JP6304718B2 - 呼吸計測システム、呼吸計測システムの動作方法及び呼吸計測プログラム - Google Patents

Description

本発明は、ユーザの呼吸状況を特定するための呼吸計測システム、呼吸計測システムの動作方法及び呼吸計測プログラムに関する。

がん治療を目的として、Ｘ線、ガンマ線、陽子や重イオンの粒子線等の放射線を用いた治療装置が検討されている。この場合、放射線や粒子線治療では、がんなどの患部に高精度に照射することが大切である。このため、肺、肝臓、膵臓など主に呼吸の影響で動く臓器に対しては、呼吸信号をモニタし、特定の呼吸振幅や呼吸位相に合わせて放射線を照射する方式が採用されていた。しかし、体表の呼吸信号から生体内の治療対象部位の位置を推定していたので、治療対象部位の運動を正確に把握することができず、放射線を精度よく照射することができなかった。

そこで、呼吸動作と呼吸位相とのズレを調整する技術も検討されている（例えば、特許文献１を参照。）。この文献に記載の技術においては、放射線コンピュータ断層撮影装置は、被検体に関する投影データを収集する架台を有する。呼吸計測部は、被検体の呼吸動作を計測して、呼吸波形を発生する。この呼吸波形の波高値に基づいて、投影データセット抽出部は画像再構成に要する角度範囲に対応する投影データセットを投影データから抽出する。

また、臓器の動きに応じて、照射条件を動的に変更するとともに、線量分布を正確に評価し、治療計画に基づいた適切な治療を行なうための放射線治療システムも検討されている（例えば、特許文献２を参照。）。この文献に記載の技術においては、呼吸位相毎に撮像された複数の３次元画像と、複数の３次元画像のそれぞれに対して生成された治療計画データを保持する４次元治療計画装置を用いる。そして、治療対象部位の変位を計測し、計測した変位データと、複数の３次元画像とに基づいて、呼吸位相を算出する。更に、算出した呼吸位相と治療計画データに基づいて照射装置を制御するとともに、放射線の線量分布を評価する。この場合、呼吸位相毎に呼吸位相に対応する治療計画データに基づいて計算した線量分布を重ね合わせ、重ね合わせた線量分布に応じて放射線量を制御する。

特開２０１２−１９８９２号公報 特開２０１２−２１０２３２号公報

特許文献１に記載された技術においては、呼吸センサとして、バンドと腹部の間に圧力センサを取り付け、圧力の変化により、呼吸の状態を観測する手法や、腹部上の光反射材を撮影し、光反射材の部分の動きにより、呼吸の状態を観測する手法が挙げられている。
また、特許文献２に記載された技術においては、１呼吸周期の間に、呼吸振幅もしくは呼吸位相ごとにトリガーをかけてＣＴ撮像を行なって、呼吸振幅もしくは呼吸位相の異なる複数のＣＴ画像を順次得るゲーティングありＣＴ撮像を行なう。この場合、呼吸センサとしては体外設置型ストレイン（歪み）ゲージや、体表マーカ検出カメラ、レーザ変位計等、呼吸に伴う体表面の上下動運動を計測する。その他、サーミスタや換気量計など一般的な呼吸センサも挙げられている。
しかしながら、特許文献１、２に記載された技術においては、計測できる範囲が限られているため、的確な呼吸計測ができない場合がある。また、特許文献２に記載された技術においては、ＣＴ撮像により、臓器の動きを把握できるが、画像処理の計算負荷が大きく、ＣＴ撮像に伴う患者の負担も大きくなるという課題がある。
また、咳やくしゃみ等、予期しない非呼吸性挙動についても予測が困難であった。この場合には、放射線等による的確な治療の実施が困難となる。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、この目的は、ユーザの呼吸状況を的確に特定するための呼吸計測システム、呼吸計測システムの動作方法及び呼吸計測プログラムを提供することにある。

・上記課題を解決するための呼吸計測システムにおいては、各特徴領域の座標及び時間情報を記憶する３次元計測情報記憶部と、３次元計測部に接続された制御部とを備える。そして、前記制御部が、前記３次元計測部から、ユーザの体表面において、深度情報を含む撮影画像を時間情報に関連付けて取得し、前記撮影画像に含まれる複数の特徴領域を特定し、前記特徴領域に対して予め定められた範囲の周囲点における深度に関する情報を特定し、前記周囲点の深度の統計値に基づいて、前記特徴領域の深度を特定し、前記特徴領域を識別して、前記深度を用いて算出した３次元座標の座標値を時間情報に関連付けて前記３次元計測情報記憶部に記録し、前記ユーザの呼吸性変動波形の振幅の大きさが異なる第１領域と第２領域とにおいて、前記３次元計測情報記憶部に記録された時間情報と座標値とに基づいて、振幅が大きい座標値から、振幅が小さい座標値を差し引いた値により呼吸性変動波形を算出する。これにより、複数の特徴領域に基づいて、呼吸性変動を特定することができる。

