JP6473501B2 - 放射線治療装置と共に使用するための患者モニタリングシステムの較正方法 - Google Patents

Description

本発明は、患者モニタリングシステムの較正方法に関する。特に、本発明の実施形態は、正確な位置決め及び患者の動きの検出が治療の成功にとって重要となる放射線治療装置等と共に使用するための患者モニタリングシステムの較正方法に関する。

放射線療法は、患者の身体の所定領域に放射線ビームを投射して、その内部に存在する腫瘍を破壊又は除去することからなる。このような治療は、通常、周期的且つ反復的に行われる。それぞれの医学的介入においては、可能な限り高い精度で選択された領域を照射するために、放射源を患者に対して位置決めし、放射線ビームが有害となる隣接組織への放射を避ける必要がある。

患者に放射線を照射する際には、治療装置のゲーティングを呼吸周期と一致させて、放射線が腫瘍の位置に集中し、他の組織への副次的な損傷が最小限となるようにするべきである。患者の動きが検出された場合には、治療を停止して、患者の腫瘍位置以外の部位への照射を避けるべきである。

この理由から、放射線治療中の患者の位置決めを支援するための多数のモニタリングシステムが提案されており、例えば、全て出典を明記することによりその開示内容全体を本願明細書の一部とする、Ｖｉｓｉｏｎ ＲＴの先行特許及び特許出願ＵＳ７８８９９０６（特許文献１）、ＵＳ７３４８９７４（特許文献２）、ＵＳ８１３５２０１（特許文献３）、ＵＳ９０２８４２２（特許文献４）、ＵＳ２０１５／０２１６４５０（特許文献５）、ＷＯ２０１４／０５７２８０（特許文献６）、及びＷＯ２０１５／００８０４０（特許文献７）に記載されているもの等がある。

Ｖｉｓｉｏｎ ＲＴの特許出願に記載されたシステムでは、患者の立体画像を取得及び処理して、撮像された患者の表面上の点に対応する多数の点の３Ｄ位置を特定するデータを生成する。このようなデータは、以前の機会に生成されたデータとの比較を行い、一貫した形で患者を位置決めするために、又は患者が位置から外れた際に警告を発するために、使用することができる。一般に、このような比較には、プロクラステス分析を実施して、ライブ画像に基づいて生成されたデータにより特定される患者表面上の点と、以前の機会に生成されたデータにより特定される患者表面上の点との間の位置の差異を最小化する変換を決定することが含まれる。

ＵＳ７８８９９０６ ＵＳ７３４８９７４ ＵＳ８１３５２０１ ＵＳ９０２８４２２ ＵＳ２０１５／０２１６４５０ ＷＯ２０１４／０５７２８０ ＷＯ２０１５／００８０４０

"A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off the Shelf TV Cameras and Lenses", Roger Tsai, IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol. Ra-3, No.4, August 1987

放射線療法を施すための治療計画は、多重又は浮遊アイソセンタを有する治療装置により複雑さを増しつつある。また、全体的な治療時間を短縮するために、治療中に高い放射線量を使用する傾向が高まっている。このような複雑さの増加及び高線量化には、治療ミスの可能性の増加が伴っている。したがって、患者モニタリングシステムの精度の改善に対する必要性はこれまで以上に高まっている。

本発明の一態様によれば、放射線治療装置上の機械式カウチに横たわる患者の表面を写すように配置された複数の画像検出器を備える患者モニタリングシステムの較正方法が提供される。

本発明によれば、最初に、較正対象を、較正中の患者モニタリングシステムの画像検出器から見て、治療時に放射線治療装置の機械式カウチ上に横たわる患者の表面の予想位置に較正対象の表面が実質的に対応する場所である第１の位置に配置する。次に、画像検出器を用いて較正対象の画像を取得し、画像を処理して、画像検出器の相対位置及び方向と、画像検出器により取得された画像に存在する光学画像歪みを示すレンズ歪みパラメータとを確認する。次に、較正対象を、治療装置のアイソセンタに対して既知の位置にある第２の位置に再配置し、その後、複数の画像検出器を用いて、再配置された較正対象の画像を取得する。次に、取得画像を処理して、第１の位置から治療装置のアイソセンタへの較正対象の再配置に対応する変換を決定し、画像検出器により取得された、第１の位置における較正対象の画像に存在する光学画像歪みを示すデータと、治療装置のアイソセンタに対する画像検出器の位置及び方向を示すデータとを、前記決定された変換を画像検出器の確認された相対位置及び方向に適用することにより決定し、その後、格納する。

患者モニタリングシステムが較正されると、放射線治療装置の機械式カウチに横たわる患者の画像を、複数の画像検出器を用いて取得し、格納された、画像検出器により取得された画像に存在する光学画像歪みを示すデータ、及び治療装置のアイソセンタに対する画像検出器の位置及び方向を示すデータを利用して処理して、患者の表面のモデルを作成することができる。

又は、患者モニタリングシステムの複数の較正を、複数の較正のそれぞれが、異なる第１の位置に較正対象が配置された状態で実施されるように、本発明に従って実施することができる。複数の較正のそれぞれの結果として格納されたデータは、対応する較正に用いられた第１の位置の配置を示すものを更に含む。その後、モニタリング対象の患者の表面の位置を決定することが可能であり、決定された位置を使用して、較正に用いた第１の位置の配置が患者の表面の位置に対応する較正の結果として格納されたデータを選択することができる。その後、放射線治療装置の機械式カウチに横たわる患者の画像を、複数の画像検出器を用いて取得して、選択されたデータを利用して処理し、患者の表面のモデルを生成することができる。

