JP6534441B2 - 呼吸誘導システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、呼吸誘導システム及びその方法に係り、放射線治療時、患者の規則的な呼吸を誘導するためのシステムにおいて、呼吸に対するガイド信号と、患者の実際呼吸信号とを映像化して患者に提供することにより、患者の規則的な呼吸を誘導することができる呼吸誘導システム及びその方法に関する。

患者に対して、四次元放射線治療時または呼吸同期放射線治療時に留意しなければならない重要な要素のうち一つは、放射線治療において、臓器動作が一定であるという前提をもって行われなければならないという点である。人体の臓器動作に影響を与える運動要素は、多種があるが、そのうちでも呼吸を一貫して維持することは、放射線治療において非常に重要な要素である。

医療用放射線治療機を利用した放射線治療は、腫瘍部位に放射線を集中的に照射し、周辺正常組織には、最小限の線量が伝達されるようにすることが最も重要な要素でもある。特に、動く臓器に対する放射線治療において、放射線治療中に発生する臓器の幾何学的な動きの変動によってビームを制御する技術は必須不可欠である。

前述のような放射線治療時、呼吸と係わる前提条件をなすためにさまざまな装置が使用されているが、かような装置は、ほとんどガイド信号のみを使用して、患者自身の呼吸状態を患者自身が確認することができず、直観的に練習した通りにしか呼吸をしていない実情である。

そのために、従来の放射線治療技術は、ＲＰＭ（real-time position management）システムを使用して、医療用放射線治療機を制御して治療するゲーティング（gating）方法を主に使用している。しかし、該技術の治療成功いかんは、放射線治療患者の呼吸安定性にあり、呼吸が不安定な患者の呼吸同期放射線治療は、治療時間が長くなるという問題点が常に存在する。それだけでなく、前記ＲＰＭシステムは、呼吸周期だけをもって、呼吸の相（phase）を設定し、呼吸同期放射線治療に適用するために、呼吸パターンまたは呼吸量に対する考慮がなく、治療の正確性がかなり低下する。

特に、動く臓器に対する体部定位放射線治療は、他の放射線治療に比べ、治療時間が格段に長く、副作用の危険もまた非常に大きく、これを解消するために、安定した呼吸周期及び呼吸量を有するように患者を教育して呼吸を練習することは、さらに重要になる。

また、肺と係わる疾病がある放射線治療患者の場合には、安定した呼吸周期及び呼吸量を維持させることが実際に非常に大変であり、安定した呼吸状態でだけ放射線を照射しなければならない呼吸同期放射線治療技術を、前述のような肺疾患患者に適用するとき、呼吸の補助的な装置が必須であるという現実的な必要性が続けて提起されている。

前述の背景技術は、発明者が、本発明の導出のために保有していたり、本発明の導出過程で習得した技術情報であり、必ずしも本発明の出願前に、一般公衆に公開された公知技術とすることはできない。

本発明の実施形態は、放射線治療時、患者の規則的な呼吸を誘導するためのシステムにおいて、呼吸に対するガイド信号と、患者の実際呼吸信号とを映像化して患者に提供することにより、患者の規則的な呼吸を誘導することができる呼吸誘導システムを提供することを目的とする。

本発明の一実施形態は、患者の呼吸映像を撮影する撮像部と、前記撮像部で獲得した患者の呼吸映像を映像処理及び追跡分析し、患者の呼吸信号を獲得する呼吸信号変換部と、前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということ、前記獲得した呼吸信号が安定しているか否かということ、前記患者の呼吸信号とガイド呼吸とのマッチング点数が所定の基準値以上であるか否かということのうち１以上を判断する呼吸判断部と、前記呼吸信号変換部で獲得した患者の呼吸信号と、保存されたガイド信号とを共に提供する呼吸ガイド部と、を含む呼吸誘導システムを開示する。

本実施形態において、前記呼吸判断部は、獲得した呼吸信号規則性（regularity）のうち、呼吸周期の安定性（period & variance）、呼吸大きさの安定性（amplitude & variance）、呼吸の形態（respiratory pattern）のうち１以上の情報から、獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断することができる。

本実施形態において、前記呼吸判断部は、一定時間の、前記患者の呼吸信号と、前記ガイド呼吸との差が所定の既存値以上である場合、新たな呼吸パターンをガイド呼吸として提供することができる。

本実施形態において、前記呼吸ガイド部は、入出力部上にガイド信号（guiding signal）を表示している状態で、患者の呼吸信号を獲得し、リアルタイムで、前記ガイド信号と対応してディスプレイすることができる。

本実施形態において、前記呼吸誘導システムは、患者の呼吸が上部臨界点（upper threshold）と下部臨界点（lower threshold）との以内である場合にのみ放射線ビームを照射することができる。

本実施形態において、前記呼吸ガイド部は、前記獲得した呼吸信号の呼吸周期（period）、呼吸大きさ（amplitude）、呼吸の形態（pattern）のうち１以上の情報に基づいて、患者別ガイド信号を生成することができる。

