JPWO2013129258A1 - Particle beam direction determination system, particle beam direction determination method, and particle beam direction determination computer program - Google Patents

Particle beam direction determination system, particle beam direction determination method, and particle beam direction determination computer program Download PDF

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秀孝 有村
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玄雄 垣内
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Abstract

患者セットアップエラーに対してロバスト(強健)なビーム方向を決定する粒子線ビーム方向決定システムを提供する。ビーム方向像作成部1が、複数のビーム源の位置から見た複数の電子密度のビーム方向像を作成する。平均パワースペクトル計算部2?は、複数の電子密度のビーム方向像について、それぞれ平均パワースペクトルを計算する。傾き計算部3Aが、複数の電子密度のビーム方向像から求めた平均パワースペクトルの傾きを計算する。ビーム方向決定部3Bは、傾きに基づいて粒子線のビーム方向を決定する。A particle beam beam direction determination system is provided that determines a beam direction that is robust to patient setup errors. The beam direction image creation unit 1 creates a plurality of beam direction images having a plurality of electron densities viewed from the positions of a plurality of beam sources. The average power spectrum calculation unit 2? Calculates the average power spectrum for each of the plurality of electron density beam direction images. The inclination calculation unit 3A calculates the inclination of the average power spectrum obtained from the beam direction images having a plurality of electron densities. The beam direction determination unit 3B determines the beam direction of the particle beam based on the inclination.

Description

本発明は、粒子線ビーム方向決定システム、粒子線ビーム方向決定方法及び粒子線ビーム方向決定用コンピュータプログラムに関するものである。   The present invention relates to a particle beam direction determination system, a particle beam direction determination method, and a particle beam direction determination computer program.

陽子線治療あるいは重イオン治療(炭素イオン)のような粒子線治療では、正常組織の線量を減らし、腫瘍に照射する線量を増加させるために、複数のビームによって作られる線量分布をよりよく定義してコントロールすることが求められている。粒子線治療では、標的腫瘍のまわりの正確な深部線量分布は、深部線量を形作るシステムの中で補償フィルタを使用することにより得ることができる。図24は、ブロードビーム照射の照射野形成装置の構成の一例を示すものである。この装置では、粒子線発生器11から出た粒子線はワブラー電磁石12,13の間を通過した後、散乱体14を通過して散乱し、その後リッジフィルタ15に入射する。そしてリッジフィルタ15は、粒子線に拡大ブラッグピークを作り、レンジシフタ16により粒子線の体内飛程を調節し、マルチリーフコリメータ17により照射範囲の輪郭を定め、補償フィルタ18により粒子線が止まる場所の形を成形して、ターゲット(腫瘍)19に粒子線を照射する。従来は、各患者のコンピュータ断層撮影(CT)画像の三次元電子密度画像から得た電子密度のビーム方向像における横方向分布に基づいて、補償フィルタ18を作成し、線量分布を決定している。しかしながら患者が治療中に動いて、当初のセット姿勢とは僅かに違う姿勢になること(患者セットアップエラーの発生)が、治療計画で考慮に入れられない場合、実際の治療中において患者の体内中で形成される線量分布は、計画された線量分布と比較して、腫瘍領域で線量低下または正常組織領域で線量増加の可能性がある。図25は、作成した補償フィルタ18とターゲットである計画標的体積PTVとの対応関係の一例を示している。図25において、縦軸の「水等価厚」が電子密度に相当する。補償フィルタ18は、各粒子線(ビーム)を計画標的体積PTVの末端ポイントで停止させる。しかしながら患者セットアップエラーが発生すると、補償フィルタ18と計画標的体積PTVとの位置関係がずれて、腫瘍の形状の末端とビーム方向の線量分布の末端とを合わせることができなくなる。特に、前述のように、電子密度のビーム方向像が大きな振幅変化とともに急峻に変化する電子密度の領域を有していると、このようなずれの発生で、腫瘍に低量照射をし、正常な臓器に致命的な過剰照射をする問題が発生する。なおこのような問題は、補償フィルタを用いずに、ビームの照射距離を電子密度のビーム方向像に基づいて個別に制御する場合にも同様に発生する。   In particle beam therapy, such as proton therapy or heavy ion therapy (carbon ions), the dose distribution produced by multiple beams is better defined to reduce the dose to normal tissue and increase the dose to the tumor. Control is required. In particle beam therapy, an accurate deep dose distribution around the target tumor can be obtained by using a compensation filter in the system that forms the deep dose. FIG. 24 shows an example of the configuration of an irradiation field forming apparatus for broad beam irradiation. In this apparatus, the particle beam emitted from the particle beam generator 11 passes between the wobbler electromagnets 12 and 13, passes through the scatterer 14, and then scatters, and then enters the ridge filter 15. The ridge filter 15 creates an enlarged Bragg peak in the particle beam, adjusts the range of the particle beam in the body by the range shifter 16, defines the irradiation range by the multi-leaf collimator 17, and places the particle beam where the particle beam stops by the compensation filter 18. The shape is formed and the target (tumor) 19 is irradiated with a particle beam. Conventionally, the compensation filter 18 is created based on the lateral distribution in the beam direction image of the electron density obtained from the three-dimensional electron density image of the computed tomography (CT) image of each patient, and the dose distribution is determined. . However, if the patient moves during treatment and is in a slightly different posture than the original set posture (occurrence of patient setup error) is not taken into account in the treatment plan, The dose distribution formed in can be decreased in the tumor area or increased in the normal tissue area compared to the planned dose distribution. FIG. 25 shows an example of the correspondence relationship between the created compensation filter 18 and the planned target volume PTV that is the target. In FIG. 25, the “water equivalent thickness” on the vertical axis corresponds to the electron density. The compensation filter 18 stops each particle beam (beam) at the end point of the planned target volume PTV. However, when a patient setup error occurs, the positional relationship between the compensation filter 18 and the planned target volume PTV shifts, and it becomes impossible to match the end of the tumor shape with the end of the dose distribution in the beam direction. In particular, as described above, when the electron density beam direction image has an electron density region that changes sharply with a large amplitude change, such a shift causes the tumor to be irradiated with a low dose, and normal Problems that cause fatal over-irradiation of various organs. Such a problem also occurs when the beam irradiation distance is individually controlled based on the electron direction beam direction image without using the compensation filter.

特開2011−212395号公報(特許文献1)には、過照射問題を解決するために、照射対象の内側に柱状の照射野を敷き詰めて配置し、その状態を初期状態として、照射対象への照射線量が所定の範囲に入るように柱状の照射野の配置を調整する治療計画装置の治療計画を用いた粒子治療装置が開示されている。   In order to solve the over-irradiation problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-212395 (Patent Document 1) arranges and arranges a columnar irradiation field on the inner side of the irradiation target, and sets the state as an initial state to the irradiation target. A particle therapy apparatus using a treatment plan of a treatment planning apparatus that adjusts the arrangement of columnar irradiation fields so that the irradiation dose falls within a predetermined range is disclosed.

また特開2011−217902号公報(特許文献2)には、粒子治療計画装置において、標的領域以外の高線領域の出現を抑制する治療計画情報を提供する技術が開示されている。この技術では、照射領域の輪郭上に照射スポットを配置し、隣り合う照射スポットが予め定められた設定値以下になるように照射スポットを決定している。   Japanese Patent Laid-Open No. 2011-217902 (Patent Document 2) discloses a technique for providing treatment plan information for suppressing the appearance of a high-line region other than a target region in a particle treatment plan apparatus. In this technique, an irradiation spot is arranged on the outline of the irradiation region, and the irradiation spot is determined so that adjacent irradiation spots are equal to or less than a predetermined set value.

特開2011−212395号公報JP 2011-212395 A 特開2011−217902号公報JP 2011-217902 A

しかしながら従来の治療計画装置には、患者セットアップエラーにより、腫瘍に低線量照射をし、正常な臓器に致命的な過剰照射をすることになることを防止することができるロバストな(多少の患者セットアップエラーがあっても、低線量照射や過剰照射が発生しない)粒子線ビーム方向を決定するものはなかった。   However, conventional treatment planning devices are robust (some patient setups) that prevent patient setup errors from irradiating tumors at low doses and causing fatal over-irradiation of normal organs. There was nothing that determined the particle beam direction (even if there was an error, neither low-dose irradiation nor excessive irradiation occurred).

本発明の目的は、患者セットアップエラーに対してロバストなビーム方向を決定する粒子線ビーム方向決定システム、粒子線ビーム方向決定方法及び粒子線ビーム方向決定用コンピュータプログラムを提供することにある。   It is an object of the present invention to provide a particle beam beam direction determination system, a particle beam beam direction determination method, and a particle beam beam direction determination computer program that determine a beam direction that is robust against a patient setup error.

本発明は、粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置で用いられる、粒子線のビーム方向を決定する粒子線ビーム方向決定システムを対象とする。本発明の粒子線ビーム方向決定システムは、ビーム方向像作成部と、パワースペクトル計算部と、ビーム方向決定手段とを備えている。   The present invention is directed to a particle beam beam direction determination system that determines a beam direction of a particle beam, which is used in a treatment planning apparatus that generates treatment plan information used in a particle beam irradiation system. The particle beam direction determination system of the present invention includes a beam direction image creation unit, a power spectrum calculation unit, and a beam direction determination unit.

ビーム方向像作成部は、CT撮影装置により照射対象を撮影して得た照射対象の治療計画CT画像から得たCT値に基づいて作成された3次元電子密度画像を利用する。すなわちビーム方向像作成部は、3次元電子密度画像の周囲に所定の角度間隔をあけて複数のビーム源の設置位置を仮定して、各ビーム源の設置位置から計画標的体積の画像に向かう方向に仮想した2次元スクリーン上に、3次元電子密度画像中の照射対象の表面から計画標的体積の末端ポイントに到るまでの電子密度を投影することにより得られる2次元画像を、ビーム源の設置位置から見た電子密度のビーム方向像として、複数のビーム源の設置位置ごとに作成する。なお2次元スク−リンは、ビーム方向像を演算により求めるために仮想した計算上のスクリーンであり、またこの2次元スクリーン上への3次元電子密度画像の部分投影も計算上の投影である。すなわちビーム方向像作成部における電子密度の投影は、照射対象の表面から計画標的体積の各末端ポイントに至るまでのビーム線上の電子密度をサンプリングして加算することにより実現できる。例えば、照射対象中に空洞が存在する場合には、電子密度のビーム方向像中の空洞を含む領域の電子密度は低く現れ、照射対象中において空洞がない部分(筋肉や骨など)については、電子密度のビーム方向像中におけるその領域の電子密度は高くなる。   The beam direction image creation unit uses a three-dimensional electron density image created based on a CT value obtained from a treatment plan CT image of an irradiation target obtained by imaging the irradiation target with a CT imaging apparatus. That is, the beam direction image creation unit assumes the installation positions of a plurality of beam sources at predetermined angular intervals around the three-dimensional electron density image, and moves from the installation positions of the respective beam sources toward the planned target volume image. A two-dimensional image obtained by projecting the electron density from the surface of the irradiation target in the three-dimensional electron density image to the end point of the planned target volume on the virtual two-dimensional screen is installed on the beam source. A beam direction image of electron density viewed from the position is created for each installation position of a plurality of beam sources. Note that the two-dimensional screen is a virtual calculation screen for obtaining a beam direction image by calculation, and the partial projection of the three-dimensional electron density image on the two-dimensional screen is also a calculation projection. That is, the projection of the electron density in the beam direction image creation unit can be realized by sampling and adding the electron density on the beam line from the surface of the irradiation target to each end point of the planned target volume. For example, when there is a cavity in the irradiation target, the electron density of the region including the cavity in the beam direction image of the electron density appears to be low, and for the part (muscle, bone, etc.) where there is no cavity in the irradiation target, The electron density of the region in the electron density beam direction image becomes high.

3次元電子密度画像は、例えば次のように作ることができる。まず第1に、治療計画CT画像と治療計画CT画像中の計画標的体積の等方ボクセル化を実施する。第2に、等方ボクセル化した治療計画CT画像のCT値を、水の相対電子密度に変換して変換電子密度画像を作成する。第3に、3次元の変換電子密度画像から体領域(空気ではない領域)の部分を取り出したものを3次元電子密度画像とする。このようにして得られた3次元電子密度画像を利用して、照射対象の表面から計画標的体積の各末端ポイントに至るまでの飛程を計算し、この飛程に基づいて、ビーム線上の電子密度をサンプリングして得たものを加算して電子密度のビーム方向像を作成する。   A three-dimensional electron density image can be created as follows, for example. First, isotropic voxelization of the treatment plan CT image and the plan target volume in the treatment plan CT image is performed. Secondly, the CT value of the treatment plan CT image converted into isotropic voxels is converted into the relative electron density of water to create a converted electron density image. Third, a three-dimensional electron density image is obtained by extracting a body region (non-air region) portion from a three-dimensional converted electron density image. Using the three-dimensional electron density image thus obtained, the range from the surface of the irradiation target to each end point of the planned target volume is calculated, and based on this range, the electron on the beam line is calculated. A beam direction image of the electron density is created by adding the samples obtained by sampling the density.

