JP5951385B2

JP5951385B2 - 荷電粒子線治療用ｃｔ画像作成装置

Info

Publication number: JP5951385B2
Application number: JP2012161796A
Authority: JP
Inventors: 喬山口
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2016-07-13
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: EP2687261A1; JP2014018522A; US20140023175A1

Description

本発明は、荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置に関する。

例えば、高エネルギーに加速された陽子を対象物に照射する陽子線照射装置等（荷電粒子線治療装置）は、癌などの局所疾患の治療に利用されている。具体的には、陽子線照射装置から陽子線を出射させ、患部内の細胞にダメージを与えることにより治療が行われる。

通常、陽子線の照射前には、Ｘ線ＣＴ装置を用いた患部の位置の特定が行われる。陽子線照射装置を用いた治療では、体内の患部に対して集中的に陽子線を照射する必要がある。したがって、陽子線を患部に対して正確に照射をすることが重要となる。陽子線をどのように照射するかを決定する際には陽子線照射装置ではなくＸ線ＣＴ装置による撮像結果が用いられることから、陽子線照射装置とＸ線ＣＴ装置との機器誤差ができるだけ少なくなるように位置合わせを行う必要がある。この方法として、例えば特許文献１では、Ｘ線ＣＴ装置の座標系のデータを放射線治療装置の座標系のデータへと変換するためのアライメント補正用データを用いてデータ変換を行う構成が示されている。

特開２００８−１４８９６４号公報

しかしながら、特許文献１記載の方法は、放射線治療装置とＸ線ＣＴ装置との位置合わせを目的としたものであり、より大型の装置である荷電粒子線治療装置に対して特許文献１記載の方法を適用とすると十分な補正結果が得られないという問題があった。

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、荷電粒子線治療用ＣＴ画像をより高精度で作成することができる荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置は、Ｘ線を出射するＸ線管と当該Ｘ線管から出射されたＸ線を検出するＸ線検出器とを取り付けた回転ガントリを回転させながら、設定された所定の回転角度ごとに撮像したＸ線画像データを取得する画像取得部と、前記Ｘ線画像データに基づいてＣＴ画像を再構成する再構成部と、前記ＣＴ画像に基づいて、前記Ｘ線画像データが撮像された前記回転ガントリの角度と前記所定の回転角度との差を検出する第１の検出部と、前記第１の検出部における検出結果に基づいて前記Ｘ線画像データを補正する第１の補正部と、を備え、前記再構成部は、前記第１の補正部により補正されたＸ線画像データに基づいてＣＴ画像を再構成することを特徴とする。

上記の荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置によれば、ＣＴ画像に基づいてＸ線画を撮像した時の回転ガントリの角度について、設定された角度に対するずれを検出し、これに基づいてＸ線画像データを補正してＣＴ画像が再構成される。このため、回転ガントリの角度のずれに由来するＣＴ画像の乱れを修正することができ、より高精度のＣＴ画像を作成することができる。

ここで、前記ＣＴ画像に基づいて、設定された前記Ｘ線管の取り付け位置と前記Ｘ線画像データが撮像された前記Ｘ線管の取り付け位置との差を検出する第２の検出部と、前記第２の検出部における検出結果に基づいて前記Ｘ線画像データを補正する第２の補正部と、を備え、前記再構成部は、前記第２の補正部により補正されたＸ線画像データに基づいてＣＴ画像を再構成する態様とすることができる。

上記のように、回転ガントリを用いて撮像されたＣＴ画像に基づいてＸ線管の取り付け位置の設定位置からのずれを検出し、これに基づいてＸ線画像データを補正してＣＴ画像を再構成する構成を備えることで、より高精度のＣＴ画像を作成することができる。

また、前記ＣＴ画像に基づいて、設定された前記Ｘ線検出器の取り付け位置と前記Ｘ線画像データが撮像された前記回転ガントリにおける前記Ｘ線検出器の取り付け位置との差を検出する第３の検出部と、前記第３の検出部における検出結果に基づいて前記Ｘ線画像データを補正する第３の補正部と、を備え、前記再構成部は、前記第３の補正部により補正されたＸ線画像データに基づいてＣＴ画像を再構成する態様とすることもできる。

上記のように、回転ガントリを用いて撮像されたＣＴ画像に基づいてＸ線検出器の取り付け位置の設定位置からのずれを検出し、これに基づいてＸ線画像データを補正してＣＴ画像を再構成する構成を備えることで、より高精度のＣＴ画像を作成することができる。

また、前記第２の検出部は、前記第１の補正部により補正されたＸ線画像データに基づいて当該Ｘ線画像データが撮像された前記回転ガントリにおける前記Ｘ線管の取り付け位置のずれを検出する態様とすることができる。

再構成されたＣＴ画像では、装置の位置ずれのうち、回転ガントリの角度のずれに由来する画像の乱れが最も大きくなる。したがって、回転ガントリの角度のずれに係る補正した後にＸ線管の取り付け位置のずれの修正を行う態様とすることで、ＣＴ画像の補正の精度がさらに向上する。

さらに、前記第２の補正部により補正されたＸ線画像データに基づいて当該Ｘ線画像データが撮像された前記回転ガントリにおける前記Ｘ線検出器の取り付け位置のずれを検出する第３の検出部と、前記第３の検出部における検出結果に基づいて前記Ｘ線画像データを補正する第３の補正部と、をさらに備え、前記再構成部は、前記第３の補正部により補正されたＸ線画像データに基づいてＣＴ画像を再構成する態様とすることができる。

