JPWO2018168766A1 - 放射線治療装置 - Google Patents

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Abstract

放射線治療装置に搭載された１台の透視Ｘ線装置において照射対象内で動く追跡対象物の３次元座標を様々な角度から撮影して取得した透視Ｘ線画像から算出することを可能とする。透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器により取得したＸ線平面検出器における透視Ｘ線画像上の追跡対象物位置と透視用Ｘ線発生装置とを結んだ追跡対象物存在直線上で、かつ予め設定した追跡対象物の移動領域に含まれる線分情報を用いて追跡対象物の３次元座標を算出する（Ｓ１０４）。

Description

本発明は、放射線治療において治療放射線の照射対象内で動く追跡対象物の３次元座標を様々な角度から撮影して取得した透視Ｘ線画像上の追跡対象物の２次元座標情報から算出することを可能とする放射線治療装置に関する。
がんなどの患者にＸ線や荷電粒子などの放射線を患部に照射する放射線治療が知られている。この治療では近年、より正常組織への放射線の照射を抑え、患部に限局した治療を行うために治療直前の患者体内の解剖学的情報を取得して患部の位置およびその周辺の組織の情報を正確に把握する試みがなされている。治療直前の患者体内の解剖学的情報を取得するのに、放射線治療装置に備えられた様々な角度から放射線を患部に照射するための回転ガントリーに搭載された透視Ｘ線撮影装置を使用してコーンビームＣＴ（ＣＢＣＴ）撮影するＣＢＣＴ撮影装置が使用されている。前記ＣＢＣＴ撮影装置では患者を取り囲むようにガントリーを回転させながら透視Ｘ線を間欠的に撮影し、取得した透視Ｘ線画像を３次元再構成することで３次元画像を作成する。取得されたＣＢＣＴ画像は治療計画時の患者ＣＴ画像と比較され、治療計画時と患部やその周辺の骨や臓器の位置が一致しているかどうかの判定および両位置が一致するように患者を位置合わせするために用いられる。なお、がんなどの患者の場合には患部とは主に治療対象となる腫瘍を意味する。
患者体幹部に対する放射線治療では、治療対象となる腫瘍が呼吸により動く場合がある。そのような場合、腫瘍の動く範囲全体に放射線を照射する方法が考えられるが正常組織への放射線線量が増加してしまう。正常組織への放射線の線量付与を可能な限り避けて腫瘍に放射線を集中させるために、現在、腫瘍近傍に予め埋め込まれた追跡対象物（金属製のマーカ）を透視Ｘ線で撮影した画像上から位置計測し、透視Ｘ線画像上で視認困難な腫瘍の位置を追跡対象物の位置から推定し、追跡対象物が予め決めた呼吸の位相の位置にある時のみ腫瘍に放射線を照射することで正常組織への放射線照射を軽減した照射方法がとられる。一般的に人の呼吸位相の特徴として呼吸１周期中で動きが最も少なく滞在時間の長い位相は呼気位相であり、前述した放射線治療でもこの呼気位相に呼吸状態があるときに放射線を照射する方法が採用されている。そのため、放射線治療計画の立案に使用される治療計画ＣＴは患者の呼気位相の状態を息止めなどにより作り出し、その状態で撮影した画像が使用される。
前述した治療直前に撮影されるＣＢＣＴでは、腫瘍が体幹部に存在する場合は呼吸により腫瘍やその周辺の骨や臓器が動き、取得されるＣＢＣＴ画像にブレが生じる。画像にブレが生じると動いている腫瘍や臓器の正確な場所が特定できず、治療計画ＣＴとの比較ができない。この問題を解決するために患者の体表の動きを赤外線マーカで追跡する、もしくは体内の横隔膜の動きをＣＢＣＴ撮影時の透視Ｘ線画像上で監視することで呼吸の位相を判定し、治療計画時と同じ呼吸位相の時に撮影された透視Ｘ線画像のみを用いて３次元再構成することで動きによるブレが起因の画質影響を軽減したＣＢＣＴ画像を取得する手法がある。このようなＣＢＣＴ画像を取得するための撮影技術は４次元ＣＢＣＴ（４Ｄ−ＣＢＣＴ）撮影技術と呼ばれ近年開発が進められている。しかし、先に述べた体表や横隔膜の動きと腫瘍の動きの相関にはずれが生じ得ることが報告されており、また横隔膜の場合は撮影部位によってＣＢＣＴ撮影時の透視Ｘ線画像上に映らない場合もある。より、正確に患者の治療計画時と同じ呼吸位相の状態を知るには直接腫瘍もしくは近傍の追跡対象物の動きを３次元追跡することが望ましい。近年、特許文献１で記載されるように直交２軸の透視Ｘ線撮影装置を備えたＣＢＣＴ撮影装置により体内の腫瘍近傍に埋め込まれた追跡対象物を３次元追跡することで腫瘍の３次元位置をＣＢＣＴ撮影中に計測する技術が開発されている。
特開２０１５−２９７９３号公報
