JP2019013450A - 放射線撮影装置および放射線画像検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成を複雑化することなく、所定の呼吸位相における特定部位を精度よく検出する。【解決手段】この放射線撮影装置１００は、被検体Ｔに放射線を照射する照射部１と、被検体Ｔを透過した放射線を検出するＸ線検出部２と、Ｘ線検出部２の検出信号に基づきＸ線画像３０を生成する画像生成部１１と、Ｘ線画像３０から被検体Ｔの特定部位５０の位置を検出し、特定部位５０の動きを追跡する位置検出部１２と、を備える。位置検出部１２は、所定の呼吸位相における特定部位５０の画像に基づく画像認識によって、Ｘ線画像３０中から、所定の呼吸位相における特定部位５０を検出するように構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、放射線撮影装置および放射線画像検出方法に関する。

従来、放射線撮影装置により撮像した被検体の放射線画像中から、画像認識により被検体の特定部位を検出する技術が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１では、腫瘍などの治療部位に放射線を照射して治療を行う放射線治療に際して、治療中に放射線画像を撮像して、治療部位を特定部位として検出することによって、特定部位の検出位置に応じて放射線治療装置による治療用放射線の照射を制御することが開示されている。

肺や肝臓付近が特定部位（治療部位）になる場合、特定部位は、被検者の呼吸に伴って移動する。そのため、上記特許文献１では、体外に設けられたレーザー距離計などにより被検者の体表面の動きを検出し、体表面の動きに基づいて呼吸位相を取得している。これにより、特定部位が予め設定された治療用放射線の照射範囲にあり、かつ、呼吸位相が所定の照射タイミングである場合に、治療用放射線の照射が行われる。

国際公開第２０１０／０５５８８１号

しかしながら、上記特許文献１では、被検者の外部にレーザー距離計などを設ける必要があるため、装置構成が複雑になる。また、体表面の動きから呼吸位相を取得する場合、体表面の動きと特定部位の状態の変化とに時間的なずれを伴うなど、取得された呼吸位相と特定部位の状態とが必ずしも一致しない可能性がある。そこで、装置構成を複雑化することなく、所定の呼吸位相における特定部位を精度よく検出できるようにすることが望ましい。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、装置構成を複雑化することなく、所定の呼吸位相における特定部位を精度よく検出することが可能な放射線撮影装置および放射線画像検出方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面における放射線撮影装置は、被検体に放射線を照射する照射部と、被検体を透過した放射線を検出する放射線検出部と、放射線検出部の検出信号に基づき放射線画像を生成する画像生成部と、放射線画像から被検体の特定部位の位置を検出し、特定部位の動きを追跡する位置検出部と、を備え、位置検出部は、所定の呼吸位相における特定部位の画像に基づく画像認識によって、放射線画像中から、所定の呼吸位相における特定部位を検出するように構成されている。

この発明の第１の局面による放射線撮影装置では、上記のように、所定の呼吸位相における特定部位の画像に基づく画像認識によって、放射線画像中から、所定の呼吸位相における特定部位を検出するように位置検出部を構成する。これにより、予め所定の呼吸位相における特定部位の画像を取得しておけば、その画像に基づいて、所定の呼吸位相における特定部位を放射線画像中から直接検出することができる。そのため、体表面の動きから呼吸位相を検出する場合と比較して、所定の呼吸位相における特定部位を精度よく検出することができる。また、放射線画像から呼吸位相を把握できるので、被検体の外部に呼吸位相を検出するためのセンサを別途設けておく必要がない。これらによって、装置構成を複雑化することなく、所定の呼吸位相における特定部位を精度よく検出することができる。

上記第１の局面による放射線撮影装置において、好ましくは、所定の呼吸位相で生成された特定部位の第１テンプレート画像と、所定の呼吸位相以外の呼吸位相で生成された特定部位の第２テンプレート画像と、をそれぞれ記憶する記憶部をさらに備え、位置検出部は、画像生成部により生成された放射線画像と、第１テンプレート画像および第２テンプレート画像の各々とのマッチングにより、所定の呼吸位相における特定部位を検出するように構成されている。このように構成すれば、第１テンプレート画像とのマッチング結果（類似度）が第２テンプレート画像とのマッチング結果よりも高くなる場合に、所定の呼吸位相の特定部位を検出することができる。これにより、予め用意した第１テンプレート画像および第２テンプレート画像とのマッチング結果を比較するだけで、容易かつ高精度に、所定の呼吸位相における特定部位を検出することができる。

この場合、好ましくは、第１テンプレート画像および第２テンプレート画像は、画像中の特定部位の形状、大きさまたは特定部位と重畳して写る背景部分の少なくともいずれかが相違する画像である。このように第１テンプレート画像および第２テンプレート画像が呼吸位相の相違に起因して異なることから、第１テンプレート画像および第２テンプレート画像とのマッチング結果を比較するだけで、所定の呼吸位相の特定部位の画像であるか否かを精度よく識別することができる。

上記記憶部をさらに備える構成において、好ましくは、記憶部には、呼吸の１周期をＮ分割（Ｎは２以上の自然数）した各々の呼吸位相における特定部位のテンプレート画像であるＮ種類の呼吸位相画像が記憶されており、第１テンプレート画像は、Ｎ分割された呼吸位相のうちから選択された１または複数の呼吸位相における呼吸位相画像であり、第２テンプレート画像は、第１テンプレート画像以外の呼吸位相における呼吸位相画像であり、位置検出部は、Ｎ種類の呼吸位相画像の各々を用いて、放射線画像とのマッチングを行うことにより、特定部位を検出するように構成されている。このように構成すれば、呼吸の１周期を区分する呼吸位相毎に、テンプレート画像（呼吸位相画像）を個別に用意することができる。この場合、様々な（不特定の）呼吸位相での特定部位の画像からテンプレート画像を作成する場合と比べて、各呼吸位相画像がそれぞれの呼吸位相における特定部位の状態をより正確に反映するため、呼吸位相毎の特定部位のマッチング精度を向上させることができる。その結果、所定の呼吸位相を含むそれぞれの呼吸位相での特定部位の検出精度を向上させることができる。