出願者は、患者モニタリングシステムを較正することには２つの異なる側面があると理解している。治療装置のアイソセンタに対する患者の位置決めを容易にするためには、患者をモニタリングする画像検出器の相対的な位置を、互いに相対的に且つ治療装置のアイソセンタと相対的に特定可能であることが重要となる。この較正とは別に、画像検出器により取得した画像に存在する任意の光学歪みを特定して、モニタリング中の患者のモデル作成時に、このような歪みを考慮することも必要である。出願者は、モニタリング中の患者の表面の予想位置にある表面に対応する画像に基づく内的パラメータ（即ち、画像検出器により取得した画像に存在する光学画像歪みを示すデータ）を較正することにより、こうした光学歪みを患者のモニタリング時に考慮に入れる精度が高まり、これにより患者モニタリングシステムの精度が向上すると考えている。

一部の実施形態において、患者モニタリングシステムは、複数の画像検出器を有する単一の立体カメラを備え得る。他の実施形態において、患者モニタリングシステムは、複数の画像検出器をそれぞれ有する複数の立体カメラを備え得る。患者モニタリングシステムが複数の立体カメラを備える場合には、複数の立体カメラのそれぞれからの画像を処理して、第１の位置から治療装置のアイソセンタへの較正対象の再配置に対応する変換を個別の立体カメラ毎に決定し、第１の位置から治療装置のアイソセンタへの較正対象の再配置に対応する平均変換を決定してもよい。又は、個別の立体カメラを選択し、その立体カメラのみからの画像を取得及び処理して、第１の位置から治療装置のアイソセンタへの較正対象の再配置に対応する変換を決定してもよい。

複数の立体カメラを含む患者モニタリングシステムの場合、第１の位置から治療装置のアイソセンタへの較正対象の再配置に対応して計算された変換は、全ての立体カメラについて同一となるべきである。しかしながら、実際には、通常、何らかの不正確さが存在し、個別の立体カメラについて計算された変換の間に差異が生じる。変換の平均を決定してシステム全体に適用することにより、このアプローチでは、各カメラシステムに同一の変換が使用される状態を確保して、任意の発散を回避する一方、平均を使用して、誤差を最小化する「最良適合」を利用する。

又は、立体カメラのうち１つのみについて変換を決定し、その変換を全てのカメラシステムに適用することができる。これにより任意の発散は回避されるが、このアプローチでは、全体的な誤差を減少する可能性は低い。

図１は、患者モニタの概略斜視図である。 図２は、図１の患者モニタのカメラシステムの正面斜視図である。 図３は、図１の患者モニタのコンピュータシステムの概略ブロック図である。 図４は、本発明による較正方法のフロー図である。 図５は、図４の較正方法に用いる較正対象の一例の平面図である。 図６Ａは、多数の異なるレンズ歪みの結果を示す、図５の較正シートの画像を例示する図である。 図６Ｂは、多数の異なるレンズ歪みの結果を示す、図５の較正シートの画像を例示する図である。 図６Ｃは、多数の異なるレンズ歪みの結果を示す、図５の較正シートの画像を例示する図である。

次に、本発明の実施形態を、添付図面を参照して説明する。
患者モニタリングシステムの精度を向上させる立体カメラシステムの較正方法を説明する前に、患者モニタリングシステム及び放射線治療装置を説明する。

図１は、患者モニタリングシステムの一実施形態の概略斜視図である。この実施形態によれば、配線（図示せず）によりコンピュータ１４に接続された立体カメラシステム１０が提供される。コンピュータ１４は、放射線療法を施す線形加速器のような治療装置１６にも接続されている。機械式カウチ１８は、治療中に患者２０が上に横たわる治療装置の一部として設けられる。治療装置１６及び機械式カウチ１８は、コンピュータ１４の制御下で、機械式カウチ１８と処置装置１６との相対位置を、図中、カウチ近くの矢印により示すように、横方向、垂直方向、縦方向、及び回転方向に変化させ得るように構成される。

治療装置１６は、延在するガントリ２４を有する本体２２を含む。コリメータ２６は、治療装置１６の本体２２から離れたガントリ２４の端部に設けられる。放射線が患者２０に照射される角度を変化させるために、ガントリ２４は、コンピュータ１４の制御下で、治療装置１６の本体２２の中心を通る軸を中心に回転するように配置される。更に、治療装置による照射の位置は、ガントリ２４の端部にあるコリメータ２６を回転させることで変化させ得る。

図１に示した立体カメラシステム１０は、単一の立体カメラにより構成されているが、立体カメラシステム１０は、機械式カウチ１８上に横たわる患者２０の画像を取得するようにそれぞれ方向付けされた１組の立体カメラにより構成することができる。例えば、立体カメラシステム１０は、治療装置１６の周囲に配置した２つ又は３つの立体カメラにより構成することができる。