ＣＢＣＴ撮影中に追跡対象物の３次元の位置情報を取得するためには直交２軸の透視Ｘ線撮影装置を放射線治療装置のガントリーに搭載する必要がある。しかし、放射線治療装置によっては装置の小型化や軽量化、または導入した部屋のサイズによる制限のために装置構造に２台の透視Ｘ線撮影装置をガントリーに搭載することが難しい場合がある。また、市販されている放射線治療装置では１台のみの透視Ｘ線撮影装置をガントリーに搭載したものが一般的で、治療用のＸ線や荷電粒子の照射方向に対して９０度回転した状態で備え付けられているため、仮に１台の透視Ｘ線を追加搭載するには大幅な改修が必要となる。そのため、放射線治療装置のガントリーに搭載された１台のみの透視Ｘ線撮影装置で追跡対象物をＣＢＣＴ撮影中に３次元追跡できる技術が求められる。通常１台のガントリー搭載型透視Ｘ線撮影では画像上に投影された追跡対象物の２次元情報しか取得できない。
本発明は、照射対象を支持するためのカウチと、カウチの照射対象に対して様々な角度から治療放射線を照射するために照射対象の周囲を移動可能なガントリーと、ガントリーに搭載され、照射対象の透視Ｘ線画像を取得するための透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器と、透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器を用いてコーンビームＣＴ撮影を行い、コーンビームＣＴ画像を取得するＣＢＣＴ撮影装置と、透視Ｘ線画像の照射対象内に投影された追跡対象物を２次元追跡する２次元動体追跡装置と、を備え、各透視Ｘ線画像上に投影された追跡対象物の像についての治療室座標系における３次元座標とＸ線発生装置の３次元座標とを結んで形成する追跡対象物存在直線上であって、予め設定した移動領域に含まれる座標を追跡対象物の３次元座標とする、放射線治療装置に関する。
また、各透視Ｘ線画像上に投影された追跡対象物の像についての治療室座標系における３次元座標とＸ線発生装置の３次元座標とを結んで形成する追跡対象物存在直線と、予め設定した追跡対象物の移動領域との２つの交点の中点を追跡対象物の３次元座標とすることが好適である。
また、本発明は、照射対象を支持するためのカウチと、カウチの照射対象に対して様々な角度から治療放射線を照射するために照射対象の周囲を移動可能なガントリーと、ガントリーに搭載され、照射対象の透視Ｘ線画像を取得するための透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器と、透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器を用いてコーンビームＣＴ撮影を行い、コーンビームＣＴ画像を取得するＣＢＣＴ撮影装置と、透視Ｘ線画像の照射対象内に投影された追跡対象物を２次元追跡する２次元動体追跡装置と、を備え、事前に取得した呼吸位相毎の追跡対象物の位置を含む４次元ＣＴ画像上の各追跡対象物の位置を治療室座標系に置き換え、４次元ＣＴ画像上の各呼吸位相における追跡対象物の位置間を結んだ位相間移動直線と追跡対象物存在直線との交点または共通垂線をそれぞれ計算し、交点が存在する場合は前記交点を追跡対象物の３次元座標とし、交点が存在しない場合は共通垂線の長さが最も短くなる位相間移動直線上の共通垂線上の点を追跡対象物の３次元座標とする、放射線治療装置に関する。
また、本発明は、照射対象を支持するためのカウチと、カウチの照射対象に対して様々な角度から治療放射線を照射するために照射対象の周囲を移動可能なガントリーと、ガントリーに搭載され、照射対象の透視Ｘ線画像を取得するための透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器と、透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器を用いてコーンビームＣＴ撮影を行い、コーンビームＣＴ画像を取得するＣＢＣＴ撮影装置と、透視Ｘ線画像の照射対象内に投影された追跡対象物を２次元追跡する２次元動体追跡装置と、２対の動体追跡用Ｘ線発生装置と動体追跡用Ｘ線平面検出器とを含み、取得した透視Ｘ線画像上で追跡対象物を３次元追跡する３次元動体追跡装置と、を備え、コーンビームＣＴ撮影中に取得した透視Ｘ線画像上に投影された追跡対象物の像の治療室座標系における３次元座標と、Ｘ線発生装置の３次元座標とを結んで形成する追跡対象物存在直線上であって、（ｉ）３次元動体追跡装置により取得した治療室座標系内の追跡対象の３次元移動軌跡上にある点、（ｉｉ）３次元移動軌跡と、追跡対象物存在直線とが垂直に交わる共通垂線を算出し、最も共通垂線が短くなる３次元移動軌跡上にある点、（ｉｉｉ）３次元移動軌跡と、追跡対象物存在直線とが垂直に交わる共通垂線を算出し、最も共通垂線が短くなる追跡対象物存在直線上にある点、（ｉｖ）共通垂線長の中点、のいずれかを追跡対象の３次元座標とする、放射線治療装置に関する。
また、各透視Ｘ線画像について得られた追跡対象物の３次元座標に基づいて、照射対象の呼吸位相を判定し、１つの呼吸位相の透視Ｘ線画像を選出し、その呼吸位相の透視Ｘ線画像から照射対象の３次元画像を再構成することが好適である。
本発明によれば、従来の１台の透視Ｘ線撮影装置によるＣＢＣＴ撮影において、人体の呼吸などにより移動を行う追跡対象物に対して、従来に比べより高精度な位置認識が可能となることからＣＢＣＴ撮影中の高精度な３次元追跡および高画質の４次元ＣＢＣＴ画像取得が可能となる。