上記第１の局面による放射線撮影装置において、好ましくは、被検体の特定部位に治療ビームを照射するための放射線治療装置と接続された制御部をさらに備え、制御部は、位置検出部により所定の呼吸位相の特定部位が検出され、かつ、特定部位の検出位置が所定のビーム照射範囲内である場合に限り、治療ビームを照射するためのトリガー信号を放射線治療装置に出力するように構成されている。ここで、放射線治療時に特定部位がビーム照射範囲内に存在しても、呼吸位相が異なる場合には、治療ビーム（粒子線など）の飛程などが変化することに起因して、特定部位における照射線量分布が治療計画通りの分布にならない場合がある。これに対して、上記構成によれば、特定部位がビーム照射範囲内に存在する条件下で、所定の呼吸位相でのみ治療ビーム照射を実施させることができるので、より治療計画に沿った照射線量分布での治療が可能となる。

この発明の第２の局面における放射線画像検出方法は、被検体の放射線画像中から特定部位を検出するための放射線画像検出方法であって、被検体に放射線を照射し、被検体を透過した放射線を検出することにより放射線画像を生成するステップと、放射線画像から被検体の特定部位の位置を検出し、特定部位の動きを追跡するステップと、を備え、特定部位の動きを追跡するステップは、所定の呼吸位相における特定部位の画像に基づく画像認識によって、放射線画像中から、所定の呼吸位相における特定部位を検出するステップを含む。

この第２の局面による放射線画像検出方法では、上記のように所定の呼吸位相における特定部位の画像に基づく画像認識によって、放射線画像中から、所定の呼吸位相における特定部位を検出するステップを設ける。これにより、予め所定の呼吸位相における特定部位の画像を取得しておけば、その呼吸位相における特定部位を放射線画像中から直接検出することができるので、所定の呼吸位相における特定部位を精度よく検出することができる。また、放射線画像から呼吸位相を把握できるので、被検体の外部に呼吸位相を検出するためのセンサを別途設けておく必要がない。これらによって、装置構成を複雑化することなく、所定の呼吸位相における特定部位を精度よく検出することができる。

本発明によれば、上記のように、装置構成を複雑化することなく、所定の呼吸位相における特定部位を精度よく検出することができる。

本発明の一実施形態による放射線撮影装置の全体構成を示す模式図である。 図１に示した放射線撮影装置によるＸ線画像の撮影方向を示した模式図である。 放射線撮影装置の画像処理部の記憶部を説明するための図である。 Ｘ線画像を説明するための模式図である。 呼吸位相に応じた特定部位の形状変化を説明するための図である。 呼吸位相画像を説明するための図である。 位置検出部によるマッチング処理を説明するための図である。 放射線撮影装置の処理動作を説明するためのフローチャートである。 放射線撮影装置の作用を説明するための図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

（放射線撮影装置の構成）
図１〜図３を参照して、本発明の一実施形態による放射線撮影装置１００の構成について説明する。

図１および図２に示すように、放射線撮影装置１００は、人体などの被検体Ｔの外側から放射線を照射することによって、被検体Ｔ内を画像化した放射線画像を撮影するための装置である。放射線画像は、被検体Ｔを透過する放射線を用いて撮像した被検体Ｔの画像である。本実施形態では、放射線撮影装置１００は、放射線の一例であるＸ線を用いてＸ線画像を撮影するＸ線撮影装置である。Ｘ線画像は、放射線画像の一例である。

本実施形態では、放射線撮影装置１００は、放射線治療装置１１０と組み合わせて、放射線治療を行うための放射線治療システムを構成している。放射線治療装置１１０は、患者である被検体Ｔに放射線ビーム（治療ビーム）を照射することが可能である。放射線撮影装置１００は、被検体ＴのＸ線画像から、特定部位５０の位置を検出する。この場合、特定部位５０は、治療対象となる腫瘍などであり、被検体Ｔの体内の一部位である。本実施形態の放射線撮影装置１００は、肺や横隔膜などの呼吸に関わる器官の付近にある特定部位５０を、特に好適に検出することができる。このような特定部位５０は、被検体Ｔの呼吸に伴って、時間経過と共に周期的に移動する。放射線撮影装置１００は、マーカーレス（Ｘ線透過性の低いマーカー部材を利用しないこと）で、Ｘ線画像から特定部位５０の位置を画像認識により直接検出し、特定部位５０の移動を追跡する動体追跡を行う。動体追跡によって特定部位５０が放射線治療装置１１０の照射位置に移動したタイミングで放射線治療装置１１０から治療ビームを照射することにより、特定部位５０（腫瘍）の治療が行われる。

放射線治療装置１１０は、天板３上の被検体Ｔに対して、Ｘ線、陽子線あるいは重粒子線などの放射線ビームを照射可能である。放射線治療装置１１０は、基台１１１と、基台１１１に対して揺動可能に設置されたガントリー１１２と、ガントリー１１２に設けられ、治療ビームを出射するヘッド１１３とを備える。放射線治療装置１１０は、ガントリー１１２が基台１１１に対して揺動することにより、ヘッド１１３から照射される治療ビームの照射方向を変更することができる。放射線治療装置１１０は、被検体Ｔの腫瘍等の特定部位５０に対して、様々な方向から治療ビームを照射することができる。

放射線撮影装置１００は、被検体Ｔに放射線（Ｘ線）を照射する照射部１と、被検体Ｔを透過した放射線（Ｘ線）を検出するＸ線検出部２とを備えている。照射部１とＸ線検出部２とは、被検体Ｔが載置される天板（検診台）３を挟んで対向するように対（ペア）で配置されている。放射線撮影装置１００は、照射部１および天板３を制御する制御部４を備えている。Ｘ線検出部２は、特許請求の範囲の「放射線検出部」の一例である。

