JP2020156562A - 動体追跡装置とそれを備えた放射線治療システム、プログラム、および動体の追跡方法 - Google Patents

Abstract

【課題】治療時間を短縮することに寄与する動体追跡装置とそれを備えた放射線治療システム、およびプログラム、ならびに動体の追跡方法を提供する。【解決手段】少なくとも２以上の方向から標的２を含む透視画像を取得する透視装置と、透視装置によって取得した透視画像から標的２の位置を求める動体追跡制御装置３０Ａと、を備え、動体追跡制御装置３０Ａは、標的２を含むＣＴ画像から模擬透視画像を作成し、模擬透視画像から標的２を含む２次元領域をテンプレートとして作成し、少なくとも２以上の透視画像の各々とテンプレートとをマッチングして、複数のマッチング結果から標的２の３次元位置を求める。【選択図】 図１

Description

本発明は、標的の位置を認識して照射を制御する放射線治療システムに好適な動体追跡装置や動体追跡用のプログラム、ならびに動体の追跡方法に関する。

特許文献１には、人体の呼吸により位置が周期的に変化する腫瘍等の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放射線治療システムが記載されている。特許文献１では、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、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し、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。

特開２００８−１５４８６１号公報

体内の標的に対して治療放射線を照射する放射線治療において、標的に精密に治療放射線を照射するためには、呼吸等による標的の移動へ対応することが必要になる。

移動に対応する方法として、リアルタイムにＸ線透視画像を撮像し、撮像された画像から標的の位置を求め、求めた標的位置に応じて治療放射線を制御する方法が知られており、例えば特許文献１に記載された方法がある。

特許文献１では、治療前に治療放射線を照射する状態の３次元ＣＴ画像を撮像し、ＣＴ画像から投影画像を作成し、治療中に撮像したＸ線透視画像と投影画像が一致した時に、治療放射線を照射する。これにより、標的が治療放射線を照射するべき位置にある時のみ治療放射線が照射されることから、標的に対して精密に治療放射線を照射することができる。

また特許文献１の方法では、標的がＸ線透視画像中での視認が困難な場合にも適用可能である。特許文献１では、治療直前に３次元ＣＴ画像を撮像しているため、標的と周辺構造の位置関係はＣＴ画像撮像時と治療中は一致していると期待できる。このため、投影画像とＸ線透視画像との双方で標的が視認困難な状態でも、周辺構造が一致した時には標的位置も一致していることが期待される。

Ｘ線装置画像中では腫瘍は視認困難であることからマーカ等を刺入して可視化している。これに対し、上記方法を用いると、マーカ無しで腫瘍位置を決定することができる。

ここで、特許文献１に記載の技術では、投影画像とＸ線透視画像との一致度で標的が照射するべき位置にあるかどうかを判断している。そのため、完全に一致した際には一致したと判断できるが、標的が移動してずれが生じた場合にどれだけ画像の一致度が下がるかを知る手段は無い、との問題がある。

また、逆に画像の一致度が下がった際にどれだけ標的がずれているかを知る手段がないため、標的に精密に治療放射線を照射するためには、標的のずれが極めて小さくなるよう、一致度の許容幅を狭く設定する必要がある。しかしながら、この場合は呼吸周期において治療放射線を照射できるタイミングが極めて少なくなり、多数の呼吸周期にわたって照射する必要がある。つまり治療時間が長くなる、との課題があった。

本発明の目的は、治療時間を短縮することに寄与する動体追跡装置とそれを備えた放射線治療システム、および動体追跡用のプログラム、ならびに動体の追跡方法を提供することである。

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、標的の３次元位置を求め、その動きを追跡する動体追跡装置であって、少なくとも２以上の方向から前記標的を含む透視画像を取得する透視装置と、前記透視装置によって取得した前記透視画像から前記標的の位置を求める動体追跡制御装置と、を備え、前記動体追跡制御装置は、前記標的を含むＣＴ画像から模擬透視画像を作成し、前記模擬透視画像から前記標的を含む２次元領域をテンプレートとして作成し、少なくとも２以上の前記透視画像の各々と前記テンプレートとをマッチングして、複数の前記マッチングの結果から前記標的の３次元位置を求めることを特徴とする。

本発明によれば、治療時間を短縮することに寄与することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態の放射線治療システムや動体追跡装置の概略構成を示す図である。 実施形態の動体追跡装置による２次元テンプレート作成の処理の流れを説明するフロー図である。 実施形態の動体追跡装置の２次元テンプレート作成の概要を説明する図である。 実施形態の動体追跡装置の２次元テンプレート作成の概要を説明する図である。 実施形態の動体追跡装置による２次元テンプレート作成の処理の他の一例の流れを説明するフロー図である。 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。 実施形態の動体追跡装置が透視画像から標的の位置を計算する概略図である。 実施形態の動体の追跡方法を含む放射線治療システムによる放射線の処理手順を示すフローチャートである。