本発明の他の実施形態は、患者の呼吸映像を撮影する段階と、前記撮影した患者の呼吸映像を映像処理及び追跡分析し、患者の呼吸信号を獲得する段階と、前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する段階と、前記獲得した呼吸信号が安定して維持されるか否かということを判断する段階と、前記獲得した呼吸信号が安定して維持される場合、現在の呼吸信号をガイド信号として保存する段階と、前記獲得した患者の呼吸信号と、前記保存されたガイド信号とを共に提供して患者の呼吸をガイドする段階と、を含む呼吸誘導方法を開示する。

本実施形態において、前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する段階は、獲得した呼吸信号の呼吸周期（period）、呼吸大きさ（amplitude）、呼吸の形態（pattern）のうち１以上の情報から、前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断することができる。

本実施形態において、前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸ではない場合、新たな呼吸パターンを、患者別ガイド呼吸として提供することができる。

本実施形態において、前記患者の呼吸をガイドする段階は、入出力部上にガイド信号（guiding signal）を表示している状態で、患者の呼吸信号を獲得し、リアルタイムで、前記ガイド信号と対応してディスプレイすることができる。

本実施形態において、前記段階が模擬治療時に遂行されて所定のガイド信号が保存され、実際の放射線治療遂行において、患者の呼吸映像を撮影する段階と、前記撮影した患者の呼吸映像を映像処理及び追跡分析し、患者の呼吸信号を獲得する段階と、前記獲得した呼吸信号と、模擬治療時に遂行されて保存された前記ガイド信号との差が所定の既存値以内であるか否かということを判断する段階と、前記所定の基準値以内である場合、放射線の照射が行われる段階と、をさらに含んでもよい。

本実施形態において、前記放射線の照射が行われる段階は、患者の呼吸が上部臨界点（upper threshold）と下部臨界点（lower threshold）との以内である場合にのみ放射線ビームを照射することができる。

前述のところ以外の他の側面、特徴、利点は、以下の図面、特許請求の範囲、及び発明の詳細な説明から明確になるであろう。

本発明によれば、正常組織には、放射線量が最小限に照射され、腫瘍に放射線量が最大限に伝達されるために、患者の呼吸の規則性を確保することができるように、訓練及びガイダンスを行う効果を得ることができる。

また、本発明のバイオフィードバック原理を利用した呼吸誘導システムは、患者の安定した呼吸または動きを必要とするところで、患者自身の動きを直接見ながら、個々人が自身の呼吸をコントロールすることができ、放射線治療過程での安定性を確保することができる。すなわち、患者が自身の呼吸を見ながらフィードバックして訓練をするために、放射線治療の効率を高めることができる。

また、本発明の呼吸誘導システムを介して呼吸同期放射線模擬治療時、または実際の治療時、安定していて規則的な呼吸を誘導するための患者教育システムの構築が可能である。

また、視覚装置を利用したフィードバック信号を患者にディスプレイし、さらに安定していて規則的な呼吸誘導が可能になる効果を得ることができる。

本発明の一実施形態による呼吸誘導システムを示す図面である。 図１の呼吸誘導システムの内部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、模擬治療時の呼吸誘導方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、模擬治療時の呼吸誘導方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、治療計画樹立時の呼吸誘導方法を示すフローチャートである。 本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、実際治療時の呼吸誘導方法を示すフローチャートである。 図１の呼吸誘導システムにおいて、ガイドシグナルと患者の呼吸信号とがディスプレイされている画面を示すグラフである。

本発明は、多様な変換を加え、さまざまな実施形態を有することができるが、特定実施形態を図面に例示し、詳細な説明によって詳細に説明する。本発明の効果、特徴、及びそれらを達成する方法は、図面と共に詳細に説明する実施形態を参照すれば、明確になるであろう。しかし、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、多様な形態によって具現されるのである。以下の実施形態において、第１、第２のような用語は、限定的な意味ではなく、１つの構成要素を他の構成要素と区別する目的に使用された。また、単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。また、「含む」または「有する」というような用語は、明細書上に記載された特徴または構成要素が存在するということを意味するものであり、１以上の他の特徴または構成要素が付加される可能性をあらかじめ排除するものではない。また、図面においては、説明の便宜のために、構成要素がその大きさが、誇張されたり縮小されたりもしている。例えば、図面に示された各構成の大きさ及び厚みは、説明の便宜のために任意に示されており、本発明は、必ずしも図示されているところに限定されるものではない。

以下、添付された図面を参照し、本発明の実施形態について詳細に説明するが、図面を参照して説明するとき、同一であるか、あるいは対応する構成要素は、同一図面符号を付し、それに係わる重複説明は省略する。