照射部１とＸ線検出部２とのペアは、複数設けられている。本実施形態では、照射部１ａとＸ線検出部２ａとのペア、および、照射部１ｂとＸ線検出部２ｂとのペアの２組が設けられている。各ペアは、互いに異なる方向から被検体Ｔを撮像する第１撮像系と第２撮像系とを構成している。各撮像系から生成されたＸ線画像に基づいて、特定部位５０（腫瘍）の３次元位置を特定することができる。天板３は、たとえば、直交３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）に移動可能で、かつ、各軸周りに回動可能であり、６軸方向に移動することができる。また、照射部１とＸ線検出部２とのペアは、水平面内で天板３の周囲に移動可能であってもよい。

照射部１は、高電圧が印加されることによりＸ線を発生させるＸ線管を有する。照射部１は、制御部４に接続されている。制御部４は、管電圧、管電流およびＸ線照射の時間間隔などの予め設定された撮影条件に従って照射部１を制御し、照射部１からＸ線を発生させる。

Ｘ線検出部２は、照射部１から照射され、被検体Ｔを透過したＸ線を検出し、検出したＸ線強度に応じた検出信号を出力する。Ｘ線検出部２は、たとえば、ＦＰＤ（Flat Panel Detector）により構成されている。また、放射線撮影装置１００は、Ｘ線検出部２からＸ線検出信号を取得して、Ｘ線画像３０（図４参照）を生成する画像処理部５を備えている。Ｘ線検出部２は、所定の解像度の検出信号を画像処理部５に出力する。

制御部４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）およびＲＡＭ（Random Access Memory）などを含んで構成されたコンピュータである。制御部４は、ＣＰＵが所定の制御プログラムを実行することにより、放射線撮影装置１００の各部を制御する制御部として機能する。制御部４は、照射部１および画像処理部５の制御や、天板３の移動制御を行う。放射線撮影装置１００は、表示部６を備える。表示部６は、たとえば液晶ディスプレイなどのモニタである。制御部４は、画像処理部５により生成された画像を表示部６に表示させる制御を行うように構成されている。また、制御部４は、被検体Ｔの特定部位５０に治療ビームを照射するための放射線治療装置１１０と接続されている。制御部４は、画像処理部５により検出された特定部位５０が放射線治療装置１１０の照射位置に到達すると、放射線治療装置１１０にトリガー信号を出力するように構成されている。これにより、特定部位５０に対する治療ビームの照射が高精度に行われる。

画像処理部５は、たとえば、ＣＰＵあるいはＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのプロセッサ５ａと、ＲＯＭおよびＲＡＭなどの記憶部５ｂとを含んで構成されるコンピュータである。すなわち、画像処理部５は、記憶部５ｂに記憶された画像処理プログラム２１（図３参照）をプロセッサ５ａに実行させることにより構成される。画像処理部５は、制御部４と同一のハードウェア（ＣＰＵ）に画像処理プログラムを実行させることにより、制御部４と一体的に構成されてもよい。

画像処理部５は、プロセッサ５ａが画像処理プログラム２１を実行することによる機能として、画像生成部１１と、位置検出部１２とを含む。画像生成部１１と位置検出部１２とが専用のプロセッサにより個別に構成されていてもよい。

画像生成部１１は、Ｘ線検出部２の検出信号に基づきＸ線画像３０（図４参照）を生成するように構成されている。本実施形態では、Ｘ線画像３０は動画像の形式で生成されるＸ線透視画像である。すなわち、照射部１から被検体Ｔに対してＸ線が所定時間間隔で断続的に照射され、被検体Ｔを透過したＸ線がＸ線検出部２により順次検出される。画像生成部１１は、Ｘ線検出部２から順次出力される検出信号を画像化することにより、Ｘ線画像３０を所定のフレームレートで生成する。フレームレートは、たとえば１５ＦＰＳ〜３０ＦＰＳ程度である。画像生成部１１は、生成したＸ線画像３０を制御部４に出力する。Ｘ線画像３０は、制御部４により表示部６に表示される。

位置検出部１２は、画像生成部１１により生成されたＸ線画像３０から被検体Ｔの特定部位５０の位置を検出し、特定部位５０の動きを追跡するように構成されている。本実施形態では、位置検出部１２は、テンプレートマッチングを用いた画像認識により特定部位５０を検出する。検出された特定部位５０の位置情報は、制御部４に出力される。

図３に示すように、記憶部５ｂは、コンピュータを画像処理部５として機能させるためのプログラム２１（画像処理プログラム）を記憶している。また、記憶部５ｂは、画像生成部１１により生成されたＸ線画像３０を記憶する。

記憶部５ｂは、特定部位５０の検出を行うためのテンプレートデータ４０と、治療計画データ２２とを記憶している。テンプレートデータ４０および治療計画データ２２は、放射線治療に先立って予め作成される。治療計画データ２２は、ＣＴ（Computed Tomography）撮影によって被検体Ｔの３次元ＣＴ撮影を時間経過と共に連続して実施することにより、作成された４次元ＣＴデータを含む。治療計画データ２２から、被検体Ｔにおける特定部位５０の位置、大きさ、形状、移動範囲などが把握される。テンプレートデータ４０は、治療計画データ２２に基づいて作成された治療計画に従って、被検体Ｔにおける特定部位５０を放射線撮影装置１００によって事前に撮像することによって取得される。テンプレートデータ４０は、後述するテンプレート画像（呼吸位相画像４３）の集合である。テンプレート画像は、予め取得されたＸ線画像３０から特定部位５０を含む画像部分を切り出して取得された画像である。

