JP5468021B2 - ３ｄ画像化システムにおける空間歪を特徴づけるシステム及び方法 - Google Patents

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Description

（発明の背景）
本発明は画像誘導下治療の分野に関し、且つ画像化誤差を特徴づけるためのファントムを生成し且つ利用してこのような誤差の補正を促進するシステム及び方法に関する。
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００８年２月２２日に提出された米国暫定出願第６１／０３０９１４号の出願の利益を主張するものである。
画像誘導下治療（ＩＧＴ）は、１つ又は複数の画像化技術を用いて関連治療のより効果的なデリバリを支援する広範な既存且つ開発中の治療モダリティを指す。ＩＧＴは、画像誘導下手術、放射線手術、放射線治療及び他の既存且つ開発中の治療タイプ等の治療モダリティを含む可能性があるが、この限りではない。概して、ＩＧＴは、１つ又は複数の画像化技術を利用して関心のある組織の内部構造及び／又は状態を示す情報を収集する。取得された画像データは、概してコンピュータシステム及び関連のアプリケーションソフトウェアによって操作され、画像化部位の三次元仮想モデル又は画像が生成され且つ示される。画像データは、治療が関心のある部位へより正確且つ集中されてデリバリされることを促進するために、関心のある部位を空間内へより正確に位置づけるために使用することが可能である。
多くのアプリケーションにおいて、使用されているＩＧＴの安全性及び効率は３Ｄ画像化システムの空間精度に依存する。例えば、所定のＩＧＴは、特有の治療部位又は治療ボリュームを位置づけ且つ識別された標的へ適切な治療を正確にデリバリすることを目的としている。所望される標的部位の空間ロケーションを正確に識別する際の誤差は、適切な治療を正確にデリバリする能力を損なう可能性がある。これは、治療の方向づけを誤ることによって少なくとも意図された治療の効率を損なう可能性があり、且つアプリケーションによっては、例えば治療をうっかりと非標的部位へデリバリすることにより安全性に関して懸念がある可能性がある。
ＩＧＴにおいては様々な画像化技術を使用することができるが、既知の画像化技術は全て、ある程度の空間歪を生じるという問題がある。磁気共鳴画像法（ＭＲＩ）は、画像化空間へ印加される強力な磁場を利用して核磁化ベクトル、概して組織内に存在する水分内の水素原子、を選択的に整列させる。この磁化の整列を変更するためにラジオ周波数場が印加され、これにより、磁場内にＭＲＩシステムによって検出可能な摂動が誘導される。しかしながら、ＭＲＩシステムを介して得られるロケーションデータは、磁場歪からの空間歪並びに画像化ボリューム内で発生する場合のある化学シフトに曝される。
コンピュータ断層撮影法（ＣＴ）は、異なる視点から撮られる概して多数の二次元Ｘ線画像を分析することによりコンピュータ処理を利用して仮想三次元画像オブジェクトを生成する別のタイプの画像化技術である。しかしながらＣＴ画像化も、ビーム硬化として知られる現象から歪を受ける。
単光子放射型コンピュータ断層撮影法（ＳＰＥＣＴ）及び陽電子放射型断層撮影法（ＰＥＴ）は、放射性トレーサ物質及びガンマ線の検出を利用して生体内の機能プロセスを示す場合が多い三次元画像を生成する核医学画像化技術である。概して、ＳＰＥＣＴシステムで使用するために選択されるトレーサは直に検出されるガンマ線を放出するのに対して、ＰＥＴシステムで使用するために選択されるトレーサは陽電子を放射する。陽電子は概して数ミリメートル以内で電子と結合して消滅し、２つのガンマ光子の放出及びこれに続く検出が誘導される。ＳＰＥＣＴ及びＰＥＴシステムは、ガンマ線又はガンマ光子の減衰及び／又は散乱等の因子に起因する空間歪に曝される。
先に述べたように、ＩＧＴの効率及び安全性は使用される画像化技術の精度に依存する。従って、画像ボリュームをより精密に画像化する改良されたシステム及び方法に対するニーズが引き続き存在していることは認識されるであろう。また、既存の又は未だ開発されていない画像化システム内に存在する空間歪を特徴づけることに対するニーズも存在する。
実施形態は、医療用画像化システムの空間歪を特徴づけるための方法を含み、前記方法は、所望される標的ボリュームの輪郭及び大きさを推定することと、所望される座標系を決定することと、複数の制御点の所望される配置及びスペーシングを決定することであって、前記所望される配置及びスペーシングは前記決定される輪郭、大きさ及び座標系に整合されることと、前記複数の制御点の前記決定される配置及びスペーシングに整合され且つ前記制御点を略剛性構造において画定するように構成される三次元ファントムを製造することと、前記複数の制御点が対応する複数の第１の既知の空間ロケーションを画定するように前記ファントムを定位フレームに対して固定することと、前記ファントムを画像化することと、前記画像化に基づいて第２の測定される空間ロケーションを決定することと、前記第１の既知の空間ロケーションの選択された少なくとも１つの部分集合を対応する第２の測定される空間ロケーションと比較することと、前記第１の既知の空間ロケーションと前記対応する第２の測定される空間ロケーションとの間の示される任意の空間歪の兆候を計算すること、を備えている。
実施形態は、前記所望される標的ボリュームの輪郭及び大きさの推定が生体の一部分に整合するように実行されることを含む。
