JPWO2018225234A1 - Positioning device and positioning method - Google Patents

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Abstract

位置合わせ部43の機能は、DRR画像とDR画像のずれ量が最小となる並進・回転の最適解を求めるための位置決めアルゴリズムを用いて、透視投影の回転および平行移動に関する各パラメータの最適化演算の実行にある。位置合わせ部43は、最適化機能を実現する構成要素として、3軸最適化部45、6軸最適化部46、および、1次元最適化部47を備える。3軸最適化部45、6軸最適化部46、および、1次元最適化部47の機能は、プログラムとしてメモリに格納され、CPUの作用により実行される。The function of the positioning unit 43 is to optimize each parameter relating to rotation and translation of the perspective projection by using a positioning algorithm for obtaining an optimal translation / rotation solution that minimizes the amount of deviation between the DRR image and the DR image. In running. The positioning unit 43 includes a three-axis optimizing unit 45, a six-axis optimizing unit 46, and a one-dimensional optimizing unit 47 as components for realizing the optimizing function. The functions of the three-axis optimizing unit 45, the six-axis optimizing unit 46, and the one-dimensional optimizing unit 47 are stored in a memory as a program and executed by the operation of the CPU.

Description

この発明は、患者に対して放射線治療を行うときに患者の位置決めを行う位置決め装置および位置決め方法に関する。   The present invention relates to a positioning device and a positioning method for positioning a patient when performing radiation therapy on the patient.

患者の患部に向けて、X線、電子線、粒子線等の放射線を照射する放射線治療においては、治療用放射線を患部に正確に照射する必要がある。このような放射線治療では、まず、X線CT(Computed Tomography)スキャンが行われ、治療計画が策定される。そして、放射線治療装置による治療を実行するときには、治療ビームの照射標的と照射中心を一致させるため、患者を診療台に横たわらせた状態で、位置決めが実行されている。   2. Description of the Related Art In radiotherapy for irradiating an affected part of a patient with radiation such as an X-ray, an electron beam, or a particle beam, it is necessary to accurately irradiate therapeutic radiation to the affected part. In such radiation treatment, first, an X-ray CT (Computed Tomography) scan is performed, and a treatment plan is formulated. When a treatment is performed by the radiation therapy apparatus, positioning is performed with the patient lying on the examination table in order to match the irradiation target of the treatment beam with the irradiation center.

患者の位置決めにX線透視画像やCTデータを用いる装置では、治療台に固定具で拘束された患者の患部およびその周辺の実透視画像であるDR(Digital Radiography)画像の取得と、治療計画策定時のX線CTスキャンにより得られた3次元画像データに対する仮想的透視投影であるDRR(Degital Reconstructed Radiography)画像の作成が実行される。そして、DR画像とDRR画像との類似性を評価すること(画像レジストレーション)により、患者の実際の放射線治療時の位置と治療計画時の位置とのずれ量を算出している(特許文献1および特許文献2参照)。   In an apparatus that uses an X-ray fluoroscopic image or CT data for positioning of a patient, a DR (Digital Radiography) image, which is an actual fluoroscopic image of an affected part of the patient and its surroundings, which is constrained to a treatment table by a fixture, is acquired, and a treatment plan is formulated. At this time, creation of a DRR (Digital Reconstructed Radiography) image, which is a virtual perspective projection, on the three-dimensional image data obtained by the X-ray CT scan at the time is executed. Then, by evaluating the similarity between the DR image and the DRR image (image registration), the shift amount between the actual position of the patient at the time of the radiation treatment and the position at the time of the treatment plan is calculated (Patent Document 1). And Patent Document 2).

なお、このようなDR画像とDRR画像を一致させる位置決めアルゴリズムに従った位置決めの前には、粗位置決めとも呼称される初期セットアップが実行されている。初期セットアップには、例えば、レーザ墨出し器を用いた操作者の手動による位置調整や、操作者が入力装置を操作してディスプレイに表示されたDR画像とDRR画像との重ね合わせることによる、大まかなずれ量調整がある。   Before the positioning according to the positioning algorithm for matching the DR image and the DRR image, an initial setup called coarse positioning is performed. The initial setup may be performed, for example, by adjusting the position of the operator manually using a laser marking device or by superimposing the DR image and the DRR image displayed on the display by operating the input device. There is a deviation amount adjustment.

特開2007−282877号公報JP 2007-282877 A 特開2009−201556号公報JP 2009-201556 A

DR画像とDRR画像の一致度が最大となるように、CTデータの回転・平行移動に関する透視投影パラメータを最適化する位置決めアルゴリズムでは、初期セットアップ後のDR画像とDRR画像のずれ量が、最適化の初期値となる。従来のパラメータの最適化では、画像の解像度を低解像度から高解像度に変えながら、3次元空間の直交する3軸の平行移動および各軸周り回転移動の6自由度の全てで同時に最適化演算が実行される。   In a positioning algorithm that optimizes perspective projection parameters related to rotation and translation of CT data so that the degree of coincidence between the DR image and the DRR image is maximized, the amount of deviation between the DR image and the DRR image after the initial setup is optimized. Is the initial value. In the conventional parameter optimization, while changing the resolution of an image from a low resolution to a high resolution, an optimization operation is performed simultaneously in all six degrees of freedom of parallel movement of three orthogonal axes in three-dimensional space and rotational movement around each axis. Be executed.

初期セットアップは、操作者の手動により行われるため、DR画像とDRR画像のずれの程度に個人差が生じる。パラメータの最適化を開始するときのDR画像とDRR画像の初期のずれ量が大きい場合(例えば、1cm以上)には、6自由度の全てで同時に最適化演算を実行すると、位置決めに失敗することがあった。この失敗の原因としては、平行移動の最適化が完了する前に回転で無理に合わせようとしたことによる、最適化演算の進行の停滞が考えられる。そして、位置決めに失敗したときは、再度、初期セットアップからやり直す必要があり、患者が治療台に横たわってから治療ビームを照射できるまでの間の時間が長くなっていた。   Since the initial setup is performed manually by the operator, there is an individual difference in the degree of deviation between the DR image and the DRR image. If the initial deviation amount between the DR image and the DRR image at the time of starting parameter optimization is large (for example, 1 cm or more), positioning may fail if optimization operations are performed simultaneously in all six degrees of freedom. was there. The cause of the failure may be a stagnation of the progress of the optimization calculation due to an attempt to forcibly adjust by rotation before the optimization of the parallel movement is completed. When the positioning fails, it is necessary to start over from the initial setup again, and the time from when the patient lays on the treatment table to when the patient can irradiate the treatment beam is long.

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、治療時の位置決めを容易に行うことができる位置決め装置および位置決め方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to provide a positioning device and a positioning method that can easily perform positioning during treatment.

第1の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる2方向の2次元放射線画像を取得する画像取得部と、空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたCTデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる2方向のDRR画像を作成するDRR画像作成部と、前記放射線画像と前記DRR画像の位置合わせを実行する位置合わせ部と、前記位置合わせ部により算出された前記放射線画像と前記DRR画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出部と、を備え、前記位置合わせ部は、空間座標系における平行移動および回転の6自由度のパラメータのうち、平行移動の3自由度のパラメータの最適化演算を実行することにより、前記放射線画像と前記DRR画像の平行方向のずれ量を求める3軸最適化部と、前記3軸最適化部における最適化演算の結果を反映した後に、6自由度のパラメータ、または、前記治療台の移動軸に対応する4自由度または5自由度のパラメータの最適化演算を実行することにより、前記放射線画像と前記DRR画像の平行方向および回転方向のずれ量を求める多軸最適化部と、を備えること、を特徴とする。   According to a first aspect of the present invention, there is provided a positioning device for positioning a subject when performing radiation therapy for irradiating a treatment beam toward an affected part of the subject on a treatment table, wherein the radiation irradiating unit and a radiation detector are arranged. An image acquisition unit that acquires two-dimensional radiation images of the subject in two different directions from an imaging system having the imaging system, and reproduces the geometrical arrangement of the imaging system in space and virtually converts the CT data collected by computer tomography into virtual data. A DRR image creating unit that creates DRR images of the subject in two different directions by performing perspective projection, a positioning unit that performs alignment of the radiation image and the DRR image, and the positioning unit And a movement amount calculation unit that outputs a movement amount of the treatment table from a shift amount between the radiation image and the DRR image calculated by: Optimum calculation of the three-degree-of-freedom parameter of the parallel movement out of the six-degree-of-freedom parameter of the parallel movement and the rotation is performed to obtain the amount of parallel displacement between the radiation image and the DRR image. And a parameter having six degrees of freedom or a parameter having four or five degrees of freedom corresponding to the movement axis of the treatment table after reflecting the result of the optimization operation in the three-axis optimizing part. A multi-axis optimizing unit that calculates a shift amount in the parallel direction and the rotation direction between the radiation image and the DRR image by performing a calculation.

第2の発明では、前記位置合わせ部は、前記放射線画像と前記DRR画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら、位置合わせを実行し、前記3軸最適化部は、最も低い解像度で前記平行移動の3自由度のパラメータの最適化演算を実行する。   In the second invention, the alignment unit executes the alignment while changing the resolution of the radiographic image and the DRR image stepwise from a low resolution to a high resolution, and the three-axis optimization unit performs The optimization operation of the three-degree-of-freedom parameter of the translation is performed at the resolution.

第3の発明では、前記移動量算出部は、前記多軸最適化部において6自由度のパラメータの最適化演算を実行したときには、前記放射線画像と前記DRR画像との間の平行方向および回転方向のずれ量から6方向の移動量を算出し、前記6方向の移動量のうち、前記治療台の移動軸に対応する移動量を出力する。   In the third invention, when the multi-axis optimizing unit executes the optimization calculation of the parameter of six degrees of freedom, the movement amount calculating unit sets a parallel direction and a rotational direction between the radiation image and the DRR image. The amount of movement in six directions is calculated from the amount of displacement of the table, and among the amounts of movement in the six directions, the amount of movement corresponding to the movement axis of the treatment table is output.