上記のように、回転ガントリの角度のずれに係る補正した後にＸ線検出器の取り付け位置のずれの修正を行う態様とすることで、ＣＴ画像の補正の精度がさらに向上する。

本発明によれば、荷電粒子線治療用ＣＴ画像をより高精度で作成することができる荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置が提供される。

本発明の実施形態に係る荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置を備えた陽子線治療システムの概略構成図である。陽子線治療システムの回転ガントリの概略斜視図である。陽子線治療システムの回転ガントリの側面図である。陽子線治療システムの回転ガントリの軸心に沿う断面を示す横断面図である。回転ガントリの回転部の構成を説明する斜視図である。本実施形態に係る荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置の構成を説明するブロック図である。ＣＴ画像作成の際の装置の位置ずれについて説明する図である。装置の位置ずれを含んで撮像されたＣＴ画像の一例である。装置の位置ずれを含んで撮像されたＣＴ画像の一例である。ＣＴ画像の補正方法について説明するフローチャートである。位置ずれの検出について説明する図である。位置ずれの検出について説明する図である。位置ずれの検出について説明する図である。位置ずれの補正について説明する図である。位置ずれの補正について説明する図である。図８及び図９のＣＴ画像を構成するＸ線画像データに対して補正を行った後に再構成したＣＴ画像である。

以下、本発明に係る荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。本実施形態では、荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置が組み込まれた荷電粒子線治療システムの１種である陽子線治療システム１について説明する。陽子線治療システム１は、例えば、患者（検査対象）の内部の病巣（例えば、腫瘍等）に対して、陽子線を照射する装置である。なお、荷電粒子線としては、本実施形態で説明する陽子線の他に、例えば、重粒子（重イオン）線、パイ中間子線等が挙げられ、これらの荷電粒子線を用いた治療に対しても本実施形態に係る荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置を適用することができる。

図１に示すように、陽子線治療システム１は、イオン源（図示省略）で生成されたイオンを加速して陽子線を出射するサイクロトロン（粒子加速器）２、サイクロトロン２から出射された陽子線を輸送するビーム輸送ライン３を有する。なお、粒子加速器としては、上記のサイクロトロンに限定されず、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン、ライナック（線形加速器）等を用いることもできる。

サイクロトロン２で加速された陽子線は、ビーム輸送ライン３に沿って偏向され、固定照射式の陽子線照射ユニット４、及び回転ガントリ７の陽子線照射ユニットに供給される。ビーム輸送ライン３には、陽子線を偏向させるための偏向磁石や、ビーム成形を行う四重極電磁石等が設けられている。荷電粒子線を調整するための電磁石としては、ビーム成形を行う四重極電磁石、ビームを偏向させる偏向磁石などが含まれる。

陽子線治療システム１は、建屋５内に収容されている。建屋５には、放射線の透過を抑制する放射線遮蔽壁によって構成された複数の照射室（検査室）６Ａ，６Ｂが設けられている。照射室６Ａには、Ｘ線を照射するＸ線撮影ユニット及び陽子線照射ユニットを一体として回転させる回転ガントリ７が設けられている。照射室６Ｂには、Ｘ線撮影装置８と、陽子線照射ユニット４とが個別に設けられている。

本実施形態の建屋５は、例えば３つの照射室６Ａと、１つの照射室６Ｂとを備えている。ビーム輸送ライン３は、所定の位置で分岐され、照射室６Ａへ導入されるライン３ａと、照射室６Ｂへ導入されるライン３ｂを有する。以下の実施形態では、照射室６Ａに設けられた回転ガントリ７と、回転ガントリ７に含まれる陽子線照射ユニット及びＸ線撮影ユニットについて説明する。

（回転ガントリ）
図２は、回転ガントリの構造を説明する概略斜視図である。また、図３は、回転ガントリの側面図である。図４は、回転ガントリの一部破断上面図である。図５は、回転ガントリの治療室付近について説明する概略斜視図である。なお、図４では、図２，３の回転ガントリを９０度回転させた構成について示している。

図２〜５に示すように、回転ガントリ７は、患者が横たわる治療台１１（図５参照）、治療台１１を囲むように設けられた回転部１０、回転部１０の内側に配置され、治療台１１上の患者に向けて陽子線を照射する照射部１２、誘導ライン５によって誘導された陽子線を照射部１２へ導入する導入ライン１３を備えている。回転ガントリ７は、図示されていないモータによって回転駆動され、図示されていないブレーキ装置によって回転が停止される。なお、以下の説明において、回転ガントリ７の正面とは、治療台１１が設置されて患者の出入りが可能になるように回転部１０が開放されている側の側面を意味し、背面とは、その裏側の側面を意味する。

回転部１０は、回転自在とされ、正面側から順に第１円筒部１４及びコーン部１５を備える。第１円筒部１４、コーン部１５は、同軸に配置され互いに固定されている。また、回転部１０より背面側に設けられる第２円筒部１６は、コーン部１５と同軸に配置されるがコーン部１５に対して回転可能とされている。