実施形態はさらに、前記三次元ファントムが少なくとも部分的にラピッドプロトタイピングプロセスを介して製造されることを含む。
実施形態はさらに、前記ラピッドプロトタイピングプロセスが選択的レーザ焼結を行うことを含む。
実施形態はさらに、前記第２の測定される空間ロケーションに作用して、前記第１の既知の空間ロケーションよりも低減された空間歪を有する補正された測定される空間ロケーションの集合を生成することを含む。
実施形態はさらに、前記ファントムを、前記複数の制御点が略均一なスペーシングで分散されるように製造することを含む。
実施形態は、医療用画像化システムにおける空間的誤差を特徴づけるためのシステムを含み、前記システムは、複数の制御点を画定するファントムであって、前記制御点は三次元空間に分散され且つ互いに対して略固定される前記ファントムと、前記制御点が前記画像化システムの画像化空間内の第１の既知の空間ロケーションを占有して位置づけされ得るように、前記ファントムへ堅固に接続可能であり且つ医療用画像化システムの定位フレームへ接続可能な固定具と、前記画像化システムにより決定される通りの複数の制御点の少なくとも１つの部分集合の第２の測定される空間ロケーションを示すデータを取得するように前記画像化システムと通信関係にある分析モジュールと、を備え、前記分析モジュールは、前記第１の既知の空間ロケーションを前記対応する第２の測定される空間ロケーションと比較し、且つ前記第１の既知の空間ロケーションと前記複数の制御点の少なくとも前記部分集合の前記対応する第２の測定される空間ロケーションとの間で決定される任意の変動の兆候を計算する。
実施形態はさらに、ファントムを囲むように構成されるチャンバを含む。
実施形態はさらに、前記チャンバが前記ファントムを略流体密封するように囲むように構成されることと、前記チャンバにはさらに造影剤が供給されることを含む。
実施形態はさらに、前記分析モジュールがさらに前記第２の測定される空間ロケーションに作用して、前記第１の既知の空間ロケーションよりも低減された空間歪を有する補正された測定される空間ロケーションの集合を生成することを含む。
実施形態はさらに、前記複数の制御点が略均一なスペーシングで分散されることを含む。
実施形態はさらに、前記ファントムが画像化システムにカスタム整合されることを含む。
実施形態はさらに、前記ファントムが前記画像化システムの少なくとも１つの特有の画像化ボリュームにカスタム整合されることを含む。
実施形態はさらに、三次元構造体の画像化オペレーションから結果的に生じる原初の画像ボリュームへ三次元低域通過フィルタを適用するプロセスと、前記三次元構造体へ整合される選択されたカーネルを決定するプロセスと、前記フィルタリングされた画像ボリュームを前記選択されたカーネルと重畳させるプロセスと、前記重畳された画像の局所極大を位置づけるプロセスとを実行させるべくコンピュータシステムを誘導するように構成される機械において実行可能な命令を備える記憶媒体を含む。
実施形態はさらに、画像輝度曲線を多次元でリサンプリングするプロセスを実行するようにコンピュータシステムを誘導する命令を含む。
実施形態はさらに、先に実行されたプロセスを反復すべきか否かを決定するプロセスを実行し、反復すべきであれば、前記フィルタリングされた画像ボリュームを前記選択されたカーネルと重畳するプロセスと、前記重畳された画像の局所極大を位置づけるプロセスと、画像輝度曲線を多次元でリサンプリングするプロセスと、を反復し、反復すべきでなければ、最後にリサンプリングされた輝度曲線の集合の重心を空間座標点の推定として使用するプロセスを実行するよう、前記コンピュータシステムを誘導するための命令をさらに備えている。
実施形態はさらに、第１の既知の空間ロケーションの少なくとも１つの選択された部分集合を対応する位置づけられた局所極大と比較し、且つ前記第１の既知の空間ロケーションと前記対応する位置づけられた局所極大との間の示された任意の空間歪の兆候を計算するプロセスを実行するようにコンピュータシステムを誘導するための命令を含む。
実施形態はさらに、前記位置づけられた局所極大に作用して前記第１の既知の空間ロケーションより低減された空間歪を有する位置づけられた局所極大の補正された集合を生成するプロセスを実行するようにコンピュータシステムを誘導するための命令を含む。
実施形態は、画像化システムの空間歪を特徴づけるための方法を含み、前記方法は、所望される標的ボリュームの輪郭及び大きさを推定することと、所望される座標系を決定することと、複数の制御点の所望される配置及びスペーシングを決定することであって、前記所望される配置及びスペーシングは前記決定される輪郭、大きさ及び座標系に整合されることと、前記複数の制御点の前記決定される配置及びスペーシングに整合され且つ前記制御点を略剛性構造において画定するように構成される三次元ファントムを製造することと、前記複数の制御点が対応する複数の第１の既知の空間ロケーションを画定するように前記ファントムを定位フレームに対して固定することと、前記ファントムを画像化することと、前記画像化に基づいて第２の測定される空間ロケーションを決定することと、前記第１の既知の空間ロケーションの選択された少なくとも１つの部分集合を対応する第２の測定される空間ロケーションと比較することと、前記第１の既知の空間ロケーションと前記対応する第２の測定される空間ロケーションとの間の示される任意の空間歪の兆候を計算することを含む。