第4の発明では、前記位置合わせ部は、前記撮像系の撮影方向に沿った1次元平行移動に関するパラメータの最適化演算を実行する1次元最適化部を備える。   In a fourth aspect, the positioning unit includes a one-dimensional optimizing unit that executes a parameter optimizing operation for one-dimensional parallel movement of the imaging system along a shooting direction.

第5の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め方法であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる2方向の2次元放射線画像を取得する画像取得工程と、空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたCTデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる2方向のDRR画像を作成するDRR画像作成工程と、前記放射線画像と前記DRR画像の位置合わせを実行する位置合わせ工程と、前記位置合わせ工程により算出された前記放射線画像と前記DRR画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出工程と、を備え、前記位置合わせ工程は、空間座標系における平行移動および回転の6自由度のパラメータのうち、平行移動の3自由度のパラメータを最適化する最適化演算を実行する3軸最適化工程と、前記3軸最適化工程における最適化演算の結果を反映した後に、6自由度のパラメータまたは、前記治療台の移動軸に対応する4自由度または5自由度のパラメータの最適化演算を実行する多軸最適化工程と、を備えること、を特徴とする。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a positioning method for positioning a subject when performing radiation therapy for irradiating a treatment beam toward an affected part of the subject on a treatment table, comprising: An image acquisition step of acquiring two-dimensional radiation images of the subject in two different directions from an imaging system having the imaging system, and reproducing the geometrical arrangement of the imaging system in space, and virtualizing CT data collected in advance by computer tomography. A DRR image creating step of creating DRR images of the subject in two different directions by performing perspective projection, a positioning step of executing the alignment of the radiation image and the DRR image, and the positioning step A movement amount calculation step of outputting the movement amount of the treatment table from the deviation amount of the radiation image and the DRR image calculated by, the alignment step, A three-axis optimization step of executing an optimization operation for optimizing a three-degree-of-freedom parameter of the parallel movement among the six-degree-of-freedom parameters of the translation and rotation in the inter-coordinate system; A multi-axis optimization step of performing an optimization operation of a parameter of six degrees of freedom or a parameter of four or five degrees of freedom corresponding to the movement axis of the treatment table after reflecting the result of the conversion operation. It is characterized by the following.

第1から第5の発明によれば、平行移動の3自由度についてパラメータの最適化を行った後に、平行移動に回転を含めた自由度についてパラメータの最適化を行うことから、撮像系から取得した放射線画像とCTデータに仮想的透視投影を行って作成したDRR画像との初期位置のずれ量が大きい場合でも、パラメータの最適化演算で局所解に陥ることを防ぐことができる。このように、放射線画像とDRR画像との初期位置のずれ量の許容範囲が大きくなったことから、最適化演算の進行が停滞することなく、従来のように初期セットアップからやり直すケースを減少させることができる。したがって、放射線治療装置での治療時のワークフローを短縮することが可能となる。   According to the first to fifth aspects, after optimizing the parameters for the three degrees of freedom of the translation, the parameters are optimized for the degrees of freedom including the rotation in the translation, so that the parameters are obtained from the imaging system. Even when the deviation amount of the initial position between the obtained radiation image and the DRR image created by performing virtual perspective projection on the CT data is large, it is possible to prevent a local solution from being obtained by the parameter optimization calculation. As described above, since the allowable range of the shift amount of the initial position between the radiographic image and the DRR image is increased, the case of re-starting from the initial setup as in the related art can be reduced without stalling the progress of the optimization calculation. Can be. Therefore, it is possible to shorten the workflow at the time of treatment with the radiation therapy apparatus.

第2の発明によれば、放射線画像とDRR画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に上げて位置決めを行うときに、平行移動の3自由度のパラメータの最適化を、最適化の初期の最も低い解像度で行うことにより、最適化の計算コストを低減することが可能となる。   According to the second aspect, when positioning is performed by gradually increasing the resolution of the radiographic image and the DRR image from a low resolution to a high resolution, optimization of the three-degree-of-freedom parameter of the parallel movement is performed in the initial stage of the optimization. , The calculation cost of the optimization can be reduced.

第3の発明によれば、6自由度のパラメータの最適化により得られた放射線画像とDRR画像のずれ量から6方向の移動量を算出した後、治療台の移動軸に対応する必要な移動量のみを治療台側に出力することから、治療台の移動軸の自由度ごとに位置決めアルゴリズムを用意しなくてもよく、容易に位置決めを行うことができるともに、治療台の移動軸の自由度のパラメータの最適化を行う場合よりも、位置決め誤差を小さくすることが可能となる。   According to the third aspect, after calculating the amount of movement in six directions from the amount of deviation between the radiation image and the DRR image obtained by optimizing the parameters of six degrees of freedom, the necessary movement corresponding to the movement axis of the treatment table Since only the amount is output to the treatment table, there is no need to prepare a positioning algorithm for each degree of freedom of the movement axis of the treatment table. It is possible to reduce the positioning error as compared with the case where the parameters are optimized.

第4の発明によれば、撮影系の撮影方向に沿った1次元最適化を行うことから、患者に対して傾斜角を持った2方向から撮影を行う撮影系のように、SID(Sourse Image Distance)が長くなる場合でも、最適化演算の進行が停滞することを防ぐことができる。また、最適化経路を最短とし、位置決め時間を短縮することが可能となる。   According to the fourth aspect, since one-dimensional optimization is performed along the imaging direction of the imaging system, an SID (Source Image) is obtained as in an imaging system that performs imaging from two directions with a tilt angle to a patient. Even when the distance (Distance) becomes long, it is possible to prevent the progress of the optimization operation from stagnating. In addition, it is possible to minimize the optimization route and shorten the positioning time.

この発明に係る位置決め装置を適用する放射線治療装置の概要図である。It is a schematic diagram of a radiotherapy device to which the positioning device according to the present invention is applied. この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a control system including the positioning device according to the present invention. 被検体の位置決め手順を示すフローチャートである。9 is a flowchart illustrating a procedure for positioning a subject. パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。9 is a flowchart illustrating a procedure for parameter optimization. この発明の1次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造と画像の類似度の最適化の過程を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the process of optimization of the valley structure of an evaluation function and the similarity of an image when the one-dimensional optimization operation of this invention is performed.

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、この発明に係る位置決め装置を適用した放射線治療装置1の概要図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a radiotherapy device 1 to which a positioning device according to the present invention is applied.

この発明の位置決め装置は、X線撮像系を備え、放射線治療装置1とともに使用される。放射線治療装置1は、治療台30の天板31上の患者(被検体)に対して放射線治療を行うものであり、治療ビームを出射するヘッド55と、治療室の床面に設置された基台52に回転可能に支持されたガントリー53を備える。放射線治療装置1は、ガントリー53が回転することで、治療ビームの照射方向を変更することができる。   The positioning device of the present invention includes an X-ray imaging system, and is used together with the radiotherapy device 1. The radiotherapy apparatus 1 is for performing radiotherapy on a patient (subject) on a top plate 31 of a treatment table 30, and includes a head 55 for emitting a treatment beam and a base 55 installed on the floor of a treatment room. A gantry 53 rotatably supported by the table 52 is provided. The radiation treatment apparatus 1 can change the irradiation direction of the treatment beam by rotating the gantry 53.

X線撮像系は、治療台30の天板31上に仰臥した患者の患部の位置を特定するためにX線透視を行うためのものであり、放射線照射部としてのX線管11a〜11dと、被検体および天板31を透過したX線を検出する放射線検出器であるフラットパネルディテクタ21a〜21dとを備える。X線管11a〜11dおよびフラットパネルディテクタ21a〜21dとは、被検体に対して斜め方向からのX線透視を行う位置に配置される。なお、図1においては図示していないが、X線管11a〜11dは床面に形成された凹部に配置され、凹部は床の一部を構成する蓋部材により覆われている。また、放射線検出器としてはイメージインテンシファイア(I.I)を使用してもよい。   The X-ray imaging system is for performing X-ray fluoroscopy in order to specify the position of the affected part of the patient who is lying on the top plate 31 of the treatment table 30, and includes X-ray tubes 11a to 11d as radiation irradiation units. And flat panel detectors 21a to 21d, which are radiation detectors for detecting X-rays transmitted through the subject and the top plate 31. The X-ray tubes 11a to 11d and the flat panel detectors 21a to 21d are arranged at positions for performing X-ray fluoroscopy on the subject from an oblique direction. Although not shown in FIG. 1, the X-ray tubes 11a to 11d are arranged in concave portions formed on the floor surface, and the concave portions are covered by a lid member forming a part of the floor. Further, an image intensifier (II) may be used as the radiation detector.

X線管11aから照射されたX線は、フラットパネルディテクタ21aにより検出され、X線管11aとフラットパネルディテクタ21aとは、第1撮像系を構成する。X線管11bから照射されたX線は、フラットパネルディテクタ21bにより検出され、X線管11bとフラットパネルディテクタ21bとは、第2撮像系を構成する。X線管11cから照射されたX線は、フラットパネルディテクタ21cにより検出され、X線管11cとフラットパネルディテクタ21cとは、第3撮像系を構成する。X線管11dから照射されたX線は、フラットパネルディテクタ21dにより検出され、X線管11dとフラットパネルディテクタ21dとは、第4撮像系を構成する。被検体の位置決めを行う際には、ガントリー53が撮影視野に重ならないように第1〜第4撮像系のうち、2つの撮像系が選択され、被検体に対して異なる2方向からのX線透視が行われる。   X-rays emitted from the X-ray tube 11a are detected by the flat panel detector 21a, and the X-ray tube 11a and the flat panel detector 21a constitute a first imaging system. X-rays emitted from the X-ray tube 11b are detected by the flat panel detector 21b, and the X-ray tube 11b and the flat panel detector 21b constitute a second imaging system. X-rays emitted from the X-ray tube 11c are detected by the flat panel detector 21c, and the X-ray tube 11c and the flat panel detector 21c constitute a third imaging system. X-rays emitted from the X-ray tube 11d are detected by the flat panel detector 21d, and the X-ray tube 11d and the flat panel detector 21d constitute a fourth imaging system. When positioning the subject, two of the first to fourth imaging systems are selected so that the gantry 53 does not overlap the field of view, and X-rays from two different directions with respect to the subject are obtained. A fluoroscopy is performed.

