JP5298265B2 - Patient positioning device - Google Patents
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Description
この発明は、放射線治療、コンピュータ支援外科治療等における画像データ及び画像データから再構成して得られる三次元データを使った患者位置決め装置に関するものである。放射線治療とは、粒子線、ガンマ線、Ｘ線、電子線、中性子線等、あらゆる種類の放射線による治療を指し、コンピュータ支援外科治療とは、コンピュータ上でシミュレーションした外科手術部位の画像情報を実際の治療施術時に活用する外科治療を指す。 The present invention relates to a patient positioning device using image data and three-dimensional data obtained by reconstruction from image data in radiation therapy, computer-aided surgical therapy, and the like. Radiation therapy refers to treatment with all kinds of radiation such as particle beam, gamma ray, X-ray, electron beam, neutron beam, etc. Computer-aided surgical treatment refers to actual image information of the surgical site simulated on a computer. Refers to surgical treatment used during treatment.
放射線治療では、最初にＣＴ（コンピュータ断層撮影）、ＭＲＩ（核磁気共鳴画像法）などの画像診断装置を使って治療計画を作成する。治療計画では、例えば、がん病巣の位置や形状を特定し、放射線を照射する方向や照射線量をシミュレーションして、治療の妥当性を評価して治療パラメータを決定する。その後、実際の治療に移るが、治療計画作成のためのＣＴ画像撮影時から治療までの間には、通常、ある程度の時間が経過しており、ベッド上の患者の位置や体位が治療計画作成時の患者の位置や体位とは異なっていることがある。このような患者の位置や体位のずれを補正する技術が放射線治療における患者位置決め技術として重要な課題である。患者位置決め技術とは、具体的には治療計画作成時の患者と患部（標的）の位置座標と、治療時の患者と患部（標的）の位置座標とを正確に位置合わせすることと定義できる。 In radiotherapy, first, a treatment plan is created using an image diagnostic apparatus such as CT (computer tomography) or MRI (nuclear magnetic resonance imaging). In the treatment plan, for example, the position and shape of a cancer lesion are specified, the direction and dose of radiation are simulated, the validity of treatment is evaluated, and the treatment parameters are determined. After that, it moves on to actual treatment, but usually a certain amount of time has passed between the time of CT image acquisition for treatment planning and the treatment, and the position and position of the patient on the bed is the preparation of the treatment plan. The patient's position and position may sometimes be different. Techniques for correcting such patient position and body position deviations are important issues as patient positioning techniques in radiation therapy. Specifically, the patient positioning technique can be defined as accurately aligning the position coordinates of a patient and an affected area (target) at the time of creating a treatment plan and the position coordinates of the patient and affected area (target) at the time of treatment.
一方、コンピュータ支援外科治療においても、コンピュータ上の治療前治療シミュレーション時の治療部位の画像情報と実際の治療時の患部（標的）の位置とを重畳表示すると治療部位が正確に把握することができ、外科手術が容易になる。この治療シミュレーションを実際の外科手術に適用するためには、上記放射線治療と同様の位置決め技術を適用できる。従って、以下では放射線治療における患者位置決め方法、患者位置決め装置について述べることとするが、同様な方法や装置がコンピュータ支援外科治療にも適用できることは言うまでもない。 On the other hand, in computer-aided surgical treatment, the treatment site can be accurately grasped by superimposing and displaying the image information of the treatment site during pre-treatment treatment simulation on the computer and the position of the affected part (target) during actual treatment. , Surgery becomes easier. In order to apply this treatment simulation to an actual surgical operation, a positioning technique similar to the above-described radiation treatment can be applied. Therefore, although the patient positioning method and patient positioning apparatus in radiation therapy will be described below, it goes without saying that similar methods and apparatuses can be applied to computer-aided surgical therapy.
近年、放射線治療では、粒子線治療、ガンマナイフ治療、ＩＭＲＴ(強度変調放射線)治療など、治療部位に線量を集中させることが可能となってきた。これにより、治療部位周囲の正常組織への被ばくを抑制し、十分な線量を対象患部（標的）に照射することができるようになった。患部（標的）を精度よく照射し、かつ正常組織への被ばくを最小限にするためには、精度の良い患者の位置決めが重要である。 In recent years, in radiation therapy, it has become possible to concentrate a dose on a treatment site such as particle beam therapy, gamma knife therapy, IMRT (intensity modulated radiation) therapy, and the like. Thereby, exposure to the normal tissue around the treatment site can be suppressed, and a sufficient dose can be irradiated to the target affected part (target). In order to irradiate the affected part (target) with high accuracy and to minimize exposure to normal tissue, accurate patient positioning is important.
現在の位置決め方式はＸ線透視画像を使った方法が主流であり、治療計画作成時に撮影したＸ線画像と治療時に撮影したＸ線画像とを照合することで、位置ずれ量を計算している。しかし、この方法であると、位置決め用に使うＸ線による２次的な被ばくの問題が懸念される。また、Ｘ線撮影中は患者以外の人間である医師や技師が治療室から退避しなければならず、かつ、１回の撮影で位置決めが決まることは少ないため、患者位置の計測と位置ずれ量の計算、位置補正といった一連の作業が、間欠的に複数回に渡り繰り返されることとなり、位置決め時間が長くかかっていた。 The current positioning method is mainly a method using an X-ray fluoroscopic image, and the amount of displacement is calculated by comparing the X-ray image taken at the time of treatment plan creation with the X-ray image taken at the time of treatment. . However, with this method, there is a concern about the problem of secondary exposure due to X-rays used for positioning. In addition, during X-ray imaging, doctors and technicians who are human beings other than the patient must evacuate from the treatment room, and positioning is rarely determined by one imaging, so the measurement of the patient position and the amount of displacement A series of operations such as calculation and position correction are intermittently repeated a plurality of times, and positioning time is long.
