JP4316876B2 - 三次元立案標的容積 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は、医学的な画像化技術に関する。本発明は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）と協働する特別の応用を発見し、特にそれを参照して説明される。しかしながら、さらに、本発明は、例えば、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、単一光子放射型コンピュータ断層撮影（ＳＰＥＣＴ）、陽電子放出型断層撮影法（ＰＥＴ）、Ｘ線透視などの、その他の似通った適用及び撮像モダリティにおいても受け入れ可能であることが認識される。
【０００２】
医学的な画像化の様々なモダリティ及び種類は、病理学的な診断、及び治療処置及び手術の立案において有用である。特に、医学的な画像化の従来のモダリティ（例えば、ＣＴ、ＭＲＩ、ＳＰＥＣＴ、ＰＥＴ、Ｘ線透視など）は、診断条件及び治療計画のために、患者の解剖学的構造の非侵入性の視覚化の利益を医学の専門家に与える。
【０００３】
腫瘍学的な応用において、例えば、医学的な画像化は、癌の腫瘍を可視化し、認識し、且つ位置付けするために頻繁に使用される。一旦識別されて位置が確認されると、医学専門家は、医学画像からの案内で腫瘍を治療上若しくは外科的に処置する。例えば、放射線治療は、腫瘍か癌の組織に標的放射線の適切な投与をもたらすことによる腫瘍の削除を含んでいる。目的は、周辺組織による放射線の受取り、及び／又は周辺組織への放射線による損傷を最小限にしながら、腫瘍又は癌組織を完全に削除することである。
【０００４】
高精度の画像誘導放射線療法システムは、所望の容積又は断面積に所望の放射線量を送達するために発展されてきた。線形加速器上のマルチリーフコリメーター（例えば、８０乃至１００リーフのコリメーター）の導入は、送達容積若しくは断面積が高度に空間的に分解されることを可能にする。すなわち、治療計画において、放射線送達エリア若しくは容積は、削除されるべき癌腫瘍の大きさ及び形状に緊密に一致してなされる。
【０００５】
放射線送達での正確さの見地から有益である一方、高精度の放射線療法システムは、放射線治療を案内するために使用される医学的な画像化システム及び技術における制限を露呈した。例えば、診断及び治療立案において関心の病理を正確に視覚化し確認し、また位置を確認するために、一般的には、周辺組織を含有する領域の高空間分解能画像が高速度で獲得される。頻繁に、この画像化は、治療若しくは処置を施すことに先だって実行される。獲得された画像は、例えば、画像が獲得される時の特定の瞬間における患者の組織の“スチル写真”を一般的に表現する。
【０００６】
不運にも、処置時において（画像化の時間に対立するものとして）、例えば、抹殺されるべき腫瘍は周辺組織若しくは他の基準点に対してシフトしているかもしれない。さらに、治療若しくは処置を施すことは一般的に瞬時には行なわれない。すなわち、標的放射線の送達は、例えば、時間をかけて行われる。処置若しくは送達時間は、５乃至３０分であり得る。この時間の間に、癌の腫瘍は、例えば、呼吸、心臓機能などの自然の生物的機能若しくは周期により、周辺組織若しくは他の基準点に対して移動するかもしれない。腫瘍が動き回るので、その部分は放射線が送達される標的とされたエリア若しくは容積に入ったり出たりするだろう。したがって、腫瘍の部分は、放射線の計画された投与量未満を受け取り、それによって腫瘍の完全な削除を失敗させる。加えて、周辺組織は生物学的機能によって標的エリア若しくは容積に引かれ、押され、さもなくば移動されて、望ましくなく照射されるか及び／若しくは損傷される。
【０００７】
本発明は、前述に言及された問題等を克服する、新規で改良された計画標的容積（ＰＴＶ）及び関連の技術を意図するものである。
【０００８】
本発明の概要