治療台１１は、６軸制御が可能な支持装置１１ａにより支持されて、治療時には、第１円筒部１４の内側に配置される。支持装置１１ａは、回転部１０ではなく建屋５の床部５ａに対して固定されるので、第１円筒部１４の回転とは関連がなく治療台１１を移動させることができる。

照射部１２は、第１円筒部１４の内面に配置され、第１円筒部１４の軸心方向に向けられている。第１円筒部１４の内側の軸心（回転軸線）Ｐ近傍には、治療台１１が配置される。第２円筒部１６は、第１円筒部１４より小径とされる。また、コーン部１５は、一端側の径は第１円筒部１４と同じくされ、他端側で第２円筒部１６と連結するように円錐状に形成されている。また、コーン部１５と第１円筒部１４の後端側とは、第１円筒部１４の外周に沿って設けられた軸線方向に伸びる複数本の支柱１７ａと、軸線方向に対して交差する方向に伸びる複数本の支柱１７ｂと、によって接続されている。

第１円筒部１４の前端の外周部には外方に突出するリング部２１が設けられる。また、コーン部１５の前端外周部においても外方に突出するリング部２２が設けられる。第１円筒部１４及びコーン部１５は、第１円筒部１４のリング部２１の下方に配置されたローラ装置２５（図２、図３参照）と、コーン部１５のリング部２２の下方に配置されたローラ装置２６（図２、図３参照）によって、回転可能に支持されている。リング部２１の外周部がローラ装置２５と当接すると共に、リング部２２の外周部がローラ装置２６と当接することにより、ローラ装置２５，２６によって第１円筒部１４及びコーン部１５に対して回転力が付与される。

導入ライン１３は、回転ガントリ７の背面側でビーム輸送ライン３から分岐されたライン３ａに連結されている。導入ライン１３は、４５度の偏向電磁石を１セット備えると共に、１３５度の偏向電磁石を１セット備えている。導入ライン１３は、ライン３ａ（図１参照）に連絡して軸心Ｐに沿って径方向外方に向かって延在する軸方向導入ライン１３ａと、この軸方向導入ライン１３ａの後段に連続し、径方向に延在する径方向導入ライン１３ｂを有する。なお、導入ライン１３には、陽子線をその内部に通過させて輸送する真空管であるビーム輸送管（図示省略）が設けられている。

軸方向導入ライン１３ａは、第２円筒部１６内の軸心Ｐ上でライン３ａに連絡する始端部から、コーン部１５内で軸心Ｐに対して４５度湾曲して径方向に延在し、終端部が第１円筒部１４の外部に張り出している経路部分である。また、径方向導入ライン１３ｂは、軸方向導入ライン１３ａの終端部に連絡する始端部から回転部１０の径方向の内側へ向けて１３５度湾曲して終端部が照射部１２に連絡する経路部分である。

上記の導入ライン１３は、第１円筒部１４とコーン部１５とを接続する支柱１７ａ，１７ｂから第１円筒部１４の径方向の外側に張り出すように支柱１７ｃ等を介して取り付けられている。

また、軸心Ｐを挟んで導入ライン１３に対して対向するようにカウンタウェイト１８が配置されている。カウンタウェイト１８は、第１円筒部１４とコーン部１５とを接続する支柱１７ａ，１７ｂから第１円筒部１４の径方向の外側に張り出すように支柱１７ｄ等を用いて設置されている。カウンタウェイト１８を設置することで、導入ライン１３との重量バランスが確保されている。

上記の回転ガントリ７では、ローラ装置４１，４２の駆動により、支柱１７ａ〜１７ｄにより接続された第１円筒部１４、コーン部１５、導入ライン１３及びカウンタウェイト１８が軸心Ｐを中心に一体的に回転する。これらが回転することで治療台１１に対する照射部１２の位置を変更させた上で照射部１２から治療台１１上の患者に対して陽子線を出射することで、患者（検査対象）の内部の病巣（例えば腫瘍等）に対して、任意の方向から陽子線（荷電粒子線）が照射される。

ここで、治療台１１が取り付けられる第１円筒部１４の内部について、図５に基づいて説明する。第１円筒部１４の内部に設けられる照射部１２には、サイクロトロン２から出射されて導入ライン１３を輸送された陽子線の出射口１２ａが設けられる。さらに、照射部１２の外側には、荷電粒子線治療用ＣＴ画像を作成するためのＸ線を出射するＸ線管３１が２つ設けられる。これらのＸ線管３１は、軸心Ｐに対して垂直であり出射口１２ａを含む平面上であって、出射口１２ａが２つのＸ線管３１の中点となる位置に設けられ、円錐状のＸ線ビーム（コーンビーム）を出射する。そして、Ｘ線管３１から出射されて軸心Ｐ周辺の撮像対象を透過したＸ線を受光するための２次元に画素が配置されたＸ線検出器であるＦＰＤ（Flat Panel Ditector）３２が軸心Ｐを挟んでＸ線管３１に対向する位置にそれぞれ設けられる。

ＦＰＤ３２は、第１円筒部１４の内部の背面側にあって軸心Ｐに対して垂直な壁面１４ａに対して取り付けられていて第１円筒部１４の回転に応じて回転する。また、ＦＰＤ３２は壁面１４ａよりも背面側へ収納可能となっている。Ｘ線管３１及びＦＰＤ３２は、荷電粒子線治療用のＣＴ画像を撮像する目的において使用されるため、陽子線を用いた治療時には照射部１２及び壁面１４ａに対して収納される。そして、ＦＰＤ３２は使用時に壁面１４ａから正面側に引き出して、使用時の位置に移動される。なお、ＦＰＤ３２に代えて、ＦＰＤと同様にＸ線を受光可能なＸ線ＩＩ（Image Intensifier）等を用いてもよい。

（荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成方法）
次に、本実施形態に係る陽子線治療システム１における荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置について説明する。陽子線治療システム１を用いた病巣の治療に際しては、患者を撮像したＣＴ画像を用いた治療計画が予め作成され、これに基づいて陽子線治療システム１において陽子線を病巣に対して照射を行う。しかしながら、治療計画を作成する際に用いるＣＴ画像は、陽子線治療システム１とは別の装置において撮像されるため、治療計画用のＣＴ画像撮像時の患者の位置と、陽子線治療システム１を用いた治療時の患者の位置が必ずしも一致しない。ここで、陽子線治療システム１の治療台１１において患者の位置を正確に配置することができないと、陽子線治療システム１における患者の病巣の位置が不正確になってしまい、結果として、病巣に対して治療計画通りの正確な位置への陽子線の照射ができなくなる可能性がある。これに対して、本実施形態に係る荷電粒子線治療ＣＴ画像作成装置は、上記の装置上における患者の位置のずれによる誤差をできるだけ小さくするために、陽子線治療システム１に搭載されたＸ線管３１及びＦＰＤ３２を用いて、治療に用いる装置である陽子線治療システム１上でのコーンビームＣＴ画像（粒子線治療用ＣＴ画像）を作成した後に、予め作成された治療計画ＣＴ画像と比較して陽子線治療システム１における患者の位置を補正することを目的に用いられる。

なお、本実施形態では、内部にＸ線透過しない部品が設けられ、本体の大きさ及び内部部品の位置と大きさとが明らかであるファントムを用いてＸ線画像を撮像することでＣＴ画像を取得し、ＣＴ画像の荒れを取り除く補正をすることで、位置校正用データを先に作成した後に、この位置校正用データを用いて、患者を撮像したＸ線画像データの補正を行ってＣＴ画像を再構成する場合について説明する。上記のようにファントムにより位置校正用データを作成してこれを用いて補正後のＣＴ画像を再構成する方法に代えて、ファントムを撮像して得られた位置校正用データを用いずに、患者を撮像したＣＴ画像について都度補正を行う方法を採用してもよい。ただし、この方法では正確な位置が分かるファントムを用いずに補正を行うため、ファントムを用いた補正のほうが得られるＣＴ画像の精度の向上が格段に高い。

図６は、荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置の構成について説明する図である。

本実施形態に係る荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置（患者位置照合システム）１００は、Ｘ線画像取得部１０１（画像取得部）と、画像再構成部１０２（再構成部）と、画像補正部１０３（第１〜第３の検出部・第１〜第３の補正部）と、位置校正用ＤＢ１０４と、位置ずれ量計算部１１１と、を含んで構成される。また陽子線治療ユニットにおいては、位置ずれ量計算部１１１において計算された結果を受信する位置ずれ量受信部１１２が設けられる。このうち、Ｘ線画像取得部１０１、画像再構成部１０２、及び画像補正部１０３は、位置校正を行うためのデータ（位置校正用データ）の作成と、治療台１１に載置された患者のＣＴ画像の作成と、に用いられる。また、位置ずれ量計算部１１１は、この陽子線治療システム１において患者を撮像することで得られたＣＴ画像を位置校正用ＤＢ１０４に格納された位置校正用データを用いて補正した後に、治療計画の策定のために予め撮像された治療計画ＣＴ画像との位置ずれ量を計算する機能を有する。また、図６では、治療計画ＣＴ画像は、本システム１とは別体のＣＴ装置を用いて撮像することで提供される情報であり、位置ずれ量情報は陽子線治療に用いられることを示している。

Ｘ線画像取得部１０１は、Ｘ線管３１、ＦＰＤ３２、及びＸ線画像収集部３３を含んで構成される。Ｘ線画像取得部１０１は、Ｘ線画像を取得する機能を有する。位置校正用データの作成に用いられるＸ線画像とは、内部構成が既知のファントムを撮像した画像である。Ｘ線管３１からＸ線を出射することによりファントムを通過してＦＰＤ３２で撮像されるＸ線画像は、Ｘ線画像収集部３３において、撮像時刻と対応付けて収集される。ここでは、回転ガントリ７を回転させながら予め設定された所定の角度ごとにＸ線画像を複数枚撮像することで、ファントムを複数の方向から撮像する。Ｘ線画像収集部３３において撮像時刻とＸ線画像とを対応付けて収集することで、回転ガントリ７の位置とＸ線画像とが対応付けて収集される。

画像再構成部１０２は、Ｘ線画像取得部１０１により取得されたＸ線画像からＣＴ画像を再構成する機能を有する。また、画像再構成部１０２は、後段の画像補正部１０３において補正されたＸ線画像を用いてもＣＴ画像を再構成する機能を有する。画像再構成部１０２において再構成される画像は、ファントムのＸ線画像及び患者のＸ線画像が含まれる。

画像補正部１０３は画像再構成部１０２により再構成されたＣＴ画像に基づいて、当該ＣＴ画像を再構成するために用いられたＸ線画像について後述の位置校正をする必要があるかを判定し、当該判定結果に基づいてＸ線画像を補正する機能を有する。

