JP4159226B2 - 患部トラッキング方法、装置、及び、これを用いた放射線照射方法、装置、並びに放射線治療装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、患部トラッキング装置、及び、これを用いた放射線照射装置、並びに放射線治療装置に係り、特に、外部照射による放射線治療の呼吸同期照射に用いるのに好適な、患部の移動をトラッキングするための患部トラッキング装置、及び、これを用いた放射線照射装置、並びに放射線治療装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、胸部や腹部の外部照射による放射線治療、特に、線量局在性に優れた放射線治療を行う際には、呼吸性の臓器（病巣）移動の影響を低減して、正常組織への不要な照射を防止するために、呼吸に同期して照射ビームをオン・オフする呼吸同期照射が行われる。
【０００３】
現在行われている方法には、例えば稲田哲雄、辻比呂志、早川吉則、丸橋晃、辻井博彦「呼吸位相同調陽子線照射法」日本医放会誌５２（８）１１６１−１１６７頁、１９９２（平成４年）に記載された、歪みゲージを体表面（通常腹部）に貼り付けて、呼吸による胸腹壁の皮膚の伸長度を検出する方法があるが、最近、白土博樹、清水伸一、喜多村圭「次世代の放射線治療：動体追跡放射線治療」映像情報（Ｍ）Ｖol．３１Ｎｏ．１６（１９９９年８月）８７６−８７８頁に記載されているように、患部周辺に微小な金属球（金マーカー）を埋め込み、２方向からのＸ線透過撮影装置を用いてリアルタイムで三角測量を行い、３次元的な患部の動きを検出する方法も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の方法では、体表面に歪みゲージを貼り付けるため、呼吸以外の動きを検出する可能性がある。又、体内の患部の動きを直接計測していないことによる誤差も考えられる。
【０００５】
一方後者では、複数の金属球を事前に患者の体内に挿入する必要があり、治療終了後には、これらを取出す必要もある。従って、患者の肉体的、精神的な苦痛を伴う。更に、外部照射の放射線治療は、通常、１日１回の照射治療を１０〜２０回行うため、治療の進捗に伴い、患部周辺組織に萎縮等が起こって、最初に埋め込んだマーカーによる３次元位置計測が困難になる可能性もある。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、患部の呼吸性移動を正確にトラッキングすることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、患部の移動をトラッキングするための患部トラッキング装置において、患部周辺を撮影した透過画像から、画像上の画素の動きをベクトルで表したオプティカルフローを計算する手段と、そのフローベクトルを合成することによって、患部の動きベクトルを計算する手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１１】
又、前記透過画像を複数の方向で撮影し、各方向の透過画像から得た動きベクトルを合成することによって、患部の３次元動きベクトルを計算するようにしたものである。
【００１２】
更に、前記動きベクトルを積分することによって、患部の位置を計算する手段を備えたものである。
【００１４】
本発明は、又、放射線照射装置において、前記の患部トラッキング装置と、該患部トラッキング装置により検出される患部の移動状態に同期して、患部に照射される放射線の照射状態を制御する照射制御装置とを備えることにより、同じく高精度の呼吸同期照射が行えるようにしたものである。
【００１５】
本発明は、又、放射線治療装置において、前記の放射線照射装置を含むことにより、高精度の治療を行えるようにしたものである。
【００１６】
前記オプティカルフローとは、画像上の画素の流れ（動き）をベクトルで表わしたものを言い、通常は動画像のフレーム間での各画素の動きをベクトルで求めることで、移動方向を検出するのに用いられている。その特徴は、瞬間瞬間の微小変化を扱い、変化が連続的であれば、各画素の動きが流れるように変化するところであると判断する。移動ベクトルを検出できれば、移動物体の把握や追跡が可能であり、交通量調査や人間のジェスチャの認識等に用いることが検討されている。
