JP5143761B2 - 機械視覚システム - Google Patents

Description

本発明は、機械視覚システムに関し、不適切な、または他の困難な環境、例えば放射線治療装置の内部に機械視覚を適用する場合に生じる問題に対する解決方法を提供する。

放射線治療装置は、電離放射線ビーム、通常はＸ線、または電子若しくは他の素粒子のビームの生成部を備えている。これは患者のがん領域に向けて照射され、腫瘍細胞に作用し、患者の症状を緩和させる。一般に、放射線ビームの範囲を定めて、患者の腫瘍細胞に照射される放射線量を最大限増やすようにするとともに健全な細胞に照射される放射線量を最小限にとどめるようにすることが好ましい。このことにより、治療の効果を向上させるとともに、患者を苦痛にさせる副作用を減らすことができる。このためのさまざまな方法が考案されている。

放射線量の範囲を定める主要な構成要素の一つは、いわゆる“マルチリーフコリメータ”（ＭＬＣ）である。これは、配列（array）内に左右に配置された多数の細長状に形成された薄いリーフからなるコリメータである。各リーフは長手方向に移動自在になっており、その先端が照射野内に投入され、または照射野から引き出されるようになっている。このようにしてリーフの先端が配列されることにより、コリメータにさまざまな境界を形成することができる。全てのリーフを引き出して照射野を全開にすることができ、全てのリーフを投入して照射野を閉鎖することができる。また、いくつかのリーフを引き出すとともに、他のリーフを投入することにより、操作可能な範囲内で所望の形状を形成することができる。マルチリーフコリメータは、通常、このような配列を構成する２つの列（bank）からなっており、各列は、コリメータの反対側から照射野に向かって投影される。

当然のことながら、リーフの現在の実際の位置を測定し、フィードバックして位置を精度良く調整可能に構成することが必要である。この目的のために、今まで主に２つの方法が使用されてきた。
・光学的視覚による位置の検出方法
・例えば、電位差計、エンコーダなどの従来の位置の検出方法

正確なリーフ位置の計測値の問題に対して、今まで出願人によって行われてきた取り組みが図１に概略的に示されている。この解決方法は、カメラシステムが８４の異なる反射体を視認するように構成された視覚システムに基づいている。これらの反射体のうちの４つは、視野可能領域の各角部に設けられた基準マーカであり、残りの８０の反射体は、４０個のリーフからなる２つの対向する列において各リーフの個々の位置を示す印となっている。このことにより各リーフの位置を算出することができる。反射体は、再帰性反射（retro-reflective）特性を有しており、すなわち光が入射光と同じ光路に沿って後方に反射されるようになっている。

カメラ１０は、傾きを調整自在な一対のミラー１６、１８を介してコリメータのリーフ１２、１４を視認するようになっており、このことにより、放射線ビームの領域の外にカメラを配置することが可能になる。光路にビームスプリッター２０が配置され（すなわち、２つのミラー１６、１８の間であって、放射線ビームの領域の外に配置され）、投光器２２が同じ光路に沿ってコリメータのリーフ１２、１４を照らすことができるようになっている。さらに、投光器（および／または他の構成要素）を都合の良い位置に配置するために、ミラー２４が設けられている。

他の方法としては、従来の測定方法を利用する傾向がある。この方法は、個々のセンサによって各リーフの位置を測定することを含んでいる。これらの方法には、共通して、一つのリーフの位置を確実にかつ正確に測定するために、第２のセンサ、またはバックアップのセンサを使用する必要があるという意味を示すフォールトトレランス（fault tolerance）、または”シングルフォールトトレランス”が必要とされる。このため、必要とされる位置センサの数が倍増する。

これらの取り組みのいずれにおいても様々な問題が存在している。光学的な方法および他の現在の機械視覚による解決方法では、照明が精度良く均一であることが必要とされるが、この場合、有効な反射体を認識することが困難になる。リーフ反射体部材は、汚れおよび表面損傷により寿命が限られる。この反射体部材は、高精度で取り付けられなければならない。内部の反射および／または治療台の頂部における反射から迷走する光および／または迷走する反射がシステムを混乱させる。リーフマーカの再帰性反射特性は、マーカの形状および見かけの明るさが変化することを防止するために、光源およびカメラがかなり厳しい精度で光学的に同一の位置に配置されることを必要としている。

