JP5491174B2 - 画像誘導型放射線治療のための画像の変形可能なレジストレーション - Google Patents

Description

本願発明は放射線治療計画を策定するためのシステム及び方法、及び放射線治療処置で用いる放射線治療計画を策定するためのシステム及び方法に向けられている。

放射線治療は、癌腫瘍のような病気の治療を、Ｘ線のような放射線を用いて行うことである。放射線を患部の組織に照射する際に、一部の健康な組織も同様に放射線を浴びてしまう。健康な組織が放射線を浴びると、治療に伴う合併症が生じうる。従って、患部の輪郭を精確に定めることが望ましい。これにより、放射線のほとんどが患部に照射されるようになり、患部の周囲の健康な組織への被爆を最小限に留める。

治療の対象とする領域を計画標的体積（ＰＴＶ）ともいう。ＰＴＶの輪郭を精確に定めるには、分割放射線処置の期間に標的が動くことを考慮に入れる必要がある。動きには、患者の身体の動き（体勢誤差）と、体内の組織の動き及び変形がありうる。この組織は患部を含み、その原因は、心臓、呼吸器、消化器系等の生理的な機能や、治療に対する反応の結果である。従来の治療計画では、ＰＴＶは患者集団の統計調査に基づいているため、標的領域が大きすぎたり不正確になったりしてしまう。個々の患者に固有の動きを評価するために、一連の画像を一定期間に渡って撮影し、患部の組織及びその周辺の器官の形状の変化の３次元描写を得る。標本化間隔の時間は秒単位（例えば呼吸による動きを、４次元同期像を用いて観測する）でもよければ、日や週単位でもよく、又はそれらの組み合わせでもよい。例えば、毎週、４次元同期像法を用いて画像を撮影する。３次元画像の時間標本を放射線治療と組み合わせる手法を、一般に、画像誘導放射線治療（ＩＧＲＴ）又は適応的放射線治療という。このような調整を行うことにより、放射線を、より精確に標的領域に照射することができる。

４次元放射線量-体積ヒストグラムを蓄積するために、標的と、その周辺の（健康かもしれない）放射線の危険にさらされる器官との、体積要素の間の空間対応を計算する必要がある。ボクセルに基づくレジストレーション方法は適用しにくい。濃淡値の対応を欠くからである。表面に基づく方法は、三角形のメッシュを対象に合わせて変形させる。これは解剖学的な構造を分割するのにうまく用いられている。表面に基づく方法では、変形したメッシュの頂点が、対象の表面間の対応するランドマークを定義する。これにより、柔軟な、点に基づくレジストレーション方法によって推定される、画像の全てのボクセルに対する変形場ができる。

画像化した対象の内部の動きが、その表面の動きと十分に相関していない場合には、表面だけに基づいて移動場を補間しても、内部の動きを正しく推定できない。例えば、肺を画像化する際には、横隔膜、心臓、及び胸壁からの動きによって、肺葉に複雑な動きが生ずることになる。加えて、腫瘍又は対象とする領域の位置（これは肺壁に付着しているかもしれないし、そうでないかもしれない）によっては、また、腫瘍の組織の特性（例えば準固体又は柔らかい等）によっては、腫瘍の動きは、肺及び／又は心臓の表面とうまく相関するかもしれないし、しないかもしれない。

適切な動きの補償は、放射線治療計画にとって重要である。これによって器官の輪郭が適切に線引きされるからである。更に、これによって、照射する放射線量を正しく計算できる。従って、放射線治療計画のための、画像対象の動きを精確に説明する方法を開発することが望まれている。これにより、高度に精確な放射線治療計画を策定することができ、従って高度な治療が可能となる。

放射線治療計画を、医療画像のレジストレーションを用いて策定する。レジストレーションは身体内部構造に位置するランドマークを決定することに基づく。

本明細書に組み込まれ本明細書の一部である添付の図面において、本発明の実施例を図示する。これは、前述の本発明の一般的な記述及び後述の本発明の詳細な記述と共に、本発明の原理を説明する役割を果たす。当業者は、これら説明用の実施例は本発明を限定するためのものではなく、本発明の原理を組み込む例を示すためだけのものであるということを理解する必要がある。

本願に開示するシステム及び方法は、画像化対象の動きを説明するような、画像のレジストレーションを提供する。このようなシステム及び方法により、精確な放射線治療計画及び処置が可能となる。

図１に本願発明のシステムの説明用の例の概略図を示す。このシステムは、画像取得部１０、放射線治療計画部（ＲＴＰ）２０、放射線治療処置部（ＲＴＴ）３０、及びグラフィカル利用者インターフェース部（ＧＵＩ）４０を含む。図１に示すシステムは単に説明のための例であり、従って本発明の範囲を限定するものではないということを、認識する必要がある。例えば、別のシステムでは、ＲＴＴ３０及び／又はＧＵＩ４０を含まなくともよい。図１ではＧＵＩ４０は他の３つの部の全てとインターフェースを取るようになっているが、また別のシステムでは、他の３つの部の１つ又は２つとだけインターフェースを取ってもよい。

