JP4264543B2 - Radiation therapy system - Google Patents
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Description
本発明は放射線治療システムに関し、特に生体内におけるターゲット組織について三次元の動きを考慮して放射線治療を行うシステムに関する。 The present invention relates to a radiation therapy system, and more particularly to a system for performing radiation therapy in consideration of a three-dimensional movement of a target tissue in a living body.
人体内におけるターゲット組織(悪性腫瘍など)に対して放射線(陽子線、中性子線、電子線、X線など)を照射する放射線治療システムが知られている。そのようなシステムでは、正常組織にできる限り損傷を与えないように、ターゲット組織だけに対して正確に放射線を照射することが強く要請される。各患者の治療においては、例えば10〜数10分の間、その姿勢が固定され、これによりターゲット組織の空間的位置が保持される。しかし、呼吸、体位変化などに起因して、ターゲット組織の空間的位置は変動してしまう場合がある。 2. Description of the Related Art Radiotherapy systems that irradiate target tissues (such as malignant tumors) in the human body with radiation (such as proton beams, neutron beams, electron beams, and X-rays) are known. In such a system, it is strongly required to accurately irradiate only the target tissue so as not to damage the normal tissue as much as possible. In the treatment of each patient, for example, the posture is fixed for 10 to several tens of minutes, and thereby the spatial position of the target tissue is maintained. However, the spatial position of the target tissue may fluctuate due to respiration, body position change, and the like.
そこで、従来の放射線治療システムの中には、呼吸等による体位変化に対応するために、体表位置をレーザー光で計測し、周期的に変動する体表位置が所定範囲内にある場合にだけ放射線の照射を許容し、それ以外の場合に放射線の照射を停止させる制御を行っているシステムがある。しかしながら、このような方式では、ターゲット組織の動きを体表の動きとして間接的に計測しているだけである。そこで、治療効果を向上し、また、安全性をより高めるために、ターゲット組織の動きをより正確に計測することが望まれる。 Therefore, some conventional radiotherapy systems measure body surface position with laser light to cope with changes in body position due to breathing, etc., and only when the body surface position that fluctuates periodically is within a predetermined range. There is a system that performs control to allow radiation irradiation and to stop radiation irradiation in other cases. However, in such a method, the movement of the target tissue is only indirectly measured as the movement of the body surface. Therefore, it is desired to measure the movement of the target tissue more accurately in order to improve the therapeutic effect and further increase the safety.
特許文献1,2,3,4に記載された装置では、2つの超音波画像間で相関演算を行ってプローブの移動量を求め、その移動量に基づいて2つの超音波画像をつなげる技術が開示されている。しかし、組織運動を検出することについては開示されていない。特許文献5には、超音波の送受波によって得たドプラ情報に基づいて組織や血流の動きを検出することが記載されている。しかし、三次元組織移動ベクトルの演算、及び、治療システムへの応用に関しては一切開示されていない。特許文献6には、生体の呼吸運動に同期させて超音波の送受波及び治療のために放射線などを照射する装置が開示されている。呼吸は鼻口に取り付けられた流量計によって計測されている。この特許文献6にも、組織自体の移動ベクトルを求めることについては開示されていない。非特許文献1には、超音波エコーデータから組織細部の移動を映像化する技術が開示されている。しかし、ターゲット組織の移動ベクトル、特に三次元組織移動ベクトルを求めることについては記載されていない。非特許文献2には、超音波画像から組織の二次元の動きを求めるシステムが開示されているが、組織の三次元の動きを計測することについては記載されていない。
In the devices described in Patent Literatures 1, 2, 3, and 4, there is a technique for performing a correlation calculation between two ultrasonic images to obtain a probe movement amount and connecting the two ultrasonic images based on the movement amount. It is disclosed. However, there is no disclosure about detecting tissue motion. Patent Document 5 describes that a motion of a tissue or a blood flow is detected based on Doppler information obtained by transmitting and receiving ultrasonic waves. However, there is no disclosure regarding calculation of a three-dimensional tissue movement vector and application to a treatment system.
なお、従来において、超音波診断装置の中には、直交する2つの走査面(バイプレーン)を形成して、直交する2つの断層画像を同時表示するものがある。しかし、かかる装置において、組織の動きを計測すること及びバイプレーンの動的制御は行われていない。 Conventionally, some ultrasonic diagnostic apparatuses form two orthogonal scanning planes (biplanes) and simultaneously display two orthogonal tomographic images. However, in such a device, measurement of tissue movement and dynamic control of the biplane are not performed.
以上のように、従来の放射線治療システムにおいては、ターゲット組織の三次元の動きを観測しておらず、治療効果をより高めるため、及び、安全性をより高めるために、ターゲット組織の三次元の動きのリアルタイム監視が要望される。 As described above, in the conventional radiotherapy system, the three-dimensional movement of the target tissue is not observed, and in order to further improve the treatment effect and the safety, the three-dimensional movement of the target tissue. Real-time monitoring of movement is required.
本発明の目的は、生体内におけるターゲット組織の三次元の動きをリアルタイムで監視して適切な放射線照射制御を行えるようにすることにある。 An object of the present invention is to enable appropriate radiation irradiation control by monitoring the three-dimensional movement of a target tissue in a living body in real time.
本発明に係るシステムは、生体内のターゲット組織に対して放射線を照射する放射線治療装置と、前記ターゲット組織について三次元組織移動ベクトルをリアルタイムで計測する三次元組織移動計測装置と、前記放射線の照射を制御する照射制御装置と、を含む放射線治療システムにおいて、前記三次元組織移動計測装置は、二次元アレイ振動子を有し、二次元アレイ振動子での超音波の送受波により、直交関係にある第1走査面及び第2走査面をそれぞれ繰り返し形成し、各走査面ごとのフレームデータを順次出力する送受波手段と、前記各走査面ごとに互いに時相が異なる2つのフレームデータ間で相関演算を行う相関演算手段と、前記各走査面ごとの相関演算の結果に基づいて、三次元組織移動ベクトルを演算する三次元組織移動ベクトル演算手段と、を含み、前記照射制御装置は、照準位置可変モードにおいて、前記三次元組織移動ベクトルに基づいて前記放射線の照準位置を可変制御し、前記三次元組織移動計測装置は、前記照準位置可変モードにおいて、前記放射線の照準位置が前記第1走査面及び前記第2走査面の交差ライン上に位置決めされるように、前記第1走査面及び前記第2走査面の位置を電子的に可変設定する走査制御手段を含む、ことを特徴とする。 The system according to the present invention includes a radiotherapy apparatus that irradiates radiation to a target tissue in a living body, a three-dimensional tissue movement measurement apparatus that measures a three-dimensional tissue movement vector in real time for the target tissue, and irradiation of the radiation. A three-dimensional tissue movement measuring device having a two-dimensional array transducer , and in an orthogonal relationship by transmitting and receiving ultrasonic waves with the two-dimensional array transducer. Correlation between transmission / reception means for sequentially forming a first scanning surface and a second scanning surface and sequentially outputting frame data for each scanning surface, and two frame data having different time phases for each scanning surface Correlation calculation means for performing calculation, and a three-dimensional tissue movement vector for calculating a three-dimensional tissue movement vector based on the result of correlation calculation for each scanning plane. Includes a Le computation unit, wherein the irradiation control unit, the aiming position variable mode, the aiming position of the radiation on the basis of the three-dimensional tissue motion vector is variably controlled, the three-dimensional tissue movement measuring device, the sighting In the position variable mode, the positions of the first scanning plane and the second scanning plane are electronically adjusted so that the aiming position of the radiation is positioned on an intersection line of the first scanning plane and the second scanning plane. It includes a scanning control means for variably setting .
上記構成によれば、超音波を利用した三次元組織移動計測装置によって三次元組織移動ベクトルがリアルタイムで計測され、それを利用して、あるいは、それから演算される組織の三次元位置に基づいて、放射線の照射制御が行われる。上記の放射線は、粒子線、電子線、中性子線、X線などである。 According to the above configuration, the three-dimensional tissue movement measurement device using ultrasonic waves is measured in real time by the three-dimensional tissue movement measurement device, and using that or based on the three-dimensional position of the tissue calculated therefrom, Radiation irradiation control is performed. The radiation is a particle beam, electron beam, neutron beam, X-ray or the like.