図１は、本発明の一実施形態による呼吸誘導システム１００を示す図面であり、図２は、図１の呼吸誘導システム１００の内部構成を示すブロック図である。

図１及び図２を参照すれば、本発明の一実施形態による呼吸誘導システム１００は、制御部１０１、撮像部１０３、入出力部１０５、メモリ１０７、プログラム保存部１０９、呼吸信号変換部１１１、呼吸判断部１１３、呼吸ガイド部１１５などを含む。それらについてさらに詳細に説明すれば、次の通りである。

詳細には、放射線手術、強度調節放射線治療、映像誘導放射線治療のように、放射線治療技術の発展により、ターゲット周辺の正常組織には、最小限の線量が伝達されるようにし、ほとんどの線量を腫瘍部位に集中的に照射することが可能になった。一方、呼吸運動に影響を受ける肺、肝臓、腹部の部位の腫瘍に対する放射線治療も、持続的に増加している。

しかし、肺、肝臓など呼吸による動きがある臓器の放射線治療は、治療臓器の動きによって、放射線伝達技術側面において、精密性と正確性とに劣り、所望するところに放射線量を集中させることができなかったり、所望しないところに放射線量の照射されたりするというような限界がある。それを克服するために、放射線治療分野においては、四次元呼吸同期方法を使用して放射線治療を施している。

呼吸同期放射線治療の成功いかんは、治療中、または治療と治療との間に発生する臓器の幾何学的な動きの変動によるビーム制御にある。特に、最近脚光を浴びる粒子線放射線治療の場合、既存治療に比べ、治療臓器の動きによる放射線量変化の影響を非常に大きく受けるために、呼吸同期放射線治療の導入は、必須不可欠である。そのために、従来の放射線治療技術は、線形加速器基盤で、体外表示子の動きのみを追跡するゲーティング方法が使用されており、かような方法においては、ＲＰＭ（real-time position management）システムを利用して呼吸同期がなされている。

しかし、該技術の治療成功いかんは、放射線治療患者の呼吸の安定性にあり、呼吸が不安定な患者の呼吸同期放射線治療は、治療時間が長くなるという問題点が持続する。特に、体部定位放射線治療及び体部放射線手術は、治療時間が非常に長いために、放射線治療中に規則的であって安定した呼吸周期及び呼吸量を有するように患者を教育し、呼吸を練習させることが非常に重要である。

また、従来放射線治療の治療計画樹立時には、静止映像を使用する。ところで、放射線治療中に、患者に対して、呼吸による内部臓器の動きによって計画した三次元的線量分布が計画と異なって分布され、それを従来の呼吸同期方法で一定部分相殺する。しかし、呼吸同期放射線治療を受ける患者の呼吸の規則度が良好ではなければ、動きによる臓器に対する放射線治療時、さらに好ましくない影響を及ぼす。

かような問題点を解決するために、本発明の一実施形態による呼吸誘導システム１００としては、放射線治療時、患者の規則的な呼吸を誘導するためのシステム及びその方法を提供する。具体的には、放射線治療患者の呼吸に対するガイド信号と、放射線治療患者から得られたフィードバック信号とを映像化し、それを患者に共に示すことにより、患者本人が本人の呼吸状態を制御し、模擬治療時及び実際放射線治療時、患者の呼吸の均一度によって、治療機を制御するシステム及びその方法を提供する。

以下、本発明の呼吸誘導システム１００の各構成要素について、さらに詳細に説明する。

制御部１０１は、一種の中央処理装置であり、呼吸誘導システム１００において、患者の呼吸を誘導する全体過程を制御する。すなわち、制御部１０１は、プログラム保存部１０９に搭載された制御ソフトウェアを駆動し、撮像部１０３を制御して患者の呼吸映像を撮影し、入出力部１０５を制御し、ガイド信号、及び患者の呼吸信号をディスプレイし、呼吸信号変換部１１１を制御し、撮像部１０３で獲得した患者の呼吸映像に対して、映像処理及び追跡分析を行って呼吸信号を獲得し、呼吸判断部１１３を制御し、患者の呼吸信号が放射線治療に適当な呼吸であるか、患者の呼吸が安定しているか、患者の呼吸信号とガイド信号とのマッチング点数が、所定の基準値以上であるかということなどを判断し、呼吸ガイド部１１５を制御し、患者が安定した呼吸を維持するように、患者にガイド信号を提供するというような多様なサービスを提供する。

入出力部１０５は、タッチ認識ディスプレイ制御器、またはそれ以外の多様な入出力制御器からも構成される。一例として、タッチ認識ディスプレイ制御器は、装置とユーザとの間で、出力インターフェース及び入力インターフェースを提供する。タッチ認識ディスプレイ制御器は、電気信号を制御部と送受信する。また、タッチ認識ディスプレイ制御器は、ユーザに視覚的な出力を表示し、視覚的出力は、テキスト、グラフィック、イメージ、ビデオ、及びそれらの組み合わせを含んでもよい。かような入出力部１０５は、例えば、タッチ認識が可能なＯＥＬＤ（organic light emitting display）またはＬＣＤ（liquid crystal display）のような所定のディスプレイ部材でもある。図１には、入出力部１０５の例として、めがねタイプのゴーグルディスプレイとモニタとを図示しているが、それらに限定されるものではなく、ＰＤＡ（personal digital assistant）、スマートフォンなど、多様な形態のディスプレイ装置が適用されるのである。