ユーザの緊張状態等によって、波形の中心点が移動するベースラインシフトが生じることがある。このベースラインシフトを削除することにより、的確に呼吸性変動成分を抽出することができる。

・上記呼吸計測システムにおいて、前記特定した呼吸性変動波形に基づいて、治療指示を出力することが好ましい。これにより、患部に対して、的確な治療を行なうことができる。

・上記呼吸計測システムにおいて、前記撮影画像に含まれる深度情報の時系列変化に基づいて、非呼吸性挙動を特定し、前記非呼吸性挙動の予兆挙動を特定することが好ましい。これにより、呼吸性変動波形からの逸脱を予測することができる。

・上記呼吸計測システムにおいて、前記撮影画像において特徴領域を特定した場合、前記特徴領域に対して予め定められた範囲の周囲点における３次元座標を特定し、前記周囲点の深度の統計値に基づいて、前記特徴領域の深度を予測する。これにより、統計的に的確な変動を特定することができる。

本発明によれば、ユーザの呼吸状況を的確に特定することができる。

本実施形態のシステム概略図。 本実施形態の処理手順の説明図。 本実施形態の説明図であって、（ａ）はベースラインシフト対応処理の処理手順、（ｂ）は胸部領域波形とベースライン、（ｃ）は腹部領域波形とベースライン、（ｄ）は腹部領域波形から胸部領域波形を差し引いた呼吸性変動波形とベースラインの説明図。 本実施形態の処理手順の説明図。 他の実施形態の処理手順の説明図。 本実施形態の説明図であって、（ａ）は深度計測処理の処理手順、（ｂ）は観測点の位置関係の説明図。 他の実施形態の処理手順の説明図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を、図１〜図４に従って説明する。本実施形態では、リアルタイムで患者（ユーザ）の呼吸状況を特定する。そして、この呼吸状況に応じて、体内の患部に対して放射線を照射して治療を行なう場合を想定する。

図１に示すように、放射線等を用いた治療を支援するために、呼吸計測システムは、３Ｄカメラ１０、呼吸計測装置２０、放射線治療装置３０を用いる。
３Ｄカメラ１０は、３次元計測部として機能し、近赤外線撮影部、深度センサ等を備え、被写体の位置や動きを認識することができる。そして、３Ｄカメラ１０は、被写体の撮影画像を出力する。この撮影画像には、視野に含まれる各被写体について、深度センサによって計測した距離情報（深度情報）が含まれる。

呼吸計測装置２０は、患者の呼吸を計測するコンピュータシステムである。この呼吸計測装置２０は、制御部２１、３次元計測情報記憶部２２を備えている。更に、この呼吸計測装置２０は、医師が操作に用いるキーボードやポインティングデバイス等の入力部や、ディスプレイ等の出力部を備える。

制御部２１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等から構成された制御手段として機能し、後述する処理（３次元計測段階、マーカ特定段階、呼吸特定段階等を含む処理）を行なう。このための呼吸計測プログラムを実行することにより、制御部２１は、３次元計測処理部２１１、マーカ特定部２１２、呼吸特定部２１３等として機能する。

３次元計測処理部２１１は、３Ｄカメラ１０から撮影画像を取得する処理を実行する。更に、３次元計測処理部２１１は、取得した撮影画像に基づいて、画像に含まれる各領域までの距離を算出する処理を実行する。

マーカ特定部２１２は、撮影画像において、呼吸による体表面の動きを計測するためのマーカを特定する処理を実行する。本実施形態では、複数のマーカを用いる。そして、マーカ特定部２１２は、撮影画像においてマーカを特定するための情報を保持している。

呼吸特定部２１３は、マーカの動きに基づいて、患者の呼吸を計測する処理を実行する。この呼吸特定部２１３は、計測した呼吸性変動波形に基づいて、次の計測時のマーカ位置を予測する。更に、呼吸特定部２１３は、予測したマーカ位置に基づいて新たに取得したマーカ位置の評価を行ない、この評価結果に応じた呼吸性変動に基づいて、呼吸同期信号を出力する。ここでは、呼吸性変動が維持されており、呼気状態や吸気状態に応じて、放射線の照射が可能な場合に、呼吸同期信号を出力する。そして、呼吸特定部２１３は、放射線治療装置３０から治療終了信号を取得するまで、呼吸同期信号出力を継続する。