上記の三次元組織移動計測装置においては、送受波手段によって各走査面が同時又は交互に形成される。第1走査面及び第2走査面は直交関係にある。各走査面を繰り返し形成することによって、各走査面ごとに互いに時相の異なる複数のフレームデータが取得される。各走査面ごとに時相の異なる2つのフレームデータの間で相関演算が実行される。そして、各相関演算の結果から三次元組織移動ベクトルが演算される。相関演算に当たっては、フレームデータの全体を相関演算の対象としてもよいし、その中の参照エリア(ターゲット組織を含む部分エリア)を相関演算の対象とするようにしてもよい。前者の場合、三次元組織移動ベクトルは各走査面内に含まれる組織全体の動きを表すものとなり、後者の場合、三次元組織移動ベクトルはターゲット組織及びその周辺組織の動きを表すものとなる。呼吸や体位変化などによってターゲット組織を含む組織全体が運動する場合には組織全体の動きを計測すれば十分であり、拍動などによってターゲット組織のみが運動する場合にはターゲット組織以外の組織が参照エリアにあまり含まれないように当該参照エリアを設定するのが望ましい。上記の相関演算は、微小時間間隔で取得された複数のフレームデータの内で、時間的に隣り合った2つのフレームデータ間で行われてもよいし、比較基準となる初期フレームデータとその後に所得された各時相のフレームデータとの間で行われてもよい。演算される三次元移動ベクトルをそのまま制御に利用してもよいし、三次元移動ベクトルからターゲット組織の三次元空間内の絶対的な位置(座標)を演算し、その位置を制御に利用してもよい。また、位置以外にも速度、加速度、移動軌跡などを演算することが可能である。上記の各走査面を形成するために、2Dアレイ振動子を備えた3Dプローブを利用するのが特に望ましい。複数の走査面は通常は時分割で形成されるが、互いに受信信号を弁別可能であれば同時に形成することも可能である。 In the above three-dimensional tissue movement measuring apparatus, the scanning planes are formed simultaneously or alternately by the wave transmitting / receiving means. The first scanning plane and the second scanning plane is Ru orthogonal relationship near. By repeatedly forming each scanning plane, a plurality of frame data having different time phases are acquired for each scanning plane. Correlation calculation is executed between two frame data having different time phases for each scanning plane. Then, the three-dimensional tissue movement vector is calculated from the result of each correlation calculation. In the correlation calculation, the entire frame data may be a target of the correlation calculation, or a reference area (a partial area including the target tissue) in the frame data may be a target of the correlation calculation. In the former case, the three-dimensional tissue movement vector represents the movement of the entire tissue included in each scanning plane, and in the latter case, the three-dimensional tissue movement vector represents the movement of the target tissue and its surrounding tissues. When the entire tissue including the target tissue moves due to respiration or body position change, it is sufficient to measure the movement of the entire tissue. When only the target tissue moves due to pulsation or the like, the tissue other than the target tissue refers to it. It is desirable to set the reference area so that it is not included in the area. The above correlation calculation may be performed between two frame data that are temporally adjacent to each other among a plurality of frame data acquired at a minute time interval, or after initial frame data as a comparison reference and It may be performed between the frame data of each time phase obtained. The calculated three-dimensional movement vector may be used for control as it is, or the absolute position (coordinates) in the three-dimensional space of the target tissue is calculated from the three-dimensional movement vector, and the position is used for control. Also good. In addition to the position, it is possible to calculate speed, acceleration, movement trajectory, and the like. To form each scan plane of the above to use the 3D probe with a 2D array transducer is not particularly desirable. The plurality of scanning planes are usually formed in a time-sharing manner, but they can be formed simultaneously if the received signals can be distinguished from each other.
上記構成によれば、三次元組織移動ベクトルを求めるに当たって、極めて多数の走査面からなる三次元データ取込空間の全体を繰り返し形成する必要がなく、基本的に、少数の走査面を繰り返し形成するだけでよいので、データ取込レートを高くして、また演算時間を削減して、リアルタイムで組織の運動情報を得ることが可能となる。そして、そのような計測結果を利用して治療用放射線の照射制御を行えば、治療効果を高められると、同時に、安全性も高められる。 According to the above configuration, in obtaining the three-dimensional tissue movement vector, it is not necessary to repeatedly form the entire three-dimensional data capture space composed of a large number of scanning planes, and basically a small number of scanning planes are repeatedly formed. Therefore, the data acquisition rate can be increased, the calculation time can be reduced, and the motion information of the tissue can be obtained in real time. And if irradiation control of therapeutic radiation is performed using such measurement results, the therapeutic effect can be enhanced and at the same time the safety can be enhanced.
三次元組織移動ベクトルの演算のために、互いに交差する複数の走査面が形成されるが、その場合に、フレームレート向上及び相関演算量削減の観点から、互いに直交する2つの走査面を形成するのが特に望ましく、その一方、ベクトル特定精度を向上する観点から、互いに交差する3つ以上の走査面を形成することも可能である。後者の場合には、各走査面ごとの相関演算の結果から、走査面交差角度関係を考慮して三次元組織移動ベクトルが演算される。3つの走査面が形成される場合には走査面間の角度は60度となり、4つの走査面が形成される場合には走査面間の角度は45度となる。ちなみに、組織の移動速度の大小に応じて、また走査面の大きさに応じて、走査面の個数をユーザーによりあるいは自動的に選択するようにしてもよい。その個数の合理的な範囲としては、例えば、2−4個をあげることができる。もちろん、必要に応じて、より多くの走査面を形成してもよい。 In order to calculate the three-dimensional tissue movement vector, a plurality of scanning planes that intersect each other are formed. In this case, two scanning planes that are orthogonal to each other are formed from the viewpoint of improving the frame rate and reducing the amount of correlation calculation. On the other hand, from the viewpoint of improving the vector specifying accuracy, it is possible to form three or more scanning planes that intersect each other. In the latter case, the three-dimensional tissue movement vector is calculated from the result of correlation calculation for each scanning plane in consideration of the scanning plane crossing angle relationship. When three scanning planes are formed, the angle between the scanning planes is 60 degrees, and when four scanning planes are formed, the angle between the scanning planes is 45 degrees. Incidentally, the number of scanning planes may be selected by the user or automatically according to the size of the moving speed of the tissue and the size of the scanning plane. As a reasonable range of the number, for example, 2-4 can be mentioned. Of course, more scanning planes may be formed as necessary.
望ましくは、前記照射制御装置は、照準位置固定モードにおいて、前記ターゲット組織の位置が許容範囲を外れた場合に前記放射線の照射を制限する。
Desirably, the irradiation control device limits irradiation of the radiation when the position of the target tissue is out of an allowable range in the aiming position fixing mode .
望ましくは、前記三次元組織移動計測装置は、前記各走査面ごとの相関演算の結果に基づいて、前記各走査面の位置を制御する走査制御手段を含む。この構成によれば、組織の動きに合わせて、各走査面の位置を動的に可変して、ターゲット組織の動きを正確に計測できる。 Preferably, the three-dimensional tissue movement measuring device includes a scanning control unit that controls the position of each scanning plane based on the result of the correlation calculation for each scanning plane. According to this configuration, the movement of the target tissue can be accurately measured by dynamically changing the position of each scanning plane according to the movement of the tissue.
望ましくは、前記送受波手段は、前記複数の1走査面を形成する二次元アレイ振動子を有する超音波探触子と、前記超音波探触子の送受波面と前記生体表面との間の超音波伝搬経路をカップリング液体で満たす液体収容部と、を含む。この構成によれば、生体が動いても、超音波探触子と生体表面との間に常にカップリング液体が満たされることになるので、そのような動きによっても超音波伝搬を確保して、計測中断などの問題を防止できる。特に、超音波探触子の送受波面を生体へ押圧し続ける必要がなく、また生体を必要以上に拘束しなくてもよいので、生体への負担を軽減できるという利点がある。 Preferably, the transmission / reception means includes an ultrasonic probe having a two-dimensional array transducer forming the plurality of one scanning planes, and an ultrasonic wave between the transmission / reception plane of the ultrasonic probe and the biological surface. And a liquid container that fills the sound wave propagation path with the coupling liquid. According to this configuration, even if the living body moves, the coupling liquid is always filled between the ultrasonic probe and the living body surface, so that the ultrasonic propagation is ensured even by such movement, Problems such as measurement interruptions can be prevented. In particular, there is an advantage that the burden on the living body can be reduced because it is not necessary to continuously press the wave transmitting / receiving surface of the ultrasonic probe against the living body and the living body need not be restrained more than necessary.
望ましくは、前記三次元組織移動計測装置は、前記各走査面に対応するフレームデータに基づいて画像を形成する画像形成手段を含む。この構成によれば、ターゲット組織の状態を疑似立体的に観察できる。 Preferably, the three-dimensional tissue movement measuring device includes an image forming unit that forms an image based on frame data corresponding to each scanning plane. According to this configuration, the state of the target tissue can be observed in a pseudo three-dimensional manner.
