート抽出部と、
   前記病巣領域検出部からリアルタイムに送られてくる前記透視動画に基づいて検出された前記病巣領域と指定された前記テンプレートに記録された病巣の位置とが所定の範囲内にあり、かつ、前記検出された病巣領域が前記照射目標に変位したタイミングで第３トリガ信号を出力する第３トリガ信号出力部と、をさらに備えることを特徴とする医用画像処理装置。
5. 患者を固定したベッドを移動して、変位する前記病巣の軌跡上に予め指定した照射目標に、ビーム照射ポートのビーム照準が、一致するように調整するベッド移動調整部と、
   前記患者を透視した透視動画を生成する医用透視撮像機器を制御して請求項２又は請求項３に記載の医用画像処理装置の前記透視動画取得部に前記透視動画を送信する撮像制御部と、
   請求項２又は請求項３に記載の医用画像処理装置から出力されるトリガ信号を受信したタイミングで前記ビーム照射ポートから治療ビームを照射させる照射制御部と、を備えることを特徴とする放射線治療装置。
6. 患者の体内を撮像した立体動画であって呼吸と同期して変位する病巣の領域が指定された前記立体動画の少なくとも一周期分データを、設定した仮想視点から仮想平面上に再構成した再構成動画を取得するステップと、
   前記再構成動画から前記指定された病巣に対応する第１病巣領域を識別するステップと、
   前記再構成動画から呼吸と同期して変位する体内部位の輪郭で規定される第１特徴領域を２つ以上識別するステップと、
   医用透視撮像機器を用いて前記患者を前記再構成動画に対応させて透視した透視動画の少なくとも一周期分データを取得するステップと、
   前記体内部位に対応する２つ以上の第２特徴領域の各々を前記透視動画から識別するステップと、
   前記再構成動画から識別された２つ以上の前記第１特徴領域及び前記透視動画から識別された２つ以上の前記第２特徴領域を、対応する前記体内部位が一致する組み合わせで対比して変位の相関性のとれたいずれか一つの前記体内部位を選定するステップと、
   前記選定された前記体内部位に対応する前記第１特徴領域を、前記再構成動画において同位相で変位する前記第１病巣領域に、変換させる変換パラメータを演算するステップと、
   前記選定された前記体内部位に対応する前記第２特徴領域及び前記変換パラメータに基づいて、前記透視動画において変位する第２病巣領域を検出するステップと、を含むことを特徴とする医用画像処理方法。
7. コンピュータに、
   患者の体内を撮像した立体動画であって呼吸と同期して変位する病巣の領域が指定された前記立体動画の少なくとも一周期分データを、設定した仮想視点から仮想平面上に再構成した再構成動画を取得させるステップ、
   前記再構成動画から前記指定された病巣に対応する第１病巣領域を識別させるステップ、
   前記再構成動画から呼吸と同期して変位する体内部位の輪郭で規定される第１特徴領域を２つ以上識別させるステップ、
   医用透視撮像機器を用いて前記患者を前記再構成動画に対応させて透視した透視動画の少なくとも一周期分データを取得させるステップ、
   前記体内部位に対応する２つ以上の第２特徴領域の各々を前記透視動画から識別させるステップ、
   前記再構成動画から識別された２つ以上の前記第１特徴領域及び前記透視動画から識別された２つ以上の前記第２特徴領域を、対応する前記体内部位が一致する組み合わせで対比して変位の相関性のとれたいずれか一つの前記体内部位を選定させるステップ、
   前記選定された前記体内部位に対応する前記第１特徴領域を、前記再構成動画において同位相で変位する前記第１病巣領域に、変換させる変換パラメータを演算させるステップ、
   前記選定された前記体内部位に対応する前記第２特徴領域を及び前記変換パラメータに基づいて、前記透視動画において変位する第２病巣領域を検出させるステップ、を実行させることを特徴とする医用画像処理プログラム。

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