パワースペクトル計算部は、複数のビーム源の位置から見た複数の電子密度のビーム方向像について、それぞれパワースペクトルを計算する。本発明では、パワースペクトルとして、積算パワースペクトル及び/または平均パワースペクトルを用いることができる。発明者は、ビーム方向像中に大きな振幅変化とともに急峻に変化する電子密度の領域部分があるか否かの判断(このようなビーム方向で生成される線量分布は患者セットアップエラーに弱いことの判断)にパワースペクトルが活用できることを見出した。すなわち大きな振幅変化とともに急峻に変化する電子密度の領域部分からは、空間周波数成分中に高周波成分の多いパワースペクトルが多く発生することを発明者は見出した。そこで例えば、3次元電子密度画像を中心してその周囲に5°間隔でビーム源の配置位置を仮定すると(ビームの入射方向を3次元電子密度画像を中心してその周囲に5°間隔で変えると)、72枚の電子密度のビーム方向像について、それぞれ平均パワースペクトルを計算することになる。具体的なパワースペクトル計算部は、まず電子ビームのビーム方向像の画像内電子密度値の平均値をビーム方向像の画像周辺部へ代入して、ビーム方向像のエッジを平滑化する。平滑化では、ビーム方向像の値を持つ領域の輪郭周辺にガウシアンフィルタを適用して、ビーム方向像の値を持つ領域のエッジを平滑化する。この平滑化により、電子密度のビーム方向像を作成する際に発生するエッジから、本来不要な高周波成分が平均パワースペクトルに含まれることを阻止する。次に平滑化した画像全体の平均値を0へ正規化する前処理を実施する。具体的には、画像全体の平均値を画像全体の値から引く。そして平均値を0に正規化した(前処理を実施した)画像に基づいて、パワースペクトル画像を計算により求める。パワースペクトル画像は、前処理された画像を二次元のフーリエ変換を実施してパワースペクトルを計算により求めて画像化する。すなわち前処理した電子密度のビーム方向像のデータをフーリエ変換することにより、ある周波数バンド幅(周波数分解能)毎のパワーを求めて画像化してパワースペクトル画像を得る。そしてこのパワースペクトル画像を画像の中心に0周波数がくるように画像領域の入れ替えを行う。次にパワースペクトルの極座標変換を行って、パワースペクトル画像を空間周波数と角度の座標で表す画像に変換する。次に、極座標変換したパワースペクトル画像の各空間周波数における積算パワースペクトルを計算する。この積算パワースペクトルから平均パワースペクトルを求める。平均パワースペクトルは、積算パワースペクトルを示す図の縦軸値及び横軸値の自然対数を取ったものである。   The power spectrum calculation unit calculates a power spectrum for each of the beam direction images having a plurality of electron densities viewed from the positions of the plurality of beam sources. In the present invention, an integrated power spectrum and / or an average power spectrum can be used as the power spectrum. The inventor determines whether there is an electron density region part that changes sharply with a large amplitude change in the beam direction image (determining that the dose distribution generated in such a beam direction is vulnerable to patient setup errors. ) Found that the power spectrum can be utilized. That is, the inventor has found that a power spectrum with many high-frequency components is generated in the spatial frequency component from the region of the electron density that changes sharply with a large amplitude change. Therefore, for example, assuming the arrangement position of the beam source around the 3D electron density image at intervals of 5 ° (if the incident direction of the beam is changed around the 3D electron density image at intervals of 5 °). The average power spectrum is calculated for each of the 72 electron density beam direction images. Specifically, the power spectrum calculation unit first substitutes the average value of the electron density values in the image of the beam direction image of the electron beam into the image peripheral part of the beam direction image, and smoothes the edge of the beam direction image. In the smoothing, a Gaussian filter is applied around the contour of the region having the value of the beam direction image to smooth the edge of the region having the value of the beam direction image. By this smoothing, it is prevented that an originally unnecessary high-frequency component is included in the average power spectrum from an edge generated when an electron density beam direction image is created. Next, preprocessing for normalizing the average value of the entire smoothed image to 0 is performed. Specifically, the average value of the entire image is subtracted from the value of the entire image. Then, a power spectrum image is obtained by calculation based on an image in which the average value is normalized to 0 (preprocessing is performed). The power spectrum image is imaged by performing a two-dimensional Fourier transform on the preprocessed image to obtain a power spectrum by calculation. In other words, the preprocessed electron density beam direction image data is Fourier transformed to obtain power for each frequency bandwidth (frequency resolution) and image it to obtain a power spectrum image. Then, the image areas of the power spectrum image are exchanged so that the zero frequency comes to the center of the image. Next, polar coordinate conversion of the power spectrum is performed to convert the power spectrum image into an image represented by coordinates of spatial frequency and angle. Next, an integrated power spectrum at each spatial frequency of the power spectrum image subjected to polar coordinate conversion is calculated. An average power spectrum is obtained from this integrated power spectrum. The average power spectrum is obtained by taking the natural logarithm of the vertical axis value and the horizontal axis value of the figure showing the integrated power spectrum.

前述のように,セットアップエラーに弱いビーム方向像では、空間周波数成分中に高周波成分の多いパワースペクトルになることを発明者は見出した。この知見に基づいて、ビーム方向決定手段は、パワースペクトルの空間周波数成分中の高周波成分の量に基づいて、粒子線のビーム方向を決定する。すなわちビーム方向決定手段は、高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるビーム方向像を得ることができるビーム源の方向を、粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定する。したがって本発明によれば、簡単にセットアップエラーに頑強なビーム方向を決定できる。   As described above, the inventor has found that a beam direction image that is vulnerable to a setup error has a power spectrum with a high frequency component in the spatial frequency component. Based on this knowledge, the beam direction determining means determines the beam direction of the particle beam based on the amount of the high frequency component in the spatial frequency component of the power spectrum. That is, the beam direction determining means determines that the direction of the beam source capable of obtaining a beam direction image in which the amount of the high-frequency component is equal to or smaller than a predetermined component amount threshold is an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. Therefore, according to the present invention, it is possible to easily determine a beam direction robust to a setup error.

高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるか否かの判定は、いくつかの評価指標を基準として判定することができる。一つの評価指標は、平均パワースペクトルの傾きの絶対値であり、また他の一つの評価指標は積算パワースペクトルから求める0次モーメントである。   Whether or not the amount of the high frequency component is equal to or less than a predetermined component amount threshold can be determined based on several evaluation indexes. One evaluation index is the absolute value of the slope of the average power spectrum, and the other evaluation index is a zeroth-order moment obtained from the integrated power spectrum.

平均パワースペクトルの傾きの絶対値を評価指標とする場合には、パワースペクトル計算部は、複数の電子密度のビーム方向像について、それぞれ平均パワースペクトルを計算する平均パワースペクトル計算部から構成する。そしてビーム方向決定手段は、複数の電子密度のビーム方向像についてそれぞれ求めた平均パワースペクトルの傾きの絶対値を計算する傾き計算部と、平均パワースペクトルの傾きの絶対値が予め定めた傾き閾値以上になる場合には、高周波成分の量が成分量閾値以下になると判断して、粒子線のビーム方向を決定するビーム方向決定部とから構成することができる。傾き計算部は、複数の電子密度のビーム方向像から求めた平均パワースペクトルの傾きの絶対値をそれぞれ計算する。平均パワースペクトルの勾配即ち傾きは、ナイキスト周波数まですべての周波数についてのパワースペクトルを伴った一次多項式の傾斜として得られる。この傾きは、平均パワースペクトルを最小二乗法により近似直線を求め、この近似直線の傾きとして求めることができる。   When the absolute value of the slope of the average power spectrum is used as an evaluation index, the power spectrum calculation unit is configured by an average power spectrum calculation unit that calculates an average power spectrum for each of the plurality of beam direction images of electron density. The beam direction determining means includes an inclination calculating unit for calculating an absolute value of the average power spectrum inclination obtained for each of the beam direction images having a plurality of electron densities, and the absolute value of the average power spectrum inclination is equal to or greater than a predetermined inclination threshold value. In such a case, it can be configured that the beam direction determination unit determines that the beam direction of the particle beam is determined by determining that the amount of the high-frequency component is equal to or less than the component amount threshold. The inclination calculation unit calculates the absolute value of the inclination of the average power spectrum obtained from the plurality of electron density beam direction images. The slope or slope of the average power spectrum is obtained as the slope of a first order polynomial with the power spectrum for all frequencies up to the Nyquist frequency. This inclination can be obtained as an inclination of this approximate line by obtaining an approximate line from the average power spectrum by the least square method.

ビーム方向決定部は、この傾きに基づいて粒子線のビーム方向を決定する。ビーム方向像中に大きな振幅変化とともに急峻に変化する電子密度の領域部分が少なくなると、電子密度のビーム方向像中における変化の空間周波数がより低く及び振幅がより小さくなって、平均パワースペクトル中の高周波成分が少なくなり、平均パワースペクトルの勾配即ち傾きの絶対値がより大きくなるとの知見に基づいて、この傾きの絶対値を求めている。この傾きの絶対値が大きい場合には、多少の患者セットアップエラーがあっても、ビーム方向像中に大きな振幅変化とともに急峻に変化する電子密度の領域部分が少ないため、低線量照射や過剰照射が発生する可能性は低下する。その結果、セットアップエラーに頑強なビーム方向を決定することが可能になる。   The beam direction determination unit determines the beam direction of the particle beam based on this inclination. When the region of the electron density that changes sharply with a large amplitude change in the beam direction image becomes smaller, the spatial frequency of the change in the electron direction beam direction image becomes lower and the amplitude becomes smaller. Based on the knowledge that the high-frequency component is reduced and the gradient of the average power spectrum, that is, the absolute value of the gradient is increased, the absolute value of the gradient is obtained. When the absolute value of this slope is large, even if there are some patient setup errors, there are few electron density regions that change sharply with large amplitude changes in the beam direction image. The likelihood of occurrence is reduced. As a result, it is possible to determine a beam direction that is robust against setup errors.

そこでビーム方向決定部では、傾きの絶対値が傾き閾値よりも大きい電子密度のビーム方向像に対応するビーム源の方向を粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定することができる。傾き閾値の定め方によって、複数種類のビーム方向が好ましい方向として決定される。   Therefore, the beam direction determination unit can determine that the direction of the beam source corresponding to the beam direction image having an electron density whose tilt absolute value is larger than the tilt threshold is an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. A plurality of types of beam directions are determined as preferred directions depending on how the tilt threshold is determined.

またビーム方向決定部は、傾きの絶対値が閾値よりも小さい電子密度のビーム方向像に対応するビーム源の方向を粒子線のビーム方向として不適切な方向であると決定することができる。このようにすると、不適切な方向以外の方向から医師が好ましいと考える方向を採用すればよい。   The beam direction determining unit can determine that the direction of the beam source corresponding to the beam direction image having an electron density whose absolute value of the inclination is smaller than the threshold is an inappropriate direction as the particle beam direction. If it does in this way, what is necessary is just to employ | adopt the direction which a doctor considers preferable from directions other than an inappropriate direction.

評価指標として0次モーメントを用いる場合には、パワースペクトル計算部は、複数の電子密度のビーム方向像について、それぞれ積算パワースペクトルを計算する。そしてビーム方向決定手段を、複数の電子密度のビーム方向像についてそれぞれ求めた積分パワースペクトルから0次モーメントを計算する0次モーメント計算部と、0次モーメントが予め定めたモーメント閾値以下になる場合には、高周波成分の量が成分量閾値以下になる判断して、粒子線のビーム方向を決定するビーム方向決定部とから構成する。ビーム方向決定部は、0次モーメントがモーメント閾値以下になる電子密度のビーム方向像に対応するビーム源の方向を粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定することができる。またビーム方向決定部は、0次モーメントがモーメント閾値よりも大きくなる電子密度のビーム方向像に対応するビーム源の方向を粒子線のビーム方向として不適切な方向であると決定することができる。   When the 0th-order moment is used as the evaluation index, the power spectrum calculation unit calculates the integrated power spectrum for each of the plurality of electron density beam direction images. The beam direction determining means includes a zero-order moment calculation unit for calculating the zero-order moment from the integral power spectrum obtained for each of the beam direction images having a plurality of electron densities, and the zero-order moment is less than a predetermined moment threshold value. Includes a beam direction determination unit that determines the beam direction of the particle beam by determining that the amount of the high-frequency component is equal to or less than the component amount threshold. The beam direction determination unit can determine that the direction of the beam source corresponding to the beam direction image of the electron density at which the zeroth-order moment is equal to or less than the moment threshold is an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. Further, the beam direction determination unit can determine that the direction of the beam source corresponding to the beam direction image of the electron density at which the zero-order moment is larger than the moment threshold is an inappropriate direction as the particle beam direction.

評価指標として0次モーメントを用いると、平均パワースペクトルの傾きの絶対値を評価指標とする場合よりも、簡単な演算により適切なビーム方向をより高い精度で決定できる。   When the zeroth-order moment is used as an evaluation index, an appropriate beam direction can be determined with higher accuracy by simple calculation than when the absolute value of the average power spectrum slope is used as the evaluation index.