また、従来の位置測定方法は、深刻な困難さを有している。特に、一つのメインのリードバック（readback）および一つのバックアップのリードバックを提供するために、非常に多くのセンサ、例えば、１つのリーフにつき最低でも２つのセンサが必要とされる。要求される精度および使用されるセンサの数は、一般にシステムが全体として信頼性が低いことを意味している。さらに、十分にコンパクトな構造に、要求される多数のセンサを取り付けることは困難である。また、センサは、照射野において使用されることにより必然的に生じる放射線障害によって、潜在的に信頼性が低くなっている。

本発明は、リーフおよび／または視野内の基準点に印を付けるために蛍光マーカを使用することを含んでいる。このマーカは、照明光の波長とは異なる波長を有する蛍光をマーカが発するように調整された光で照射される。その後、カメラによってこの蛍光が検出される。この方法により、カメラによって撮像された画像のコントラストを増大させることができる。

蛍光マーカは、入射光エネルギを受け取って異なる波長（または周波数）を有する光を発する。これは、反射光が入射した光と実質的に同一の波長を有する光の単なる反射または再帰性反射とは異なっている。

したがって、本発明は、蛍光マーカを有する少なくとも一つのリーフを備えた放射線治療装置用マルチリーフコリメータを提供する。

当然のことながら、実質的にコリメータの全てのリーフが蛍光マーカを有していることが好ましい。しかしながら、混在したシステムが提供されることはあり得る。

リーフは、典型的にはある種のフレームに取り付けられる。フレームにとって一つ以上、好ましくはいくつかの蛍光マーカを有し、全体としてコリメータの最大視野を示すとともに基準系（frame reference）を提供することが好ましい。

蛍光マーカは、通常、入射光よりも長い波長を有する光を発し、このことによりマーカによって発せられる光を適切なフィルターにより区別することが可能になる。蛍光マーカに使用される適切な材料はルビーである。これは、球形状または円筒形状、あるいは他の適切な形状を有している。いくつかのマーカは、当然のことながら、理想的には異なる構造で、一つのリーフまたは複数のリーフに設けられ、識別の精度および／または安定性（robustness）を向上させることができる。

また、本発明は、上述のようなマルチリーフコリメータと、蛍光マーカを視認するために設けられたカメラとを備えた放射線治療装置を提供する。また、蛍光マーカのための照明光源は、実用的であって、単色性またはそれに近いものが理想的である。カメラは、照明光源によって発せられた波長を有する光がカメラに入射することを実質的に防止するように設けられたフィルターを有している。このことにより、画像のコントラストを改善することができる。

また、放射線治療装置は、放射線源と光学的に同一の位置に配置された照明光源を有し、発光しているまたは発光するであろう照射野がオペレータによって視覚的にチェックすることができるようになっている。同一の位置に配置された光源は、実質的に単色性であって、蛍光マーカの波長を有する光を実質的に発することがないことが好ましい。蛍光マーカの波長を有する光を遮蔽するために、放射線治療装置の出力部を覆うようにフィルターが配設され、このことにより蛍光マーカから取り出される画像のコントラストを強調させることができる。

添付した以下の図面を参照しながら、一例として、本発明による実施の形態を述べる。
図１は、上述した、知られている位置計測器の構造を示す図である。 図２は、本発明による位置計測器の構造を示す図である。

本発明は、放射線治療装置内に設けられた多数のＭＬＣリーフの位置を検出することに関連している。上述したように、これらのリーフは、放射線治療ヘッド内に意図的に作成され、機能を実行するために放射される電離放射線による過酷な環境下で操作される。この過酷さは、長い期間にわたって安定的かつ信頼性のあるリーフの監視という機械視覚の解決方法を提供することの難しさを示している。ＭＬＣリーフに関して採用されたこの解決方法は、他の場合、特に（しかし一つだけではなく）過酷な、または照射されたマーカを識別することが困難な環境においても当然のことながら適用可能である。

図２は本発明の一例を示している。図を簡略化するために、図１に示されていたマイラーミラー（mylar mirror）１８が省略され、いくつかの光学システムのための直線経路が示されている。実際は、このミラーは、当然のことながら、精度が高い構成要素が放射線ビームから取り除かれるとともに、構成要素が放射線ヘッドの位置に都合良く配置することができるように設けられている。図１に示されたミラー１６、２４は、もはや不要となり、このことにより、簡略化され、安価に、そして潜在的に精度が良い解決方法が得られる。

