JP7133108B2 - 患者の拡大画像を提供するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば放射線治療計画で使用することができる患者の画像を提供するための方法、コンピュータプログラム製品およびコンピュータシステムに関する。

放射線治療は一般にいくつかのセッション、すなわち分割して患者に与えられる。治療を開始する前に患者の計画画像を得る。計画画像は治療計画に治療法、線量、ビーム角度および他の変数に関して、患者に与えられる治療を定める入力データを提供する。各セッションの前に分割画像を得て照射前に治療装置に対して患者を位置決めするのを支援する。その分割画像を使用してセッション中に患者に実際に照射される線量を評価し、かつ計画画像の取得以後に生じた患者の形状の変化を調べることもできる。そのような変化は治療評価にとって重要であり、その評価の結果によって治療計画の修正が必要であるという決定に至る場合がある。本明細書の文脈では計画画像および分割画像はどちらも、患者の体の投影像を構成するいくつかの２Ｄ画像から構築された３Ｄ画像である。

線量計画は様々な臓器の位置についての情報を必要とし、密度および／または原子組成などのそれらの物質特性も必要とする。密度情報は線量計画のために使用される。光子放射線療法を使用する場合、密度および原子組成は放射線の減衰を決定する。プロトン放射線療法などのイオン放射線療法を使用する場合、密度および原子組成はイオンが患者の体内を移動する距離に影響を与える阻止能を決定する。最初の計画のためにこれらの情報を計画画像から取り出す。放射線ビームを正確に照準するために、分割画像を典型的に使用して関心領域の新しい境界を決定する。

従って計画画像は輪郭に関する情報だけでなく、各関心領域の物質特性に関する情報も含んでいなければならない。腫瘍および他の組織の形状が治療法の過程で変化した場合に、分割画像を使用して最新の輪郭情報を得る。しかし分割画像は特に物質特性に関して計画画像よりもかなり少ない情報を有する場合がある。例えばコーンビームＣＴ（ＣＢＣＴ）スキャンを分割画像のために使用しながら、扇形ビームＣＴスキャン（本明細書ではＣＴと呼ぶ）を計画画像のために使用する場合がある。ＣＴ画像は線量計画のために必要とされる全ての情報を含むが比較的高価であり、ＣＴイメージング装置はＣＢＣＴイメージング装置よりもガントリーに組み込むのが難しい。他方、ＣＢＣＴは典型的にはＣＴ画像よりも制限された視野を有する画像を提供する。

典型的にはＣＢＣＴ画像の視野は完全な患者アウトラインを包含していない。これは、ＣＢＣＴ画像、例えば分割画像に基づいて線量を計算する場合に、ＣＢＣＴ画像の視野外の部分の密度を線量計算のために推定する必要があることを意味している。１つの解決法は、計画画像からの患者のアウトラインを分割画像に重ね合わせて、それが水と同じ特性を有すると仮定することである。水は体の大部分のための良好な近似物である妥当な妥協物であるが、この解決法は線量計算においてなお誤差を生じる。

Ｒｕｃｈａｌａ，Ｏｌｉｖｅｒａ，Ｋａｐａｔｏｅｓ，ＲｅｃｋｗｅｒｄｔおよびＭａｃｋｉｅ：不完全な推測的画像を用いて限られた視野での放射線療法の再構築を改善するための方法（Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｌｉｍｉｔｅｄ ｆｉｅｌｄ－ｏｆ－ｖｉｅｗ ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｉｍｐｅｒｆｅｃｔ ａ ｐｒｉｏｒｉ ｉｍａｇｅｓ），Ｍｅｄｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ ２９，２５９０（２００２）；ｄｏｉ：１０．１１１８／１．１５１３１６３は、後で３Ｄ画像を構築するために使用される２Ｄ画像において直接作業する場合のこの問題に対処する方法を開示している。Ｒｕｃｈａｌａらによって提案されている方法は３Ｄ画像を用いて直接作業する場合には適用可能でない。典型的には、この治療計画システムは２Ｄ画像へのアクセスを提供しないため、これらのシステムによりなされたあらゆる変更を３Ｄ画像において行わなければならない。