図2は、この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。   FIG. 2 is a block diagram of a control system including the positioning device according to the present invention.

この位置決め装置は、論理演算実行するCPU(Central Processing Unit)、各種画像処理を実行するGPU(Graphics Processing Unit)、装置の制御に必要なプログラムが格納されたROM、制御時にデータ等が一時的にストアされるRAM等のメモリを備えるコンピュータによって実現される制御部40を備える。   This positioning device includes a CPU (Central Processing Unit) for executing a logical operation, a GPU (Graphics Processing Unit) for executing various image processing, a ROM in which a program necessary for controlling the device is stored, and data and the like during control are temporarily stored. The control unit 40 is implemented by a computer having a memory such as a RAM to be stored.

制御部40は、X線管11a〜11dからのX線の照射を制御するX線管制御部10と、フラットパネルディテクタ21a〜21dの各々と接続されている。X線管制御部10は、X線管11a〜11dに接続され、X線透視時には、X線管11a〜11dのうち選択されている撮像系の2個にX線を照射するために必要な管電圧・管電流を供給する。また、制御部40は、ネットワーク17、表示部15、入力部16、放射線治療装置1および治療台30とも接続されている。なお、治療台30の天板31は、天板移動機構32により水平移動および回転の6軸の移動が可能となっている。   The control unit 40 is connected to the X-ray tube control unit 10 that controls the irradiation of X-rays from the X-ray tubes 11a to 11d, and the flat panel detectors 21a to 21d. The X-ray tube control unit 10 is connected to the X-ray tubes 11a to 11d, and is necessary for irradiating X-rays to two imaging systems selected from the X-ray tubes 11a to 11d during X-ray fluoroscopy. Supply tube voltage and tube current. The control unit 40 is also connected to the network 17, the display unit 15, the input unit 16, the radiotherapy device 1, and the treatment table 30. The top board 31 of the treatment table 30 can be moved in six axes of horizontal movement and rotation by a top board moving mechanism 32.

制御部40は、機能的構成として、フラットパネルディテクタ21a〜21dのうち、選択された撮像系の2個で検出された2次元放射線画像(DR画像)の情報を取得する画像取得部41と、ネットワーク17を介して、事前のコンピュータ断層撮影(X線CT撮影)により収集した3次元CTデータに対して仮想的に透視投影を行うことにより異なる2方向のDRR画像を作成するDRR画像作成部42と、2つの撮像系で透視を実行して得たDR画像をDRR画像に合わせる位置合わせ部43と、画像間のずれ量から天板31の移動量を算出する移動量算出部44と、を備える。これらの機能的構成は、プログラムとしてメモリに格納され、CPUの作用により実行される。   The control unit 40 has, as a functional configuration, an image acquisition unit 41 that acquires information on a two-dimensional radiation image (DR image) detected by two of the selected imaging systems among the flat panel detectors 21a to 21d, A DRR image creation unit 42 for creating DRR images in two different directions by virtually performing perspective projection on three-dimensional CT data collected by prior computer tomography (X-ray CT imaging) via the network 17. A positioning unit 43 that matches the DR image obtained by performing fluoroscopy with the two imaging systems with the DRR image, and a movement amount calculation unit 44 that calculates the amount of movement of the top board 31 from the amount of displacement between the images. Prepare. These functional configurations are stored in a memory as a program and executed by the action of the CPU.

位置合わせ部43は、DR画像とDRR画像のずれ量が最小となる並進・回転の最適解を求めるための位置決めアルゴリズムを用いて、透視投影の回転および平行移動に関する各パラメータの最適化演算を実行する機能を有する。そして、最適化演算は、放射線治療装置1の照射野に位置するターゲットアイソセンターを中心として、実行される。位置合わせ部43は、パラメータの最適化を実現する構成要素として、3軸最適化部45、6軸最適化部46、および、1次元最適化部47を備える。3軸最適化部45、6軸最適化部46、および、1次元最適化部47の機能は、プログラムとしてメモリに格納され、CPUの作用により実行される。   The positioning unit 43 executes an optimization calculation of each parameter related to rotation and parallel movement of the perspective projection using a positioning algorithm for obtaining an optimal translation / rotation solution that minimizes the amount of deviation between the DR image and the DRR image. It has a function to do. Then, the optimization calculation is executed centering on the target isocenter located in the irradiation field of the radiation therapy apparatus 1. The positioning unit 43 includes a three-axis optimizing unit 45, a six-axis optimizing unit 46, and a one-dimensional optimizing unit 47 as components for realizing parameter optimization. The functions of the three-axis optimizing unit 45, the six-axis optimizing unit 46, and the one-dimensional optimizing unit 47 are stored in a memory as a program and executed by the operation of the CPU.

次に、上述した構成の位置決め装置における位置決め方法について説明する。図3は、被検体の位置決め手順を示すフローチャートである。   Next, a positioning method in the positioning device having the above-described configuration will be described. FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for positioning the subject.

治療台30の天板31上の被検体に対し、第1〜第4撮像系から選択された2つの撮像系によるX線透視を実行し、フラットパネルディテクタ21a〜21dのうちの2つから画像情報を取得し、異なる2方向からのDR画像を得る(ステップS1:画像取得工程)。   An X-ray fluoroscopy is performed on the subject on the top board 31 of the treatment table 30 by two imaging systems selected from the first to fourth imaging systems, and images are obtained from two of the flat panel detectors 21a to 21d. Information is obtained, and DR images from two different directions are obtained (step S1: image obtaining step).

コンピュータ上の仮想空間に撮像系のジオメトリ(幾何学的配置)を再現し、予め取得した3次元CTデータに対して仮想的透視投影が実行される。CTデータは、治療計画策定時にX線CT装置により取得し、図示を省略した患者DBに格納しておく。制御部40は、ネットワーク17を介して治療計画およびCTデータを取得する。しかる後、DRR画像作成部42の作用により、3次元CTデータへの仮想的透視投影により被検体の異なる2方向の2次元DRR画像が作成される(ステップS2:DRR画像作成工程)。   The geometry (geometric arrangement) of the imaging system is reproduced in a virtual space on a computer, and virtual perspective projection is performed on the previously acquired three-dimensional CT data. The CT data is acquired by an X-ray CT apparatus when formulating a treatment plan, and stored in a patient DB (not shown). The control unit 40 acquires a treatment plan and CT data via the network 17. Thereafter, by the operation of the DRR image creation unit 42, two-dimensional DRR images of the subject in two different directions are created by virtual perspective projection onto the three-dimensional CT data (step S2: DRR image creation step).

X線透視撮影のジオメトリには、選択された2つの撮像系におけるX線管11a〜11dのいずれか2個、フラットパネルディテクタ21a〜21dのいずれか2個の位置および天板31の位置・姿勢が含まれる。これらの要素の機械的設置精度は、最終的な位置決め精度に影響を与えるため、定期的に設置位置の構成を行い、X線透視撮影のジオメトリに校正結果を反映している。   The geometry of the X-ray fluoroscopy includes the positions of any two of the X-ray tubes 11a to 11d, the positions of any two of the flat panel detectors 21a to 21d, and the position and orientation of the top plate 31 in the two selected imaging systems. Is included. Since the mechanical installation accuracy of these elements affects the final positioning accuracy, the installation positions are periodically configured, and the calibration results are reflected in the geometry of X-ray fluoroscopy.

DRR画像作成時には、選択された撮像系におけるX線管11a〜11dのいずれかの焦点からフラットパネルディテクタ21a〜21dのいずれかへの投影線に沿って、CT画像データのボクセル値が積算(線積分)される。   When the DRR image is created, the voxel values of the CT image data are integrated along the projection line from any one of the X-ray tubes 11a to 11d in the selected imaging system to any of the flat panel detectors 21a to 21d. Integration).

DR画像とDRR画像が一致するように、透視投影の平行移動および回転に関するパラメータの最適化が行われ、位置合わせが実行される(ステップS3:位置合わせ工程)。ここで、2つの画像の一致度を評価する評価関数としては、正規化相互情報量(NMI:Nomalized Mutual Information)、勾配差(GD:Gradient Difference)、ゼロ平均正規化相互相関(ZNCC:Nero−means Normalized Cross−Correlation)など、従来からマルチモダリティの画像位置合わせに用いられている評価関数を採用することができる。なお、NMI、GD、ZNCCを組み合わせて使用することで、DR画像とDRR画像の一致度の評価精度を向上させることもできる。   The parameters related to the parallel movement and rotation of the perspective projection are optimized so that the DR image and the DRR image match, and alignment is performed (step S3: alignment step). Here, as an evaluation function for evaluating the degree of coincidence between two images, a normalized mutual information (NMI), a gradient difference (GD: Gradient Difference), and a zero-average normalized cross-correlation (ZNCC: Nero- An evaluation function such as mean normalized cross-correlation that has been conventionally used for multi-modality image registration can be employed. In addition, by using NMI, GD, and ZNCC in combination, it is also possible to improve the evaluation accuracy of the degree of coincidence between the DR image and the DRR image.

評価関数の計算は、画像中の被検体が写っている領域のみで行うことが好ましい。また、被検体内で動きのある臓器や関節など、CTデータと再現性のない変形を伴う部位は、この評価関数の計算の対象外とすることが望ましい。   It is preferable that the calculation of the evaluation function is performed only in the region where the subject is present in the image. In addition, it is desirable that a part having a deformation that is not reproducible with CT data, such as a moving organ or a joint in the subject, is excluded from the calculation of the evaluation function.