第１の実施形態の放射線治療装置の構成を示す図である。 第１の実施形態の制御システムの構成を示す図である。 第１の実施形態の患者位置決めの流れを示す図である。 第１の実施形態の移動領域の設定方法を示す図である。 第１の実施形態の移動領域設定および拘束条件を用いた追跡対象物３次元座標算出方法を示す図である。 第１の実施形態の４ＤＣＴ画像情報を用いた追跡対象物３次元座標算出方法を示す図である。 第２の実施形態の放射線治療装置の構成を示す図である。 第２の実施形態の放射線治療装置の構成の側面を示す図である。 第２の実施形態の患者位置決めの流れを示す図である。 第２の実施形態の追跡対象物３次元座標算出方法を示す図である。 実験装置の一部を示す図である。 実施形態のシステムにより推定した追跡対象物位置の経時変化を示す図である。 実際の追跡対象物位置の経時変化を示す図である。 推定した追跡対象物位置の誤差についての経時変化を示す図である。 ゲート領域の位置を説明する図である。
以下に本発明の放射線治療装置の実施形態を、図面を用いて説明する。
「第１の実施形態」
以下、本発明の第１の実施形態（実施形態１）を図１乃至図６を用いて説明する。本発明はＸ線治療装置や陽子線治療装置などの放射線治療装置に適応することができる。第１実施形態では、Ｘ線を治療用放射線としたＸ線治療装置を例に説明する。
図１は、実施形態に係る放射線治療装置１の概略構成を示す図である。放射線治療装置１は線形加速器２、重金属ターゲット３、コリメータ４、ガントリー５、透視用Ｘ線発生装置６、透視用Ｘ線平面検出器７、カウチ８を含む。
放射線治療装置１は、図示しない電子線発生装置で発生させた電子を線形加速器２で加速し、重金属ターゲット３に衝突させることで治療用放射線（Ｘ線）を生成する。生成した治療用放射線はコリメータ４により治療患者の腫瘍に合わせた形状に成形される。線形加速器２、重金属ターゲット３、コリメータ４は、ガントリー５に取り付けられており、ガントリー５が照射対象９の周囲を回転することで、ここに取り付けられた線形加速器２、重金属ターゲット３、コリメータ４も照射対象９の周囲を回動し、コリメータ４からの治療放射線の照射対象９に対する照射方向が制御できる。ガントリー５で照射に適した角度に合わせた上で、治療放射線がカウチ８上に配置された照射対象９内の追跡対象物１０に照射される。なお、がんなどの患者を治療する場合、カウチ８に支持される照射対象９は患者であり、追跡対象物１０は腫瘍や、マーカなどの標的である。なお、カウチ８は、ガントリー５の中心付近を軸方向に移動可能であるとともに、照射対象９の３次元位置を制御することができる。すなわち、カウチ８によって照射対象９の３次元位置を調整し、ガントリー５によって、治療放射線の照射方向を調整することができる。
また、照射対象９の両側には、透視用Ｘ線発生装置６と、透視用Ｘ線平面検出器７が照射対象９を両側から挟むように配置されている。従って、透視用Ｘ線発生装置６からのＸ線が照射対象９を透過して透視用Ｘ線平面検出器７に検出され、透過画像が得られる。また、透視用Ｘ線発生装置６と、透視用Ｘ線平面検出器７はガントリー５に取り付けられており、ガントリー５が回転することで、照射対象９に対するＸ線の透過方向を変更でき、カウチ８によって設定された照射対象９の縦方向位置における透過画像を周方向に回転しながら得ることができる。なお、透視用Ｘ線発生装置６と、透視用Ｘ線平面検出器７を結んだ直線は、治療放射線の照射方向に対し９０度の方向になっている。
本実施形態の放射線治療システムに備えられた制御システム５０について、図２を用いて説明する。図２は制御システム５０の制御ブロックを示す図である。
制御システム５０は、中央制御装置５１、ガントリー制御装置５２、照射制御装置５３、透視Ｘ線撮影制御装置５４、動体追跡装置５５、ＣＢＣＴ撮影装置５６、患者位置決め装置５７、カウチ制御装置５８を備えている。
中央制御装置５１は、ガントリー制御装置５２、照射制御装置５３、透視Ｘ線撮影制御装置５４、動体追跡装置５５、ＣＢＣＴ撮影装置５６、患者位置決め装置５７、カウチ制御装置５８に接続され、これらとの間で必要な情報を送受信するとともに、制御システム５０の各装置を制御する。
ガントリー制御装置５２は、ガントリー５に接続され、これをガントリー５が所望の角度になるように制御する。照射制御装置５３は、線形加速器２、重金属ターゲット３、コリメータ４に接続され、これらを制御して所望の放射線の成形および治療放射線の出射許可を出す。
透視Ｘ線撮影制御装置５４は透視用Ｘ線発生装置６と透視用Ｘ線平面検出器７に接続され、これらを制御することで間欠的に透視Ｘ線撮影することで透視Ｘ線画像を取得する。
動体追跡装置５５は中央制御装置５１を介して透視Ｘ線撮影制御装置５４を制御して透視Ｘ線画像の取得が可能であり、また取得した透視Ｘ線画像を使用して照射対象９内の追跡対象物１０の位置を認識し、間欠的に取得した透視Ｘ線画像上で追跡対象物１０を追跡する。従って、この動体追跡装置５５は２次元動体追跡装置である。ここでの追跡対象物１０は腫瘍近傍に埋め込まれた金属製のマーカもしくは腫瘍そのものを表す。