本発明の粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置において粒子線のビーム方向をコンピュータを用いて決定する方法は、以下の第1乃至第3のステップを実施する。第1のステップでは、CT撮影装置により照射対象を撮影して得た照射対象の治療計画CT画像から得たCT値に基づいて作成された3次元電子密度画像の周囲に所定の角度間隔をあけて複数のビーム源の設置位置を仮定して、ビーム源の設置位置から計画標的体積の画像に向かう方向に仮想した2次元スクリーン上に、3次元電子密度画像中の照射対象の表面から計画標的体積の末端ポイントに到るまでの電子密度を投影することにより得られる2次元画像を、ビーム源の設置位置から見た電子密度のビーム方向像として、複数のビーム源の設置位置ごとに作成する。第2のステップでは、複数の電子密度のビーム方向像について、それぞれパワースペクトルを計算する。第3のステップでは、パワースペクトルの空間周波数成分中の高周波成分の量に基づいて、前記粒子線のビーム方向を決定する。なお第3のステップで、高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるビーム方向像を得ることができるビーム源の方向を、粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定する。   The method for determining the beam direction of the particle beam using the computer in the treatment planning apparatus for creating the treatment plan information used in the particle beam irradiation system of the present invention implements the following first to third steps. In the first step, a predetermined angular interval is provided around the three-dimensional electron density image created based on the CT value obtained from the treatment plan CT image of the irradiation target obtained by imaging the irradiation target with the CT imaging apparatus. Assuming installation positions of a plurality of beam sources, the planned target is projected from the surface of the irradiation target in the three-dimensional electron density image on a two-dimensional screen virtual in the direction from the installation position of the beam source to the image of the planned target volume. A two-dimensional image obtained by projecting the electron density up to the end point of the volume is created for each installation position of a plurality of beam sources as a beam direction image of the electron density viewed from the installation position of the beam source. . In the second step, a power spectrum is calculated for each of the beam direction images having a plurality of electron densities. In the third step, the beam direction of the particle beam is determined based on the amount of the high frequency component in the spatial frequency component of the power spectrum. In the third step, the direction of the beam source capable of obtaining a beam direction image in which the amount of the high-frequency component is equal to or smaller than a predetermined component amount threshold is determined as an appropriate direction as the beam direction of the particle beam.

平均パワースペクトルの傾きの絶対値を評価指標とする場合には、第2のステップで、複数の電子密度のビーム方向像について、それぞれ平均パワースペクトルを計算する。そして第3のステップで、複数の電子密度のビーム方向像についてそれぞれ求めた平均パワースペクトルの傾きの絶対値を計算し、平均パワースペクトルの傾きの絶対値が予め定めた傾き閾値以上になる場合には、高周波成分の量が成分量閾値以下になると判断して、粒子線のビーム方向を決定する。   When the absolute value of the average power spectrum slope is used as the evaluation index, in the second step, the average power spectrum is calculated for each of the beam direction images having a plurality of electron densities. Then, in the third step, the absolute value of the average power spectrum slope obtained for each of the plurality of electron density beam direction images is calculated, and the absolute value of the average power spectrum slope is greater than or equal to a predetermined slope threshold value. Determines that the amount of the high-frequency component is equal to or less than the component amount threshold, and determines the beam direction of the particle beam.

パワースペクトルの0次モーメントを評価指標とする場合には、第2のステップでは、複数の電子密度のビーム方向像について、それぞれ積算パワースペクトルを計算する。そして第3のステップでは、複数の電子密度のビーム方向像についてそれぞれ求めた積算パワースペクトルから0次モーメントを計算し、0次モーメントが予め定めた0次モーメント閾値以下になる場合には、高周波成分の量が成分量閾値以下になると判断して、粒子線のビーム方向を決定する。   When the 0th-order moment of the power spectrum is used as the evaluation index, in the second step, the integrated power spectrum is calculated for each of the beam direction images having a plurality of electron densities. In the third step, the zero-order moment is calculated from the integrated power spectrum obtained for each of the beam direction images having a plurality of electron densities, and when the zero-order moment is equal to or less than a predetermined zero-order moment threshold, Is determined to be equal to or less than the component amount threshold value, and the beam direction of the particle beam is determined.

本発明のコンピュータ用プログラムは、上記第1乃至第3のステップをコンピュータに実現させるものである。このプログラムは記憶媒体に記憶させることができる。   A computer program according to the present invention causes a computer to realize the first to third steps. This program can be stored in a storage medium.

(A)及び(B)は、粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置で用いられる本発明の粒子線ビーム方向決定システムの実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。(A) And (B) is a block diagram which shows the structure of an example of embodiment of the particle beam beam direction determination system of this invention used with the treatment plan apparatus which produces the treatment plan information used for a particle beam irradiation system. . 図1の実施の形態の理解を容易にするために、3次元電子密度画像から電子密度のビーム方向像を作成する状況を概念的に示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram conceptually showing a situation in which an electron density beam direction image is created from a three-dimensional electron density image in order to facilitate understanding of the embodiment of FIG. 1. ビーム方向像作成部が電子密度のビーム方向像を取得する際に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the algorithm of the software used when a beam direction image creation part acquires the beam direction image of an electron density. 計画標的体積の画像がCUBIC補間により滑らかな等方性の画像になることを示す図である。It is a figure which shows that the image of a plan target volume turns into a smooth isotropic image by CUBIC interpolation. 照射対象の表面から計画標的体積の各末端ポイントに至るまでのビーム線上の電子密度をサンプリングして3次元電子密度画像を得ることを説明するために用いる図である。It is a figure used in order to demonstrate obtaining the three-dimensional electron density image by sampling the electron density on the beam line from the surface of irradiation object to each terminal point of a plan target volume. 第4のステップST14の具体的ステップを2次元で示すものである。The specific steps of the fourth step ST14 are shown in two dimensions. 電子密度のビーム方向像を作成する方法を説明するために用いる図である。It is a figure used in order to explain the method of producing the beam direction image of electron density. (A)は照射対象である人の頭部の計画標的体積の画像を含む放射線写真を示す図であり、(B)は計画標的体積の画像を含む電子密度のビーム方向像を示す図である。(A) is a figure which shows the radiograph containing the image of the plan target volume of the head of the person who is irradiation object, (B) is a figure which shows the beam direction image of the electron density containing the image of the plan target volume. . 平均パワースペクトル計算部,傾き計算部及びビーム方向決定部で得られる結果をそれぞれ時系列で示す図である。It is a figure which shows the result obtained in an average power spectrum calculation part, an inclination calculation part, and a beam direction determination part in a time series, respectively. 平均パワースペクトル計算部及び傾き計算部をコンピュータを用いて実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the algorithm of the software used when implement | achieving an average power spectrum calculation part and an inclination calculation part using a computer. (A)は電子ビームのビーム方向像の画像内電子密度値の平均値をビーム方向像の画像周辺部へ代入した図を示しており、(B)は画像中のグレー値を示すグラフ図である。(A) is the figure which substituted the average value of the electron density value in the image of the beam direction image of an electron beam to the image peripheral part of the beam direction image, (B) is a graph figure which shows the gray value in an image. is there. (A)及び(B)は、平滑化前と平滑化の後の画像とグレー値の変更を示す図である。(A) And (B) is a figure which shows the change of the image and gray value before smoothing and after smoothing. (A)は正規化した画像を示す図であり、(B)は正規化前の正規化後のグレー値の変化を示す図である。(A) is a figure which shows the normalized image, (B) is a figure which shows the change of the gray value after the normalization before normalization. オリジナルパワースペクトル画像の画像領域の入れ替えパターンを示す図である。It is a figure which shows the replacement pattern of the image area | region of an original power spectrum image. パワースペクトル画像を示す図である。It is a figure which shows a power spectrum image. パワースペクトル画像を説明するために用いる図である。It is a figure used in order to explain a power spectrum image. パワースペクトル画像を説明するために用いる図である。It is a figure used in order to explain a power spectrum image. (A)は変換前のパワースペクトル画像であり、(B)は図18(A)の画像を極座標変換した結果を示す図である。(A) is a power spectrum image before conversion, and (B) is a diagram showing a result of polar coordinate conversion of the image of FIG. 18 (A). 図18(B)に示した極座標変換したパワースペクトル画像から積算パワースペクトルを求めた結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having calculated | required the integral power spectrum from the power spectrum image which carried out the polar coordinate conversion shown in FIG.18 (B). 積算パワースペクトルから求めた平均パワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the average power spectrum calculated | required from the integrated power spectrum. 粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置において粒子線のビーム方向をコンピュータを用いて決定する方法で使用するソフトウエアのアルゴリズムを示す図である。It is a figure which shows the algorithm of the software used by the method which determines the beam direction of a particle beam using a computer in the treatment plan apparatus which produces the treatment plan information used for a particle beam irradiation system. 試験において得られた0〜355度のビーム方向に対するパワースペクトルの勾配を示す図である。It is a figure which shows the gradient of the power spectrum with respect to the beam direction of 0-355 degree | times obtained in the test. (A)乃至(C)は、図22において、閾値SHを越えるA乃至Cの傾きでビームを照射した場合を3つのCTスライス上に表示した図である。(A) thru | or (C) are the figures which displayed the case where a beam was irradiated with the inclination of A thru | or C exceeding threshold value SH on FIG. 22 on three CT slices. ブロードビーム照射に照射野形成装置の構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a structure of an irradiation field formation apparatus in broad beam irradiation. 補償フィルタとターゲットである計画標的体積PTVとの対応関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the correspondence of the compensation filter and the plan target volume PTV which is a target. 0次モーメントに基づいて、高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるか否かの判定を行う実施の形態の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of embodiment which determines whether the quantity of a high frequency component becomes below a predetermined component quantity threshold value based on a 0th moment. 0次モーメントによる評価の全体の手順を示す図である。It is a figure which shows the procedure of the whole evaluation by a 0th moment. 前処理の詳細を示す図である。It is a figure which shows the detail of pre-processing. デカルト座標系から極座標系への変換のアルゴリズムを示す図である。It is a figure which shows the algorithm of the conversion from a Cartesian coordinate system to a polar coordinate system. 変換前のデカルト座標系のパワースペクトルと、変換後の極座標系のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the Cartesian coordinate system before conversion, and the power spectrum of the polar coordinate system after conversion. 1症例目の1方向における電子密度ビーム方向像のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the electron density beam direction image in 1 direction of 1 case. 1症例目の2方向における電子密度ビーム方向像のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the electron density beam direction image in two directions of 1 case. 1症例目における、全方向からのパワースペクトルの0次モーメントを示す図である。It is a figure which shows the 0th-order moment of the power spectrum from all directions in the 1st case. 提案手法を適用した5症例における、最小値を0、最大値を1に正規化した0次モーメントの、放射線腫瘍医によって選択されたビーム方向と、避けられたビーム方向での平均値の比較を示す表である。Comparison of the average value in the beam direction selected by the radiation oncologist and the avoided beam direction of the zero-order moment normalized to 0 and the maximum value in 5 cases to which the proposed method was applied It is a table | surface which shows. (A)及び(B)は、1症例目におけるビーム方向と1次モーメント及び2次モーメントの関係を示す図である。(A) And (B) is a figure which shows the relationship between the beam direction in the 1st case, and a primary moment and a secondary moment. 体を傾けて撮像された治療計画CTの例を示す図である。It is a figure which shows the example of treatment plan CT imaged by tilting the body.