位置合わせ部43の作用による位置合わせの結果得られたDR画像とDRR画像との位置ずれ量は、制御部40を構成するCPUの作用により移動量算出部44の機能が実行されることで、天板移動量に換算される(ステップS4:移動量算出工程)。そして、この移動量が、移動量算出部44から治療台30の天板移動機構32に送信される。しかる後、天板移動機構32の動作により天板31が移動する(ステップS5:天板移動工程)。このように、DR画像とCTデータから作成したDRR画像との位置ずれ量だけ被検体が転置するように天板31を移動させることで、被検体は、放射線治療装置1から照射される治療ビームに対して治療計画通りの位置・角度に位置決めされる。なお、天板31を転置して被検体の位置決めを行った後には、再度X線透視を行って、そのときのDR画像とDRR画像とを表示部15に表示させ、それらの画像が一致しているか否かがユーザによる目視確認により行われる。そして、放射線治療装置1のヘッド55から治療ビームが被検体の患部に向けて照射される。   The amount of misalignment between the DR image and the DRR image obtained as a result of the alignment by the operation of the alignment unit 43 is determined by executing the function of the movement amount calculation unit 44 by the operation of the CPU configuring the control unit 40. It is converted into a top plate movement amount (step S4: movement amount calculation step). Then, this movement amount is transmitted from the movement amount calculation unit 44 to the top moving mechanism 32 of the treatment table 30. Thereafter, the top 31 is moved by the operation of the top moving mechanism 32 (step S5: top moving step). As described above, by moving the top 31 so that the subject is displaced by the positional shift amount between the DR image and the DRR image created from the CT data, the subject can be treated by the treatment beam emitted from the radiation therapy apparatus 1. Is positioned at the position and angle as in the treatment plan. After transposition of the top plate 31 and positioning of the subject, X-ray fluoroscopy is performed again, and the DR image and the DRR image at that time are displayed on the display unit 15 so that the images match. It is determined by the user whether or not there is a visual check. Then, a treatment beam is emitted from the head 55 of the radiation therapy apparatus 1 toward the affected part of the subject.

位置合わせ部43の構成要素である、3軸最適化部45、6軸最適化部46、および、1次元最適化部47の機能について、さらに詳細に説明する。図4は、パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。   The functions of the three-axis optimizing unit 45, the six-axis optimizing unit 46, and the one-dimensional optimizing unit 47, which are components of the positioning unit 43, will be described in more detail. FIG. 4 is a flowchart showing a procedure of parameter optimization.

この実施形態では、最適化演算の手法として、BFGS公式による準ニュートン法を用いる。準ニュートン法は、k次元の関数f(x)の極小値、極大値を求めることができる方法である。最適化演算では、DRR画像とDR画像の一致を評価する評価関数をf(x)としたとき、治療室空間の点の初期値xからi+1番目でのxi+1が十分小さくなるまで、下記式(1)により反復計算する。In this embodiment, the quasi-Newton method based on the BFGS formula is used as a method of the optimization calculation. The quasi-Newton method is a method that can obtain the minimum value and the maximum value of a k-dimensional function f (x). In the optimization operation, assuming that an evaluation function for evaluating the coincidence between the DRR image and the DR image is f (x), from the initial value x 0 of the point in the treatment room space until x i + 1 at the ( i + 1) -th point becomes sufficiently small, Iterative calculation is performed according to equation (1).

Figure 2018225234
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ここで、Hはヘッセ行列の逆行列の近似である。また、Hの近似式はいくつか提案されているが、以下の式(2)(3)で与えられるBFGS公式が最も計算効率が良い。   Here, H is an approximation of the inverse matrix of the Hessian matrix. Although several approximate expressions for H have been proposed, the BFGS formula given by the following expressions (2) and (3) has the highest calculation efficiency.

Figure 2018225234
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Figure 2018225234
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画像レジストレーションを行うに際し、治療室の空間座標系のX軸、Y軸、Z軸の各軸の平行移動の3自由度と、回転の3自由度の計6自由度について、パラメータの最適化を行う。この発明においては、平行方向の3軸と回転方向の3軸の計6軸の最適化を同時に行う前に、まず、平行方向の3軸(3自由度)について、最適化を実行する(ステップS31:3軸最適化工程)。この3軸最適化工程では、評価関数f(x)を3次元の関数として、3次元位置xを上記式(1)に従って更新する。平行方向の3軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで、反復計算が実行される。なお、3軸最適化は、CPUが3軸最適化部45から読み込んだプログラムを実行することにより実現される。   When performing image registration, parameters are optimized for a total of six degrees of freedom, ie, three degrees of freedom of translation and three degrees of rotation of each of the X, Y, and Z axes of the treatment room spatial coordinate system. I do. In the present invention, before simultaneously optimizing a total of six axes, that is, three axes in the parallel direction and three axes in the rotational direction, first, optimization is performed on three axes in the parallel direction (three degrees of freedom) (step S1). S31: Triaxial optimization step). In the three-axis optimization step, the three-dimensional position x is updated according to the above equation (1), using the evaluation function f (x) as a three-dimensional function. The iterative calculation is performed until the deviation amounts for the three parallel axes converge to the target value. Note that the three-axis optimization is realized by the CPU executing a program read from the three-axis optimization unit 45.

平行方向の3軸についての最適化が終了すれば、回転方向を含めた6軸についての最適化が実行される(ステップS32:6軸最適化工程)。6軸最適化工程では、評価関数f(x)が、平行移動および回転の6自由度に関する6つの独立変数に依存する6次関数であるとして、6次元位置xを上記式(1)に従って更新する。6次元位置xの初期値xは、先の3軸最適化工程で平行移動の3軸のパラメータが最適化された後の位置になる。そして、予め設定した時間内または予め設定した回数の計算を繰り返す間に、平行移動の3軸および回転の3軸の計6軸についてのずれ量が収束すれば(ステップS33)、最適化演算は終了する。一方で、6軸のずれ量が収束しなければ、1次元最適化を行う(ステップS34:1次元最適化工程)。なお、6軸最適化は、CPUが6軸最適化部46から読み込んだプログラムを実行することにより実現される。また、6軸最適化部46および6軸最適化工程は、この発明の多軸最適化部および多軸最適化工程に相当する。この発明において、多軸とは、平行移動の3軸に回転の軸が加わった4〜6自由度の移動軸を意味する。When the optimization for the three axes in the parallel direction is completed, the optimization for the six axes including the rotation direction is executed (step S32: a six-axis optimization process). In the six-axis optimization process, the six-dimensional position x is updated according to the above equation (1), assuming that the evaluation function f (x) is a sixth-order function that depends on six independent variables relating to six degrees of freedom of translation and rotation. I do. The initial value x 0 of the six-dimensional position x will position after the three-axis parameters of translation in the preceding three axes optimization process is optimized. Then, if the shift amounts for a total of six axes, ie, three axes of translation and three axes of rotation, converge within a predetermined time or while repeating the calculation of a predetermined number of times (step S33), the optimization calculation is performed. finish. On the other hand, if the shift amounts of the six axes do not converge, one-dimensional optimization is performed (step S34: one-dimensional optimization step). The six-axis optimization is realized by the CPU executing a program read from the six-axis optimization unit 46. The six-axis optimizing unit 46 and the six-axis optimizing step correspond to the multi-axis optimizing unit and the multi-axis optimizing step of the present invention. In the present invention, the multi-axis means a movement axis having 4 to 6 degrees of freedom in which a rotation axis is added to three translation axes.

ここで、X線透視は、選択された2つの撮像系により異なる2方向から行われており、6軸最適化後のDRR画像とDR画像との一致を評価する評価関数の値も、異なる2方向について得られる。ステップS33での2つの画像のずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、評価関数の値が収束判定値に到達したかどうかで判定される。そして、異なる2方向の評価関数の値をF1、F2としたとき、異なる2方向の評価関数の和F1+F2を収束判定値と対比する評価関数の値としている。なお、異なる2方向のいずれか一方が、位置決めにおいてより重要な場合には、単純なF1、F2の和ではなく、いずれか一方に重み付けをして和をとるようにしてもよい。また、3軸最適化の後にも6軸最適化のステップに進むか否かの判定が行われるが、平行移動の3軸を合わせた後に6軸最適化を行うため、3軸最適化後では、6軸最適化後の収束判定(ステップS33)ほど収束判定値を厳しく設定して最適化の収束判定を行なわなくてもよく、予め設定した回数の計算が終了すれば、次の6軸最適化のステップに進むようにしてもよい。   Here, the X-ray fluoroscopy is performed from two different directions by the two selected imaging systems, and the values of the evaluation functions for evaluating the coincidence between the DRR image after the 6-axis optimization and the DR image are different. Obtained about the direction. The determination as to whether or not the shift amount between the two images has converged to the target value in step S33 is made based on whether or not the value of the evaluation function has reached the convergence determination value. When the values of the evaluation functions in two different directions are F1 and F2, the sum F1 + F2 of the evaluation functions in the two different directions is set as the value of the evaluation function to be compared with the convergence determination value. When one of the two different directions is more important in positioning, the sum may be obtained by weighting one of the two, instead of the simple sum of F1 and F2. After the three-axis optimization, it is determined whether or not to proceed to the six-axis optimization step. However, since the six-axis optimization is performed after the three axes of the parallel movement are adjusted, the three-axis optimization is performed. It is not necessary to set the convergence determination value more strictly as the convergence determination after the six-axis optimization (step S33), and the convergence determination of the optimization does not need to be performed. You may make it advance to the step of conversion.