欧州特許出願公開第３１８１０４９号は、分割画像の視野外の計画画像からのデータを使用して患者の体の一部のモデルアウトラインを作成し、かつ分割画像の視野外の計画画像からの物質情報を含めて、利用可能であれば分割画像からの情報およびこの領域外の計画画像からの情報を有する複合画像を得ることを提案している。計画画像が常に利用可能でなかったり、例えば体重減少により患者が非常に大きく変化してしまっているために計画画像があまり適切なものでなくなってしまっている場合があったりする。

本発明の目的は、限られた視野を有する第１の画像に基づく、より大きい視野を有する患者の拡大画像を提供することにある。

この目的は、
ａ．第１の視野を有する人の一部の第１の画像を提供する工程と、
ｂ．その人の外面に対応する表面スキャンを提供する工程と、
ｃ．第１の視野に対応し、かつ第１の視野外に延在する患者の領域を含む、表面スキャンに基づくその人の少なくとも一部の外側輪郭の第２の画像を提供する工程と、
ｄ．外側輪郭の内側の近似画像データを提供してその人の内部の近似画像を生成する工程と、
ｅ．第１の画像からのデータを第１の視野に対応する近似画像の領域に適用して複合画像を作成する工程と、
を含む患者の複合画像を作成するコンピュータを使った方法によって、本発明に従って達成される。

このように第２の視野外の領域において、そのような情報が利用可能である領域における分割画像からの最新情報と、表面スキャンに基づき、かつ分割画像に適合させた解剖学的情報とを含む複合画像を得る。従って複合画像は、そのような画像データが利用可能である第１の画像からの画像データと、第１の部分以外の第２の部分における近似データとを含む。第１の画像は本明細書では多くの場合に分割画像と呼び、必ずしもではないが典型的にはＣＢＣＴ画像である。当然のことながらそれは画像の視野を拡大させることが望まれるどんな画像であってもよい。

表面スキャンを使用して、患者の解剖学的構造の近似により埋められた患者全体または患者の一部の外側輪郭を生成する。

表面スキャン装置の使用は放射線治療装置において益々広く普及しつつあり、その装置は治療分割線量の照射のために正しい患者の位置決めを保証するために使用される。本発明によればそのような装置は、患者の別の画像、例えばＣＴもしくはＣＢＣＴ画像の視野を拡大させるために使用することができる患者の近似画像を提供するために使用することができる。視野外の体の近似を含む完全な体の画像を提供することは、例えば背景技術の箇所で考察されている線量計画において有用である。完全な体の画像を例えば放射線療法のために患者を位置決めするなどの他の目的のために使用して、正しい治療を保証すること、および治療台および／またはガントリーが移動する際に患者が邪魔にならないように保証することもできる。そのような画像は他の用途、例えば外科手術などの医療処置を計画するのにも有用であり得る。

輪郭の内側のための近似画像データは、特定の目的のために必要とされる情報の種類および詳細度および正確性に応じていくつかの方法で推定することができる。例えば、内部全体における密度値を水の密度などの適当な密度値に設定してもよい。単一の密度値を、例えば蛍光透視法などのＸ線イメージングから得られた患者の体内の骨構造の位置および範囲に関するデータと組み合わせることもできる。

いくつかの実施形態では、外側輪郭の内側の近似画像データを提供する工程は、ＣＴ画像などの画像からの解剖学的画像データを含めることを含む。ＣＴ画像は同じ患者のより早い時期の画像または患者の特性を考慮して表されているアトラス画像であってもよい。外側輪郭に対するＣＴ画像の非剛体レジストレーションおよび非剛体レジストレーションの結果に基づく近似画像データの設定により、ＣＴ画像からの画像データを輪郭に当て嵌める。