実施形態は、画像化システムにおける空間的誤差を特徴づけるためのシステムを含み、前記システムは、複数の制御点を画定するファントムであって、前記制御点は三次元空間に分散され且つ互いに対して略固定されるファントムと、前記制御点が前記画像化システムの画像化空間内の第１の既知の空間ロケーションを占有して位置づけされ得るように、前記ファントムへ堅固に接続可能であり且つ前記画像化システムの定位フレームへ接続可能な固定具と、前記画像化システムにより決定される通りの前記複数の制御点の少なくとも１つの部分集合の第２の測定される空間ロケーションを示すデータを取得するように前記画像化システムと通信関係にある分析モジュールとを備え、前記分析モジュールは、前記第１の既知の空間ロケーションを前記対応する第２の測定される空間ロケーションと比較し、且つ前記第１の既知の空間ロケーションと前記複数の制御点の少なくとも前記部分集合の前記対応する第２の測定される空間ロケーションとの間で決定される任意の変動の兆候を計算する。本発明のこれらの及び他の目的及び優位点は、添付の図面に関連して行う以下の説明からさらに明らかとなるであろう。
例えば画像誘導下治療に使用される画像化システムである画像化システムの空間歪の誤差を特徴づけるためのシステムの一実施形態を示す概略図である。 画像化システムにおける空間歪を特徴づける実施形態のフローチャートである。 所望される標的部位又はボリューム及び複数の治療経路を含む、例えば画像誘導下治療システムにおける画像化空間又はボリュームの一実施形態を示す詳細な概略図である。 定位フレーム内に固定された高密度グリッドファントムの一実施形態を示す斜視図である。 画像化空間における制御点の空間ロケーションを識別するためのコンピュータ実装アルゴリズムの実施形態のフローチャートである。
図１は、画像化システム１０２によって取得される画像データ内に発生する場合のある空間歪を特徴づけるためのシステムの実施形態を概略示している。画像化システム１０２は、ＭＲＩ、ＣＴ、ＳＰＥＣＴ及びＰＥＴを含む、但しこれらに限定されない広範な画像化技術のうちの１つ又はそれ以上を備えることができる。画像化システム１０２は、画像化ボリューム又は画像化空間からの１つ又はそれ以上のタイプの放射を受動監視することができる。また画像化システム１０２は、フィールド、エネルギー及び／又は粒子を発生又は投影し且つ投影又は発生されたこれらのエネルギー及び／又は粒子と画像化ボリュームとの相互作用を監視してもよい。
先に述べたように、既知の画像化システム１０２は少なくともある程度の空間歪を受ける。少なくとも幾つかのアプリケーションにおいて、この空間歪は少なくとも部分的に概して反復性があり、機械依存性の歪と称することができる。このような歪は、概して、所定の画像化システム１０２の設計及び構造と、画像化モダリティの性質とに依存する。アプリケーションによっては、空間歪は少なくとも部分的に、画像化されている物質の物理特性にも依存する可能性がある。既知の画像化システム１０２によっては、空間歪は、所定のポイントの真のロケーションと、画像化システム１０２により決定されるその測定される空間ロケーションとの間に不一致を生じさせる可能性がある。空間歪は通常、個々の画像化システム１０２で変わるが、誤差範囲は一般に約数ミリメートルから数センチメートルである可能性がある。本明細書に記述する実施形態は、画像化ボリューム内の多数の制御点におけるこのような誤差の正確な識別又は特徴づけを促進し、且つ任意の歪又は誤差の補正を促進して画像誘導下治療のより正確なデリバリを支援する。
本システムは、三次元すなわち３Ｄファントム１０４を備える。ファントム１０４は、関連づけられる画像化システム１０２によって周囲の物質から区別されるべく明確に選択される物質を備える。３Ｄファントム１０４は、複数の相互接続された細長い中実部材を備えて三次元的に延びるグリッド又はフレーム構造体を備えてもよい。隣接する細長い部材同士の接続又は交差は、三次元で空間的に分散される複数の制御点１０５を画定する。個々の細長い部材は、ポスト又はストラットと見なすことができる。個々の細長い部材は略直線状であることもあれば、曲がった構造体を画定することもある。略直線状部材と曲がった部材との組合せも可能である。
実施形態によっては、３Ｄファントム１０４は中空のエレメントから形成され、この中空エレメントは、関連づけられる画像化システム１０２によって周囲の物質から容易に識別され得る造影剤又は放射性物質を含む流体で充填されることが可能である。これらの流体カラム同士の接続又は交差は、三次元で空間的に分散される複数の制御点１０５を画定する。個々の細長い中空部材は略直線状であることもあれば、曲がった構造体を画定することもある。略直線状部材と曲がった部材との組合せも可能である。
３Ｄファントム１０４は略剛性構造体であり、よって、制御点１０５は互いに対して固定的な時不変空間ロケーションに略保持される。これは、３Ｄファントム１０４が、三次元的に分散され且つ高精度範囲において知り得る空間ロケーションを有する多数の制御点１０５を保持することを可能にする。実施形態によっては、所定の制御点１０５の空間ロケーションは約０．１ｍｍ又は１００μの精度範囲内、又はこれより高い精度範囲内であることが知られている。実施形態によっては、３Ｄファントム１０４は制御点１０５を０．０６ｍｍ又は６０μである既知の精度範囲内もしくはこれより高い既知の精度範囲に保持する。概して、空間ロケーションの既知の精度はより高いものが好適であるが、速度及びコスト面の懸念事項及び所定のＩＧＴの精度要件に基づいて様々な精度レベルを示すことができる。