使用時、立体カメラシステム１０の画像検出器は、機械式カウチ１８上に横たわる患者２０のビデオ画像を取得する。これらのビデオ画像は、配線を介してコンピュータ１４に送られる。次に、コンピュータ１４は、患者２０の画像を処理して、患者の表面のモデルを生成する。このモデルは、以前の治療セッション中に生成された患者のモデルと比較される。患者を位置決めする際には、現在のモデル表面と以前のセッションから得られた目標モデル表面との間の差異を特定し、表面を整合させるために必要な位置決め指示が決定され、機械式カウチ１８に送信される。その後、治療中には、初期設定からの任意の逸脱を特定し、逸脱が閾値より大きい場合、コンピュータ１４は、治療装置１６へ指示を送信して、患者２０の位置を変更できるまで治療を停止させる。

図２は、図１の患者モニタリングシステムの立体カメラシステム１０の立体カメラ１１０の正面斜視図である。

この実施形態において、立体カメラ１１０は、ヒンジ４４を介してブラケット４２に接続されたハウジング４１を備える。ブラケット４２により、立体カメラ１１０を治療室の天井に固定位置で取り付けることが可能となる一方、ヒンジ４４により、立体カメラ１１０の向きをブラケット４２と相対的に定め、立体カメラ１１０が機械式カウチ１８上の患者２０を写す配置にすることができる。

一対のレンズ４６が、ハウジング４１の前面４８の両端に装着されている。これらのレンズ４６は、ハウジング４１内に収容されたＣＭＯＳアクティブ画素センサ又は電荷結合素子（図示せず）等の画像検出器の前に配置される。画像検出器は、レンズ４６の後ろに配置され、レンズ４６を介して患者２０の画像を取り込む。

ハウジング４１の前面４８の中央には、２枚のレンズ４６の間にスペックルプロジェクタ５２が設けられている。スペックルプロジェクタ５２は、患者２０の画像を２つの画像検出器により取り込んだ時に、取り込んだ画像の対応部分を識別できるように、赤色光の非反復スペックルパターンで患者２０を照明するように配置される。そのため、スペックルプロジェクタは、ＬＥＤ等の光源と、フィルム上に印刷されたランダムなスペックルパターンを有するフィルムとを備える。使用時、光源からの光は、フィルムを介して投射され、その結果、明領域及び暗領域からなるパターンが、患者２０の表面上に投射される。投射されたスペックルパターンの画像を立体カメラ１１０により取り込んだ後、画像を処理して、患者表面上の１組の点の位置を決定し、これにより、患者の位置をモニタすることができる。

図３は、図１の患者モニタのコンピュータ１４の概略ブロック図である。

コンピュータ１４が立体カメラシステム１０から受信した画像を処理するために、コンピュータ１４は、ディスク５４上に設けられたソフトウェアにより、又は通信ネットワークを介して電気信号５５を受信することにより、多数の機能モジュール５６乃至６４として構成される。図３に示す機能モジュール５６乃至６４は、本発明の動作の理解を容易にするための純粋に概念的なものであり、特定の実施形態では、ソフトウェアのソースコード中のコードのブロックと直接対応しない場合があることは理解されよう。他の実施形態において、図示した機能モジュール５６乃至６４により実行される機能は、異なるモジュール間で分割されてもよく、又は異なる機能のために同じモジュールを再使用することで実行されてもよい。

本実施形態において、機能モジュール５６乃至６４は、立体カメラシステム１０から受信した画像を処理する３Ｄ位置決定モジュール５６と、３Ｄ位置決定モジュール５６により生成されたデータを処理し、そのデータを、撮像したコンピュータ表面の３Ｄワイヤメッシュモデルに変換するモデル生成モジュール５８と、撮像面の３Ｄワイヤメッシュモデルを格納する生成モデル格納部６０と、以前に生成された３Ｄワイヤメッシュモデルを格納するための目標モデル格納部６２と、生成モデルを目標モデルに一致させるために必要な回転及び並進を決定するためのマッチングモジュール６４とを含む。

使用時、立体カメラシステム１０により画像が取得されると、これらの画像は、３Ｄ位置決定モジュール５６により処理される。この処理により、３Ｄ位置決定モジュールは、患者２０の表面の画像ペアにおいて対応する点の３Ｄ位置を特定することができる。これは、３Ｄ位置決定モジュール５６が、立体カメラシステム１０の各立体カメラ１１０により得られた画像ペアにおいて対応する点を特定し、その後、得られた画像ペアにおいて対応する点の相対位置と、画像を取得するカメラの相対位置を特定する格納データとに基づいて、これらの点の３Ｄ位置を決定することにより達成される。

一般に、対応する点の特定は、１６×１６画素程度の画像パッチの分析に基づく。上述したような対応するパッチの特定及びマッチングを支援するために、立体カメラシステム１０の各立体カメラ１１０は、患者２０の表面の様々な部分の識別を容易にすることができるように、ランダム又は疑似ランダムスペックルパターンを撮像中の患者２０に投影するように配置されたスペックルプロジェクタ５２を含む。スペックルパターンのサイズは、異なる画像パッチ内に異なるパターンが見えるように選択される。

３Ｄ位置決定モジュール５６により生成された位置データは、位置データを処理して、立体カメラシステム１０により撮像された患者２０の表面の３Ｄワイヤメッシュモデルを生成するモデル生成モジュール５８に渡される。本実施形態において、３Ｄモデルは、モデルの頂点が３Ｄ位置決定モジュール５６により決定された３Ｄ位置に対応する三角形ワイヤメッシュモデルを含む。このようなモデルは、決定されると、生成モデル格納部６０に格納される。