骨構造データが利用可能であれば、ＣＴ画像を外側輪郭および患者の体内の骨の位置および密度に関するデータの両方に対して変形可能にレジストレーションしてもよい。

本発明は、コンピュータに前記請求項のいずれか１項に記載の方法を実行させるように構成されたコンピュータ可読コードを含む、コンピュータを制御するためのコンピュータプログラム製品、好ましくは非一時的記憶媒体などの媒体にも関する。

本方法は、主に放射線治療装置との関連で使用することを目的としているものであるが、上で簡単に考察されている他の用途で使用してもよい。従って本発明は、プロセッサ、データメモリおよびプログラムメモリを備えたコンピュータシステムにも関する。データメモリは少なくとも１つのセットの表面データまたは輪郭情報および／または少なくとも１つの分割画像を保持するように構成されており、プログラムメモリはコンピュータプログラム製品をプロセッサを制御するために使用することができるように、上に定義されているコンピュータプログラム製品を保持するように構成されている。当然のことながら本発明の方法それ自体を必要なソフトウェアがインストールされているあらゆるコンピュータで実行することができる。

近似画像および分割画像は好ましくは同じ種類のデータを含む。これは、分割画像がＣＴもしくはＣＢＣＴ画像である場合に、同じ種類のデータを輪郭の内側で使用しなければならないことを意味している。分割画像がＭＲＩ画像である場合、輪郭の内側に提供されているデータはＭＲＩ画像でなければならない。ＭＲＩ画像からの合成のＣＴ画像、すなわちＣＴ画像と同じ種類のデータを含む画像を作成することもできる。そのような合成のＣＴ画像は、分割画像としての他のＣＴもしくはＣＢＣＴ画像と一緒に計画もしくは分割画像として使用することができる。

計画画像などの高品質ＣＴスキャンからの近似画像のために解剖学的データを得ることは、それにより各時間に完全なＣＴスキャンを必要とすることなく高品質近似データが得られるため特に有利である。これは時間およびリソースを節約すると共に患者への不要な線量を回避する。

以下、本発明を添付の図面を参照しながら例としてより詳細に説明する。

図１ａおよび図１ｂは患者の頭頸部の３Ｄ画像を示し、図１ｃは同じ領域の完全な輪郭を示す。 図２ａ、図２ｂおよび図２ｃは近似された解剖学的情報を内側に含む患者の表面スキャンから得られた輪郭を示す。 図３ａおよび図３ｂは、３Ｄ画像から得られた限られた視野内の値および患者の表面スキャンに基づく限られた視野外の値を有する３Ｄ患者画像の複合画像の例を示す。 本発明に係る方法のフローチャートである。 本発明を実施するために使用することができるシステムの概略図である。

図１ａは、患者に関する解剖学的データを含むが少なくともいくつかの方向が患者の外側輪郭を含んでいない限られた視野を有する３Ｄ画像の冠状方向スライスを示す。特にこの例では、患者の頭部の上部および肩から下の領域が含まれていない。図１ｂは３Ｄ画像からの患者アウトラインを示す。本発明に係る方法は任意の種類の解剖学的画像に適用可能であるが、放射線治療計画で使用される分割画像のために特に有用であり得る。従って本明細書では、限られた視野を有するあらゆる患者画像を拡大させるために本発明を使用することができるという理解の下に、多くの場合に分割画像という用語を使用する。患者アウトラインは公知の方法を用いて得られ、本明細書では分割アウトラインと呼ぶ。

本目的は、分割画像からの全てのデータを有するが限られた視野よりも大きい視野を有する画像を得ることにある。限られた視野外の領域において、患者の表面スキャンから得られた輪郭データおよび場合により近似された解剖学的データを使用して分割画像を補完する。図１ｃは、図１ａの画像を補完するために使用することができる患者の頭頸部領域のそのような輪郭を示す。分割画像の限られた視野外である患者の体の一部の近似アウトラインにより補完されている得られた分割画像を本明細書では改善された分割画像と呼ぶ。近似解剖学的データの輪郭情報が表面スキャンからの情報に基づいて分割画像の視野外に追加されている改善された分割画像を複合画像と呼ぶ。