【００１７】
本発明では、このオプティカルフローを利用して、照射ターゲット付近の３次元計測を行い、照射ビームのオン・オフ制御を行う。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
本発明に係る放射線治療装置の実施形態は、図１に示す如く、例えば患者ベッド（図示省略）上に載置される患者１０の周囲に照射ノズル２２を回転移動させるための回転ガントリ２０内に設置された、それぞれＸ線発生装置３２Ａ、３２Ｂ及びＸ線撮像装置３４Ａ、３４Ｂを含む２組のＸ線透過撮影装置３０Ａ、３０Ｂと、各Ｘ線透過撮影装置３０Ａ、３０Ｂによって得られるリアルタイム映像から、瞬時のオプティカルフローを計算し、２方向のオプティカルフローから、３次元の動きベクトルを計測して、この情報を基に、治療ビームのオン・オフを制御する制御信号を出力する３次元（３Ｄ）患部トラッキング装置４０とから主に構成されている。
【００２０】
前記Ｘ線透過撮影装置３０Ａ、３０Ｂは、患者１０の体軸に垂直な面内に、例えば直交する方向から撮影を行うよう設置されており、リアルタイムでＸ線透過撮影を行うことができる市販のシステムを用いることができる。それぞれの透過撮影画像の中心は、予め治療が計画された患部中心に一致するように設定される。
【００２１】
前記３Ｄ患部トラッキング装置４０は、各Ｘ線撮像装置３４Ａ、３４Ｂから入力されるリアルタイム映像から、瞬時のオプティカルフローを計算して動きベクトルを計算する、撮影方向毎に設けられた動きベクトル計算装置４２Ａ、４２Ｂと、該動きベクトル計算装置４２Ａ、４２Ｂによって得られる２方向の動きベクトルから、３次元の動きベクトルを計測する３次元（３Ｄ）合成ベクトル計算装置６０と、該３Ｄ合成ベクトル計算装置６０の出力をベクトル積分して３次元的な移動量を計算する３Ｄ移動量計算装置６２と、外部から設定される照射可能範囲に応じて、照射ノズル２２から照射される治療用３Ｄビームの照射範囲を設定する３Ｄビーム照射範囲設定装置６４と、該３Ｄビーム照射範囲設定装置６４で設定された照射範囲と前記３Ｄ移動量計算装置６２で計算された移動量を比較して、例えば移動量がビーム照射範囲を超えている場合に、照射ノズル２２から照射されるビームをオフとする制御信号を出力する判定装置６６とを含んで構成されている。
【００２２】
前記動きベクトル計算装置４２Ａ、４２Ｂは、前記Ｘ線撮像装置３４Ａ又は３４Ｂから連続画像を入力するための連続画像入力装置４４Ａと、該連続画像入力装置４４から入力される画像を今回の画像として記憶するための今回画像メモリ４６Ａと、該今回画像メモリ４６Ａに一旦記憶させた画像を前回の画像として記憶するための前回画像メモリ４８Ａと、前記今回及び前回の画像メモリ４６Ａ、４８Ａの差からオプティカルフローを計算するオプティカルフロー計算装置５０Ａと、該オプティカルフロー計算装置５０Ａの出力を合成して動きベクトルを計算するための合成ベクトル計算装置５２とを含んで構成されている。
【００２３】
以下、実施形態の作用を説明する。
【００２４】
今、前記Ｘ線撮像装置３４Ａ又は３４Ｂから入力される前回時刻Ｔ−１及び今回時刻ＴのＸ線透過撮影画像Ｘが、図２の左側に示す如くであったとする。図において、１２は肺、１４は治療対象（ここでは肝臓）、１６は照射ターゲット部分、２４は照射中心（アイソセンタとも称する）である。
【００２５】
前記オプティカルフロー計算装置５０は、２つの画像において、同じ場所に設定したある微小領域内の等輝度画素は、同じものが移動したものであると仮定して、２つの画素間の移動ベクトルを算出することにより、図２の右側に示すようなオプティカルフロー画像Ｏを得る。このオプティカルフロー画像Ｏにおいて、画像中の矢印が、前回時刻Ｔ−１と今回時刻Ｔとの間での移動量と方向を示す。
【００２６】
次いで、図３の右上に示したような、画像中心付近（患部周辺）の画像中心（アイソセンタ）付近のオプティカルフローベクトルｏｆ（ｉ）を合成すると、患部の動きを表わす合成ベクトルＶ（＝Σｏｆ（ｉ））が得られる。