（特定部位の検出処理）
次に、図４〜図７を参照して、画像処理部による特定部位の検出処理について説明する。

治療時には、被検体Ｔの特定部位５０がＸ線画像３０中に写るように、照射部１、Ｘ線検出部２および天板３の相対位置関係が調整される。図４に示すように、画像生成部１１によって生成されるＸ線画像３０には、被検体Ｔの骨などの構造部分６０や他の器官の像（図示せず）から構成される背景部分３１と重なった状態で特定部位５０が写る。特定部位５０は、被検体Ｔの呼吸に伴って移動する。被検体Ｔの呼吸は、息を吸う吸気動作と息を吐き出す呼気動作との繰り返しとなるため、呼吸に伴う特定部位５０の移動は、周期的な移動となる。特定部位５０の移動経路は３次元的なものであるため、Ｘ線画像３０の撮像方向によって、様々である。

治療ビームの照射位置は、治療計画データ２２に従って設定され、Ｘ線画像３０中に所定の広さを持ったビーム照射範囲３２として設定される。ビーム照射範囲３２は、特定部位５０以外への照射を減らすために、できるだけ特定部位５０の形状に近い形状の領域として設定され、各種の誤差要因によるマージンを考慮して特定部位５０よりも若干大きく設定される。

特定部位５０は背景部分３１と同一の動きをするわけではないため、呼吸に伴って特定部位５０が移動する場合には、Ｘ線画像３０中で背景部分３１に対する特定部位５０の位置が変化する。また、呼吸による体内器官の移動は、肺の拡張および収縮などのように、器官の形状変化に伴って生じるものである。そのため、図５に実線、破線、一点鎖線で互いに異なる輪郭形状として示したように、Ｘ線画像３０中の特定部位５０は、呼吸によって形状が変化する。したがって、特定部位５０の状態は、たとえビーム照射範囲３２内に収まった状態でも、どの呼吸位相にあるかによって、異なるものとなる。呼吸位相とは、呼吸周期における周期内のタイミング（時間位置）を意味する。

そこで、本実施形態では、位置検出部１２は、所定の呼吸位相における特定部位５０の画像に基づく画像認識によって、Ｘ線画像３０中から、所定の呼吸位相における特定部位５０を検出するように構成されている。そして、制御部４は、位置検出部１２により所定の呼吸位相の特定部位５０が検出され、かつ、特定部位５０の検出位置が所定のビーム照射範囲３２内である場合に限り、治療ビームを照射するためのトリガー信号を放射線治療装置１１０に出力するように構成されている。この結果、特定部位５０の呼吸位相および位置との両方が特定された状態で、放射線治療装置１１０による治療ビーム照射が可能となる。

画像認識による特定部位５０の検出は、記憶部５ｂに記憶されたテンプレート画像を用いたＸ線画像３０とのテンプレートマッチングにより行われる。本実施形態では、所定の呼吸位相の特定部位５０を識別するため、記憶部５ｂ（図３参照）には、所定の呼吸位相で生成された特定部位５０の第１テンプレート画像４１と、所定の呼吸位相以外の呼吸位相で生成された特定部位５０の第２テンプレート画像４２とが、それぞれ記憶されている。

第１テンプレート画像４１および第２テンプレート画像４２は、異なる呼吸位相で撮影されたＸ線画像３０から特定部位５０の部分を切り出した画像である。そのため、第１テンプレート画像４１および第２テンプレート画像４２は、画像中の特定部位５０の形状（図５参照）、大きさまたは特定部位５０と重畳して写る背景部分３１（図４参照）の少なくともいずれかが相違する画像である。

図６に示すように、本実施形態では、記憶部５ｂには、呼吸の１周期をＮ分割（Ｎは２以上の自然数）した各々の呼吸位相における特定部位５０のテンプレート画像であるＮ種類の呼吸位相画像４３が記憶されている。図６では、Ｎ＝１０として、１周期を１０位相に分割した例を示している。１周期の呼吸動作は、まず、息を吸い込む吸気相と、息を吐き出す呼気相とに大別できる。図６では、吸気相を５つの呼吸位相Ｉｎ１〜Ｉｎ５に分割し、呼気相を５つの呼吸位相Ｅｘ１〜Ｅｘ５に分割している。そして、これらの呼吸位相毎に、呼吸位相画像４３が複数枚ずつ記憶されている。テンプレートマッチングに際しては、同一の呼吸位相における複数の呼吸位相画像４３から、１枚の平均画像（テンプレート）が作成され、平均画像を用いてマッチングが行われる。

この場合、第１テンプレート画像４１は、Ｎ分割された呼吸位相のうちから選択された１または複数の呼吸位相における呼吸位相画像４３であり、第２テンプレート画像４２は、第１テンプレート画像４１以外の呼吸位相における呼吸位相画像４３である。

図６の例では、１０種類（１０位相）の呼吸位相画像４３のうち、呼気相の終期の呼吸位相Ｅｘ５および吸気相の初期の呼吸位相Ｉｎ１の各呼吸位相画像４３が、第１テンプレート画像４１として設定されている。１周期の呼吸動作のうち、息の吐き終わり（呼吸位相Ｅｘ５）と息の吸い始め（呼吸位相Ｉｎ１）との間が、最も位置変動（肺などの変位）が少なく特定部位５０の位置が安定するためである。そのため、ビーム照射範囲３２（図４参照）は、呼吸位相Ｅｘ５および呼吸位相Ｉｎ１における特定部位５０の位置に合わせて設定されている。

１０種類（１０位相）の呼吸位相画像４３のうち、残りの８位相（Ｉｎ２〜Ｉｎ５、Ｅｘ１〜Ｅｘ４）の各呼吸位相画像４３が、第２テンプレート画像４２として設定されている。

位置検出部１２は、画像生成部１１により生成されたＸ線画像３０と、第１テンプレート画像４１および第２テンプレート画像４２の各々とのマッチングにより、所定の呼吸位相における特定部位５０を検出するように構成されている。位置検出部１２は、特定部位５０の検出に際して、Ｘ線画像３０と第１テンプレート画像４１とのマッチング結果（スコア値）と、Ｘ線画像３０と第２テンプレート画像４２とのマッチング結果（スコア値）とをそれぞれ算出する。位置検出部１２は、各スコア値を比較することにより、所定の呼吸位相における特定部位５０を検出する。