３次元計測情報記憶部２２には、治療対象の患者を３Ｄカメラ１０で撮影した画像についての３次元計測データ２２０が記録される。この３次元計測データ２２０は、３Ｄカメラ１０から撮影画像を取得した場合に記録される。３次元計測データ２２０は、マーカＩＤ、計測時刻、マーカ位置に関するデータを含んで構成される。

マーカＩＤデータ領域には、各マーカを特定するための識別子に関するデータが記録される。
計測時刻データ領域には、このマーカを計測した時刻（計測開始からの経過時間）に関するデータが記録される。
マーカ位置データ領域には、このマーカの位置（３次元座標）に関するデータが記録される。

放射線治療装置３０は、放射線を患部に照射することにより、がん等の治療を行なう装置である。この放射線治療装置３０には、放射線を発する照射装置（ガントリ）や、患者が仰臥や背臥するための治療台が設けられている。放射線治療装置３０は、ＣＴ撮影装置等を用いて特定した患部に対する治療計画に基づいて、放射線を患部に照射する。この場合、患者の呼吸状況を特定し、この呼吸に合わせた体表面の動きに応じたタイミングで、間欠的に放射線を患部に照射する。この治療計画には、放射線照射を行なう放射線照射予定量に関する情報が含まれる。

次に、上記のように構成された呼吸計測装置２０を用いて、呼吸計測を行なう方法の処理手順について、図２〜図４を用いて説明する。ここでは、患者の体表面上の複数の計測点（例えば、胸部領域（第１領域）や腹部領域（第２領域）等の特徴領域）にマーカを貼り付ける。

（呼吸計測処理）
次に、図２を用いて、呼吸計測処理を説明する。
ここでは、計測期間中、以下の処理を繰り返す。

まず、呼吸計測装置２０の制御部２１は、画像取得処理を実行する（ステップＳ１−１）。具体的には、制御部２１の３次元計測処理部２１１は、３Ｄカメラ１０を用いて、放射線治療装置３０の治療台上の患者の姿勢を撮影する。そして、制御部２１の３次元計測処理部２１１は、３Ｄカメラ１０から撮影データを取得する。この撮影データには、被写体（例えば、各ピクセル）までの深度情報を含めた撮影画像に関するデータを含める。次に、３次元計測処理部２１１は、取得した撮影画像を、深度情報を用いて、各領域の３次元座標を算出する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカ検索処理を実行する（ステップＳ１−２）。具体的には、制御部２１のマーカ特定部２１２は、撮影画像において、所定の特徴量を有するマーカを検索する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカを含むかどうかについての判定処理を実行する（ステップＳ１−３）。具体的には、制御部２１のマーカ特定部２１２は、所定の特徴量を有するマーカを特定できた場合には、撮影画像においてマーカを含むと判定する。

マーカを含むと判定した場合（ステップＳ１−３において「ＹＥＳ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、以下の処理を、撮影画像において特定したマーカ毎に実行する。

まず、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカ位置の特定処理を実行する（ステップＳ１−４）。具体的には、制御部２１のマーカ特定部２１２は、撮影画像に基づいて、このマーカの３次元座標を特定する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、過去のマーカとの対応付け処理を実行する（ステップＳ１−５）。具体的には、３次元計測情報記憶部２２に３次元計測データ２２０が記録されておらず、初めてマーカを特定した場合には、制御部２１のマーカ特定部２１２は、各マーカにマーカＩＤを付与する。一方、既に３次元計測情報記憶部２２に３次元計測データ２２０が記録されている場合には、マーカ特定部２１２は、新たに特定した３次元座標から所定範囲内にあるマーカ位置が記録された３次元計測データ２２０（過去のマーカ）を特定する。次に、マーカ特定部２１２は、特定した３次元計測データ２２０からマーカＩＤを取得する。そして、マーカ特定部２１２は、付与又は特定したマーカＩＤ、計測時刻（現在時刻）、マーカ位置を含めた３次元計測データ２２０を生成し、３次元計測情報記憶部２２に記録する。
以上の処理を撮影画像において特定したすべてのマーカについて繰り返す。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、ベースラインシフト対応処理を実行する（ステップＳ１−６）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、ベースラインシフトを除去した呼吸性変動波形を特定する。ベースラインシフト対応処理については後述する。