この問題を解決するために、光学的に位置決めを行う方法がある。光による計測のため患者や医療従事者の被ばくの懸念がない。治療台の側方で患者位置の計測と位置ずれ量の計算、位置補正といった一連の作業を連続的かつ漸近的に行うことができるため、位置決め時間の短縮が期待できる。従来の光学的な位置決め装置においては、治療計画時のＸ線断層撮像データ（ＣＴデータ）から再構成される体表面を基準像として、レーザを用いた非接触三次元計測装置から得られる体表面との間で位置ずれ量を算出するものがある（例えば特許文献１を参照）。 In order to solve this problem, there is an optical positioning method. There is no concern about exposure of patients and medical workers due to light measurement. Since a series of operations such as measurement of patient position, calculation of positional deviation, and position correction can be performed continuously and asymptotically on the side of the treatment table, shortening of the positioning time can be expected. In a conventional optical positioning device, a body surface obtained from a non-contact three-dimensional measuring device using a laser, with a body surface reconstructed from X-ray tomographic data (CT data) at the time of treatment planning as a reference image (See, for example, Patent Document 1).
このような患者位置決め装置にあっては、レーザを用いた非接触三次元計測装置の位置が固定されるため、かゆいところに手が届くというようなイメージで体表面全体をまんべんなく計測することができなかった。例えば、体の正面に非接触三次元計測装置を設置した場合、レーザの当たらない体の側面が計測できず体側面のデータが欠落するという問題があった。例えば、乳房を計測する場合、非接触三次元計測装置のカメラ視軸と体表面とのなす角度が鋭角になると、非接触三次元計測装置を設置した側とは反対側の乳房面にレーザが当たらなくなり、当該部位のデータが欠落して計測できないという問題があった。 In such a patient positioning device, the position of the non-contact three-dimensional measuring device using a laser is fixed, so that the whole body surface can be measured evenly with the image that the hand reaches an itchy place. There wasn't. For example, when a non-contact three-dimensional measuring device is installed in front of the body, there is a problem that the side surface of the body that is not exposed to the laser cannot be measured and data on the body side surface is lost. For example, when measuring the breast, if the angle between the camera visual axis of the non-contact 3D measurement device and the body surface becomes an acute angle, the laser is applied to the breast surface opposite to the side where the non-contact 3D measurement device is installed. There was a problem that the data could not be measured because the data of the part was missing.
また、非接触三次元計測装置の位置が固定であると、一般的には患者全体を撮影するために天井や壁など患者から距離を置いた場所に装置を設置することになるため、計測データの密度が疎（データの距離間隔が大）になるという問題があった。以上により、従来の光学的位置決め装置から得られるデータは広範であるが低密度となり、また、データの欠落などもあり、当該データから算出する位置ずれ量を高精度に求めることができないという問題があった。 In addition, if the position of the non-contact 3D measuring device is fixed, the device is generally installed at a distance from the patient, such as the ceiling or wall, to capture the entire patient. There has been a problem that the density of data becomes sparse (the distance between data is large). As described above, the data obtained from the conventional optical positioning device is wide but low density, and there is a problem that the amount of misalignment calculated from the data cannot be obtained with high accuracy due to lack of data. there were.
その他の位置決め方式として、手動アームの手先に非接触三次元計測装置を搭載し任意の視点から計測したデータを１つの座標系で統合して表現するようにしたものがある。
しかし、手動アームはフリーに動くため、撮影中にズレが発生して計測精度を低下させてしまう問題があった。このため、搭載可能な非接触三次元計測装置はカメラ１フレームでデータ取得可能な光切断法を用いる方式を使用せざるを得なかった。
しかし光切断法では、点（スポット）や線（ライン）の計測となるため、広範な領域を計測しようとすると、アームを使って非接触三次元計測装置を動かして対象をスキャンしていく必要があり、このため計測時間が長くなってしまい、位置決め時間を短縮しようとする本来の目的を達成することはできなかった。また、計測対象部位を変更しようとして、手動アーム本体を動かして治療台との間の相対位置関係が変わってしまうと、校正を再度やり直す必要が生じるため、一旦校正をした後は手動アーム本体の位置を移動することができず、非接触三次元計測装置の可動範囲をアームのリーチ範囲内に限定しなければならないという問題も存在した。
As another positioning method, there is a method in which a non-contact three-dimensional measuring device is mounted on the hand of a manual arm, and data measured from an arbitrary viewpoint is integrated and expressed in one coordinate system.
However, since the manual arm moves freely, there is a problem that the measurement accuracy is lowered due to a deviation during photographing. For this reason, the mountable non-contact three-dimensional measuring apparatus has to use a method using a light cutting method capable of acquiring data with one frame of the camera.
However, the optical cutting method measures points (spots) and lines (lines), so if you want to measure a wide area, you need to scan the object by moving a non-contact 3D measuring device using an arm. For this reason, the measurement time becomes long, and the original purpose of shortening the positioning time cannot be achieved. In addition, if the relative position relationship with the treatment table is changed by moving the manual arm body in an attempt to change the measurement target part, it will be necessary to perform calibration again. There was also a problem that the position could not be moved and the movable range of the non-contact three-dimensional measuring device had to be limited to the reach range of the arm.