図２ａ、図２ｂおよび図２ｃは、表面スキャンによって得られた患者のアウトライン２１に基づく患者の第１、第２および第３の単純化された近似画像を概略的に示す。図２ａでは、輪郭の内側の密度を好適な密度、例えば水の密度に設定することにより近似画像が作成されるように、患者の密度は均質であると仮定されている。図２ｂは、例えば肝臓および心臓に対応し得る患者の内部の第１の臓器２３および第２の臓器２５の存在によって示されている患者の内部のより詳細な近似を含む。図２ｃは、幾分単純化されて示されている患者の骨構造に関する画像データが含められている別の実施形態を示す。そのようなデータは例えば好適なＸ線方法によって得てもよい。その内部の残りはこの例では水の密度を有すると仮定されている。好ましくは近似画像における患者の内部は、患者のより早い時期の画像またはアトラス画像であってもよい画像に基づく患者の現実的な画像である。同時係属中の出願（欧州特許出願公開第１９１８０００４．４号）は、患者の内部を様々なレベルの正確性で近似して表面スキャンに基づく近似画像を生成することができる方法を詳細に考察している。

好ましい実施形態では、近似画像は、表面スキャンから得られた患者アウトラインデータおよびより早い時期に得られた計画画像から得られた解剖学的構造に関する内部データに基づいている。状況の要求に基づいて選択される詳細度および正確性を有するそのような近似画像を分割画像と共に使用して複合画像を得てもよい。表面スキャンを好ましくはより遅い時期に取得して可能な限り正確な輪郭データを得る。本実施形態では、輪郭の内側の現在の解剖学的データを計画画像とアウトラインデータとの間の非剛体レジストレーションによって近似し、輪郭の内側の近似解剖学的データを計画画像の変形の結果に基づいて設定する。これに加えて、表面スキャンと同時に得られた蛍光透視法などのＸ線イメージングから得られた情報を患者の輪郭の中に追加することもできる。Ｘ線画像から得られた骨構造に関する情報を使用して、輪郭に対する計画画像の非剛体レジストレーションを向上させて分割画像の視野外の画像を向上させることができる。図２ｃは患者の骨構造を含む単純化された近似画像を概略的に示す。

計画画像は通常、分割画像よりも大きい視野を有するが、画像化しなければならない患者の全体部分を常に包含しているわけではない。多くの場合に、欧州特許出願公開第３１８１０４９号で考察されているように計画画像を用いて分割画像を拡大させるために計画画像を使用し、かつ計画画像の視野外の輪郭データを使用することができる。従ってこの場合、近似画像は、計画画像の視野内の変形された計画画像からのデータと、例えば図２ａ、図２ｂまたは図２ｃのために考察されているようにして得られた輪郭の残りにおける別の方法で得られた近似データとを含んでいてもよい。

図３ａは、頭頸部領域における正確なデータおよび体の残りのための近似データを有する複合画像を作成するために、図１ａに示されている画像が図２ｂに示されているアウトライン２１と組み合わせられている複合画像を示す。

図３ｂは、分割画像２９の視野内のデータが分割画像から得られており、かつ視野外のデータが表面スキャンおよび例えば上で考察されている計画画像から得られた内部データに基づいて近似画像２１から得られている複合画像を示す。この例では時折生じるように、分割画像は患者の輪郭のどの部分も含んでいない。上で考察されているように、近似画像は好ましくは、患者の計画画像などの画像から得られた解剖学的データも含む。当然ながら、例えば画像のいくつかの部分が低品質を有することが分かっている場合には、分割画像から得られたデータは分割画像の限られた部分からのデータのみを含んでいてもよい。

図４は本発明に係る方法のフローチャートである。入力データは、限られた視野を有する３Ｄ画像（Ｉ４１）、典型的には分割画像として使用されるＣＢＣＴ画像、および患者全体または少なくとも３Ｄ画像の限られた視野よりも大きく、かつ表面スキャンに基づく少なくとも患者の外側輪郭の一部を含む患者の一部を包含している輪郭データ（Ｉ４２）である。表面スキャンに基づく輪郭データを計算するための方法の例は、（欧州特許出願公開第１９１８０００４．４号）に示されている。