一方、マーカを含まないと判定した場合（ステップＳ１−３において「ＮＯ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカ位置の特定処理（ステップＳ１−４）〜ベースラインシフト対応処理（ステップＳ１−６）をスキップする。
以上の処理を計測期間中、繰り返す。

（ベースラインシフト対応処理）
次に、図３（ａ）を用いて、ベースラインシフト対応処理を説明する。
まず、呼吸計測装置２０の制御部２１は、胸部領域波形の特定処理を実行する（ステップＳ２−１）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、３次元計測情報記憶部２２に記録された３次元計測データ２２０に基づいて、胸部領域のマーカの波形（波高の座標値）を特定する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、腹部領域波形の特定処理を実行する（ステップＳ２−２）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、３次元計測情報記憶部２２に記録された３次元計測データ２２０に基づいて、腹部領域波形のマーカの波形（波高の座標値）を特定する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、差分の算出処理を実行する（ステップＳ２−３）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、腹部領域波形の座標値と胸部領域波形の座標値との差分を算出する。これにより、ベースラインシフトを削除した呼吸性変動波形（呼吸パターン）を算出する。

図３（ｂ）には、腹部領域波形（ｂ１）と、この波形におけるベースライン（ｂ２）を示している。横軸は時間を表わしている。また、縦軸は各領域の波高を、呼気時には波高値が高くなり、吸気時には波高値が低くなるようにして表わしている。このベースラインは、所定時間における平均により算出した。

また、図３（ｃ）には、胸部領域波形（ｃ１）と、この波形におけるベースライン（ｃ２）を示している。このベースラインも、所定時間における平均により算出した。
腹部領域波形（ｂ１）と胸部領域波形（ｃ１）とを比較すると、腹部領域波形の方が胸部領域波形よりも振幅が大きいことがわかる。ベースライン（ｂ２）とベースライン（ｃ２）とを比較すると、ほぼ同じ傾きとなっている。

図３（ｄ）は、腹部領域波形から胸部領域波形を差し引いた波形（ｄ１）を示す。この場合、所定時間における平均により算出したベースライン（ｄ２）の傾きは、小さくなることがわかる。

（治療時処理）
次に、図４を用いて、治療時処理を説明する。ここでは、呼吸計測結果の出力処理に基いて、放射線を照射する治療処理を実行する。

（呼吸計測の結果出力処理）
まず、治療開始前に、呼吸計測装置２０に呼吸計測の開始入力を行なう。この場合、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸計測処理を実行する（ステップＳ３−１）。具体的には、制御部２１は、上述した呼吸計測処理を実行することにより、呼吸性変動波形を特定する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、乱れがあるかどうかについての判定処理を実行する（ステップＳ３−２）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、計測した呼吸性変動波形に基づいて、次の計測時のマーカ位置を予測する。次に、呼吸特定部２１３は、新たに取得したマーカ位置と予測したマーカ位置とを比較する。そして、新たに取得したマーカ位置と、予測したマーカ位置との誤差が許容値を超えている場合には、乱れがあると判定する。

新たに取得したマーカ位置と、予測したマーカ位置との誤差が許容値内で、乱れがないと判定した場合（ステップＳ３−２において「ＮＯ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸同期信号の出力処理を実行する（ステップＳ３−３）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、マーカ位置に応じて、放射線治療装置３０に対して、治療指示として呼吸同期信号を出力する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、治療終了かどうかについての判定処理を実行する（ステップＳ３−４）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、放射線治療装置３０から治療終了信号を取得した場合には治療終了と判定する。

治療終了と判定した場合（ステップＳ３−４において「ＹＥＳ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸計測結果出力処理を終了する。
放射線治療装置３０から治療終了信号を取得しておらず、治療終了でないと判定した場合（ステップＳ３−４において「ＮＯ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸計測処理（ステップＳ３−１）に戻る。

一方、乱れがあると判定した場合（ステップＳ３−２において「ＹＥＳ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸同期信号の出力中断処理を実行する（ステップＳ３−５）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、呼吸同期信号の出力を中断する。そして、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸計測処理（ステップＳ３−１）に戻る。

（治療処理）
ここでは、放射線治療装置３０は、呼吸同期信号に基づいて照射処理を実行する（ステップＳ４−１）。具体的には、放射線治療装置３０は、呼吸計測装置２０から呼吸同期信号を取得する。そして、放射線治療装置３０は、呼吸同期信号に応じて、治療計画に基づいて、放射線を患者に照射する。