6軸最適化の計算終了後のステップS33での判定が「No」であった場合には、1次元最適化を実行する(ステップS34)。この1次元最適化工程では、選択された2つの撮像系における撮影方向に沿った1次元平行移動に関するパラメータが最適化される。1次元最適化工程における評価関数は、撮影方向に沿った1次元平行移動に関する1つの変数に依存する1次関数である。ここでの最適化では、Brent法や黄金分割法などを用いることができる。   If the determination in step S33 after the calculation of the six-axis optimization is “No”, one-dimensional optimization is performed (step S34). In the one-dimensional optimization step, parameters relating to one-dimensional parallel movement along the imaging direction in the two selected imaging systems are optimized. The evaluation function in the one-dimensional optimization process is a linear function that depends on one variable related to one-dimensional translation along the imaging direction. In this optimization, the Brent method, the golden section method, or the like can be used.

図5は、この発明の1次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造とパラメータの最適化の過程を模式的に示す説明図である。   FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the process of optimizing the valley structure and parameters of the evaluation function when the one-dimensional optimization operation of the present invention is executed.

1次元最適化部47において、撮影方向に沿った1次元平行移動に関するパラメータを最適化したことで、最適化の経路は、谷構造に沿って進行する。このため、最適化の序盤だけではなく、最適化の終盤まで撮影方向を考慮した最適化が可能となり、図1に示すような、被検体に対して傾斜角を持った異なる2方向からX線透視を行った場合にSIDが長くなることによる最適化演算の進行の停滞問題を解決している。これにより、最短経路で効率よく最適化演算が行われ、全体の計算時間を従来よりも短くすることができ、かつ、位置決め精度も向上させることが可能となる。   The one-dimensional optimization unit 47 optimizes parameters related to one-dimensional parallel movement along the imaging direction, so that the optimization path proceeds along the valley structure. Therefore, it is possible to perform optimization in consideration of the imaging direction not only at the beginning of optimization but also at the end of optimization, and X-rays can be obtained from two different directions having an inclination angle with respect to the subject as shown in FIG. This solves the problem of the stagnation of the progress of the optimization calculation due to the longer SID when fluoroscopy is performed. As a result, the optimization operation is efficiently performed on the shortest path, the total calculation time can be shortened as compared with the related art, and the positioning accuracy can be improved.

ステップS35で収束判定に用いられる最終的な評価関数値は、3軸最適化および6軸最適化の場合と同様に、異なる2方向の評価関数値をそれぞれF1、F2としたとき、異なる2方向の評価関数値の和F1+F2を用いてもよいが、値の大きな評価関数(F1またはF2のどちらか一方)のみを用いること方がより好ましい。すなわち、最適化の経路が評価関数の谷構造に沿っているときは、値の小さい評価関数は最適化への寄与が小さいため、位置ずれが撮影方向に沿っていない側の値の大きな目的関数のみで最適化を行うことで、計算の高速化が可能となる。   When the evaluation function values in two different directions are F1 and F2, respectively, as in the case of the three-axis optimization and the six-axis optimization, May be used, but it is more preferable to use only the evaluation function having a large value (either F1 or F2). That is, when the optimization path is along the valley structure of the evaluation function, the evaluation function with a small value has a small contribution to the optimization, and therefore the objective function with a large value on the side where the displacement is not along the imaging direction. Performing the optimization only with the use of the above makes it possible to speed up the calculation.

1次元最適化は、評価関数の値が収束判定値に到達するまで(ステップS35:収束判定工程)、繰り返し実行される。なお、この実施形態では、3軸および6軸の最適化と1次元最適化とで、異なる評価関数を用い、評価関数の値の収束判定値に異なる値を用いている。このように、それぞれに適した評価関数、収束判定値を用いることで、より適切にパラメータの最適化を行うことができる。また、1次元最適化は、異なる2方向の評価関数値F1、F2の差が小さいときには、省略してもよい。   The one-dimensional optimization is repeatedly executed until the value of the evaluation function reaches the convergence determination value (Step S35: convergence determination step). In this embodiment, different evaluation functions are used for the optimization of three axes and six axes and one-dimensional optimization, and different values are used for the convergence determination value of the value of the evaluation function. As described above, by using the evaluation function and the convergence determination value suitable for each, the parameters can be more appropriately optimized. The one-dimensional optimization may be omitted when the difference between the evaluation function values F1 and F2 in two different directions is small.

さらに、所定の計算時間または所定の計算回数に達しても収束判定値に到達しない場合は、最適化の繰り返し計算を打ち切る(ステップS36:打ち切り判断工程)。このような、時間的な制限を設けることで、同じ姿勢で天板31上に固定される患者の負担や放射線治療装置1のスループットの低下が軽減される。   Further, when the convergence determination value is not reached even after reaching the predetermined calculation time or the predetermined number of calculations, the repetition calculation of the optimization is terminated (step S36: termination determination step). By providing such a time limit, the burden on the patient fixed on the top plate 31 in the same posture and a decrease in the throughput of the radiotherapy apparatus 1 are reduced.

また、上述した最適化演算は、ダウンサンプリング法を利用してDR画像とDRR画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら実行する。例えば、画像の解像度を低解像度から高解像度に4段階で順次上げていきながら計算を繰り返す。解像度を下げると情報量が減少するため、このような計算領域を限定した計算を導入することで、計算を高速化することができる。   In addition, the above-described optimization operation is performed while gradually changing the resolution of the DR image and the DRR image from a low resolution to a high resolution using a downsampling method. For example, the calculation is repeated while sequentially increasing the resolution of the image from low resolution to high resolution in four steps. Since the amount of information decreases when the resolution is reduced, the calculation can be sped up by introducing such a calculation in which the calculation area is limited.

また、各解像度で3軸最適化を行う必要はなく、最も解像度の低い計算でのみ、3軸最適化を行うのが効果的である。例えば、評価関数が局所解に陥ってしまう頻度は高解像度ほど高い傾向にある。したがって、DR画像とDRR画像の初期位置ずれの大きさの影響を最も受ける最適化の初期段階の最も低い解像度で3軸最適化を実行し、大きなずれ量を小さくしておけば、それ以降の高解像度の最適化演算で、6軸最適化のみを実行しても、評価関数が局所解に陥ることを防ぐことができる。情報量の少ない低解像度側で、平行移動の3軸の最適化を先に行うので、計算負担も増えることがなく、その後の6軸最適化での最適化の進行の停滞も低減されることから、最適解に至るまでの計算時間も短縮することができる。   Further, it is not necessary to perform the three-axis optimization at each resolution, and it is effective to perform the three-axis optimization only for the calculation with the lowest resolution. For example, the frequency at which the evaluation function falls into a local solution tends to increase as the resolution increases. Therefore, if the three-axis optimization is performed at the lowest resolution in the initial stage of the optimization that is most affected by the magnitude of the initial displacement between the DR image and the DRR image, and the large displacement is reduced, Even when only the six-axis optimization is performed in the high-resolution optimization calculation, it is possible to prevent the evaluation function from falling into a local solution. Since optimization of three axes of parallel movement is performed first on the low resolution side where the amount of information is small, the calculation load does not increase, and the stagnation of the progress of optimization in the subsequent six-axis optimization is reduced. , The calculation time required to reach the optimal solution can be reduced.

さらに、1次元最適化についても、解像度ごとに1次元最適化を行うか否かを切り替えてもよい。すなわち、撮影方向を考慮しなくても解空間での最適化の方向が好ましい解の探索方向から大きくはずれることがない低解像度側で1次元最適化を省略することで、さらに、最適化演算を高速化することが可能となる。   Further, regarding the one-dimensional optimization, whether or not to perform the one-dimensional optimization may be switched for each resolution. That is, by omitting the one-dimensional optimization on the low resolution side where the direction of optimization in the solution space does not largely deviate from the preferred solution search direction without considering the shooting direction, the optimization operation can be further performed. It is possible to increase the speed.

上述した被検体の位置決めでは、DR画像とCTデータから作成したDRR画像との位置合わせの結果を、放射線治療装置1から治療ビームを照射する前の天板31の移動に利用しているが、必ずしも天板31を移動させる必要はない。例えば、治療中に位置ずれがないか確認するために、位置合わせの結果を利用してもよい。   In the above-described positioning of the subject, the result of alignment between the DR image and the DRR image created from the CT data is used for moving the top board 31 before irradiating the treatment beam from the radiation therapy apparatus 1. It is not always necessary to move the top plate 31. For example, the result of the alignment may be used to confirm whether there is any displacement during the treatment.

この実施形態では、治療台30に、天板31を6軸移動させるものを採用していることから、移動量算出部44で算出された天板31の移動量は、対応する軸の6方向の全てについて天板移動機構32に出力される。この実施形態では、治療台の移動軸に対応しているか否かにかかわらず、6自由度のパラメータの最適化を実行し、得られたDR画像とDRR画像のずれ量に基づく移動量を、治療台の対応する移動軸の分だけ天板移動機構32に送信するようにしている。例えば、治療台30が天板31を4軸移動(3軸平行移動+鉛直軸回転)させるものであれば、移動量算出部44からは対応する移動軸の4方向の移動量のみが出力される。なお、治療台の移動軸の数を変数とする4次元の最適化を行って得た解よりも、6次元の最適化を行って大域的最適解を計算した後に、動かない軸についての拘束条件に射影して得た解の方が、最適解からの距離が最短の解となり、位置決め誤差が小さくなることがこの発明の発明者により実験的に確認されている。   In this embodiment, since the treatment table 30 is configured to move the top board 31 in six axes, the movement amount of the top board 31 calculated by the movement amount calculation unit 44 corresponds to the six directions of the corresponding axis. Are output to the table moving mechanism 32. In this embodiment, irrespective of whether or not it corresponds to the movement axis of the treatment table, optimization of parameters with 6 degrees of freedom is executed, and the movement amount based on the shift amount between the obtained DR image and DRR image is The data is transmitted to the top moving mechanism 32 by the amount corresponding to the moving axis of the treatment table. For example, if the treatment table 30 moves the top 31 in four axes (three-axis parallel movement + vertical axis rotation), the movement amount calculation unit 44 outputs only the movement amounts of the corresponding movement axes in four directions. You. It should be noted that, after calculating a global optimal solution by performing a six-dimensional optimization rather than a solution obtained by performing a four-dimensional optimization using the number of moving axes of the treatment table as a variable, a constraint on an immovable axis is obtained. It has been experimentally confirmed by the inventor of the present invention that the solution obtained by projecting the condition has the shortest distance from the optimal solution and the positioning error is small.