ＣＢＣＴ撮影装置５６は、中央制御装置５１を介してガントリー制御装置５２、透視Ｘ線撮影制御装置５４を制御することで、ガントリーを回転させながら透視Ｘ線撮影することでＣＢＣＴ撮影を行い、ＣＢＣＴ用透視Ｘ線画像（コーンビーム用ＣＴ画像）を間欠的に取得し、それらを３次元再構成することでＣＢＣＴ画像を生成する。
患者位置決め装置５７は、予め得られた治療計画ＣＴ画像とＣＢＣＴ撮影装置５６で生成したＣＢＣＴ画像を使用して、治療計画ＣＴ時の患者位置と合わせるために必要な移動量を演算により求める。カウチ制御装置５８はカウチ８と接続され、中央制御装置５１を介して患者位置決め装置５７で演算された移動量の結果を取得して、治療計画時の患者状態に合うようにカウチ８を制御する。
〜患者位置決めの流れ〜
本実施形態における放射線治療装置を用いた患者位置決めの流れについて図３を用いて説明する。まず、カウチ８上に患者（照射対象９）を配置する（ステップＳ１００）。続いて、ＣＢＣＴ撮影装置５６は、ガントリー制御装置５２、透視Ｘ線撮影制御装置５４を制御することでＣＢＣＴ透視Ｘ線撮影を開始し、様々なガントリー角度で取得したＣＢＣＴ透視Ｘ線画像は透視Ｘ線撮影制御装置５４から動体追跡装置５５、ＣＢＣＴ撮影装置５６に転送される。また、動体追跡装置５５はＣＢＣＴ透視Ｘ線画像上に投影された追跡対象物１０の画像上での投影像（追跡対象物投影像１１）の座標を逐次算出することで追跡対象物１０を２次元追跡する（ステップＳ１０１）。
ＣＢＣＴ透視Ｘ線撮影が終了したらＣＢＣＴ撮影装置５６は取得した様々なガントリー角度でのＣＢＣＴ透視Ｘ線画像を用いて３次元再構成画像（３次元画像）を作成する。一方で動体追跡装置５５はＣＢＣＴ透視Ｘ線画像上の追跡対象物１０の２次元追跡を終了し、２次元追跡結果をＣＢＣＴ撮影装置５６に転送する（ステップＳ１０２）。
次に、ＣＢＣＴ撮影装置５６は作成した３次元再構成画像上に追跡対象物１０の移動領域１２を設定する（ステップＳ１０３）。移動領域１２の設定方法の例として、追跡対象物１０が金属製のマーカの場合には再構成画像上に生じる金属アーチファクトの形状やマーカ軌跡から手動もしくは自動で追跡対象物１０が移動した３次元領域を抽出することで設定する。
次に、前記移動領域１２と拘束条件を用いて追跡対象物の３次元座標を算出する（ステップＳ１０４）。ここで、この３次元座標の算出について、図４および図５を用いて説明する。
ＣＢＣＴ撮影装置５６は、ガントリー５の各回転角度で取得されたＣＢＣＴ透視Ｘ線画像において、図４に示す画像上の追跡対象物投影像１１の２次元座標（ｘｏｂｊ，ｙｏｂｊ）を２次元の画像座標系（ｘ，ｙ）から３次元の治療室座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換する。すなわち、透視用Ｘ線平面検出器７の治療室座標系における位置はわかっているため、この位置に基づいて、透視用Ｘ線平面検出器７における画像上の追跡対象物投影像１１の２次元座標を治療室座標系（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の３次元座標に変換する。
そして、図５で示すように、変換された追跡対象物投影像１１の３次元座標（Ｘｏｂｊ，Ｙｏｂｊ，Ｚｏｂｊ）と透視用Ｘ線発生装置６の３次元治療室座標系の座標（Ｘｓｒｃ，Ｙｓｒｃ，Ｚｓｒｃ）とで結ばれる直線を算出する。追跡対象物１０が前記直線上に存在するためこの直線を追跡対象物存在直線１３とする。追跡対象物存在直線１３上かつ移動領域１２に含まれる拘束条件を定めることで追跡対象物１０の治療室座標系での存在領域を限定する。
限定された前記存在領域内において追跡対象物１０の存在位置を算出する方法の一例として、例えば図５に示すように追跡対象物存在直線１３と移動領域１２が交わる２点、つまり透視用Ｘ線発生装置側交点１４（ＸｓｒｃＳｉｄｅ，ＹｓｒｃＳｉｄｅ，ＺｓｒｃＳｉｄｅ）と透視用Ｘ線平面検出器側交点１５（ＸｉｍｇＳｉｄｅ，ＹｉｍｇＳｉｄｅ，ＺｉｍｇＳｉｄｅ）の中点の座標（（ＸｓｒｃＳｉｄｅ＋ＸｉｍｇＳｉｄｅ）／２，（ＹｓｒｃＳｉｄｅ＋ＹｉｍｇＳｉｄｅ）／２，（ＺｓｒｃＳｉｄｅ＋ＺｉｍｇＳｉｄｅ）／２）を求め、これを追跡対象物１０の３次元座標とすることができる。
以上、一連の処理を各ガントリー角度で取得されたＣＢＣＴ透視Ｘ線画像に実施することで、ＣＢＣＴ透視Ｘ線画像取得時の追跡対象物１０の３次元座標を算出する（ステップＳ１０４）。
次に、ステップＳ１０４で取得した各ＣＢＣＴ透視Ｘ線画像の追跡対象物１０の３次元座標情報から、追跡対象物１０を呼吸位相毎に位相分割する（ステップＳ１０５）。すなわち、各回転角度で取得されたＣＢＣＴ透視Ｘ線画像のそれぞれについて追跡対象物１０の３次元座標が得られているため、撮影中における追跡対象物１０の軌跡が得られる。追跡対象物１０の軌跡から、呼吸位相が判定でき、各ＣＢＣＴ透視Ｘ線画像についての呼吸位相が決定できる。例えば、１回の呼吸の際の追跡対象物１０の軌跡は、図６に示すような軌跡を形成するので、各ＣＢＣＴ透視Ｘ線画像上の追跡対象物１０の位置に応じて位相分割が行える。