メモリ１０７は、制御部１０１が処理するデータなどを臨時に保存する機能を行う。

プログラム保存部１０９は、呼吸誘導システム１００が、患者の呼吸映像を撮影し、そこから患者の呼吸信号を獲得する作業、患者の呼吸が正常であるか否かということを判断する作業、患者にガイド信号を提供する作業などを遂行する制御ソフトウェアを搭載している。

次に、呼吸信号の獲得、判断、ガイドと係わる構成要素について、さらに詳細に説明する。

まず、本発明の一実施形態による患者あつらえ型呼吸誘導システム１００は、主に、呼吸同調放射線治療前に行われる模擬治療で使用される。すなわち、図６に図示されているように、模擬治療時、患者の呼吸訓練のために、患者にサイン（sine）形態の一般的なガイド信号を提供し、ガイド信号によって患者が呼吸する映像を、撮像部１０３を介して獲得し、それを基に、患者の呼吸周期や呼吸の大きさのような、呼吸と係わる基本要素を測定する。このとき、患者ごとに呼吸のパターンが異なるために、測定された呼吸資料を分析し、患者別最適の呼吸パターンを求める。また、測定されて分析された呼吸の要素をもって、自家呼吸練習を実施する。その後、患者の個別的な呼吸要素を利用して求められたガイド信号を利用した呼吸練習後、測定された患者の呼吸信号との比較分析を介して、患者が安定した呼吸を行う否かということを判断する。このとき、ガイド呼吸と、実際の患者の呼吸とのマッチング点数が、基準値以下である場合、個別患者の呼吸要素をさらに分析し、適する呼吸誘導シグナルをさらに決定する。

このとき、患者が安定した呼吸を行うと判断されたとき、患者には、ガイド信号と、現在獲得された患者の呼吸信号とを共に示すインターフェースを提供する。このとき、患者がモニタに表示された目追跡点（eye tracking point）を注視しながら、規則的な呼吸を行うことができるように、できる限り、最初の患者の呼吸と類似したガイド信号を提供する。このように、映像処理及び追跡分析を介して獲得した患者の呼吸信号とガイド信号とをリアルタイムで患者に提供する。このときに得られた患者の呼吸信号は、呼吸同調放射線治療計画の樹立時、呼吸同調放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する基礎資料として使用することになる。もし治療計画の樹立時、他の臓器との幾何学的構造によって、呼吸同調放射線治療に適さないと判断されるとき、患者は、再び呼吸同調模擬治療を介して、適切な呼吸因子を再び樹立する。それと反対に、適切な治療呼吸因子であると判断されるときには、模擬治療時に提供される患者の呼吸因子を基に、作業者は、最適の呼吸同調ゲーティングウィンドウを決定する。

本発明は、呼吸同調放射線治療時にも、患者あつらえ型ガイド信号と、現在の呼吸状態とを患者にリアルタイムで提供し、それを介して、放射線治療患者の規則的な呼吸が誘導される。また、呼吸同調放射線治療時には、本発明を介して、模擬治療時、呼吸とのマッチングがリアルタイムに分析され、またゲーティングウィンドウ内において、患者の呼吸が行われるか否かということを持続的にリアルタイム観察を行うことができる。もし模擬治療時と、実際の治療時との患者の呼吸が異なる場合、またはゲーティングウィンドウ内において、患者の呼吸が行われない場合には、勤務者及び治療患者に、ビームオフ（beam off）アラームが点灯され、適切な状況ではないということを知らせる。その場合、自動的にビームが終了するか、あるいは作業者によって手動でビームが終了する。

以下では、かような役割を行う各構成要素について、さらに詳細に説明する。

まず、呼吸信号変換部１１１は、撮像部１０３で獲得した患者の呼吸映像に対して、映像処理及び追跡分析を行い、呼吸信号を獲得する。このために、患者の胸部または腹部には、所定の表示子１３０が配置され、撮像部１０３で獲得した患者の呼吸映像のうち、表示子１３０の動きに対して、映像処理及び追跡分析を行い、呼吸信号を獲得することができる。このとき、呼吸信号変換部１１１によって獲得された患者の呼吸信号（patient signal）は、図６に図示されているように、サイン波形態で、入出力部１０５上にディスプレイされる。

呼吸判断部１１３は、患者の呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか、患者の呼吸が安定しているか、患者の呼吸と、ガイド呼吸とのマッチング点数が、所定の基準値以上であるか否かということなどを判断する役割を行う。