本発明の一つの態様に従って、医療用撮像装置の作動方法が提供される。この方法は、第一の時間分解能で患者の関心領域を表す第一の医学的画像の獲得、及び第二の時間分解能で関心領域を表す第二の医学的画像の獲得を含む。第二の時間分解能は、第一の時間分解能よりも低い。本方法はまた、第一及び第二の医学的画像の共通の基準点が一致するように第一及び第二の医学的画像を互いに対してアライメントすることを含む。最後に、第一及び第二の医学的画像は互いに重ねられる。
【０００９】
本発明の他の態様に従って、医療用撮像装置は、二つの異なる時間分解能で、患者の関心領域の画像表現を生成するメディカルイメージャーを含んでいる。整合手段が、それぞれに異なる第一及び第二の時間分解能でメディカルイメージャーから得られる同一の関心領域の第一及び第二の画像表現を互いに対してアライメントする。そして、結合手段が、アライメントされた第一及び第二の画像表現を互いに重ね合わせる。
【００１０】
本発明の一つの利点は、標的とされる組織の塊若しくは腫瘍に関して、通常の生物学的機能により経験される運動の範囲若しくは包絡線を視覚化できることである。
【００１１】
本発明の別の利点は、標的とされる組織の塊若しくは腫瘍の大きさ及び／又は形状を正確に厳密に可視化できることである。
【００１２】
本発明のまた別の利点は、従来開発されたシステム及び／又は技術と比較して、比較的改良された融通の利く処置計画である。
【００１３】
本発明のさらなる利点は、下記に続く好ましい実施態様の詳細な記載の読み込みと理解によって当業者に明らかとなるであろう。
【００１４】
本発明は、様々な構成部分の形状及び構成部分の配置、並びに様々な段階及び段階のアレンジメントをとる。添付図は好ましい実施態様を例証する目的のみであって、本発明を制限するように解釈されるべきではない。
【００１５】
好ましい実施態様の詳細な記載
図１を参照するに、典型的な医学的な画像化及び処置計画システムＡは、ＣＴスキャナー、ＭＲＩスキャナー、ＳＰＥＣＴ及び／若しくはＰＥＴスキャナー、蛍光透視鏡などの医学的な画像化装置若しくはメディカルイメージャー１０を含んでいる。当該技術で周知のように、メディカルイメージャー１０は、そこに位置している患者の関心領域の医学的な画像若しくは画像表現を非侵襲的に獲得するために好ましく使用される。場合により、それらは、三次元（３Ｄ）画像若しくは画像表現、二次元（２Ｄ）断面スライス、表面表現などである。メディカルイメージャー１０は、好ましくは、生データを収集するために患者を走査する撮像装置１２、及び生データから関心領域の画像若しくは画像表現を再構成するために既知の再構成アルゴリズムを実行若しくは実施する、再構成プロセッサー１４を含んでいる。撮像モダリティに依存して、再構成はフーリエ変換、畳み込み、逆投影及び／若しくは同様の再構成プロセスを含んでいる。
【００１６】
好ましい実施態様において、メディカルイメージャー１０は、異なる時間分解能で画像を選択的に生成する。例えば、比較的速い走査は、より高い時間分解能で画像を生成し、一方で比較的遅い走査は、より低い時間分解能で画像を生成する。他の例では、別々のメディカルイメージャー１０が、それぞれ、高い時間分解能での関心領域の画像、及び比較的低い時間分解能での同一の関心領域の画像を獲得するために採用される。
【００１７】
いずれの場合においても、同一の関心領域の少なくとも二つの医学的画像が獲得され、一つは比較的高い時間分解能（例えば、図２を参照）であり、もう一方は比較的低い時間分解能（例えば、図３を参照）である。画像が獲得される順序若しくは手法に関係なく、ここでは画像及び時間分解能を区別する目的において、より高い時間分解能に対応する一方の画像及びその時間分解能は第一画像１００及び第一の時間分解能と呼ばれ、より低い時間分解能に対応するもう一方の画像及びその時間分解能は第二画像２００及び第二の時間分解能と呼ばれる。各第一及び第二画像は、好ましくは、例えばピクセルデータ若しくはボクセルデータである、画像データのアレイ若しくはマトリックスとして、メモリ１６ａ及び１６ｂにそれぞれロードされる。他の例では、画像は別々の装置（図１に示されているような）に記憶されるか、若しくは別個の位置の共通の装置に記憶される。さらに、代替的なデータ記憶手段が採用されてもよい。例えば、画像データは磁気的、光学的若しくは他の手段で記憶されてもよい。