次に、放射線治療装置３０は、照射量の算出処理を実行する（ステップＳ４−２）。具体的には、放射線治療装置３０は、放射線照射時間に基づいて、照射量を算出する。そして、放射線治療装置３０は、算出した照射量を、今回の治療における照射量の総量に加算して記憶する。
次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、治療終了かどうかについての判定処理を実行する（ステップＳ４−３）。具体的には、放射線治療装置３０は、照射量の総量と、治療計画で設定された放射線照射予定量とを比較する。そして、呼吸同期信号に基づいて照射した照射量の総量が放射線照射予定量に達した場合には治療終了と判定する。

治療終了と判定した場合（ステップＳ４−３において「ＹＥＳ」の場合）、放射線治療装置３０は、呼吸計測装置２０に対して治療終了信号を供給する。そして、放射線治療装置３０は、治療処理を終了する。
照射量が放射線照射予定量に達しておらず、治療終了でないと判定した場合（ステップＳ４−３において「ＮＯ」の場合）、放射線治療装置３０は、呼吸同期信号に基づいて照射処理（ステップＳ４−１）に戻る。

本実施形態の呼吸計測システムによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、呼吸計測装置２０の制御部２１は、画像取得処理（ステップＳ１−１）、マーカ検索処理（ステップＳ１−２）を実行する。マーカを含むと判定した場合（ステップＳ１−３において「ＹＥＳ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカ毎に、マーカ位置の特定処理（ステップＳ１−４）、過去のマーカとの対応付け処理（ステップＳ１−５）を実行する。これにより、撮影画像において特定したマーカを用いて、呼吸性変動を検出することができる。

（２）本実施形態では、呼吸計測装置２０の制御部２１は、ベースラインシフト対応処理を実行する（ステップＳ１−６）。患者の緊張状態等に伴う筋肉の硬直具合の変化により、腹部や胸部の呼吸性変動波形の中心点が移動するベースラインシフト現象が生じることがある。このベースラインシフトを排除して、的確な呼吸性変動波形を取得することができる。

（３）本実施形態では、マーカ変動が呼吸性変動波形から所定範囲内に含まれており、乱れがないと判定した場合（ステップＳ３−２において「ＮＯ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸同期信号の出力処理を実行する（ステップＳ３−３）。この場合、放射線治療装置３０は、呼吸同期信号に基づいて照射処理を実行する（ステップＳ４−１）。これにより、呼吸による変動に応じて、患部に対して、的確な治療を行なうことができる。

一方、乱れがあると判定した場合（ステップＳ３−２において「ＹＥＳ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸同期信号の出力中断処理を実行する（ステップＳ３−５）。これにより、咳やくしゃみ等の非呼吸性挙動を検知した場合には、治療を中断し、その結果、的確な治療を行なうことができる。

また、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、呼吸計測装置２０、放射線治療装置３０を用いて、呼吸計測、治療を行なう。ハードウェア構成は、これに限定されるものではない。例えば、ＣＴ撮影装置に呼吸計測方法を適用することも可能である。

・上記実施形態では、３次元計測装置として３Ｄカメラ１０を用いたが、３Ｄスキャナ等を利用することも可能である。
・上記実施形態では、患者の体表面上の複数の計測点（例えば、胸部領域や腹部領域の特徴領域）にマーカを貼り付ける。ここで、体表面は、身体の外表面を特定できるものであればよく、身体に密着した着衣にマーカを貼付するようにしてもよい。

・上記実施形態では、第１領域として胸部領域や第２領域として腹部領域を用いた。胴体において、呼吸性変動波形の振幅の大きさが異なる複数の領域であれば、胸部領域、腹部領域に限定されるものではない。また、計測する特徴領域の数も、少なくとも２か所の特徴領域があればよい。

また、胸式呼吸、腹式呼吸に応じて、振幅が大きい変動から、振幅が小さい変動を差し引くようにしてもよい。この場合には、呼吸計測装置２０の制御部２１は、３次元計測情報記憶部２２に記録された３次元計測データ２２０に基づいて特定した波形の振幅の統計値（例えば、平均値）を算出する。そして、呼吸特定部２１３は、振幅の統計値が小さい波形を、第１領域波形として特定する。また、振幅の統計値が大きい波形を、第２領域波形として特定する。そして、制御部２１は、第２領域波形の波高（座標値）から第１領域波形の波高（座標値）を差し引くことにより、ベースラインシフトを排除した呼吸性変動波形を算出する。