第１の工程Ｓ４１では、輪郭の内側に適当な密度を設定する。図２ａ～図２ｃに関連して上で考察されているように、これは状況によって必要とされるものに応じて好適な詳細度または正確性で行ってもよい。好ましい実施形態では、この密度は、計画画像などのより早い時期に得られた高品質ＣＴ画像の変形に基づいて設定する。またこの密度は同様の患者を表しているアトラス画像から得てもよい。その場合、ＣＴ画像またはアトラス画像を外側輪郭に対してレジストレーションして、外側輪郭の内側に適用することができる解剖学的データを得る。

第２の工程Ｓ４２では、分割画像からのデータを近似画像に含める。これは、分割画像から含めるべき視野に対応する近似画像の一部におけるデータ値を０に設定し、かつ次いで分割画像からのデータ値をその部分に挿入することにより行ってもよい。典型的には、複合画像が分割画像の視野全体に分割画像からのデータを有するように、分割画像全体からのデータを使用する。但し当然のことながら、分割画像の一部のみからのデータを含めてもよい。当該手順からの出力は、利用可能であれば分割画像からのデータを含み、かつ患者の全てまたは一部の表面輪郭に基づく近似画像によってより大きい視野を提供する複合画像Ｏ４１である。典型的には、近似画像の基となる表面スキャンおよび分割画像をおよそ同時に取得し、この場合にはレジストレーションを必要とすることなく画像を組み合わせることができる。その他の場合には、剛体もしくは非剛体レジストレーションは画像を互いに適合させるのに有用であり得る。

モデルアウトラインを分割画像に適合させる前に、輪郭と分割画像との最初の重なりを好ましくは決定する。これは輪郭と分割画像との間の自動剛体レジストレーションアルゴリズムを使用して達成してもよい。また最初の重なりの視覚的評価に基づいて、あるいはあらゆる他の好適な方法で画像を重ね合わせてもよい。

３Ｄ画像と同じ患者に関する輪郭データを使用する代わりに、場合によっては患者とサイズおよび形状において同様であるがアトラスなどの別のソースから得られた輪郭データを得るだけで十分な場合がある。

図５は、放射線治療および／または治療計画のためのシステム１０の概略図である。当然のことながら、そのようなシステムはあらゆる好適な方法で設計してもよく、図６に示されている設計は一例にすぎない。患者１１を治療台１３の上に位置決めする。本システムは、治療台１３の上に位置決めされた患者に向かって放射線を照射するためにガントリー１７内に取り付けられた放射線源１５を有するイメージング／治療装置を備える。典型的には、治療台１３およびガントリー１７は、可能な限り柔軟かつ正確に患者に放射線を与えるために互いに対していくつかの次元で移動可能である。これらの部品およびそれらの機能は当業者によく知られている。ビームを側方および奥行き方向に成形するために提供されているいくつかの受動装置が典型的に存在し、それについては本明細書ではより詳細に考察しない。この例では本システムは、患者の外側輪郭に関するデータを提供し、かつ患者の体の全体または一部の輪郭画像の生成を可能にするための光学式スキャナも備える。本システムは、放射線治療計画および／または放射線治療の制御のために使用することができるコンピュータ２１も備える。当然のことながら、コンピュータ２１はイメージング／治療装置に接続されていない別個のユニットであってもよい。

コンピュータ２１は、プロセッサ２３、データメモリ２４およびプログラムメモリ２５を備える。好ましくはキーボード、マウス、ジョイスティック、音声認識手段またはあらゆる他の利用可能なユーザ入力手段の形態で１つ以上のユーザ入力手段２８、２９も存在する。またユーザ入力手段は外部メモリユニットからデータを受信するように構成されていてもよい。