望ましくは、前記複数の走査面には互いに直交する第1走査面及び第2走査面が含まれ、前記三次元組織移動計測装置又は前記照射制御装置は、前記第1走査面上における前記第2走査面の位置を表す第1ラインマーカー及び前記第1走査面上における放射線の照準位置を表す第1照準位置マーカーを有する第1グラフィック画像を形成し、前記第2走査面上における前記第1走査面の位置を表す第2ラインマーカー及び前記第2走査面上における放射線の照準位置を表す第2照準位置マーカーを有する第2グラフィック画像を形成するグラフィック画像形成手段と、前記第1走査面に対応する画像と前記第1グラフィック画像とを合成して第1合成画像を形成し、前記第2走査面に対応する画像と前記第2グラフィック画像とを合成して第2合成画像を形成する画像合成手段と、前記第1合成画像と前記第2合成画像を表示する表示手段と、を含む。 Preferably, the plurality of scanning planes include a first scanning plane and a second scanning plane that are orthogonal to each other, and the three-dimensional tissue movement measuring device or the irradiation control device is configured to perform the second scanning on the first scanning plane. Forming a first graphic image having a first line marker representing a position of a scanning plane and a first aiming position marker representing a radiation aiming position on the first scanning plane; and the first scanning on the second scanning plane. A graphic image forming means for forming a second graphic image having a second line marker representing the position of the surface and a second aiming position marker representing the aiming position of the radiation on the second scanning surface; and corresponding to the first scanning surface The first graphic image is synthesized with the first graphic image to form a first synthesized image, and the image corresponding to the second scanning plane and the second graphic image are synthesized with each other. Comprising an image combining means for forming a composite image, and display means for displaying the second composite image and the first synthesized image.
上記構成によれば、第1走査面に対応する画像(望ましくは第1断層画像)上において第2走査面の位置及び照準位置を確認でき、また第2走査面に対応する画像(望ましくは第2断層画像)上において第1走査面の位置及び照準位置を確認できる。よって、治療時においてターゲット組織の状態を観察しつつ、同時に、第1及び第2走査面の位置的関係や照準位置とターゲット組織との位置的関係などを容易に把握できる。 According to the above configuration, the position and aiming position of the second scanning plane can be confirmed on the image corresponding to the first scanning plane (preferably the first tomographic image), and the image corresponding to the second scanning plane (preferably the first tomographic image). The position and aiming position of the first scanning plane can be confirmed on (2 tomographic images). Therefore, while observing the state of the target tissue at the time of treatment, it is possible to easily grasp the positional relationship between the first and second scanning planes and the positional relationship between the aiming position and the target tissue.
各走査面上に照準位置を位置決めするために、すなわち各走査面の交差ライン上に照準位置が一致するように、各走査面の位置を適宜設定するのが望ましい。その場合に、照準位置が固定的に設定される場合には各走査面の位置も固定的に設定するのが望ましく、照準位置がターゲット組織の動きに追従して動的に変更される場合には各走査面の位置も動的に変更させるのが望ましい。 In order to position the aiming position on each scanning plane, that is, it is desirable to appropriately set the position of each scanning plane so that the aiming position coincides with the intersection line of each scanning plane. In that case, when the aiming position is fixedly set, it is desirable that the position of each scanning plane is also fixedly set, and when the aiming position is dynamically changed following the movement of the target tissue. It is desirable to dynamically change the position of each scanning plane.
なお、望ましくは、上記構成において、各相関演算において、一方のフレームデータ上に参照エリアが固定的に設定され、その参照エリアから切り出された参照エリアデータが他方のフレームデータ上の対応エリアデータと比較される。その場合に、他方のフレームデータ上における対応エリアの位置は各相関演算ごとに順次シフトされる。そして、最も整合した対応エリアの位置から組織移動成分を求めることが可能となる。参照エリアはターゲット組織を包含するよう自動的に又はマニュアルで設定される。各走査面の中央エリアを参照エリアとして固定的に設定するようにしてもよい。また、対応エリアのシフト範囲は他方のフレーム全体であってもよいが、演算時間を短縮化するために、組織の動き速度なども考慮して、参照エリアの位置を中心とした所定の部分範囲に制限してもよい。 Preferably, in the above configuration, in each correlation calculation, a reference area is fixedly set on one frame data, and the reference area data cut out from the reference area is the corresponding area data on the other frame data. To be compared. In that case, the position of the corresponding area on the other frame data is sequentially shifted for each correlation calculation. Then, the tissue movement component can be obtained from the position of the corresponding area that is most consistent. The reference area is set automatically or manually to include the target tissue. The central area of each scanning plane may be fixedly set as a reference area. In addition, the shift range of the corresponding area may be the entire other frame, but in order to shorten the calculation time, a predetermined partial range centered on the position of the reference area is also taken into consideration in consideration of the movement speed of the tissue. You may restrict to.
望ましくは、各相関演算に当たっては、差分法を用いて相関値が最も小さくなった時点における対応エリアデータの位置から組織移動成分を求めてもよいし、畳み込み演算などの手法を利用し、相関値が最も大きくなった時点における対応エリアデータの位置から組織移動成分を求めるようにしてもよい。相関演算の手法としては各種の手法を用いることができる。 Desirably, in each correlation calculation, the tissue movement component may be obtained from the position of the corresponding area data at the time when the correlation value becomes the smallest using a difference method, or a correlation value is obtained using a method such as a convolution calculation. The tissue movement component may be obtained from the position of the corresponding area data at the time when becomes the largest. Various methods can be used as the correlation calculation method.
以上説明したように、本発明によれば、生体内におけるターゲット組織の三次元の動きをリアルタイムで監視して適切な放射線照射制御を行える。 As described above, according to the present invention, three-dimensional movement of the target tissue in the living body can be monitored in real time to perform appropriate radiation irradiation control.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1には、三次元組織移動計測装置の好適な実施形態がブロック図として示されている。三次元組織移動計測装置10は、本実施形態において放射線治療システムに組み込まれる超音波診断装置として構成されている。放射線治療システムの構成については後に図12及び図13を用いて説明する。放射線治療システムは、三次元組織移動計測装置10の他に、制御装置12及び照射装置(放射線治療装置)14を備えている。照射装置14は、陽子線、X線などの放射線を生体内におけるターゲット組織に対して照射する装置である。制御装置12は、システム全体の動作制御を行っており、特に照射装置14による放射線の照射制御を行っている。
FIG. 1 is a block diagram showing a preferred embodiment of the three-dimensional tissue movement measuring apparatus. The three-dimensional tissue
以下に、三次元組織移動計測装置10について詳述する。上述したように、この三次元組織移動計測装置10は、生体の超音波診断を行う超音波診断装置として構成されており、超音波の送受波によりターゲット組織の三次元移動ベクトルを演算する機能を有している。
Hereinafter, the three-dimensional tissue
プローブ16は、本実施形態において2Dアレイ振動子を有している。2Dアレイ振動子は後に図3を用いて説明するように、二次元配列された複数の振動素子によって構成される。この2Dアレイ振動子により超音波ビームが形成される。その超音波ビームは本実施形態においてθ方向及びφ方向の両方向に自在に電子的に走査させることができる。したがって、2Dアレイ振動子を用いて超音波ビームの二次元走査を行えば三次元データ取込空間を形成することが可能である。本実施形態においては、2Dアレイ振動子によって、いわゆるバイプレーンが形成される。バイプレーンは互いに直交する第1走査面及び第2走査面によって構成されるものである。これに関しては後に図3を用いて説明する。電子走査方式として、電子セクタ走査、電子リニア走査などをあげることができる。
In this embodiment, the
送受信部18は送信ビームフォーマー及び受信ビームフォーマーとして機能する。すなわち、送信時においては、送受信部18から、2Dアレイ振動子における特定の複数の振動素子に対して送信信号が供給され、これによって送信ビームが形成される。受信時においては、2Dアレイ振動子における特定の複数の振動素子から出力される複数の受信信号が送受信部18によって整相加算処理され、これによって受信ビームすなわち整相加算後の受信信号が得られる。
The transmission /
制御部20は、三次元組織移動計測装置10内に設けられている各構成の動作制御を行っており、特に、送受信部18を制御し、これによって第1走査面及び第2走査面の位置を制御している。第1走査面及び第2走査面の位置は、ユーザーによりあるいは自動的に設定することができる。制御部20には、操作パネル37が接続されており、ユーザーはそのような操作パネル37を利用して各走査面の位置を適宜設定することが可能である。また、制御装置12から制御部20に対して放射線の照準位置の情報を提供し、制御部20がその情報に基づいて第1走査面及び第2走査面の位置を自動的に設定するようにしてもよい。
The
本実施形態に係る放射線治療システムにおいては、放射線の照準位置を固定する照準位置固定モード(第1の制御モード)とその照準位置をターゲット組織の動きに追従させて動的に可変する照準位置可変モード(第2の制御モード)とを有している。前者の照準位置固定モードにおいては初期設定された第1走査面及び第2走査面の位置はそのまま固定的に維持され、後者の照準位置可変設定モードにおいては照準位置の動的な変更に伴って、すなわちターゲット組織の動きに追従させて、第1走査面及び第2走査面の位置が適応的に可変設定される。この場合に、後に説明するように、各走査面上に放射線の照準位置(の中心)が含まれるように、換言すれば、各走査面の交差ライン上に照準位置が常に位置決めされるように各走査面の位置が適切に設定される。 In the radiotherapy system according to the present embodiment, the aiming position fixing mode (first control mode) for fixing the aiming position of the radiation and the aiming position variable that dynamically changes the aiming position by following the movement of the target tissue. Mode (second control mode). In the former aiming position fixing mode, the initially set positions of the first scanning plane and the second scanning plane are fixedly maintained as they are, and in the latter aiming position variable setting mode, along with the dynamic change of the aiming position. That is, the positions of the first scanning surface and the second scanning surface are adaptively variably set in accordance with the movement of the target tissue. In this case, as will be described later, the aiming position of the radiation is included on each scanning plane (in other words, the center), in other words, the aiming position is always positioned on the intersection line of each scanning plane. The position of each scanning plane is set appropriately.