本発明の動体追跡装置とそれを備えた放射線治療システム、プログラムならびに動体の追跡方法の実施形態について図１乃至図８を用いて説明する。

最初に、放射線治療システム１００の全体構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施形態における放射線治療システムの概略構成を示す図である。

図１において、放射線治療システム１００は、患者（以下、被験体１と記載）内の患部（以下、標的２と記載）に対して治療放射線を照射するための装置である。用いられる治療放射線には、例えば、炭素等の重粒子や陽子からなる粒子線や、治療Ｘ線、治療γ線、治療電子線等がある。以下の説明では治療放射線として粒子線を用いる場合について説明する。

なお、本発明においては、被験体１内には、標的２を追跡するために被験体１に追跡用のマーカを事前に埋めないこととする。

この放射線治療システム１００は、被験体１の位置決めが可能なベッド６０、ＣＴ撮像装置２０、動体追跡装置３０、粒子線を発生させ、被験体１内の標的２に照射する治療放射線照射装置５０、照射制御装置４０等を備えている。

治療放射線照射装置５０は、加速器、ビーム輸送系、照射装置から構成される（いずれも図示省略）。治療粒子線は、治療室とは別室に備えた加速器にて必要なエネルギーまで加速された後、ビーム輸送装置によりまで導かれる。加速器は、シンクロトロン型加速器やサイクロトロン型加速器、他の様々な加速器とすることができる。

治療放射線照射装置５０内の照射装置は２対の走査電磁石と、線量モニタと、位置モニタとを備えている（いずれも図示省略）。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粒子線が到達するように粒子線を偏向することができる。線量モニタは照射された粒子線の量を計測する。位置モニタは粒子線が通過した位置を検出することができる。治療放射線照射装置５０からの粒子線は標的２に到達する。

粒子線の照射方法は特に限定されず、細い粒子線が形成する線量分布を並べて標的２の形状に合わせた線量分布を形成する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を用いることができる。

また、上述のような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。

更に、標的２の動きに合わせて照射位置を変更する追尾照射にも本発明を適用することができる。

なお、治療放射線として炭素線や陽子線などの粒子線の替わりにＸ線を用いる場合には、加速器やビーム輸送装置の代わりに治療Ｘ線を発生させる治療Ｘ線照射装置を設ける。γ線を用いる場合は、加速器やビーム輸送装置の代わりに治療γ線を発生させるγ線照射装置を設ける。電子線を用いる場合は、加速器やビーム輸送装置の代わりに治療電子線を発生させる電子線照射装置を設ける。

ＣＴ撮像装置２０は、被験体１がベッド６０に寝たまた３次元ＣＴ画像を撮像可能な構成とする。好適にはベッド６０が設置される治療室内に設置される。このＣＴ撮像装置２０によって異なる時間位相においてＣＴを撮像することによって４次元ＣＴ画像を取得する。ＣＴ撮像装置２０が放射線治療システム１００に備えられている事から、治療直前の３次元ＣＴ撮像や４次元ＣＴ撮像が可能となっている。

動体追跡装置３０は、標的２の３次元位置を求め、その動きを追跡する装置であり、少なくとも２以上の方向から標的２を含むＸ線透視画像を取得する透視装置と、透視装置によって取得したＸ線透視画像から標的２の位置を求める動体追跡制御装置３０Ａと、を備えている。

透視装置は、第１方向から被験体１内の標的２に向けて透視用Ｘ線を発生させるＸ線管１０Ａと、Ｘ線管１０Ａから発生して被験体１を透過した透視用Ｘ線の２次元線量分布を検出する検出器１１Ａと、第１方向とは異なる第２方向から被験体１に向けて透視用Ｘ線を発生させるＸ線管１０Ｂと、Ｘ線管１０Ｂから発生して被験体１を透過した透視用Ｘ線の２次元線量分布を検出する検出器１１Ｂと、信号処理回路を含むＸ線撮像装置３１と、を備えている。

検出器１１Ａ，１１Ｂは、２次元的に配置された検出素子からアナログ信号を出力する。

Ｘ線撮像装置３１は、Ｘ線管１０Ａ，１０Ｂに対して透過用Ｘ線の照射を指示するとともに、検出器１１Ａ，１１Ｂからアナログ信号を処理してＸ線透視画像のデータを生成し、動体追跡制御装置３０Ａの２次元マッチング装置３２へ送信する。

