JP2017209243A - 放射線照射システムおよび動体追跡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被写体が厚い等のＸ線による透視条件が厳しい場合でも正確に追跡対象を検出することができる放射線照射システムおよび動体追跡装置を提供する。
【解決手段】予め用意したマーカー２９を表すテンプレート画像を用いて二つの透視画像上でテンプレートマッチングを実施し、マッチングスコアが高い位置をマーカー２９位置の候補としてリスト化する。マーカー２９位置の２つの候補リストから全組み合わせに対して共通垂線の長さを計算する。その上で、マッチングスコアと共通垂線とに基づいてマーカー２９の位置を検出する。そして検出したマーカー２９の位置に基づいて標的に照射する陽子線の出射の制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、荷電粒子やＸ線などの放射線を腫瘍等の患部に照射して治療する放射線照射システムおよびこのような放射線照射システムに好適な動体追跡装置に関する。

体幹部内で動き回る腫瘍の位置を実時間で、かつ自動的に算出し、機構系の絶対精度に依存せずに実質必要な精度を確保することができる動体追跡照射装置の一例として、特許文献１には、腫瘍近傍に埋め込まれた腫瘍マーカーを第１及び第２の方向から同時に撮像して第１及び第２の透視映像を得る透視装置と、デジタイズされた第１及び第２の透視映像に予め登録された腫瘍マーカーのテンプレート画像を作用させた濃淡正規化相互相関法によるテンプレートマッチングを所定フレームレートの実時間レベルで実行し、第１及び第２の透視変換行列に基づき前記腫瘍マーカーの第１及び第２の２次元座標を算出する画像入力認識処理部と、前記算出された第１及び第２の２次元座標に基づき前記腫瘍マーカーの３次元座標を計算する中央演算処理部と、前記計算された腫瘍マーカーの３次元座標に基づきライナックの治療ビーム照射を制御する照射制御部とを備えた動体追跡照射装置が記載されている。

特許第３０５３３８９号

癌などの患者に荷電粒子やＸ線などの放射線を照射する方法が知られている。荷電粒子には陽子線や炭素線などがある。この照射に用いる放射線照射システムは、カウチと呼ばれる患者用ベッド上に固定された患者の体内で腫瘍などの標的の形状に適した線量分布を形成する。

ところで、腫瘍などの標的が呼吸などで移動すると、正確な照射が難しくなる。そこで、標的が予め決められた範囲（ゲート範囲）にある場合のみ照射するゲート照射を実施することが近年実現されている。

上述した特許文献１には、患部付近に埋め込まれたマーカーの位置に基づいてゲート照射を実施する動体追跡照射と呼ばれる方法が記載されている。

特許文献１に記載されたようなゲート照射で用いられるマーカーは、例えば直径２ｍｍ程の金属製の球体などである。

動体追跡照射では、患部付近に埋め込まれたマーカーや照射対象そのもの等の追跡対象の位置に基づきゲート照射を実施する。マーカー等の追跡対象の位置は、交差する２方向のＸ線による透視画像を用いて計測される。透視画像に写る追跡対象の位置は、テンプレートマッチングと呼ばれる方法により検出される。

このテンプレートマッチングとは、テンプレート画像と呼ばれる予め用意した追跡対象の画像と透視画像とを比較し、透視画像の中でテンプレート画像に最も近いパターンを検出する方法である。追跡対象が写ったＸ線測定器上の位置と透視用Ｘ線発生装置を結ぶ２本の線が最も接近する位置を追跡対象の位置とみなす。この２本の線が最も接近する位置には、２本の線に対して垂直な線を引くことができる。この線を共通垂線と呼び、共通垂線の中点を追跡対象の位置と見なしている。

特許文献１に記載された技術等では、２つの透視画像上でそれぞれ独立に追跡対象を検出していた。そのため、被写体が厚い等のＸ線による透視条件が厳しい場合、透視画像上の追跡対象の近傍に、追跡対象に似た構造が現れると、追跡対象ではないものを追跡対象と誤検出することがある。この追跡対象の誤検出は、共通垂線の長さが長くなることにより検出される。追跡対象を誤検出すると、追跡対象が写ったＸ線測定器上の位置と透視用Ｘ線発生装置を結ぶ２本の線の距離が離れるため、共有垂線の長さが長くなるためである。

追跡対象の誤検出が発生すると、分布形成用放射線の照射を停止して、正しい追跡対象を装置に手作業で再び検出させる必要があるため、照射時間が長くなるという課題があった。

本発明の目的は、被写体が厚い等のＸ線による透視条件が厳しい場合でも正確に追跡対象を検出することができる放射線照射システムおよび動体追跡装置を提供することにある。

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、放射線を加速する放射線発生装置と、前記加速された放射線を輸送するビーム輸送系と、前記放射線を標的に照射する照射装置と、Ｘ線測定器およびＸ線発生装置を一組とし、追跡対象の透視画像を撮像する２組以上のＸ線透視装置と、前記放射線発生装置、前記ビーム輸送系および前記照射装置を制御するとともに、前記Ｘ線透視装置によって撮影した透視画像から、前記追跡対象の位置を検出する制御部と、を備えた放射線照射システムであって、前記制御部は、前記２以上のＸ線透視装置のそれぞれで得られた前記透視画像から前記追跡対象の位置の候補の検出の確かさを表す値および前記候補の位置の相関を表す値を求め、この検出の確かさを表す値および前記相関を表す値に基づいて前記追跡対象の位置を検出し、この検出した追跡対象の位置に基づいて前記標的に照射する前記放射線を制御することを特徴とする。