まず、呼吸判断部１１３は、呼吸信号変換部１１１で獲得した呼吸信号が、放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断することができる。詳細には、呼吸判断部１１３は、獲得した呼吸の呼吸周期（period）、呼吸大きさ（amplitude）、呼吸の形態（pattern）などから、呼吸の規則度（regularity）、及び獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する。すなわち、患者の呼吸周期が過度に長いか、あるいは短い場合、患者の呼吸大きさが過度に大きいか、あるいは小さい場合、あるいは呼吸の形態が不規則な場合などには、獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸ではないと判断することができる。

次に、呼吸判断部１１３は、呼吸信号変換部１１１で獲得した呼吸信号と、ガイド呼吸とのマッチング点数が所定の基準値以上であるか否かということを判断することができる。すなわち、一定時間の間のガイド呼吸と、患者の呼吸との差が一定基準以内である場合、しばらくの間は、患者の呼吸が安定していない場合でも、全体的に見たとき、患者の呼吸が安定して行われていると判断し、現在のガイド呼吸パターン通り、患者に自家呼吸練習を行わせる。一方、一定時間の間のガイド呼吸と、患者の呼吸との差が一定基準を外れる場合、保存されたガイド呼吸と、患者の呼吸とが一致しないと判断し、個別患者に適する新たな呼吸パターンを、ガイド呼吸として提供することができる。

また、呼吸判断部１１３は、獲得した患者の呼吸信号が安定しているか否かということを判断することができる。すなわち、呼吸判断部１１３は、初期に測定した患者の呼吸が安定して維持されるか否かということを判断する。そして、獲得した呼吸信号が安定して維持される場合、現在の呼吸パターンを患者の呼吸パターンとして保存し、一方、獲得した呼吸信号が安定していない場合、新たな呼吸パターンを、患者の呼吸パターンとして保存することができる。

呼吸ガイド部１１５は、患者が安定した呼吸を維持するように、患者に、ガイド信号を提供する役割を行うことができる。すなわち、呼吸ガイド部１１５は、入出力部１０５を介して、患者にサイン波形態の所定ガイド信号、及び呼吸信号変換部１１１で獲得した患者の呼吸信号を共に提供することにより、患者がガイド信号に合わせて、自分の呼吸を調節することができるようにガイドする役割を行うことができる。このように、呼吸ガイド部１１５が、入出力部１０５を介して、患者にサイン波形態の所定ガイド信号（guiding signal）、及び呼吸信号変換部１１１で獲得した患者の呼吸信号（patient signal）を共に提供する画面が図６に図示されている。このとき、呼吸ガイド部１１５は、ガイド信号（guiding signal）を表示している状態で、患者の呼吸信号を獲得し、リアルタイムでガイド信号と対応して示すことにより、患者の呼吸をさらに良好にガイドすることができる。すなわち、患者の呼吸信号によって、目追跡点（eye tracking point）を移動させ、ユーザが、目追跡点（eye tracking point）に従っていきながら呼吸を行わせ、患者の安定した呼吸を誘導する。

以下では、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法について説明する。

まず、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、模擬治療時の呼吸誘導方法について説明する。図３Ａ及び図３Ｂは、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、模擬治療時の呼吸誘導方法を示すフローチャートである。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すれば、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法は、患者が呼吸訓練を行う段階（Ｓ１０１段階）、撮像部で獲得した患者の呼吸映像を映像処理し、それを追跡分析する段階（Ｓ１０３段階）、前記映像処理及び追跡分析を介して、患者の呼吸信号を獲得する段階（Ｓ１０５段階）、前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する段階（Ｓ１０７段階）、放射線治療に適する呼吸である場合、周期的に撮像部で獲得した患者の呼吸映像を映像処理し、それを追跡分析し（Ｓ１１１段階）、前記映像処理及び追跡分析を介して、患者の呼吸信号を獲得する段階（Ｓ１１３段階）、前記獲得した呼吸信号が安定しているか否かということを判断する段階（Ｓ１１５段階）、前記獲得した呼吸信号が安定している場合、現在の呼吸パターンを、患者の呼吸パターンとして保存する段階（Ｓ１１７段階）、前記獲得した呼吸信号が安定していない場合、ガイド呼吸と、患者の呼吸とのマッチング点数が基準値以上であるか否かということを判断する段階（Ｓ１１９段階）を含む。

次に、周期的に撮像部で獲得した患者の呼吸映像を映像処理し、それを追跡分析し（Ｓ１２１段階）、前記映像処理及び追跡分析を介して、患者の呼吸信号を獲得する段階（Ｓ１２３段階）、前記獲得した呼吸信号が安定しているか否かということを判断する段階（Ｓ１２５段階）、前記獲得した呼吸信号が安定している場合、現在の呼吸パターンを患者の呼吸パターンとして保存する段階（Ｓ１２７段階）、前記獲得した呼吸信号が安定していない場合、患者の呼吸を、新たな呼吸パターンでもって保存する段階（Ｓ１２９段階）、保存された呼吸パターンを患者にガイドする段階（Ｓ１４１段階）、模擬治療が終了したか否かということを判断し、模擬治療が終了していない場合、前記Ｓ１２１段階以下を反復して遂行する段階（Ｓ１４３段階）を含む。