【００２７】
次いで、図４に示す如く、２つの動きベクトル計算装置４２Ａ、４４Ｂの出力Ｖ１、Ｖ２を合成することにより、患部の３Ｄ動きベクトルＶｄを計算することができ、これを積分することによって、３Ｄ位置軌跡Ｐを得ることができる。
【００２８】
従って、３次元それぞれに動きの許容範囲を照射可能領域（形状が直方体、楕円、楕球等）Ｒとして設定することにより、例えば照射可能領域Ｒ内ではビームオン、範囲外ではビームオフの信号を出力する。ここで、前記許容範囲は、患部が大きく動いても問題の少ない照射方向には、大きく設定することができる。
【００２９】
なお、前記実施形態においては、２つの動きベクトルＶ１、Ｖ２を合成して３Ｄ合成ベクトルＶｄを求めていたが、１つの投影方向の動きのみが分かればよい場合には、１つの動きベクトルのみを用いることができる。又、位置に変換することなく、動きベクトルで直接トラッングすることも可能である。又、同期対象も呼吸に限定されない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、照射ターゲット付近の動きや位置を計測できるので、同期照射の精度が向上する。又、患者の体内に金属球等のマーカーを挿入する必要がないので、身体的、精神的な負担がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放射線治療装置の要部構成を示すブロック図
【図２】前記実施形態におけるオプティカルフローの計算の様子を示す線図
【図３】同じくオプティカルフロー合成ベクトルの計算の様子を示す線図
【図４】同じく患部付近の動き及び移動量計算の様子を示す線図
【符号の説明】
１０…患者
２０…回転ガントリ
２２…照射ノズル
３０Ａ、３０Ｂ…Ｘ線透過撮影装置
３２Ａ、３２Ｂ…Ｘ線発生装置
３４Ａ、３４Ｂ…Ｘ線撮像装置
Ｘ…Ｘ線透過撮影画像
４０…３次元（３Ｄ）患部トラッキング装置
４２Ａ、４２Ｂ…動きベクトル計算装置
４４Ａ…連続画像入力装置
４６Ａ…今回画像メモリ
４８Ａ…前回画像メモリ
５０Ａ…オプティカルフロー計算装置
Ｏ、Ｃ…オプティカルフロー画像
ｏｆ（ｉ）…フローベクトル
５２Ａ…合成ベクトル計算装置
Ｖ、Ｖ１、Ｖ２…合成ベクトル
６０…３Ｄ合成ベクトル計算装置
Ｖｄ…３Ｄ動きベクトル
６２…３Ｄ移動量計算装置
Ｐ…３Ｄ位置軌跡
６４…３Ｄビーム照射範囲設定装置
Ｒ…照射可能領域
６６…判定装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、患部トラッキング装置、及び、これを用いた放射線照射装置、並びに放射線治療装置に係り、特に、外部照射による放射線治療の呼吸同期照射に用いるのに好適な、患部の移動をトラッキングするための患部トラッキング装置、及び、これを用いた放射線照射装置、並びに放射線治療装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、胸部や腹部の外部照射による放射線治療、特に、線量局在性に優れた放射線治療を行う際には、呼吸性の臓器（病巣）移動の影響を低減して、正常組織への不要な照射を防止するために、呼吸に同期して照射ビームをオン・オフする呼吸同期照射が行われる。
【０００３】
現在行われている方法には、例えば稲田哲雄、辻比呂志、早川吉則、丸橋晃、辻井博彦「呼吸位相同調陽子線照射法」日本医放会誌５２（８）１１６１−１１６７頁、１９９２（平成４年）に記載された、歪みゲージを体表面（通常腹部）に貼り付けて、呼吸による胸腹壁の皮膚の伸長度を検出する方法があるが、最近、白土博樹、清水伸一、喜多村圭「次世代の放射線治療：動体追跡放射線治療」映像情報（Ｍ）Ｖol．３１Ｎｏ．１６（１９９９年８月）８７６−８７８頁に記載されているように、患部周辺に微小な金属球（金マーカー）を埋め込み、２方向からのＸ線透過撮影装置を用いてリアルタイムで三角測量を行い、３次元的な患部の動きを検出する方法も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の方法では、体表面に歪みゲージを貼り付けるため、呼吸以外の動きを検出する可能性がある。又、体内の患部の動きを直接計測していないことによる誤差も考えられる。