実施形態によっては、３Ｄファントム１０４は概して、所望される画像空間又はボリューム１２０の輪郭及び大きさに対応するように形成される（図３参照）。画像空間又はボリューム１２０は概して、画像化システム１０２が測定値を取得して仮想画像を生成する空間のボリュームに対応する。多くのアプリケーションにおいて、画像空間又はボリューム１２０は定位フレーム１０８に対して固定される。３Ｄファントム１０４の構造及び寸法は、関心のある画像空間又はボリューム１２０に整合されることが可能である。
実施形態によっては、３Ｄファントム１０４は、組み込まれる内部ボリュームの周囲に形成される三次元的に延びるグリッドを備えることができ、このグリッドは、検査対象依存性の画像歪を生成することが知られる解剖学的構造体及び／又はインプラントをモデリング又は複製する。例えば、空気を含む洞は、ＭＲに基づく脳の画像化において歪を生成する可能性がある。解剖学的構造体及び／又はインプラントに起因する歪を評価すれば、個々の患者について、画像誘導下治療の精度を著しく向上させることができる。
例えば、画像誘導下治療は、例えば患者の頭部内の関心のある部位である生体の特定の一部に対する局所的治療に高頻度で利用される。従って、少なくとも幾つかのアプリケーションでは、画像化システム１０２は生体全体の画像データを作成する必要がなく、よって作成しなくてもよい。従って、３Ｄファントム１０４は、概して関心のある部位に一致するように構成され且つ寸法決定されることが可能である。図１は、概して円筒形の輪郭又は形状を有する３Ｄファントム１０４の一実施形態を示しているが、これは単に一実施形態を示したものである。他の実施形態では、３Ｄファントム１０４は、球、立方体、長方形プリズム、三角形プリズム及び他の幾何学的形状を含む、但しこれらに限定されない他の形状又は輪郭を有することが可能である。さらに他の実施形態では、３Ｄファントム１０４は、例えば擬人輪郭である不規則な形状を描くことができる。また、他の形状及び輪郭も可能である。
様々な実施形態において、所定の画像化システム１０２は、画像化システム１０２により生成される仮想画像の作成において１つ又は複数の座標系を使用してもよく、又は使用することができる。例えば、所定の画像化システム１０２は、デカルト座標、球又は極座標及び／又は円柱座標を使用してもよい。従って、少なくとも幾つかのアプリケーションでは、３Ｄファントム１０４は、好適には制御点１０５が空間的に配向され且つ関連の画像化システム１０２により使用される特定の座標系と共働するようにして整合されるべく構築される。よって、様々な実施形態において、３Ｄファントム１０４は、概して直交又はデカルト軸、極又は球軸又は円柱軸に沿って位置づけされる制御点１０５を有することが可能である。
所定のアプリケーションのニーズによって、個々の制御点１０５は３Ｄファントム１０４内で概して均一に分散されることもあれば、様々な非均一分布で分散されることもある。ある非限定的な実施形態では、３Ｄファントム１０４は、略均一に分散して配置され且つ約８ｍｍの制御点１０５のポイントツーポイントスペーシングを有する複数の制御点１０５を備える。この実施形態は、ポリアミドで製造される３Ｄファントム１０４を備えることができる。このような実施形態は、ＭＲＩ技術を有する画像化システム１０２における空間歪を特徴づけることにおいて特に効果的であることが発見されている。
先に述べたように、画像化システム１０２は定位フレーム１０８との組合せで利用されることが多い。定位フレーム１０８は、概して、画像化プロセス及び治療プロセスの双方の間に保持され得る略固定剛性の空間的基準又は原点を保持する。例えば、実施形態によっては、定位フレーム１０８は、患者の頭部を比較的固定的な不動ロケーションに保持するように構成される定位ハローを備えることができる。ある実施形態では、ファントム１０４及び定位フレーム１０８へ堅固に接続され得る固定具１０６が含まれる。実施形態によっては、固定具１０６のファントム１０４への接続は略永久的であり、且つ他の実施形態では、前記接続は取外し可能であることも、着脱可能であることもある。少なくとも幾つかのアプリケーションでは、固定具１０６と定位フレーム１０８との間の堅固な接続は取外し可能であることが概して好適であろう。この態様は、３Ｄファントム１０４を定位フレーム１０８に対して堅固に、但し一時的に、又は取外し可能に固定する優位点をもたらす。これは、同じ定位フレーム１０８を利用して３Ｄファントム１０４の画像化並びに治療ソース１０９から等の治療のデリバリの双方を行うことを促進する。
先に述べたように、画像空間又はボリューム１２０から画像データを作成する際に、所定の画像化システム１０２は概して少なくともある程度の空間歪を受ける。３Ｄファントム１０４の１つ又は複数の実施形態を画像化することによって、画像化システム１０２は、例えば複数の制御点１０５の測定されるロケーションデータを作成することができる。３Ｄファントム１０４は既知の空間的基準又はゼロを画定する定位フレーム１０８へ堅固に接続される略剛性構造体を備えることから、測定されたこのロケーションデータは制御点１０５の既知のロケーションと比較されることが可能である。