本発明によれば、被写体が厚い等のＸ線による透視条件が厳しい場合でも正確に追跡対象を検出することができ、例えば照射時間を短縮することができる。

本発明の実施形態の陽子線照射システムの全体構成図である。 本実施形態の動体追跡装置が透視画像を取得する概念図である。 本実施形態の動体追跡装置が透視画像からマーカーの位置を計算する概念図である。 本実施形態における透視画像からマーカーを探索する工程の一例を示す図である。 図４における各マーカーの候補位置におけるマッチングスコアの値の一例を示す図である。 図４における各マーカーの候補位置におけるマッチングスコアの値の一例を示す図である。 本実施形態における評価関数の演算結果の一例を示す図である。 本実施形態におけるコンソールの画面の一例を示す概念図である。 本実施形態におけるコンソールの画面の他の一例を示す概念図である。 本実施形態の他の例における動体追跡装置が透視画像からマーカーの位置を計算する概念図である。

本発明の放射線照射システムおよび動体追跡装置の実施形態を、図１乃至図８を用いて説明する。

本発明は、Ｘ線照射システムや陽子線照射システム、例えば炭素等の重粒子を標的に照射する重粒子線照射システムなどの放射線照射システムであり、本実施形態では、照射する放射線として陽子を用いる陽子線照射システムを例にして説明する。

図１は本実施形態の陽子線照射システムの全体構成を示す図である。

図１において、陽子線照射システムは、陽子線発生装置（放射線発生装置）１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２、動体追跡装置３８、カウチ２７、制御装置４０等を備えている。

陽子線発生装置１０は、イオン源１２、ライナック１３、シンクロトロン１１を備える。シンクロトロン１１は、偏向電磁石１４、四極電磁石（図示せず）、高周波加速装置１８、高周波出射装置１９、出射用デフレクタ１７等を備える。イオン源１２はライナック１３に接続されており、ライナック１３はシンクロトロン１１に接続されている。陽子線発生装置１０では、イオン源１２より発生した陽子線はライナック１３により前段加速され、シンクロトロン１１に入射する。シンクロトロン１１でさらに加速された陽子線はビーム輸送系２０に出射される。

ビーム輸送系２０は、複数の偏向電磁石２１と四極電磁石（図示せず）を備えており、シンクロトロン１１と照射ノズル２２に接続されている。また、ビーム輸送系２０の一部と照射ノズル２２は筒状のガントリー２５に設置されており、ガントリー２５と共に回転することができる。シンクロトロン１１から出射された陽子線は、ビーム輸送系２０内を通過しながら四極電磁石によって収束し、偏向電磁石２１によって方向を変えて照射ノズル２２に入射する。

照射ノズル２２は２対の走査電磁石と、線量モニタと、位置モニタ（いずれも不図示）とを備えている。２対の走査電磁石は、互いに直交する方向に設置されており、標的の位置においてビーム軸に垂直な面内の所望の位置に陽子線が到達するように陽子線を偏向することができる。線量モニタは照射された陽子線の量を計測する。位置モニタは陽子線が通過した位置を検出することができる。照射ノズル２２を通過した陽子線は照射対象２６内の標的に到達する。なお、癌などの患者を治療する場合、照射対象２６は患者を表し、標的は腫瘍などを表す。

照射対象２６を載せるベッドをカウチ２７と呼ぶ。カウチ２７は制御装置４０からの指示に基づき、直交する３軸の方向へ移動することができ、さらにそれぞれの軸を中心として回転することができる。これらの移動と回転により、照射対象２６の位置を所望の位置に移動することができる。

制御装置４０は、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２、動体追跡制御装置４１、カウチ２７、データベース４２、コンソール４３などと接続されており、これらの機器を制御する。

動体追跡装置３８は、２つの透視用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３Ｂと２つのＸ線測定器２４Ａ，２４ＢからなるＸ線透視装置と、動体追跡制御装置４１とを備える。

透視用Ｘ線発生装置２３ＡおよびＸ線測定器２４Ａと透視用Ｘ線発生装置２３ＢおよびＸ線測定器２４Ｂとの２組は、それぞれのＸ線の経路が交差するように設置されている。なお、２対の透視用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢとＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂは、互いに直交する方向に設置されることが好ましいが、直交していなくてもよい。また、透視用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢおよびＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂは、必ずしもガントリー２５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。

動体追跡制御装置４１は、Ｘ線透視装置から入力される信号に基づいて、マーカー２９の位置を演算し、その上で、マーカー２９の位置に基づいて陽子線の出射を許可するか否かを判定し、陽子線の照射の可否の信号を制御装置４０に対して送信する。この動体追跡制御装置４１と上述した制御装置４０とで制御部３９は構成される。

より具体的には、動体追跡制御装置４１は、図２に示すように、ふたつの透視用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３Ｂから発生させたＸ線によりマーカー２９を撮像すると、それぞれのＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂにマーカー２９が投影される。動体追跡制御装置４１は、取得した２つの透視画像から照射対象２６内に埋め込まれたマーカー２９の３次元位置を演算し、その結果に基づいてマーカー２９の位置に基づいて陽子線の出射を許可するか否かを判定する。例えば、マーカー２９の位置から求めた標的の位置が予め指定したゲート範囲（照射許可範囲）に入っているか否かを判定し、標的の位置がゲート範囲に入っていると判定された場合はゲートオン信号を制御装置４０に対して送信する。これに対し標的の位置がゲート範囲に入っていないと判定された場合は、ゲートオフ信号を送信して出射を許可しない。

Ｘ線透視装置による透視画像の取得は、例えば３０Ｈｚの一定間隔で実施される。取得した透視画像には体内に埋め込まれたマーカー２９が写っており、予め用意したマーカー２９のテンプレート画像とのテンプレートマッチングによりマーカー２９の照射対象２６内における位置を特定する。透視画像の全範囲を探索すると探索に時間を要するため、ひとつ前の透視画像におけるマーカー２９の位置を中心として予め定められた大きさの範囲内でのみマーカー２９の位置を探索する。

図３にテンプレートマッチングにより検出したマーカー２９のＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂ上における位置と透視用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３Ｂを結ぶ２本の線を示す。この２本の線は、理想的には１点で交わりその交点がマーカー２９の存在する位置である。