【０００５】
一方後者では、複数の金属球を事前に患者の体内に挿入する必要があり、治療終了後には、これらを取出す必要もある。従って、患者の肉体的、精神的な苦痛を伴う。更に、外部照射の放射線治療は、通常、１日１回の照射治療を１０〜２０回行うため、治療の進捗に伴い、患部周辺組織に萎縮等が起こって、最初に埋め込んだマーカーによる３次元位置計測が困難になる可能性もある。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、患部の呼吸性移動を正確にトラッキングすることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、患部の移動をトラッキングするための患部トラッキング装置において、患部周辺を撮影した透過画像から、画像上の画素の動きをベクトルで表したオプティカルフローを計算する手段と、そのフローベクトルを合成することによって、患部の動きベクトルを計算する手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。
【００１１】
又、前記透過画像を複数の方向で撮影し、各方向の透過画像から得た動きベクトルを合成することによって、患部の３次元動きベクトルを計算するようにしたものである。
【００１２】
更に、前記動きベクトルを積分することによって、患部の位置を計算する手段を備えたものである。
【００１４】
本発明は、又、放射線照射装置において、前記の患部トラッキング装置と、該患部トラッキング装置により検出される患部の移動状態に同期して、患部に照射される放射線の照射状態を制御する照射制御装置とを備えることにより、同じく高精度の呼吸同期照射が行えるようにしたものである。
【００１５】
本発明は、又、放射線治療装置において、前記の放射線照射装置を含むことにより、高精度の治療を行えるようにしたものである。
【００１６】
前記オプティカルフローとは、画像上の画素の流れ（動き）をベクトルで表わしたものを言い、通常は動画像のフレーム間での各画素の動きをベクトルで求めることで、移動方向を検出するのに用いられている。その特徴は、瞬間瞬間の微小変化を扱い、変化が連続的であれば、各画素の動きが流れるように変化するところであると判断する。移動ベクトルを検出できれば、移動物体の把握や追跡が可能であり、交通量調査や人間のジェスチャの認識等に用いることが検討されている。
【００１７】
本発明では、このオプティカルフローを利用して、照射ターゲット付近の３次元計測を行い、照射ビームのオン・オフ制御を行う。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１９】
本発明に係る放射線治療装置の実施形態は、図１に示す如く、例えば患者ベッド（図示省略）上に載置される患者１０の周囲に照射ノズル２２を回転移動させるための回転ガントリ２０内に設置された、それぞれＸ線発生装置３２Ａ、３２Ｂ及びＸ線撮像装置３４Ａ、３４Ｂを含む２組のＸ線透過撮影装置３０Ａ、３０Ｂと、各Ｘ線透過撮影装置３０Ａ、３０Ｂによって得られるリアルタイム映像から、瞬時のオプティカルフローを計算し、２方向のオプティカルフローから、３次元の動きベクトルを計測して、この情報を基に、治療ビームのオン・オフを制御する制御信号を出力する３次元（３Ｄ）患部トラッキング装置４０とから主に構成されている。
【００２０】
前記Ｘ線透過撮影装置３０Ａ、３０Ｂは、患者１０の体軸に垂直な面内に、例えば直交する方向から撮影を行うよう設置されており、リアルタイムでＸ線透過撮影を行うことができる市販のシステムを用いることができる。それぞれの透過撮影画像の中心は、予め治療が計画された患部中心に一致するように設定される。
【００２１】