ある実施形態では、画像化システム１０２により取得される画像データを分析モジュール１１０へ伝達することができる。分析モジュール１１０は、コンピュータ読取り可能記憶媒体上に格納される機械において実行可能なコードを備えることができ、前記コードは、コンピュータシステムを誘導して本明細書に記述される実施形態のうちの１つ又はそれ以上に関して述べるアクションを実行させるように構成される。分析モジュール１１０には、３Ｄファントム１０４の複数の制御点１０５の既知のロケーションデータを供給することができる。従って、所定の制御点１０５の既知のロケーションは、第１の既知の空間ロケーション１５０を備えることができる（図２）。画像化システム１０２により決定される前記制御点１０５の測定される空間ロケーションは、測定され又は画像化される第２の空間ロケーション１５２を備えることができる（図２）。分析モジュール１１０は、複数の制御点１０５各々について第１の既知の空間ロケーション１５０を第２の測定される空間ロケーション１５２と比較し、且つこの比較を用いて比較により示される任意の空間歪を特徴づけるように構成されることが可能である。
コンピュータ処理及び関連するアプリケーションソフトウェア及びメモリを使用することにより、分析モジュール１１０は、画像空間１２０内に分散される多数の制御点１０５について、第１及び第２の空間ロケーション１５０、１５２間の任意の空間歪を迅速に特徴づけることができる。所定のアプリケーションの要件によって、分析モジュール１１０は、３Ｄファントム１０４を備える全ての又はほぼ全ての制御点１０５を分析することができる。アプリケーションによっては、分析モジュール１１０は、複数の制御点１０５全体のうちの選択された部分集合のみを分析してもよい。制御点１０５の選択される部分集合の特定の境界／パラメータが、特定のアプリケーションのニーズ及び要件に基づいて選択され得ることは理解されるであろう。
実施形態によっては、画像化システム１０２と分析モジュール１１０との間の通信は双方向性である。このような実施形態では、分析モジュール１１０はさらに、補正情報を提供して識別された任意の空間歪に対応し且つこれを補正するように構成されることが可能である。従って、実施形態によっては、分析／補正モジュール１１０は画像化システム１０２から画像データを取得し、示される空間歪に関してこのデータを分析し、且つ画像化システム１０２へ戻りデータ及び／又はコマンドを提供することができる。このように、実施形態によっては、画像化システム１０２は分析／補正モジュール１１０と共働して補正データ１１２を提供することができる。
実施形態によっては、分析／補正モジュール１１０を画像化システム１０２と物理的に統合できることは理解されるであろう。実施形態によっては、通信関係を保持しつつ分析／補正モジュール１１０を画像化システム１０２から物質的に分離することができる。さらに、分析／補正モジュール１１０のオペレーションが画像化システム１０２からの画像データの生成又は伝達と同時的である必要はないことも理解されるであろう。従って、本明細書に記述している様々な実施形態によって実行される分析及び補正プロセスは、画像化システム１０２のオペレーションに対してオフラインで実行される場合もあれば、少なくとも部分的にこれと同時的に発生する場合もある。実施形態によっては、任意の空間歪の分析は画像データの生成と略同時的に、又は並行して発生する。
実施形態によっては、画像化システム１０２と分析／補正モジュール１１０との間の通信は、画像化システム１０２から分析／補正モジュール１１０への一方向性である可能性がある。従って、実施形態によっては、分析／補正モジュール１１０から補正データ１１２を取得することはできるが、画像化システム１０２自体へは必ずしも提供されない。従って、補正データ１１２は臨床医又は他のユーザが用いるために提供されることが可能であって、画像化システム１０２は単に「生データ」又は空間歪を含むデータを提供する。
さらに他の実施形態では、分析モジュール１１０は、所定の画像化システム１０２内に存在する任意の空間歪の分析のみを提供してもよい。例えば、実施形態によっては、分析モジュール１１０は、１つ又は複数の制御点１０５の第１の既知の空間ロケーション１５０と第２の測定される、又は画像化される空間ロケーション１５２との間の任意の不一致の大きさ及び方向を示す補正係数１１４を生成し且つ伝達することができる。補正係数１１４は、所定のアプリケーションのニーズに基づいて臨床医又は他のユーザ又は他のコンピュータベースシステムによって利用されることが可能である。このように、少なくとも幾つかの実施形態では、画像化システム１０２及び分析モジュール１１０の何れも、必ずしも画像空間１２０の最終的な補正画像データ１１２を提供する必要はない。
図２は、画像化システム内の空間歪を特徴づける方法の実施形態のフローチャートを示す。本方法２００は、概して画像化システム１０２及び定位フレーム１０８の設置及び初期較正を記述する開始ブロック２０２で始まる。開始ブロック２０２は、空間的基準又はゼロを正確に画定するための定位フレーム１０８の較正及び方向づけを含むことができる。
ブロック２０４では、所望される画像化ボリューム１２０が推定される。ブロック２０４は、所望される画像化ボリューム１２０の概略の輪郭及び大きさを確立することを含むことができる。ブロック２０６では、所望される座標系が決定される。ブロック２０６における所望される座標系の決定は、関連づけられる画像化システム１０２の特性及び設計に依存することが多い。多くのアプリケーションでは、臨床医及び他のユーザによってデカルト座標が広く使用され且つ理解されているが、球及び円柱座標系も使用することが可能である。