具体的には、図７に示すように、位置検出部１２は、画像生成部１１により生成されたＸ線画像３０に設定した検出窓３０ａ内の画像部分と、各テンプレート画像（呼吸位相画像４３）とのスコア値を算出する。スコア値は、検出窓３０ａ内の画像部分と、テンプレート画像との類似度を表し、たとえば各々の画像の対応画素同士の画素値の差の２乗和などにより定義される。

位置検出部１２は、検出窓３０ａを移動させて、順次、スコア値を算出する。この際、治療計画データ２２から、予め特定部位５０が移動する推定範囲は分かっているため、検出窓３０ａの移動範囲は、Ｘ線画像３０の一部に限定される。検出窓３０ａの移動範囲は、たとえば特定部位５０が移動する推定範囲に、所定のマージンを加えた範囲として設定される。

位置検出部１２は、たとえば、検出窓３０ａの移動範囲内で算出したスコア値のうちで最大値を有する位置を、特定部位５０の検出位置として出力する。このとき、第１テンプレート画像４１および第２テンプレート画像４２の各々を用いてマッチングすることにより、それぞれのテンプレート画像に対するスコア値が検出される。位置検出部１２は、第１テンプレート画像４１のスコア値が第２テンプレート画像４２のスコア値よりも大きい場合（第１テンプレート画像４１のスコア最大値が全てのテンプレート画像のスコア値のうちで最大になる場合）に、第１テンプレート画像４１のスコア最大値が算出された位置を所定の呼吸位相における特定部位５０の検出位置として出力する。

なお、本実施形態では、位置検出部１２は、Ｎ種類の呼吸位相画像４３の各々を用いて、Ｘ線画像３０とのマッチングを行うことにより、特定部位５０を検出するように構成されている。したがって、図７の場合、位置検出部１２は、検出窓３０ａの画像部分に対して、１０種類の呼吸位相画像４３とのマッチングにより１０種類のスコア値を算出する。その結果、検出窓３０ａの探索が終了すると、呼吸位相Ｉｎ１〜Ｉｎ５、Ｅｘ１〜Ｅｘ５の各々の呼吸位相画像４３について、それぞれ最大スコア値Ｓｍ（Ｉｎ１）〜Ｓｍ（Ｉｎ５）、Ｓｍ（Ｅｘ１）〜Ｓｍ（Ｅｘ５）が得られる。位置検出部１２は、１０種類の最大スコア値Ｓｍのうちの最も大きい値（ｍａｘＳｍ）を採用し、その呼吸位相画像４３の呼吸位相をＸ線画像３０の呼吸位相として決定するとともに、最大スコア値が得られたときの検出窓３０ａの位置を、特定部位５０の検出位置とする。

たとえば図６において、あるＸ線画像３０に対してマッチングを行ったとき、各呼吸位相画像４３についての最大スコア値Ｓｍ（Ｉｎ１）〜Ｓｍ（Ｉｎ５）、Ｓｍ（Ｅｘ１）〜Ｓｍ（Ｅｘ５）のうちで、最大スコア値Ｓｍ（Ｅｘ５）が最大（ｍａｘＳｍ）になったとする。その場合、位置検出部１２は、呼吸位相（Ｅｘ５）の呼吸位相画像４３の最大スコア値Ｓｍ（Ｅｘ５）が算出された際の検出窓３０ａの位置を、そのＸ線画像３０における特定部位５０の検出位置として決定する。また、位置検出部１２は、最大スコア値Ｓｍ（Ｅｘ５）が算出された呼吸位相（Ｅｘ５）を、そのＸ線画像３０（特定部位５０）が取得されたときの呼吸位相であると決定する。

したがって、本実施形態では、位置検出部１２は、今回取得されたＸ線画像３０について、所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）か、所定の呼吸位相以外か、を検出するだけでなく、どの呼吸位相におけるＸ線画像３０か（Ｉｎ１〜Ｉｎ５、Ｅｘ１〜Ｅｘ５のどの状態のＸ線画像か）を検出するように構成されている。

特定部位５０の検出位置は、制御部４（図１参照）に出力される。位置検出部１２は、放射線治療中に所定のフレームレートで生成されるＸ線画像３０の各々についてマッチング処理を行う。制御部４は、取得されたＸ線画像３０に、特定部位５０の検出位置を表す識別表示を重畳して、表示部６に表示する。識別表示としては、たとえば図４に示したような、特定部位５０の輪郭を示す線などである。制御部４は、新たなＸ線画像３０および新たな検出位置を画像処理部５から取得する度に、表示部６を更新表示させ、リアルタイムの動画像形式でＸ線画像３０および検出位置を表示させる。

（放射線撮影装置の処理動作）
次に、図８を参照して、放射線撮影装置１００の処理動作について説明する。各ステップの処理は、基本的には画像処理部５（画像生成部１１および位置検出部１２）と制御部４との協働により実施される。図８では、治療前の準備処理として、呼吸位相毎のテンプレート画像（呼吸位相画像４３）を作成するための処理（ステップＳ１、Ｓ２）と、治療中の特定部位５０の追跡処理およびトリガー信号出力処理（ステップＳ３〜Ｓ８）とを示している。

ステップＳ１において、画像処理部５が、Ｘ線画像３０を取得する。すなわち、治療前の準備として、事前にＸ線画像３０が撮像される。被検体Ｔの呼吸位相毎の特定部位５０の画像が得られるように、Ｘ線画像３０は、１周期以上の所定の期間にわたって複数枚撮像される。