患者２０の表面のワイヤメッシュモデルが格納されると、マッチングモジュール６４が呼び出され、立体カメラシステム１０により取得されている現在の画像に基づく生成モデルと、目標モデル格納部６２に格納済みの、以前に生成された患者のモデル表面との間で、マッチング用の並進及び回転を決定する。決定された並進及び回転は、その後、機械式カウチ１８への指示として送信し、カウチにより患者２０を、治療装置１６に対して、以前に治療された時と同じ位置に位置決めすることができる。

その後、立体カメラシステム１０は、患者２０のモニタリングを継続し、更にモデル表面を生成して、これらの生成表面を目標モデル格納部６２に格納された目標モデルと比較することにより、任意の位置の変化を特定することができる。患者の位置がずれたと判断された場合には、治療装置１６を停止させ、患者２０を再配置することにより、患者２０の間違った部分への照射を回避することができる。

可能な限り高い精度で患者の表面のモデルを構築するためには、画像の一致部分を３Ｄ位置の決定に変換することができるように、立体カメラシステム１０を較正する必要がある。これには、画像検出器の相対的な位置及び方向を決定することが含まれる。また、立体カメラシステム１０の較正は、レンズ４６により持ち込まれる任意の光学歪み又は基礎となる画像検出器の他の任意の内部特性を補正する必要がある。

本出願者は、モニタリングシステムの精度は、立体カメラシステム１０の２段階較正を実施することにより改善可能であると認識している。

ＵＳ７８８９９０６（特許文献１）及びＵＳ７３４８９７４（特許文献２）に記載されているような従来の較正方法では、外的カメラパラメータ（即ち、画像検出器の相対的な場所及び方向）と内的カメラパラメータ（即ち、径方向の歪み、偏心／接線方向の歪み、焦点距離等の画像検出器の内部特性を定めるもの）とは、両方とも実質的に治療装置のアイソセンタに配置された較正対象を撮像することを含む１段階較正プロセスにより決定され、ここで、アイソセンタは、治療装置により生成された放射線ビーム（群）の焦点を合わせた空間内の点である。しかしながら、本出願者は、このような位置での較正対象の画像に基づいて内的のカメラパラメータを決定することは、誤差の原因になると認識している。

治療時には、患者の表面をモニタリングしつつ、治療装置により生成された放射線ビームの焦点を、治療中の腫瘍が位置している場所であるアイソセンタに合わせる。殆どの場合、治療中の腫瘍は、患者の体内に位置し、モニタリング中の表面から離れている。画像検出器の内的パラメータが、アイソセンタに位置決めした較正対象を撮像することのみに基づいて決定される場合、このようなパラメータは、アイソセンタから更に離れた位置での歪みについて画像を補正するために必要とされるパラメータとは、必ずしも一致しない。したがって、誤差を最小化するために、アイソセンタに位置する較正対象の画像にのみ基づいて、このような補正因子を決定するのではなく、内的パラメータの決定では、モニタ中の患者の表面の予想位置を考慮するべきである。これは、光学歪みパラメータ（即ち、画像検出器の内部特性を定める光学歪みパラメータ）と、相対カメラ位置パラメータ（即ち、外的パラメータ）とを、撮像対象の表面の予想位置に対して決定し、続いて、相対カメラ位置パラメータを適合させて、治療装置のアイソセンタに対する画像検出器の位置及び方向を考慮に入れるという、立体カメラシステムの２段階較正を実施することにより達成することができる。

図４は、本発明の一実施形態による、立体カメラシステム１０を較正する改良プロセスを示すフロー図である。２段階較正プロセスの第１の段階において、立体カメラシステム１０は、初期較正を受け、ここで較正対象は、治療のためにカウチに横たわる患者の表面の平均予想配置に対応する位置（例えば、特定されたアイソセンタの上方５乃至１０ｃｍ）に配置された状態で、相対カメラ位置と、画像検出器から生じる任意の画像歪みと、を決定するために用いられる。特に、本実施形態において、較正対象は、治療装置１６のアイソセンタの上方に配置され、較正対象の表面は、治療中の患者の表面の予想位置にあるアイソセンタと実質的に上方／垂直方向で整合させた状態となる。

図５は、例示的な較正対象の一例の平面図を示す。この例において、較正対象は、アルミニウム又はスチール等の平坦な剛性材料の７０×７０ｃｍのシートを含む較正シート１００であり、シート表面上の既知の位置にマーキング／円の３４×３２の行列を示すパターンが設けられる。更に、較正シートの中心に向かって、共に既知のサイズの正方形の四隅を特定する中心を有する４個の円に隣接した４個の小さなマーカ１０１ｂと、シート１００の中心に集まる一対の破線により形成された十字１０２とが存在する。

アイソセンタは、治療装置１６により生成された放射線ビームの焦点だが、しかしながら、放射線療法で用いられる電離放射線は、電磁スペクトルの可視領域にはない。これは、他の何らかの手段が提供されない限り、アイソセンタの位置を決定することが困難であることを意味する。

治療装置１６のアイソセンタの位置を特定するために、多くの治療室では、アイソセンタの位置を強調するレーザ投影システムを利用している。この場合、アイソセンタの位置は、レーザ投影システムにより生成されたレーザ光が較正シート１００の表面上を丁度通過するように較正シート１００を位置決めすることにより特定することができる。次に、較正シート１００（図５参照）上の線１０２を、レーザ光の射影平面と整合させ、線１０２の交点により形成された十字が、可能な限り、レーザ光投影器により投影された光の平面の交点により定められるアイソセンタに位置するようにする。アイソセンタの位置は、画像検出器により得られた較正シート１００の画像を処理して、十字１０２の位置を決定することにより特定可能となる。