なお、本実施形態では、透視装置のＸ線による撮像方向を２方向としているが、これに限定されず、２方向以上であれば何方向であってもよく、Ｘ線管と検出器を適宜追加設置することができる。

動体追跡制御装置３０Ａは、透視装置から入力されるＸ線透視画像の信号に基づいて標的２の位置を演算して、演算した標的２の位置を照射制御装置４０に対して出力する装置である。

図１に示すように、動体追跡制御装置３０Ａは、テンプレート作成装置３４、２次元マッチング装置３２、３次元位置検出装置３３から構成される。

テンプレート作成装置３４は、標的２を含むＣＴ画像から模擬Ｘ線透視画像を作成するとともに、模擬Ｘ線透視画像から標的２を含む２次元領域の画像をテンプレート画像とする処理を実行する。

より具体的には、テンプレート作成装置３４はＣＴ撮像装置２０で撮像された２以上の３次元ＣＴ画像（４次元ＣＴ画像）の入力を受けて、Ｘ線撮像装置３１により動作が制御されるＸ線管１０Ａ，１０Ｂ、及び検出器１１Ａ，１１Ｂの配置に従って、これらの装置で撮像されるＸ線透視画像を模擬する投影画像を２以上の３次元ＣＴ画像の各々から計算によって求める。

この時、複数のＸ線管１０Ａ，１０Ｂ、及び検出器１１Ａ，１１Ｂに対応して、複数の投影画像が作成される。得られた投影画像において、被験体１の体内にある治療すべき標的２が写っている場所を特定し、その周辺部を、マッチング時の標的２のリファレンス画像となるテンプレート画像として抽出する。

以下、図２乃至図５を用いてテンプレート作成装置３４によるテンプレートの作成の流れについて説明する。図２は２次元テンプレート作成の処理の流れを説明するフロー図である。図３および図４は２次元テンプレート作成処理の概要を説明する図である。図５は２次元テンプレート作成の処理の流れの他の一例を説明するフロー図である。

図２に示すように、最初に、テンプレート作成装置３４は、２つの異なる呼吸位相で取得された３次元ＣＴ画像（４次元ＣＴ画像）の入力を受ける（ステップＳ２００）。

その後、テンプレート作成装置３４は、２つの３次元ＣＴ画像の基準位置を対応付け、２つの呼吸位相の間の３次元ＣＴ画像を補間する、変形位置合わせを行う（ステップＳ２１０）。補間方法は特に限定されず、公知の様々な手法を用いることができる。

次いで、テンプレート作成装置３４は、基準画像を基に標的２や周辺構造を抽出し、標的２および周辺構造の移動量を求める（ステップＳ２２０）。

先のステップＳ２２０により標的２および周辺構造の移動量が分かったので、テンプレート作成装置３４は、周辺構造のうち、標的２と同程度の動きをしているもの、例えば、求めた標的２の移動量と周辺構造の移動量との差が予め指定された値以下となった周辺構造を追跡周辺構造として抽出する（ステップＳ２３０）。抽出する周辺構造は、極力、標的２の周辺に存在する構造とすることが望ましい。

より具体的には、ある呼吸位相における３次元ＣＴ画像から、図３に示すような模擬Ｘ線透視画像１３Ａを作成する。この模擬Ｘ線透視画像１３Ａからは、標的２と、周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄが抽出される。

また、模擬Ｘ線透視画像１３Ａが作成された３次元ＣＴ画像とは呼吸位相が異なる３次元ＣＴ画像から、図４に示すような模擬Ｘ線透視画像１３Ｂを作成する。この模擬Ｘ線透視画像１３Ｂからは、同様に標的２と、周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄとが抽出される。

これら２つの模擬Ｘ線透視画像１３Ａ，１３Ｂを比較し、標的２の移動量、および周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの各々の移動量を求める。

なお、本発明においては、模擬Ｘ線透視画像１３Ａ，１３Ｂにて抽出される周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄには、標的２を追跡するために標的２を有する被験体１に事前に埋める追跡用のマーカは含まれない。

周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの一例として考えられるのは、被験体１内の骨などであることが想定されるが、３次元ＣＴ画像を撮像した、あるいは模擬透視Ｘ線画像を作成して初めて決定されるものであり、骨に限られない。