この実施形態では、上述したように6軸のずれ量を算出し、治療台の移動軸が4軸であれば、4軸分を天板移動機構32に送信する構成を採用しているが、この発明は、実施形態に限定されるものではない。例えば、6軸最適化演算にかえて、治療台の移動軸に対応する、例えば、4自由度や5自由度のパラメータを最適化する4軸、5軸最適化演算を実行し、各移動軸の移動量を天板移動機構32に送信するようにしてもよい。   In this embodiment, as described above, the shift amount of six axes is calculated, and if the moving axis of the treatment table is four axes, the configuration of transmitting the four axes to the top moving mechanism 32 is adopted. The present invention is not limited to the embodiment. For example, instead of the 6-axis optimization calculation, a 4-axis or 5-axis optimization operation corresponding to the movement axis of the treatment table, for example, optimizing parameters of 4 degrees of freedom or 5 degrees of freedom is executed, and each movement axis is calculated. May be transmitted to the table moving mechanism 32.

1 放射線治療装置
10 X線管制御部
11 X線管
15 表示部
16 入力部
17 ネットワーク
21 フラットパネルディテクタ
30 治療台
31 天板
32 天板移動機構
40 制御部
41 画像取得部
42 DRR画像作成部
43 位置合わせ部
44 移動量算出部
45 3軸最適化部
46 6軸最適化部
47 1次元最適化部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Radiotherapy apparatus 10 X-ray tube control part 11 X-ray tube 15 display part 16 input part 17 network 21 flat panel detector 30 treatment table 31 top plate 32 top plate moving mechanism 40 control part 41 image acquisition part 42 DRR image creation part 43 Positioning unit 44 Moving amount calculation unit 45 3-axis optimization unit 46 6-axis optimization unit 47 One-dimensional optimization unit

この発明は、患者に対して放射線治療を行うときに患者の位置決めを行う位置決め装置および位置決め方法に関する。   The present invention relates to a positioning device and a positioning method for positioning a patient when performing radiation therapy on the patient.

患者の患部に向けて、X線、電子線、粒子線等の放射線を照射する放射線治療においては、治療用放射線を患部に正確に照射する必要がある。このような放射線治療では、まず、X線CT(Computed Tomography)スキャンが行われ、治療計画が策定される。そして、放射線治療装置による治療を実行するときには、治療ビームの照射標的と照射中心を一致させるため、患者を診療台に横たわらせた状態で、位置決めが実行されている。   2. Description of the Related Art In radiotherapy for irradiating an affected part of a patient with radiation such as an X-ray, an electron beam, or a particle beam, it is necessary to accurately irradiate therapeutic radiation to the affected part. In such radiation treatment, first, an X-ray CT (Computed Tomography) scan is performed, and a treatment plan is formulated. When a treatment is performed by the radiation therapy apparatus, positioning is performed with the patient lying on the examination table in order to match the irradiation target of the treatment beam with the irradiation center.

患者の位置決めにX線透視画像やCTデータを用いる装置では、治療台に固定具で拘束された患者の患部およびその周辺の実透視画像であるDR(Digital Radiography)画像の取得と、治療計画策定時のX線CTスキャンにより得られた3次元画像データに対する仮想的透視投影であるDRR(Degital Reconstructed Radiography)画像の作成が実行される。そして、DR画像とDRR画像との類似性を評価すること(画像レジストレーション)により、患者の実際の放射線治療時の位置と治療計画時の位置とのずれ量を算出している(特許文献1および特許文献2参照)。   In an apparatus that uses an X-ray fluoroscopic image or CT data for positioning of a patient, a DR (Digital Radiography) image, which is an actual fluoroscopic image of an affected part of the patient and its surroundings, which is constrained to a treatment table by a fixture, is acquired, and a treatment plan is formulated. At this time, creation of a DRR (Digital Reconstructed Radiography) image, which is a virtual perspective projection, on the three-dimensional image data obtained by the X-ray CT scan at the time is executed. Then, by evaluating the similarity between the DR image and the DRR image (image registration), the shift amount between the actual position of the patient at the time of the radiation treatment and the position at the time of the treatment plan is calculated (Patent Document 1). And Patent Document 2).

なお、このようなDR画像とDRR画像を一致させる位置決めアルゴリズムに従った位置決めの前には、粗位置決めとも呼称される初期セットアップが実行されている。初期セットアップには、例えば、レーザ墨出し器を用いた操作者の手動による位置調整や、操作者が入力装置を操作してディスプレイに表示されたDR画像とDRR画像との重ね合わせることによる、大まかなずれ量調整がある。   Before the positioning according to the positioning algorithm for matching the DR image and the DRR image, an initial setup called coarse positioning is performed. The initial setup may be performed, for example, by adjusting the position of the operator manually using a laser marking device or by superimposing the DR image and the DRR image displayed on the display by operating the input device. There is a deviation amount adjustment.

特開2007−282877号公報JP 2007-282877 A 特開2009−201556号公報JP 2009-201556 A

DR画像とDRR画像の一致度が最大となるように、CTデータの回転・平行移動に関する透視投影パラメータを最適化する位置決めアルゴリズムでは、初期セットアップ後のDR画像とDRR画像のずれ量が、最適化の初期値となる。従来のパラメータの最適化では、画像の解像度を低解像度から高解像度に変えながら、3次元空間の直交する3軸の平行移動および各軸周り回転移動の6自由度の全てで同時に最適化演算が実行される。   In a positioning algorithm that optimizes perspective projection parameters related to rotation and translation of CT data so that the degree of coincidence between the DR image and the DRR image is maximized, the amount of deviation between the DR image and the DRR image after the initial setup is optimized. Is the initial value. In the conventional parameter optimization, while changing the resolution of an image from a low resolution to a high resolution, an optimization operation is performed simultaneously in all six degrees of freedom of parallel movement of three orthogonal axes in three-dimensional space and rotational movement around each axis. Be executed.

初期セットアップは、操作者の手動により行われるため、DR画像とDRR画像のずれの程度に個人差が生じる。パラメータの最適化を開始するときのDR画像とDRR画像の初期のずれ量が大きい場合(例えば、1cm以上)には、6自由度の全てで同時に最適化演算を実行すると、位置決めに失敗することがあった。この失敗の原因としては、平行移動の最適化が完了する前に回転で無理に合わせようとしたことによる、最適化演算の進行の停滞が考えられる。そして、位置決めに失敗したときは、再度、初期セットアップからやり直す必要があり、患者が治療台に横たわってから治療ビームを照射できるまでの間の時間が長くなっていた。   Since the initial setup is performed manually by the operator, there is an individual difference in the degree of deviation between the DR image and the DRR image. If the initial deviation amount between the DR image and the DRR image at the time of starting parameter optimization is large (for example, 1 cm or more), positioning may fail if optimization operations are performed simultaneously in all six degrees of freedom. was there. The cause of the failure may be a stagnation of the progress of the optimization calculation due to an attempt to forcibly adjust by rotation before the optimization of the parallel movement is completed. When the positioning fails, it is necessary to start over from the initial setup again, and the time from when the patient lays on the treatment table to when the patient can irradiate the treatment beam is long.

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、治療時の位置決めを容易に行うことができる位置決め装置および位置決め方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and has as its object to provide a positioning device and a positioning method that can easily perform positioning during treatment.

第1の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる2方向の2次元放射線画像を取得する画像取得部と、空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたCTデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる2方向のDRR画像を作成するDRR画像作成部と、前記放射線画像と前記DRR画像の位置合わせを実行する位置合わせ部と、前記位置合わせ部により算出された前記放射線画像と前記DRR画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出部と、を備え、前記位置合わせ部は、空間座標系における平行移動および回転の6自由度のパラメータのうち、平行移動の3自由度のパラメータの最適化演算を同時に実行することにより、前記放射線画像と前記DRR画像の平行方向のずれ量を求める3軸最適化部と、前記3軸最適化部における最適化演算の結果を反映した後に、6自由度のパラメータ、または、前記治療台の移動軸に対応する4自由度または5自由度のパラメータの最適化演算を同時に実行することにより、前記放射線画像と前記DRR画像の平行方向および回転方向のずれ量を求める多軸最適化部と、を備えること、を特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a positioning device for positioning a subject when performing radiation therapy for irradiating a treatment beam toward an affected part of the subject on a treatment table, wherein the radiation irradiating unit and a radiation detector are arranged. An image acquisition unit that acquires two-dimensional radiation images of the subject in two different directions from an imaging system having the imaging system, and reproduces the geometrical arrangement of the imaging system in space and virtually converts the CT data collected by computer tomography into virtual data. A DRR image creating unit that creates DRR images of the subject in two different directions by performing perspective projection, a positioning unit that performs alignment of the radiation image and the DRR image, and the positioning unit And a movement amount calculation unit that outputs a movement amount of the treatment table from a shift amount between the radiation image and the DRR image calculated by: Of six degrees of freedom of the parameters of translation and rotation kicking, by performing the optimization operation in three degrees of freedom parameters for parallel movement simultaneously, three axes to determine the direction parallel displacement amount of the radiation image and the DRR image After reflecting the result of the optimization operation in the optimization unit and the three-axis optimization unit, optimization of the parameter of six degrees of freedom or the parameter of four or five degrees of freedom corresponding to the movement axis of the treatment table is performed. And a multi-axis optimizing unit that calculates shift amounts in the parallel direction and the rotation direction between the radiation image and the DRR image by simultaneously executing a conversion operation.