ステップＳ２において、Ｘ線画像３０中から特定部位５０を含む領域が切り出されることにより、呼吸位相画像４３が取得される。すなわち、ステップＳ１において取得された複数のＸ線画像３０が、呼吸位相毎に１０種類に分類され、トリミングされることにより、呼吸位相が異なる１０種類の呼吸位相画像４３が作成される。呼吸位相画像４３は、画像処理部５が切り出し処理をして作成してもよいし、別途作成された呼吸位相画像４３が図示しないネットワークあるいは記録媒体から読み出されてもよい。

作成された１０位相の呼吸位相画像４３は、記憶部５ｂに記憶される。呼吸位相画像４３のうち、所定の呼吸位相（Ｅｘ５およびＩｎ１）が第１テンプレート画像４１であり、所定の呼吸位相以外の位相（Ｉｎ２〜Ｉｎ５、Ｅｘ１〜Ｅｘ４）が第２テンプレート画像４２である。

以降のステップＳ３〜Ｓ８が、放射線治療時の処理である。ステップＳ３において、画像処理部５が、Ｘ線画像３０を取得する。すなわち、照射部１が被検体Ｔに放射線を照射し、Ｘ線検出部２が被検体Ｔを透過した放射線を検出して、Ｘ線検出部２からの検出信号に基づいて、画像生成部１１がＸ線画像３０を生成する。Ｘ線画像３０は、位置検出部１２および制御部４に出力される。

ステップＳ４において、画像処理部５が、マッチング処理を実施する。すなわち、位置検出部１２が、各テンプレート画像（呼吸位相画像４３）と、画像生成部１１により生成されたＸ線画像３０とを用いたマッチングを行う。位置検出部１２は、検出窓３０ａを移動させて、Ｘ線画像３０中の各位置において、呼吸位相画像４３の各々のスコア値を算出する。そして、位置検出部１２が、１０種類の呼吸位相画像４３のうちで最大のスコア値（ｍａｘＳｍ）が算出された検出窓３０ａの位置を、特定部位５０の位置として検出する。また、最大のスコア値（ｍａｘＳｍ）を示した呼吸位相画像４３の呼吸位相を、そのＸ線画像３０の呼吸位相として決定する。なお、照射部１とＸ線検出部２とのペアが２組設けられているため、特定部位５０の検出は、それぞれのＸ線画像３０について行われる。

ステップＳ５において、画像処理部５が、各Ｘ線画像３０において検出した呼吸位相および特定部位５０の検出位置を、制御部４に出力する。制御部４は、各Ｘ線画像３０における特定部位５０の検出位置に基づいて、特定部位５０の３次元位置を取得する。制御部４は、今回取得されたＸ線画像３０に、特定部位５０の検出位置を示す識別表示を重ねて表示部６に表示（更新表示）する。

ステップＳ６において、制御部４が、放射線治療装置１１０による治療ビームの照射タイミングか否かを判断する。すなわち、制御部４は、今回取得された特定部位５０の３次元位置が、治療計画によって予め設定されたビーム照射範囲３２に含まれるか否かを判断する。また、制御部４は、今回検出された呼吸位相が、所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）に該当するかどうかを判断する。

所定の呼吸位相の特定部位５０が検出され、かつ、特定部位５０の検出位置が所定のビーム照射範囲３２内である場合、制御部４は、ステップＳ７において、放射線治療装置１１０にトリガー信号を出力する。特定部位５０がビーム照射範囲３２からずれている場合、または、所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）でない場合は、制御部４は、トリガー信号を出力せずに、ステップＳ８に処理を進める。

ステップＳ８において、制御部４が、放射線治療を終了するか否かを判断する。放射線治療が継続して行われる場合、ステップＳ３〜Ｓ８の各処理が繰り返し実行されることにより、特定部位５０の追跡が行われる。今回の放射線治療が完了した場合には、検出処理および放射線治療に関する制御が終了する。

（本実施形態の作用）
以上の検出動作の結果、図９に示すように、時間経過に伴う特定部位５０の検出位置と呼吸位相とが、位置検出部１２によって検出される。図９は、横軸に時間をとり、縦軸に特定部位５０の検出位置をとって、時間経過（呼吸）に伴う特定部位５０の位置変動を示したものである。吸い込み時（吸気相）では、検出位置が図９の下側に向かって移動し、吐き出し時（呼気相）では、検出位置が図９の上側に向かって移動する。図９においてハッチングを付して示した帯状領域が、ビーム照射範囲３２である。

ここで、放射線治療は、一般に、所定の期間（１週間など）毎に複数回に分けて実施される。たとえば１回目の放射線治療では、検出位置が図９中の実線部のように変動する場合でも、Ｋ回目（１２回目など）の放射線治療では、図９中の一点鎖線部のように、１回目とは異なる位置で特定部位５０が検出される場合が少なくない。呼吸位相を考慮せずに特定部位５０の検出位置のみに基づいてビーム照射を行う場合には、１回目の放射線治療では、呼気相終期から吸気相初期（Ｅｘ３〜Ｉｎ３）でビーム照射が行われるのに対して、Ｋ回目の治療（一点鎖線部）では吸気相終期から呼気相初期（Ｉｎ４〜Ｅｘ２）で行われることになる。ビーム照射時の呼吸位相が異なる場合には、放射線ビームの飛程などの相違に起因して、特定部位５０における放射線の線量分布が変化するため、特定部位５０の検出位置のみに基づいてビーム照射を行う場合には、治療計画通りの線量分布が得られない可能性がある。

これに対して、本実施形態の場合、Ｋ回目（一点鎖線部）の放射線治療では、特定部位５０の検出位置がビーム照射範囲３２内に入った場合（Ｉｎ４〜Ｅｘ２）でも、呼吸位相が所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）とは異なることから、ビーム照射は行われない。そのため、放射線治療の際に、１回目の放射線治療と同様の状況で照射線治療が行われるように、適切な位置合わせが実施されることになる。医師等により位置合わせが実施されれば、治療計画通りの線量分布で放射線治療を行えるようになる。