一方、手動アームがフリーに動くという問題点は、任意の視点でアームの位置姿勢を固定できるロボットアームを使えば解決できる。その場合、複数フレームでデータを取得する空間コード化法など広範な領域を短時間で計測できる面（エリア）計測型の装置が搭載できるが、治療室にロボットを持ち込むことは安全性の観点から懸念があった。例えば、ロボットアームのようなアクチュエータ機構を持つものが放射線場に曝された場合に誤動作をおこす可能性があるし、事前にプログラムされた運転が実行された場合にプログラムのバグによる誤動作の可能性もあった。 On the other hand, the problem that the manual arm moves freely can be solved by using a robot arm that can fix the position and orientation of the arm from an arbitrary viewpoint. In that case, a surface measurement type device that can measure a wide range of areas in a short time, such as a spatial coding method that acquires data in multiple frames, can be installed, but bringing a robot into the treatment room is a safety point of view. There was concern. For example, if an actuator mechanism such as a robot arm is exposed to a radiation field, it may malfunction, and if a pre-programmed operation is executed, a malfunction due to a bug in the program may occur. There was also.
ロボットアームの治療台の側方での誤動作は、人体に重篤な危害を加える可能性が高く決して許容されるものではない。また、ロボットアームは重量があるため可搬性が低く、位置決め時に治療台側方に持ってきて、位置決め完了後に治療台側方から退避させるというような運用を行うことは現実的に困難であった。以上の説明から明らかなように、治療室内で患者位置決めに用いるアームとしては、ロボットアームよりも手動アームが望ましいが、フリーに動く手動アームでは搭載される非接触三次元センサが光切断法に限定され、計測時間が長くかかるという問題点が存在していたわけである。 A malfunction on the side of the treatment table of the robot arm is likely to cause serious harm to the human body and is never tolerated. In addition, since the robot arm is heavy, its portability is low, and it is practically difficult to bring it to the side of the treatment table during positioning and to retract from the side of the treatment table after positioning is complete. . As is clear from the above explanation, the arm used for patient positioning in the treatment room is preferably a manual arm rather than a robot arm, but a non-contact three-dimensional sensor mounted on a free-moving manual arm is limited to the optical cutting method. Therefore, there is a problem that the measurement time is long.
この発明は、上記のような懸念や問題点を解決するためになされたものであり、安全に広範かつ高密度なデータを取得可能とすることで、治療室内で患者の位置ずれ量を高精度に短時間で求めることができ、簡単に補正することができる患者位置決め装置を提供することを目的とする。特に、回転成分の位置ずれ量が高精度に求まることが期待できる装置を得ることを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned concerns and problems, and by making it possible to acquire a wide range of high-density data safely, it is possible to accurately measure the amount of patient displacement in the treatment room. It is an object of the present invention to provide a patient positioning device that can be obtained in a short time and can be easily corrected. In particular, it is an object to obtain a device that can be expected to obtain the positional deviation amount of the rotational component with high accuracy.
この発明に係る患者位置決め装置は、自由に移動可能な手動アームと、上記手動アームに取り付けられ診療台の患者を撮影する非接触三次元計測手段と、非接触三次元計測手段で撮影された計測データとあらかじめ取得された基準データとを比較して位置補正量を計算する位置決め計算部と、上記位置補正量に基づき上記診療台を制御する診療台制御部と、手動アームを任意の移動位置で固定するブレーキ機構部とを備えたことを特徴とするものである。 A patient positioning device according to the present invention includes a manually movable arm, a non-contact three-dimensional measuring unit that is attached to the manual arm and photographs a patient on a medical table, and a measurement that is photographed by the non-contact three-dimensional measuring unit. A positioning calculation unit that calculates a position correction amount by comparing data with reference data acquired in advance, a medical table control unit that controls the medical table based on the position correction amount, and a manual arm at an arbitrary movement position And a brake mechanism portion to be fixed.
この発明に係る患者位置決め装置は、広範且つ高密度なデータで位置ずれ量を高精度に短時間で計測できるようになる。特に回転成分のずれ量が高精度に求めることができるので、位置決め時間の短縮が図れる効果を有する。 The patient positioning apparatus according to the present invention can measure the amount of displacement with a wide range of high-density data in a short time with high accuracy. In particular, since the shift amount of the rotation component can be obtained with high accuracy, the positioning time can be shortened.
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による患者位置決め装置を示す概念構成図である。図において、１は患者１１が横たわる治療台、２は患者１１の近辺でフリーに動くことができる手動アームを示す。手動アーム２は複数個の回転軸３（図では６つの回転軸３a、３b、３c、３d、３e、３fから構成）と上記回転軸３同士を連結する複数個の支持部４（図では６つの支持部４a、4ｂ、４c、４d、４fから構成）からなる。手動アーム２は通常５から６個の回転軸３を持つが回転軸３の数に特に制限があるわけではない。手動アーム２の手先６に非接触三次元計測装置９が取り付けられ、手動アーム２を構成する複数個の回転軸３の回転により非接触三次元計測装置９を任意の視点に自由に移動することができる。なお１０は手動アームベースである。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a conceptual configuration diagram showing a patient positioning device according to Embodiment 1 of the present invention. In the figure, reference numeral 1 denotes a treatment table on which a patient 11 lies, and 2 denotes a manual arm that can move freely in the vicinity of the patient 11. The manual arm 2 is composed of a plurality of rotating shafts 3 (in the figure, composed of six rotating shafts 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f) and a plurality of support parts 4 (in the figure, 6). It consists of two support portions 4a, 4b, 4c, 4d, 4f). The manual arm 2 usually has 5 to 6 rotating shafts 3, but the number of rotating shafts 3 is not particularly limited. A non-contact three-dimensional measuring device 9 is attached to the hand 6 of the manual arm 2, and the non-contact three-dimensional measuring device 9 is freely moved to an arbitrary viewpoint by rotation of a plurality of rotating shafts 3 constituting the manual arm 2. Can do. Reference numeral 10 denotes a manual arm base.