位置校正用ＤＢ１０４は、ファントムを撮像したＸ線画像及びこのＸ線画像から再構成されたＣＴ画像に基づいて、Ｘ線画像を撮像する装置における位置ずれに係る情報、すなわち位置校正を行うための情報を格納するデータベースである。画像再構成部１０２におけるＣＴ画像の再構成及び画像補正部１０３におけるＸ線画像の補正を繰り返すことで求められた装置の位置ずれに係る情報はこの位置校正用ＤＢ１０４に格納される。

上記の位置校正用ＤＢ１０４に格納された情報を用いて、患者を撮像したＣＴ画像を修正する場合は、本実施形態に係る陽子線治療システム１のＸ線管３１及びＦＰＤ３２を用いて撮像したＸ線画像データをＸ線画像収集部３３において収集した後、画像再構成部１０２においてＣＴ画像を再構成する。その後、位置校正用ＤＢ１０４に格納された位置校正用データを用いることで、画像補正部１０３においてＣＴ画像を構成するＸ線画像データの補正を行う。そして、画像再構成部１０２において、補正後のＸ線画像データに基づいたＣＴ画像を再構成し、これを画像表示装置等に出力する。これにより、補正後のＣＴ画像を粒子線治療用ＣＴ画像として利用することができる。

位置ずれ量計算部１１１は、画像再構成部１０２において得られた患者のＣＴ画像と、治療計画の策定のために予め撮像された治療計画ＣＴ画像との位置ずれ量を計算する。そして、この情報を位置ずれ量受信部１１２に対して送信する。そして、陽子線治療ユニットにおいては、位置ずれ量受信部１１２においてこれを受信した後に、治療計画に基づいて患者の病巣に対して適切に陽子線を照射するために、位置ずれ情報に基づいて、陽子線の出射位置を変更する、治療台１１を移動して患者の位置を変更する等の処置が行われる。

ここで、位置校正用データを作成する際に算出される装置の位置ずれは、陽子線治療における装置の誤差となり、陽子線治療の際にも影響を与える場合がある。したがって、位置校正用のデータに基づいて位置ずれ量計算部１１１において位置ずれ量を算出しこれを陽子線治療ユニットに対して送信する構成とすることで、陽子線治療時の回転ガントリ７の回転の制御や陽子線の照射位置の調整に対してもこれらの情報を利用することもできる。

ここで、回転ガントリ７に取り付けられたＸ線管３１及びＦＰＤ３２を用いて測定対象のＸ線画像データを撮像した場合に、装置において発生する位置ずれについて図７を用いて説明する。

陽子線治療システム１のような粒子線治療装置は、大型且つ高重量であるため、患者の位置合わせを目的として荷電粒子線治療装置に取り付けられたＣＴ画像撮像装置によって得られたＣＴ画像（荷電粒子線治療用ＣＴ画像）は、不鮮明となる。これは、複数の測定対象のＸ線画像データを撮像した後にＣＴ画像を再構成する際に、Ｘ線画像データが実際に撮像された位置が予め設定されていた位置と異なる、すなわち位置ずれが発生した状態で撮像された画像が含まれることによる。そして、この陽子線治療システム１における陽子線治療時の患者の位置合わせを目的に取得されたＣＴ画像が不鮮明であると、治療計画を作成する際に用いるＣＴ画像との比較が困難であり、陽子線治療時の患者の位置合わせが困難となる。このため、治療計画に基づいて患者の病巣に対して陽子線を正確に照射できなくなるという問題がある。

陽子線治療システム１において撮像されたＸ線画像データに基づいて再構成されたＣＴ画像が不鮮明になる原因となる「位置ずれ」が発生する原因としては、大きく以下の３つが挙げられる。
（１）回転ガントリ７の回転角度が所定の値とずれている
（２）Ｘ線管３１の位置が設定された位置からずれている
（３）ＦＰＤ３２（Ｘ線検出器）の位置が設定された位置からずれている

このうち、（１）回転角度については、例えば図７（Ａ）に示すように、軸心Ｐに対して本来は回転ガントリ７を角度Ｓずつ回転させて撮像すべきところ、回転ガントリ７の回転角度がＳ±αとなっている場合等には、撮像位置が当初想定していた位置からずれてしまうという問題がある。このような角度ずれが発生している場合に、その誤差を修正せずに画像の再構成を行った場合には、再構成後のＣＴ画像が不明瞭となる。図８は、ファントムを撮像したＸ線画像データを補正せずに再構成した例である。図８では、破線で示した領域において、円弧状のアーチファクト（円弧状に白く見える領域）が確認される。このように、回転ガントリ７の回転角度ずれはＸ線画像データにおいて円弧状のアーチファクトとして確認することができる。

また、（２）Ｘ線管の位置ずれ、及び（３）ＦＰＤの位置ずれについては、例えば図７（Ｂ）に示すように、ＦＰＤ３２の中心から延びるＦＰＤ３２の検出器表面に対する垂線上に軸心Ｐ及びＸ線管３１の出射口が設けられているべきところ、Ｘ線管３１’やＦＰＤ３２’のように位置がずれている場合に、その誤差を修正せずに画像の再構成を行った場合には、再構成後のＣＴ画像が不明瞭となる。図９は、ファントムを撮像したＸ線画像データを補正せずに再構成した例である。図９では、破線で示した領域において、画像がぼやけている領域が発生する。このように、Ｘ線管及びＦＰＤの位置ずれはＸ線画像データにおける画像のぼやけとして確認することができる。