（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、所定の呼吸位相（Ｅｘ５およびＩｎ１）における特定部位５０の画像に基づく画像認識によって、Ｘ線画像３０中から、所定の呼吸位相（Ｅｘ５およびＩｎ１）における特定部位５０を検出するように位置検出部１２を構成する。これにより、予め所定の呼吸位相（Ｅｘ５およびＩｎ１）における特定部位５０の画像を取得しておけば、その画像に基づいて、所定の呼吸位相における特定部位５０をＸ線画像３０中から直接検出することができる。そのため、体表面の動きから呼吸位相を検出する場合と比較して、所定の呼吸位相における特定部位５０を精度よく検出することができる。また、Ｘ線画像３０から呼吸位相を把握できるので、被検体の外部に呼吸位相を検出するためのセンサを別途設けておく必要がない。これらによって、装置構成を複雑化することなく、所定の呼吸位相における特定部位５０を精度よく検出することができる。

また、本実施形態では、上記のように、所定の呼吸位相（Ｅｘ５およびＩｎ１）で生成された特定部位５０の第１テンプレート画像４１と、所定の呼吸位相以外の呼吸位相で生成された特定部位５０の第２テンプレート画像４２と、を記憶部５ｂにそれぞれ記憶させる。そして、位置検出部１２を、画像生成部１１により生成されたＸ線画像３０と、第１テンプレート画像４１および第２テンプレート画像４２の各々とのマッチングにより、所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）における特定部位５０を検出するように構成する。これにより、第１テンプレート画像４１でのスコア値が第２テンプレート画像４２でのスコア値よりも高くなる場合に、所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）の特定部位５０を検出することができる。その結果、第１テンプレート画像４１および第２テンプレート画像４２とのマッチング結果を比較するだけで、容易かつ高精度に、所定の呼吸位相における特定部位５０を検出することができる。

また、本実施形態では、上記のように、第１テンプレート画像４１および第２テンプレート画像４２は、画像中の特定部位５０の形状、大きさまたは特定部位５０と重畳して写る背景部分３１の少なくともいずれかが相違する画像である。このように第１テンプレート画像４１および第２テンプレート画像４２が呼吸位相の相違に起因して異なることから、第１テンプレート画像４１および第２テンプレート画像４２とのマッチング結果を比較するだけで、所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）の特定部位５０の画像であるか否かを精度よく識別することができる。

また、本実施形態では、上記のように、記憶部５ｂには、呼吸の１周期をＮ分割（Ｎ＝１０）した各々の呼吸位相（Ｉｎ１〜Ｉｎ５、Ｅｘ１〜Ｅｘ５）における特定部位５０のテンプレート画像であるＮ種類の呼吸位相画像４３を記憶させる。第１テンプレート画像４１を、Ｎ分割された呼吸位相のうちから選択された１または複数の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）における呼吸位相画像４３とし、第２テンプレート画像４２を、第１テンプレート画像４１以外の呼吸位相における呼吸位相画像４３とする。そして、Ｎ種類の呼吸位相画像４３の各々を用いて、Ｘ線画像３０とのマッチングを行うことにより、特定部位５０を検出するように位置検出部１２を構成する。これにより、呼吸の１周期を区分する呼吸位相毎に、テンプレート画像（呼吸位相画像４３）を個別に用意することができる。この場合、様々な呼吸位相における特定部位５０の画像からテンプレート画像を作成する場合と比べて、各呼吸位相画像４３がそれぞれの呼吸位相における特定部位５０の状態をより正確に反映するため、呼吸位相毎の特定部位５０のマッチング精度を向上させることができる。その結果、所定の呼吸位相（Ｅｘ５およびＩｎ１）を含むそれぞれの呼吸位相での特定部位５０の検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、制御部４を、位置検出部１２により所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）の特定部位５０が検出され、かつ、特定部位５０の検出位置が所定のビーム照射範囲３２内である場合に限り、治療ビームを照射するためのトリガー信号を放射線治療装置１１０に出力するように構成する。これにより、特定部位５０がビーム照射範囲３２内に存在する条件下で、所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）でのみ治療ビーム照射を実施させることができるので、より治療計画に沿った照射線量分布での治療が可能となる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、位置検出部１２が、動画像の形式のＸ線画像３０について、フレーム毎に特定部位５０の検出を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、動画像でフレームレートが大きい場合などには、フレーム毎ではなく、複数フレームに対して１回の割合で特定部位の検出を行ってもよい。

また、上記実施形態では、放射線撮影装置の一例として、Ｘ線を用いてＸ線画像３０を撮影するＸ線撮影装置に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明は、Ｘ線以外の放射線を用いて撮影を行う装置に適用してもよい。

また、上記実施形態では、１周期をＮ区分した各呼吸位相を、対応する呼吸位相画像４３を用いて検出した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、呼吸位相毎の呼吸位相画像４３を用いなくてもよい。すなわち、少なくとも、所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）に該当するか、所定の呼吸位相には該当しないかが検出できればよい。そのためには、所定の呼吸位相の特定部位５０の画像からなる第１テンプレート画像４１と、所定の呼吸位相以外の特定部位５０の画像からなる第２テンプレート画像４２とを比較するだけでよい。したがって、所定の呼吸位相（Ｅｘ５またはＩｎ１）の呼吸位相画像４３をまとめて１つの平均画像を作成して第１テンプレート画像４１とし、残りの８位相（Ｉｎ２〜Ｉｎ５、Ｅｘ１〜Ｅｘ４）の各呼吸位相画像４３をまとめて１つの平均画像を作成して第２テンプレート画像４２としてもよい。