以下、図面を参照して、本発明の粒子線ビーム方向決定システム及び粒子線ビーム方向決定方法の実施の形態の一例を詳細に説明する。図1(A)は、粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置で用いられる本発明の粒子線ビーム方向決定システムの基本構成を示すブロック図である。図1(A)の基本構成では、粒子線ビーム方向決定システムが、ビーム方向像作成部1と、パワースペクトル計算部2と、ビーム方向決定手段3とから構成されている。ビーム方向決定手段3の出力は、治療計画装置4に提供される。ビーム方向像作成部1は、3次元電子密度画像作成システム5がCT撮影装置により照射対象を撮影して得た照射対象の治療計画CT画像から得たCT値に基づいて作成された3次元電子密度画像を利用する。パワースペクトル計算部2は、複数のビーム源の位置から見た複数の電子密度のビーム方向像について、それぞれパワースペクトルを計算する。本発明では、パワースペクトルとして、積算パワースペクトル及び/または平均パワースペクトルを用いる。本発明は、ビーム方向像中に大きな振幅変化とともに急峻に変化する電子密度の領域部分があるか否か(セットアップエラーに頑強なビーム方向であるか否か)の判断にパワースペクトルが活用できることを基礎としている。そこで例えば、3次元電子密度画像を中心してその周囲に5°間隔でビーム源の配置位置を変化させると(ビームの入射方向を3次元電子密度画像を中心してその周囲に5°間隔で変えると)、72枚の電子密度のビーム方向像について、それぞれ平均パワースペクトルを計算することになる。具体的なパワースペクトル計算部2は、まず電子密度のビーム方向像の画像内電子密度値の平均値をビーム方向像の画像周辺部へ代入して、ビーム方向像のエッジを平滑化する。平滑化では、ビーム方向像の値を持つ領域の輪郭周辺にガウシアンフィルタを適用して、ビーム方向像の値を持つ領域のエッジを平滑化する。この平滑化により、電子密度のビーム方向像を作成する際に発生するエッジから、本来不要な高周波成分が平均パワースペクトルに含まれることを阻止する。次に平滑化した画像全体の平均値を0へ正規化する前処理を実施する。具体的には、画像全体の平均値を画像全体の値から引く。そして平均値を0に正規化した(前処理を実施した)画像に基づいて、パワースペクトル画像を計算により求める。パワースペクトル画像は、前処理された画像を二次元のフーリエ変換を実施してパワースペクトルを計算により求めて画像化する。すなわち前処理した電子密度のビーム方向像のデータをフーリエ変換することにより、ある周波数バンド幅(周波数分解能)毎のパワーを求めて画像化してパワースペクトル画像を得る。そしてこのパワースペクトル画像を画像の中心に0周波数がくるように画像領域の入れ替えを行う。次にパワースペクトルの極座標変換を行って、パワースペクトル画像を空間周波数と角度の座標で表す画像に変換する。次に、極座標変換したパワースペクトル画像の各空間周波数における積算パワースペクトルを計算する。この積算パワースペクトルから平均パワースペクトルを求める。平均パワースペクトルは、積算パワースペクトルを示す図の縦軸値及び横軸値の自然対数を取ったものである。ビーム方向決定手段3は、パワースペクトルの空間周波数成分中の高周波成分の量に基づいて、粒子線のビーム方向を決定する。すなわちビーム方向決定手段3は、高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるビーム方向像を得ることができるビーム源の方向を、粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定する。したがって本発明によれば、セットアップエラーに頑強なビーム方向(セットアップエラーに対して線量分布が崩れにくい方向)を決定できる。高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるか否かの判定は、いくつかの評価指標を基準として判定することができる。一つの評価指標は、平均パワースペクトルの傾きの絶対値であり、また他の一つの評価指標は積算パワースペクトルから求める0次モーメントである。   Hereinafter, an example of an embodiment of a particle beam direction determination system and a particle beam direction determination method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1A is a block diagram showing a basic configuration of a particle beam beam direction determination system of the present invention used in a treatment plan apparatus for creating treatment plan information used in a particle beam irradiation system. In the basic configuration of FIG. 1A, the particle beam direction determination system includes a beam direction image creation unit 1, a power spectrum calculation unit 2, and a beam direction determination unit 3. The output of the beam direction determining means 3 is provided to the treatment planning device 4. The beam direction image creation unit 1 is created based on the CT value obtained from the treatment plan CT image of the irradiation target obtained by the three-dimensional electron density image generation system 5 imaging the irradiation target with the CT imaging device. Use density images. The power spectrum calculation unit 2 calculates a power spectrum for each of the plurality of beam direction images of the electron density viewed from the positions of the plurality of beam sources. In the present invention, an integrated power spectrum and / or an average power spectrum is used as the power spectrum. The present invention is that the power spectrum can be used to determine whether or not there is an electron density region portion that changes sharply with a large amplitude change in the beam direction image (whether or not the beam direction is robust against setup errors). It is based. Therefore, for example, when the arrangement position of the beam source is changed at an interval of 5 ° around the three-dimensional electron density image (if the incident direction of the beam is changed at an interval of 5 ° around the three-dimensional electron density image) ), An average power spectrum is calculated for each of 72 electron density beam direction images. The specific power spectrum calculation unit 2 first substitutes the average value of the electron density values in the image of the beam direction image of the electron density into the image peripheral part of the beam direction image, and smoothes the edge of the beam direction image. In the smoothing, a Gaussian filter is applied around the contour of the region having the value of the beam direction image to smooth the edge of the region having the value of the beam direction image. By this smoothing, it is prevented that an originally unnecessary high-frequency component is included in the average power spectrum from an edge generated when an electron density beam direction image is created. Next, preprocessing for normalizing the average value of the entire smoothed image to 0 is performed. Specifically, the average value of the entire image is subtracted from the value of the entire image. Then, a power spectrum image is obtained by calculation based on an image in which the average value is normalized to 0 (preprocessing is performed). The power spectrum image is imaged by performing a two-dimensional Fourier transform on the preprocessed image to obtain a power spectrum by calculation. In other words, the preprocessed electron density beam direction image data is Fourier transformed to obtain power for each frequency bandwidth (frequency resolution) and image it to obtain a power spectrum image. Then, the image areas of the power spectrum image are exchanged so that the zero frequency comes to the center of the image. Next, polar coordinate conversion of the power spectrum is performed to convert the power spectrum image into an image represented by coordinates of spatial frequency and angle. Next, an integrated power spectrum at each spatial frequency of the power spectrum image subjected to polar coordinate conversion is calculated. An average power spectrum is obtained from this integrated power spectrum. The average power spectrum is obtained by taking the natural logarithm of the vertical axis value and the horizontal axis value of the figure showing the integrated power spectrum. The beam direction determining means 3 determines the beam direction of the particle beam based on the amount of the high frequency component in the spatial frequency component of the power spectrum. That is, the beam direction determining means 3 determines that the direction of the beam source capable of obtaining a beam direction image in which the amount of the high frequency component is equal to or less than a predetermined component amount threshold is an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. . Therefore, according to the present invention, it is possible to determine a beam direction that is robust against a setup error (a direction in which the dose distribution is less likely to collapse due to the setup error). Whether or not the amount of the high frequency component is equal to or less than a predetermined component amount threshold can be determined based on several evaluation indexes. One evaluation index is the absolute value of the slope of the average power spectrum, and the other evaluation index is a zeroth-order moment obtained from the integrated power spectrum.

図1(B)は、平均パワースペクトルの傾きの絶対値に基づいて、高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるか否かの判定を行う実施の形態の構成を示すブロック図である。図2は、図1の実施の形態の理解を容易にするために、3次元電子密度画像から電子密度のビーム方向像BDIを作成する状況を概念的に示す模式図である。なお図2においては、3次元電子密度画像3DIの代わりに照射対象Gの立体形状を示してある。また図2中には、計画標的体積PTVに対応するものとしてターゲット(腫瘍)TGを図示してある。図1の実施の形態では、粒子線ビーム方向決定システムが、ビーム方向像作成部1と、平均パワースペクトル計算部2´からなるパワースペクトル計算部2と、傾き計算部3A及びビーム方向決定部3Bからなるビーム方向決定手段3とから構成されている。ビーム方向像作成部1は、3次元電子密度画像作成システム5がCT撮影装置により照射対象を撮影して得た照射対象の治療計画CT画像から得たCT値に基づいて作成された3次元電子密度画像3DIを利用する。   FIG. 1B is a block diagram showing a configuration of an embodiment for determining whether or not the amount of the high frequency component is equal to or less than a predetermined component amount threshold based on the absolute value of the slope of the average power spectrum. is there. FIG. 2 is a schematic diagram conceptually showing a situation where a beam direction image BDI of electron density is created from a three-dimensional electron density image in order to facilitate understanding of the embodiment of FIG. In FIG. 2, the three-dimensional shape of the irradiation object G is shown instead of the three-dimensional electron density image 3DI. Further, in FIG. 2, a target (tumor) TG is shown as corresponding to the planned target volume PTV. In the embodiment of FIG. 1, the particle beam direction determination system includes a beam direction image creation unit 1, a power spectrum calculation unit 2 including an average power spectrum calculation unit 2 ′, an inclination calculation unit 3A, and a beam direction determination unit 3B. The beam direction determining means 3 is composed of The beam direction image creation unit 1 is created based on the CT value obtained from the treatment plan CT image of the irradiation target obtained by the three-dimensional electron density image generation system 5 imaging the irradiation target with the CT imaging device. A density image 3DI is used.

図3には、3次元電子密度画像作成システム5において、コンピュータを用いて3次元電子密度画像3DIを作成し、ビーム方向像作成部1が電子密度のビーム方向像BDIを取得する際に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートを示している。3次元電子密度画像作成システム5は、概念的には、図示しないCT撮影装置により照射対象を撮影して得た照射対象の治療計画CT画像から得たCT値に基づいて、3次元電子密度画像3DIを得るものである。本実施の形態では、3次元電子密度画像3DIを具体的に以下のステップで作成する。図3に示すように、第1のステップST11で、治療計画CT画像と治療計画CT画像中の計画標的体積の等方ボクセル化を実施する。特に等方ボクセル化の際には、図4に示すように、等方ボクセル化した計画標的体積PTVの画像がCUBIC補間により滑らかな等方性の画像にしている。これにより高周波成分の増加を抑制している。次に第2のステップで、等方ボクセル化した治療計画CT画像のCT値を、水の相対電子密度に変換して変換電子密度画像を作成する。なおこの電子密度への変換に関しては、例えば、株式会社文光堂が発行する「放射線治療物理学」(著者:西臺武弘)の第250頁及び第251頁に具体的に開示されている。第3のステップでは、3次元の変換電子密度画像から体領域(空気ではない領域)の部分を取り出したものを3次元電子密度画像3DIとする。ステップST4では、図5に示すように、3次元電子密度画像3DIを利用して、照射対象の表面から計画標的体積PTVの各末端ポイントに至るまでの飛程を計算し、この飛程に基づいて、ビーム線上の電子密度をサンプリングして得たものを加算して電子密度のビーム方向像を作成する。   In FIG. 3, in the three-dimensional electron density image creation system 5, a software is used to create a three-dimensional electron density image 3DI using a computer, and the beam direction image creation unit 1 acquires a beam direction image BDI of electron density. 2 is a flowchart showing a wear algorithm. Conceptually, the three-dimensional electron density image creation system 5 is a three-dimensional electron density image based on a CT value obtained from a treatment plan CT image of an irradiation target obtained by imaging the irradiation target with a CT imaging device (not shown). You get 3DI. In the present embodiment, a three-dimensional electron density image 3DI is specifically created by the following steps. As shown in FIG. 3, in the first step ST11, isotropic voxelization of the treatment plan CT image and the plan target volume in the treatment plan CT image is performed. In particular, at the time of isotropic voxelization, as shown in FIG. 4, the image of the planned target volume PTV that has been isotropically voxeled is converted into a smooth isotropic image by CUBIC interpolation. This suppresses an increase in high-frequency components. Next, in a second step, the CT value of the treatment plan CT image converted into isotropic voxels is converted into the relative electron density of water to create a converted electron density image. The conversion to electron density is specifically disclosed, for example, on pages 250 and 251 of “Radiation Therapy Physics” (author: Takehiro Nishijo) issued by Bunkodo Co., Ltd. In the third step, a three-dimensional electron density image 3DI is obtained by extracting a body region (non-air region) portion from the three-dimensional conversion electron density image. In step ST4, as shown in FIG. 5, the range from the surface of the irradiation target to each terminal point of the planned target volume PTV is calculated using the three-dimensional electron density image 3DI, and based on this range. Then, the electron density on the beam line obtained by sampling is added to create a beam direction image of the electron density.

図6は、第4のステップST14の具体的ステップを2次元で示すものである。図6にいて、Bはベッドの像であり、Wは患者をベッドに固定するための網の像である。これらの像B及びWは、画像処理により消去される。具体的には、変換電子密度画像の固定閾値処理→オープニング処理(1pixel縮小・1pixel拡大)→最大領域の切り取り→クロージング処理(1pixel拡大・1pixel縮小)→画像反転と最大領域の切り取り(体の外の空気)→「体の中の空気を含めた領域」を体領域として定義→電子密度画像から体領域の取り出しを実施する。このような処理を経て3次元電子密度画像3DIを作成すると、ビーム通過部分の電子密度をより正確に反映した3次元電子密度画像3DIを得ることができる。   FIG. 6 shows the specific steps of the fourth step ST14 in two dimensions. In FIG. 6, B is an image of the bed, and W is an image of a net for fixing the patient to the bed. These images B and W are erased by image processing. Specifically, fixed threshold processing of converted electron density image → opening process (1 pixel reduction / 1 pixel enlargement) → maximum area cutout → closing process (1 pixel enlargement / 1 pixel reduction) → image inversion and maximum area cutout (outside of body) Air) → “region including air in the body” is defined as a body region → the body region is extracted from the electron density image. When the three-dimensional electron density image 3DI is created through such processing, a three-dimensional electron density image 3DI that more accurately reflects the electron density of the beam passing portion can be obtained.

図1(B)のビーム方向像作成部1は、図7に概念的に示すように、3次元電子密度画像3DIの周囲に所定の角度間隔(本実施の形態では5°間隔)をあけて複数のビーム源LSの設置位置(P0〜P71)を仮定して、各ビーム源LSの設置位置から計画標的体積PTVの像PTVIに向かう方向に仮想した2次元スクリーンS上に、3次元電子密度画像3DI中の照射対象の表面から計画標的体積PTVの末端ポイントに到るまでの電子密度を投影することにより得られる2次元画像を、ビーム源の位置から見た電子密度のビーム方向像BDIとして、複数のビーム源の設置位置ごとに作成する。図7及び図2において、Fは図24に示したマルチリーフコリメータに相当するもので、3次元電子密度画像3DIに計画標的体積PTVの輪郭形状に一致したビームを投影するためのものである。2次元スク−リンSは、ビーム方向像を演算により求めるために仮想した計算上のスクリーンであり、またこの2次元スクリーン上への3次元電子密度画像3DIの投影も計算上の投影である。電子密度のビーム方向像BDIには、ビーム源LS側からのビーム線上の3次元電子密度画像中の電子密度を照射対象の表面から計画標的体積PTVの末端ポイント(ビーム源から見て計画標的体積PTVの背面側の縁部に対応する点)までサンプリングしたものを加算した値が、多数のビーム線ごとに2次元データとして含まれている。ビームが通過する領域に空洞が存在する場合には、電子密度のビーム方向像BDI中の空洞を含む領域を通るビーム上でサンプリングした電子密度の加算値は低くなり、筋肉や骨などの領域を通るビーム上でサンプリングした電子密度の加算値は高くなる。ちなみに図8(A)は照射対象である人の頭部の計画標的体積の画像を含む放射線写真を示しており、図8(B)は計画標的体積の画像を含む電子密度のビーム方向像BDIである。ビーム方向像作成部1は、このような電子密度のビーム方向像BDIをビーム源LSの設置位置を0°から355°まで5°間隔で変えて取得している。   As shown conceptually in FIG. 7, the beam direction image creation unit 1 in FIG. 1B provides a predetermined angular interval (5 ° interval in the present embodiment) around the three-dimensional electron density image 3DI. Assuming the installation positions (P0 to P71) of the plurality of beam sources LS, the three-dimensional electron density on the two-dimensional screen S virtually assumed in the direction from the installation position of each beam source LS toward the image PTVI of the planned target volume PTV. A two-dimensional image obtained by projecting the electron density from the surface of the irradiation target in the image 3DI to the end point of the planned target volume PTV is a beam direction image BDI of the electron density viewed from the position of the beam source. Create for each installation position of multiple beam sources. In FIGS. 7 and 2, F corresponds to the multi-leaf collimator shown in FIG. 24, and is for projecting a beam corresponding to the contour shape of the planned target volume PTV onto the three-dimensional electron density image 3DI. The two-dimensional screen S is a virtual calculation screen for obtaining a beam direction image by calculation, and the projection of the three-dimensional electron density image 3DI onto the two-dimensional screen is also a calculation projection. In the beam direction image BDI of the electron density, the electron density in the three-dimensional electron density image on the beam line from the beam source LS side is represented by the terminal point of the planned target volume PTV from the surface of the irradiation target (the planned target volume viewed from the beam source). A value obtained by adding the samples sampled up to the point corresponding to the rear edge of the PTV) is included as two-dimensional data for each of a large number of beam lines. If there is a cavity in the region through which the beam passes, the sum of the electron density sampled on the beam passing through the region including the cavity in the electron direction beam direction image BDI will be low, and regions such as muscle and bone will be removed. The sum of the electron densities sampled on the passing beam is high. Incidentally, FIG. 8A shows a radiograph including an image of the planned target volume of the head of the person to be irradiated, and FIG. 8B shows an electron density beam direction image BDI including the image of the planned target volume. It is. The beam direction image creation unit 1 acquires such a beam direction image BDI having an electron density by changing the installation position of the beam source LS from 0 ° to 355 ° at intervals of 5 °.