画像取得部１０は、いかなる画像システムであってもよい。例えば、ＣＴシステム、Ｘ線システム、放射性映像システム、超音波システム、ＭＲシステム、又はこれらのいかなる組み合わせであってもよい。好適には、このシステムは、同期像情報を収集でき、ＲＴＰ２０に送ることができる。ある実施例では、画像取得部１０は、ＲＴＰ２０又は他の部から離れた場所にある。この点で、画像取得部１０から収集した情報を、他の部に、網接続で又はデータ格納媒体で送ることができる。加えて、画像取得は、放射線治療計画の策定と相対的に同じ時間枠で行ってもよいし、放射線治療計画の策定に先立ついかなる時点で行ってもよい。更に、画像取得のためのいかなる方法でも用いることができる。例えば、４次元ＣＴデータを取得する方法が、非特許文献１に開示されている。非特許文献１の全文を参照により本願に援用する。
Ｐａｎ ｅｔ ａｌ．， ＭｅｄＰｈｙｓ ３１ （２）：３３３−３４０ （２００４）．

ＲＴＰ２０は、汎用処理器又は専用処理器であってよく、ＲＴＰソフトウェアを処理器に読み込んでも又は組み込んでもよい。ＲＴＴ３０は、いかなる放射線治療処置装置であってもよい。例えば、線型加速器である。ＧＵＩ４０は、いかなる入力及び／若しくは出力装置、又はそれらのいかなる組み合わせから成ってもよい。例えば、ＧＵＩは次を含んでもよい：表示器；キーボード；データ格納装置；データ格納アクセス装置；データ網；又は他のいかなる部品であってもよく、それを用いて放射線治療技師が他の部と対話でき、それにより、画像データを取得し、切り分けられた医療画像又は位置合わせされた医療画像を示す中間画像を閲覧し、放射線治療計画を策定又は閲覧し、及び／又は患者に放射線治療を実施する。

図２に示すのは放射線治療を実施する方法である。この方法は、放射線治療計画の策定又は分割された放射線治療の１部分までに限定できることを理解する必要がある。例示の実施例は１００で画像データを取得することから始まる。これは、前述の画像取得部１０を用いることで行うことができる。画像データは好適には４次元ＣＴデータである。画像データは次にＲＴＰ２０に送られる。ＲＴＰ２０では、画像データを異なる構造に分割する。これを１１０に示す。構造（例えば腫瘍及び／又はその周辺の危険にさらされる器官）への分割は、モデルに基づく分割又は他の分割方法を用いて行うことができる。対象とする構造は、表面を三角形のメッシュで覆って表現される。これは、モデルに基づく分割であれば直接行われるし、そうでなければ構造を三角形に分割してから行う。分割の方法は、特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１の全文及び特許文献２の全文を参照により本願に援用する。
２００６年３月７日に付与された米国特許第７，０１０，１６４号、発明の名称「画像の分割」。 ２００５年１１月９日に出願し同時出願係属中である米国特許出願第６０／５９７，０８７号、発明の名称「医療画像法のための自動的な糞便の除去」。

対象とするボリュームの表面のランドマークは、三角形の表面メッシュの頂点で示される。三角形の表面メッシュのみに基づく体積の変形場の計算方法は、特許文献３に開示されている。特許文献３の全文を参照により本願に援用する。
２００５年６月８日に出願し同時出願係属中である米国特許出願第６０／５９５，１２２号、発明の名称「高速で変形可能な点に基づく画像処理のための点の部分選択」。

対象とするボリュームの内部のランドマークを次に決定する。これを１２０に示す。対象とするボリュームの内部のランドマークを決定することは、次に示すアルゴリズムのいかなるものを用いて行っても、又はいかなる組み合わせを用いて行ってもよい：テンプレートマッチングアルゴリズム；自動血管ツリー抽出アルゴリズム；及び自動マーカ検出アルゴリズム。テンプレートマッチングアルゴリズムを用いる方法は、非特許文献２に開示されている。非特許文献２の全文を参照により本願に援用する。この方法においては、濃淡値の特性が類似している点を、対応する表面メッシュが定義する対象のボリュームの内部に決定する。このような手法は一般に高速である。検索を対象のボリュームの内部に限るからである。
Ｒｏｅｓｃｈ ｅｔ ａｌ．， ３Ｄ Ｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｂｙ Ｔｅｍｐｌａｔｅ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ， ＭＩＣＣＡＩ ２００２， Ｌｅｃｔｕｒｅ Ｎｏｔｅｓ ｉｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２４８９， ｐｐ． ６３９−６４６ （２００２）．