手動アーム２の各回転軸３には回転角度を計測するエンコーダ５（５a、５b、５c、５d、５e、５f）が設置されており、任意の視点に自由に移動した場合でも、手動アーム２の手先６の位置や姿勢が分かるようになっている。以上は患者撮影装置に関わる構成要素であり、この他に非接触三次元計測装置９により撮影された患者画像を処理する位置決め計算機１３と、位置決め計算機１３の計算結果である位置補正量で治療台１を動かす治療台制御装置１４があり、これらを併せて患者位置決め装置全体が構成される。 An encoder 5 (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f) for measuring the rotation angle is installed on each rotating shaft 3 of the manual arm 2, and the manual arm 2 can be moved even if it freely moves to an arbitrary viewpoint. The position and posture of the hand 6 can be understood. The above are the components related to the patient imaging apparatus. In addition to this, the positioning computer 13 that processes the patient image captured by the non-contact three-dimensional measuring apparatus 9 and the position correction amount that is the calculation result of the positioning computer 13 are used as the treatment table. There is a treatment table control device 14 for moving 1, and these together constitute the entire patient positioning device.
非接触三次元計測装置９では、カメラ映像の複数フレームから三次元距離データを取得可能な、例えば、空間コード化法を原理とした計測法を用いる。空間コード化法を利用した非接触三次元計測装置に関しては特許文献２（特開平５−３３２７３７号公報）に詳しい。以下に、一般的な三次元計測の原理である光切断法について述べ、続けて空間コード化法の原理について述べる。 The non-contact three-dimensional measuring device 9 uses a measuring method based on, for example, a spatial coding method that can acquire three-dimensional distance data from a plurality of frames of a camera video. A non-contact three-dimensional measuring apparatus using a spatial encoding method is detailed in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-332737). In the following, the optical cutting method, which is a general principle of three-dimensional measurement, will be described, followed by the principle of the spatial coding method.
図２は実施の形態１による非接触三次元計測装置の原理を示す模式図である。図２のように、計測対象物体２０に半導体レーザなどのレーザ光源２１からレーザ光２２を照射し、その反射光２３をＣＣＤなどのカメラ２４で撮影する。レーザ光源２１からの出射角度θ１が事前に分かっており、反射光２３がカメラ２４の画像上で結像した位置からカメラ２４への入射角度θ２が分かると、三角測量の原理で距離が求まる。レーザ光源２１の出射点Ｑ１とカメラの結像面中心Ｑ２との間の空間的な距離はベースライン長２５と呼ばれ、あらかじめ分かっているものとする。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of the non-contact three-dimensional measuring apparatus according to the first embodiment. As shown in FIG. 2, the measurement target object 20 is irradiated with laser light 22 from a laser light source 21 such as a semiconductor laser, and the reflected light 23 is photographed by a camera 24 such as a CCD. If the emission angle θ1 from the laser light source 21 is known in advance and the incident angle θ2 to the camera 24 is known from the position where the reflected light 23 is imaged on the image of the camera 24, the distance can be obtained by the principle of triangulation. The spatial distance between the emission point Q1 of the laser light source 21 and the imaging plane center Q2 of the camera is called a baseline length 25 and is known in advance.
図３は実施の形態１による空間コード化法の原理を示す模式図である。また、図４は実施の形態１による空間コード化法の投影パターンを示す図である。空間コード化法では、図３のように、レーザ光源２１から出射されたレーザ光２２をミラー２５で走査し、走査する際に、レーザ照射のオンオフを切り替えることによって、図４のようにカメラ映像上でレーザの照射部を明、レーザが照射しない遮光部を暗とした明暗変化をもったスリット状のレーザパターンを生成する。また、レーザ照射のオンオフのタイミングの切り替えによって、明暗のピッチ幅を倍々に拡大縮小変化させた複数のレーザパターンを順番に計測対象物体２０に投影する。 FIG. 3 is a schematic diagram showing the principle of the spatial coding method according to the first embodiment. FIG. 4 is a diagram showing a projection pattern of the spatial coding method according to the first embodiment. In the spatial coding method, as shown in FIG. 3, the laser light 22 emitted from the laser light source 21 is scanned by a mirror 25, and when scanning is performed, on / off of laser irradiation is switched, so that a camera image as shown in FIG. A slit-like laser pattern having a light-dark change in which the laser irradiation part is bright and the light-shielding part not irradiated by the laser is dark is generated. Further, by switching the on / off timing of laser irradiation, a plurality of laser patterns in which the bright / dark pitch width is doubled and enlarged are projected onto the measurement target object 20 in order.
レーザの照射部を”１”、レーザが照射しない遮光部を”０”として、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）のような３枚のレーザパターンによって、計測対象物体２０を含む測定対象空間の各点を２進数コードで符号化した場合、図４（ｄ）のようにカメラ映像上で点Ｐの位置に観測された対象は、３枚の投影パターンにより”０１０”となり、この番号は、点Ｐが３枚の投影パターンにより８分割された測定対象空間のうち、３番目の領域であることを示し、仮想的に３番目のスリット光が投影されたことと等価になる。３番目のスリット光の投影角度は事前に分かり、点Ｐのカメラ映像上での結像位置から、３番目のスリット光のカメラ２４への入射角度も分かるので、３次元距離データが計算できる。 A measurement target including the measurement target object 20 by three laser patterns as shown in FIGS. 4A, 4B, and 4C, where “1” is a laser irradiation portion and “0” is a light shielding portion that is not irradiated by a laser. When each point in the space is encoded with a binary code, the object observed at the position of the point P on the camera image as shown in FIG. 4D is “010” due to the three projection patterns. Indicates that the point P is the third region of the measurement target space divided into eight by the three projection patterns, which is equivalent to the fact that the third slit light is virtually projected. The projection angle of the third slit light is known in advance, and the incident angle of the third slit light on the camera 24 is also known from the imaging position of the point P on the camera image, so that three-dimensional distance data can be calculated.