しかし、実際には、テンプレートマッチングの精度やＸ線透視装置の設置誤差などから、通常２本の線は交わらずにねじれの関係にある。このねじれの関係にある２本の線が最も接近する位置には共通の垂線を引くことができる。この共通の垂線を共通垂線３０と呼ぶ。そして、共通垂線３０の中点をマーカー２９の位置としている。

ここで、少なくとも片方の透視画像上でマーカー２９を正しく検出していない場合、共通垂線は長くなる。これを利用して、共通垂線３０の長さが予め設定した閾値を超えた場合、マーカー２９を正確に検出できていない可能性が高いとして、動体追跡制御装置４１はマーカー２９の位置がゲート範囲内にある場合でもゲートオフ信号を制御装置４０に送信して陽子線の照射を停止させている。

本実施形態の動体追跡制御装置４１の特徴は、このマーカー２９を検出する方法にある。テンプレートマッチングでは、予め用意したマーカー２９のテンプレート画像と透視画像を比較してマッチングスコアと呼ばれるテンプレート画像との一致度を計算する。このマッチングスコアが高いほど探索中の透視画像とテンプレート画像が一致していることを表す。

マーカーの位置の検出方法としては、例えば、探索範囲内におけるマッチングスコアが最も高い位置をマーカー２９の位置として検出する方法がある。

これに対し、本実施形態の動体追跡制御装置４１では、Ｘ線測定器２４Ａ，２４Ｂのそれぞれで得られた透視画像からマーカー２９の位置の候補を１つ以上検出し、この候補の検出の確かさを表す値を求める。またＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂのそれぞれで検出したマーカー２９の候補の位置の相関を表す値を求める。その後、この検出の確かさを表す値および相関を表す値に基づいてマーカー２９の位置を検出する。そして、この検出したマーカー２９の位置に基づいて、信号を制御装置４０に対して出力することで、照射対象２６内の標的に照射する陽子線を制御する。

ここで、検出の確かさを表す値を、Ｘ線測定器２４Ａで得られた透視画像におけるテンプレートマッチングにおけるマッチングスコアとＸ線測定器２４Ｂで得られた透視画像におけるテンプレートマッチングにおけるマッチングスコアとする。また、マーカー２９の候補の位置の相関を表す値を、Ｘ線測定器２４Ａで得られた透視画像におけるマーカー２９の候補の位置に対応するＸ線測定器２４Ａ上の位置とＸ線発生装置２３Ａとを結ぶ線、およびＸ線測定器２４Ｂで得られた透視画像におけるマーカー２９の候補の位置に対応するＸ線測定器２４Ｂ上の位置とＸ線発生装置２３Ｂとを結ぶ線の２つの線の間を最短で結ぶ共通垂線の長さとする。

また、動体追跡制御装置４１は、検出の確かさを表す値であるマッチングスコアまたは相関を表す値である共通垂線に重み付けを行い、この重み付けの結果に基づいてマーカー２９の位置を検出するようになっている。

より具体的には、マッチングスコアの最低値として透視画像Ａ６１の最低マッチングスコアＴ_Ａと透視画像Ｂ６２の最低マッチングスコアＴ_Ｂを、コンソール４３から予め値を設定しておく。この仕様については詳しくは後述する。図４にＸ線測定器２４Ａで得られた透視画像Ａ６１とＸ線測定器２４Ｂで得られた透視画像Ｂ６２を示す。それぞれの透視画像内に探索範囲Ａ６３と探索範囲Ｂ６４がある。図４では、それぞれの探索範囲内におけるマッチングスコアが予め定めた最低マッチングスコアＴ_Ａ，Ｔ_Ｂを上回った位置が３か所ずつある場合を示している。図４では、黒丸で塗りつぶされたものを実際のマーカー２９の投影像とする。

次いで、動体追跡制御装置４１は、透視画像Ａ６１と透視画像Ｂ６２のそれぞれに対してそれぞれ最低マッチングスコアＴ_Ａ，Ｔ_Ｂを上回るマーカー２９の候補の位置をリスト化する。

ここで、透視画像Ａ６１や透視画像Ｂ６２のそれぞれで作成したリストの中で、マーカー２９の候補として選ばれたものの中で同じ候補を選択していると判断される一群が存在するときは、マッチングスコアが最も高い候補をその一群におけるマーカー２９の候補の位置として扱い、その一群における他の候補はリストから削除する。例えば、マーカー２９の大きさ程度より近接したものがある場合は、近接したもののうち最もスコアが高いものを残して他の候補はリストから削除する。このように近接候補を削除するための同じ候補を選択していると判断するための基準となる範囲は、予めコンソール４３上から設定する。図５に削除後のマーカー２９の候補のリストを示す。

次いで、動体追跡制御装置４１は、透視画像Ａ６１と透視画像Ｂ６２のリストに挙げられた候補の全ての組み合わせに対して共通垂線の長さを計算する。図６に組み合わせリストを示す。ひとつの組み合わせに対して２つのマッチングスコアと共通垂線の長さが求められ、この３つのパラメータに基づいてマーカー２９を検出する。透視画像Ａに対するスコアをＳ_Ａ、透視画像Ｂに対するスコアをＳ_Ｂ、共通垂線の長さをＬとしたときに、評価関数Ｆ＝ｗ_Ａ×Ｓ_Ａ＋ｗ_Ｂ×Ｓ_Ｂ＋ｗ_Ｌ×（１／Ｌ）を計算する。ここで、ｗ_Ａ、ｗ_Ｂ、ｗ_Ｌは、それぞれの項の重みである。これらの重みは、後述する図７Ｂに示すような画面からコンソール４３を見ながら設定することができる。