また、上記実施形態では、呼吸の１周期をＮ分割した例として、Ｎ＝１０とした例を示したが、本発明はこれに限られない。呼吸位相の数Ｎは、１０以外でもよい。呼気相と吸気相とで、異なる数の呼吸位相が設定されていてもよい。その場合、呼吸位相は、１周期を等分割して設定される必要はない。たとえば、第２テンプレート画像４２に割り当てられる呼吸位相Ｉｎ２〜Ｉｎ５およびＥｘ１〜Ｅｘ４については、８つの呼吸位相ではなく、２つまたは３つの呼吸位相のみを設定してもよい。また、たとえば、照射タイミング近傍（Ｅｘ４、Ｅｘ５、Ｉｎ１、Ｉｎ２）の呼吸位相について、より細分化して５つ以上の呼吸位相を設定してもよい。

また、上記実施形態では、位置検出部１２が、テンプレート画像（第１テンプレート画像４１、第２テンプレート画像４２、呼吸位相画像４３）を用いたテンプレートマッチングにより、特定部位５０の検出を行う構成の例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、位置検出部１２が、機械学習による識別器を用いて、所定の呼吸位相の特定部位５０と、所定の呼吸位相以外の特定部位５０とを識別してもよい。たとえば、図７において、各呼吸位相画像４３からなるテンプレートの代わりに、各呼吸位相画像４３を教師画像として用いて機械学習を行った識別器を作成し、位置検出部１２が各識別器を用いて検出窓３０ａの画像の画像認識を行う。これにより、呼吸位相画像４３に対応する特定部位５０であるか否かのスコア値が、識別器毎に取得できる。そのため、Ｘ線画像３０において最大のスコア値を示した識別器による検出位置を採用し、その識別器が学習した呼吸位相画像４３の呼吸位相を、そのＸ線画像３０（特定部位５０）の呼吸位相であると決定できる。識別器は、ＳＶＭ（サポートベクターマシーン）、ニューラルネットワーク、Ｈａａｒ−Ｌｉｋｅ特徴量を用いたＡｄａＢｏｏｓｔなど、どのような手法で構成されていてもよい。機械学習による識別器を用いる場合、記憶部５ｂには、機械学習の学習結果データとして、学習済みの各識別器のデータが記憶される。

また、上記実施形態では、説明の便宜上、画像処理部の処理を、処理フローに沿って順番に処理を行うフロー駆動型のフローを用いて説明したが、本発明はこれに限られない。本発明では、画像処理部の処理を、イベント単位で処理を実行するイベント駆動型（イベントドリブン型）の処理により行ってもよい。この場合、完全なイベント駆動型で行ってもよいし、イベント駆動およびフロー駆動を組み合わせて行ってもよい。

１ 照射部
２ Ｘ線検出部（放射線検出部）
４ 制御部
５ｂ 記憶部
１１ 画像生成部
１２ 位置検出部
３０ Ｘ線画像（放射線画像）
３２ ビーム照射範囲
４１ 第１テンプレート画像
４２ 第２テンプレート画像
４３ 呼吸位相画像
５０ 特定部位
１００ 放射線撮影装置
１１０ 放射線治療装置
Ｉｎ１〜Ｉｎ５、Ｅｘ１〜Ｅｘ５ 呼吸位相
Ｔ 被検体

Claims (6)

1. 被検体に放射線を照射する照射部と、
   前記被検体を透過した放射線を検出する放射線検出部と、
   前記放射線検出部の検出信号に基づき放射線画像を生成する画像生成部と、
   前記放射線画像から被検体の特定部位の位置を検出し、前記特定部位の動きを追跡する位置検出部と、を備え、
   前記位置検出部は、所定の呼吸位相における前記特定部位の画像に基づく画像認識によって、前記放射線画像中から、前記所定の呼吸位相における前記特定部位を検出するように構成されている、放射線撮影装置。
2. 所定の呼吸位相で生成された前記特定部位の第１テンプレート画像と、所定の呼吸位相以外の呼吸位相で生成された前記特定部位の第２テンプレート画像と、をそれぞれ記憶する記憶部をさらに備え、
   前記位置検出部は、前記画像生成部により生成された前記放射線画像と、前記第１テンプレート画像および前記第２テンプレート画像の各々とのマッチングにより、前記所定の呼吸位相における前記特定部位を検出するように構成されている、請求項１に記載の放射線撮影装置。
3. 前記第１テンプレート画像および前記第２テンプレート画像は、画像中の前記特定部位の形状、大きさまたは前記特定部位と重畳して写る背景部分の少なくともいずれかが相違する画像である、請求項２に記載の放射線撮影装置。
4. 前記記憶部には、呼吸の１周期をＮ分割（Ｎは２以上の自然数）した各々の呼吸位相における前記特定部位のテンプレート画像であるＮ種類の呼吸位相画像が記憶されており、
   前記第１テンプレート画像は、Ｎ分割された呼吸位相のうちから選択された１または複数の呼吸位相における前記呼吸位相画像であり、
   前記第２テンプレート画像は、前記第１テンプレート画像以外の呼吸位相における前記呼吸位相画像であり、
   前記位置検出部は、Ｎ種類の呼吸位相画像の各々を用いて、前記放射線画像とのマッチングを行うことにより、前記特定部位を検出するように構成されている、請求項２または３に記載の放射線撮影装置。
5. 被検体の前記特定部位に治療ビームを照射するための放射線治療装置と接続された制御部をさらに備え、
   前記制御部は、前記位置検出部により前記所定の呼吸位相の前記特定部位が検出され、かつ、前記特定部位の検出位置が所定のビーム照射範囲内である場合に限り、治療ビームを照射するためのトリガー信号を前記放射線治療装置に出力するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の放射線撮影装置。
6. 被検体の放射線画像中から特定部位を検出するための放射線画像検出方法であって、
   被検体に放射線を照射し、前記被検体を透過した放射線を検出することにより前記放射線画像を生成するステップと、
   前記放射線画像から被検体の特定部位の位置を検出し、前記特定部位の動きを追跡するステップと、を備え、
   前記特定部位の動きを追跡するステップは、所定の呼吸位相における前記特定部位の画像に基づく画像認識によって、前記放射線画像中から、前記所定の呼吸位相における前記特定部位を検出するステップを含む、放射線画像検出方法。

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