自動血管ツリー抽出アルゴリズムは、非特許文献３に開示されている。非特許文献３の全文を参照により本願に援用する。この方法においては、１次の血管分岐部を、対応する構造において抽出する。血管ツリーのトポロジーを用いて、対応する血管分岐を、画像データ集合と、対応するランドマークとして使われるそれぞれの座標との双方において、決定することができる。このような方法は、肺又は肝臓におけるランドマークの決定に最もよく適用できる。
Ｂｕｅｌｏｗ ｅｔ ａｌ．， Ａ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｆｒａｍｅｗｏｒｋ ｆｏｒ Ｔｒｅｅ Ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｖｏｌｕｍｅ Ｄａｔａ， ＮＩＣＣＡＩ ２００４．

マーカを用いて患者の体勢を補正する場合では（例えば金のマーカを前立腺に用いる場合）、これを自動検出する算法を用いて、対象のボリュームの内部に追加の対応する点を決定することができる。加えて、上記のこれらの方法を組み合わせることができる。また、代わりに、他のランドマーク決定アルゴリズム及び／又は方法を同様に用いることもできる。

分割と、ランドマークの決定を用いて、変形場の形成を行う。これを１３０に示す。変形場の形成により、画像のレジストレーションが可能となる。これを１４０に示す。変形場の形成の例及び後続の画像のレジストレーションの例が、特許文献４及び前出の特許文献２に開示されている。特許文献４の全文を参照により本願に援用する。
２００６年３月２８日に出願し同時出願継続中である米国特許出願第号１０／５７３,７３０号、発明の名称「放射線治療を計画するための方法及び装置」。

画像のレジストレーションが行われると、放射線治療計画（ＲＴＰ）を策定することができる。これを１５０に示す。放射線治療計画により、器官の精確な輪郭付けと、処置する放射線量の計算ができる。処置する放射線量の計算は、各々のデータ集合について行うことができ、その後、単一のデータ集合に累算することができる。これにより、被曝の総量を適切に分布させることができ、治療計画を更に最適化することができる。ＲＴＰを策定すると、放射線治療処置（ＲＴＴ）過程を実施することができる。これを１６０に示す。代わりに、処理を前に戻して繰り返し、更に画像を撮り、更にＲＴＰを策定することもできる。また、ＲＴＰとＲＴＴは異なる時及び／又は異なる場所で行うこともできる。従って、このような方法を、図２の１００〜１５０の繰り返しの中だけに含めることができるので、これによりＲＴＴを異なる時及び／又は異なる場所で行うことができる。このような場合、追加で取得した画像データ及びその後の処理の結果を用いて、ＲＴＰを、必要なだけ、定期的に繰り返し更新することができる。

ＲＴＴを含む方法の場合、処理過程はＲＴＴの後で完了するか、前に戻って繰り返す（例えば分割された放射線治療の場合）かの、どちらであってもよい。治療を繰り返すことが可能な方法の場合、１６０でＲＴＴが終了すると、処理過程はＲＴＰ１５０に戻ることができる。これを用いて、ＲＴＴの次の分割部分を行うことになる。このような場合、ＲＴＴの次の分割部分は、以前に適用したのと同じ量の線量分布の放射線照射を行ってもよいし、当初のＲＴＰで決めた、異なる量の線量分布を行ってもよい。例えば、第１の分割された放射線治療では全量を照射してもよく、第２の分割された放射線治療では全量のある割合の照射でもよい。別の方法では、ＲＴＴの後、処理過程は画像の取得の工程まで戻り、その後の処理過程を通じて、ＲＴＰを改良又は再定義する。ある方法では、ＲＴＰに戻ることと画像の取得まで戻ることとを切り替えることができる。これは分割のある回数（例えば１回おきに、２回おきに）に、ある時間間隔（例えば５日ごとに）に、計画又は実際の、標的の大きさ及び／又は形状の変化に、技師又は医師の希望に、又は他のいかなる根拠にも、よることができる。

本発明を、１つ以上の好適な実施例を参照して記載した。明らかに、他者は、本願明細書を読んで理解すれば、変形及び変更を思いつくことになる。本願は、本願の特許請求の範囲及びその均等物の範囲に含まれるそのような変形及び変更の全てを含むことを意図している。

放射線治療計画及び治療システムの概略図である。 放射線治療計画及び治療過程の流れ図である。

Claims (21)