送受信部18から出力される整相加算後の受信信号は本実施形態において第1画像形成部22及び第2画像形成部24に出力される他に、第1組織移動成分演算部26及び第2組織移動成分演算部28に出力されている。ここで、第1画像形成部22及び第1組織移動成分演算部26は、第1走査面に対応して設けられており、第2画像形成部24及び第2組織移動成分演算部28は第2走査面に対応して設けられている。しかしながら、第1画像形成部22及び第2画像形成部24は、単一の画像形成モジュールによって構成することができ、これは第1組織移動成分演算部26及び第2組織移動成分演算部28についても同様であり、それらを単一の組織移動成分演算モジュールによって構成することができる。すなわち、第1走査面及び第2走査面が時分割で交互に形成される場合、各走査面に対応して単一の画像形成モジュールを時分割動作させ、これと同様に、各走査面に対応して単一の組織移動成分演算モジュールを時分割動作させることが可能である。図1においては、発明説明のため、各走査面に対応した2つの画像形成部22,24及び2つの組織移動成分演算部26,28が示されている。
The received signal after phasing addition output from the transmission /
第1画像形成部22及び第2画像形成部24はいわゆるデジタルスキャンコンバータ(DSC)によって構成される。このデジタルスキャンコンバータは送受波座標から表示座標への座標変換機能や画素補間演算機能などを有している。すなわち、第1画像形成部22は、第1走査面に対応する受信信号に基づいて第1走査面に対応する第1断層画像(Bモード画像)を形成する。また、第2画像形成部24は、第2走査面に対応する受信信号に基づいて第2走査面に対応する第2断層画像を形成する。各断層画像の画像データは表示処理部30へ出力されている。
The first
第1組織移動成分演算部26は、第1走査面上におけるターゲット組織の移動成分を演算する。これと同様に、第2組織移動成分演算部28は、第2走査面上におけるターゲット組織の移動成分を演算する。それらの組織移動成分演算部26,28はハードウエアによって構成することもできるし、ソフトウエア機能として実現することができる。
The first tissue movement
各組織移動成分演算部26,28はいわゆるフレーム間相関演算を実行することにより、フレーム間時間におけるターゲット組織の移動量を演算する機能を有する。この場合において、移動量あるいは移動成分は、後に図6を用いて説明するように、平行移動量であるが、後に図7において示すように更に回転移動量を求めるようにしてもよい。
Each of the tissue movement
いずれにしても、各組織移動成分演算部26,28は、互いに時相の異なる2つのフレーム間で、望ましくは隣接する2つのフレームの間で、相関演算を実行し、これによって組織移動成分を求めている。その具体的な構成例については後に図9を用いて説明する。第1の相関演算結果27及び第2の相関演算結果29はそれぞれ三次元移動ベクトル演算部34に出力されている。また、本実施形態においては第1の相関演算結果27及び第2の相関演算結果29は各走査面の動的な可変制御のために制御部20へ出力されている。
In any case, each of the tissue movement
図1に示されるように、本実施形態においては、座標変換前のフレームデータを用いてフレーム間相関演算が実行されている。すなわち、各組織移動成分演算部26,28に入力されるデータの座標系は送受波座標系(極座標系)である。このため、組織移動成分も本実施形態では、極座標の成分として表されており、具体的には深さ方向のr成分と角度方向のθあるいはφの成分として表されている。各走査面の動的な可変制御のために、後に説明するように第1相関演算結果の内でターゲット組織の第1走査面上におけるφ方向の移動成分φAが第2走査面の位置設定に利用されており、第2相関演算結果29の内で第2走査面上におけるターゲット組織のθ方向の移動成分θBが第1走査面の位置設定に利用されている。
As shown in FIG. 1, in this embodiment, inter-frame correlation calculation is performed using frame data before coordinate conversion. That is, the coordinate system of data input to the tissue movement
上記のように、本実施形態では、座標変換前のデータを用いて組織移動成分を求めたが、もちろん符号23及び25で示されるように座標変換後のデータを用いて組織移動成分を演算することも可能である。この場合においては各走査面上における組織移動成分が直交座標系における縦方向及び横方向の成分として特定される。したがって、そのように特定された組織移動成分を再び座標変換することにより、各走査面の位置を設定するパラメータφA及びθBを求めることができる。
As described above, in this embodiment, the tissue movement component is obtained using the data before the coordinate conversion. Of course, as shown by
表示処理部30は、制御部20が有するグラフィック画像生成機能を用いて生成されたグラフィック画像を各断層画像に合成する処理を実行する。これについては後に図5を用いて説明する。表示部32にはグラフィック画像がそれぞれ合成された第1断層画像及び第2断層画像が並んで表示される。
The
三次元移動ベクトル演算部34は、第1相関演算結果27及び第2相関演算結果29に基づいてターゲット組織の三次元移動ベクトルを演算する。これに関しては後に図10を用いて詳述する。演算された三次元移動ベクトルの情報は照射制御情報36として制御装置12へ出力されている。必要に応じて、その三次元移動ベクトルの情報を送受波制御情報35として制御部20へ出力し、そのような情報に基づいて制御部20が送受波の制御を行うようにしてもよい。
The three-dimensional movement
ここで、照射制御情報36は、上述したように、ターゲット組織の三次元移動ベクトルを表す情報であり、この場合についてはいくつかの表現方法が考えられる。例えば、フレーム間すなわち時相間における相対的な移動ベクトル(Δx,Δy,Δz)を制御装置12へ渡すようにしてもよいし、基準となるターゲット組織位置からの最新のターゲット組織位置の絶対的なずれ量(x1,y1,z1)を出力するようにしてもよい。また、上記においては直交座標表現によって三次元移動ベクトルを表したが、極座標表現を用いて三次元移動ベクトルを表してもよい。すなわち、相対的な移動ベクトル(Δθ,Δφ,Δr)あるいは絶対的な移動ベクトル(θ1,φ1,r1)としてもよい。三次元移動ベクトル演算部34は、上記のような複数の表現形式の中から選択された表現形式に適合するように各相関演算結果27,29に基づいて三次元移動ベクトルを演算する。
Here, as described above, the irradiation control information 36 is information representing the three-dimensional movement vector of the target tissue. In this case, several representation methods are conceivable. For example, relative movement vectors (Δx, Δy, Δz) between frames, that is, between time phases may be passed to the
制御装置12は、以上のような照射制御情報36に基づいて照射装置14の動作制御を行っている。第1の制御モードにおいては、照射制御情報36が表す三次元移動ベクトルが、あるいは、それによって表されるターゲット組織の三次元位置が許容範囲以内であるか否かを判断し、許容範囲内において放射線の照射を許容し、許容範囲外の場合には放射線の照射を停止させる制御を実行する。また、第2の制御モードにおいては、照射制御情報36に基づいて放射線の照射の向きを制御する。いずれの制御モードにおいても、ターゲット組織が運動した結果として正常組織に放射線が照射されてしまう問題を未然に回避することができ、治療効果及び安全性を高めることが可能となる。
The
図2には、三次元空間40が示されている。三次元空間40内にはターゲット組織42が表されている。このターゲット組織42は例えば悪性腫瘍などがある。ある時相においては、符号42’で示される位置にターゲット組織が存在し、別の時相においては符号42で示される位置にターゲット組織が存在する。この場合においてターゲット組織の中心位置のずれを表したのが符号44で示される三次元組織移動ベクトルである。
A three-
この三次元組織移動ベクトル44を求めるために、各時相ごとに三次元空間40の全体を対象して超音波の送受波を行ってボリュームデータを取得すると、いわゆるボリュームレートが極端に低くなることから、また三次元組織移動ベクトル44の演算も複雑となるために、リアルタイムで三次元組織移動ベクトル44を求めることは極めて困難となる。放射線治療システムにおいては、連続的に放射線の照射を行っている最中においてリアルタイムでターゲット組織の動きを監視する必要があり、図2に示されるような三次元空間40全体を送受波対象とすると、送受波時間及び演算時間の両者の点において実時間処理が難しくなる。
In order to obtain the three-dimensional
これに対し、本実施形態においては、いわゆるバイプレーンを利用して各走査面ごとにターゲット組織の移動成分を求めてそれらを総合することにより迅速に三次元移動ベクトルを求めている。 On the other hand, in the present embodiment, a three-dimensional movement vector is quickly obtained by obtaining a movement component of the target tissue for each scanning plane using a so-called biplane and integrating them.