前記３Ｄ患部トラッキング装置４０は、各Ｘ線撮像装置３４Ａ、３４Ｂから入力されるリアルタイム映像から、瞬時のオプティカルフローを計算して動きベクトルを計算する、撮影方向毎に設けられた動きベクトル計算装置４２Ａ、４２Ｂと、該動きベクトル計算装置４２Ａ、４２Ｂによって得られる２方向の動きベクトルから、３次元の動きベクトルを計測する３次元（３Ｄ）合成ベクトル計算装置６０と、該３Ｄ合成ベクトル計算装置６０の出力をベクトル積分して３次元的な移動量を計算する３Ｄ移動量計算装置６２と、外部から設定される照射可能範囲に応じて、照射ノズル２２から照射される治療用３Ｄビームの照射範囲を設定する３Ｄビーム照射範囲設定装置６４と、該３Ｄビーム照射範囲設定装置６４で設定された照射範囲と前記３Ｄ移動量計算装置６２で計算された移動量を比較して、例えば移動量がビーム照射範囲を超えている場合に、照射ノズル２２から照射されるビームをオフとする制御信号を出力する判定装置６６とを含んで構成されている。
【００２２】
前記動きベクトル計算装置４２Ａ、４２Ｂは、前記Ｘ線撮像装置３４Ａ又は３４Ｂから連続画像を入力するための連続画像入力装置４４Ａと、該連続画像入力装置４４から入力される画像を今回の画像として記憶するための今回画像メモリ４６Ａと、該今回画像メモリ４６Ａに一旦記憶させた画像を前回の画像として記憶するための前回画像メモリ４８Ａと、前記今回及び前回の画像メモリ４６Ａ、４８Ａの差からオプティカルフローを計算するオプティカルフロー計算装置５０Ａと、該オプティカルフロー計算装置５０Ａの出力を合成して動きベクトルを計算するための合成ベクトル計算装置５２とを含んで構成されている。
【００２３】
以下、実施形態の作用を説明する。
【００２４】
今、前記Ｘ線撮像装置３４Ａ又は３４Ｂから入力される前回時刻Ｔ−１及び今回時刻ＴのＸ線透過撮影画像Ｘが、図２の左側に示す如くであったとする。図において、１２は肺、１４は治療対象（ここでは肝臓）、１６は照射ターゲット部分、２４は照射中心（アイソセンタとも称する）である。
【００２５】
前記オプティカルフロー計算装置５０は、２つの画像において、同じ場所に設定したある微小領域内の等輝度画素は、同じものが移動したものであると仮定して、２つの画素間の移動ベクトルを算出することにより、図２の右側に示すようなオプティカルフロー画像Ｏを得る。このオプティカルフロー画像Ｏにおいて、画像中の矢印が、前回時刻Ｔ−１と今回時刻Ｔとの間での移動量と方向を示す。
【００２６】
次いで、図３の右上に示したような、画像中心付近（患部周辺）の画像中心（アイソセンタ）付近のオプティカルフローベクトルｏｆ（ｉ）を合成すると、患部の動きを表わす合成ベクトルＶ（＝Σｏｆ（ｉ））が得られる。
【００２７】
次いで、図４に示す如く、２つの動きベクトル計算装置４２Ａ、４４Ｂの出力Ｖ１、Ｖ２を合成することにより、患部の３Ｄ動きベクトルＶｄを計算することができ、これを積分することによって、３Ｄ位置軌跡Ｐを得ることができる。
【００２８】
従って、３次元それぞれに動きの許容範囲を照射可能領域（形状が直方体、楕円、楕球等）Ｒとして設定することにより、例えば照射可能領域Ｒ内ではビームオン、範囲外ではビームオフの信号を出力する。ここで、前記許容範囲は、患部が大きく動いても問題の少ない照射方向には、大きく設定することができる。
【００２９】
なお、前記実施形態においては、２つの動きベクトルＶ１、Ｖ２を合成して３Ｄ合成ベクトルＶｄを求めていたが、１つの投影方向の動きのみが分かればよい場合には、１つの動きベクトルのみを用いることができる。又、位置に変換することなく、動きベクトルで直接トラッングすることも可能である。又、同期対象も呼吸に限定されない。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、照射ターゲット付近の動きや位置を計測できるので、同期照射の精度が向上する。又、患者の体内に金属球等のマーカーを挿入する必要がないので、身体的、精神的な負担がない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る放射線治療装置の要部構成を示すブロック図
【図２】前記実施形態におけるオプティカルフローの計算の様子を示す線図
【図３】同じくオプティカルフロー合成ベクトルの計算の様子を示す線図
【図４】同じく患部付近の動き及び移動量計算の様子を示す線図
【符号の説明】
１０…患者