次いで、動体追跡制御装置４１は、全ての組み合わせの中でＦが最大となるものを選び、その共通垂線の中点をマーカー２９の位置として検出する。その上で、検出した位置が予め指定されたゲート範囲の中であれば、動体追跡制御装置４１はゲートオン信号を制御装置４０に送信して陽子線の照射を許可し、ゲート範囲の外であれば、動体追跡制御装置４１はゲートオフ信号を制御装置４０に送信して陽子線の照射を許可しない。

また、動体追跡制御装置４１は、マーカー２９の位置として選択された組み合わせにおける透視画像Ａ６１におけるテンプレートマッチングでのマッチングスコアや透視画像Ｂ６２におけるテンプレートマッチングでのマッチングスコアと予め定めた第１所定値との大小を比較し、その結果をコンソール４３に対して出力する。なお、マーカー２９の位置の候補の数を比較対象としてもよいし、候補の数自体を所定の値と比較し、その結果をコンソール４３に対して出力するようにしてもよい。

図４から図６の例では、マッチングスコアのみを判断基準とした場合であれば、透視画像Ａ６１と透視画像Ｂ６２で共にマッチングスコアが最も高い１番の候補（各々１番と１番）を選択していた。この場合、透視画像Ａ６１では誤検出していることになる。

しかし、本実施形態であれば、図６の表のＦの値が最も大きい透視画像Ａの２番と透視画像Ｂの１番の組み合わせがマーカー２９として検出される。

なお、Ｆが最大となる組み合わせの透視画像Ａ６１と透視画像Ｂ６２でのマッチングスコアの少なくとも一方が、それぞれのリストの中で最高のものではなかった場合は、マーカー２９の検出精度が低下していることが考えられるため、測定したマーカー２９の位置がゲート範囲の中にある場合でもゲートオフ信号を送信するように設定したり、後述するコンソール４３上に共通垂線に関する情報と共に、マッチングスコアに関するアラートを表示することも可能である。

上述の本実施形態の陽子線照射システムは、スポットスキャニング法と呼ばれる照射方法を採用したものである。スポットスキャニング法は、細い陽子線が形成する線量分布を並べて標的の形状に合わせた線量分布を形成する方法である。陽子線は、体内でエネルギーを損失しながら進み、停止直前にエネルギー損失が最大になる特徴がある。このエネルギー損失による線量分布の形状は、ブラッグカーブと呼ばれ、飛程終端にピークを有する。陽子線がピークを形成する深さは、陽子線のエネルギーを変更することにより調整することができる。また、陽子線が形成するビーム軸に垂直な方向の線量分布形状は、概ね正規分布である。ビーム軸に垂直な方向の線量分布を形成する位置は、走査電磁石により陽子線を走査することにより調整することができる。エネルギーの変更と走査電磁石による走査を組み合わることで標的全体に一様な線量分布を形成することができる。

図１に戻り、データベース４２には治療計画装置などにより作成された照射のためのパラメータが保存されており、制御装置４０は、照射前にデータベース４２から必要な情報を受信する。

コンソール４３は、制御装置４０や動体追跡制御装置４１と接続されており、制御装置４０と動体追跡制御装置４１から取得した信号に基づいて画面上に情報を表示する。また、コンソール４３は、陽子線照射システムを操作するオペレータからの入力を受け取り、制御装置４０と動体追跡制御装置４１に様々な制御信号を送信する。例えば、コンソール４３は、Ｘ線透視装置によって得られた透視画像やマーカー２９の追跡状況を表示する。また、コンソール４３から、マーカー２９の追跡に必要なパラメータを設定することができる。

図７Ａおよび図７Ｂに、コンソール４３に表示される動体追跡制御装置４１に関係する動体追跡用の画面を示す。

図７Ａの画面上には、Ｘ線測定器２４Ａで得られた透視画像Ａ６１とＸ線測定器２４Ｂで得られた透視画像Ｂ６２とが表示されている。また、透視画像Ａ６１の左側には、透視開始ボタン５０、ゲートスタートボタン５１、設定ボタン５２、追跡ロックボタン５３が表示されている。更に、透視画像Ｂ６２の下側には、Ｘ線測定器２４Ａで得られた透視画像Ａ６１におけるテンプレートマッチングで得られたマッチングスコアと予め定めた第１所定値との大小を比較した結果を色分けで表示する結果表示部５４ａ、Ｘ線測定器２４Ｂで得られた透視画像Ａ６１におけるテンプレートマッチングで得られたマッチングスコアと予め定めた第１所定値との大小を比較した結果を色分けで表示する結果表示部５４ｂも表示されている。なお、結果表示部５４ａ，５４ｂは色分け表示に限られず、数値そのものを表示するようにしてもよい。

図７Ａに示す設定ボタン５２が押下されると、図７Ｂの画面が表示される。図７Ｂの画面には、上述した評価関数の重みとなるｗ_Ａの入力部５５、ｗ_Ｂの入力部５６、ｗ_Ｌの入力部５７や、Ｘ線測定器２４Ａで得られた透視画像Ａ６１における最低マッチングスコアＴ_Ａの入力部５８、Ｘ線測定器２４Ｂで得られた透視画像Ｂ６２における最低マッチングスコアＴ_Ｂの入力部５９がある。

追跡ロックボタン５３が押下されると、動体追跡制御装置４１は、検出の確かさを表す値および相関を表す値に基づいて追跡対象の位置を検出する第１モードと、検出の確かさを表す値のみに基づいて追跡対象の位置を検出する第２モードと、を切り替える。

次に、陽子線を照射する場合の手順について説明する。

最初に、カウチ２７の上に照射対象２６を固定する。その後、カウチ２７を動かして照射対象２６を予め計画した位置に移動する。この際、Ｘ線透視装置を用いて透視画像を撮像することにより、照射対象２６が予め計画した位置に移動したことを確認する。

オペレータによりコンソール４３上の照射準備ボタンが押下されると、制御装置４０は、データベース４２からガントリー角度とエネルギーとスポットの情報を読み込む。読み込んだガントリー角度に合わせて、オペレータは、コンソール４３からガントリー回転ボタンを押下しガントリー２５を回転させる。