点Ｐ以外の場所に関しても、同様にして３次元距離データが求まることになる。このようにして、少ない投影枚数で測定対象空間全体を面として扱って、三次元距離データを計測することができる。８枚のパターンを照射すれば、空間を２５６本のスリットに分割したのと等価になり、１０枚のパターンを照射すれば、空間を１０２４本のスリットに分割したのと等価になる。光切断法においては、各々２５６フレーム、１０２４フレームの計測時間が必要なことと比較すると、空間コード化法ではその計測時間が短縮化されることが理解される。 For the places other than the point P, the three-dimensional distance data is obtained in the same manner. In this way, the three-dimensional distance data can be measured by treating the entire measurement target space as a surface with a small number of projections. Irradiating 8 patterns is equivalent to dividing the space into 256 slits, and irradiating 10 patterns is equivalent to dividing the space into 1024 slits. It can be seen that the optical coding method shortens the measurement time in the spatial coding method as compared to the measurement time of 256 frames and 1024 frames each.
通常の手動アーム２に搭載した非接触三次元計測装置９では、手動アーム２は常時フリーに動くため、撮影中にズレが発生する可能性が高い。そのため、最短撮影時間であるカメラ映像の１フレームで三次元距離データを取得可能な前記光切断法を原理とした計測法が採用されている。前記光切断法は点（スポット）や線（ライン）でデータを取得するため、広範囲のデータを高密度に取得する場合には、手動アームを動かして対象物体をスキャンしていく必要があり計測時間が長くなるという欠点があった。 In the non-contact three-dimensional measuring device 9 mounted on the normal manual arm 2, since the manual arm 2 always moves freely, there is a high possibility that a deviation occurs during photographing. For this reason, a measurement method based on the above-described optical cutting method, which can acquire three-dimensional distance data with one frame of a camera image having the shortest shooting time, is employed. Since the optical cutting method acquires data at points (spots) and lines (lines), when acquiring a wide range of data at high density, it is necessary to move the manual arm and scan the target object. There was a drawback that the time was long.
本実施の形態１では、図１において手動アーム２の各回転軸３には電磁的なブレーキ７がついており、例えば、スイッチ８を押下することで電圧が印加しブレーキ７にトルクを発生することにより、任意の視点でアーム全体の姿勢を固定することができる。このため、光切断法のようにカメラ映像の１フレームずつデータを取得するのではなく、複数フレームでデータを取得する面（エリア）計測型の空間コード化法を用いた三次元計測を可能とするものである。これにより任意の視点から安全に、しかも広範な領域で且つ高密度な体表面形状データを短時間で計測することができるようになる。このような広範かつ高密度な体表面形状データが得られたら、治療計画時にあらかじめＸ線断層撮像データ（ＣＴデータ）から取得された基準データとの差異を位置決め計算機１３において比較し、位置補正量を計算する。位置決め計算機１３においては、患者に取り付けたマーカや体表面上の特定の点を計測対象あるいは照合対象として使わずに、得られた広範かつ高密度な体表面形状全体のデータを使って患者の位置ずれを計算することを特徴とする。これにより、従来のマーカや特定点を使った位置決め方法のように、患部に対する相対位置が動き、使う点数を増やした場合でも位置再現性を確保することが困難であった問題を解消することができる。 In the first embodiment, each rotating shaft 3 of the manual arm 2 in FIG. 1 has an electromagnetic brake 7. For example, when the switch 8 is pressed, a voltage is applied and torque is generated in the brake 7. Thus, the posture of the entire arm can be fixed from an arbitrary viewpoint. For this reason, it is possible to perform three-dimensional measurement using a spatial encoding method of surface (area) measurement type in which data is acquired in a plurality of frames, rather than acquiring data frame by frame as in the light cutting method. To do. As a result, it is possible to measure body surface shape data in a short time safely from an arbitrary viewpoint and in a wide area and with a high density. When such a wide and high-density body surface shape data is obtained, the positioning computer 13 compares the difference with the reference data acquired in advance from the X-ray tomographic imaging data (CT data) at the time of treatment planning, and the position correction amount Calculate The positioning computer 13 does not use a marker attached to a patient or a specific point on the body surface as a measurement target or a verification target, and uses the obtained data of the entire body shape of a wide and high-density body position. It is characterized by calculating a deviation. This eliminates the problem that it is difficult to ensure position reproducibility even when the relative position of the affected area moves and the number of points used increases, as in conventional positioning methods using markers and specific points. it can.
広範かつ高密度な体表面形状全体のデータを使って患者の位置ずれを計算する方法は、具体的には、非特許文献１「階層化Ｍ−ＩＣＰによる高速・高精度な３次元位置照合手法」（情処研報ＣＶＩＭ−１４５：１−８、２００４（奥田晴久、橋本学、北明靖雄、他））に詳しいので参照されたい。これにより、位置ずれ量が高精度に求まることとなる。特に、患者体表面の、例えば、左側面、正中、右側面というように離れた箇所のデータを計測して位置決め計算に利用することで、位置ずれ量の算出において回転方向の拘束を掛けやすくなるため、回転成分の位置ずれ量を高精度に求めることが可能になる。最後に、治療台制御装置１４では、位置決め計算機１３の算出した位置補正結果に基づいてサーボモータ等を利用した負帰還制御等によって治療台１を移動制御し、患者を放射線治療装置に対して精密に位置合わせすることができる。 Specifically, the method for calculating the patient position shift using the data of the entire body surface shape having a wide and high density is disclosed in Non-Patent Document 1 “High-speed and high-accuracy three-dimensional position matching method using hierarchical M-ICP "(Journal of Research Information, CVIM-145: 1-8, 2004 (Haruhisa Okuda, Manabu Hashimoto, Ikuo Kitaaki, et al.)). As a result, the positional deviation amount can be obtained with high accuracy. In particular, it is easier to place a constraint on the rotational direction in calculating the amount of misalignment by measuring the data on the patient body surface such as the left side, midline, and right side and using it for positioning calculation. For this reason, it is possible to determine the positional deviation amount of the rotation component with high accuracy. Finally, the treatment table control device 14 controls the movement of the treatment table 1 by negative feedback control using a servo motor or the like based on the position correction result calculated by the positioning computer 13, and accurately controls the patient with respect to the radiotherapy device. Can be aligned.