・上記実施形態では、リアルタイムで呼吸を計測する。バッチ処理により、呼吸を計測するようにしてもよい。この場合には、３Ｄカメラ１０によって撮影した画像を呼吸計測装置２０において時系列に蓄積する。そして、呼吸計測装置２０の制御部２１は、連続した撮影画像を用いて、マーカ検索処理（ステップＳ１−２）〜ベースラインシフト対応処理（ステップＳ１−６）を実行する。

・上記実施形態では、呼吸計測装置２０の制御部２１は、乱れがあるかどうかについての判定処理を実行する（ステップＳ３−２）。ここでは、新たに取得したマーカ変動が、予測したマーカ位置の所定範囲外までずれている場合には、乱れがあると判定する。そして、乱れがあると判定した場合（ステップＳ３−２において「ＹＥＳ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸同期信号の出力中断処理を実行する（ステップＳ３−５）。ここで、呼吸以外の非呼吸性挙動（例えば、咳やくしゃみ等）を予測して、呼吸同期信号の出力中断処理（ステップＳ３−５）を実行するようにしてもよい。この場合には、非呼吸性挙動を予測する予兆を把握するための予兆管理処理を実行する。この予兆管理処理では、例えば、予め咳を行なった患者の撮影画像に基づいて、咳が出る前の挙動（予兆）を登録する。この非呼吸性挙動の予測のために、呼吸計測装置２０の制御部２１は、３Ｄカメラ１０から取得した撮影画像における３次元情報を所定の時間、仮記憶するメモリを備える。

図５を用いて、予兆管理処理を説明する。
（予兆管理処理）
ここでは、呼吸計測装置２０の制御部２１は、ステップＳ３−１と同様に、呼吸計測処理を実行する（ステップＳ５−１）。この場合、制御部２１は、３Ｄカメラ１０から取得した撮影画像をメモリに仮記憶する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸以外の挙動を含むかどうかについての判定処理を実行する（ステップＳ５−２）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、呼吸性変動波形から外れた非呼吸性挙動を検知した場合に、呼吸以外の挙動があると判定する。

呼吸以外の挙動を含むと判定した場合（ステップＳ５−２において「ＹＥＳ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、挙動前の画像の特定処理を実行する（ステップＳ５−３）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、非呼吸性挙動を検知した時点から所定期間前の撮影画像をメモリから取得する。更に、呼吸特定部２１３は、非呼吸性挙動を検知していない時の撮影画像（通常呼吸時の挙動画像）を取得する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、挙動前の特徴的変動の検索処理を実行する（ステップＳ５−４）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、非呼吸性挙動検知時の所定期間前の撮影画像と、通常呼吸時の撮影画像とを比較する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、予兆変動があるかどうかについての判定処理を実行する（ステップＳ５−５）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、非呼吸性挙動検知時の所定期間前の撮影画像と、通常呼吸時の撮影画像とに特徴的な差異がある場合には、予兆変動があると判定する。

予兆変動があると判定した場合（ステップＳ５−５において「ＹＥＳ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、予兆変動の登録処理を実行する（ステップＳ５−６）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、特徴的な変動を予兆変動としてメモリに記録する。

一方、予兆変動がないと判定した場合（ステップＳ５−５において「ＮＯ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、予兆変動の登録処理（ステップＳ５−６）をスキップする。

そして、呼吸計測装置２０の制御部２１は、観測終了かどうかについての判定処理を実行する（ステップＳ５−７）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、予兆管理処理を開始してから、所定時間が経過した場合、観測終了と判定する。

観測終了でないと判定した場合（ステップＳ５−７において「ＮＯ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、呼吸計測処理（ステップＳ５−１）に戻る。
一方、観測終了と判定した場合（ステップＳ５−７において「ＹＥＳ」の場合）、呼吸計測装置２０の制御部２１は、予兆管理処理を終了する。
これにより、複数位置のマーカにより、非呼吸性変動を特定し、乱れがあるかどうかについての判定処理に用いることができる。

また、蓄積した撮影画像や３次元情報に基づいて機械学習を行なうことにより、非呼吸性変動の予兆を特定するようにしてもよい。この場合には、非呼吸性変動が生じる前の撮影画像や、この撮影画像に基づいて特定した３次元情報を入力層として、非呼吸性変動を出力層として機械学習を行なう。そして、治療時には、撮影画像に対して、機械学習結果を適用し、乱れがあるかどうかについての判定処理を実行する（ステップＳ３−２）。これにより、機械学習を用いて、非呼吸性変動を予測することができる。

・上記実施形態では、マーカの座標に基づいて呼吸性変動を特定する。ここで、マーカの周囲の情報を用いて、マーカの位置の精度を高めることも可能である。この場合には、深度計測処理を実行する。