ガントリー２５の回転後、オペレータはコンソール４３から透視開始ボタン５０を押下して動体追跡制御装置４１にＸ線透視を開始させる。

Ｘ線透視開始後、オペレータは追跡したいマーカー２９を画面上で選択することにより、それぞれの透視画像上でマーカー２９の追跡を開始する。マーカー２９の追跡にはテンプレートマッチングを用いる。テンプレートマッチングでは、予めテンプレート画像として登録されたマーカー２９画像のパターンに最も合う位置を透視画像上で探索する。それぞれの透視画像上でマッチングスコアが最大の位置をマーカー２９として検出し追跡する。

ふたつのＸ線透視装置に対応するふたつの透視画像上でマーカー２９の追跡の開始を確認した後、追跡ロックボタン５３を押下する。追跡ロックボタン５３の押下後のマーカー２９の追跡方法は、上述したそれぞれのマッチングスコアと共通垂線の長さを考慮した評価関数を用いたマーカー２９の検出である第１モードを実施する。ゲート範囲を設定し、マーカー２９の追跡ができていることを確認した後、ゲートスタートボタン５１を押下する。ゲートスタートボタン５１の押下により、マーカー２９の位置がゲート範囲内にあれば動体追跡制御装置４１から制御装置４０に向けてゲートオン信号が送信される。なお、追跡ロックボタン５３を設けずに、ふたつの透視画像でマーカー２９の追跡が開始されると自動的にそれぞれのマッチングスコアと共通垂線の長さを考慮したマーカー２９の検出方法に移行することもできる。

オペレータがコンソール４３上の照射開始ボタンを押下すると、制御装置４０は、データベース４２から読み込んだエネルギーとスポットの情報に基づき、最初に照射するエネルギーまで陽子線を加速する。

具体的には、制御装置４０は、イオン源１２とライナック１３を制御して、イオン源１２で発生させた陽子線をライナック１３により前段加速し、シンクロトロン１１へ入射させる。

次いで、制御装置４０は、シンクロトロン１１を制御して、入射した陽子線を最初に照射するエネルギーまで加速する。シンクロトロン１１を周回する陽子線は、高周波加速装置１８からの高周波により加速される。制御装置４０は、最初に照射するエネルギーの陽子線がシンクロトロン１１から照射ノズル２２へ到達できるようにビーム輸送系２０の偏向電磁石２１と四極電磁石の励磁量を制御する。また、データベース４２からのスポット情報にある最初に照射するスポット位置に陽子線が到達するように照射ノズル２２内の２台の走査電磁石の励磁量を設定する。

これらの設定が完了した後、動体追跡制御装置４１から制御装置４０がゲートオン信号を受信していれば陽子線の照射を開始する。また、ゲートオフ信号を受信していれば、ゲートオン信号を受信するまで待機する。

ゲートオン信号を受信した後、制御装置４０は高周波出射装置１９に高周波を印加して陽子線の出射を開始する。高周波出射装置１９に高周波が印加されるとシンクロトロン１１内を周回する陽子線の一部が出射用デフレクタ１７を通過してビーム輸送系２０を通過し照射ノズル２２に到達する。照射ノズル２２に到達した陽子線は２台の走査電磁石により走査され、線量モニタと位置モニタを通過して照射対象２６の標的に到達し線量分布を形成する。スポット毎の照射量はデータベース４２からのスポット情報に登録されており、線量モニタが測定した照射量がスポット情報に登録された値に到達すると制御装置４０は出射用高周波を制御して陽子線の出射を停止する。陽子線の出射後、制御装置４０は位置モニタが測定した陽子線の位置情報から標的位置での陽子線の到達位置を計算し、スポット情報に登録された位置と一致することを確認する。

制御装置４０は次のスポットを照射するため、スポット情報に登録されている位置に陽子線が到達するように走査電磁石の励磁量を設定する。設定完了後、ゲートオン信号を受信し続けていれば制御装置４０は出射用高周波を制御して陽子線の出射を開始する。ゲートオフ信号を受信していれば、ゲートオン信号を受信するまで待機する。あるスポットの照射の途中でゲートオフ信号を受信した場合には、照射中のスポットの照射が完了するまでは陽子線の出射を継続する。

スポットの照射を繰り返し、最初のエネルギーで照射するスポットの照射を全て完了すると、制御装置４０はシンクロトロン１１を制御して陽子線を減速させ、次のエネルギーの陽子線の照射準備を開始する。制御装置４０は、最初のエネルギーの場合と同様に、イオン源１２とライナック１３を制御して陽子線をシンクロトロン１１に入射させ、シンクロトロン１１を制御して２番目のエネルギーまで陽子線を加速する。制御装置４０は、ビーム輸送系２０と走査電磁石を制御してスポットの照射を継続する。

以上の動作を繰り返し、データベース４２から読み込んだ全てのスポットを照射する。照射が完了すると、制御装置４０から動体追跡制御装置４１に照射完了信号が送信される。照射完了信号を受信した動体追跡制御装置４１は透視用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３Ｂを制御してＸ線の透視を停止する。

標的を複数の方向から照射する場合、ガントリー２５の角度とカウチ２７の位置を変更した後、オペレータが照射準備ボタンを押下して陽子線の照射を同様に繰り返す。

次に、本実施形態の効果について説明する。

上述した本発明の放射線照射システムおよび動体追跡装置の実施形態では、予め用意したマーカー２９を表すテンプレート画像を用いて二つの透視画像上でテンプレートマッチングを実施し、マッチングスコアが高い位置をマーカー２９位置の候補としてリスト化する。マーカー２９位置の２つの候補リストから全組み合わせに対して共通垂線の長さを計算する。その上で、マッチングスコアと共通垂線とに基づいてマーカー２９の位置を検出する。そして検出したマーカー２９の位置に基づいて標的に照射する陽子線の出射の制御を行う。