上記の（１）〜（３）の装置由来のずれのうち、（１）回転ガントリの角度ずれによる影響が、他の（２）、（３）の影響よりも特に大きい。

そこで、本実施形態に係る荷電粒子線治療用のＣＴ画像の作成のための画像補正に関しては、（１）回転ガントリの角度ずれについて補正した後に、（２）Ｘ線管及び（３）ＦＰＤの位置ずれについて補正を行う。その具体的な方法について図１０のフローチャートを用いて説明する。

まず、図１０に示すように、回転ガントリ７を回転させながら、Ｘ線画像取得部１０１に含まれるＸ線管３１及びＦＰＤ３２により画像を撮像し、これらのＸ線画像データをＸ線画像収集部３３において収集する（Ｓ０１）。次に、画像再構成部１０２において、複数枚のＸ線画像データからＣＴ画像を再構成する（Ｓ０２）。次に、画像補正部１０３において、再構成されたＣＴ画像において、円弧状のアーチファクトが確認できるか否かを判定する（Ｓ０３）。

ここで、円弧状のアーチファクトが確認できない場合には次のステップに進むが、アーチファクトが確認された場合には、角度ずれの補正を行う（Ｓ０４）。アーチファクトの補正は、アーチファクトの大きさ・形状及び強度に基づいて回転ガントリの角度のずれ（回転角がＳ±αとなっている場合の±α）を求め、この角度ずれを除去するための補正を行う。そして、角度ずれを補正した後に、画像再構成部１０２においてＣＴ画像の再構成を行い（Ｓ０２）、得られたＣＴ画像において円弧状のアーチファクトが現れているかを確認する（Ｓ０３）。再構成後のＣＴ画像において円弧状のアーチファクトが消えるまでこれを繰り返すことで、回転ガントリの角度のずれの成分を除去する。

次に、円弧状のアーチファクトがなくなったＣＴ画像において、Ｘ線管３１及びＦＰＤ３２（検出器）の位置ずれに由来する画像の荒れの有無があるかに基づいてＸ線管３１及びＦＰＤ３２の位置ずれの有無を確認する（Ｓ０５）。ここで、Ｘ線管及びＦＰＤに由来する位置ずれに由来する画像の荒れが確認された場合には、これらを除去すべくＸ線画像データの補正を行う（Ｓ０６）。そして、補正後のＸ線画像データに基づいて、画像再構成部１０２において画像を再構成し（Ｓ０２）、円弧状アーチファクトの有無の確認（Ｓ０３）、Ｘ線管・検出器由来のずれの有無の確認（Ｓ０５）を行い、これらが全てないことが確認された時点で補正後のＣＴ画像を画像表示装置等に出力すると同時に、回転角度のずれ補正、Ｘ線管のずれ補正及び検出器のずれ補正に用いたパラメータを位置校正用データとして位置校正用ＤＢ１０４に格納する。

ここで、Ｘ線管及び検出器のずれをどのように区別して補正をするかについて、図１１〜１５を用いて説明する。

図１１は、Ｘ線管３１及びＦＰＤ３２が正常な位置に配置されている、すなわち、ＦＰＤ３２の受光面において受光面の中心から伸びる垂線Ｌ上にＸ線管３１が設けられている場合（理想状態）について説明する図である。図１１では、Ｘ線管３１とＦＰＤ３２との間に測定対象物となるファントム９０が配置されている。このファントム９０の内部には、Ｘ線画像データにおいて白色で示される金属９１が４つ設けられていて、そのうちの２つは、垂線Ｌ上にあるとする。ここで、Ｘ線管３１とＦＰＤ３２とが正常な位置に配置されている場合には、垂線Ｌ上の２つの金属９１が重なった状態で投影されるため、ＦＰＤ３２において撮像されたＸ線画像データでは、金属９１に対応した白色領域Ｍが３か所に現れるはずである。

一方、図１２（Ａ）に示すように、Ｘ線管３１が本来の位置から矢印方向（図１２（Ａ）では左側）にずれていた場合、垂線Ｌ上にあった２つの金属９１が重なって投影されなくなるため、ＦＰＤ３２において撮像されたＸ線画像データでは、金属９１に対応した白色領域Ｍが４か所に発生することになる。このように、ＦＰＤ３２に対してＸ線管３１の位置がずれていた場合には、結果としてＸ線管３１から出射するＸ線のコーンビームに対するＦＰＤ３２の受光面の角度が変わってしまう。

また、図１２（Ｂ）で示すように、ＦＰＤ３２が本来の位置から矢印方向(図１２（Ｂ）では右側)に平行にずれていた場合（すなわち上下方向には位置ずれをしていない場合）、Ｘ線管３１とファントム９０との位置関係については正常な場合と変わりがないため、ＦＰＤ３２において撮像されたＸ線画像データでは、金属９１に対応した白色領域Ｍは３か所となるが、白色領域Ｍが形成される位置が、本来のＦＰＤ３２の位置とは異なる。