図６（ａ）を用いて、深度計測処理を説明する。
（深度計測処理）
ここでは、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカの特定処理を実行する（ステップＳ６−１）。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカの深度情報の取得処理を実行する（ステップＳ６−２）。具体的には、制御部２１のマーカ特定部２１２は、撮影画像において、特定したマーカにおける深度を特定する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカを中心とする所定範囲の深度情報の取得処理を実行する（ステップＳ６−３）。具体的には、制御部２１のマーカ特定部２１２は、特定したマーカについて、３次元計測データ２２０において、予め定められた範囲で周囲を特定し、この周囲上で複数の周囲点を特定する。そして、マーカ特定部２１２は、特定した複数の周囲点の深度情報を取得する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、深度情報の統計処理を実行する（ステップＳ６−４）。具体的には、制御部２１のマーカ特定部２１２は、複数の周囲点の深度について、統計値（例えば、最頻値）を特定する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカの位置の特定処理を実行する（ステップＳ６−５）。具体的には、制御部２１のマーカ特定部２１２は、特定した統計値を用いて、マーカの座標を特定する。
図６（ｂ）では、マーカの周囲において６点の座標を特定し、これらの座標を用いて、マーカの位置を特定する場合を示す。これにより、マーカ位置の深度情報だけでなく、周囲点の深度情報を用いてマーカ位置の深度情報を補間し、的確なマーカ位置を特定することができる。

・上記実施形態では、呼吸計測装置２０の制御部２１は、ベースラインシフト対応処理を実行する（ステップＳ１−６）。この場合、呼吸計測装置２０の制御部２１は、ベースラインシフトを除去した呼吸性変動波形を特定する。ところで、呼吸は、患者の緊張状態等によって変わり、ベースラインが変化することがある。そこで、呼吸以外の第２のバイタルサイン（例えば、血圧・脈拍数・体温やストレス評価値等）を利用するようにしてもよい。この場合には、患者に対して、第２のバイタルサインを計測するセンサを設ける。このセンサとしては、血圧計、脈拍数の計測器、ストレスセンサや脳波計測センサ等を用いることができる。また、３Ｄカメラ１０を用いて撮影した画像に基づいて判定するようにしてもよい。この場合には、例えば顔の表情等を撮影した画像を用いて判定する。そして、制御部２１に、情報取得部を設け、センサから、第２のバイタルサインを取得する。
この場合には、呼吸計測装置２０に呼吸情報記憶部を設ける。この呼吸情報記憶部には、患者毎の呼吸状況に関する呼吸パターン（過去の呼吸性変動波形の典型例）が記録される。この呼吸パターンは、患者識別子（各患者を特定するための情報）、第２のバイタルサインに関連付けられて記録される。

図７を用いて、この場合の呼吸計測処理を説明する。
（呼吸計測処理）
ここでは、呼吸計測装置２０の制御部２１は、センサ計測情報の取得処理を実行する（ステップＳ７−１）。具体的には、制御部２１の情報取得部が、センサからセンサ計測情報を取得する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、第２のバイタルサインに関連付けた呼吸計測情報の記録処理を実行する（ステップＳ７−２）。具体的には、制御部２１の情報取得部は、取得したセンサ計測情報に基づいて、第２のバイタルサインを特定する。そして、呼吸特定部２１３は、患者識別子、第２のバイタルサインに関連付けて、呼吸性変動波形（呼吸パターン）を呼吸情報記憶部に記録する。

（治療時処理）
次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、センサ計測情報の取得処理を実行する（ステップＳ７−３）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、センサからセンサ計測情報を取得する。

次に、呼吸計測装置２０の制御部２１は、センサ計測情報に応じて呼吸挙動の予測処理を実行する（ステップＳ７−４）。具体的には、制御部２１の呼吸特定部２１３は、取得したセンサ計測情報に基づいて、第２のバイタルサインを特定する。そして、呼吸特定部２１３は、この患者の患者識別子、第２のバイタルサインに関連付けられた呼吸パターンを呼吸情報記憶部から取得する。そして、この呼吸パターンを用いて、呼吸性変動波形を予測する。

・上記実施形態では、呼吸計測装置２０の制御部２１は、胸部領域波形の特定処理（ステップＳ２−１）、腹部領域波形の特定処理（ステップＳ２−２）を実行する。ここでは、マーカ配置に基づいて、胸部領域波形、腹部領域波形を特定する。各領域の特定方法は、マーカ配置による特定に限定されるものではない。例えば、胸部領域に貼付するマーカや、腹部領域に貼付するマーカを識別できる形状や色彩等を設定してもよい。これにより、形状や色彩等を用いて、各波形を特定することができる。