以上のように、この発明の実施の形態１によれば、各回転軸３の電磁ブレーキ７とスイッチ８とからなり、手動アームを任意の移動位置で固定するブレーキ機構を追加することにより、エリア計測型の空間コード化法の使用を可能とし、広範で高密度な三次元計測データを短時間で処理して位置ずれ量を高精度で求め、且つ精密な位置合わせを実現できるものである。 As described above, according to the first embodiment of the present invention, the area is obtained by adding the brake mechanism that includes the electromagnetic brake 7 and the switch 8 of each rotating shaft 3 and fixes the manual arm at an arbitrary movement position. It is possible to use a measurement-type spatial encoding method, process a wide range of high-density three-dimensional measurement data in a short time, obtain a positional deviation amount with high accuracy, and realize precise alignment.
実施の形態２．
図５は実施の形態２による患者位置決め装置を示す概念構成図である。この実施の形態２は、手動アーム２を構成する各回転軸３のブレーキ７を個別に作動させることができるようにしたことを特徴とする。この場合には、位置決めに必要な撮影位置は、患者体表面の左側面、正中、右側面というように離れた箇所のデータを計測するのが望ましいため、手動アーム２は先端にそれぞれ非接触三次元計測装置９ｘ、９ｙ、９ｚを有する３つの回転軸３、支持部４、ブレーキ７、スイッチ８の連結構成からなる。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 5 is a conceptual configuration diagram showing a patient positioning apparatus according to the second embodiment. The second embodiment is characterized in that the brakes 7 of the rotary shafts 3 constituting the manual arm 2 can be individually operated. In this case, it is desirable that the imaging position necessary for positioning is to measure the data of the distant places such as the left side surface, the midline, and the right side surface of the patient body surface. It consists of the connection structure of the three rotating shafts 3, the support part 4, the brake 7, and the switch 8 which have the former measuring devices 9x, 9y, and 9z.
ところが、各回転軸全てを使った自由度が必要なわけではなく、回転軸の内、そのいくつかはブレーキ７により固定として、移動の自由度を減らした方が移動しやすい可能性がある。そこで、図５では、回転軸３ｅのみを動かして、撮影位置に移動することを模式的に示している。このようにスイッチ８により、各回転軸３のブレーキ７を個別に作動させることができるようになると、位置決めに必要な撮影位置に短時間で移動し、撮影位置が正確に固定できる。 However, the degree of freedom using all of the rotating shafts is not necessary, and there is a possibility that some of the rotating shafts are fixed by the brake 7 and the moving degree is easier if the degree of freedom of movement is reduced. Therefore, FIG. 5 schematically shows that only the rotating shaft 3e is moved to move to the photographing position. As described above, when the brakes 7 of the respective rotary shafts 3 can be individually actuated by the switch 8, it is possible to move to the photographing position necessary for positioning in a short time and to fix the photographing position accurately.
実施の形態３．
図６は、実施の形態３による校正方法を示す模式図である。図６のように、例えば、手動アーム２をラックのような可動台３０に載せて治療台１の側に近づけて設置した場合、毎回の治療毎に手動アーム座標系Ωａと治療室（部屋）座標系Ωｂの間のキャリブレーション（校正）を実施する必要がある。本実施の形態３では、校正用測定物として、治療台１に固定されている大中小と異なる大きさの３個以上の球３１ａ〜３１ｃを非接触三次元計測装置９で計測し、球３１ａ〜３１ｃの中心座標値を使って、手動アーム座標系Ωａと治療室座標系Ωｂのキャリブレーションを行うようにしたものである。この時、球３１ａ〜３１ｃの治療室座標系Ωｂでの中心座標値は事前に計測してわかっているものとする。また、球３１ａ〜３１ｃの各々の直径サイズＲ１、Ｒ２、Ｒ３も事前にわかっているものとする。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a calibration method according to the third embodiment. As shown in FIG. 6, for example, when the manual arm 2 is placed on a movable table 30 such as a rack and placed close to the treatment table 1 side, the manual arm coordinate system Ωa and the treatment room (room) are set for each treatment. It is necessary to perform calibration (calibration) between the coordinate systems Ωb. In the third embodiment, three or more spheres 31a to 31c having a size different from the large, medium, and small sizes fixed to the treatment table 1 are measured by the non-contact three-dimensional measuring device 9 as the calibration measurement object, and the sphere 31a Calibration of the manual arm coordinate system Ωa and the treatment room coordinate system Ωb is performed using the center coordinate values of ˜31c. At this time, it is assumed that the center coordinate values of the spheres 31a to 31c in the treatment room coordinate system Ωb are measured and known in advance. It is also assumed that the diameter sizes R1, R2, and R3 of each of the balls 31a to 31c are known in advance.