このように、Ｘ線管３１の位置ずれに応じて発生する画像のずれとＦＰＤ３２の位置ずれとは相違するので、これらに基づいて、Ｘ線管３１とＦＰＤ３２との双方が位置ずれしている場合には、以下の方法でまず位置ずれ量の算出を行う。ここでは、図１３に示すように、Ｘ線管３１が図示左方向に位置ずれしていて、ＦＰＤ３２が図示右方向に位置ずれしているとする。この場合、図１１，１２と同様のファントム９０を撮像した結果得られるＸ線画像データには、金属１２に対応した白色領域Ｍが４か所に現れるはずである。このうち、中央の領域Ｍ_１及び領域Ｍ_２はＸ線管３１が理想状態であれば重なっているはずの白色領域である。また、図１３で示す破線で囲まれた領域Ｍ’は、理想状態で撮像をした場合に白色領域が現れると考えられる領域を示しているが、Ｘ線管３１及びＦＰＤ３２の位置ずれに由来して、領域Ｍ_３に現れている。したがって、まず領域Ｍ_１と領域Ｍ_２との間隔に基づいて、Ｘ線管３１の理想位置からの位置ずれ量を算出し、続いて、領域Ｍ’と領域Ｍ_３との間隔からＸ線管３１の位置ずれに由来する成分を除去することで、ＦＰＤ３２の位置ずれ量を求めることができる。このように、Ｘ線管３１及びＦＰＤ３２の位置ずれ量については、ファントム９０を撮像することにより得られるＸ線画像データに基づいて区別して算出することができる。

なお、上記ではＦＰＤ３２は受光面の角度が変わらない前提での位置ずれについて説明したが、受光面の角度が変わるように位置ずれを起こした場合には、Ｘ線管３１の位置ずれの場合と同様の事象が起きると考えられる。Ｘ線管３１の位置ずれ量及びＦＰＤ３２の位置ずれ量を正確に算出する必要がある場合には、Ｘ線管３１側が位置ずれした場合とＦＰＤ３２側が位置ずれした場合とにおける影響をさらに細かく検討して反映させる必要がある。しかしながら、Ｘ線管３１及びＦＰＤ３２の位置ずれは、回転ガントリ７の回転角度ずれと比較すると、再構成後のＣＴ画像における画像荒れの影響が軽微であるため、位置ずれ量を正確に算出しなくてもよい場合には、以下の方法によって画像の補正を行うことができる。

次に、Ｘ線管３１及びＦＰＤ３２の位置ずれ量を算出した後に補正を行う方法について説明する。ここでは、（１）Ｘ線管とＦＰＤとが平行な状態での位置ずれに由来する成分の補正、（２）Ｘ線管に対するＦＰＤの角度ずれに由来する成分の補正、について説明する。（１）は、理想状態からＦＰＤが平行に移動した場合に発生する可能性がある。また、（２）は、理想状態からＸ線管が位置ずれした場合及びＦＰＤが上下方向に移動してした場合に発生する可能性がある。

まず、（１）Ｘ線管とＦＰＤとが平行な状態での位置ずれに由来する成分の補正について説明する。この場合、図１４に示すように、理想状態と比較して各画素において受光されるＸ線強度は異なるため結果として得られるＸ線画像データは理想状態のものと異なるが、理想状態において撮像されるべき画像データと比較して全体的に位置がずれている状態である。したがって、位置ずれ量に基づいて各画素の情報をシフトしていく、すなわち、すべての画素において位置ずれ分だけ各画素のＸ線強度をずらしていくことで、理想状態でのＸ線画像データを得ることができる。

次に（２）Ｘ線管に対するＦＰＤの角度ずれに由来する成分の補正について説明する。（１）では各画素において受光されるＸ線強度は理想状態と位置ずれ状態とで受光位置は異なっていても同じ情報が受光されていたが、（２）の場合では、各画素において受光されるＸ線強度が理想状態とは異なる。そこで、線形補間の手法を用いてデータの作成を行う。図１５では、理想状態とは異なる位置に配置されたＦＰＤ３２’において得られたずれ２つの位置において取得されたデータＮ１、Ｎ２に基づいて理想状態におけるＦＰＤ３２上の位置ｄにおけるデータＤを取得する方法について説明する。データＮ１、Ｎ２は、それぞれＦＰＤ３２上のＰ１、Ｐ２を通過したＸ線である。ここで、Ｐ１とｄとの距離をＬ１、Ｐ２とｄとの距離をＬ２としたときに、以下の数式（１）を用いて、理想状態のＦＰＤ３２における位置ｄのデータＤを求めることができる。
Ｄ＝Ｎ１×Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２）＋Ｎ２×Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）…（１）
これを、理想状態のＦＰＤ３２上の各画素について計算することで、理想状態のＦＰＤ３２におけるデータを算出することができる。

最後に、上記の補正を行った結果を図１６に示す。図１６は、図８のファントム画像に対して円弧状アーチファクトの除去に係る補正、すなわち回転ガントリの回転角度の補正を行い、さらに、図９のファントム画像に対してＸ線管及び検出器の位置ずれに由来する画像荒れの除去に係る補正を行った後に再構成されたＣＴ画像である。図８と図１６とを比較すると、円弧状のアーチファクトが除去されている。また、図９と図１６とを比較すると、円弧状のアーチファクトが除去されている。図９の破線部分の画像では、白色領域が２重にずれて示されていたのが、図１６では鮮明になっている。このように、上記で示した補正を行うことで、ＣＴ画像における画像荒れを補正することができ、その結果荷電粒子線治療用ＣＴ画像をより高精度で作成することができる。