図3には、プローブ16が模式的に示されている。プローブ16の下面は送受波面である。その送受波面に沿ってプローブ16内には2Dアレイ振動子46が配置されている。この2Dアレイ振動子46を用いて符号48で示されるような立体形状の三次元データ取込空間を形成すると、図2において示したような問題が生じる。本実施形態においては、符号A及び符号Bで示されるようなバイプレーンを形成しており、これによってフレームレートを向上させ、かつ三次元移動ベクトルの演算時間を高速化している。バイプレーンは第1走査面Aと第2走査面Bとで構成される。第1走査面Aはθ方向に超音波ビームを走査することによって形成され、この場合においてその第1走査面Aのφ方向の位置はφAである。また、第2走査面Dは、超音波ビームをφ方向に走査することによって形成され、その第2走査面Bもθ方向の位置はθBである。各走査面A,Bの位置は上述したようにユーザーによりあるいは自動的に初期設定することができ、その後においても必要に応じて自動的に可変設定することが可能である。
FIG. 3 schematically shows the
図3に示されるように、第1走査面A上においてターゲット組織のθ方向の移動成分を求めると、それは第2走査面Bのθ方向の位置変更量に相当する。また、第2走査面B上においてターゲット組織のφ方向の移動成分を求めると、それは第1走査面Aについてのφ方向の位置変更量に相当する。 As shown in FIG. 3, when the moving component of the target tissue in the θ direction on the first scanning plane A is obtained, it corresponds to the position change amount of the second scanning plane B in the θ direction. Further, when the movement component in the φ direction of the target tissue is obtained on the second scanning plane B, it corresponds to the position change amount in the φ direction with respect to the first scanning plane A.
図4には、プローブ16の設置例が示されている。プローブ16の中心軸は図4に示す例では水平に設定されており、生体56の側面から超音波の送受波を行っている。プローブ16はプローブ保持機構50によって固定的に保持されている。プローブ保持機構50は、プローブ16の基端側をクランプするホルダ52と、そのホルダ52を所望の位置で空間的に保持する支柱54とによって構成される。もちろん、プローブ保持機構50としては各種の機構を用いることが可能である。
FIG. 4 shows an installation example of the
図4に示されるように、プローブ16によって上述したバイプレーンが形成されており、図4に示す例では、垂直面として第1走査面Aが形成され、水平面として第2走査面Bが形成されているが、各走査面の位置関係については図4に示すものには限られない。すなわち、各走査面の交差ラインがターゲット組織を貫通するように、それぞれの走査面の位置が適切に設定される。
As shown in FIG. 4, the above-described biplane is formed by the
生体56とプローブ16の先端面である送受波面との間にカップリング媒体としての蒸留水などを満たすため、図4に示されるように、生体56の側面には水袋60が配置される。水袋60内にはプローブ16の送受波面が臨んでおり、その送受波面と生体56の表面との間にカップリング液体が充満される。水袋60はそれ自体変形自在であるため、符号56及び符号56’で示されるように生体が呼吸あるいは体位変更などによって若干動いたとしても超音波伝搬経路上に常にカップリング媒体を介在させることができ、すなわち常に良好な超音波伝搬経路を確保できるという利点がある。したがって、生体が動いたことに起因して三次元組織移動ベクトルの計測が行えなくなってしまうような問題を未然に回避できる。また、水袋60が極めて弾力性に富む部材であるために、生体56に対して硬質部材を押し当てる場合に比べて、違和感あるいは苦痛といったものを大幅に軽減できるという利点がある。また、心理的にも生体に対して圧迫感を与えないという利点がある。したがって、水袋60を利用すれば極めて簡易な構成によって多くの臨床的な利点を得ることができる。
In order to fill distilled water or the like as a coupling medium between the living
図5には、図1に示した表示部32における表示例が示されている。ちなみに、図5に示すような表示画面は超音波診断装置上に表示するようにしてもよいし、それとは別にあるいはそれと共に、制御装置12上に表示するようにしてもよい。また、上述した超音波画像に合成されるグラフィック画像の形成及び合成処理を制御装置12に行わせることも可能である。
FIG. 5 shows a display example on the
表示画面62には、2つの断層画像が表示されている。すなわち第1断層画像64及び第2断層画像66である。第1断層画像64は第1走査面に対応したBモード画像であり、第2断層画像66は第2走査面に対応したBモード画像である。各断層画像64,66にはターゲット組織Tの断面が表されている。
Two tomographic images are displayed on the
第1断層画像64には上述したように第1グラフィック画像が合成表示されており、その第1グラフィック画像は、第1走査面上における照準位置を表す照準位置マーカーC1、第1走査面上における第2走査面を表すラインマーカーL1、後述する相関演算の対象となるエリアを表すエリアマーカーR1などを有している。これと同様に、第2断層画像66に合成表示される第2グラフィック画像も、第2走査面上における照準位置を表す照準位置マーカーC2、第2走査面上における第1走査面の位置を表す第2ラインマーカーL2、第2走査面上における相関演算の対象となるエリアを表すエリアマーカーR2などを有している。
As described above, the first graphic image is synthesized and displayed on the first
したがって、図5に示すような表示内容によれば、2つの断層画像を総合観察することにより、ターゲット組織Cの空間的な形態を観察することができ、またターゲット組織と各走査面の位置関係を直感的に認識できるという利点がある。更に、ターゲット組織との関係において照準位置を異なる角度から確認することが可能である。また、相関演算の対象となっている部分を確認することが可能である。 Therefore, according to the display content as shown in FIG. 5, the spatial form of the target tissue C can be observed by comprehensively observing the two tomographic images, and the positional relationship between the target tissue and each scanning plane. There is an advantage that can be recognized intuitively. Furthermore, the aiming position can be confirmed from different angles in relation to the target tissue. In addition, it is possible to confirm the part that is the target of the correlation calculation.
なお、相関演算の対象となるエリアR1,R2の形状は図5においては四角形として例示されているが、もちろんその形状は例えば円形、台形等であってもよい。特に、θあるいはφ方向における一定幅とr方向の一定幅とによって特定される領域を相関演算の対象として定めるようにしてもよい。 The shape of the areas R1 and R2 to be subjected to correlation calculation is illustrated as a quadrangle in FIG. 5, but of course the shape may be, for example, a circle or a trapezoid. In particular, a region specified by a constant width in the θ or φ direction and a constant width in the r direction may be determined as a target for correlation calculation.
図6及び図7を用いて各走査面上における組織移動成分について説明する。図6には第1走査面Aが示されている。もちろん、それは第2走査面Bであってもよい。これは図7についても同様である。その第1走査面Aにはターゲット組織70が含まれている。ある時相から次の時相にかけて符号70及び符号72で示されるように、ターゲット組織が平行移動する。この場合の平行移動量が符号74で示されている。そのような平行移動量74はターゲット組織70の中心位置、重心位置、あるいは他の基準位置の移動の向きと移動量とによって定義される。一般的には、このような平行移動量を各フレーム間ごとに求めればリアルタイムで放射線の照射制御情報を得ることが可能である。ただし、組織の移動成分には平行移動の他に回転移動もあり、これについて図7を用いて説明する。
The tissue movement component on each scanning plane will be described with reference to FIGS. FIG. 6 shows the first scanning plane A. Of course, it may be the second scanning plane B. The same applies to FIG. The first scanning plane A includes the
図7において、第1走査面A上で、ある時相におけるターゲット組織76に対して別の時相におけるターゲット組織78は符号80で示される回転移動量の分だけ回転している。後述するフレーム相関演算の手法を用いれば、図6に示した平行移動量の他に、図7に示す回転移動量についても演算によって求めることが可能である。例えばターゲット組織の形態が特殊な形をもっており、放射線ビームの太さとの関係で特定の方向からのみX線ビームを照射し、あるいはターゲット組織のビーム軸と直交する方向のサイズに応じて放射線ビームの横断面サイズを調整するような場合、図7に示した回転移動量を求めるのが望ましい。
In FIG. 7, on the first scanning plane A, the
一般に、バイプレーンを形成する場合においては、フレームレートを非常に高くすることができ、すなわち第1走査面及び第2走査面のそれぞれにおいてフレーム間隔は非常に微小の時間となる。したがってその微小の時間間隔においてターゲット組織の移動はあまり大きくないことから平行移動量及び回転移動量のいずれを求める場合においても相関演算の範囲を一定の範囲に限定するのが望ましい。 In general, when a biplane is formed, the frame rate can be made extremely high, that is, the frame interval on each of the first scanning plane and the second scanning plane is very small. Therefore, since the movement of the target tissue is not so large in the minute time interval, it is desirable to limit the range of the correlation calculation to a certain range when obtaining either the parallel movement amount or the rotational movement amount.