データメモリ２４は、輪郭スキャナによって提供される輪郭データを含む治療計画を得るために使用される臨床的データおよび／または他の情報を含む。データメモリ２４は、本発明の実施形態に従って治療計画で使用される１つ以上の患者画像も含む。これらの患者画像の性質およびそれらを得ることができる方法を上で考察してきた。プログラムメモリ２５は、プロセッサを図４に係る方法を実行させるように構成された少なくとも１つのコンピュータプログラムを保持している。プログラムメモリ２５は、コンピュータに図４に関連して考察されている本方法工程を実行させるように構成されたコンピュータプログラムおよび／またはコンピュータに患者の放射線治療を制御させるように構成されたコンピュータプログラムも保持している。

当然のことながら、データメモリ２４およびプログラムメモリ２５は概略的にのみ図示および考察されている。それぞれが１つ以上の異なる種類のデータを保持しているか１つのデータメモリが好適に構造化された方法で全てのデータを保持しており、かつプログラムメモリを保持しているいくつかのデータメモリユニットが存在してもよい。１つ以上のメモリが他のコンピュータ上に設けられていてもよい。例えば、コンピュータは本方法のうちの１つを実行するように構成されていてもよく、最適化を実行するための別のコンピュータが存在する。

Claims (10)

1. ａ．第１の視野を有する人の一部の第１の画像を提供する工程と、
   ｂ．前記人の外面に対応する表面スキャンを提供する工程と、
   ｃ．前記第１の視野に対応し、かつ前記第１の視野外に延在する前記患者の領域を含む、前記表面スキャンに基づく前記人の少なくとも一部の外側輪郭の第２の画像を提供する工程と、
   ｄ．前記外側輪郭の内側の近似画像データを提供して前記人の内部の近似画像を生成する工程と、
   ｅ．前記第１の画像からのデータを前記第１の視野に対応する前記近似画像の領域に適用して複合画像を作成する工程と、
   を含む、患者の複合画像を作成するコンピュータを使った方法。
2. 前記第１の画像はＣＢＣＴ画像、例えば分割画像である、請求項１に記載の方法。
3. 前記外側輪郭の内側の近似画像データを提供する前記工程は、前記外側輪郭の少なくとも一部の内側の好適な均一な密度値を設定することを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記外側輪郭の内側の近似画像データを提供する前記工程は、前記輪郭の内側に前記患者の体内の骨の位置および密度に関するデータを含めることを含む、請求項１または２に記載の方法。
5. 前記外側輪郭の内側の近似画像データを提供する前記工程は、前記外側輪郭に対する前記人のＣＴ画像の非剛体レジストレーション、および前記非剛体レジストレーションの前記結果に基づく前記近似画像データの設定を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 請求項４に従属する場合、前記ＣＴ画像を前記外側輪郭および前記患者の体内の骨の位置および密度に関する前記データに対して変形可能にレジストレーションする、請求項５に記載の方法。
7. 前記外側輪郭の内側の近似画像データを提供する前記工程は、前記外側輪郭に対するアトラス画像の非剛体レジストレーション、および前記非剛体レジストレーションの結果に基づく前記近似画像データの設定を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 好ましくは非一時的記憶手段（２５）に記憶されており、コンピュータ（２１）で実行された場合に前記コンピュータに請求項１～７のいずれか１項に記載の方法を実行させるコンピュータプログラム。
9. 患者の近似画像を提供するためのコンピュータシステム（２１）であって、前記システムは処理手段（２３）を備え、前記コンピュータシステムは、前記コンピュータプログラムが実行された場合に線量計画を実行するように前記処理手段（２３）を制御するように請求項８に記載のコンピュータプログラムをそこに記憶しているプログラムメモリ（２５）を有するコンピュータシステム（２１）。
10. 輪郭または患者の体を表している輪郭データを提供するように構成された輪郭スキャン装置をさらに備え、前記プロセッサは前記輪郭データに基づいて前記輪郭のモデルを計算するように構成されている、請求項９に記載のコンピュータシステム。
    

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