又は、ＵＳ７３４８９７４（特許文献２）に記載されている方法を用いてもよい。このような方法では、ガントリ２４の端部から突出した十字線ターゲットを用いて、アイソセンタの位置を強調する。その後、アイソセンタの位置は、十字１０２をガントリ２４から投影された十字線ターゲットの経路に沿った２つの別個の点において十字線ターゲットと整合させると共に、２つの異なる角度でガントリ２４と整合させ、２つの経路に沿った十字１０２の位置をつなぐ線の交点を用いて、アイソセンタを特定することが可能な状態で、較正シート１００の画像を取得することにより決定される。

アイソセンタの位置が特定されると、較正シート１００は、治療装置１６のアイソセンタ上方で、治療のためにカウチに横たわる患者の表面の平均予想位置に対応する位置（例えば、特定されたアイソセンタの上方５乃至１０ｃｍ）に配置され、較正シートをアイソセンタと実質的に上方／垂直方向で整合させた状態となる（Ｓ４−１）。これは、アイソセンタの位置を強調する任意のレーザ光システムと実質的に整合させた機械式カウチ１８上に較正シートを位置決めすることにより達成可能となる。その後、機械式カウチは、アイソセンタと治療中にモニタされる患者の表面との間の通常の平均距離に相当する量だけ上昇させることができる。次に、較正シート１００の第１の画像セットを、立体カメラシステム１０の全ての画像検出器により取得し（Ｓ４−２）、コンピュータ１４のメモリに格納する。

次に、撮像対象の表面の予想位置に配置された較正シートの第１の画像セットを処理し、画像検出器の光学歪み及び相対カメラ位置パラメータを決定する（Ｓ４−３）。

相対カメラ位置パラメータは、画像内の４個のマーカ１０１ｂと、関連する円との位置を特定することにより決定することができる。これは、従来技術を用いて自動的に行うことが可能であり、又は、使用者が４個の円を手動で特定してもよい。画像内のマーカ１０１ｂにより特定された円の相対位置から、各画像について、画像内の歪んだ投影正方形の角を定める特定済みの円の推定中心を考慮した第１の射影変換が決定され、ここで、感知された正方形の歪みは、較正シート１００と画像を取得する画像検出器との相対的な方向に起因して生じる（即ち、射影歪み）。本実施形態において、この第１の変換は、円の中心が正方形の角に対応するように、射影歪み画像を矯正するための推定変換である。

次に、計算された変換を利用して、関連するマーカ１０１ｂにより特定される円のそれぞれの中心について、推定３次元座標を決定する。次に、これらの計算座標により、画像を取得した画像検出器の位置と相対的な、較正シート１００の表面に対応する平面の推定位置及び方向が特定される。

次に、画像検出器により取得された画像内の各画素を順に処理して、円の中心の推定位置を含む平面内で各画素が対応する位置を決定する。次に、推定された円の中心が順に処理され、計算された平面内の各円の中心から所定距離内に存在する点に対応する画像内の画素が特定される。本実施形態において、これらの領域は、較正シートの平面内に存在する点を、較正シート上に現れる円の半径より僅かに大きい距離まで包含するように選択される。したがって、このようにして、各円について、推定された円の中心位置を中心として、対象となる円の外縁を僅かに越えて延びるシートの一部の外観に対応する画素セットが特定される。

次に、各セットの画素のそれぞれのグレースケール値を利用して、円中心の座標の改善された推定値を決定する。特定の円について特定されたセット内の画素毎に、較正の表面に対応する推定平面内の画素の位置に対して、ｘ及びｙ座標が決定される。次に、これらの計算されたｘ及びｙ座標を利用して、円中心のｘ、ｙ座標の改善された推定値を次の式により決定する。
［数１］
ｘ＝Σｇｘ/Σｇ
ｙ＝Σｇｙ/Σｇ

ここで、Σｇは、特定の円中心について特定されたセット内の全画素値の合計であり、Σｇｘは、画素のグレースケール画素値に、これらの画素のｘ座標を乗じたものの合計であり、Σｇｙは、画素のグレースケール画素値に、これらの画素のｙ座標を乗じたものの合計であり、円の色は高いグレースケール値に関連付けられ、較正シートに対応する背景色は、低いグレースケール値に関連付けられる。

その後、新しい推定円中心に対応する画像内の点の座標を、これらのｘ、ｙ座標から決定し、次に、これらのマーク付きの円の中心の更新推定値を利用して、感知された較正シート画像の射影歪みを矯正するための、より正確な推定変換を決定する。その後、実際の円中心位置が正確に推定され、感知された較正シート画像の射影歪みを矯正し、これにより較正シートの相対位置及び方向を考慮に入れるために必要となる真の変換が決定されるまで、上記プロセスを繰り返すことができる。

次に、最終的に決定された変換を用いて、画像内に現れるシート上の全ての円の予想位置を計算し、推定された円中心のそれぞれの近傍の画像の部分を、上述したものと同じ形で個別に処理する。円毎に、円中心から予め設定された距離内の点に対応する画素セットを特定し、その後、改善された円中心座標を、グレースケール値及び座標値を用いて上述したように計算する。