図8には、本実施形態に係るフレーム間相関演算の概念が示されている。第1走査面すなわち第1フレームデータ82に対して参照エリア86が設定される。この参照エリア86はユーザーによりあるいは自動的に設定することができ、またその参照エリア86は固定的にあるいは動的に設定することができる。
FIG. 8 shows the concept of inter-frame correlation calculation according to the present embodiment. A
参照エリア86は通常、ターゲット組織を包含するように設定される。そして、第1フレームデータ82から参照エリア86内におけるデータが切り出される。これが参照エリアデータ92として表されている。
The
一方、第1フレームデータ82とは異なる時相において取得された第2フレームデータ84に対しては、参照エリアを中心として一定の広がりを持った探索エリア90が設定される。第2フレームデータ84上において参照エリアに対応する領域が符号86’で表されている。探索エリア90内において対応エリア88が設定されるが、その対応エリア88の位置は相関演算の都度シフトされる。すなわち、探索エリア90の全体がスキャンされるように対応エリア88の位置が順次変更される。第2フレームデータ84から対応エリア88内のデータを切り出したものが対応エリアデータ94である。
On the other hand, for the
参照エリアデータ92と対応エリアデータ94との間において、各画素単位で差分演算が実行され、各画素ごとの差分値が積算されて、その積算値が相関値として用いられる。これが符号96によって表されている。対応エリア88の各シフト位置ごとに相関演算が実行されると、各対応エリア88のシフト位置ごとに相関値としての積算値が対応付けられ、これによって結果テーブル98が構成される。結果テーブル98が完成した段階で符号100で示されるように複数の積算値の中から最小値が判定される。そして、符号102で示されるように最小値としての積算値に対応するシフト位置から組織の平行移動成分が特定される。
A difference calculation is executed for each pixel between the reference area data 92 and the corresponding
図8には平行移動量を求めるための相関演算が示されていたが、回転移動量を求める場合における相関演算についても基本的に同様の手法が用いられる。すなわち、参照エリア86に対して対応エリア88が回転方向にシフトされ、各シフト位置において相関演算が実行される。
FIG. 8 shows the correlation calculation for obtaining the parallel movement amount, but basically the same method is used for the correlation calculation when obtaining the rotational movement amount. That is, the corresponding
図8に示す手法によれば、一般的な相関演算を実行する場合における複雑な演算処理を行うことなく差分演算及び積算処理という簡易な手法によって組織移動成分を特定できるという利点がある。もちろん、フレーム間における相関演算の手法としては他の手法を用いることができ、例えば一般的な畳み込み演算を利用する手法を用いてもよい。いずれにしても、参照エリアデータ92と対応エリアデータ94が最もマッチングする場合におけるシフト位置から組織の移動成分を求めることが可能である。
According to the method shown in FIG. 8, there is an advantage that the tissue movement component can be specified by a simple method of difference calculation and integration processing without performing complicated calculation processing when general correlation calculation is performed. Of course, other methods can be used as a method of correlation calculation between frames, and for example, a method using a general convolution operation may be used. In any case, the moving component of the tissue can be obtained from the shift position when the reference area data 92 and the corresponding
図9には、第1組織移動成分演算部26の具体的な構成例が示されている。上述したように、第2組織移動成分演算部28が別途設けられる場合には図9に示した構成と同様の構成が用いられる。
FIG. 9 shows a specific configuration example of the first tissue movement
フレームメモリ部104は図9に示される例において2つのフレームメモリ106,108によって構成されている。第1フレームメモリ106には最新の時相のフレームデータが格納され、第2フレームメモリ108には1つ前の時相のフレームデータが格納される。すなわち、隣合うフレームデータ間において相関演算を実行するために、必要なフレームデータがフレームメモリ部104上に格納される。ちなみに、基準となる初期フレームデータを第1フレームメモリ106に格納し、現在取得されたフレームデータを符号109で示すように第2フレームメモリ108に格納し、隣接フレーム間ではなく基準フレームと最新フレームの間において相関演算を行うことも可能である。
The
読み出しコントローラ部110は図9に示す例において2つの読み出しコントローラによって構成され、具体的には、第1フレームメモリ106の読み出し制御を行なう参照エリアデータ読み出しコントローラ112と、第2フレームメモリ108の読み出し制御を行なう対応エリアデータ読み出しコントローラ114とで構成されている。
The
参照エリアデータ読み出しコントローラ112は、図8に示したように第1フレームデータ82から、参照エリア86に対応する参照エリアデータ92を読み出す制御を行う。また、対応エリアデータ読み出しコントローラ114は、第2フレームメモリ108に格納された第2フレームデータから、各相関演算ごとに対応エリアはシフトされる。対応エリア88に対応する対応エリアデータ94を読み出す制御を実行する。
The reference area data read
読み出された各エリアデータが差分器116に入力される。差分器116では、図8を用いて説明したように各画素ごとに差分値を演算する。ちなみに、参照エリアと対応エリアは同じサイズを有している。積算器118は各画素ごとの差分値を積算し、これによって相関値としての積算値を求める。その演算された積算値は積算値メモリ120上に格納される。すなわち、積算値メモリ120には図8に示した結果テーブル98に相当するデータが格納される。対応エリアの位置が順次シフトされると、それに伴って積算値が順次演算され、それらが積算値メモリ120上に格納される。
Each read area data is input to the
最小値判定器122は、対応エリアのスキャンが完了した段階において積算値メモリ120上の内容を参照し、複数の積算値の中から最小値を判定する。そして、その最小値に対応付けられている対応エリアのシフト位置に基づいて組織移動成分を特定する。すなわち最小値に対応するシフト位置にはターゲット組織の平行移動量に相当するものである。
The
図10には、図1に示した三次元移動ベクトル演算部34の演算内容が概念的に示されている。ここで、X−Y−Zは絶対三次元空間を表している。またx−y−zは第1走査面及び第2走査面によって定義される相対三次元空間を表している。Tはターゲット位置(中心位置)を表している。そして、ベクトルdMはフレーム間における、すなわちバイプレーンを形成する期間内におけるターゲット組織の移動量すなわち三次元組織移動ベクトルを表している(なお、本願明細書中においてベクトルを表す矢印記号については省略するが図10においてはそれが表されている)。なお、ベクトルT0はターゲット組織の位置Tを表す位置ベクトルであり、ベクトルT1は移動後におけるターゲット組織の位置を表す位置ベクトルである。
FIG. 10 conceptually shows the calculation contents of the three-dimensional movement
第1走査面A上において、三次元組織移動ベクトルdMを観測すると、それはx方向の成分dAxとy方向における成分dAyとで表される。一方、第2走査面B上において三次元組織移動ベクトルdMを観測すると、それは、z方向の成分dBzとy方向の成分dByとで表される。 When the three-dimensional tissue movement vector dM is observed on the first scanning plane A, it is represented by a component dAx in the x direction and a component dAy in the y direction. On the other hand, when the three-dimensional tissue movement vector dM is observed on the second scanning plane B, it is represented by a component dBz in the z direction and a component dBy in the y direction.
2つの走査面においてyの軸は共通であるために、以下の関係がある。
dAy=dBy ・・・・(1)
Since the y axis is common to the two scanning planes, the following relationship is established.
dAy = dBy (1)
したがって、以下のように三次元組織移動ベクトルが表される。
dM=dAx+dAy+dBz ・・・(2)
Therefore, the three-dimensional tissue movement vector is expressed as follows.
dM = dAx + dAy + dBz (2)
ちなみに、上記の第1の制御モードにおいては、放射線の照射がオンオフ制御されるが、その場合においては、|dM|≦εが満たされる時に、放射線の照射がオンとなり、一方、|dM|>εの時には放射線の照射がオフとされる。つまり、εを三次元移動ベクトルあるいはそれに基づくターゲット組織の移動量の許容範囲とした場合、その許容範囲内おいてのみ放射線の照射を許容し、許容範囲外となる場合には放射線の照射を停止するものである。 Incidentally, in the first control mode, radiation irradiation is controlled to be turned on / off. In this case, when | dM | ≦ ε is satisfied, radiation irradiation is turned on, whereas | dM |> When ε, radiation irradiation is turned off. In other words, if ε is the allowable range of the three-dimensional movement vector or the movement amount of the target tissue based on it, radiation irradiation is allowed only within the allowable range, and radiation irradiation is stopped when it is outside the allowable range. To do.
また、第2の制御モードにおいては、ターゲット組織の移動に伴って放射線の照準位置が追従制御されるが、その場合において、
T1=T0+TM ・・・(3)
によってターゲット組織の新しい位置が順次特定され、その位置に放射線の照準位置が合致するように照射制御が行われる。ちなみに、そのような場合には、2つの走査面の交差位置もその照準位置に合致するように送受波の制御がなされる。
In the second control mode, the aiming position of the radiation is tracked and controlled as the target tissue moves.
T1 = T0 + TM (3)
Thus, new positions of the target tissue are sequentially specified, and irradiation control is performed so that the aiming position of the radiation matches the position. Incidentally, in such a case, the transmission / reception wave is controlled so that the intersection position of the two scanning planes also matches the aiming position.
上述した説明においてはターゲット組織の三次元的な平行移動量が演算されていたが、そのような三次元的な平行移動量に加えて三次元的な回転移動量も併せて演算することが可能である。それについて図11に示されるフローチャートを用いて説明する。 In the above description, the three-dimensional parallel movement amount of the target tissue is calculated, but in addition to such a three-dimensional parallel movement amount, a three-dimensional rotational movement amount can also be calculated. It is. This will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
図11において、S101では、第1フレームデータすなわち第1走査面上において参照エリアが設定される。S102では、その参照エリアの位置を基準として第2フレームデータすなわち第2走査面上において探索エリアが設定される。S103では探索エリア内における初期位置に対応エリアが設定される。 In FIG. 11, in S101, a reference area is set on the first frame data, that is, the first scanning plane. In S102, a search area is set on the second frame data, that is, the second scanning plane, based on the position of the reference area. In S103, a corresponding area is set at an initial position in the search area.