そして、予め治療計画時点で定めた呼吸位相（例えば、呼気位相）にあるか否かを判定し、呼気位相にある時に撮影されたＣＢＣＴ透視Ｘ線画像だけを選出する。選出した予め定めた呼吸位相にある、ＣＢＣＴ透視Ｘ線画像のみを用いて再度、再構成処理を実施する（ステップＳ１０６）。このようにして、治療計画時点に定めた呼吸位相（例えば呼気位相）と同じ位相のＣＢＣＴ画像が作成される。
ステップＳ１０６で作成した前記ＣＢＣＴ画像は患者位置決め装置５７に送信され、患者位置決め装置５７は受信した前記ＣＢＣＴ画像と治療計画ＣＴ画像を用いて演算処理することにより両画像が一致するための移動量を算出する。このようにして算出された移動量は、中央制御装置５１を介してカウチ制御装置５８に送信され、カウチ制御装置５８はカウチ８を制御して前記移動量だけ動かす（ステップＳ１０７）。これによって、治療計画ＣＴ画像と一致するＣＢＣＴ画像が得られる位置に患者（照射対象９）が位置決めされる。
このようにして、患者位置決めは終了となる。患者位置決めが終了した後、治療計画に基づく放射線治療が開始される。
〜効果〜
本実施形態により、照射対象９内にある追跡対象物１０の治療室座標系での３次元位置がＣＢＣＴ透視Ｘ線撮影中に取得でき、追跡対象物１０の３次元位置情報を使用することで、呼吸位相を判定してＣＢＣＴ透視Ｘ線画像を選出することができる。これによって、従来の手法であった腹部の動きや横隔膜の動きから、再構成したときよりも、呼吸位相の選出精度を向上することができる。このため、治療計画ＣＴ画像により近く正確なＣＢＣＴ画像を作成できることから患者位置決め精度向上に貢献することができる。
〜変形例〜
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部をほかの実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、ほかの構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
例えば、本実施形態では治療用放射線をＸ線とした例で記載したが、陽子線や炭素線と言った荷電粒子を用いた装置においても同様に適用できる。
また、移動領域１２の設定方法についても２点間の中点を算出する以外にも治療計画ＣＴ画像の情報から手動もしくは自動で移動領域１２を設定する方法を用いて算出することも可能である。また、治療計画時に４次元ＣＴ画像（４ＤＣＴ画像）を事前に取得している場合は、図６を用いて説明する方法を用いることで、ステップＳ１０３とステップＳ１０４での処理の一部を省略して３次元座標を算出することも可能である。なお、４ＤＣＴ撮影技術は、上述したように、患者の体表の動きや横隔膜の動き監視することで呼吸の位相を判定するものである。
図６において、Ｐ位相０（吸気）は４ＤＣＴ画像における位相０（吸気）の時のＣＴ画像上の追跡対象位置を３次元の治療室座標系に置き換えた座標である。座標の置き換えは例えば、ＣＢＣＴ撮影前に患者正面と側面の透視Ｘ線画像を取得して追跡対象物の呼気位相の治療室座標系での３次元座標を取得すれば、それに４ＤＣＴ画像の位相５（呼気）のＣＴ画像の追跡対象物３次元座標を合わせるように変換すればその他の位相のＣＴ画像上の３次元座標も呼気位相に対する相対的な座標として治療室座標系に置き換えられる。
次に、追跡対象物の位相間の座標を線分で結ぶことで位相間移動直線１７がＬｐｈａｓｅ２−３として作成できる。これは４ＤＣＴ画像が１０位相分ある場合は９本の位相間移動直線１７が治療室座標系で作成できることを意味する。９本の位相間移動直線１７と（ステップＳ１０４）と同様に求めた追跡対象物存在直線１３とで交わる点（交点）が存在する場合は、前記交点の治療室座標系での３次元座標を求めるべき３次元座標とすることができる。前記交点が存在しない場合は以下の方法に従い３次元座標を算出する。
追跡対象物存在直線１３と位相間移動直線１７とが垂直に交わる直線ＣＬ ｐｈａｓｅ２−３を位相間共通垂線１８として作成する。位相間共通垂線１８は位相間移動直線１７毎に作成されるため９本の位相間移動直線１７がある場合は９本の位相間共通垂線１８が作成される。次に作成した位相間共通垂線１８の長さ（共通垂線長）をそれぞれ求め、最も短い位相間共通垂線１８の中点の座標を求めるべき追跡対象物の３次元座標として算出する。
なお、追跡対象物存在直線１３上に追跡対象物１０が存在することを優先して、最も位相間共通垂線１８が短くなる位置における位相間共通垂線１８と追跡対象物存在直線１３の交点（最も共通垂線が短くなる追跡対象物存在直線上にある点）を追跡対象物１０の３次元座標とすることも好適である。
以上の方法を用いることで、より正確に治療室座標系での追跡対象物３次元座標を算出することができる。
「第２の実施形態」