また、２つの模擬Ｘ線透視画像のうち、いずれか一方で抽出されなかった周辺構造については、移動量を求めることなく、存在しなかったものとして取り扱うことが望ましい。

図４に示すように、標的２の移動量に対して周辺構造３Ａ、３Ｄはその移動量が大きい。これに対し、周辺構造３Ｂ，３Ｃの移動量は標的２の移動量と同じ程度となっており、差分が小さい。このような周辺構造３Ｂ，３Ｃを追跡周辺構造として抽出し、これら追跡周辺構造を含む２次元領域を投影した画像をテンプレート画像とする。

テンプレート画像は、２以上の３次元ＣＴ画像や、補間で作成した３次元ＣＴ画像から各々作成する。

なお、標的２の位置は、治療計画ＣＴ画像上に設定された標的２の位置を治療計画ＣＴ画像と治療直前に取得した模擬Ｘ線透視画像抽出用の３次元ＣＴ画像のマッチングの結果から対応付けて決定しても良いし、手動で３次元ＣＴ画像中から設定しても良い。

また、テンプレートとして抽出する範囲は、手動で設定しても良いし、予め設定されたサイズから自動で決定しても良い。

作成されたテンプレート画像は２次元マッチング装置３２に送信され、そこで保持される。

テンプレート作成装置３４によるテンプレート画像の作成処理方法は上述のような流れに限られない。以下、図５を用いて他の一例について説明する。

図５に示すように、最初に、テンプレート作成装置３４は、２つの異なる呼吸位相で取得された３次元ＣＴ画像（４次元ＣＴ画像）の入力を受ける（ステップＳ３００）。

その後、テンプレート作成装置３４は、２以上の異なる３次元ＣＴ画像から標的２および周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを抽出する（ステップＳ３１０）。

その後、テンプレート作成装置３４は、２つの３次元ＣＴ画像の基準位置を対応付け、２つの呼吸位相の間の３次元ＣＴ画像を補間する、変形位置合わせを行う（ステップＳ３２０）。補間方法は特に限定されず、公知の様々な手法を用いることができる。

次いで、テンプレート作成装置３４は、補間された３次元ＣＴ画像に基づいて標的２および周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの移動量を求める（ステップＳ３３０）。

その後、テンプレート作成装置３４は、周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄのうち、標的２と同程度の動きをしている周辺構造３Ｂ，３Ｃを追跡周辺構造として抽出する（ステップＳ３４０）。抽出の基準は図３で説明したステップＳ２３０と同じとすることが望ましい。

なお、追跡周辺構造が周辺構造３Ｂ，３Ｃとの２つの場合について説明したが、追跡周辺構造は少なくとも１つ以上であればよく、その数に特に制限はない。

また、抽出された標的２の移動量との差が予め指定された値以下となった周辺構造３Ｂ，３Ｃを追跡周辺構造と見做す場合について説明したが、抽出された標的２の移動量と周辺構造の移動量との差が最も小さい周辺構造や、小さい方から任意の数の周辺構造を追跡周辺構造と見做してもよい。

また、抽出された標的２の移動量と周辺構造の移動量との差が予め指定された値以下となった追跡周辺構造が存在しないときは、差が最も小さいものを追跡周辺構造とすることができる。これにより、追跡周辺構造が抽出されない事態を避けることができる。

更に、抽出された標的２の移動量と周辺構造の移動量との差が予め指定された値以下となった追跡周辺構造が存在しないときは、異なる呼吸位相の３次元ＣＴ画像から標的２の移動量と周辺構造の移動量を再度抽出し直してもよい。これによっても、追跡周辺構造が抽出されない事態を避けることができる。

また、治療粒子線の照射段階において、図６に示すように、Ｘ線撮像装置３１によりＸ線管１０Ａから発生させた透視用Ｘ線を標的２に向けて照射し、標的２を通過した透視用Ｘ線の２次元線量分布を検出器１１Ａによって測定することで標的２を撮像する。これとともに、Ｘ線管１０Ｂから発生させた透視用Ｘ線を標的２に向けて照射し、標的２を通過した透視用Ｘ線の２次元線量分布を検出器１１Ｂによって測定することで標的２を撮像する。なお、図６はＸ線透視画像を取得する概念図である。

この透視用Ｘ線によるＸ線透視画像の取得は、例えば３０Ｈｚの一定間隔で間欠的に実施される。

動体追跡制御装置３０Ａの２次元マッチング装置３２および３次元位置検出装置３３は、Ｘ線撮像装置３１を介して取得した２つのＸ線透視画像から標的２の３次元位置を演算し、その結果に基づいて治療粒子線の出射を許可するか否かを判定する。