S104では、参照エリアから切り出された参照エリアデータと対応エリアから切り出された対応エリアデータとの間で上述した相関演算が実行される。そして、その相関演算の結果値である積算値がメモリ上に格納される。 In S104, the correlation calculation described above is performed between the reference area data cut out from the reference area and the corresponding area data cut out from the corresponding area. Then, an integrated value that is a result value of the correlation calculation is stored in the memory.
S105では、対応エリアが最終位置に到達したか否かが判断され、到達していない場合にはS106において対応エリアの位置が1ステップ平行移動され、S104以降の工程が繰り返し実行される。最終位置に対応エリアの位置が到達した場合には、S107において第1相関演算結果から平行移動量が特定される。そして、その平行移動量に基づいて特定される座標を中心として回転移動量を求めるための探索エリアが再設定される。この場合において探索エリアは参照エリアの姿勢を中心0度とする所定角度範囲内として設定される。 In S105, it is determined whether or not the corresponding area has reached the final position. If the corresponding area has not been reached, the position of the corresponding area is translated by one step in S106, and the processes after S104 are repeatedly executed. When the position of the corresponding area has reached the final position, the parallel movement amount is specified from the first correlation calculation result in S107. Then, the search area for obtaining the rotational movement amount around the coordinates specified based on the parallel movement amount is reset. In this case, the search area is set within a predetermined angle range in which the orientation of the reference area is 0 degrees as the center.
S108では、対応エリアが1ステップ分だけ回転移動され、S109においては参照エリアデータと対応エリアデータとの間で相関演算が実行される。その相関演算結果はメモリ上に格納される。S110においては対応エリアの位置が最終位置に到達したか否かが判断され、到達していない場合にはS108の各工程が実行される。 In S108, the corresponding area is rotated by one step, and in S109, correlation calculation is performed between the reference area data and the corresponding area data. The correlation calculation result is stored in the memory. In S110, it is determined whether or not the position of the corresponding area has reached the final position. If not, each step of S108 is executed.
最終位置に到達した場合には、S111において、S109を繰り返し実行することによって得られた相関演算結果から回転移動量が特定される。必要に応じて、その回転移動量を考慮して再度、対応エリアを逐次的に設定しつつ平行移動量の微修正を行うようにしてもよい。 When the final position is reached, in S111, the rotational movement amount is specified from the correlation calculation result obtained by repeatedly executing S109. If necessary, the parallel movement amount may be finely corrected while sequentially setting the corresponding area again in consideration of the rotational movement amount.
図11に示したプロセスは第1走査面及び第2走査面のそれぞれにおいて実行される。これによって各走査面ごとに平行移動量と回転移動量が特定されることになる。それらの移動量を総合することによって三次元移動ベクトルとしての平行移動量及び回転移動量が特定される。 The process shown in FIG. 11 is executed on each of the first scan plane and the second scan plane. As a result, the parallel movement amount and the rotational movement amount are specified for each scanning plane. By combining these movement amounts, a parallel movement amount and a rotational movement amount as a three-dimensional movement vector are specified.
次に、図12〜図14を用いて本実施形態に係る放射線治療システムについて説明する。 Next, the radiation therapy system according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図12には、陽子線を用いて悪性腫瘍などの治療を行うための放射線治療システムが概念的に示されている。この放射線治療システムは、三次元組織移動計測装置10、制御装置12及び放射線治療装置14Aによって構成されるものである。三次元組織移動計測装置10は図1に示した構成を有している。すなわち、三次元組織移動計測装置10は、超音波診断装置として構成され、それは大別して装置本体132とプローブ16とによって構成される。治療台58上には生体130が載置されている。その場合においては、ターゲット組織Tに対して陽子線ビーム134の照射位置が位置決めされる。通常、陽子線ビーム134の照射位置は固定的に設定されており、治療台58を水平移動させることによってターゲット組織Tに対して陽子線ビーム134が位置決めされる。上述したように、ターゲット組織Tの状態はバイプレーンによる超音波診断装置によって計測されており、またターゲット組織Tの三次元組織移動ベクトルは装置本体32において計測される。それが照射制御情報として制御装置12に渡されている。
FIG. 12 conceptually shows a radiotherapy system for treating a malignant tumor or the like using a proton beam. This radiotherapy system includes the three-dimensional tissue
制御装置12は、三次元組織移動ベクトルあるいはそれに基づくターゲット組織の位置が許容範囲内にあるか否か判断し、許容範囲にある場合には放射線治療装置14Aに対して照射許可信号を出力し、許容範囲外にある場合には放射線治療装置14Aに対して照射禁止信号を出力する。
The
したがって、生体130の姿勢が変化した場合、あるいは呼吸などによってターゲット組織Tの位置が変化したような場合、それが許容範囲外に至った場合には放射線の照射が停止されるため、正常組織への放射線の照射を回避できるという利点がある。また、呼吸などによってターゲット組織Tが周期的に運動する場合には、ターゲット組織Tに対して陽子線ビーム134を周期的にあるいは間欠的に照射でき、これによって治療効果を高めることが可能となる。
Accordingly, when the posture of the living
図13には、他の実施形態に係る放射線治療システムの全体構成が概念的に示されている。この放射線治療システムは図12に示した実施形態と同様に、三次元組織移動計測装置10、制御装置12及び放射線治療装置14Bによって構成される。ただし、放射線治療装置14BはX線によって治療を行う装置である。
FIG. 13 conceptually shows the overall configuration of a radiation therapy system according to another embodiment. This radiotherapy system includes the three-dimensional tissue
三次元組織移動位置計測装置10は上述した実施形態と同様に超音波診断装置本体132とプローブ16とを有するものであり、プローブ16は図4に示したような保持機構50によって保持されている。超音波診断装置本体132によってターゲット組織についての三次元組織移動ベクトルが演算され、それは照射制御情報として制御装置12に渡される。制御装置12は、放射線治療装置14Bに対して照射位置の制御情報を出力している。
The three-dimensional tissue movement
放射線治療装置14BはX線照射部136を有しており、そのX線照射部136は治療台58を取り囲むように回転運動を行うことが可能である。また治療台58は水平方向に移動自在である。したがって、ターゲット組織が移動した場合、治療台58の平行運動等を行わせて照射ポイントを常にターゲット組織に合致させることが可能である。
The
図14には、治療台上に載せられた患者としての生体130が表されており、X線照射部136を符号142に示されるように回転運動させることによって、ターゲット組織Tに対して各角度方向からX線ビーム140を照射することができる。この場合において、治療台を平行運動させることにより、その照射ポイントをターゲット組織Tに合致させることができる。
FIG. 14 shows a living
本実施形態においてはリアルタイムでターゲット組織の移動位置を計測することが可能であるため、ターゲット組織の移動に追従させてX線の照射位置を動的に変更させることが可能である。この場合においては、第1走査面及び第2走査面についてもターゲット組織の移動に応じて可変制御するのが望ましい。もちろん、この図13及び図14に示される構成において、ターゲット組織の移動位置が許容範囲外となった場合にはX線の照射を停止させる制御を行うようにしてもよい。 In this embodiment, since the movement position of the target tissue can be measured in real time, it is possible to dynamically change the X-ray irradiation position by following the movement of the target tissue. In this case, it is desirable to variably control the first scanning plane and the second scanning plane in accordance with the movement of the target tissue. Of course, in the configuration shown in FIGS. 13 and 14, when the movement position of the target tissue is out of the allowable range, control for stopping the X-ray irradiation may be performed.
上記の各実施形態によれば、ターゲット組織の位置をリアルタイムに計測し、それに基づいて治療用の放射線の照射制御を行うことが可能であるので、治療効果を高められると共に、正常組織に与えるダメージを極力回避できるという利点がある。上記実施形態ではプローブ上に2Dアレイ振動子が設けられていたが、1Dアレイ振動子をメカニカルな機構によって走査するタイプのプローブを用いるようにしてもよいし、十字型に配置された2つの1Dアレイ振動子を設け、それを有するプローブ自体の姿勢を変更するようにしてもよい。 According to each of the above-described embodiments, it is possible to measure the position of the target tissue in real time and perform irradiation control of the therapeutic radiation based on the measured position, so that the treatment effect can be enhanced and the damage given to the normal tissue There is an advantage that can be avoided as much as possible. In the above embodiment, the 2D array transducer is provided on the probe. However, a probe of a type that scans the 1D array transducer by a mechanical mechanism may be used, or two 1Ds arranged in a cross shape may be used. An array transducer may be provided and the posture of the probe itself having the transducer may be changed.