２０…回転ガントリ
２２…照射ノズル
３０Ａ、３０Ｂ…Ｘ線透過撮影装置
３２Ａ、３２Ｂ…Ｘ線発生装置
３４Ａ、３４Ｂ…Ｘ線撮像装置
Ｘ…Ｘ線透過撮影画像
４０…３次元（３Ｄ）患部トラッキング装置
４２Ａ、４２Ｂ…動きベクトル計算装置
４４Ａ…連続画像入力装置
４６Ａ…今回画像メモリ
４８Ａ…前回画像メモリ
５０Ａ…オプティカルフロー計算装置
Ｏ、Ｃ…オプティカルフロー画像
ｏｆ（ｉ）…フローベクトル
５２Ａ…合成ベクトル計算装置
Ｖ、Ｖ１、Ｖ２…合成ベクトル
６０…３Ｄ合成ベクトル計算装置
Ｖｄ…３Ｄ動きベクトル
６２…３Ｄ移動量計算装置
Ｐ…３Ｄ位置軌跡
６４…３Ｄビーム照射範囲設定装置
Ｒ…照射可能領域
６６…判定装置
Claims (5)
- 患部の移動をトラッキングするための患部トラッキング装置において、
患部周辺を撮影した透過画像から、画像上の画素の動きをベクトルで表したオプティカルフローを計算する手段と、
そのフローベクトルを合成することによって、患部の動きベクトルを計算する手段と、
を備えたことを特徴とする患部トラッキング装置。 - 前記透過画像を複数の方向で撮影し、各方向の透過画像から得た動きベクトルを合成することによって、患部の３次元動きベクトルを計算することを特徴とする請求項１に記載の患部トラッキング装置。
- 前記動きベクトルを積分することによって、患部の位置を計算する手段を更に備えたことを特徴とする、請求項１又は２に記載の患部トラッキング装置。
- 請求項１乃至３のいずれかに記載の患部トラッキング装置と、
該患部トラッキング装置により検出される患部の移動状態に同期して、患部に照射される放射線の照射状態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照射装置。 - 請求項４に記載の放射線照射装置を含むことを特徴とする放射線治療装置。
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| JP2000078373A JP4159226B2 (ja) | 2000-03-21 | 2000-03-21 | 患部トラッキング方法、装置、及び、これを用いた放射線照射方法、装置、並びに放射線治療装置 |
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Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001259059A JP2001259059A (ja) | 2001-09-25 |
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| US10991105B2 (en) | 2018-09-25 | 2021-04-27 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Image processing device |
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| JP5976353B2 (ja) * | 2012-03-23 | 2016-08-23 | 株式会社日立製作所 | 荷電粒子照射システムおよび照射計画装置 |
| JP5976474B2 (ja) * | 2012-09-18 | 2016-08-23 | 株式会社日立製作所 | 粒子線照射システムおよび治療計画装置 |
| JP5836244B2 (ja) | 2012-10-09 | 2015-12-24 | 三菱重工業株式会社 | 撮影制御装置、撮影システム、撮影制御方法およびプログラム |
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2000
- 2000-03-21 JP JP2000078373A patent/JP4159226B2/ja not_active Expired - Fee Related
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