具体的には、２次元マッチング装置３２は、Ｘ線撮像装置３１を介して取得した２つのＸ線透視画像中の周辺構造３Ｂ，３Ｃが、テンプレート作成装置３４で作成されたテンプレートと最も一致するタイミングを特定し、標的２の検出器１１Ａ，１１Ｂ上への投影位置を特定する。

評価する方法としては、規格化相関係数等の画像類似度を用いる。探索は画面全探索や設定された探索領域内のみ探索する方法を用いる。

マッチングで得られた各々のＸ線透視画像中での標的２の投影位置は３次元位置検出装置３３に送信される。

３次元位置検出装置３３は、２次元マッチング装置３２によるマッチングで得られた各々のＸ線透視画像中での標的２の投影位置から標的２の３次元位置を求める。得られた３次元位置は照射制御装置４０に送信する。

図７に検出した標的２の検出器１１Ａ上における位置とＸ線管１０Ａとを結ぶ線１２Ａ、および標的２の検出器１１Ｂ上における位置とＸ線管１０Ｂとを結ぶ線１２Ｂを示す。３次元位置検出装置３３による処理で得られるこの２本の線は、理想的には１点で交わり、その交点が標的２の存在する位置である。

しかし、実際には、検出の誤差や透視用Ｘ線検出器の設置誤差などの影響から、２本の線は通常は交わらず、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４と呼ぶ。そして、通常は、３次元位置検出装置３３はこの共通垂線４の中点を標的２の３次元位置として求めている。

図１に戻り、照射制御装置４０は、治療放射線照射装置５０および動体追跡装置３０と接続されており、治療放射線照射装置５０を構成する各機器の動作を制御する。本実施例の照射制御装置４０は、動体追跡装置３０からの信号を基に標的２への治療放射線の照射を制御する。

照射制御装置４０は得られた標的２の３次元位置を元に治療放射線照射装置５０による治療放射線の照射動作を制御する。

例えば、照射制御装置４０は、標的２の位置が予め指定したゲート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照射制御装置４０に対して送信して標的２に対する粒子線の出射を許可する。これに対し標的２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。

また、上述の特許文献１のように治療計画時の標的２の位置が治療放射線を照射すべき位置に完全に一致した状態の時のみ治療放射線を照射するように制御すると、治療時間が非常に増大する。

本発明では標的２の空間的位置ずれ量を定量的に把握可能であるため、照射制御装置４０は、治療計画位置から±２ｍｍ程度の領域を設定し、その領域内にある時のみ治療放射線を照射するゲート照射を行う。上記領域の分だけ計画から標的位置がずれうるが、そのずれ量を評価、及び、制御可能であるため、その領域分を補償するように治療放射線の照射範囲を広げることで、照射精度を担保する。

以上のようにして標的２の３次元位置をリアルタイムに取得し、３次元ゲート照射をすることで、標的への高い照射精度と、短い照射時間を両立できる。

この照射制御装置４０や上述した動体追跡制御装置３０Ａ内の各装置、Ｘ線撮像装置３１は、ＣＰＵやメモリ、インターフェース等を備えたコンピュータやＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）にプログラムを読み込ませて計算を実行させることで実現できる。これらのプログラムは各構成内の内部記録媒体や外部記録媒体（図示省略）に格納されており、ＣＰＵによって読み出され、実行される。

なお、照射制御装置４０や動体追跡制御装置３０Ａ内の各装置、Ｘ線撮像装置３１の動作の制御処理は、１つのプログラムにまとめられていても、それぞれが複数のプログラムに別れていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または全ては専用ハードウェアで実現してもよく、モジュール化されていても良い。更には、各種プログラムは、プログラム配布サーバや内部記憶媒体や外部記録媒体から各装置にインストールされてもよい。

また、照射制御装置４０や動体追跡制御装置３０Ａの各装置、Ｘ線撮像装置３１は独立している必要はなく、２つ以上を一体化，共通化して、処理のみを分担してもよい。また、少なくとも一部の構成が有線もしくは無線のネットワークを介して接続されているものとすることができる。

例えば、照射制御装置４０側で治療放射線の照射可，不可を判定する場合について説明したが、動体追跡制御装置３０Ａ側で治療放射線の照射可，不可を判定して照射許可信号，不許可信号を照射制御装置４０に対して出力し、照射制御装置４０において照射制御を行うことができる。

次に、本実施形態に係る動体の追跡方法を含む放射線治療システムによる放射線の照射処理の手順について図８を用いて説明する。図８は放射線治療システムの処理手順を示すフローチャートである。