以下、本発明の第２の実施形態（実施形態２）を図７乃至図１０を用いて説明する。実施形態２では実施形態１で示したＸ線治療装置や陽子線治療装置などの放射線治療装置に、照射対象９内の追跡対象物１０の存在位置を３次元で計算できる動体追跡用透視Ｘ線撮影制御装置を加えた放射線治療装置を対象とする。前記放射線治療装置において患者位置決め直前に動体追跡用透視Ｘ線撮影制御装置を用いて照射対象９を間欠的に撮影することで取得した追跡対象物１０の３次元移動情報を用いることでＣＢＣＴ撮影中に取得した透視画像上の追跡対象物１０の３次元位置を算出する。
本実施形態でも実施形態１と同様、Ｘ線治療装置を例に説明する。まず、動体追跡用透視Ｘ線撮影制御装置は図７に示すように図１で示した放射線治療装置１の設置部屋内（治療室内）の床下および天井に動体追跡用Ｘ線発生装置６０と動体追跡用Ｘ線平面検出器６１が２対配置された装置であり、前記２対の装置により間欠的に透視Ｘ線画像を撮影して取得した画像上から追跡対象物１０の３次元位置を算出することで、経時的に追跡対象物１０を追跡する。図８は図７の放射線治療装置１の機器構成の配置を把握し易くするために側面から記した図である。図７では図１との記載の重複を避けるため一部記載を省略しているが装置構成としては図１で示す全て構成機器を含むものとする。
本実施形態の放射線治療システムに備えられた制御システム５０については、実施形態１で説明した図２と同様に説明できるが、変更点として実施形態１では透視Ｘ線撮影制御装置５４に接続される機器に２対の動体追跡用Ｘ線発生装置６０ａ、６０ｂ、動体追跡用Ｘ線平面検出器６１ａ、６１ｂを追加する。透視Ｘ線撮影制御装置５４は前記２対の装置を制御することで間欠的に透視Ｘ線撮影することで２つの動体追跡用Ｘ線平面検出器６１それぞれから透視Ｘ線画像を取得し、動体追跡装置５５は前記２つの透視Ｘ線画像を読み込み間欠的に撮影された透視Ｘ線画像上の追跡対象物１０の２次元座標をそれぞれ求め、ガントリー角度に応じて計算処理することで治療室座標系における追跡対象物１０の経時的な３次元座標を算出する。すなわち、この実施形態の動体追跡装置５５は２次元動体追跡装置だけでなく、追跡対象物１０の３次元追跡を行う３次元動体追跡装置としても動作する。その他の機器構成の制御は実施形態で説明した通りである。
〜患者位置決めの流れ〜
本実施形態における放射線治療装置を用いた患者位置決めの流れについて図９を用いて説明する。まず、カウチ８上に照射対象９を配置する（ステップＳ２００）。
続いて、動体追跡装置５５は透視Ｘ線撮影制御装置を制御することで２対の動体追跡用Ｘ線発生装置６０ａ、６０ｂ、動体追跡用Ｘ線平面検出器６１ａ、６１ｂから間欠的に透視Ｘ線画像を十数秒から数十秒程度撮影し、取得した２つの透視Ｘ線画像から追跡対象物１０の治療室座標系での３次元座標を算出する。得られ前記３次元座標は時間的に繋げた追跡対象物移動軌跡６２の情報として動体追跡装置５５内に保存する（ステップＳ２０１）。
次に、ＣＢＣＴ撮影装置５６はガントリー制御装置５２、透視Ｘ線撮影制御装置５４を制御することでＣＢＣＴ透視Ｘ線撮影を開始し、様々なガントリー角度で取得したＣＢＣＴ透視Ｘ線画像は透視Ｘ線撮影制御装置５４から動体追跡装置５５、ＣＢＣＴ撮影装置５６に転送され、動体追跡装置５５は前記ＣＢＣＴ透視Ｘ線画像上に投影された追跡対象物１０の画像上の座標を算出することで追跡対象物１０を２次元追跡する（ステップＳ２０２）。
次に、ＣＢＣＴ撮影装置５６は動体追跡装置５５に保存された追跡対象物移動軌跡６２の情報を呼び出し、前記追跡対象物移動軌跡６２の情報とステップＳ２０１で得られた追跡対象物１０の２次元情報から追跡対象物の３次元座標を算出する。図１０に示すように、追跡対象物移動軌跡６２と実施形態１で定義した追跡対象物存在直線１３とが交わる点（交点）が存在する場合はその交点を求める追跡対象物１０の３次元座標とする。前記交点が存在しない場合は追跡対象物移動軌跡６２および追跡対象物存在直線１３と垂直に交わる軌跡間共通垂線６３を作成し、追跡対象物移動軌跡６２内で最も軌跡間共通垂線６３が短くなる位置を探索する。最も軌跡間共通垂線６３が短くなる位置における軌跡間共通垂線６３の中点の３次元座標を求める追跡対象物１０の３次元座標とできる（ステップＳ２０３）。
なお、追跡対象物存在直線１３上に追跡対象物１０が存在することを優先して、最も軌跡間共通垂線６３が短くなる位置における軌跡間共通垂線６３と追跡対象物存在直線の交点（最も共通垂線が短くなる追跡対象物存在直線上にある点）を追跡対象物１０の３次元座標とすることも好適である。
全てのＣＢＣＴ透視Ｘ線撮影が終了したらＣＢＣＴ撮影装置５６は取得した透視Ｘ線画像をＣＢＣＴ撮影装置５６内に保存する（ステップＳ２０４）。
次に、ＣＢＣＴ撮影装置５６はステップＳ２０３で取得した３次元座標情報から追跡対象物１０が予め治療計画時点で定めた呼吸位相にあるか否かを判定し、前記呼吸位相にある時に撮影されたＣＢＣＴ透視Ｘ線画像だけを選出する（ステップＳ２０５）。
ステップＳ２０５で選出されたＣＢＣＴ透視Ｘ線画像のみを用いて再度、再構成処理を実施することで治療計画時点に定めた呼吸位相と同じ位相のＣＢＣＴ画像を作成する（ステップＳ２０６）。ステップＳ２０６で作成した前記ＣＢＣＴ画像は患者位置決め装置５７に送信され、患者位置決め装置５７は受信した前記ＣＢＣＴ画像と治療計画ＣＴ画像を用いて演算処理することにより両画像が一致するための移動量を算出する、算出された移動量は、中央制御装置５１を介してカウチ制御装置５８に送信され、カウチ制御装置５８はカウチ８を制御して前記移動量だけ動かす（ステップＳ２０７）。以上の流れが終了すると患者位置決めは終了となる。患者位置決めが終了した後、放射線治療が開始される。