【００１８】
第一の画像１００に関して、好ましくは、第一の時間分解能は、再構成される画像が実質的に瞬時における関心領域を表現するように充分高い。すなわち、第一画像１００は、そこでの解剖学的な移動に関係なく、関心領域の“スチル画像”若しくは“フリーズフレーム”を表現し得る時間分解能で獲得される。第一画像１００が獲得される時間分解能は、関心領域内の所望の、あるいは選択された組織（例えば腫瘍）の塊が、例えば、呼吸、心臓機能などの通常の生物学的機能で引き起こされる移動からのぼかしを伴わずに、正確で精密に可視化されることができるように、充分に高くするべきである。図２において、組織の塊の画像は参照番号１０２で標識されている。
【００１９】
例えば、第一画像１００が関心領域内の癌腫瘍の正確な大きさと形状を精密に視覚化することが望ましい。しかしながら、画像１００の獲得及び／又は生成中の癌腫瘍のある量の移動を仮定すると、第一の時間分解能が十分に高くない場合、癌腫瘍１０２の画像は、画像データは様々な異なる位置に存在する間の腫瘍を表現するという事実によりぼかされるかもしれない。したがって、腫瘍の外観（つまり、大きさ及び形状）を正確に決定する能力は、それによって低下される。
【００２０】
第一の時間分解能は、場合により、考慮中の組織の塊の移動速度に比較して速くデータを得ることにより達成される。場合により、第一画像１００は、問題を生じさせる生物学の作用が瞬間的に止められている間に獲得される。例えば、呼吸が望ましくないぼかしを引き起こす場合に、患者が息を止めている間に、第一画像１００は獲得される。
【００２１】
他の例では、当該技術で周知のように、問題を生じさせる生物学的機能若しくは動きが周期的である場合に、第一の時間分解能を達成するために適切なゲーティング技術が使用されてもよい。例えば、予期される応用において、ゲーティングは、再構成が完結するための充分なデータが獲得されるまで、一連の周期の各々における同一ポイントで撮像装置１２によるデータ収集をトリガーするように使用される。この手法において、データは、例えば、心臓周期若しくは呼吸周期の選択された期間に対応する、各周期での同一の相対的な時間にて繰り返し捕獲される。遡及的な応用において、データは、複数の周期の間に撮像装置１２によって連続的に獲得され、ゲーティングはタグに使用され、サンプリング・ウィンドウの位置を決め、若しくは各周期での同一の相対的な時間で獲得されるデータに対応するデータを認識する。次いで、再構成は、このタグ、サンプリングされたか若しくは識別されたデータを用いて実行される。
【００２２】
第二の時間分解能で、第二画像２００は獲得される。第一の時間分解能に対して、第二の時間分解能は低く、好ましくは考慮中の組織の塊の移動で引き起こされるぼかしを捕獲するために充分に低い。移動が自然の周期である場合（例えば、呼吸、心臓機能などの自然な生物学的機能による結果となるような）、撮像装置１２によるデータ収集は、好ましくは、周期の期間と実質的に等しいか若しくは長い期間において実行される。この手法において、第二画像２００は、組織の塊（例えば、腫瘍）における移動若しくは動きの範囲若しくは包絡線を視覚化する。すなわち、画像２００の獲得及び／若しくは生成中の癌腫瘍のある量の移動を仮定すると、第二の時間分解能が十分に低い場合、腫瘍の画像は、画像データは様々な異なる位置に存在する間の腫瘍を表現するという事実によりぼかされるかもしれない。したがって、腫瘍若しくは組織の塊のぼかされた画像２０２は、任意の与えられた瞬間において腫瘍若しくは組織の塊が見出される可能性が高い領域を囲む包絡線を表現する。換言すると、ぼかされた画像２０２は、組織の塊が実質的に閉じ込められる移動範囲を表現する。
【００２３】