よって、照射対象２６が厚いなどの事情によりＸ線撮影条件が厳しい場合であっても動体追跡装置３８はマーカー２９を追跡することができる。従って、マーカー２９を見失う頻度が低減することにより、マーカー２９を見失った場合にオペレータが動体追跡装置にマーカー２９を高い精度で再検出させる手間を省略することができ、照射時間を短縮することが可能である。また、照射時間が短くなることにより、Ｘ線の透視回数を削減することができ、照射対象２６の被ばく線量の低減も図ることができる。更に、透視画像の質が低下した場合にもマーカー２９を追跡できるため、Ｘ線透視装置におけるＸ線の強度を低下させてもマーカー２９の追跡を行うことができ、同様に照射対象２６の被ばく線量の低減を図ることができる。

また、相関を表す値は、透視画像Ａ６１，透視画像Ｂ６２上における候補の位置に対応するＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂ上の位置とＸ線発生装置２３Ａ，２３Ｂとを結ぶ２以上の線の間を最短で結ぶ共通垂線の長さである。上述のように、追跡対象の誤検出は共通垂線の長さが長くなることにより検出されることから、相関を表す値として共通垂線の長さを用いることによって、マーカー２９の検出精度を高くすることができ、誤検出の頻度を低減することができる。

更に、動体追跡制御装置４１および制御装置４０は、マーカー２９の位置が予め指定した範囲内にあるときに陽子線を照射することで、標的に対する陽子線の照射精度の向上を図ることができる。

また、動体追跡制御装置４１は、検出の確かさを表す値および相関を表す値に基づいてマーカー２９の位置を検出する第１モードと、検出の確かさを表す値のみに基づいてマーカー２９の位置を検出する第２モードと、が切り替え可能であることにより、照射対象２６の状態等の照射の条件に応じたマーカー２９の追跡が可能となる。

更に、動体追跡制御装置４１は、マッチングスコアと第１所定値との大小を比較し、この比較結果をコンソール４３へ出力することで、マッチングスコアが低下している場合、すなわちマーカー２９をロストしている状態をコンソール４３上で速やかに確認することができ、速やかなマーカー２９の再検出が可能となる。よって照射時間が長くなることをより確実に抑制することができ、照射時間の更なる短縮を図ることができる。

また、動体追跡制御装置４１は、マッチングスコアおよび共通垂線に重み付けを行い、この重み付けの結果に基づいてマーカー２９の位置を検出することにより、Ｘ線撮影条件が厳しい場合でもより正確なマーカー２９位置の検出が可能となり、照射時間の短縮により寄与することができる。

更に動体追跡制御装置４１は、検出の確かさを表す値を求める際に、同一の候補を選択していると判断されるときは、検出の確かさを表す値が最も良好となる位置をマーカー２９の候補の位置と判断することで、必要以上にマーカー２９の候補位置が選ばれることを抑制することができ、マーカー２９位置の検出にかかる時間を短縮することができる。よって照射時間の短縮により寄与するものとなる。

更に、動体追跡制御装置４１は、Ｆが最大となる組み合わせの透視画像Ａ６１と透視画像Ｂ６２でのマッチングスコアの少なくとも一方が、それぞれのリストの中で最高のものではなかった場合は、測定したマーカー２９の位置がゲート範囲の中にある場合でもゲートオフ信号を送信するように設定することによって、標的に対する陽子線の照射精度の向上を図ることができる。

更に、動体追跡制御装置４１は、Ｆが最大となる組み合わせの透視画像Ａ６１と透視画像Ｂ６２でのマッチングスコアの少なくとも一方が、それぞれのリストの中で最高のものではなかった場合にコンソール４３上にマッチングスコアに関するアラートを表示することによって、例えばマーカー２９をロストしている可能性があることをコンソール４３上で速やかに確認することができ、速やかなマーカー２９の再検出につなげることができる。

また、コンソール４３上に位置の相関を表す情報として共通垂線の長さを表示することによって追跡対象の誤検出に密接に関係する情報をオペレータが確認することができるため、被写体が厚い等のＸ線による透視条件が厳しい場合でも正確に追跡対象を検出できているか否かをオペレータは容易に判断することができる。そのため、例えばマーカー２９をロストしている状態をコンソール４３上で速やかに確認することができ、速やかなマーカー２９の再検出が可能となる。よって照射時間が長くなることを抑制することができ、照射時間の短縮を図ることができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限られず、種々の変形、応用が可能なものである。上述した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ない。

例えば、マッチングスコアおよび共通垂線に重み付けを行い、この重み付けの結果に基づいてマーカー２９の位置を検出する場合について説明したが、透視画像Ａ６１や透視画像Ｂ６２においてマッチングスコアが所定の値より高い候補の位置が複数得られるときには共通垂線が複数得られるが、複数得られる共通垂線のうち最も短いときのマッチングスコアが得られる候補位置をマーカー２９の位置として検出するよう動体追跡制御装置４１を構成することができる。このような構成でも、マーカー２９を見失う頻度が低減し、照射時間を短縮することが可能である。この場合、例えば数秒間の追跡の間の共通垂線長の最大長が短いものをマーカー２９として選択することができる。更には、このような場合に、共通垂線が短く、且つマッチングスコアが高いものをマーカー２９として選択することも可能である。更に、オペレータが画面上で確認して意図したマーカー２９を追跡していない場合には、オペレータが修正することもできる。

また、マーカー２９追跡の開始方法は、それぞれの画像でそれぞれテンプレートマッチングをして開始する方法を例に説明したが、この他に、片方の画像上でオペレータがマーカー２９の位置を指定すると、自動でもう一方の画像上でのマーカー２９の位置を認識し、その後、自動でそれぞれのマッチングスコアと共通垂線の長さを考慮したマーカー２９の検出方法を開始することも可能である。