〜効果〜
本実施形態によりＣＢＣＴ撮影直前に得られた追跡対象物１０の３次元移動軌跡情報を基に照射対象９内にある追跡対象物１０の治療室座標系３次元位置をＣＢＣＴ透視Ｘ線撮影中に取得できる。これにより実施形態１に記載の方法よりもより正確に前記３次元位置情報が算出可能となる。結果として従来の手法であった腹部の動きや横隔膜の動きから呼吸位相を判定してＣＢＣＴ透視Ｘ線画像を選出、再構成したときよりも、呼吸位相の選出精度を向上させることで治療計画ＣＴ画像により近く正確なＣＢＣＴ画像を作成して使用できるため患者位置決め精度向上に貢献することができる。
〜変形例〜
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施形態は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部をほかの実施形態の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、ほかの構成の追加、削除、置換をすることも可能である。
例えば、本実施形態では治療用放射線をＸ線とした例で記載したが、陽子線や炭素線と言った荷電粒子を用いた装置においても同様に適用できる。また、前記２対の動体追跡用Ｘ線発生装置６０と動体追跡用Ｘ線平面検出器６１は床下および天井どちらに配置することも可能であり、またガントリー５の回転角度によって動体追跡用透視Ｘ線の撮影範囲がガントリー５の構造物と重なる状況が生まれることを避けるために２対以上の装置を床下および天井に配置する、もしくは前記２対の装置の配置が状況に応じて変わるように各装置を装置室内で移動させることも可能である。さらに前記２対の装置をガントリー５に搭載することも可能である。ただしこの場合、ＣＢＣＴは１対の撮影装置でしか撮影できないものとする。
〜実験例〜
図１１に示す胸部動体ファントム７０を用い、実験を行った。胸部動体ファントム７０は、その一部に頭尾方向（Ｙ方向）の長穴をあけ、ここに腫瘍モデル７２および金マーカ７４を埋め込んだ挿入ロッド７６を移動可能に挿入している。挿入ロッド７６はアクチュエータ（図示せず）によってＺ方向に往復動可能である。従って、腫瘍モデル７２および金マーカ７４が胸部動体ファントム７０に対し、Ｙ方向に往復動する。そして、このような胸部動体ファントム７０とアクチュエータを左右方向（Ｘ方向）および腹背（Ｚ方向）に２次元移動することで、腫瘍モデル７２および金マーカ７４が３次元移動する。
このような胸部動体ファントム７０を図１に示す放射線治療装置１のカウチ８に設置して、腫瘍モデル７２、金マーカ７４を三次元移動した。そして、透視用Ｘ線発生装置６からのＸ線を胸部動体ファントム７０に照射し、透視用Ｘ線平面検出器７で、金マーカ７４の２次元位置を検出した。そして、上述の第２の実施形態で説明した手法（軌跡間共通垂線と追跡対象物存在直線の交点を追跡対象物（金マーカ７４）の３次元座標とした）で、金マーカ７４の３次元位置を特定した。
ここで、腫瘍モデル７２の直径を１０ｍｍ、金マーカ７４の直径を２ｍｍとした。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の動きの波形をすべてｃｏｓ４θ、周期４秒、振幅をＹ：±１０ｍｍ、Ｘ：±５ｍｍ、Ｚ：±１．５ｍｍとした。
図１２には、上記手法で推定した金マーカ７４の３次元座標の時間変化を示す。また、図１３には、実際の動き情報に基づく金マーカ７４の位置の時間変化を示す。そして、図１４には、図１２の推定値と図１３の実際の位置の差を示す。このように、図１２に示した本実施形態による金マーカ７４の推定位置は、実際の位置との誤差が１ｍｍ以内と小さく、本実施形態の手法によって、高精度の位置検出が行えることが分かった。
図１５には、検出した追跡対象物の位置の経時変化を示してあり、治療放射線の照射が行われるゲート領域を直方体で示してある。検出した位置により、腫瘍がゲート領域に入った時に、治療放射線を照射することで、腫瘍に対し治療放射線を照射することができ、適切な放射線治療を行うことができる。
１：放射線治療装置、２：線形加速器、３：重金属ターゲット、４：コリメータ、５：ガントリー、６：透視用Ｘ線発生装置、７：透視用Ｘ線平面検出器、８：カウチ、９：照射対象、１０：追跡対象物、１１：追跡対象物投影像、１２：移動領域、１３：追跡対象物存在直線、１４：透視用Ｘ線発生装置側交点、１５：透視用Ｘ線平面検出器側交点、１６：４ＤＣＴ画像上の追跡対象物座標を治療室座標系に置き換えた点Ｐ位相５（呼気）、１７：位相間移動直線Ｌｐｈａｓｅ２−３、１８：位相間共通垂線ＣＬｐｈａｓｅ２−３、５０：制御システム、５１：ガントリー制御システム、５２：照射制御システム、５３：動体追跡装置、５４：透視Ｘ線撮影制御装置、５５：ＣＢＣＴ再構成装置、５６：患者位置決め装置、５７：カウチ制御装置、６０a, ６０ｂ：動体追跡用X線発生装置、６１a, ６１ｂ：動体追跡用X線平面検出器、６２：追跡対象物移動軌跡、６３：軌跡間共通垂線。