このように、ＭＬＣリーフ１００、１０２は、２つの異なる光源によって照射される。第１の光源は、全照射野を覆う緑色光１０６のビームを発する緑色帯域光の投光器１０４であり、点光源の形式でリーフの境界をより一層はっきりさせることができる。この光は、リーフ１００、１０２（および存在する他のコリメータ）によって直線状にされ、緑色光を透過するマイラースクリーン１０８によってヘッドから外部に向けられる。このため、この光は、治療台または患者に向けられ、マルチリーフコリメータの操作をオペレータによって確認することができる。

第２の光源は、４１０ｎｍの単色光源１１０であり、拡散光源形式で良好な機械視覚特性を提供する。この例では、この光源は、４１０ｎｍの発光ダイオード１１２、１１４の配列を有し、拡散した高輝度光源１１６が提供される。この光は、緑色光透過フィルター１０８によって遮蔽され、このことにより治療台または患者に向けられることがない。この結果、投影された光照射野の形状を混同することがなく、またこの光源を放射線源と光学的に同一の位置に配置することが不要となる。このため、明るくかつ均一なリーフ１００、１０２の照明が得られるように配置することができる。

各リーフは、ルビーマーカ（ruby marker）１１８を有している。ある波長を有する光が照射された場合、ルビーの結晶は、暗赤色／近赤外線の帯域、名目上６９５ｎｍの蛍光を発する。この反応を促進させるために使用される多数のいわゆる“ポンプ（pump）”波長、特に、緑色帯域における５２５ｎｍ、および紫色／近紫外線の帯域における４１０ｎｍの波長が存在している。

このように、ルビーマーカ１１８には、４１０ｎｍの単色光源１１０による光、およびルビー材料の励起波長５２５ｎｍに十分に近い５３０ｎｍ程度の緑色の帯域の光が投光器１０４によって照射される。このことにより、ルビーが蛍光を発し、１２０で示される上方を含むさまざまな方向に光が発せられ、２色ビームスプリッター１２２に達し、その光の一部が、赤外線透過フィルター１２６によって保護されているカメラ１２４に向けられる。この赤外線透過フィルター１２６は、蛍光ルビーマーカ１１８によって発せられてカメラ１２４に入射する光を制限する。放射線ヘッドにこの波長の光を発する他の光源は設けられていない。

ルビーマーカの裏面を鏡面状にコーティングすることにより蛍光を増大させることができる。このミラーは、ルビーを通った光を後方へ反射し、蛍光をより一層増大させる。

本発明では、反射体を除外していることが特に好都合である。ＭＬＣヘッドの閉鎖された過酷な環境下においては、光学的検出システムの性能および寿命が制限される。塵埃および汚れが蓄積することにより、マーカを定期的に清掃して、正確な機能を維持することが必要とされる。しかしながら、定期的に清掃することにより、反射体の光学的な性能は低下し、操作状況により反射体を所定の位置に保持する接着剤の有効性が減少し、これにより反射体を失うことも考えられる。

また、再帰性反射体を使用することにより、光源およびカメラの配置がさらに制限される。限られたスペースにおいて配置が制限されることは、重大な問題を引き起こす。上述したように、本発明はこのような制限を回避することができる。

ルビーのような蛍光マーカを使用することにより、このような問題を打開することができる。第１に、ルビーはコランダム（corundum）の一種であり、とても硬く厳しい産業環境に十分に耐えることができる。定期的な清掃はマーカの性能に影響を与えることがない。第２に、一つの励起波長を使用することだけでなく他の波長を検出することにより、外部の光雑音をシステムから除去することができる。

第３に、光源およびカメラを互いに独立して配置して、（ＭＬＣにとって）患者の照明と機械視覚の照明を互いに独立させることができる。

ルビー反射体が付けられたリーフを４１０ｎｍまたは５２５ｎｍの十分な光源によって照射することにより、ルビーマーカから赤色光が放射され、この赤色光がビデオカメラに設けられた近赤外線フィルターを利用することによって背景照明から引き出される。また、ヘッドに存在する外部光およびヘッドに入射する外部光をフィルターに通すことにより、外部光による影響を最小限にとどめることができる。