図1の平均パワースペクトル計算部2´は、図7の複数のビーム源LSの配置位置から見た複数の電子密度のビーム方向像BDIについて、それぞれ平均パワースペクトルを計算する。図7のように、3次元電子密度画像3DIを中心してその周囲に5°間隔でビーム源の位置を仮定すると、72枚の電子密度のビーム方向像について、それぞれ平均パワースペクトルを計算することになる。傾き計算部3Aは、複数の電子密度のビーム方向像から求めた平均パワースペクトルの傾きをそれぞれ計算する。そしてビーム方向決定部3Bは、この傾きの絶対値に基づいて粒子線のビーム方向を決定する。ビーム方向決定部3Bで決定された情報は、治療計画装置4に提供される。   The average power spectrum calculation unit 2 ′ in FIG. 1 calculates an average power spectrum for each of the beam direction images BDI having a plurality of electron densities viewed from the arrangement positions of the plurality of beam sources LS in FIG. As shown in FIG. 7, assuming the position of the beam source at 5 ° intervals around the three-dimensional electron density image 3DI, the average power spectrum is calculated for each of 72 electron density beam direction images. Become. The inclination calculation unit 3A calculates the inclination of the average power spectrum obtained from the beam direction images having a plurality of electron densities. Then, the beam direction determination unit 3B determines the beam direction of the particle beam based on the absolute value of this inclination. The information determined by the beam direction determination unit 3B is provided to the treatment planning device 4.

図9は、平均パワースペクトル計算部2´、傾き計算部3A及びビーム方向決定部3Bで得られる結果をそれぞれ時系列で示している。図10は、平均パワースペクトル計算部2´及び傾き計算部3Aを、コンピュータを用いて実現する場合に用いるソフトウエアのアルゴリズムを示すフローチャートである。図11(A)の上側の図は、電子ビームのビーム方向像の画像内電子密度値の平均値をビーム方向像の画像周辺部へ代入した図を示している。なお図中の横線は、後述するグレー値を採取した部分を示すものである。次に平均パワースペクトル計算部2´では、ステップST21において、ビームのビーム方向像の画像内電子密度値の平均値をビーム方向像BDIの画像周辺部へ代入して、ビーム方向像BDIのエッジを平滑化する。このことはビーム方向像BDIの周囲にある背景画像のピクセル値とビーム方向像BDIのピクセル値との差を減少させているために、計画標的体積PTVの内部の電子密度に基づいたビーム方向像BDIの平均ピクセル値を背景画像のピクセル値割り当てることを意味する。ステップST21の結果は、図11(B)に示すように、画像中のグレー値の変化として確認できる。図11(B)において、画像中のグレー値は上のグラフの状態から下のグラフの状態になる。   FIG. 9 shows the results obtained by the average power spectrum calculation unit 2 ′, the inclination calculation unit 3A, and the beam direction determination unit 3B in time series. FIG. 10 is a flowchart showing a software algorithm used when the average power spectrum calculation unit 2 ′ and the inclination calculation unit 3A are realized using a computer. The upper diagram in FIG. 11A shows a diagram in which the average value of the electron density values in the image of the beam direction image of the electron beam is substituted into the image peripheral portion of the beam direction image. In addition, the horizontal line in a figure shows the part which extract | collected the gray value mentioned later. Next, in step ST21, the average power spectrum calculation unit 2 'substitutes the average value of the electron density values in the image of the beam direction image of the beam into the image peripheral part of the beam direction image BDI, and the edge of the beam direction image BDI is substituted. Smooth. This reduces the difference between the pixel values of the background image around the beam direction image BDI and the pixel values of the beam direction image BDI, so that the beam direction image based on the electron density inside the planned target volume PTV. This means that the average pixel value of BDI is assigned to the pixel value of the background image. The result of step ST21 can be confirmed as a change in gray value in the image, as shown in FIG. In FIG. 11B, the gray value in the image changes from the state of the upper graph to the state of the lower graph.

次にステップST22では、投影部分のエッジを平滑化する。この平滑化では、ビーム方向像BDIの値を持つ領域の輪郭周辺にガウシアンフィルタを適用して、ビーム方向像BDIの値を持つ領域のエッジを平滑化する。すなわちビーム方向像BDIの値を持つ部分と持たない部分との間に、大きな値の差を無くして高周波成分の増加を防ぐ。ここでガウシアンフィルタは、例えば、電子密度のビーム方向像BDIの端部から予め定めたピクセル分の領域において、パワースペクトル中の高い周波数成分を減少させるために用いられる。図12(A)及び(B)は、平滑化前と平滑化の後の画像とグレー値の変更を示している。   Next, in step ST22, the edge of the projection part is smoothed. In this smoothing, a Gaussian filter is applied around the contour of the region having the value of the beam direction image BDI to smooth the edge of the region having the value of the beam direction image BDI. That is, a large value difference is eliminated between the portion having the value of the beam direction image BDI and the portion not having the value, thereby preventing an increase in the high frequency component. Here, the Gaussian filter is used, for example, to reduce high frequency components in the power spectrum in a predetermined pixel area from the end of the beam direction image BDI of electron density. FIGS. 12A and 12B show changes in the image and gray value before and after smoothing.

次にステップST23で、平滑化した画像全体の平均値を0へ正規化する前処理を実施する。具体的には、画像全体の平均値を画像全体の値から引く。図13(A)は、正規化した画像を示しており、図13(B)は正規化前の正規化後のグレー値の変化を示している。   Next, in step ST23, preprocessing for normalizing the average value of the entire smoothed image to 0 is performed. Specifically, the average value of the entire image is subtracted from the value of the entire image. FIG. 13A shows a normalized image, and FIG. 13B shows a change in gray value after normalization before normalization.

次にステップST24で、平均値を0に正規化した(前処理を実施した)画像に基づいて、パワースペクトル画像を計算により求める。パワースペクトル画像は、前処理された画像を二次元のフーリエ変換を実施してパワースペクトルを計算により求めて画像化することにより得る。すなわち前処理した電子密度のビーム方向像のデータをフーリエ変換することにより、ある周波数バンド幅(周波数分解能)毎のパワーを求めて画像化してパワースペクトル画像を得る。本実施の形態では、パワースペクトル画像を画像の中心に0周波数がくるよう画像領域の入れ替えを行う。図14は、オリジナルパワースペクトル画像の画像領域の入れ替えパターンを示している。オリジナルパワースペクトル画像では、四隅が0周波数となる。そこで画像の領域R1を領域R4と入れ替え、領域R2と領域R3とを入れ替える。その結果、画像の中心に0周波数が位置することになる。図15は、画像領域の入れ替えを行って得たパワースペクトル画像の一例を示している。このようにして得たパワースペクトル画像の濃度変動は、周波数及び振幅の変化により示される。このパワースペクトル画像の座標(中心からの距離)は、空間周波数(画像の濃度変動の周波数)を示している。またパワースペクトルが小さいことは、振幅が小さいことを意味している。図15に示すように、パワースペクトル画像の中心には、低周波数成分が集まり、外側領域には高周波成分が集まることになる。図16において、符号Aで示す領域の空間周波数は、低周波成分あり、符号Bで示す領域の空間周波数は高周波成分である。また図17に符号Cで示す領域のように、中心から等距離で値が大きい部分は、濃度変化が大きいことを示している。また符号Dで示す領域のように、中心から等距離で値が小さい部分は、濃度変化が小さいことを示している。   Next, in step ST24, a power spectrum image is obtained by calculation on the basis of an image in which the average value is normalized to 0 (preprocessing is performed). The power spectrum image is obtained by performing a two-dimensional Fourier transform on the preprocessed image to obtain a power spectrum by calculation and imaging it. In other words, the preprocessed electron density beam direction image data is Fourier transformed to obtain power for each frequency bandwidth (frequency resolution) and image it to obtain a power spectrum image. In the present embodiment, the image areas are switched so that the power spectrum image has 0 frequency at the center of the image. FIG. 14 shows a replacement pattern of image areas of the original power spectrum image. In the original power spectrum image, the four corners have zero frequency. Therefore, the region R1 of the image is replaced with the region R4, and the region R2 and the region R3 are replaced. As a result, the zero frequency is located at the center of the image. FIG. 15 shows an example of a power spectrum image obtained by exchanging image areas. The density fluctuation of the power spectrum image obtained in this way is indicated by changes in frequency and amplitude. The coordinates (distance from the center) of the power spectrum image indicate the spatial frequency (frequency of density fluctuation of the image). A small power spectrum means that the amplitude is small. As shown in FIG. 15, low frequency components gather at the center of the power spectrum image, and high frequency components gather at the outer region. In FIG. 16, the spatial frequency of the region indicated by the symbol A has a low frequency component, and the spatial frequency of the region indicated by the symbol B is a high frequency component. Further, as in the region indicated by reference numeral C in FIG. 17, a portion having a large value at the same distance from the center indicates that the density change is large. In addition, as in the region indicated by the symbol D, a portion having a small value at the same distance from the center indicates that the density change is small.

次にステップST25において、パワースペクトル画像の極座標変換を行って、パワースペクトル画像を空間周波数と角度の座標で表す画像に変換する。図18(A)は変換前のパワースペクトル画像であり、図18(B)は、図18(A)の画像を極座標変換した結果を示している。ステップST26では、極座標変換したパワースペクトル画像の各空間周波数における積算パワースペクトルを計算する。図19は、図18(B)に示した極座標変換したパワースペクトル画像から積算パワースペクトルを求めた結果を示している。積算パワースペクトルは、下記の式により求めることができる。
Next, in step ST25, polar coordinate conversion of the power spectrum image is performed to convert the power spectrum image into an image represented by coordinates of spatial frequency and angle. FIG. 18A shows a power spectrum image before conversion, and FIG. 18B shows the result of polar coordinate conversion of the image of FIG. In step ST26, an integrated power spectrum at each spatial frequency of the power spectrum image subjected to polar coordinate conversion is calculated. FIG. 19 shows the result of obtaining the integrated power spectrum from the polar spectrum converted power spectrum image shown in FIG. The integrated power spectrum can be obtained by the following equation.

上記式において、fは空間周波数であり、θは角度である。   In the above formula, f is a spatial frequency, and θ is an angle.

ステップST27は、傾き計算部3Aを実現するステップである。このステップST27では、複数の電子密度のビーム方向像から求めた積算パワースペクトルから平均パワースペクトルの傾きをそれぞれ計算する。平均パワースペクトルは、積算パワースペクトルを示す図の縦軸値及び横軸値の自然対数を取ったものである。平均パワースペクトルの勾配即ち傾きは、ナイキスト周波数まですべての周波数についてのパワースペクトルを伴った一次多項式の傾斜として得られる。図20は、図19の積算パワースペクトルから求めた平均パワースペクトルを示している。平均パワースペクトルの傾きの絶対値は、平均パワースペクトルから最小二乗法により近似直線SLを求め、この近似直線SLの傾きとして求める。   Step ST27 is a step for realizing the inclination calculation unit 3A. In step ST27, the slope of the average power spectrum is calculated from the integrated power spectrum obtained from the beam direction images of a plurality of electron densities. The average power spectrum is obtained by taking the natural logarithm of the vertical axis value and the horizontal axis value of the figure showing the integrated power spectrum. The slope or slope of the average power spectrum is obtained as the slope of a first order polynomial with the power spectrum for all frequencies up to the Nyquist frequency. FIG. 20 shows an average power spectrum obtained from the integrated power spectrum of FIG. The absolute value of the slope of the average power spectrum is obtained as the slope of the approximate line SL by obtaining an approximate line SL from the average power spectrum by the least square method.