第2の発明では、前記3軸最適化部における最適化演算は、粗位置決めである初期セットアップのあとに実行される。In the second invention, the optimization calculation in the three-axis optimization unit is performed after the initial setup, which is coarse positioning.

第3の発明では、前記3軸最適化部は、前記放射線画像と前記DRR画像との一致度を評価する3次元の評価関数とし、3軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで反復計算を実行する。In the third aspect, the three-axis optimizing unit sets a three-dimensional evaluation function for evaluating a degree of coincidence between the radiation image and the DRR image until the deviation amount for three axes converges to a target value. Perform an iterative calculation.

第4の発明では、前記3軸最適化部は、下記式(1)に基づいて3軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで反復計算を実行する。In a fourth aspect, the three-axis optimizing unit performs iterative calculation based on the following equation (1) until the deviation amount for three axes converges to a target value.

Figure 2018225234
Figure 2018225234

の発明では、前記位置合わせ部は、前記放射線画像と前記DRR画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら、位置合わせを実行し、前記3軸最適化部は、最も低い解像度で前記平行移動の3自由度のパラメータの最適化演算を実行する。 In a fifth aspect, the positioning unit executes the positioning while changing the resolution of the radiation image and the DRR image stepwise from a low resolution to a high resolution, and the three-axis optimization unit performs The optimization operation of the three-degree-of-freedom parameter of the translation is performed at the resolution.

の発明では、前記移動量算出部は、前記多軸最適化部において6自由度のパラメータの最適化演算を実行したときには、前記放射線画像と前記DRR画像との間の平行方向および回転方向のずれ量から6方向の移動量を算出し、前記6方向の移動量のうち、前記治療台の移動軸に対応する移動量を出力する。 In the sixth aspect, when the multi-axis optimizing unit executes an optimization calculation of a parameter having six degrees of freedom, the movement amount calculating unit sets a parallel direction and a rotational direction between the radiation image and the DRR image. The amount of movement in six directions is calculated from the amount of displacement of the table, and among the amounts of movement in the six directions, the amount of movement corresponding to the movement axis of the treatment table is output.

の発明では、前記位置合わせ部は、前記多軸最適化部による最適化演算の結果、ずれ量が目標とする値に収束したか否かを判定し、収束しなかったと判断した場合に、前記撮像系の撮影方向に沿った1次元平行移動に関するパラメータの最適化演算を実行する1次元最適化部を備える。 In the seventh invention, the positioning unit determines whether or not the deviation amount has converged to a target value as a result of the optimization calculation by the multi-axis optimizing unit. And a one-dimensional optimizing unit that executes a parameter optimizing operation for one-dimensional parallel movement of the image pickup system along a shooting direction.

第8の発明では、前記多軸最適化部による最適化演算の結果、ずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、前記異なる2方向の評価関数の和と収束判定値との対比により行われる。In the eighth invention, as a result of the optimization operation by the multi-axis optimizing unit, it is determined whether or not the deviation amount has converged to a target value. It is performed by comparison.

第9の発明では、前記多軸最適化部による最適化演算の結果、ずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、前記異なる2方向の評価関数のうち値が大きい方と収束判定値との対比により行われる。In the ninth aspect, as a result of the optimization operation performed by the multi-axis optimization unit, it is determined whether or not the deviation amount has converged to a target value. This is performed by comparison with the convergence determination value.

第10の発明では、前記3軸最適化部、前記多軸最適化部、および、前記1次元最適化部による各評価関数はそれぞれ異なる評価関数が用いられている。In the tenth aspect, different evaluation functions are used for the evaluation functions of the three-axis optimization unit, the multi-axis optimization unit, and the one-dimensional optimization unit.

第11の発明では、前記位置合わせ部は、前記1次元最適化部による演算が所定時間または所定回数に達しても収束判定値に到達しない場合に、最適化演算を打ち切る、In the eleventh aspect, the positioning unit terminates the optimization calculation when the calculation by the one-dimensional optimization unit does not reach the convergence determination value even if the calculation has reached a predetermined time or a predetermined number of times.

12の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め方法であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる2方向の2次元放射線画像を取得する画像取得工程と、空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたCTデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる2方向のDRR画像を作成するDRR画像作成工程と、前記放射線画像と前記DRR画像の位置合わせを実行する位置合わせ工程と、前記位置合わせ工程により算出された前記放射線画像と前記DRR画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出工程と、を備え、前記位置合わせ工程は、空間座標系における平行移動および回転の6自由度のパラメータのうち、平行移動の3自由度のパラメータを最適化する最適化演算を同時に実行する3軸最適化工程と、前記3軸最適化工程における最適化演算の結果を反映した後に、6自由度のパラメータまたは、前記治療台の移動軸に対応する4自由度または5自由度のパラメータの最適化演算を同時に実行する多軸最適化工程と、を備えること、を特徴とする。 In a twelfth aspect, the present invention provides a positioning method for positioning a subject when performing radiation therapy for irradiating a treatment beam toward an affected part of the subject on a treatment table, comprising: An image acquisition step of acquiring two-dimensional radiation images of the subject in two different directions from an imaging system having the imaging system, and reproducing the geometrical arrangement of the imaging system in space, and virtualizing CT data collected in advance by computer tomography. A DRR image creating step of creating DRR images of the subject in two different directions by performing perspective projection, a positioning step of executing the alignment of the radiation image and the DRR image, and the positioning step A moving amount calculating step of outputting a moving amount of the treatment table from a shift amount between the radiation image and the DRR image calculated by Of six degrees of freedom of the parameters of translation and rotation in the space coordinate system, and the three-axis optimization step of performing an optimization calculation to optimize the parameters of three degrees of freedom of translation at the same time, in the 3-axis optimization process A multi-axis optimization step of simultaneously executing the optimization calculation of the parameter of 6 degrees of freedom or the parameter of 4 or 5 degrees of freedom corresponding to the moving axis of the treatment table after reflecting the result of the optimization calculation; Is provided.

第1から第12の発明によれば、平行移動の3自由度についてパラメータの最適化を行った後に、平行移動に回転を含めた自由度についてパラメータの最適化を行うことから、撮像系から取得した放射線画像とCTデータに仮想的透視投影を行って作成したDRR画像との初期位置のずれ量が大きい場合でも、パラメータの最適化演算で局所解に陥ることを防ぐことができる。このように、放射線画像とDRR画像との初期位置のずれ量の許容範囲が大きくなったことから、最適化演算の進行が停滞することなく、従来のように初期セットアップからやり直すケースを減少させることができる。したがって、放射線治療装置での治療時のワークフローを短縮することが可能となる。 According to the first to twelfth aspects, after optimizing the parameters for the three degrees of freedom of the translation, the parameters are optimized for the degrees of freedom including the rotation in the translation, so that the parameters are obtained from the imaging system. Even when the deviation amount of the initial position between the obtained radiation image and the DRR image created by performing virtual perspective projection on the CT data is large, it is possible to prevent a local solution from being obtained by the parameter optimization calculation. As described above, since the allowable range of the shift amount of the initial position between the radiographic image and the DRR image is increased, the case of re-starting from the initial setup as in the related art can be reduced without stalling the progress of the optimization calculation. Can be. Therefore, it is possible to shorten the workflow at the time of treatment with the radiation therapy apparatus.

の発明によれば、放射線画像とDRR画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に上げて位置決めを行うときに、平行移動の3自由度のパラメータの最適化を、最適化の初期の最も低い解像度で行うことにより、最適化の計算コストを低減することが可能となる。 According to the fifth aspect , when positioning is performed by gradually increasing the resolution of the radiographic image and the DRR image from a low resolution to a high resolution, optimization of the three-degree-of-freedom parameter of the parallel movement is performed in the initial stage of the optimization. , The calculation cost of the optimization can be reduced.

の発明によれば、6自由度のパラメータの最適化により得られた放射線画像とDRR画像のずれ量から6方向の移動量を算出した後、治療台の移動軸に対応する必要な移動量のみを治療台側に出力することから、治療台の移動軸の自由度ごとに位置決めアルゴリズムを用意しなくてもよく、容易に位置決めを行うことができるともに、治療台の移動軸の自由度のパラメータの最適化を行う場合よりも、位置決め誤差を小さくすることが可能となる。 According to the sixth invention, 6 after calculating the amount of movement in six directions from the shift amount of freedom of parameters optimized by radiographic images obtained and DRR image, necessary correspond to the couch movement axis moving Since only the amount is output to the treatment table, there is no need to prepare a positioning algorithm for each degree of freedom of the movement axis of the treatment table. It is possible to reduce the positioning error as compared with the case where the parameters are optimized.

7から第11の発明によれば、撮影系の撮影方向に沿った1次元最適化を行うことから、患者に対して傾斜角を持った2方向から撮影を行う撮影系のように、SID(Sourse Image Distance)が長くなる場合でも、最適化演算の進行が停滞することを防ぐことができる。また、最適化経路を最短とし、位置決め時間を短縮することが可能となる。 According to the seventh to eleventh aspects, since the one-dimensional optimization is performed along the imaging direction of the imaging system, the SID can be changed like the imaging system that performs imaging from two directions with a tilt angle to the patient. Even when (Source Image Distance) is long, it is possible to prevent the progress of the optimization calculation from being stagnated. In addition, it is possible to minimize the optimization route and shorten the positioning time.

この発明に係る位置決め装置を適用する放射線治療装置の概要図である。It is a schematic diagram of a radiotherapy device to which the positioning device according to the present invention is applied. この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of a control system including the positioning device according to the present invention. 被検体の位置決め手順を示すフローチャートである。9 is a flowchart illustrating a procedure for positioning a subject. パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。9 is a flowchart illustrating a procedure for parameter optimization. この発明の1次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造と画像の類似度の最適化の過程を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the process of optimization of the valley structure of an evaluation function and the similarity of an image when the one-dimensional optimization operation of this invention is performed.