この場合、片方の透視画像Ａ６１上でマーカー２９の位置が指定されると、Ｘ線発生装置２３ＢとＸ線測定器２４Ｂ上におけるオペレータがクリックした位置を結ぶ線を透視画像Ｂ６２上に投影した線上でテンプレートマッチングを実施する。テンプレートマッチングを実施する範囲は、投影された線を中心とした帯状の領域である。帯状領域でのテンプレートマッチングにより複数の候補を抽出し、複数の候補を数秒間追跡して継続的に評価関数Ｆを用いたマーカー２９の位置の検出を行う。

更に、相関を表す値として共通垂線の長さを用いたが、共通垂線の代わりに、他の長さを用いてもよい。

例えば、図８に示すように、透視画像Ａと透視画像Ｂが互いに直交する軸の画像とするとき、画像Ａがｘｙ平面を投影し、画像Ｂがｘｚ平面を投影する場合を考える。図８において、点線２８Ａは透視用Ｘ線発生装置２３Ａからアイソセンタ３１を通過する直線を表し、点線２８Ｂは透視用Ｘ線発生装置２３Ｂからアイソセンタ３１を通過する直線を表す。この時、Ｘ線測定器２４Ａの位置と透視用Ｘ線発生装置２３Ａとを結ぶ点線２８ＡとＸ線測定器２４Ｂにおける位置と透視用Ｘ線発生装置２３Ｂとを結ぶ点線２８Ｂとは直交する。また、このときのｘ軸は共通である。従って、テンプレートマッチングの結果得られるマーカー２９のｘ座標は理想的には一致し、実際はズレが生じることがある。この画像Ａと画像Ｂから得られるｘ座標の差を共通垂線の長さの代わりに用いることもできる。このときのｘ軸を共通軸と呼び、このｘ軸の差分を共通軸の長さと呼ぶ。このような共通軸の長さを相関を表す値として用いることによっても、マーカー２９を見失う頻度を低減させることができる。

更には、二つの透視画像が垂直な関係ではない場合にも、二つの画像に対して平行な直線を求めることができる。この場合、その直線を共通軸として共通軸における差を共通垂線の長さの代わりとして用いることができる。

また、上述の実施形態では球形のマーカー２９の位置に基づいてゲート照射を実施する場合を例に説明したが、マーカー２９の形状はコイル状であってもよい。また、追跡対象をマーカー２９とした場合について説明したが、追跡対象はマーカー２９に限られず、マーカー２９を使用することなく標的を直接検出してもよい。または、追跡対象は照射対象２６内の高密度領域、例えば肋骨等の骨などとすることができる。

また、照射方法は、ゲート照射の代わりにマーカー２９などの位置に基づいて照射位置を追尾する追尾照射であってもよい。例えばＸ線の追尾照射では、標的の動きに合わせて分布形成用Ｘ線発生装置の向きを変更し、標的の動きに合わせてＸ線の照射位置を変更する。粒子線の場合にも走査電磁石の励磁量を標的の位置に合わせて調整することにより追尾照射をすることができる。

更に、上述の実施形態ではひとつのマーカー２９を追跡する場合について説明したが、追跡するマーカー２９の数は複数でもよい。複数のマーカー２９を追跡することで、標的の位置情報に加えて回転や変形の情報を取得することができる。これらの回転や変形の情報に基づいてゲート照射や追尾照射を実施することができる。

従来、複数のマーカー２９を追跡する場合、一時的に複数のマーカー２９が重なって透視画像に写ると、互いに離れるときに二つのマーカー２９を判別することができなかった。しかしマーカー２９が重なっていない他方の透視画像ではふたつのマーカー２９の距離は離れているため、本発明の追跡制御を適用することにより二つのマーカー２９を正しく判別して追跡することが可能である。

また、ふたつの透視画像のうち、片方の透視画像のみマーカー２９の検出が困難な場合がある。そのような場合、マーカー２９の検出が容易な方の透視画像では、従来通り最もマッチングスコアの高いもののみを追跡し、マーカー２９の検出が困難な透視画像のみマーカー２９の候補をリスト化してそれぞれのマッチングスコアと共通垂線の長さからマーカー２９を検出することも可能である。片方の透視画像のマーカー２９の候補をひとつにすることで短い計算時間でより誤検出を軽減することができる。

透視用Ｘ線も放射線の一種ではあるが、線量分布を形成する目的での使用はしないため、本明細書では、透視用Ｘ線以外の放射線の総称として分布形成用放射線を用いている。

更に、上述の実施形態では陽子線照射システムを例に説明したが、本発明の放射線照射システムは、炭素線などの陽子線以外の粒子線、Ｘ線、電子線などを照射するシステムに対しても同様に適用することができる。

また、粒子線照射装置の場合、上述の実施形態で説明したスポットスキャニング法の他、粒子線を停止することなく細い粒子線を照射するラスタースキャニング法やラインスキャニング法にも同様に適用することができる。また、スキャニング法の他、ワブラー法や二重散乱体法など粒子線の分布を広げた後、コリメータやボーラスを用いて標的の形状に合わせた線量分布を形成する照射方法にも本発明を適用することができる。