一つの好ましい実施態様において、考慮中の組織の塊が移動を経験している間に、データセットが撮像装置１２によって連続的に獲得される。これと同一のデータセットが、次いで、第一及び第二画像の両者を再構成するために使用される。獲得されたデータセットの遡及的ゲーティングを介して、第一画像１００は高い時間分解能で生成され、低い時間分解能の第二画像２００は完全なデータセットを再構成することによって生成される。代替となる実施態様において、第二の低い時間分解能画像２００は、様々な時間、つまり、考慮中の組織の塊が複数の異なる位置にあるときに獲得された複数の高い時間分解能画像を共に平均化若しくは組み合わせることによって達成される。
【００２４】
いずれの場合においても、第一及び第二画像は、マーキングエンジン若しくはマーキングプロセッサー２０によって選択的にマークされる。好ましくは、マーキングプロセッサー２０は、選択された解剖学的な特質若しくは他の画像の詳細の視覚化を増強するために画像を着色若しくはマークする。好ましい実施態様において、第一画像１００で考慮中の視覚化された組織の塊は第一の色で着色され、第二画像２００で視覚化された移動の包絡線若しくは範囲は、第一の色と異なる第二の色で着色される。代替として、マーキングプロセッサー２０は、マークされるべき解剖学的特質若しくは画像の詳細のオペレーターによる選択に応じて、画像を自動的にマークするか、若しくはマーキングプロセッサー２０はオペレーターによって画像を手動でマーキングすることを可能にする。
【００２５】
好ましい実施態様において、マークされた第一及び第二画像は、適切なマーキング若しくはカラーリングを伴う画像データのアレイ若しくはマトリックスとして、マーキングプロセッサー２０からメモリ２２ａ及び２２ｂにそれぞれロードされる。この場合も、画像は別々の装置（図１に示されるような）、若しくは異なる位置の共通の装置に記憶されてもよいし、またデータ記憶の代替手段が採用されてもよい。例えば、画像データは磁気的、光学的、さもなくば別の手段で記憶される。場合により、マークされた画像はメモリ１６ａ及び１６ｂに戻される。
【００２６】
第一及び第二画像は、第一及び第二画像での共通の基準点が一致するように、画像アライメントプロセッサー３０によってお互いにアライメントされるか若しくは整合される。すなわち、アライメントプロセッサー３０は、両画像での共通の基準点の整合を獲得するために画像の相対的な平行移動及び／又は回転を実行する。基準点は、第１の画像から第２の画像まで互いに関しての運動又は相対的な移動をほとんど経験しない、好ましくは、容易に特定可能な相当に定義された解剖学的な目標である。例えば、基準点は、考慮中の組織の塊によって経験される運動又は相対的な移動に対して実質的に静止して見える骨の先端であってもよい。場合により、画像の中で視覚化できる基準若しくは他の同様の人工目標が撮像の間に適用され、アライメント目的のための基準点として使用される。
【００２７】
好ましい実施態様において、アライメントプロセッサー３０は、各画像での基準点のオペレーターの選択に応答して自動的に画像を整合する。代替として、アライメントプロセッサー３０は、オペレーターによる手動での画像の整合を可能にする。いずれの場合においても、画像がマーク（図１に示されるように）された後か若しくはマーキングに先だってアライメントは行われる。
【００２８】
画像結合器４０は、アライメントされた第一及び第二の医学的な画像をお互いに重ね合わせる（例えば、図４を参照）。好ましい実施態様において、結合は、ピクセル−バイ−ピクセル若しくはボクセル−バイ−ボクセルを基にした必要に応じての画像データの加重加算及び／若しくは減算を含んでいる。代替として、当該技術で周知である、他の画像の結合及び／若しくは重ね合わせ技術及びアルゴリズムが、画像結合器４０によって採用されてもよい。この手法において、結合された若しくは重ね合わされた画像３００は好ましくは、（ｉ）考慮中の組織の塊の正確な大きさ及び形状（つまり、第一画像１００からの）；及び（ｉｉ）組織の塊が存在する領域を囲む包絡線又は組織の塊の移動の範囲（つまり、第二画像２００からの）の両者を視覚化する。
【００２９】