較正シート１００上の各円の中心の座標が画像毎に計算されると、異なる画像検出器の相対的な方向は、こうした点の画像内の相対位置と、こうした円の較正シート表面上の既知の相対的位置とから計算することが可能であり、これは、出典を明記することにより本願明細書の一部とする"A Versatile Camera Calibration Technique for High-Accuracy 3D Machine Vision Metrology Using Off the Shelf TV Cameras and Lenses", Roger Tsai, IEEE Journal of Robotics and Automation, Vol. Ra-3, No.4, August 1987（非特許文献１）において詳細に説明されている。次に、この情報を用いて、立体カメラシステム１０の各立体カメラ１１０の初期相対カメラ位置パラメータを定める。例えば、こうした初期相対カメラ位置パラメータは、カメラ座標系を患者モニタリングシステムが用いる座標系に変換するために必要な３つの並進及び３つの回転を含むことができる（即ち、３Ｄ形状保存変換）。初期相対カメラ位置パラメータは、その後、コンピュータ１４のメモリ内に格納される。

決定された初期相対カメラ位置パラメータに基づいて、個別の画像検出器により取得された較正シート画像を更に処理して、光学歪みパラメータを決定することができる。例えば、較正シート表面を斜角で見たことにより生じる、感知された射影歪みを考慮する外的パラメータにより定められた３Ｄ形状保存／アフィン変換を適用することにより、これを達成することができる。画像を処理した際には、決定された変換を画像毎に適用した結果として、図５に示したような較正シート１００の平面図に対応する較正シート１００の画像が生じるべきである。しかしながら、実際には、画像検出器により持ち込まれた光学歪みが、変換画像内に依然として存在する。図６Ａは、樽形の径方向歪みが存在する較正シート１００の画像の例を示し、図６Ｂは、糸巻形の径方向歪みが存在する較正シート１００の画像の例を示し、図６Ｃは、偏心歪みが存在する較正シート１００の画像を示す。

変換された画像内の円１０１ａの位置及び形状を特定して、較正シート１００上の円の予想される位置及び形状と比較することで、画像検出器により持ち込まれた光学歪み（例えば、径方向の歪み、偏心／接線方向の歪み等）を考慮する光学歪みパラメータを計算し、コンピュータ１４のメモリ内に格納して、その後、患者の表面の正確な３次元表現を生成する際に用いることができる。

２段階較正プロセスの第２の段階では、較正の第１の段階で決定された相対カメラ位置パラメータを適合させて、治療装置のアイソセンタに対する画像検出器の位置及び方向を考慮に入れる。

この較正の第２の段階を行う際には、治療装置１６のアイソセンタに対して既知の場所にある位置、例えば実質的にアイソセンタの存在する位置に、較正シート１００を再配置する（Ｓ４−４）。ここでも、アイソセンタの位置を強調する任意のレーザ光システムと実質的に整合された機械式カウチ１８上に較正シート１００を位置決めすることにより、これを達成することができる。次に、較正シート１００の第２の画像セットを、立体カメラシステム１０の全ての画像検出器により取得する（Ｓ４−５）。次に、この第２の画像セットを処理して、撮像対象の表面の予想位置に配置された較正シートの画像を、実質的に治療装置１６のアイソセンタに配置された較正シートの画像に一致させるための変換を決定する（Ｓ４−６）。その後、決定された変換を、第１の較正段階中に立体カメラシステム１０の複数の画像検出器のそれぞれについて決定済みの初期相対カメラ位置パラメータに適用し（Ｓ４−７）、これにより最終カメラ位置パラメータを、治療装置１６のアイソセンタの位置に基づく座標位置に対して決定し、これらの最終カメラ位置パラメータを格納することが可能となる。

立体カメラシステム１０が単一の立体カメラで構成される場合、初期相対カメラ位置パラメータに適用すべき変換は、撮像対象の表面の予想位置に配置された較正シートの画像内の較正シート上の１組の点の座標を、実質的に治療装置のアイソセンタに配置された較正シートの画像内の較正シート上における、この１組の点の座標と比較することにより決定することができる。例えば、較正シート上のこれらの点は、上述した方法により画像から座標を抽出することが可能な較正シート上の円にすることができる。この比較は、一般には、プロクラステス分析を実施して、立体カメラにより取り込まれた第１の画像内の１組の点と、立体カメラにより取り込まれた第２の画像内の１組の点との間の位置の差異を最小化する変換を決定することが含まれる。

立体カメラシステム１０が複数の立体カメラで構成される場合には、立体カメラ毎に個別の変換が決定される。個別の変換それぞれは、上述したように決定することができる。しかしながら、個別の変換を対応する立体カメラの画像検出器に適用するのではなく、個別の変換全てを平均化し、結果的に生じた平均変換を、立体カメラシステムの全ての画像検出器に（即ち、各立体カメラの全ての画像検出器に）適用する。

これに関して、出願者は、２つの異なる位置間での並進のための変換は、各立体カメラに対して全く同じにするべきであると認識している。しかしながら、実際には、各立体カメラについて決定された個別の変換間の差異につながる何らかの不正確さが常に存在する。結果として、個別の立体カメラ毎に計算された変換が、対応する立体カメラについて計算された相対カメラ位置パラメータ（即ち、外的パラメータ）に適用される場合、こうした不正確さにより、別個の立体カメラにより取り込まれた画像から作成された表面が発散することが分かった。変換の平均を決定して各立体カメラに適用することにより、このアプローチでは、各立体カメラに同一の変換が使用される状態を確保して、任意の発散を回避する一方、平均を使用して、誤差を最小化する「最良適合」を利用する。