・上記実施形態では、呼吸計測装置２０の制御部２１は、マーカ位置の特定処理（ステップＳ１−４）、過去のマーカとの対応付け処理（ステップＳ１−５）を実行する。ここでは、マーカの３次元座標を用いる。過去のマーカとの対応付け方法は、３次元座標を用いる場合に限定されるものではない。例えば、２次元の撮像画像に基づいて、２次元座標が近いマーカと対応付けるようにしてもよい。

１０…３Ｄカメラ、２０…呼吸計測装置、３０…放射線治療装置、２１…制御部、２２…３次元計測情報記憶部、２１１…３次元計測処理部、２１２…マーカ特定部、２１３…呼吸特定部。

Claims (5)

1. 各特徴領域の座標及び時間情報を記憶する３次元計測情報記憶部と、３次元計測部に接続された制御部とを備えた呼吸計測システムであって、
   前記制御部が、
   前記３次元計測部から、ユーザの体表面において、深度情報を含む撮影画像を時間情報に関連付けて取得し、
   前記撮影画像に含まれる複数の特徴領域を特定し、
   前記特徴領域に対して予め定められた範囲の周囲点における深度に関する情報を特定し、
   前記周囲点の深度の統計値に基づいて、前記特徴領域の深度を特定し、前記特徴領域を識別して、前記深度を用いて算出した３次元座標の座標値を時間情報に関連付けて前記３次元計測情報記憶部に記録し、
   前記ユーザの呼吸性変動波形の振幅の大きさが異なる第１領域と第２領域とにおいて、前記３次元計測情報記憶部に記録された時間情報と座標値とに基づいて、振幅が大きい座標値から、振幅が小さい座標値を差し引いた値により呼吸性変動波形を算出することを特徴とする呼吸計測システム。
2. 前記特定した呼吸性変動波形に基づいて、治療指示を出力することを特徴とする請求項１に記載の呼吸計測システム。
3. 前記撮影画像に含まれる深度情報の時系列変化に基づいて、非呼吸性挙動を特定し、
   前記非呼吸性挙動の予兆挙動を特定することを特徴とする請求項１又は２に記載の呼吸計測システム。
4. 各特徴領域の座標及び時間情報を記憶する３次元計測情報記憶部と、３次元計測部に接続された制御部とを備えた呼吸計測システムの動作方法であって、
   前記制御部が、
   前記３次元計測部から、ユーザの体表面において、深度情報を含む撮影画像を時間情報に関連付けて取得し、
   前記撮影画像に含まれる複数の特徴領域を特定し、
   前記特徴領域に対して予め定められた範囲の周囲点における深度に関する情報を特定し、
   前記周囲点の深度の統計値に基づいて、前記特徴領域の深度を特定し、前記特徴領域を識別して、前記深度を用いて算出した３次元座標の座標値を時間情報に関連付けて前記３次元計測情報記憶部に記録し、
   前記ユーザの呼吸性変動波形の振幅の大きさが異なる第１領域と第２領域とにおいて、前記３次元計測情報記憶部に記録された時間情報と座標値とに基づいて、振幅が大きい座標値から、振幅が小さい座標値を差し引いた値により呼吸性変動波形を算出することを特徴とする呼吸計測システムの動作方法。
5. 各特徴領域の座標及び時間情報を記憶する３次元計測情報記憶部と、３次元計測部に接続された制御部とを備えた呼吸計測システムを用いて、呼吸計測を実行するためのプログラムであって、
   前記制御部を、
   前記３次元計測部から、ユーザの体表面において、深度情報を含む撮影画像を時間情報に関連付けて取得し、
   前記撮影画像に含まれる複数の特徴領域を特定し、
   前記特徴領域に対して予め定められた範囲の周囲点における深度に関する情報を特定し、
   前記周囲点の深度の統計値に基づいて、前記特徴領域の深度を特定し、前記特徴領域を識別して、前記深度を用いて算出した３次元座標の座標値を時間情報に関連付けて前記３次元計測情報記憶部に記録し、
   前記ユーザの呼吸性変動波形の振幅の大きさが異なる第１領域と第２領域とにおいて、前記３次元計測情報記憶部に記録された時間情報と座標値とに基づいて、振幅が大きい座標値から、振幅が小さい座標値を差し引いた値により呼吸性変動波形を算出する手段として機能させることを特徴とする呼吸計測プログラム。