以上のように、本実施形態に係る荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置を含む陽子線治療システム１によれば、ＣＴ画像に基づいてＸ線画像データ撮像時の回転ガントリ７の角度の所定の角度に対するずれを検出し、これに基づいてＸ線画像データを補正してＣＴ画像が再構成されることで、荷電粒子線治療用ＣＴ画像が作成される。このため、陽子線治療システム１のような大型且つ高重量な装置であっても、患者の位置合わせを目的として得られた荷電粒子線治療用ＣＴ画像において回転ガントリ７の角度のずれに由来するＣＴ画像の乱れを修正することができ、より高精度の荷電粒子線治療用ＣＴ画像を作成することができる。そして、この高精度となった荷電粒子線治療用ＣＴ画像に基づいて、陽子線照射システム１における陽子線照射時の患者の位置合わせをより正確に行うことができるため、治療計画に基づいて患者の病巣に対して陽子線を正確に照射することができる。

また、上記実施形態のように、ＣＴ画像に基づいてＸ線管３１の取り付け位置のずれを検出し、これに基づいてＸ線画像データを補正してＣＴ画像を再構成する構成を備えることで、より高精度のＣＴ画像を作成することができる。

さらに、ＣＴ画像に基づいてＸ線検出器であるＦＰＤ３２の取り付け位置のずれを検出し、これに基づいてＸ線画像データを補正してＣＴ画像を再構成する構成を備えることで、より高精度のＣＴ画像を作成することができる。

そして、再構成されたＣＴ画像では、ＣＴ画像の撮像に係る装置の位置ずれのうち、回転ガントリ７の角度のずれに由来する画像の乱れが最も大きくなる。したがって、回転ガントリ７の角度のずれに係る補正した後にＸ線管３１の取り付け位置のずれ及びＦＰＤ３２の取り付け位置のずれに基づく修正を行う態様とすることで、ＣＴ画像の補正の精度がさらに向上する。

以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置が陽子線治療システムに含まれる構成について説明したが、本実施形態に係る荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置は、陽子線治療システムとは別体であってもよい。すなわち、本実施形態に係る荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置は、陽子線を照射する機構を備えた回転ガントリに対してＸ線管とＸ線検出器とが取り付けられた陽子線治療システムにおいて撮像されたＣＴ画像を、荷電粒子線治療用ＣＴ画像として用いることができるように補正して出力することを目的とした装置である。したがって、陽子線を照射する機構を備えた回転ガントリに対してＸ線管とＸ線検出器とが取り付けられた陽子線治療システムにおいて撮像されたＣＴ画像を外部から取得しこれを補正するＣＴ画像作成装置としての構成を陽子線治療システムとは別体で設けることが可能である。

１…陽子線治療システム、２…サイクロトロン（粒子加速器）、３…ビーム輸送ライン、７…回転ガントリ、１０…回転部、１１…治療台、１２…照射部、１３…誘導ライン、１４…第１円筒部、１５…コーン部、１６…第２円筒部、１７…支柱、２１，２２…リング部、２５，２６…ローラ部、３１…Ｘ線管、３２…ＦＰＤ、１００…荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置、１０１…画像取得部、１０２…画像再構成部、１０３…画像補正部、１０４…位置校正用データベース、１１１…位置ずれ量計算部、１１２…位置ずれ量受信部。

Claims

荷電粒子線を照射する照射部と、Ｘ線を出射するＸ線管と、当該Ｘ線管から出射されたＸ線を検出するＸ線検出器とが取り付けられた回転ガントリを回転させながら、設定された所定の回転角度ごとに撮像したＸ線画像データを取得する画像取得部と、
前記Ｘ線画像データに基づいてＣＴ画像を再構成する再構成部と、
前記ＣＴ画像におけるアーチファクトが消去されるように、前記Ｘ線画像データを補正する第１の補正部と、
前記第１の補正部により補正されたＸ線画像データに基づいたＣＴ画像に基づいて、設定された前記Ｘ線管の取り付け位置と前記Ｘ線画像データが撮像された前記Ｘ線管の取り付け位置との差を検出する第２の検出部と、
前記第２の検出部における検出結果に基づいて前記第１の補正部により補正されたＸ線画像データをさらに補正する第２の補正部と、
を備え、
前記再構成部は、前記第２の補正部により補正された前記Ｘ線画像データに基づいて前記ＣＴ画像を再構成する荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置。
前記ＣＴ画像に基づいて、設定された前記Ｘ線検出器の取り付け位置と前記Ｘ線画像データが撮像された前記回転ガントリにおける前記Ｘ線検出器の取り付け位置との差を検出する第３の検出部と、
前記第３の検出部における検出結果に基づいて前記Ｘ線画像データを補正する第３の補正部と、
を備え、
前記再構成部は、前記第３の補正部により補正されたＸ線画像データに基づいてＣＴ画像を再構成する請求項１記載の荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置。
前記第３の検出部は、前記第１の補正部により補正されたＸ線画像データに基づいて当該Ｘ線画像データが撮像された前記回転ガントリにおける前記Ｘ線検出器の取り付け位置のずれを検出する請求項２記載の荷電粒子線治療用ＣＴ画像作成装置。