1. 放射線治療計画装置が行う方法であって、
   取得した４次元画像を入力する段階と、
   前記４次元画像において、対象とするボリュームの表面を表面メッシュに分割する段階と、
   前記表面メッシュの変位及び前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークに基づき、前記４次元画像への変形場を計算する段階と、
   計算された変形場に基づき、前記４次元画像のレジストレーションを行う段階と、
   前記レジストレーションをなされた４次元画像に基づき、放射線治療計画を策定する段階と、を含み、
   前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークは、自動血管ツリー抽出アルゴリズムを用いて決定される、
   方法。
2. 前記４次元画像は、４次元ＣＴ画像である、
   請求項１の方法。
3. 前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークは、テンプレートマッチングアルゴリズムを用いて決定される、
   請求項１の方法。
4. 前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークは、自動マーカ検出アルゴリズムにより検出されるマーカを使用して決定される、
   請求項１の方法。
5. 前記放射線治療計画を策定する段階は、
   前記レジストレーションをなされた４次元画像に基づき、線量分布を展開することを更に含む、
   請求項１の方法。
6. 前記線量分布は、少なくとも、標的領域に対する第１の線量及び１つ以上の他の対象とする領域に対する第２の線量を含む、
   請求項５の方法。
7. 前記表面メッシュ、前記ランドマーク又は前記４次元画像のレジストレーション、の１つ以上を表示する段階を更に含む、
   請求項１の方法。
8. 前記表面メッシュは、１つ以上の標的領域及び１つ以上の危険にさらされる器官を含む、
   請求項１の方法。
9. 取得した４次元画像を入力する手段と、
   前記４次元画像において、対象とするボリュームの表面を表面メッシュに分割する手段と、
   前記表面メッシュの変動及び前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークに基づき、前記４次元画像への変形場を計算する手段と、
   計算された変形場に基づき、前記４次元画像のレジストレーションを行う手段と、
   前記レジストレーションをなされた４次元画像に基づき、放射線の線量分布の計画を策定する手段と、を含み、
   前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークは、自動血管ツリー抽出アルゴリズムにより決定される、
   放射線治療計画装置。
10. 前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークは、テンプレートマッチングアルゴリズムにより決定される、
    請求項９の放射線治療計画装置。
11. 前記対象とするボリューム内部のランドマークは、自動マーカ検出アルゴリズムにより検出されるマーカを使用して決定される、
    請求項９の放射線治療計画装置。
12. 前記対象とするボリュームの内部にランドマークを決定する手段を更に含む、
    請求項９の放射線治療計画装置。
13. 放射線治療計画装置が行う方法であって、
    取得した４次元画像を入力する段階と、
    前記４次元画像において、対象とするボリュームの表面を表面メッシュに分割する段階と、
    前記表面メッシュの変動及び前記対象とするボリュームの内部で決定されるランドマークに基づき、前記４次元画像への変形場を計算する段階と、
    計算された変形場に基づき、前記４次元画像のレジストレーションを行う段階と、
    前記レジストレーションをなされた４次元画像に基づき、放射線治療を行うため、放射線治療計画を策定する段階と、を含み、
    前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークは、自動血管ツリー抽出アルゴリズムを用いて決定される、
    を含む方法。
14. 前記４次元画像は、４次元ＣＴ画像である、
    請求項１３の方法。
15. 前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークは、テンプレートマッチングアルゴリズムを用いて決定される、
    請求項１３の方法。
16. 前記対象とするボリューム内部で決定されるランドマークは、自動マーカ検出アルゴリズムにより検出されるマーカを使用して決定される、
    請求項１３の方法。
17. 前記放射線治療は、分割された放射線治療を含む、
    請求項１３の方法。
18. 前記放射線治療計画を策定する段階が、前記分割された放射線治療の夫々について実行されるか、あるいは、
    ４次元画像は、前記分割された放射線治療の夫々について入力され、該４次元画像の入力に応答して、前記分割する段階、前記計算する段階、前記レジストレーションを行う段階及び前記放射線治療計画を策定する段階が実行されて、更新された放射線治療計画が策定されることを可能にする、
    請求項１７の方法。
19. 前記放射線治療計画を策定する段階が前記分割された放射線治療の夫々について実行されること、又は、４次元画像が前記分割された放射線治療の夫々について入力され、該４次元画像の入力に応答して、前記分割する段階、前記計算する段階、前記レジストレーションを行う段階及び前記放射線治療計画を策定する段階が実行されることの何れを行うかは、分割された放射線治療の間隔、時間間隔、治療の結果、期待される治療の結果、又は利用者の裁量、のうちの１つによって決定される、
    請求項１８の方法。
20. 請求項９乃至１２の何れか一項に記載の放射線治療計画装置と共に使用されるユーザインターフェース装置であって、
    ４次元画像において、対象とするボリュームの表面を分割して得られた表面メッシュと前記対象とするボリュームの内部で決定されるランドマークとに基づき前記４次元画像のレジストレーションを行うことで策定される放射線治療計画を表示する手段を備える、
    ユーザインターフェース装置。
21. 前記表面メッシュに分割された４次元画像又は前記レジストレーションをなされた４次元画像を示す中間画像を表示する手段を更に含む、
    請求項２０のユーザインターフェース装置。

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