まず、オペレータの指示に基づいて、治療放射線照射のためにベッド６０上に寝かされた被験体１の３次元ＣＴ画像がＣＴ撮像装置２０によって撮像される（ステップＳ９０）。この際、２以上の異なるタイミングで、できれば異なる呼吸位相の３次元ＣＴ画像を撮像する。撮像された３次元ＣＴ画像はテンプレート作成装置３４に送信される。

その後、テンプレート作成装置３４は、ステップＳ９０で撮像された２以上の３次元ＣＴ画像から各Ｘ線撮像装置３１の撮像を模擬するような模擬投影画像を計算する。また、テンプレート作成装置３４は、模擬投影画像上で標的２の投影位置を計算し、その周辺をテンプレートとして抽出する（ステップＳ１００）。

なお、ここで模擬投影画像は、２以上の異なる３次元ＣＴ画像の呼吸位相間の内挿画像から作成することで、より細かい位相数で作成することもできる。ここで内挿画像とは、２以上の異なる３次元ＣＴ画像の呼吸位相間における標的２及び周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ等の変形量を含む変形情報を利用して、撮像した呼吸位相ともう１つの呼吸位相との間の呼吸位相におけるＣＴ画像を再現した３次元画像である。そして、この細かい位相数で作成した模擬投影画像から最適なものをテンプレート作成に利用することも可能である。

抽出されたテンプレートは２次元マッチング装置３２に送信される。

本ステップＳ１００におけるテンプレートの作成方法は上述した図２や図５のような流れによることが望ましい。このステップＳ１００が、標的２を含むＣＴ画像から模擬Ｘ線透視画像を作成する工程、および模擬Ｘ線透視画像から標的２を含む２次元領域をテンプレートとして作成する工程に相当する。

その後、オペレータにより、透視Ｘ線撮像開始が指示されると、動体追跡装置３０のＸ線撮像装置３１は間欠的にＸ線の撮像を開始する（ステップＳ１１０）。Ｘ線撮像は治療が終了するか、オペレータが停止操作を行うまで継続する。

その後、Ｘ線画像が撮像され、取得されたＸ線透視画像は２次元マッチング装置３２に送信される（ステップＳ１２０）。

これらのステップＳ１１０およびステップＳ１２０が、少なくとも２以上の方向から標的２を含むＸ線透視画像を取得する工程に相当する。

その後、２次元マッチング装置３２により、ステップＳ１１０，Ｓ１２０で撮像されたＸ線透視画像とステップＳ１００で作成されたテンプレート画像とで２次元のマッチングを行い、Ｘ線透視画像中の標的２の位置を特定する（ステップＳ１３０）。特定された標的２の位置は３次元位置検出装置３３に送られる。

このステップＳ１３０が少なくとも２以上のＸ線透視画像の各々とテンプレートとをマッチングする工程に相当する。

その後、３次元位置検出装置３３により、ステップＳ１３０で特定された複数の２次元マッチング位置を元に、標的２の３次元位置を算出する（ステップＳ１４０）。得られた３次元位置は照射制御装置４０に送信される。

このステップＳ１４０が複数のマッチング結果から標的２の３次元位置を求める工程に相当する。

その後、照射制御装置４０は、オペレータから治療照射が開始の操作をされているか否かを判定する（ステップＳ１４５）。開始操作がなされていないと判定された場合には何もせず、処理をＸ線撮像ステップのステップＳ１２０に戻す。これに対し、治療照射開始操作がなされていると判定された場合には、処理をステップＳ１５０に進める。

その後、照射制御装置４０は、ステップＳ１４０で得られた標的２の３次元位置を元にゲート領域に入っている場合にのみ治療放射線を照射する（ステップＳ１５０）。

その後、照射制御装置４０は、予め設定された治療ビームの照射が終了しているか否かを判定する（ステップＳ１６０）。予め設定された治療ビームの照射が終了していないと判定された場合には処理をステップＳ１２０に戻す。これに対し、治療ビームの照射が終了したと判定された場合には、透視Ｘ線撮像を終了させ、手順を終了させる。

次に、本実施形態の効果について説明する。

上述した本実施形態の放射線治療システム１００は、放射線を発生、照射する治療放射線照射装置５０と、標的２の３次元位置を求め、その動きを追跡する動体追跡装置３０と、動体追跡装置３０からの信号を基に治療放射線照射装置５０を制御することで標的への治療放射線の照射を制御する照射制御装置４０と、を備えている。

このうち動体追跡装置３０は、少なくとも２以上の方向から標的２を含むＸ線透視画像を取得する透視装置と、透視装置によって取得したＸ線透視画像から標的２の位置を求める動体追跡制御装置３０Ａと、を備え、動体追跡制御装置３０Ａは、標的２を含むＣＴ画像から模擬Ｘ線透視画像を作成し、模擬Ｘ線透視画像から標的２を含む２次元領域をテンプレートとして作成し、少なくとも２以上のＸ線透視画像の各々とテンプレートとをマッチングして、複数のマッチング結果から標的２の３次元位置を求める。