それについてさらに詳細に説明すれば、次の通りである。

まず、患者が呼吸訓練を行えば（Ｓ１０１段階）、呼吸信号変換部１１１は、撮像部１０３で獲得した患者の呼吸映像を映像処理し、それを追跡分析し（Ｓ１０３段階）、患者の呼吸信号を獲得する（Ｓ１０５段階）。

次に、呼吸判断部１１３は、前記獲得した呼吸信号が、放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する（Ｓ１０７段階）。詳細には、呼吸判断部１１３は、獲得した呼吸信号の呼吸周期（period）、呼吸大きさ（amplitude）、呼吸の形態（pattern）などから、獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する。すなわち、患者の呼吸周期が過度に長いか、あるいは短い場合、患者の呼吸大きさが過度に大きいか、あるいは小さい場合、あるいは呼吸の形態が不規則な場合などには、獲得した呼吸信号が、放射線治療に適する呼吸ではないと判断することができる。

前記判断結果、獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸ではない場合、制御部１０１は、個別患者に適する新たな呼吸パターンを、入出力部１０５を介して患者に提供し（Ｓ１３１段階）、患者は、自家呼吸練習を行った後（Ｓ１３３段階）、Ｓ１０３段階からＳ１０７段階までを反復して遂行する。

前記判断結果、獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸である場合、周期的に撮像部１０３で獲得した患者の呼吸映像を映像処理し、それを追跡分析し（Ｓ１１１段階）、患者の呼吸信号を獲得する（Ｓ１１３段階）。

そして、呼吸判断部１１３は、前記獲得した呼吸信号が安定しているか否かということを判断する（Ｓ１１５段階）。すなわち、呼吸判断部１１３は、初期段階（Ｓ１０３段階〜Ｓ１０７段階）で獲得した初期の患者の呼吸が安定して維持されるか否かということを判断する。

前記獲得した呼吸信号が安定していない場合、ガイド呼吸と、患者の呼吸とのマッチング点数が基準値以上であるか否かということを判断する（Ｓ１１９段階）。すなわち、一定時間の間のガイド呼吸と、患者の呼吸との差が一定基準以内である場合、しばらくの間は、患者の呼吸が安定していない場合でも、全体的に見たとき、患者の呼吸が安定して行われていると判断し、現在のガイド呼吸パターン通り、患者に、自家呼吸練習を行わせた後（Ｓ１３３段階）、Ｓ１０３段階からＳ１０７段階を反復して遂行する。一方、一定時間の間のガイド呼吸と、患者の呼吸との差が一定基準以内ではない場合、制御部１０１は、個別患者に適する新たな呼吸パターンを、入出力部１０５を介して患者に提供し（Ｓ１３１段階）、患者は、自家呼吸練習を行った後（Ｓ１３３段階）、Ｓ１０３段階からＳ１０７段階を反復して遂行する。

一方、前記獲得した呼吸信号が安定している場合、現在の呼吸パターンを、患者の呼吸パターンとして保存する（Ｓ１１７段階）。

そして、患者が呼吸訓練を行えば、周期的に呼吸信号変換部１１１は、撮像部１０３で獲得した患者の呼吸映像を映像処理し、それを追跡分析し（Ｓ１２１段階）、前記映像処理及び追跡分析を介して、患者の呼吸信号を獲得する（Ｓ１２３段階）。

そして、呼吸判断部１１３は、前記獲得した呼吸信号が安定しているか否かということを判断する（Ｓ１２５段階）。すなわち、呼吸判断部１１３は、初期に測定した患者の呼吸が安定して維持されるか否かということを判断する。

そして、前記獲得した呼吸信号が安定している場合、現在の呼吸パターンを、患者の呼吸パターンとして保存する（Ｓ１２７段階）。一方、前記獲得した呼吸信号が安定していない場合、新たな呼吸パターンを、患者の呼吸パターンとして保存する（Ｓ１２９段階）。

最後に、保存された呼吸パターンを患者にガイドし（Ｓ１４１段階）、模擬治療が終了したか否かということを判断し、模擬治療が終了していない場合、前記Ｓ１２１段階以下を反復して遂行する（Ｓ１４３段階）。

次に、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、治療計画樹立時の呼吸誘導方法について説明する。図４は、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、治療計画樹立時の呼吸誘導方法を示すフローチャートである。

図４を参照すれば、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、治療計画樹立時の呼吸誘導方法は、模擬治療時に保存された個別患者の呼吸信号を、患者に提供する段階（Ｓ２０１段階）、呼吸同調放射線治療計画を樹立する段階（Ｓ２０３段階）、撮像部１０３で獲得した患者の呼吸映像を映像処理し、それを追跡分析して患者の呼吸信号を獲得し、獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する段階（Ｓ２０５段階）、放射線治療に適する呼吸である場合、個別患者の最適ゲーティングウィンドウを決定する段階（Ｓ２０７段階）、及び呼吸同調放射線治療を行う段階（Ｓ２０９段階）を含む。ここで、もし獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸ではない場合、図３に図示された模擬治療を反復し、個別患者の呼吸パターンを求める。