ビーム方向決定部3Bは、この傾きの絶対値に基づいて粒子線のビーム方向を決定する。電子密度のビーム方向像における変化の空間周波数がより低く及び振幅がより小さくなると、平均パワースペクトルの勾配即ち傾きの絶対値がより大きくなる。ビーム方向像中に大きな振幅変化とともに急峻に変化する電子密度の領域部分が少なくなると、電子密度のビーム方向像中における変化の空間周波数がより低く及び振幅がより小さくなって、平均パワースペクトル中の空間周波数成分中の高周波成分が少なくなり、平均パワースペクトルの勾配即ち傾きの絶対値がより大きくなる。したがってこの傾きの絶対値が大きい場合には、多少の患者セットアップエラーがあっても、ビーム方向像中に大きな振幅変化とともに急峻に変化する電子密度の領域がないため、低線量照射や過剰照射が発生する可能性は低下する。   The beam direction determination unit 3B determines the beam direction of the particle beam based on the absolute value of this inclination. The lower the spatial frequency of the change in the beam direction image of electron density and the smaller the amplitude, the larger the absolute value of the gradient or slope of the average power spectrum. When the region of the electron density that changes sharply with a large amplitude change in the beam direction image becomes smaller, the spatial frequency of the change in the electron direction beam direction image becomes lower and the amplitude becomes smaller. The high frequency component in the spatial frequency component is reduced, and the absolute value of the gradient, that is, the slope of the average power spectrum is increased. Therefore, if the absolute value of this slope is large, even if there is some patient setup error, there is no region of electron density that changes sharply with large amplitude changes in the beam direction image. The likelihood of occurrence is reduced.

そこでビーム方向決定部3Bは、傾きの絶対値が傾き閾値SHよりも大きくなる電子密度のビーム方向像に対応するビーム源の方向を粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定する。傾き閾値の定め方によれば、複数種類のビーム方向が好ましい方向として決定される。またビーム方向決定部3Bは、傾きの絶対値が傾き閾値SHよりも小さい電子密度のビーム方向像に対応するビーム源の方向を粒子線のビーム方向として不適切な方向であると決定することもできる。このようにすると、不適切な方向以外の方向から医師が好ましいと考える方向を採用すればよい。   Therefore, the beam direction determination unit 3B determines that the direction of the beam source corresponding to the beam direction image of the electron density at which the absolute value of the tilt is larger than the tilt threshold SH is an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. According to the method of determining the tilt threshold, a plurality of types of beam directions are determined as preferable directions. Further, the beam direction determination unit 3B may determine that the direction of the beam source corresponding to the beam direction image having an electron density smaller than the inclination threshold SH is an inappropriate direction as the particle beam direction. it can. If it does in this way, what is necessary is just to employ | adopt the direction which a doctor considers preferable from directions other than an inappropriate direction.

図21は、本発明の粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置において粒子線のビーム方向をコンピュータを用いて決定する方法で使用するソフトウエアのアルゴリズムを示している。このアルゴリズムでは、第1のステップST31では、CT撮影装置により照射対象を撮影して得た照射対象の治療計画CT画像から得たCT値に基づいて作成された3次元電子密度画像の周囲に所定の角度間隔をあけて複数のビーム源の設置位置を仮定して、各ビーム源の設置位置から計画標的体積に向かう方向に仮想した2次元スクリーン上に、3次元電子密度画像中の照射対象の表面から計画標的体積の末端ポイントに到るまでの電子密度を投影することにより得られる2次元画像を、ビーム源の位置から見た電子密度のビーム方向像として、複数のビーム源ごとに作成する。第2のステップST32では、複数の電子密度のビーム方向像について、それぞれ平均パワースペクトルを計算する。第3のステップST33では、複数の電子密度のビーム方向像から求めた平均パワースペクトルの傾きの絶対値に基づいて粒子線のビーム方向を決定する。   FIG. 21 shows a software algorithm used in a method for determining the beam direction of a particle beam using a computer in a treatment plan apparatus for creating treatment plan information used in the particle beam irradiation system of the present invention. In this algorithm, in a first step ST31, a predetermined area around a three-dimensional electron density image created based on a CT value obtained from a treatment plan CT image of an irradiation target obtained by imaging the irradiation target with a CT imaging apparatus. Assuming the installation positions of a plurality of beam sources with an angular interval of, the irradiation target in the three-dimensional electron density image is placed on a virtual two-dimensional screen in the direction from the installation position of each beam source to the planned target volume. A two-dimensional image obtained by projecting the electron density from the surface to the end point of the planned target volume is created for each of a plurality of beam sources as a beam direction image of the electron density viewed from the position of the beam source. . In the second step ST32, an average power spectrum is calculated for each of the beam direction images having a plurality of electron densities. In the third step ST33, the beam direction of the particle beam is determined based on the absolute value of the gradient of the average power spectrum obtained from the beam direction images having a plurality of electron densities.

本発明の効果を確認するために、本実施の形態を5つの頭頸部癌ケースに適用し、ビーム方向を決定する試験を行った。図22は、この試験において得られた0〜355度のビーム方向に対するパワースペクトルの勾配を示している。図23(A)乃至(C)は、図22において、閾値SHを越えるA乃至Cの傾きでビームを照射した場合を3つのCTスライス上に表示した図である。この3つのビーム方向について放射線腫瘍医に見解を求めたところ、好ましいものであるとの賛同を得た。このことは、本発明によって決定されたビーム方向が、ロバストなビーム方向を示していることを意味している。   In order to confirm the effect of the present invention, the present embodiment was applied to five head and neck cancer cases, and a test for determining the beam direction was performed. FIG. 22 shows the power spectrum slope for the 0-355 degree beam direction obtained in this test. FIGS. 23A to 23C are diagrams showing the case where the beams are irradiated with the inclinations A to C exceeding the threshold SH in FIG. 22 on three CT slices. When we asked the radiation oncologist for their views on these three beam directions, they agreed that it was preferable. This means that the beam direction determined by the present invention indicates a robust beam direction.

図26は、0次モーメントに基づいて、高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるか否かの判定を行う実施の形態の構成を示すブロック図である。評価指標として0次モーメントを用いる場合には、パワースペクトル計算部2は、複数の密度のビーム方向像について、それぞれ一次元積算パワースペクトルを計算する。そしてビーム方向決定手段30は、複数の電子密度のビーム方向像についてそれぞれ求めた一次元積分パワースペクトルから0次モーメントを計算する0次モーメント計算部30Aと、0次モーメントが予め定めたモーメント閾値以下になる場合には、高周波成分の量が成分量閾値以下になると判断して、粒子線のビーム方向を決定するビーム方向決定部30Bとから構成する。ビーム方向決定部30Bは、0次モーメントがモーメント閾値以下になる電子密度のビーム方向像に対応するビーム源の方向を粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定することができる。またビーム方向決定部30Bは、0次モーメントがモーメント閾値よりも大きくなる電子密度のビーム方向像に対応するビーム源の方向を粒子線のビーム方向として不適切な方向であると決定することができる。   FIG. 26 is a block diagram showing a configuration of an embodiment for determining whether or not the amount of the high-frequency component is equal to or less than a predetermined component amount threshold based on the 0th-order moment. When the 0th-order moment is used as the evaluation index, the power spectrum calculation unit 2 calculates a one-dimensional integrated power spectrum for each of a plurality of density beam direction images. The beam direction determining means 30 includes a 0th moment calculation unit 30A for calculating a 0th moment from the one-dimensional integral power spectrum obtained for each of the beam direction images having a plurality of electron densities, and the 0th moment is below a predetermined moment threshold. In this case, it is determined that the amount of the high-frequency component is equal to or less than the component amount threshold, and the beam direction determining unit 30B determines the beam direction of the particle beam. The beam direction determination unit 30B can determine that the direction of the beam source corresponding to the beam direction image of the electron density at which the zero-order moment is equal to or less than the moment threshold is an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. Further, the beam direction determination unit 30B can determine that the direction of the beam source corresponding to the beam direction image of the electron density at which the zero-order moment is greater than the moment threshold is an inappropriate direction as the beam direction of the particle beam. .

以下具体的に0次モーメントを用いてビーム方向を決定する方法について説明する。前述のように、患者セットアップエラーによる線量分布の悪化の程度は、水等価距離の空間的変化の、振幅と空間周波数とともに増加する。そこで本実施の形態では、0次モーメントを用いて、低い空間周波数成分を持ち、振幅の小さい電子密度ビーム方向像を持つビーム方向を見つける。各ビーム方向の電子密度ビーム方向像から取得される、一次元積算パワースペクトルの0次モーメント(パワースペクトルの面積)(非特許文献16)を求める。図27は、0次モーメントによる評価の全体の手順を示す。まず、取得した電子密度ビーム方向像に前処理を行う。次にデカルト座標系の2次元パワースペクトルを計算する。その後、デカルト座標系のパワースペクトルを極座標へ変換する。そして、積算パワースペクトルを計算し、最後に0次モーメントを計算する。   Hereinafter, a method for determining the beam direction using the 0th-order moment will be described in detail. As described above, the degree of dose distribution deterioration due to patient setup error increases with the amplitude and spatial frequency of the spatial variation of the water equivalent distance. Therefore, in the present embodiment, a beam direction having an electron density beam direction image having a low spatial frequency component and a small amplitude is found using the zeroth-order moment. The zero-order moment (power spectrum area) of the one-dimensional integrated power spectrum (non-patent document 16) obtained from the electron density beam direction image in each beam direction is obtained. FIG. 27 shows the overall procedure of evaluation using the zeroth moment. First, preprocessing is performed on the acquired electron density beam direction image. Next, the two-dimensional power spectrum of the Cartesian coordinate system is calculated. Thereafter, the power spectrum of the Cartesian coordinate system is converted to polar coordinates. Then, the integrated power spectrum is calculated, and finally the zeroth moment is calculated.

まず、電子密度ビーム方向像のパワースペクトルを、0から355度まで、5度間隔で計算した。パワースペクトルを計算する前に、仮想的な照射野の境界領域の、水等価距離の変動とは無関係な高周波成分を低減するため、電子密度ビーム方向像に以下に示す前処理を行う。前処理の詳細を図28に示す。最初に、仮想照射野内と照射野外の値の差を減らすため、仮想照射野外に、仮想照射野内の平均ピクセル値を代入する。次に、仮想照射野の内外10ピクセルに、ガウシアンフィルターを適用した。そして、パワースペクトルにおける画像の平均値の影響を減らすため、画像全体の平均ピクセル値を、画像全体から引き算することによって、正規化を行った。   First, the power spectrum of the electron density beam direction image was calculated from 0 to 355 degrees at intervals of 5 degrees. Before calculating the power spectrum, the following pre-processing is performed on the electron density beam direction image in order to reduce high-frequency components that are unrelated to fluctuations in the water equivalent distance in the boundary region of the virtual irradiation field. Details of the preprocessing are shown in FIG. First, in order to reduce the difference between the values in the virtual irradiation field and the outside of the irradiation field, the average pixel value in the virtual irradiation field is substituted into the virtual irradiation field. Next, a Gaussian filter was applied to 10 pixels inside and outside the virtual irradiation field. In order to reduce the influence of the average value of the image on the power spectrum, normalization was performed by subtracting the average pixel value of the entire image from the entire image.

前処理後の画像に、2次元フーリエ変換を適用し、2次元パワースペクトルを計算した。2次元フーリエ変換とパワースペクトルは、以下の式に従い計算した。
A two-dimensional power spectrum was calculated by applying a two-dimensional Fourier transform to the preprocessed image. The two-dimensional Fourier transform and power spectrum were calculated according to the following formula.

ここで、f(x,y)は前処理を行った電子密度ビーム方向像、F(u,v)はフーリエ変換画像、P(u,v)はパワースペクトル画像、x,yは実空間上の座標、u,vは周波数空間上の座標である。   Here, f (x, y) is a pre-processed electron density beam direction image, F (u, v) is a Fourier transform image, P (u, v) is a power spectrum image, and x and y are in real space. The coordinates of u and v are coordinates in the frequency space.

次に極座標系のパワースペクトルP(f,θ)を以下の式を用いて求めた。
Next, the power spectrum P (f, θ) of the polar coordinate system was obtained using the following equation.

一般に(u,v)の座標は実数となるため、P(u,v)の値を、線形補間法を用いて求めた。図29にデカルト座標系から極座標系への変換のアルゴリズム、図30に変換前のデカルト座標系(Cartesian coordinate system)のパワースペクトルと、変換後の極座標系(polar coordinate system)のパワースペクトルを示す。   In general, since the coordinates of (u, v) are real numbers, the value of P (u, v) was obtained using a linear interpolation method. FIG. 29 shows an algorithm for conversion from a Cartesian coordinate system to a polar coordinate system, and FIG. 30 shows a power spectrum of a Cartesian coordinate system before conversion and a power spectrum of a polar coordinate system after conversion.

2次元パワースペクトルP(f,θ)から、角度について0から360度まで積算し、積算パワースペクトルP(f)を計算した。計算式は以下に示すとおりである。
From the two-dimensional power spectrum P (f, θ), the angle was integrated from 0 to 360 degrees, and the integrated power spectrum P (f) was calculated. The calculation formula is as follows.

ここで、fは極座標パワースペクトルにおける空間周波数(mm-1)、θは方向(°)である。また、オリジナルのパワースペクトルは、ゼロ周波数付近が非常に大きな値を持ち、高周波成分の値は相対的に非常に小さいため、オリジナルのパワースペクトルの自然対数を用いた。Here, f is the spatial frequency (mm −1 ) in the polar coordinate power spectrum, and θ is the direction (°). Further, since the original power spectrum has a very large value near zero frequency and the value of the high frequency component is relatively very small, the natural logarithm of the original power spectrum was used.

最後に、一次元積算パワースペクトルから、0次モーメントM0を計算した(非特許文献16)。0次モーメントM0の計算については、「Gerzberg L, Meindl JD 1980 Power-spectrum centroid detection for doppler systems applications Ultrasonic Imaging 2 232-261」に詳しく記載されている。計算式は以下に示すとおりである。
Finally, the zero-order moment M 0 was calculated from the one-dimensional integrated power spectrum (Non-patent Document 16). The calculation of the zero-order moment M 0 is described in detail in “Gerzberg L, Meindl JD 1980 Power-spectrum centroid detection for doppler systems applications Ultrasonic Imaging 2 232-261”. The calculation formula is as follows.