又は、複数の立体カメラのうちの１つのみの変換を決定し、その変換を立体カメラシステム１０の全ての立体カメラに適用することができる。これにより任意の発散は回避されるが、このアプローチでは、全体的な誤差が減少する可能性は低い。

上述した２段階較正プロセスの一部の実施形態では、立体カメラシステムに対して、事前に格納された内的及び外的パラメータのセットを生成することができる。これには、アイソセンタ上方の一連の異なる位置（例えば、７５ｍｍ上方、１００ｍｍ上方等）で、立体カメラシステムの較正の第１の段階を実行することが含まれる。その後、各位置に対して決定された内的及び外的パラメータのセットは、コンピュータ１４のメモリに格納され、表面を撮像する際に適切なセットが選択される。例えば、患者をモニタリングする場合、システムに格納されている内的及び外的パラメータのセットのうち１つをランダムに選択し、選択された内的及び外的パラメータのセットを用いて患者の表面を撮像することができる。その後、表面の取り込み画像を用いて、撮像対象の表面の実際の位置を決定し、決定された位置に対応する内的及び外的パラメータのセットを、システムのメモリに事前に格納されたセットから選択することができる。これにより、システムは、特定の撮像シナリオに最も適した内的及び外的パラメータを迅速に選択することが可能になる。特に、それぞれが患者表面の異なる予想位置に関連する複数の別個の較正を実施することにより、様々な異なる予想表面位置をカバーする複数組の較正データを生成して格納することが可能となり、最適な較正パラメータを、患者表面の実際の位置に基づき、且つ必ずしも新しい患者毎に別個の較正を実行することを必要とせずに、特定の患者に対して選択することができる。

治療中に患者の表面が位置する可能性の高い場所にほぼ対応するはずの位置に対して内的カメラパラメータが計算されるので、このようなパラメータは、この場所での表面の画像を処理する上で正確なものとなるはずである。したがって、アイソセンタから離れた位置に対する補正因子には正確に対応しない恐れがある、実質的にアイソセンタに位置決めされた較正シートの撮像に基づいて、このような補正を導出したために生じる不正確さを、回避することが可能となる。したがって、本明細書に記載の２段階較正プロセスでは、撮像中の表面の予想位置に対する内的パラメータの較正は、最良の精度を提供する。その後、外的パラメータは、治療装置のアイソセンタに適用可能となるように変換される。上述のシステムでは、較正シートの表面上に現れる円の中心の座標の推定値は、グレースケール値に基づいて特定され、円の色は、高いグレースケール値に関連付けられ、較正シートに対応する背景色は、低いグレースケール値に関連付けられるものとして説明されている。このような結果は、この結果が達成されるように較正シートの着色を選択することにより達成可能であることは理解されよう。代わりに、較正シート上の円に対する選択色を、背景よりも低い値が発生するように選択し、画像データを処理の前に反転させることもできる。

上述の実施形態では、円中心位置の決定は、グレースケール画像を処理することのみに基づいて説明している。円中心位置の初期推定値は、グレースケール画像を閾値処理し、生成された２値画像を利用して円中心の初期推定位置を特定することにより計算可能であることは理解されよう。その後、グレースケール画像を処理し、こうした画像内の追加情報を利用して円中心推定値の精度を向上させることにより、改善された推定値を得ることができる。

図面を参照して説明した本発明の実施形態は、コンピュータ装置及びコンピュータ装置において実行される処理を含むが、本発明は、コンピュータプログラム、特にキャリア上又は内部のコンピュータプログラムにも及ぶ。プログラムは、ソースコード若しくはオブジェクトコードの形態にしてよく、又は本発明によるプロセスの実施に使用するのに適した他の任意の形態にしてよい。キャリアは、プログラムを搬送可能な任意のエンティティ又はデバイスにすることができる。

例えば、キャリアは、例えばＣＤ−ＲＯＭ若しくは半導体ＲＯＭといったＲＯＭ等の格納媒体、又は例えばフロッピーディスク若しくはハードディスク等の磁気記録媒体を含み得る。更に、キャリアは、電気ケーブル若しくは光ケーブルを介して、又は無線若しくは他の手段により伝達し得る、電気信号又は光信号等の伝送可能キャリアにしてよい。プログラムが、ケーブル又は他の装置若しくは手段により直接伝達し得る信号に埋め込まれる場合、キャリアは、このようなケーブル又は他の装置若しくは手段により構成し得る。又は、キャリアは、プログラムが埋め込まれた集積回路であってもよく、集積回路は、関連するプロセスを実行するのに適したもの、又はその実行における使用に適したものにし得る。

Claims (10)