次に、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、実際治療時の呼吸誘導方法について説明する。図５は、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、実際治療時の呼吸誘導方法を示すフローチャートである。

図５を参照すれば、本発明の一実施形態による呼吸誘導方法において、実際治療時の呼吸誘導方法は、模擬治療時に保存された個別患者の呼吸信号を患者にガイドする段階（Ｓ３０１段階）、撮像部で獲得した患者の呼吸映像を映像処理し、それを追跡分析し（Ｓ３０３段階）、前記映像処理及び追跡分析を介して、患者の呼吸信号を獲得する段階（Ｓ３０５段階）、前記獲得した呼吸信号と、模擬治療で得たガイド呼吸とのマッチング点数が基準値以上であるか否かということを判断する段階（Ｓ３０７段階）、マッチング点数が基準値以上である場合、ゲーティングウィンドウ内で呼吸が行われるか否かということを判断する段階（Ｓ３０９段階）、ゲーティングウィンドウ内で呼吸が行われる場合、現在の呼吸パターンを維持する段階（Ｓ３１１段階）、放射線治療が終了したか否かということを判断し、放射線治療が終了していない場合、前記Ｓ３０１段階以下を反復して遂行する段階（Ｓ３１７段階）を含む。ここで、マッチング点数が基準値以下である場合、またはゲーティングウィンドウ内で呼吸が行われない場合、呼吸以上信号を知らせた後（Ｓ３１３段階）、放射線ビームの照射を終了する。（Ｓ３１５段階）

一方、図５には図示されていないが、患者の呼吸が、所定範囲以内である場合にのみ放射線ビームを照射し、患者の呼吸が所定範囲以内ではない場合には、放射線ビームを照射しないように制御することもできる。すなわち、図６から分かるように、患者の呼吸が、上部臨界点（upper threshold）と下部臨界点（lower threshold）との以内である場合には、放射線ビームを照射し、上部臨界点（upper threshold）と下部臨界点（lower threshold）との外部である場合には、ビームを照射しないように制御することもできる。

かような本発明によって、正常組織には放射線量が最小限に照射され、腫瘍に放射線量ができる限り伝達されるようにするために、患者の呼吸の規則性を確保することができるように、訓練及びガイディングを行うという効果を得ることができる。

また、本発明のバイオフィードバック原理を利用した呼吸誘導システムは、患者の安定した呼吸または動きを必要とするところで、患者自身の動きを直接見ながら、個人個人が自分の呼吸をコントロールすることができ、放射線治療過程での安定性を確保することができる。すなわち、患者が自分の呼吸を見ながら、フィードバックして訓練を行うために、放射線治療の効率を高めることができる。

また、本発明の呼吸誘導システムを介して、呼吸同調放射線模擬治療時、または実際の治療時、安定して規則的な呼吸を誘導するための患者教育システムの構築が可能である。また、視覚装置を利用したフィードバック信号を患者にディスプレイし、さらに安定して規則的な呼吸誘導が可能になるという効果を得ることができる。

以上で説明した本発明による実施形態は、コンピュータ上で、多様な構成要素を介して、実行されるコンピュータプログラムの形態に具現され、かようなコンピュータプログラムは、コンピュータで読み取り可能な媒体に記録される。このとき、該媒体は、ハードディスク、フロッピィーディスク及び磁気テープのような磁気媒体；ＣＤ−ＲＯＭ（compact disc read only memory）及びＤＶＤ（digital versatile disc）のような光記録媒体；フロプティカルディスク（floptical disk）のような磁気−光媒体（magneto-optical medium）；及びＲＯＭ（read-only memory）、ＲＡＭ（random access memory）、フラッシュメモリのような、プログラム命令語を保存して実行するように特別に構成されたハードウェア装置を含んでもよい。さらに、該媒体は、ネットワーク上で伝送可能な形態に具現される無形の媒体を含んでもよく、例えば、ソフトウェア形態またはアプリケーション形態に具現され、ネットワークを介して伝送及び流通が可能な形態の媒体でもある。

一方、前記コンピュータプログラムは、本発明のために特別に設計されて構成されたものでもあり、コンピュータソフトウェア分野の当業者に公知されて使用可能なものでもある。該コンピュータプログラムの例には、コンパイラによって作われるような機械語コードだけではなく、インタープリタなどを使用し、コンピュータによって実行される高級言語コードも含まれる。

本発明で説明する特定実行は、一実施形態であり、いかなる方法によっても、本発明の範囲を限定するものではない。明細書の簡潔さのために、従来の電子的な構成、制御システム、ソフトウェア、前記システムの他の機能的な側面の記載は省略する。また、図面に図示された構成要素間の線の連結または連結部材は、機能的な連結、及び／または物理的または回路的な連結を例示的に示したものであり、実際の装置では、代替可能であったり追加されたりする多様な機能的な連結、物理的な連結または回路の連結として示される。また、「必須な」、「重要に」のように具体的な言及がなければ、本発明の適用のために、必ずしも必要な構成要素ではないこともある。