本実施の形態の効果を確認するために、鼻腔領域腫瘍5症例に本実施の形態を適用した。最初に、放射線腫瘍医によって選ばれたビーム方向と、逆に避けられるビーム方向の、電子密度ビーム方向像のパワースペクトルを比較した。一般的に、放射線腫瘍医はビームが鼻中隔を平行に通過する角度や、側頭骨の錐体を通過するような角度のビームを避けて治療計画を行う。図31及び図32に、1症例目の、2方向における電子密度ビーム方向像のパワースペクトルを示す。図中にはCT画像と、PTV、放射線腫瘍医に選ばれたビーム方向の経路、避けられるビーム方向の経路をそれぞれ示す。図31では、特に高周波領域で、放射線腫瘍医によって避けられる、鼻中隔と平行な0度のビーム方向のパワースペクトルが、放射線腫瘍医によって選ばれた35度方向の値と比較して大きくなっている。この結果は、0度方向の電子密度ビーム方向像は多くの高周波成分を含んでおり、0度方向からの照射は、線量分布が患者セットアップエラーによって変形しやすいことを意味している。また図32では、放射線腫瘍医は、160度方向のような錐体を通過するようなビーム方向ではなく、115度方向を選択した。そして図31の場合と同様に、高周波領域で、放射線腫瘍医の避けた160度ビーム方向のパワースペクトルは、選択したビーム方向の値より大きくなっている。この、図31及び図32の結果は、ビーム方向の定量的な評価に、パワースペクトルの0次モーメントを用いた評価が有用であることを示している。   In order to confirm the effect of this embodiment, this embodiment was applied to five cases of nasal cavity tumor. First, the power spectrum of the electron density beam direction image was compared between the beam direction chosen by the radiation oncologist and the avoidable beam direction. In general, radiation oncologists plan their treatment by avoiding beams that pass through the nasal septum in parallel or through the cones of the temporal bone. 31 and 32 show the power spectrum of the electron density beam direction image in the two directions in the first case. In the figure, a CT image, a PTV, a path in the beam direction selected by the radiation oncologist, and a path in the beam direction to be avoided are shown. In FIG. 31, the power spectrum in the 0 degree beam direction parallel to the nasal septum, which is avoided by the radiation oncologist, especially in the high frequency region, is larger than the 35 degree direction value chosen by the radiation oncologist. . This result means that the electron density beam direction image in the 0 degree direction includes many high-frequency components, and irradiation from the 0 degree direction means that the dose distribution is likely to be deformed by a patient setup error. Also, in FIG. 32, the radiation oncologist selected the 115 degree direction rather than the beam direction passing through the cone like the 160 degree direction. As in the case of FIG. 31, the power spectrum in the 160-degree beam direction avoided by the radiation oncologist is larger than the value in the selected beam direction in the high-frequency region. The results shown in FIGS. 31 and 32 show that evaluation using the zero-order moment of the power spectrum is useful for quantitative evaluation of the beam direction.

図33に、1症例目における、全方向からのパワースペクトルの0次モーメントを示す。図に示すように、放射線腫瘍医によって選ばれたビーム方向 (点線で示される35,115,250,335度方向)の値は、他の、放射線腫瘍医によって避けられるビーム方向と比較して小さい値となっている。   FIG. 33 shows the zeroth-order moment of the power spectrum from all directions in the first case. As shown in the figure, the value of the beam direction chosen by the radiation oncologist (35, 115, 250, 335 degrees direction indicated by the dotted line) is small compared to other beam directions that are avoided by the radiation oncologist. It is a value.

図34の表に、提案手法を適用した5症例における、最小値を0、最大値を1に正規化した0次モーメントの、放射線腫瘍医によって選択されたビーム方向と、避けられるビーム方向での平均値の比較を示す。   In the table of FIG. 34, in the 5 cases to which the proposed method is applied, the zero-order moment normalized to 0 and the maximum value of 1 are normalized with the beam direction selected by the radiation oncologist and the avoidable beam direction. A comparison of mean values is shown.

図34の表には他の2つの指標も含まれているが、後に説明する。他の指標も、0次モーメントと同様に正規化されている。結果として、0次モーメントは、放射線腫瘍医の選んだビーム方向での平均値と、避けられるビーム方向での平均値の間では、放射線腫瘍医の選んだビーム方向での平均値が統計的に有意に小さかった。よって本実施の形態は、ビーム方向と、その電子密度ビーム方向像のパワースペクトルの0次モーメントの関係に基づき、患者セットアップエラーに頑強なビーム方向を、定量的に選ぶことができると言える。   The other two indexes are included in the table of FIG. 34, which will be described later. Other indices are normalized in the same manner as the zeroth-order moment. As a result, the zero-order moment is statistically the average value in the beam direction selected by the radiation oncologist between the average value in the beam direction selected by the radiation oncologist and the average value in the beam direction avoided. It was significantly smaller. Therefore, it can be said that this embodiment can quantitatively select a beam direction that is robust against patient setup errors based on the relationship between the beam direction and the zero-order moment of the power spectrum of the electron density beam direction image.

図34の表に示すように、1次,2次モーメントの平均値は、選択されたビーム方向と避けられるビーム方向との間に、統計的有意差は認められなかった。図35(A)及び(B)に、1症例目におけるビーム方向と1次モーメント,2次モーメントの関係を示す。0次モーメントと異なり、1次,2次モーメントでは特徴的な傾向がなく、値が振動してしまっていた。したがって、0次モーメントのみが、患者セットアップエラーに頑強なビーム方向の選択に適していると言える。   As shown in the table of FIG. 34, there was no statistically significant difference in the average value of the first and second moments between the selected beam direction and the avoided beam direction. FIGS. 35A and 35B show the relationship between the beam direction, the first moment, and the second moment in the first case. Unlike the 0th moment, there was no characteristic tendency in the 1st and 2nd moments, and the values oscillated. Therefore, it can be said that only the 0th-order moment is suitable for selecting a beam direction that is robust to patient setup errors.

炭素線治療では、回転ガントリーが無い場合が多く、ビーム照射のポートが水平・垂直・45度しか存在しないため、治療計画前に、計画者の経験的にビーム方向を決定し、体を傾けて固定具を作成した後に、治療計画CTを撮像しなければならない。体を傾けて撮像された治療計画CTの例を図36に示す。治療計画CTを撮像した後に、そのビーム方向が不適切だ、と判断された場合、固定具を再度作成し、治療計画CTの再撮影を行わなければならない。しかし、粒子線治療を受ける患者は、通常は、事前に診断用CT検査を受けている。その診断用CTに本実施の形態を適用することで、治療計画CTの撮像前にビーム方向を定量的に決定することができる。   In carbon beam therapy, there are many cases where there is no rotating gantry, and the beam irradiation ports are only horizontal, vertical, and 45 degrees. Therefore, before the treatment plan, the beam direction is determined empirically by the planner and the body is tilted. After creating the fixture, the treatment plan CT must be imaged. An example of a treatment plan CT imaged while tilting the body is shown in FIG. After imaging the treatment plan CT, if it is determined that the beam direction is inappropriate, the fixture must be created again and the treatment plan CT must be re-imaged. However, patients undergoing particle beam therapy usually have a diagnostic CT examination in advance. By applying this embodiment to the diagnostic CT, the beam direction can be quantitatively determined before imaging the treatment plan CT.

上記実施の形態では、一次元積算パワースペクトルから0次モーメントを求めたが、2次元積算パワースペクトルからパワースエクトルの0次モーメントを計算してもよいのは勿論である。   In the above embodiment, the 0th order moment is obtained from the one-dimensional integrated power spectrum, but it is needless to say that the 0th order moment of the power spectrum may be calculated from the two-dimensional integrated power spectrum.

本発明によれば、患者セットアップエラーに対してロバスト(頑強)なビーム方向を決定する粒子線ビーム方向決定システム、粒子線ビーム方向決定方法及び粒子線ビーム方向決定用コンピュータプログラムを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a particle beam beam direction determination system, a particle beam beam direction determination method, and a particle beam beam direction determination computer program that determine a beam direction that is robust against patient setup errors. .

1 ビーム方向像作成部
2 パワースペクトル計算部
2´ 平均パワースペクトル計算部
3 ビーム方向決定手段
3A 傾き計算部
3B ビーム方向決定部
4 治療計画装置
5 3次元電子密度画像作成システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Beam direction image creation part 2 Power spectrum calculation part 2 'Average power spectrum calculation part 3 Beam direction determination means 3A Inclination calculation part 3B Beam direction determination part 4 Treatment planning apparatus 5 Three-dimensional electron density image creation system

Claims (19)

粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置で用いられる、粒子線のビーム方向を決定する粒子線ビーム方向決定システムであって、
CT撮影装置により照射対象を撮影して得た前記照射対象の治療計画CT画像から得たCT値に基づいて作成された3次元電子密度画像の周囲に所定の角度間隔をあけて複数のビーム源の設置位置を仮定して、前記ビーム源の設置位置から計画標的体積の画像に向かう方向に仮想した2次元スクリーン上に、前記3次元電子密度画像中の前記照射対象の表面から前記計画標的体積の末端ポイントに到るまでの電子密度を投影することにより得られる2次元画像を、前記ビーム源の設置位置から見た電子密度のビーム方向像として、前記複数のビーム源の設置位置ごとに作成するビーム方向像作成部と、
複数の前記電子密度のビーム方向像について、それぞれパワースペクトルを計算するパワースペクトル計算部と、
前記パワースペクトルの空間周波数成分中の高周波成分の量に基づいて、前記粒子線のビーム方向を決定するビーム方向決定手段とからなる粒子線ビーム方向決定システム。
A particle beam beam direction determination system for determining a beam direction of a particle beam, which is used in a treatment planning apparatus for creating treatment plan information used for a particle beam irradiation system,
A plurality of beam sources at predetermined angular intervals around a three-dimensional electron density image created based on a CT value obtained from a treatment plan CT image of the irradiation target obtained by imaging the irradiation target with a CT imaging apparatus On the two-dimensional screen virtual in the direction from the installation position of the beam source to the image of the planned target volume, the planned target volume from the surface of the irradiation target in the three-dimensional electron density image A two-dimensional image obtained by projecting the electron density up to the end point of the beam is created for each installation position of the plurality of beam sources as a beam direction image of the electron density viewed from the installation position of the beam source. A beam direction image creation unit,
A power spectrum calculation unit for calculating a power spectrum for each of the plurality of beam direction images of the electron density,
A particle beam beam direction determination system comprising beam direction determination means for determining a beam direction of the particle beam based on an amount of a high frequency component in a spatial frequency component of the power spectrum.
前記ビーム方向決定手段は、前記高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるビーム方向像を得ることができる前記ビーム源の方向を、前記粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定する請求項1に記載の粒子線ビーム方向決定システム。   The beam direction determining means is such that the direction of the beam source capable of obtaining a beam direction image in which the amount of the high-frequency component is equal to or less than a predetermined component amount threshold is an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. The particle beam beam direction determination system according to claim 1 for determining. 前記パワースペクトル計算部は、複数の前記電子密度のビーム方向像について、それぞれ平均パワースペクトルを計算する平均パワースペクトル計算部から構成され、
前記ビーム方向決定手段は、
複数の前記電子密度のビーム方向像についてそれぞれ求めた平均パワースペクトルの傾きの絶対値を計算する傾き計算部と、
前記平均パワースペクトルの傾きの絶対値が予め定めた傾き閾値以上になる場合には、前記高周波成分の量が前記成分量閾値以下になると判断して、前記粒子線のビーム方向を決定するビーム方向決定部とからな請求項2に記載の粒子線ビーム方向決定システム。
The power spectrum calculation unit is composed of an average power spectrum calculation unit that calculates an average power spectrum for each of the plurality of beam direction images of the electron density,
The beam direction determining means includes
A slope calculating unit for calculating an absolute value of a slope of an average power spectrum obtained for each of a plurality of beam direction images of the electron density;
Beam direction for determining the beam direction of the particle beam by determining that the amount of the high-frequency component is equal to or less than the component amount threshold when the absolute value of the gradient of the average power spectrum is equal to or greater than a predetermined gradient threshold The particle beam beam direction determination system according to claim 2, comprising a determination unit.
前記ビーム方向決定部は、
前記傾きの絶対値が前記傾き閾値以上になる前記電子密度のビーム方向像に対応する前記ビーム源の方向を前記粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定することを特徴とする請求項3に記載の粒子線ビーム方向決定システム。
The beam direction determination unit includes:
The direction of the beam source corresponding to the beam direction image of the electron density at which the absolute value of the tilt is equal to or greater than the tilt threshold is determined as an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. 4. The particle beam direction determining system according to 3.
前記ビーム方向決定部は、
前記傾きの絶対値が前記傾き閾値よりも小さい前記電子密度のビーム方向像に対応する前記ビーム源の方向を前記粒子線のビーム方向として不適切な方向であると決定することを特徴とする請求項3に記載の粒子線ビーム方向決定システム。
The beam direction determination unit includes:
The direction of the beam source corresponding to the beam direction image of the electron density whose absolute value of the tilt is smaller than the tilt threshold is determined to be an inappropriate direction as the beam direction of the particle beam. Item 4. The particle beam direction determination system according to Item 3.
前記パワースペクトル計算部は、複数の前記電子密度のビーム方向像について、それぞれ積算パワースペクトルを計算し、
前記ビーム方向決定手段は、
複数の前記電子密度のビーム方向像についてそれぞれ求めた前記積分パワースペクトルから0次モーメントを計算する0次モーメント計算部と、
前記0次モーメントが予め定めたモーメント閾値以下になる場合には、前記高周波成分の量が前記成分量閾値以下になると判断して、前記粒子線のビーム方向を決定するビーム方向決定部からなる請求項2に記載の粒子線ビーム方向決定システム。
The power spectrum calculation unit calculates an integrated power spectrum for each of the plurality of electron density beam direction images,
The beam direction determining means includes
A 0th-order moment calculation unit for calculating a 0th-order moment from the integrated power spectrum obtained for each of the plurality of beam densities of the electron density;
When the zero-order moment is equal to or less than a predetermined moment threshold, the beam direction determination unit determines that the amount of the high-frequency component is equal to or less than the component amount threshold and determines the beam direction of the particle beam. Item 3. The particle beam direction determination system according to Item 2.
前記ビーム方向決定部は、
前記0次モーメントが前記モーメント閾値以下になる前記電子密度のビーム方向像に対応する前記ビーム源の方向を前記粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定することを特徴とする請求項6に記載の粒子線ビーム方向決定システム。
The beam direction determination unit includes:
The direction of the beam source corresponding to the beam direction image of the electron density at which the zero-order moment is equal to or less than the moment threshold is determined as an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. A particle beam beam direction determination system as described in.
前記ビーム方向決定部は、
前記0次モーメントが前記モーメント閾値よりも大きくなる前記電子密度のビーム方向像に対応する前記ビーム源の方向を前記粒子線のビーム方向として不適切な方向であると決定することを特徴とする請求項6に記載の粒子線ビーム方向決定システム。
The beam direction determination unit includes:
The direction of the beam source corresponding to the beam direction image of the electron density at which the zero-order moment is greater than the moment threshold is determined to be an inappropriate direction as the beam direction of the particle beam. Item 7. The beam direction determining system according to Item 6.
前記3次元電子密度画像は、
前記治療計画CT画像と該治療計画CT画像中の前記計画標的体積の等方ボクセル化を実施し、
前記等方ボクセル化した前記治療計画CT画像の前記CT値を、水の相対電子密度に変換して変換電子密度画像を作成し、
前記変換電子密度画像から体領域を取り出したものである請求項1乃至8のいずれか1項に記載の粒子線ビーム方向決定システム。
The three-dimensional electron density image is
Performing isotropic voxelization of the treatment plan CT image and the plan target volume in the treatment plan CT image;
Converting the CT value of the treatment plan CT image into the isotropic voxel into a relative electron density of water to create a converted electron density image,
The particle beam beam direction determination system according to any one of claims 1 to 8, wherein a body region is extracted from the converted electron density image.
前記ビーム方向像作成部における前記電子密度の投影は、前記照射対象の表面から前記計画標的体積の各末端ポイントに至るまでのビーム線上の電子密度をサンプリングして加算することにより実行される請求項1乃至8のいずれか1項に記載の粒子線ビーム方向決定システム。   The projection of the electron density in the beam direction image creation unit is executed by sampling and adding the electron density on a beam line from the surface of the irradiation target to each end point of the planned target volume. The particle beam beam direction determination system according to any one of 1 to 8. 前記平均パワースペクトル計算部は、
前記電子密度のビーム方向像の画像内電子密度値の平均値を前記ビーム方向像中の画像周辺部へ代入して、前記ビーム方向像のエッジを平滑化し、
平滑化した画像全体の平均値を0へ正規化し、
平均値を0に正規化した画像に基づいて、パワースペクトル画像を計算により求め、
前記パワースペクトル画像の座標を極座標変換し、
極座標変換したパワースペクトル画像の各空間周波数における積算パワースペクトルを計算し、
前記積分パワースペクトルから前記平均パワースペクトルを求める請求項3に記載の粒子線ビーム方向決定システム。
The average power spectrum calculation unit
Substituting an average value of electron density values in the beam direction image of the electron density into the image peripheral portion in the beam direction image, smoothing the edge of the beam direction image,
Normalize the average value of the entire smoothed image to 0,
Based on the image whose average is normalized to 0, a power spectrum image is obtained by calculation,
The coordinates of the power spectrum image are converted into polar coordinates,
Calculate the integrated power spectrum at each spatial frequency of the power spectrum image converted to polar coordinates,
The particle beam beam direction determination system according to claim 3, wherein the average power spectrum is obtained from the integrated power spectrum.
粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置で用いられる、粒子線のビーム方向を決定する粒子線ビーム方向決定方法であって、
CT撮影装置により照射対象を撮影して得た前記照射対象の治療計画CT画像から得たCT値に基づいて作成された3次元電子密度画像の周囲に所定の角度間隔をあけて複数のビーム源の設置位置を仮定して、前記ビーム源の設置位置から計画標的体積の画像に向かう方向に仮想した2次元スクリーン上に、前記3次元電子密度画像中の前記照射対象の表面から前記計画標的体積の末端ポイントに到るまでの電子密度を投影することにより得られる2次元画像を、前記ビーム源の設置位置から見た電子密度のビーム方向像として、前記複数のビーム源の設置位置ごとに作成する第1のステップと、
複数の前記電子密度のビーム方向像について、それぞれパワースペクトルを計算する第2のステップと、
前記パワースペクトルの空間周波数成分中の高周波成分の量に基づいて、前記粒子線のビーム方向を決定する第3のステップとからなる粒子線ビーム方向決定方法。
A particle beam beam direction determining method for determining a beam direction of a particle beam, which is used in a treatment planning apparatus for generating treatment plan information used in a particle beam irradiation system,
A plurality of beam sources at predetermined angular intervals around a three-dimensional electron density image created based on a CT value obtained from a treatment plan CT image of the irradiation target obtained by imaging the irradiation target with a CT imaging apparatus On the two-dimensional screen virtual in the direction from the installation position of the beam source to the image of the planned target volume, the planned target volume from the surface of the irradiation target in the three-dimensional electron density image A two-dimensional image obtained by projecting the electron density up to the end point of the beam is created for each installation position of the plurality of beam sources as a beam direction image of the electron density viewed from the installation position of the beam source. A first step to:
A second step of calculating a power spectrum for each of a plurality of beam direction images of the electron density;
A particle beam direction determination method comprising: a third step of determining a beam direction of the particle beam based on an amount of a high frequency component in a spatial frequency component of the power spectrum.
前記第3のステップでは、前記高周波成分の量が予め定めた成分量閾値以下になるビーム方向像を得ることができる前記ビーム源の方向を、前記粒子線のビーム方向として適切な方向であると決定する請求項12に記載の粒子線ビーム方向決定方法。   In the third step, the direction of the beam source capable of obtaining a beam direction image in which the amount of the high-frequency component is equal to or less than a predetermined component amount threshold is an appropriate direction as the beam direction of the particle beam. 13. The particle beam direction determination method according to claim 12, wherein the particle beam direction is determined. 前記第2のステップでは、複数の前記電子密度のビーム方向像について、それぞれ平均パワースペクトルを計算し、
前記第3のステップでは、
複数の前記電子密度のビーム方向像についてそれぞれ求めた平均パワースペクトルの傾きの絶対値を計算し、
前記平均パワースペクトルの傾きの絶対値が予め定めた傾き閾値以上になる場合には、前記高周波成分の量が前記成分量閾値以下になると判断して、前記粒子線のビーム方向を決定する請求項13に記載の粒子線ビーム方向決定方法。
In the second step, an average power spectrum is calculated for each of the plurality of electron density beam direction images,
In the third step,
Calculate the absolute value of the slope of the average power spectrum obtained for each of the plurality of electron density beam direction images,
The beam direction of the particle beam is determined by determining that the amount of the high-frequency component is equal to or less than the component amount threshold when the absolute value of the gradient of the average power spectrum is equal to or greater than a predetermined gradient threshold. 14. The particle beam direction determination method according to 13.
前記第2のステップでは、複数の前記電子密度のビーム方向像について、それぞれ積算パワースペクトルを計算し、
前記第3のステップでは、複数の前記電子密度のビーム方向像についてそれぞれ求めた前記積算パワースペクトルから0次モーメントを計算し、前記0次モーメントが予め定めたモーメント閾値以下になる場合には、前記高周波成分の量が前記成分量閾値以下になると判断して、前記粒子線のビーム方向を決定する請求項13に記載の粒子線ビーム方向決定方法。
In the second step, an integrated power spectrum is calculated for each of the plurality of beam direction images of the electron density,
In the third step, a zero-order moment is calculated from the integrated power spectrum obtained for each of a plurality of beam direction images of the electron density, and when the zero-order moment is equal to or less than a predetermined moment threshold, The particle beam direction determination method according to claim 13, wherein the beam direction of the particle beam is determined by determining that the amount of the high-frequency component is equal to or less than the component amount threshold value.
前記3次元電子密度画像は、
前記治療計画CT画像と該治療計画CT画像中の前記計画標的体積の等方ボクセル化を実施し、
前記等方ボクセル化した前記治療計画CT画像の前記CT値を、水の相対電子密度に変換して変換電子密度画像を作成し、
前記変換電子密度画像から体領域を取り出したものである請求項12乃至15のいずれか1項に記載の粒子線ビーム方向決定方法。
The three-dimensional electron density image is
Performing isotropic voxelization of the treatment plan CT image and the plan target volume in the treatment plan CT image;
Converting the CT value of the treatment plan CT image into the isotropic voxel into a relative electron density of water to create a converted electron density image,
The particle beam direction determination method according to any one of claims 12 to 15, wherein a body region is extracted from the converted electron density image.
前記第1のステップにおける前記電子密度の投影は、前記照射対象の表面から前記計画標的体積の各末端ポイントに至るまでのビーム線上の電子密度をサンプリングして加算することにより実行される請求項12乃至15のいずれか1項に記載の粒子線ビーム方向決定方法。   13. The projection of the electron density in the first step is performed by sampling and adding the electron density on a beam line from the surface of the irradiation object to each end point of the planned target volume. 16. The particle beam direction determination method according to any one of items 1 to 15. 前記第2のステップでは、
前記電子密度のビーム方向像を含む画像の画像内電子密度値の平均値を前記ビーム方向像の画像周辺部へ代入して、前記ビーム方向像のエッジを平滑化し、
平滑化した画像全体の平均値を0へ正規化し、
平均値を0に正規化した画像に基づいて、パワースペクトル画像を計算により求め、
前記パワースペクトル画像の座標を極座標変換し、
極座標変換したパワースペクトル画像の各空間周波数における積算パワースペクトルを計算し、
前記積分パワースペクトルから前記平均パワースペクトルを求め、
前記平均パワースペクトルの傾きを計算する請求項14に記載の粒子線ビーム方向決定方法。
In the second step,
Substituting the average value of the electron density values in the image including the beam direction image of the electron density into the image peripheral portion of the beam direction image, smoothing the edge of the beam direction image,
Normalize the average value of the entire smoothed image to 0,
Based on the image whose average is normalized to 0, a power spectrum image is obtained by calculation,
The coordinates of the power spectrum image are converted into polar coordinates,
Calculate the integrated power spectrum at each spatial frequency of the power spectrum image converted to polar coordinates,
Obtain the average power spectrum from the integrated power spectrum,
The particle beam direction determination method according to claim 14, wherein an inclination of the average power spectrum is calculated.
粒子線照射システムに用いる治療計画情報を作成する治療計画装置で用いられる、粒子線のビーム方向を決定する粒子線ビーム方向決定方法をコンピュータを用いて実施する場合にコンピュータにインストールされるプログラムであって、
CT撮影装置により照射対象を撮影して得た前記照射対象の治療計画CT画像から得たCT値に基づいて作成された3次元電子密度画像の周囲に所定の角度間隔をあけて複数のビーム源の設置位置を仮定して、前記ビーム源の設置位置から計画標的体積の画像に向かう方向に仮想した2次元スクリーン上に、前記3次元電子密度画像中の前記照射対象の表面から前記計画標的体積の末端ポイントに到るまでの電子密度を投影することにより得られる2次元画像を、前記ビーム源の設置位置から見た電子密度のビーム方向像として、前記複数のビーム源の設置位置ごとに作成する第1のステップと、
複数の前記電子密度のビーム方向像について、それぞれパワースペクトルを計算する第2のステップと、
前記パワースペクトルの空間周波数成分中の高周波成分の量に基づいて、前記粒子線のビーム方向を決定する第3のステップとをコンピュータに実施させる用に構成されていることを特徴とする粒子線ビーム方向決定用プログラム。
It is a program installed in a computer when a particle beam direction determination method for determining the beam direction of a particle beam, which is used in a treatment plan apparatus for creating treatment plan information used in a particle beam irradiation system, is executed using a computer. And
A plurality of beam sources at predetermined angular intervals around a three-dimensional electron density image created based on a CT value obtained from a treatment plan CT image of the irradiation target obtained by imaging the irradiation target with a CT imaging apparatus On the two-dimensional screen virtual in the direction from the installation position of the beam source to the image of the planned target volume, the planned target volume from the surface of the irradiation target in the three-dimensional electron density image A two-dimensional image obtained by projecting the electron density up to the end point of the beam is created for each installation position of the plurality of beam sources as a beam direction image of the electron density viewed from the installation position of the beam source. A first step to:
A second step of calculating a power spectrum for each of a plurality of beam direction images of the electron density;
A particle beam configured to cause a computer to execute a third step of determining a beam direction of the particle beam based on an amount of a high frequency component in a spatial frequency component of the power spectrum. Direction determining program.
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