結合器４０からの結合された若しくは重ね合わされた画像３００は、処置計画ワークステーション６０によって選択的にアクセスされ得る画像メモリ５０（又は、電気的、磁気的、光学的、若しくは他の記憶装置）にロードされる。処置計画ワークステーション６０は、好ましくはマイクロプロセッサー若しくはコンピューター６２、一つ以上の入力装置６４（例えば、コンピューターのキーボード、マウスなど）、及び例えばモニター６６である表示装置若しくは表示エンジンを含んでいる。場合により、画像メモリ５０は、ワークステーション６０に組み込まれる。同様にして、前述のいずれか若しくはすべてのメモリ１６及び２２、並びにプロセッサー１４、２０、３０及び４０は、場合によりワークステーション６０に組み込まれてもよい。代替として、プロセッサー及び／又はそれらが実行する機能は、ハードウェアの形態、ソフトウェアの形態若しくは両者の組み合わせによって実装される。一つの実施態様において、専用プロセッサーが採用され、代替の実施態様ではマイクロプロセッサー若しくはコンピューター６２は、それらのそれぞれの操作を実行する。
【００３０】
いずれの場合においても、入力装置６４を介して、オペレーター（例えば、腫瘍学者若しくは他の医学的な若しくは技術的な人物）は処置計画ワークステーション６０及び／若しくはシステム全体Ａを選択的に制御することができる。結合された画像３００のヒトが見ることができる描写（例えば、三次元表現、二次元断面、表面表現など）を提供するために、画像メモリ５０の画像データはワークステーション６０によってアクセスされ、モニター６６に表示するために適切にフォーマット化される。好ましくは、第一画像１００からの組織の塊と第二画像からの包絡線の両者は、場合により異なる色の描写で、視覚化され得る。
【００３１】
好ましい実施態様において、ワークステーション６０は、処置計画のためにセットアップされる。すなわち、結合された画像３００を用いて、放射線治療などの処置は、モニター６６に表示されている結果を用いてコンピューター６２上でシミュレートされる。
【００３２】
例えば、一つのシミュレーションにおいて、放射線の様々な投与量が、結合された画像３００において選択された領域に送達されるように計画される。シミュレーションは、オペレーターが処置を計画し、患者に実際に実行する以前にシミュレートした結果を検討することを可能にする。第一の投与は、組織の塊に対応する領域若しくは容積に対して計画されてもよい。これは名目上、高分解能標的容積と名付けられる（ＨＩ−ＲＥＳ ＴＶ）。組織の塊若しくは腫瘍は高い時間分解能で獲得されている第一画像１００の結果として、結合された画像３００内で正確に視覚化され、ＨＩ−ＲＥＳ ＴＶは正確にそれに一致するようにされる。結果として、第一投与送達は計画において正確にシミュレートされ、患者で正確に実行される。同様にして、第二の投与は、包絡線から組織の塊若しくは腫瘍に対応する領域を差し引いた領域若しくは容積に対して計画されてもよい。これは名目上、計画標的容積と名付けられる（ＰＴＶ）。包絡線もまた、低い時間分解能で獲得されている第二画像２００の結果として、結合された画像３００内で視覚化され、したがってＰＴＶは正確にそれに一致するようにされる。結果として、第二投与送達は計画において正確にシミュレートされ、患者で正確に実行される。
【００３３】
斯くして、腫瘍の正確な大きさ及び形状が容易に観察可能で、またその移動の幅が容易に観察可能である程度の高い柔軟性及び正確さが、処置計画において達成される。すなわち、異なる投与が、異なる領域で異なる望ましい結果を達成するように計画される。例えば、削除のための充分な第一投与は、腫瘍の動きに関係なく腫瘍が破壊されることを保証するために包絡線全体に対して計画されてもよい。あるいは、第一投与はＨＩ−ＲＥＳ ＴＶに制限され、第二投与は危険から腫瘍周辺の組織を保護するためにＰＴＶに対して計画されてもよい。多くの様々な投与予定がシミュレートされ、患者に適用され、特定の望ましい結果が試験され且つ達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の態様と一致する典型的な医学的な画像化及び処置計画システムの概略図である。