一般に、放射線治療における標的はＸ線透視画像上ではコントラストがつかず、直接視認することが困難である。結果としてテンプレート画像として標的２のみの画像で用いると、マッチングで精度よく位置検出することが困難である。

これに対し、本発明のように、標的２の周辺の２次元領域をテンプレートとして用いることによって、標的２と比べてコントラストの高い周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを元にマッチングすることができる。周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄと標的２との位置関係が維持されていれば、周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄがマッチングした状態は、標的２もマッチした状態である。このようにして、Ｘ線透視画像からは視認が困難な標的２の３次元位置を周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを元にリアルタイムに検出することができる。

このような効果が得られることから、特に、照射可能な時間を増やす方法である、標的２の位置に対して照射許容範囲を設け、照射許容範囲に入った時に治療放射線を照射するゲート照射を行う放射線治療システムに適用することによって、精密に標的２に照射しつつ、短時間で治療を終えることが可能となる。

また、動体追跡制御装置３０Ａは、２以上の３次元ＣＴ画像から４次元ＣＴ画像を作成し、４次元ＣＴ画像から標的２の移動量および周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの移動量を求め、求めた標的２の移動量と周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの移動量との差が予め指定された値以下となった周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを追跡周辺構造として抽出し、追跡周辺構造を含む２次元領域をテンプレートとする。これにより、標的２との位置関係の少ない周辺構造３Ｂ，３Ｃのみがテンプレート上に存在することになることから、それらの周辺構造３Ｂ，３Ｃから決定される標的２の３次元位置をより高精度に求まる。これにより、より精密に標的２に照射しつつ、短時間で治療を終えることが可能となる。

更に、動体追跡制御装置３０Ａは、２以上の３次元ＣＴ画像の各々から標的２および周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを抽出し、抽出された標的２および周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの移動量を２以上の３次元ＣＴ画像から求め、標的２の移動量との移動量の差が予め指定された値以下となった周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを追跡周辺構造として抽出し、追跡周辺構造を含む２次元領域をテンプレートとすることによっても、より精密に標的２に照射しつつ、短時間で治療を終えることが可能となる。

また、周辺構造３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄには、標的２を追跡するために標的２を有する被験体１に事前に埋める追跡用のマーカは含まれないため、マーカを埋め込む手間、負担を削減することができ、更なる治療時間の短縮を図ることができる。

更に、動体追跡制御装置３０Ａは、２以上の異なる位相の３次元ＣＴ画像から変形量を算出し、複数の３次元ＣＴ画像間の内挿画像を作成し、内挿画像に基づいて模擬透視画像を作成することにより、細かい位相数で作成した模擬投影画像から最適なものをテンプレート作成に利用することができるようになるため、マッチングの精度の更なる向上を図ることができる。

また、標的２を有する被験体１を載置するベッド６０と、ベッド６０が収容される治療室に設置され、模擬透視画像を作成する基となるＣＴ画像を撮像するＣＴ撮像装置２０と、を更に備え、動体追跡装置３０は、治療放射線の照射直前にＣＴ撮像装置２０によって撮像された３次元ＣＴ画像から模擬透視画像を作成する。

図８のステップ１００に示すように、治療直前にＣＴ画像の撮像とテンプレートの作成が行われると、そのテンプレート中での標的２の位置と周辺構造３Ｂ，３Ｃの位置関係が変わるようなことは生じにくく、治療中に維持されると考えられる。

そこで、治療直前のＣＴから作成した投影画像を基に作成したテンプレートによって標的２の位置を判定することによって、標的２がＸ線透視画像上で視認困難な場合にも、周辺構造を元に標的の３次元位置を更に高い精度で決定することが可能である。特に、その３次元位置に応じてゲート照射を行うことで、標的２への高精度な治療放射線照射、かつ、短時間の治療が可能となる。

＜その他＞
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。

１…被験体
２…標的
３Ａ，３Ｄ…周辺構造
３Ｂ，３Ｃ…周辺構造（追跡周辺構造）
４…共通垂線
１０Ａ，１０Ｂ…Ｘ線管（透視装置）
１１Ａ，１１Ｂ…検出器（透視装置）
２０…ＣＴ撮像装置
３０…動体追跡装置
３０Ａ…動体追跡制御装置
３１…Ｘ線撮像装置（透視装置）
３２…２次元マッチング装置
３３…３次元位置検出装置
３４…テンプレート作成装置
４０…照射制御装置
５０…治療放射線照射装置（照射装置）
６０…ベッド
１００…放射線治療システム