また、粒子線照射システムの場合、粒子線発生装置には上述の実施形態で説明したシンクロトロン１１のほかにサイクロトロンであってもよい。

１０…陽子線発生装置（放射線発生装置）
１１…シンクロトロン
１２…イオン源
１３…ライナック
１４…偏向電磁石
１７…出射用デフレクタ
１８…高周波加速装置
１９…高周波出射装置
２０…ビーム輸送系
２１…偏向電磁石
２２…照射ノズル
２３Ａ…Ｘ線発生装置
２３Ｂ…Ｘ線発生装置
２４Ａ…Ｘ線測定器
２４Ｂ…Ｘ線測定器
２５…ガントリー
２６…照射対象
２７…カウチ
２８Ａ，２８Ｂ…点線
２９…マーカー
３０…共通垂線
３１…アイソセンタ
３８…動体追跡装置
３９…制御部
４０…制御装置
４１…動体追跡制御装置
４２…データベース
４３…コンソール
５０…透視開始ボタン
５１…ゲートスタートボタン
５２…設定ボタン
５３…追跡ロックボタン
５４ａ…結果表示部
５４ｂ…結果表示部
５５…ｗ_Ａ入力部
５６…ｗ_Ｂ入力部
５７…ｗ_Ｃ入力部
５８…Ｔ_Ａ入力部
５９…Ｔ_Ｂ入力部
６１…透視画像Ａ
６２…透視画像Ｂ
６３…探索範囲Ａ
６４…探索範囲Ｂ

Claims (14)

1. 放射線を発生する放射線照射装置と
   Ｘ線測定器およびＸ線発生装置を一組とし、追跡対象の透視画像を撮像する２組以上のＸ線透視装置と、
   前記放射線照射装置を制御するとともに、前記Ｘ線透視装置によって撮影した透視画像から、前記追跡対象の位置を検出する制御部と、を備えた放射線照射システムであって、
   前記制御部は、前記２以上のＸ線透視装置のそれぞれで得られた前記透視画像から前記追跡対象の位置の候補の検出の確かさを表す値および前記候補の位置の相関を表す値を求め、この検出の確かさを表す値および前記相関を表す値に基づいて前記追跡対象の位置を検出し、この検出した追跡対象の位置に基づいて標的に照射する前記放射線を制御する
   ことを特徴とする放射線照射システム。
2. 請求項１に記載の放射線照射システムにおいて、
   前記相関を表す値は、前記透視画像上における前記候補の位置に対応する前記Ｘ線測定器上の位置と前記Ｘ線発生装置とを結ぶ２以上の線の間を最短で結ぶ共通垂線の長さである
   ことを特徴とする放射線照射システム。
3. 請求項１に記載の放射線照射システムにおいて、
   前記相関を表す値は、前記透視画像上における前記候補の位置に対応する前記Ｘ線測定器上の位置と前記Ｘ線発生装置とを結ぶ２以上の線の共通軸上の距離である
   ことを特徴とする放射線照射システム。
4. 請求項１に記載の放射線照射システムにおいて、
   前記追跡対象は、前記標的を識別するためのマーカー、前記標的そのもの、高密度領域の何れかである
   ことを特徴とする放射線照射システム。
5. 請求項１に記載の放射線照射システムにおいて、
   前記制御部は、前記追跡対象の位置が予め指定した範囲内にあるときに前記放射線を照射する
   ことを特徴とする放射線照射システム。
6. 請求項１に記載の放射線照射システムにおいて、
   前記制御部は、前記検出の確かさを表す値および前記相関を表す値に基づいて前記追跡対象の位置を検出する第１モードと、前記検出の確かさを表す値のみに基づいて前記追跡対象の位置を検出する第２モードと、が切り替え可能である
   ことを特徴とする放射線照射システム。
7. 請求項１に記載の放射線照射システムにおいて、
   前記制御部は、前記検出の確かさを表す値と第１所定値との大小を比較し、この比較結果を表示部へ出力する
   ことを特徴とする放射線照射システム。
8. 請求項１に記載の放射線照射システムにおいて、
   前記制御部は、前記検出の確かさを表す値および前記相関を表す値に重み付けを行い、この重み付けの結果に基づいて前記追跡対象の位置を検出する
   ことを特徴とする放射線照射システム。
9. 請求項８に記載の放射線照射システムにおいて、
   前記制御部は、前記重み付けの結果、前記検出の確かさを表す値が最も良好となる位置が選択されなかったときは、前記放射線を照射しない
   ことを特徴とする放射線照射システム。
10. 請求項８に記載の放射線照射システムにおいて、
    前記制御部は、前記重み付けの結果、前記検出の確かさを表す値が最も良好となる位置が選択されなかったときは、表示部に対して前記検出の確かさを表す値に関する警告をするための警告用信号を出力する
    ことを特徴とする放射線照射システム。
11. 請求項１に記載の放射線照射システムにおいて、
    前記制御部は、前記検出の確かさを表す値を求める際に、同一の候補を選択していると判断されるときは、検出の確かさを表す値が最も良好となる位置を、前記追跡対象の候補の位置と判断する
    ことを特徴とする放射線照射システム。
12. 請求項１に記載の放射線照射システムにおいて、
    前記制御部は、前記検出の確かさを表す値を複数求め、この複数求めた検出の確かさを表す値から前記候補の位置の相関を表す値を複数求め、この複数求めた相関を表す値に基づいて前記追跡対象の位置を検出する
    ことを特徴とする放射線照射システム。
13. Ｘ線測定器およびＸ線発生装置を一組とし、追跡対象の透視画像を撮像する２組以上のＸ線透視装置と、
    前記Ｘ線透視装置によって撮影した透視画像から、前記追跡対象の位置を検出する動体追跡制御装置と、を備えた動体追跡装置であって、
    前記動体追跡制御装置は、前記２以上のＸ線透視装置のそれぞれで得られた前記透視画像から前記追跡対象の位置の候補の検出の確かさを表す値および前記候補の位置の相関を表す値を求め、この検出の確かさを表す値および前記相関を表す値に基づいて前記追跡対象の位置を検出する
    ことを特徴とする動体追跡装置。
14. 放射線を発生する放射線照射装置と、
    Ｘ線測定器およびＸ線発生装置を一組とし、追跡対象の透視画像を撮像する２組以上のＸ線透視装置と、
    前記透視画像を表示する表示部と、を備えた放射線照射システムであって、
    前記表示部は、前記透視画像に基づき得られた前記追跡対象の位置の候補２つ以上について、位置の相関を表す情報を表示する
    ことを特徴とする放射線照射システム。

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