【図２】 組織の塊を示している図１の医学的な画像化及び処置計画システムの第一の時間分解能で獲得される典型的な第一の画像の概略図である。
【図３】 図２で示される組織の塊の包絡線若しくは移動の範囲を示している図１の医学的な画像化及び処置計画システムの第二の時間分解能で獲得される典型的な第二の画像の概略図である。
【図４】 図３の画像と重ね合わされた図２の画像を示している図１の医学的な画像化及び処置計画システムで獲得される典型的な結合画像の概略図である。

Claims (5)

1. 医療用撮像装置の作動方法であって：
   （ａ）スキャナーが、第一の時間分解能で、患者の関心領域を表す第一の医学的画像を生成する段階であり、前記第一の時間分解能は、実質的に瞬間的な画像が獲得される時間分解能である、段階；
   （ｂ）前記スキャナーが、第二の時間分解能で、前記患者の前記関心領域を表す第二の医学的画像を生成する段階であり、前記第二の時間分解能は、前記第一の時間分解能より低く、且つ前記第二の医学的画像が、選択された組織の塊の移動の範囲を視覚化するよう、前記患者の生物的周期の１周期に対して実質的に等しい或いは長い期間にわたって獲得される時間分解能である、段階；
   （ｃ）画像アライメントプロセッサーが、前記第一及び第二の医学的画像内の共通の基準点が一致するように、前記第一及び第二の医学的画像を互いに対してアライメントする段階；
   （ｄ）マーキング手段が、前記第一の医学的画像において視覚化された前記選択された組織の塊を、第一の色で彩色する段階；
   （ｅ）前記マーキング手段が、前記第二の医学的画像において視覚化された前記移動の範囲を、前記第一の色と異なる第二の色で彩色する段階；及び
   （ｆ）表示手段が、前記第一の医学的画像を前記第二の医学的画像に重ね合わせて表示する段階；
   を有する方法。
2. 前記生物的周期は、前記患者の呼吸周期及び前記患者の心臓周期から構成されるグループから選択される周期である、請求項１に記載の方法。
3. 前記スキャナーが、前記第一の医学的画像において視覚化された前記選択された組織の塊の照射用の放射線を、第一の放射線投与量で放射する段階；及び
   前記スキャナーが、前記第二の医学的画像において視覚化された前記移動の範囲の照射用の放射線を、第二の放射線投与量で放射する段階；
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 二つの相異なる時間分解能で患者の関心領域の画像表現を生成するメディカルイメージャー；
   前記メディカルイメージャーによって相異なる第一及び第二の時間分解能でそれぞれ獲得された、同一の関心領域の第一及び第二の画像表現を互いに対してアライメントする整合手段であり、前記第二の時間分解能は、前記第二の画像表現が患者の生物的周期の１周期に対して実質的に等しい或いは長い期間にわたって獲得される時間分解能である、整合手段；
   アライメントされた第一及び第二の画像表現を互いに重ね合わせる結合手段；
   重ね合わされた第一及び第二の画像表現をヒトが視認可能なフォーマットで表示する表示手段であり、重ね合わされた第一及び第二の画像表現は、前記関心領域内の選択された組織の塊の形状及び大きさと、前記選択された組織の塊によって経験される移動の範囲とを視覚化する、表示手段；及び
   重ね合わされた第一及び第二の画像表現において視覚化される前記選択された組織の塊を、第一の色で選択的に彩色し、重ね合わされた第一及び第二の画像表現において視覚化される前記移動の範囲を、前記第一の色とは異なる第二の色で選択的に彩色するマーキングエンジン；
   を有する医療用撮像装置。
5. コンピューターでシミュレートされた処置を実行するために、重ね合わされた第一及び第二の画像表現にアクセスする処置計画ワークステーション、を更に有する請求項４に記載の医療用撮像装置。

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