ブロック２１０では、所望される制御点スペーシングが決定される。個々の制御点１０５間の望ましいスペーシングは、関連づけられる画像化システム１０２の画像化技術並びにその具体的な動作パラメータに基づいて変わる可能性がある。また制御点１０５の望ましいスペーシングは、続いて画像化されるべき患者組織の物質特性にも依存して変わる可能性がある。ブロック２１０は、制御点１０５が略均一又は非均一に望ましく離隔されているか否かを決定することも含む。例えば、アプリケーションによっては、画像化システム１０２により画定される画像空間１２０は、関心のある実際の部位又はボリューム、例えば治療ボリューム又は部位１２２より事実上大きくてもよい（図３）。このように、少なくとも幾つかのアプリケーションでは、制御点１０５を非均一に分散させることがより効率的且つ時宜を得ている可能性がある。例えば、制御点１０５は、より大きい画像空間１２０において関心のあるより小さい部位１２２内の空間歪のより正確な特徴づけを達成するために、画像空間１２０全体における一部分では間隔をより密にされてもよい。これは３Ｄファントム１０４の構築を単純にし、且つ関心度の少ない部位における空間歪の特徴づけに要する処理オーバーヘッドを減らすことができる。
ブロック２１２では、３Ｄファントム１０４の三次元モデルが作成される。ブロック２１２は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）／コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）等のデジタル設計ツールの使用を含むことができる。
ブロック２１２では、３Ｄファントム１０４が、第１の既知の空間ロケーション及び関係性を有する選択された複数の制御点１０５を画定するために、ブロック２１２で作成される三次元モデルに基づいて構築される。ある実施形態では、ブロック２１４は１つ又は複数の、例えば選択的レーザ焼結（ＳＬＳ）といった、ラピッドプロトタイピング技術を使用する。
ある実施形態では、ブロック２１４は、高出力レーザを用いてポリアミドプラスチックの比較的小さい粒子又は粉末を空間的に高精度に制御されるように選択的に溶融させる追加的な製造技術を使用する。ある実施形態では、ブロック２１４は、ブロック２１２において作成された３Ｄファントムモデルの輪郭及び大きさに従ってポリアミド粉末のベッドの断面を順次走査することにより、ポリアミド粉末を選択的に溶融させる。各断面が走査されるにつれて、ポリアミド粉末は溶融して３Ｄファントム１０４の１つの層又はレベルを形成する。走査する各断面にはさらなるポリアミド粉末を追加することができ、３Ｄファントム１０４がボトムアップ式又はエンドツーエンド式に構築される。
ブロック２１２において作成される正確な三次元モデルに基づいた選択的レーザ焼結プロセスとの組合せは、多数の制御点１０５の高精度配置を有する３Ｄファントム１０４をもたらす。先に述べたように、実施形態によっては、制御点１０５は１００μ以上の精度で位置づけられる。実施形態によっては、制御点１０５は６０μ以下の精度で位置づけられる。他の実施形態では、溶融堆積モデリング（ＦＤＭ）及び／又はシリアルリソグラフィ（ＳＬＡ）を含む、但しこれらに限定されない他のラピッドプロトタイピング技術を利用することができる。さらに、ポリアミドを含む３Ｄファントム１０４は単なる１つの非限定的な例であって、他の実施形態は、所定のアプリケーションのニーズによって他の物質を先に述べたポリアミドに追加して、又はその代替として使用できることは理解されるであろう。
ブロック２１６では、３Ｄファントム１０４が、例えば固定具１０６を３Ｄファントム１０４及び定位フレーム１０８へ取り付けることによって、画像空間１２０内に固定される。定位フレーム１０８は既知の較正された空間的基準又はゼロを画定すること、且つ制御点１０５の相対位置もまた一定であり且つ既知であることから、各個々の制御点１０５の真の空間ロケーションは高精度で既知である。ブロック２１６は、３Ｄファントム１０４を１つ又は複数の画像化システム１０２で画像化して測定され又は画像化される第２の空間ロケーション１５２を取得することも含む。
ブロック２１８では、コンピュータ実装アルゴリズムを使用して画像空間１２０内のファントム制御点１０５が自動検出される。先に述べたように、方法２００の実施形態を使用する装置は、コンピュータ読取り可能記憶媒体に格納され且つ本明細書に記述しているプロセスを実行すべくコンピュータを誘導するように構成される、機械において実行可能なコードを備えることができる。
ブロック２１８では、原初の画像ボリュームへ３Ｄ低域通過フィルタが適用される。畳み込みカーネルは、制御点１０５を形成するグリッド交差部分の構造に整合するように特別に設計されるものが決定され、且つ使用される。このように、畳み込みカーネルは各ファントム１０４の形状及び寸法に合わせてカスタマイズされる。直線的に配置されたポスト及びストラットにより形成される長方形のグリッドアレイを備える実施形態の場合、好適に使用されるカーネルは、三次元的プラス記号の全体形状を有する。他の構造の制御点１０５に関しては、他のカーネルを選択して使用することができる。重畳の目的は、画像の交点におけるピクセルの輝度を高めることにある。重畳後の交点は、周囲のグリッドより約５０パーセント明るさが増す。
次に、ｘ、ｙ及びｚ方向の重畳された画像集合に関して、制御点１０５の局所極大が求められる。これらの極大値を求めることにより、例えば個々の制御点１０５の空間ロケーションであるグリッド交差部分の座標の初期推定が±０．５ピクセル以上の精度でもたらされる。この推定を精緻化するために、各局所極大を通過するｘ−ｙ、ｘ−ｚ及びｙ−ｚ平面における画像輝度曲線はゼロフィリング法を用いてリサンプリングされる。リサンプリングされた３曲線の重心は、グリッド交差部分の座標の新しい推定として使用される。