1. 第１の較正段階と第２の較正段階を含む患者モニタリングシステムの較正方法であって、
   前記方法は、
   放射線治療装置（１６）の機械式カウチ（１８）上に横たわる患者（２０）の表面を写すように配置された複数の画像検出器を提供することを備え、
   前記第１の較正段階は、
   較正対象（１００）を、治療中に前記放射線治療装置（１６）の前記機械式カウチ（１８）上に横たわる前記患者の表面の予想位置に前記較正対象の表面が実質的に対応する場所である第１の位置に配置することと、及び、
   前記複数の画像検出器を用いて前記較正対象の画像を取得し、前記取得画像を処理して、前記複数の画像検出器の相対位置及び方向と、前記画像検出器により取得された前記較正対象の前記画像に存在する光学歪みを示す光学歪みパラメータとを確認すること、とを含み、
   前記第２の較正段階は、
   前記較正対象（１００）を、前記治療装置のアイソセンタに対して既知の位置にある第２の位置に再配置して、前記複数の画像検出器を用いて前記再配置された較正対象（１００）の画像を取得し、前記取得画像を処理して、前記第１の位置から前記治療装置（１６）のアイソセンタへの前記較正対象（１００）の前記再配置に対応する変換を決定することと、及び、
   前記第１の較正段階の間に、前記画像検出器により取得された、前記第１の位置における前記較正対象の画像内に存在する光学歪みを示すデータと、前記第２の較正段階の間にて取得される前記決定された変換を前記画像検出器の前記確認された相対位置及び方向に適用することにより決定された、前記治療装置（１６）のアイソセンタに対する画像検出器の位置及び方向を示すデータとを格納すること、とを含む方法。
2. 前記患者モニタリングシステムは、前記複数の画像検出器を有する単一の立体カメラ（１１０）を備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記患者モニタリングシステムは、それぞれ前記複数の画像検出器を有する複数の立体カメラを備え、前記第１の位置から前記治療装置のアイソセンタへの前記較正対象（１００）の前記再配置に対応する変換を決定することは、
   前記複数の立体カメラのそれぞれからの画像を個別に処理して、前記立体カメラ毎に、前記第１の位置から前記治療装置のアイソセンタへの前記較正対象の前記再配置に対応する変換を決定することと、
   前記第１の位置から前記治療装置のアイソセンタへの前記較正対象の前記再配置に対応する平均変換を決定することと、を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記患者モニタリングシステムは、それぞれ複数の画像検出器を有する複数の立体カメラを備え、前記第１の位置から前記治療装置のアイソセンタへの前記較正対象の前記再配置に対応する変換を決定することは、
   前記複数の立体カメラのうちの１つからの画像を処理して、前記第１の位置から前記治療装置のアイソセンタへの前記較正対象の前記再配置に対応する変換を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
5. 更に、前記治療装置（１６）のアイソセンタの位置を特定することを含む、請求項１〜４のうちのいずれか一に記載の方法。
6. 前記第１の位置において、前記較正対象（１００）は、前記放射線治療装置（１６）のアイソセンタの前記特定位置の５乃至１０ｃｍ上方に配置される、請求項５に記載の方法。
7. 前記患者モニタリングシステムは、前記患者（２０）と前記画像検出器との間に配置された１つ以上のレンズ（４６）を備え、前記複数の画像検出器毎に光学歪みを示すレンズ歪みパラメータを決定することは、
   前記画像検出器が斜角で較正対象の前記表面を写す状態を発生させる前記画像検出器の相対位置及び方向により生じる射影歪みを考慮した変換を適用することと、
   前記変換された画像を、所定の視点からの前記較正対象の予想画像と比較して、光学歪みを特定することと、を含む、請求項１〜６のうちのいずれか一に記載の方法。
8. 前記較正対象（１００）は、既知のパターンに配置されたマーキング（１０１）を有する較正シート（１００）を備え、
   前記変換された画像を、所定の視点からの前記較正対象の予想画像と比較して、光学歪みを特定することは、
   前記変換された画像を処理して、前記較正シート（１００）上に存在するマーキング（１０１）の位置を特定し、所定の視点から見た前記較正シートの前記予想画像における前記マーキングの位置と比較することを含む、請求項７に記載の方法。
9. 患者をモニタリングする方法であって、
   請求項１〜８のうちのいずれか一に記載の患者モニタリングシステムを較正することと、
   前記複数の画像検出器を用いて、放射線治療装置（１６）の機械式カウチ（１８）上に横たわる患者の画像を取得することと、
   前記取得画像と、前記格納された、前記画像検出器により取得された画像に存在する光学歪みを示すデータ、及び前記治療装置のアイソセンタに対する前記画像検出器の位置及び方向を示すデータとを利用して、前記放射線治療装置（１６）の前記機械式カウチ（１８）上に横たわる前記患者の表面のモデルを生成すること、とを含む方法。
10. 放射線治療装置（１６）の機械式カウチ（１８）上に横たわる患者（２０）の表面を写すように配置された複数の画像検出器を備える患者モニタリングシステムの運転方法であって、
    請求項１〜８のうちのいずれか一に記載の患者モニタリングシステムの複数の較正を、それぞれ異なる第１の位置に配置された前記較正対象（１００）を用いて実施し、前記複数の較正のそれぞれの結果として格納された前記データが、前記較正に用いた前記第１の位置の配置を示すものを含むようにすることと、
    前記患者の表面の実際の位置を決定することと、
    前記較正に用いた前記第１の位置の配置が前記患者の表面の前記実際の位置に対応する前記較正の結果として格納されたデータを選択することと、
    前記複数の画像検出器を用いて、前記放射線治療装置の前記機械式カウチ上に横たわる患者の画像を取得することと、及び、
    前記取得画像と前記選択データとを利用して、前記放射線治療装置の前記機械式カウチ上に横たわる前記患者の表面のモデルを生成することと、を含む方法。

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