非接触三次元計測装置９で球３１ａ〜３１ｃを計測したデータに対して、式（１）のような球の方程式を近似し、計測したデータ群と式（１）の距離を評価関数として、例えば、最小二乗法により最適な中心座標値（ａ１、ｂ１、ｃ１）、（ａ２、ｂ２、ｃ２）、（ａ３、ｂ３、ｃ３）を求めることができる。これは、アーム座標系Ωａでの各球３１ａ〜３１ｃの中心座標を求めたことになる。 For data obtained by measuring the spheres 31a to 31c with the non-contact three-dimensional measuring device 9, an equation of a sphere such as equation (1) is approximated, and the measured data group and the distance of equation (1) are used as an evaluation function. For example, optimum center coordinate values (a1, b1, c1), (a2, b2, c2), (a3, b3, c3) can be obtained by the least square method. This means that the center coordinates of the spheres 31a to 31c in the arm coordinate system Ωa are obtained.
（Ｘ−ａ１）2＋（Ｙ−ｂ１）2＋（Ｚ−ｃ１）2＝Ｒ１2
（Ｘ−ａ２）2＋（Ｙ−ｂ２）2＋（Ｚ−ｃ２）2＝Ｒ２2 ・・・・・・（１）
（Ｘ−ａ３）2＋（Ｙ−ｂ３）2＋（Ｚ−ｃ３）2＝Ｒ３2
(X−a1) 2 + (Y−b1) 2 + (Z−c1) 2 = R1 2
(X−a2) 2 + (Y−b2) 2 + (Z−c2) 2 = R2 2 (1)
(X−a3) 2 + (Y−b3) 2 + (Z−c3) 2 = R3 2
このように、２つの座標系で、対応する３点以上の点の座標値が確定すれば、２つの座標系を剛体変換する変換行列は求まることが理論上分かっているので、手動アーム座標系Ωａと治療室座標系Ωｂの座標変換行列を求めることができる。このようにすると、手動アーム座標系Ωａでの位置ずれ量を治療室座標系Ωｂでの位置ずれ量に変換することが可能となり、手動アームでの計測データから得られた位置ずれ量を変換して、治療室座標系での位置ずれ量として治療台１を制御して患者、患部位置を補正することができる。球の大きさを変えたことにより、非接触三次元計測装置９のカメラ映像１フレーム内に同時に複数の球が写った場合でも、球を別個のものとして識別しながら、その中心座標を同時に求めることができる。 In this way, it is theoretically known that a transformation matrix for rigid transformation of two coordinate systems can be obtained if coordinate values of three or more corresponding points are determined in two coordinate systems. A coordinate transformation matrix between Ωa and the treatment room coordinate system Ωb can be obtained. In this way, it is possible to convert the positional deviation amount in the manual arm coordinate system Ωa into the positional deviation amount in the treatment room coordinate system Ωb, and convert the positional deviation amount obtained from the measurement data in the manual arm. Thus, the position of the patient and the affected part can be corrected by controlling the treatment table 1 as the amount of positional deviation in the treatment room coordinate system. By changing the size of the sphere, even when a plurality of spheres are simultaneously captured in one frame of the camera image of the non-contact three-dimensional measuring device 9, the central coordinates are simultaneously obtained while identifying the spheres as separate ones. be able to.
この発明の実施の形態３によれば、手動アーム２本体を動かすことができるので、手動アーム２の可動範囲を拡張することができる。治療台１の側方で患者位置の計測と位置ずれ量の計測、位置補正といった一連の作業を連続的かつ漸近的に行うことができるため、位置決め時間の短縮ができる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。 According to the third embodiment of the present invention, since the manual arm 2 main body can be moved, the movable range of the manual arm 2 can be expanded. Since a series of operations such as measurement of patient position, measurement of displacement amount, and position correction can be performed continuously and asymptotically on the side of the treatment table 1, positioning time can be shortened. There is an effect.
また、治療室座標系Ωｂと手動アーム座標系Ωａとの校正を、識別可能なキャリブレーション用の測定物を３個以上配置することで、治療室座標系とアーム座標系との間のキャリブレーション（校正）を容易に行えるようになる。また、校正用測定物は、異なる直径の球としたので、キャリブレーション（校正）用の球の位置が同時に同定でき、校正用の座標変換行列の計算が高速で正確に実施できるものである。 In addition, the calibration between the treatment room coordinate system and the arm coordinate system is performed by arranging three or more identifiable calibration objects for calibration between the treatment room coordinate system Ωb and the manual arm coordinate system Ωa. (Calibration) can be performed easily. Further, since the calibration measurement object is a sphere having a different diameter, the position of the calibration (calibration) sphere can be identified at the same time, and the calibration coordinate transformation matrix can be calculated at high speed and accurately.
実施の形態４．
図７は実施の形態４による患者位置決め装置を示す概念構成図である。位置決め後に治療台１の移動を伴うような治療（治療室外位置決め、ノンコプラナ治療、ＣＴ位置決め）で、治療位置とは異なる位置において患者の位置決めを実施した後、患者を治療する位置に治療台１を移動して治療を実施することがある。この実施の形態４は、このような場合に実施の形態１、実施の形態２で説明したように、位置決め計算機１３において計算した患者の位置ずれが許容範囲以上である場合に、位置決め実施位置と治療位置との移動の過程で患者が動いたことをユーザに知らせる警報発生装置４０を追加し、患者が動いてないことを確認する手段として利用するものである。更に実施の形態３で述べたキャリブレーション（校正）を実施すれば、手動アーム２本体を動かすことができるので、手動アーム２を計測場所ごとに複数設置する必要がなく、患者とともに手動アーム２も移動して、より効率的に計測を行うことができる。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 7 is a conceptual configuration diagram showing a patient positioning device according to the fourth embodiment. After positioning, the treatment table 1 is moved at a position different from the treatment position by treatment (moving outside the treatment room, non-coplanar treatment, CT positioning) such that the treatment table 1 is moved, and then the treatment table 1 is placed at a position to treat the patient. May move to provide treatment. In this case, as described in the first and second embodiments, the fourth embodiment is a positioning execution position when the patient's positional deviation calculated by the positioning computer 13 is greater than or equal to an allowable range. An alarm generating device 40 is added to inform the user that the patient has moved in the process of moving to the treatment position, and is used as means for confirming that the patient has not moved. Further, if the calibration (calibration) described in the third embodiment is performed, the manual arm 2 body can be moved, so that it is not necessary to install a plurality of manual arms 2 for each measurement place. It can move and measure more efficiently.