複数の制御点１０５に関して測定される第２の座標を識別するためのこれらの実施形態の精度は、本明細書に記述している自動検出ルーチンの実施形態から導出される距離と高精度キャリパを用いて取得される測定値とを比較することによって経験的に決定されている。取得された精度は、予想外の肯定的な結果であった。
ブロック２２０では、制御点１０５の少なくとも１つの部分集合の画像化システムによる示され又は測定される第２の空間ロケーションと、第１の既知の空間ロケーションとの比較が行われる。ブロック２２０は、適切な座標系における三次元の各々に分解された任意の検出された歪の大きさ及び方向を返すことができる。またブロック２２０は、任意の検出された歪の大きさ及び方向を任意の座標系における歪ベクトルとして返すこともできる。ブロック２２０は、結果を複数の個々の空間歪の兆候として返すことができる。また、ブロック２２０は、複数の個々の空間歪に関する１つ又は複数の複合的又は一般化された歪の兆候として結果を返すこともできる。
ブロック２２２では、画像化システム１０２からの生の画像データに対して任意の示された調整又は補正を行うことができ、その結果、補正され又は正規化された画像データ１１２が得られる。先に述べたように、ブロック２２２のこの補正は分析／補正モジュール１１０によって、画像化システム１０２によって、又は別のコンポーネント又はプロセスによって実行されることが可能である。制御点１０５が多数であり、よって空間歪である可能性のあるデータも相応に大量であることに起因して、一般に、本明細書に記述している計算及び補正はコンピュータ実装プロセスを介して実行されることが極めて好適である。
図３は、画像空間又はボリューム１２０の一実施形態をより詳細に概略示したものである。先に述べたように、定位フレーム１０８は、画像空間１２０内で行われるロケーション測定のための空間的基準又はゼロを画定する。この実施形態では、画像空間１２０内の部分集合又はより小さい部位１２２がユーザにとってより関心の高い部位である。ある実施形態において、この部分集合又はより小さい部位は、より大きい画像空間１２０全体のうちの１つの部分集合又はより小さい部位を形成する治療空間１２２に相当する。治療空間１２２は、治療ソース１０９からの様々な治療モダリティのうちの任意のものに対する将来の標的ロケーションと空間的に一致する可能性がある。治療には、加速陽子線治療、電離放射線、赤外線、レーザ等のうちの１つ又はそれ以上が含まれる可能性がある。図３は、治療空間１２２と交差し且つ異なる空間アプローチを介する治療のデリバリを概略示する第１及び第２の治療経路１２４ａ、１２４ｂも示している。従って、実施形態は、画像空間１２０内の関心のある治療空間又はボリューム１２２の空間歪だけでなく、画像空間１２０を横断する１つ又は複数の治療経路１２４の空間歪の特徴づけをも提供することができる。
図４は、固定具１０６及び従って固定された定位フレーム１０８へ堅固に取り付けられた３Ｄファントム１０４の一実施形態を詳細に示している。実施形態によっては、ファントム１０４を含む物質が画像化システム１０２の少なくとも幾つかの実装には不可視である可能性がある。例えば、ポリアミド物質は概してＭＲＩ、ＳＰＥＣＴ及びＰＥＴベースの画像化システム１０２には不可視である。
従って、ある実施形態はさらに、ファントム１０４を囲むように構成されるチャンバ１３０を備える。チャンバ１３０は、図４ではファントム１０４を見やすくするために透明に示されているが、ファントム１０４を流体密封するように囲むように構成される。チャンバ１３０は、好ましくは、画像化システム１０２には見える造影剤１３２で満たされる。造影剤１３２は、ＭＲＩベースの画像化システム１０２のための硫酸銅溶液又は鉱油を含むことが可能である。造影剤１３２は、ＳＰＥＣＴ又はＰＥＴベースの画像化システム１０２のためのガンマ又は陽電子放出物質を含むことができる。造影剤１３２は、画像化システム１０２がファントム１０４と可視造影剤１３２との境界を「見て」、これにより画像空間１２０内の制御点１０５のロケーションを識別することを可能にする。
ある実施形態では、チャンバ１３０はさらに１つ又は複数のアクセスポート１３４を備える。アクセスポート１３４は、造影剤１３２を導入するためのアクセスを提供する。また、アクセスポートは、チャンバ１３０からの閉じ込められた空気／泡の清浄化も容易にする。また、アクセスポート１３４は、定位フレーム１０８に対するグリッド制御点１０５のロケーションを検証することが望ましい場合に、ファントム１０４へのアクセスも提供する。
例えば、（画像誘導下治療の最も正確な形式である）フレームベースの画像誘導下治療では、画像空間及び治療空間の双方が定位フレーム１０８を基準とする。ファントム１０４を使用して識別される任意の空間歪のロケーションは、この同じ定位フレーム１０８を基準にして表現することが好ましい可能性がある。実際には、ファントム１０４がチャンバ１３０内に置かれると、チャンバ１３０は定位フレーム１０８へ固定的に取り付けられる。本システムは計測ラボへアクセスして、定位フレーム１０８の基点に対する制御点１０５のグリッド位置を正確に測定することができる。これらの基点は定位フレーム１０８の特有の実装に合わせて変わる可能性があるが、定位フレーム１０８の座標系と見なすことができる。