例えば、ボリュームデータが60枚のフレームデータによって構成される場合、三次元組織移動ベクトルを求めるために60枚のフレームデータを毎回取得しなければならないのに比べ、本実施形態においては、2つのフレームデータを取得するごとに三次元組織移動ベクトルを求めることができるので、ボリュームデータを取得する場合に比べて例えば30倍演算速度を高めることが可能となる。 For example, when the volume data is composed of 60 frame data, in the present embodiment, two frames are required in comparison with the case where 60 frame data must be acquired every time in order to obtain a three-dimensional tissue movement vector. Since the three-dimensional tissue movement vector can be obtained every time data is acquired, the calculation speed can be increased, for example, by 30 times compared to the case of acquiring volume data.
また、上記実施形態によれば、図4に示したように、水袋60を利用して生体の動きによらずに常に超音波の良好な伝搬を確保することが可能であるので、計測の中断を回避することが可能であり、また生体に対する違和感や苦痛といった問題を回避できるという利点がある。また、上記の実施形態においては、差分演算を利用しているため非常に簡易な構成によってしかも迅速に相関演算結果を得ることが可能であるという利点がある。また、上記実施形態においては、座標変換前のデータを利用して、組織移動成分を演算しているため、その演算結果を走査面の位置設定にそのまま利用することができるという利点がある。すなわち、相関演算結果に対して複雑な座標変換処理などを行うことなく走査面の位置を迅速に設定することが可能である。 Further, according to the above embodiment, as shown in FIG. 4, it is possible to always ensure good propagation of ultrasonic waves regardless of the movement of the living body using the water bag 60. There is an advantage that interruption can be avoided and problems such as discomfort and pain to the living body can be avoided. In the above embodiment, since the difference calculation is used, there is an advantage that the correlation calculation result can be obtained quickly with a very simple configuration. In the above embodiment, since the tissue movement component is calculated using data before coordinate conversion, there is an advantage that the calculation result can be used as it is for setting the position of the scanning plane. That is, it is possible to quickly set the position of the scanning plane without performing complicated coordinate conversion processing on the correlation calculation result.
ちなみに、図1に示した三次元組織移動計測装置10としての超音波診断装置は、放射線治療システムに用いられる他、それ単独でも利用することが可能である。すなわち、バイプレーンによって組織を直交2断面で観察する場合において、組織の移動に追従させて各走査面の位置を動的に変更すれば、常に良好な患部の断層画像を得られるという利点がある。したがって、一般の超音波診断においても有用である。また、三次元組織移動ベクトルに基づいて穿刺方向などの自動設定を行うことも可能であり、更に、結石破砕システムなどにおいて超音波を集束させるポイントを三次元組織移動ベクトルに応じて動的に可変するようにしてもよい。それ以外においても各種の応用例が考えらえる。ちなみに、上記実施形態においては直交する2つの走査面が形成されていたが、必要に応じて互いに交叉する3つあるいは4つの走査面を形成するようにしてもよい。迅速な計測及び高速演算の観点から言えばバイプレーンを形成するのが最も望ましい。
Incidentally, the ultrasonic diagnostic apparatus as the three-dimensional tissue
10 三次元組織移動計測装置(超音波診断装置)、12 制御装置、14 照射装置(放射線治療装置)、16 プローブ、18 送受信部、20 制御部、22 第1画像形成部、24 第2画像形成部、26 第1組織移動成分演算部、28 第2組織移動成分演算部、30 表示処理部、34 三次元移動ベクトル演算部、82 第1フレームデータ、84 第2フレームデータ、86 参照エリア、88 改良エリア、90 探索エリア、92 参照エリアデータ、94 対応エリアデータ、104 フレームメモリ部、110 読み出しコントローラ部、116 差分器、118 積算器、120 積算値(メモリ)、122 最小値判定器。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ターゲット組織について三次元組織移動ベクトルをリアルタイムで計測する三次元組織移動計測装置と、
前記放射線の照射を制御する照射制御装置と、
を含む放射線治療システムにおいて、
前記三次元組織移動計測装置は、
二次元アレイ振動子を有し、二次元アレイ振動子での超音波の送受波により、直交関係にある第1走査面及び第2走査面をそれぞれ繰り返し形成し、各走査面ごとのフレームデータを順次出力する送受波手段と、
前記各走査面ごとに互いに時相が異なる2つのフレームデータ間で相関演算を行う相関演算手段と、
前記各走査面ごとの相関演算の結果に基づいて、三次元組織移動ベクトルを演算する三次元組織移動ベクトル演算手段と、
を含み、
前記照射制御装置は、照準位置可変モードにおいて、前記三次元組織移動ベクトルに基づいて前記放射線の照準位置を可変制御し、
前記三次元組織移動計測装置は、前記照準位置可変モードにおいて、前記放射線の照準位置が前記第1走査面及び前記第2走査面の交差ライン上に位置決めされるように、前記第1走査面及び前記第2走査面の位置を電子的に可変設定する走査制御手段を含む、
ことを特徴とする放射線治療システム。 A radiotherapy apparatus for irradiating a target tissue in a living body with radiation;
A three-dimensional tissue movement measuring device for measuring a three-dimensional tissue movement vector in real time for the target tissue;
An irradiation control device for controlling the irradiation of the radiation;
In a radiation therapy system including:
The three-dimensional tissue movement measuring device is
Having a two-dimensional array transducer, the first and second scan planes that are orthogonal to each other are repeatedly formed by transmitting and receiving ultrasonic waves by the two-dimensional array transducer, and frame data for each scan plane is obtained. Transmitting / receiving means for sequentially outputting;
Correlation calculating means for performing a correlation calculation between two frame data having different time phases for each scanning plane;
A three-dimensional tissue movement vector calculating means for calculating a three-dimensional tissue movement vector based on the result of the correlation calculation for each scanning plane;
Including
The irradiation control device variably controls the radiation aim position based on the three-dimensional tissue movement vector in the aim position variable mode ,
In the three-dimensional tissue movement measurement apparatus, in the aiming position variable mode, the first scanning plane and the first scanning plane and the second scanning plane are positioned such that the radiation aiming position is positioned on an intersection line of the first scanning plane and the second scanning plane. Scanning control means for electronically variably setting the position of the second scanning plane;
A radiation therapy system characterized by that.
前記照射制御装置は、照準位置固定モードにおいて、前記三次元組織移動ベクトル又はそれに基づくターゲット組織位置が許容範囲を外れた場合に前記放射線の照射を制限することを特徴とする放射線治療システム。 The system of claim 1, wherein
The radiation control system , wherein, in the aiming position fixing mode, the radiation treatment system limits the radiation irradiation when the three-dimensional tissue movement vector or a target tissue position based on the vector moves out of an allowable range.
前記送受波手段は、
前記二次元アレイ振動子を有する超音波探触子と、
前記超音波探触子の送受波面と前記生体表面との間の超音波伝搬経路をカップリング液体で満たす液体収容部と、
を含むことを特徴とする放射線治療システム。 The system of claim 1, wherein
The wave transmitting / receiving means includes
An ultrasonic probe having a pre SL two-dimensional array transducer,
A liquid container that fills an ultrasonic wave propagation path between the transmitting / receiving surface of the ultrasonic probe and the living body surface with a coupling liquid;
A radiation therapy system comprising:
前記三次元組織移動計測装置は、前記第1走査面及び前記第2走査面ごとにフレームデータに基づいて断層画像を形成する画像形成手段を含むことを特徴とする放射線治療システム。 The system of claim 1, wherein
The three-dimensional tissue movement measuring apparatus includes an image forming unit that forms a tomographic image based on frame data for each of the first scanning plane and the second scanning plane .
前記三次元組織移動計測装置又は前記照射制御装置は、
前記第1走査面上における前記第2走査面の位置を表す第1ラインマーカー及び前記第1走査面上における放射線の照準位置を表す第1照準位置マーカーを有する第1グラフィック画像を形成し、前記第2走査面上における前記第1走査面の位置を表す第2ラインマーカー及び前記第2走査面上における放射線の照準位置を表す第2照準位置マーカーを有する第2グラフィック画像を形成するグラフィック画像形成手段と、
前記第1走査面に対応する断層画像と前記第1グラフィック画像とを合成して第1合成画像を形成し、前記第2走査面に対応する断層画像と前記第2グラフィック画像とを合成して第2合成画像を形成する画像合成手段と、
前記第1合成画像と前記第2合成画像を表示する表示手段と、
を含むことを特徴とする放射線治療システム。 The system of claim 4 , wherein
Before SL three-dimensional tissue movement measuring apparatus or the irradiation control unit,
Forming a first graphic image having a first line marker representing a position of the second scan plane on the first scan plane and a first aim position marker representing a radiation aim position on the first scan plane; Graphic image formation for forming a second graphic image having a second line marker representing the position of the first scanning surface on the second scanning surface and a second aiming position marker representing the aiming position of the radiation on the second scanning surface. Means,
A tomographic image corresponding to the first scanning plane and the first graphic image are synthesized to form a first synthesized image, and a tomographic image corresponding to the second scanning plane and the second graphic image are synthesized. Image synthesizing means for forming a second synthesized image;
Display means for displaying the first composite image and the second composite image;
A radiation therapy system comprising:
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