以上のようにこの発明の実施の形態４によれば、位置決め後に治療台１の移動を伴う治療において、ユーザに警報を発する警報発生装置４０を追加し、患者が動いたことを確認する手段として利用するので、簡便に患者の位置再現性を保証できる。つまり、治療台１の移動前後で、患者の治療台１に対する相対位置が許容範囲であるか否かを確認することができ、許容範囲外である場合には、治療台制御装置１４で位置を補正したり、ユーザに警報を発したりすることができる。 As described above, according to the fourth embodiment of the present invention, as a means for confirming that the patient has moved by adding the alarm generation device 40 that issues a warning to the user in the treatment involving the movement of the treatment table 1 after positioning. Since it is used, patient position reproducibility can be easily guaranteed. That is, before and after the movement of the treatment table 1, it is possible to confirm whether or not the relative position of the patient with respect to the treatment table 1 is within the allowable range. It can be corrected or an alarm can be issued to the user.
実施の形態５．
図８は実施の形態５による患者位置決め装置を示す概念構成図である。また、図９は実施の形態５による残差表示方法を示す模式図である。実施の形態５は実施の形態１に対して、図８のように残差表示装置４１を追加した点が異なるだけであるため、符号の詳細説明は省略する。残差表示装置４１では、例えば、図９のように基準データ５１と計測データ５２とで色を変えて同時に表示し、その残差が明瞭となるような工夫を施したことを特徴とする。また、図９（a）は視点Ａ、図９(b)は視点Ｂといった具合に、任意視点にアームを移動したのに伴って、表示画面の視線方向をアームの手先６の姿勢に対応させて変更することも可能とする。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 8 is a conceptual configuration diagram showing a patient positioning device according to the fifth embodiment. FIG. 9 is a schematic diagram showing a residual display method according to the fifth embodiment. The fifth embodiment is different from the first embodiment only in that a residual display device 41 is added as shown in FIG. The residual display device 41 is characterized in that, for example, as shown in FIG. 9, the reference data 51 and the measurement data 52 are displayed in different colors at the same time so that the residual becomes clear. 9A is the viewpoint A, FIG. 9B is the viewpoint B, and the like, and the arm is moved to an arbitrary viewpoint, the line-of-sight direction of the display screen is made to correspond to the posture of the hand 6 of the arm. Can also be changed.
基準データ５１と計測データ５２とを同時に残差表示装置４１に表示し、その残差が明瞭となるようにしたので、任意の撮影位置に手動アームを移動するのに伴って、表示画面の視線方向を手動アームの手先の姿勢に対応させて変更することができる。
この発明の実施の形態５によれば、基準データと計測データとの残差を表示する表示手段を設けることで、ユーザが位置ずれ量を直感的に認識することができるため、位置ずれ量の確認補正がスムーズに行われる。さらに、治療台１の側で患者位置の計測と位置ずれ量の計測、位置補正といった一連の作業を連続的かつ漸近的に行うことができ、位置決め時間の短縮を図ることができる顕著な効果を奏するものである。
Since the reference data 51 and the measurement data 52 are simultaneously displayed on the residual display device 41 so that the residual becomes clear, the line of sight of the display screen is moved as the manual arm is moved to an arbitrary photographing position. The direction can be changed according to the posture of the hand of the manual arm.
According to the fifth embodiment of the present invention, since the user can intuitively recognize the positional deviation amount by providing the display means for displaying the residual between the reference data and the measurement data, the positional deviation amount Confirmation correction is performed smoothly. In addition, a series of operations such as measurement of patient position, measurement of displacement amount, and position correction can be performed continuously and asymptotically on the treatment table 1 side, and a remarkable effect can be achieved in that positioning time can be shortened. It is what you play.
１ 治療台、 ２ 手動アーム、 ３ａ〜３ｆ 回転軸、
４ａ〜４ｆ 支持部、 ５ａ〜５ｆ エンコーダ、 ６ 手先、
７ａ〜７ｆ ブレーキ、 ８ スイッチ、 ９ 非接触三次元計測装置、
１０ 手動アームベース、 １１ 患者、 １３ 位置決め計算機、
１４ 治療台制御装置、 ２０ 計測対象物体、 ２１ レーザ光源、
２２ レーザ光、 ２３ 反射光、 ２４ カメラ、 ２８ ミラー、
３０ 可動台、 ３１ａ〜３１ｃ 球、 ４０ 警報発生装置、
４１ 残差表示装置。
1 treatment table, 2 manual arm, 3a-3f rotation axis,
4a-4f support, 5a-5f encoder, 6 hands,
7a-7f brake, 8 switch, 9 non-contact 3D measuring device,
10 manual arm base, 11 patient, 13 positioning calculator,
14 treatment table control device, 20 object to be measured, 21 laser light source,
22 laser light, 23 reflected light, 24 camera, 28 mirror,
30 movable base, 31a-31c sphere, 40 alarm generator,
41 Residual display device.
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