本明細書に記述している実施形態に従って達成可能な空間精度で３Ｄファントム１０４を形成することに適する物質及び処理方法は、これまでは利用できていない。結果的に取得される大量のデータを対応する大量の基準データに照らして分析する適切なアルゴリズムも、やはり利用できていない。これまでも空間歪の問題は存在していたが、適切なソリューションはつかみどころのないものとされてきた。これまでの試みは、所定のアプリケーションに対して開示した実施形態のような精度及び特異度を提供することができていない。画像化システム１０２を画像誘導下治療の状況において参照してきたが、本明細書に記述し且つ示している実施形態が広範な画像化システムの何れにも効果的に使用され得ることは理解されるであろう。
本発明の好適な実施形態は、これらの実施形態に適用される本発明の基本的な新規特徴を示し、説明し且つ指摘しているが、示されているデバイスの詳細な形式の様々な省略、置換及び変更が当業者によって本発明の精神を逸脱することなく行われてもよいことは理解されるであろう。従って、本発明の範囲はこれまでの説明に限定されるべきではなく、添付の請求の範囲によって規定されるべきものである。

Claims (13)

  1. 医療用画像化システムの所望される標的ボリュームの空間歪を特徴づけるための方法であって、
    所望される標的ボリュームの輪郭および大きさを推定することと、
    所望される座標系を決定することと、
    複数の制御点の所望される配置およびスペーシングを決定することであって、前記所望される配置およびスペーシングは前記決定される輪郭、大きさおよび座標系に整合されることと、
    前記複数の制御点の前記決定される配置およびスペーシングに整合されかつ前記制御点を略剛性構造において画定するように構成される三次元ファントムを製造することと、
    前記複数の制御点が対応する複数の第１の既知の空間ロケーションを画定するように前記ファントムを定位フレームに対して固定することと、
    前記ファントムを画像化することと、
    前記画像化に基づいて第２の測定される空間ロケーションを決定することと、
    前記第１の既知の空間ロケーションの選択された少なくとも１つの部分集合を対応する第２の測定される空間ロケーションと比較することと、
    前記第１の既知の空間ロケーションと前記対応する第２の測定される空間ロケーションとの間の所望される標的ボリュームの空間歪の兆候を計算することを含む方法。
  2. 前記所望される標的ボリュームの輪郭及び大きさを推定することは、生体の一部分に整合するように実行される、請求項１に記載の方法。
  3. 前記三次元ファントムは少なくとも部分的にラピッドプロトタイピングプロセスを介して製造される、請求項１に記載の方法。
  4. 前記ラピッドプロトタイピングプロセスは選択的レーザ焼結を含む、請求項３に記載の方法。
  5. 前記第２の測定される空間ロケーションに作用して、前記第１の既知の空間ロケーションよりも低減された空間歪を有する補正された測定される空間ロケーションの集合を生成することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記ファントムを前記複数の制御点が略均一なスペーシングで分散されるように製造することを含む、請求項１に記載の方法。
  7. 医療用画像化システムにおける空間的誤差を特徴づけるためのシステムであって、
    複数の制御点を画定するファントムであって、前記複数の制御点は三次元空間に分散されかつ互いに対して略固定されるファントムと、
    前記制御点が前記画像化システムの画像化空間内の第１の既知の空間ロケーションを占有して位置づけされ得るように、前記ファントムへ堅固に接続可能でありかつ医療用画像化システムの定位フレームへ接続可能な固定具と、
    前記画像化システムにより前記ファントムの画像化を用いて決定される通りの前記複数の制御点の少なくとも１つの部分集合の第２の測定される空間ロケーションを示すデータを取得するように前記画像化システムと通信関係にある分析モジュールとを備え、
    前記分析モジュールは、前記第１の既知の空間ロケーションを前記対応する第２の測定される空間ロケーションと比較し、かつ前記第１の既知の空間ロケーションと前記複数の制御点の少なくとも前記部分集合の前記対応する第２の測定される空間ロケーションとの間で決定される任意の変動の兆候を計算するシステム。
  8. 前記ファントムを囲むように構成されるチャンバをさらに備える、請求項７に記載のシステム。
  9. 前記チャンバは前記ファントムを略流体密封するように囲むように構成され、且つ前記チャンバにはさらに造影剤が供給される、請求項８に記載のシステム。
  10. 前記分析モジュールはさらに前記第２の測定される空間ロケーションに作用して、前記第１の既知の空間ロケーションよりも低減された空間歪を有する補正された測定される空間ロケーションの集合を生成する、請求項７に記載のシステム。
  11. 前記複数の制御点は略均一なスペーシングで分散される、請求項７に記載のシステム。
  12. 前記ファントムは前記画像化システムにカスタム整合される、請求項７に記載のシステム。
  13. 前記ファントムは前記画像化システムの少なくとも１つの特有の画像化ボリュームにカスタム整合される、請求項１２に記載のシステム。
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