従って、本発明の思想は、前述の実施形態に限って決められるものではなく、特許請求の範囲だけではなく、該特許請求範囲と均等であったり、あるいはそこから等価的に変更されたりする全ての範囲は、本発明の思想の範疇に属するものである。

本発明の実施形態は、呼吸誘導システム及びその方法に係り、放射線治療時、患者の規則的な呼吸を誘導するためのシステムにおいて、呼吸に対するガイド信号と、患者の実際呼吸信号とを映像化して患者に提供することにより、患者の規則的な呼吸を誘導することができる呼吸誘導システム及びその方法に利用される。

Claims (11)

1. 患者の呼吸映像を撮影する撮像部と、
   前記撮像部で獲得した患者の呼吸映像を映像処理及び追跡分析し、患者の呼吸信号を獲得する呼吸信号変換部と、
   前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということ、前記獲得した呼吸信号が安定しているか否かということ、前記患者の呼吸信号とガイド呼吸とのマッチング点数が所定の基準値以上であるか否かということのうち１以上を判断する呼吸判断部と、
   前記呼吸信号変換部で獲得した患者の呼吸信号と、保存されたガイド信号とを共に提供する呼吸ガイド部と、を含み、
   前記呼吸判断部は、
   一定時間の、前記患者の呼吸信号と、前記ガイド呼吸との差が所定の既存値以上である場合、新たな呼吸パターンをガイド呼吸として提供することを特徴とする呼吸誘導システム。
2. 前記呼吸判断部は、
   獲得した呼吸信号の呼吸周期、呼吸大きさ、呼吸の形態のうち１以上の情報から、獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断することを特徴とする請求項１に記載の呼吸誘導システム。
3. 前記呼吸ガイド部は、
   入出力部上にガイド信号を表示している状態で、患者の呼吸信号を獲得し、リアルタイムで、前記ガイド信号と対応してディスプレイすることを特徴とする請求項１に記載の呼吸誘導システム。
4. 前記呼吸誘導システムは、
   患者の呼吸が上部臨界点と下部臨界点との以内である場合にのみ、放射線ビームを照射することを特徴とする請求項１に記載の呼吸誘導システム。
5. 前記呼吸ガイド部は、前記獲得した呼吸信号の呼吸周期、呼吸大きさ、呼吸の形態のうち１以上の情報に基づいて、患者別ガイド信号を生成することを特徴とする請求項１に記載の呼吸誘導システム。
6. コンピュータを利用して、
   患者の呼吸映像を撮影する段階と、
   前記撮影した患者の呼吸映像を映像処理及び追跡分析し、患者の呼吸信号を獲得する段階と、
   前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する段階と、
   前記獲得した呼吸信号が安定して維持されるか否かということを判断する段階と、
   前記獲得した呼吸信号が安定して維持される場合、現在の呼吸信号をガイド信号として保存する段階と、
   前記獲得した患者の呼吸信号と、前記保存されたガイド信号とを共に提供する段階と、を含む呼吸誘導信号提供方法を実行させるために、媒体に保存されたコンピュータプログラム。
7. 前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断する段階は、
   獲得した呼吸信号の呼吸周期、呼吸大きさ、呼吸の形態のうち１以上の情報から、前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸であるか否かということを判断することを特徴とする請求項６に記載の媒体に保存されたコンピュータプログラム。
8. 前記獲得した呼吸信号が放射線治療に適する呼吸ではない場合、
   新たな呼吸パターンを、患者別ガイド呼吸として提供することを特徴とする請求項６に記載の媒体に保存されたコンピュータプログラム。
9. 前記獲得した患者の呼吸信号と、前記保存されたガイド信号とを共に提供する段階は、
   入出力部上にガイド信号を表示している状態で、患者の呼吸信号を獲得し、リアルタイムで、前記ガイド信号と対応してディスプレイすることを特徴とする請求項６に記載の媒体に保存されたコンピュータプログラム。
10. 前記段階が、模擬治療時に遂行されて所定のガイド信号が保存され、
    実際の放射線治療遂行において、
    患者の呼吸映像を撮影する段階と、
    前記撮影した患者の呼吸映像を映像処理及び追跡分析し、患者の呼吸信号を獲得する段階と、
    前記獲得した呼吸信号と、模擬治療時に遂行されて保存された前記ガイド信号との差が所定の既存値以内であるか否かということを判断する段階と、
    前記所定の基準値以内である場合、放射線の照射が行われる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の媒体に保存されたコンピュータプログラム。
11. 前記放射線の照射が行われる段階は、
    患者の呼吸が上部臨界点と下部臨界点との以内である場合にのみ、放射線ビームを照射することを特徴とする請求項１０に記載の媒体に保存されたコンピュータプログラム。

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