Claims (5)

  1. 照射対象を支持するためのカウチと、
    カウチの照射対象に対して様々な角度から治療放射線を照射するために照射対象の周囲を移動可能なガントリーと、
    ガントリーに搭載され、照射対象の透視Ｘ線画像を取得するための透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器と、
    透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器を用いてコーンビームＣＴ撮影を行い、コーンビームＣＴ画像を取得するＣＢＣＴ撮影装置と、
    透視Ｘ線画像の照射対象内に投影された追跡対象物を２次元追跡する２次元動体追跡装置と、
    を備え、
    各透視Ｘ線画像上に投影された追跡対象物の像についての治療室座標系における３次元座標とＸ線発生装置の３次元座標とを結んで形成する追跡対象物存在直線上であって、予め設定した移動領域に含まれる座標を追跡対象物の３次元座標とする、
    放射線治療装置。
  2. 請求項１に記載の放射線治療装置であって、
    各透視Ｘ線画像上に投影された追跡対象物の像についての治療室座標系における３次元座標とＸ線発生装置の３次元座標とを結んで形成する追跡対象物存在直線と、予め設定した追跡対象物の移動領域との２つの交点の中点を追跡対象物の３次元座標とする、
    放射線治療装置。
  3. 照射対象を支持するためのカウチと、
    カウチの照射対象に対して様々な角度から治療放射線を照射するために照射対象の周囲を移動可能なガントリーと、
    ガントリーに搭載され、照射対象の透視Ｘ線画像を取得するための透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器と、
    透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器を用いてコーンビームＣＴ撮影を行い、コーンビームＣＴ画像を取得するＣＢＣＴ撮影装置と、
    透視Ｘ線画像の照射対象内に投影された追跡対象物を２次元追跡する２次元動体追跡装置と、
    を備え、
    事前に取得した呼吸位相毎の追跡対象物の位置を含む４次元ＣＴ画像上の各追跡対象物の位置を治療室座標系に置き換え、４次元ＣＴ画像上の各呼吸位相における追跡対象物の位置間を結んだ位相間移動直線と追跡対象物存在直線との交点または共通垂線をそれぞれ計算し、交点が存在する場合は前記交点を追跡対象物の３次元座標とし、交点が存在しない場合は共通垂線の長さが最も短くなる位相間移動直線上の共通垂線上の点を追跡対象物の３次元座標とする、
    放射線治療装置。
  4. 照射対象を支持するためのカウチと、
    カウチの照射対象に対して様々な角度から治療放射線を照射するために照射対象の周囲を移動可能なガントリーと、
    ガントリーに搭載され、照射対象の透視Ｘ線画像を取得するための透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器と、
    透視用Ｘ線発生装置およびＸ線平面検出器を用いてコーンビームＣＴ撮影を行い、コーンビームＣＴ画像を取得するＣＢＣＴ撮影装置と、
    透視Ｘ線画像の照射対象内に投影された追跡対象物を２次元追跡する２次元動体追跡装置と、
    ２対の動体追跡用Ｘ線発生装置と動体追跡用Ｘ線平面検出器とを含み、取得した透視Ｘ線画像上で追跡対象物を３次元追跡する３次元動体追跡装置と、
    を備え、
    コーンビームＣＴ撮影中に取得した透視Ｘ線画像上に投影された追跡対象物の像の治療室座標系における３次元座標と、Ｘ線発生装置の３次元座標とを結んで形成する追跡対象物存在直線上であって、（ｉ）３次元動体追跡装置により取得した治療室座標系内の追跡対象の３次元移動軌跡上にある点、（ｉｉ）３次元移動軌跡と、追跡対象物存在直線とが垂直に交わる共通垂線を算出し、最も共通垂線が短くなる３次元移動軌跡上にある点、（ｉｉｉ）３次元移動軌跡と、追跡対象物存在直線とが垂直に交わる共通垂線を算出し、最も共通垂線が短くなる追跡対象物存在直線上にある点、（ｉｖ）共通垂線長の中点、のいずれかを追跡対象の３次元座標とする、
    放射線治療装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の放射線治療装置において、
    各透視Ｘ線画像について得られた追跡対象物の３次元座標に基づいて、照射対象の呼吸位相を判定し、１つの呼吸位相の透視Ｘ線画像を選出し、その呼吸位相の透視Ｘ線画像から照射対象の３次元画像を再構成する、
    放射線治療装置。
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