リーフに、利用するルビーの支持部（bearing）が付けられていてもよい。このような支持部は市販されているものを容易に利用することができ、とても良好な寸法精度を有している。この支持部が、支持部の大きさよりも小さい皿もみ（counter sinking）を設けることまたはザグリ穴（counter boring）を設けることによって正確に取り付けられて、このような寸法精度、整合性、および安定性を得ることができる。この取付の許容差は、潜在的にザグリ穴の機械加工の許容差に依存し、接着剤によって反射体を取り付ける場合よりも有利である。

システム構成は、元の光学システムに類似しているが、いくつかの主要な違いがある。
１）再帰性反射材料は、精度良くザグリ穴を用いて配置されたルビーマーカに置き換えられている。
２）投光器は、２つの光源、すなわち、患者をセットアップするための５２５−５３０ｎｍの光源と、ルビーマーカに蛍光発光を励起するための４１０ｎｍの光源とが設けられるように変更した。この光源には、検出される帯域、すなわち６００ｎｍを超える帯域において悪影響を取り除くための赤色遮蔽光学フィルターが取り付けられている。
３）カメラに、蛍光発光によって生じた６９５ｎｍの光を理想的に透過する赤外線透過フィルターが取り付けられている。このフィルターが、６９５ｎｍを中心とする帯域透過フィルターとして使用され、さらに最適化することができる。
４）外部のマイラースクリーンが、光学的な帯域透過フィルターとして、患者に照射させるために使用する波長を有する光だけを透過させることができる。このことにより、理想的には６００ｎｍを超える光を透過させることがなく、ノイズ比に対して信号を最大限高めることができる。

潜在的に有利な点として、リーフの位置精度が向上すること、（マーカが清掃およびメンテナンスをより一層容易に行うことができるという点において）反射体の寿命が延びること、反射体がより一層容易かつ精度良く配置されることにより組立時間が減少すること、検出される光が照射される光とは異なる波長であるため内部の迷走反射に対する耐性が高まっていること、および外部の光の干渉に対する耐性が高まっていることが挙げられる。さらに、マーカを取り換えることが必要であることが証明されるべきであって、マーカを取り付ける方法は精度が良いため、再び較正（calibration）することなく、マーカを取り換えることが実現可能である。

当然のことながら、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に対してさまざまな変形を行うことが可能である。

Claims (16)

1. 蛍光マーカを有する少なくとも一つのリーフを備えたマルチリーフコリメータと、
   少なくとも一つの蛍光マーカ用の照明光源と、
   少なくとも一つの蛍光マーカを視認するために設けられたカメラと、を備え、
   カメラは、照明光源によって発せられた波長を有する光がカメラに入射することを実質的に防止するように設けられたフィルターを有していることを特徴とする放射線治療装置。
2. 照明光源は、拡散光源であることを特徴とする請求項１に記載の放射線治療装置。
3. 放射線源と光学的に同一の位置に配置された照明光源を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の放射線治療装置。
4. 同一の位置に配置された光源は、実質的に単色性であることを特徴とする請求項３に記載の放射線治療装置。
5. 同一の位置に配置された照明光源は、点光源であることを特徴とする請求項３または４に記載の放射線治療装置。
6. 同一の位置に配置された光源は、蛍光マーカの波長を有する光を実質的に発することがないことを特徴とする請求項３または４に記載の放射線治療装置。
7. 蛍光マーカの波長を有する光を遮蔽するために出力部を覆うように設けられたフィルターを更に備えたことを特徴とする請求項３乃至６のいずれかに記載の放射線治療装置。
8. 実質的にコリメータの全てのリーフが蛍光マーカを有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の放射線治療装置。
9. 少なくとも一つのリーフが複数のマーカを有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の放射線治療装置。
10. 複数のリーフが複数のマーカを有し、
    各リーフが、他のリーフの構造とは異なる構造によってマーカを支持していることを特徴とする請求項９に記載の放射線治療装置。
11. リーフはフレームに取り付けられ、
    このフレームは、少なくとも一つの蛍光マーカを有していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の放射線治療装置。
12. フレームは、複数の蛍光マーカを有し、これらの蛍光マーカが集合してコリメータの最大視野を示すことを特徴とする請求項１１に記載の放射線治療装置。
13. 蛍光マーカは、入射光よりも長い波長を有する光を発するように設けられていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の放射線治療装置。
14. 蛍光マーカはルビーからなることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の放射線治療装置。
15. 蛍光マーカは球状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の放射線治療装置。
16. 蛍光マーカは、円筒状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の放射線治療装置。

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