Claims (10)

1. 標的の３次元位置を求め、その動きを追跡する動体追跡装置であって、
   少なくとも２以上の方向から前記標的を含む透視画像を取得する透視装置と、
   前記透視装置によって取得した前記透視画像から前記標的の位置を求める動体追跡制御装置と、を備え、
   前記動体追跡制御装置は、
   前記標的を含むＣＴ画像から模擬透視画像を作成し、
   前記模擬透視画像から前記標的を含む２次元領域をテンプレートとして作成し、
   少なくとも２以上の前記透視画像の各々と前記テンプレートとをマッチングして、
   複数の前記マッチングの結果から前記標的の３次元位置を求める
   ことを特徴とする動体追跡装置。
2. 請求項１に記載の動体追跡装置において、
   前記動体追跡制御装置は、２以上の３次元ＣＴ画像から４次元ＣＴ画像を作成し、前記４次元ＣＴ画像から前記標的の移動量および周辺構造の移動量を求め、求めた前記標的の移動量と前記周辺構造の移動量との差が予め指定された値以下となった周辺構造を追跡周辺構造として抽出し、前記追跡周辺構造を含む前記２次元領域を前記テンプレートとする
   ことを特徴とする動体追跡装置。
3. 請求項１に記載の動体追跡装置において、
   前記動体追跡制御装置は、２以上の３次元ＣＴ画像の各々から前記標的および周辺構造を抽出し、抽出された前記標的および前記周辺構造の移動量を２以上の３次元ＣＴ画像から求め、前記標的の移動量との移動量の差が予め指定された値以下となった周辺構造を追跡周辺構造として抽出し、前記追跡周辺構造を含む前記２次元領域を前記テンプレートとする
   ことを特徴とする動体追跡装置。
4. 請求項２または３に記載の動体追跡装置において、
   前記周辺構造には、前記標的を追跡するために前記標的を有する被験体に事前に埋める追跡用のマーカは含まれない
   ことを特徴とする動体追跡装置。
5. 請求項２または３に記載の動体追跡装置において、
   前記動体追跡制御装置は、２以上の異なる位相の前記３次元ＣＴ画像から変形量を算出し、複数の前記３次元ＣＴ画像間の内挿画像を作成し、前記内挿画像に基づいて前記模擬透視画像を作成する
   ことを特徴とする動体追跡装置。
6. 放射線を発生、照射する照射装置と、
   請求項１に記載の動体追跡装置と、
   前記動体追跡装置からの信号を基に前記照射装置を制御することで前記標的への治療放射線の照射を制御する照射制御装置と、を備えた
   ことを特徴とする放射線治療システム。
7. 請求項６に記載の放射線治療システムにおいて、
   前記標的を有する被験体を載置するベッドと、
   前記ベッドが収容される治療室に設置され、前記模擬透視画像を作成する基となるＣＴ画像を撮像するＣＴ撮像装置と、を更に備え、
   前記動体追跡装置は、前記治療放射線の照射直前に前記ＣＴ撮像装置によって撮像された３次元ＣＴ画像から前記模擬透視画像を作成する
   ことを特徴とする放射線治療システム。
8. 少なくとも２以上の方向から標的を含む透視画像を取得するステップと、
   前記標的を含むＣＴ画像から模擬透視画像を作成するステップと、
   前記模擬透視画像から前記標的を含む２次元領域をテンプレートとして作成するステップと、
   少なくとも２以上の前記透視画像の各々と前記テンプレートとをマッチングするステップと、
   複数の前記マッチングの結果から前記標的の３次元位置を求めるステップと、をコンピュータに実行させる
   ことを特徴とするプログラム。
9. 標的の動きを追跡する動体の追跡方法であって、
   少なくとも２以上の方向から前記標的を含む透視画像を取得する工程と、
   前記標的を含むＣＴ画像から模擬透視画像を作成する工程と、
   前記模擬透視画像から前記標的を含む２次元領域をテンプレートとして作成する工程と、
   少なくとも２以上の前記透視画像の各々と前記テンプレートとをマッチングする工程と、
   複数の前記マッチングの結果から前記標的の３次元位置を求める工程と、を有する
   ことを特徴とする動体の追跡方法。
10. 請求項９に記載の動体の追跡方法において、
    前記標的を含むＣＴ画像を取得する工程を、前記標的の３次元位置を求める工程の直前に行う
    ことを特徴とする動体の追跡方法。

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