以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、この発明に係る位置決め装置を適用した放射線治療装置1の概要図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a radiotherapy device 1 to which a positioning device according to the present invention is applied.

この発明の位置決め装置は、X線撮像系を備え、放射線治療装置1とともに使用される。放射線治療装置1は、治療台30の天板31上の患者(被検体)に対して放射線治療を行うものであり、治療ビームを出射するヘッド55と、治療室の床面に設置された基台52に回転可能に支持されたガントリー53を備える。放射線治療装置1は、ガントリー53が回転することで、治療ビームの照射方向を変更することができる。   The positioning device of the present invention includes an X-ray imaging system, and is used together with the radiotherapy device 1. The radiotherapy apparatus 1 is for performing radiotherapy on a patient (subject) on a top plate 31 of a treatment table 30, and includes a head 55 for emitting a treatment beam and a base 55 installed on the floor of a treatment room. A gantry 53 rotatably supported by the table 52 is provided. The radiation treatment apparatus 1 can change the irradiation direction of the treatment beam by rotating the gantry 53.

X線撮像系は、治療台30の天板31上に仰臥した患者の患部の位置を特定するためにX線透視を行うためのものであり、放射線照射部としてのX線管11a〜11dと、被検体および天板31を透過したX線を検出する放射線検出器であるフラットパネルディテクタ21a〜21dとを備える。X線管11a〜11dおよびフラットパネルディテクタ21a〜21dとは、被検体に対して斜め方向からのX線透視を行う位置に配置される。なお、図1においては図示していないが、X線管11a〜11dは床面に形成された凹部に配置され、凹部は床の一部を構成する蓋部材により覆われている。また、放射線検出器としてはイメージインテンシファイア(I.I)を使用してもよい。   The X-ray imaging system is for performing X-ray fluoroscopy in order to specify the position of the affected part of the patient who is lying on the top plate 31 of the treatment table 30, and includes X-ray tubes 11a to 11d as radiation irradiation units. And flat panel detectors 21a to 21d, which are radiation detectors for detecting X-rays transmitted through the subject and the top plate 31. The X-ray tubes 11a to 11d and the flat panel detectors 21a to 21d are arranged at positions for performing X-ray fluoroscopy on the subject from an oblique direction. Although not shown in FIG. 1, the X-ray tubes 11a to 11d are arranged in concave portions formed on the floor surface, and the concave portions are covered by a lid member forming a part of the floor. Further, an image intensifier (II) may be used as the radiation detector.

X線管11aから照射されたX線は、フラットパネルディテクタ21aにより検出され、X線管11aとフラットパネルディテクタ21aとは、第1撮像系を構成する。X線管11bから照射されたX線は、フラットパネルディテクタ21bにより検出され、X線管11bとフラットパネルディテクタ21bとは、第2撮像系を構成する。X線管11cから照射されたX線は、フラットパネルディテクタ21cにより検出され、X線管11cとフラットパネルディテクタ21cとは、第3撮像系を構成する。X線管11dから照射されたX線は、フラットパネルディテクタ21dにより検出され、X線管11dとフラットパネルディテクタ21dとは、第4撮像系を構成する。被検体の位置決めを行う際には、ガントリー53が撮影視野に重ならないように第1〜第4撮像系のうち、2つの撮像系が選択され、被検体に対して異なる2方向からのX線透視が行われる。   X-rays emitted from the X-ray tube 11a are detected by the flat panel detector 21a, and the X-ray tube 11a and the flat panel detector 21a constitute a first imaging system. X-rays emitted from the X-ray tube 11b are detected by the flat panel detector 21b, and the X-ray tube 11b and the flat panel detector 21b constitute a second imaging system. X-rays emitted from the X-ray tube 11c are detected by the flat panel detector 21c, and the X-ray tube 11c and the flat panel detector 21c constitute a third imaging system. X-rays emitted from the X-ray tube 11d are detected by the flat panel detector 21d, and the X-ray tube 11d and the flat panel detector 21d constitute a fourth imaging system. When positioning the subject, two of the first to fourth imaging systems are selected so that the gantry 53 does not overlap the field of view, and X-rays from two different directions with respect to the subject are obtained. A fluoroscopy is performed.

図2は、この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。   FIG. 2 is a block diagram of a control system including the positioning device according to the present invention.

この位置決め装置は、論理演算実行するCPU(Central Processing Unit)、各種画像処理を実行するGPU(Graphics Processing Unit)、装置の制御に必要なプログラムが格納されたROM、制御時にデータ等が一時的にストアされるRAM等のメモリを備えるコンピュータによって実現される制御部40を備える。   This positioning device includes a CPU (Central Processing Unit) for executing a logical operation, a GPU (Graphics Processing Unit) for executing various image processing, a ROM in which a program necessary for controlling the device is stored, and data and the like during control are temporarily stored. The control unit 40 is implemented by a computer having a memory such as a RAM to be stored.

制御部40は、X線管11a〜11dからのX線の照射を制御するX線管制御部10と、フラットパネルディテクタ21a〜21dの各々と接続されている。X線管制御部10は、X線管11a〜11dに接続され、X線透視時には、X線管11a〜11dのうち選択されている撮像系の2個にX線を照射するために必要な管電圧・管電流を供給する。また、制御部40は、ネットワーク17、表示部15、入力部16、放射線治療装置1および治療台30とも接続されている。なお、治療台30の天板31は、天板移動機構32により水平移動および回転の6軸の移動が可能となっている。   The control unit 40 is connected to the X-ray tube control unit 10 that controls the irradiation of X-rays from the X-ray tubes 11a to 11d, and the flat panel detectors 21a to 21d. The X-ray tube control unit 10 is connected to the X-ray tubes 11a to 11d, and is necessary for irradiating X-rays to two imaging systems selected from the X-ray tubes 11a to 11d during X-ray fluoroscopy. Supply tube voltage and tube current. The control unit 40 is also connected to the network 17, the display unit 15, the input unit 16, the radiotherapy device 1, and the treatment table 30. The top board 31 of the treatment table 30 can be moved in six axes of horizontal movement and rotation by a top board moving mechanism 32.

制御部40は、機能的構成として、フラットパネルディテクタ21a〜21dのうち、選択された撮像系の2個で検出された2次元放射線画像(DR画像)の情報を取得する画像取得部41と、ネットワーク17を介して、事前のコンピュータ断層撮影(X線CT撮影)により収集した3次元CTデータに対して仮想的に透視投影を行うことにより異なる2方向のDRR画像を作成するDRR画像作成部42と、2つの撮像系で透視を実行して得たDR画像をDRR画像に合わせる位置合わせ部43と、画像間のずれ量から天板31の移動量を算出する移動量算出部44と、を備える。これらの機能的構成は、プログラムとしてメモリに格納され、CPUの作用により実行される。   The control unit 40 has, as a functional configuration, an image acquisition unit 41 that acquires information on a two-dimensional radiation image (DR image) detected by two of the selected imaging systems among the flat panel detectors 21a to 21d, A DRR image creation unit 42 for creating DRR images in two different directions by virtually performing perspective projection on three-dimensional CT data collected by prior computer tomography (X-ray CT imaging) via the network 17. A positioning unit 43 that matches the DR image obtained by performing fluoroscopy with the two imaging systems with the DRR image, and a movement amount calculation unit 44 that calculates the amount of movement of the top board 31 from the amount of displacement between the images. Prepare. These functional configurations are stored in a memory as a program and executed by the action of the CPU.

位置合わせ部43は、DR画像とDRR画像のずれ量が最小となる並進・回転の最適解を求めるための位置決めアルゴリズムを用いて、透視投影の回転および平行移動に関する各パラメータの最適化演算を実行する機能を有する。そして、最適化演算は、放射線治療装置1の照射野に位置するターゲットアイソセンターを中心として、実行される。位置合わせ部43は、パラメータの最適化を実現する構成要素として、3軸最適化部45、6軸最適化部46、および、1次元最適化部47を備える。3軸最適化部45、6軸最適化部46、および、1次元最適化部47の機能は、プログラムとしてメモリに格納され、CPUの作用により実行される。   The positioning unit 43 executes an optimization calculation of each parameter related to rotation and parallel movement of the perspective projection using a positioning algorithm for obtaining an optimal translation / rotation solution that minimizes the amount of deviation between the DR image and the DRR image. It has a function to do. Then, the optimization calculation is executed centering on the target isocenter located in the irradiation field of the radiation therapy apparatus 1. The positioning unit 43 includes a three-axis optimizing unit 45, a six-axis optimizing unit 46, and a one-dimensional optimizing unit 47 as components for realizing parameter optimization. The functions of the three-axis optimizing unit 45, the six-axis optimizing unit 46, and the one-dimensional optimizing unit 47 are stored in a memory as a program and executed by the operation of the CPU.

次に、上述した構成の位置決め装置における位置決め方法について説明する。図3は、被検体の位置決め手順を示すフローチャートである。   Next, a positioning method in the positioning device having the above-described configuration will be described. FIG. 3 is a flowchart showing a procedure for positioning the subject.

治療台30の天板31上の被検体に対し、第1〜第4撮像系から選択された2つの撮像系によるX線透視を実行し、フラットパネルディテクタ21a〜21dのうちの2つから画像情報を取得し、異なる2方向からのDR画像を得る(ステップS1:画像取得工程)。   An X-ray fluoroscopy is performed on the subject on the top board 31 of the treatment table 30 by two imaging systems selected from the first to fourth imaging systems, and images are obtained from two of the flat panel detectors 21a to 21d. Information is obtained, and DR images from two different directions are obtained (step S1: image obtaining step).

コンピュータ上の仮想空間に撮像系のジオメトリ(幾何学的配置)を再現し、予め取得した3次元CTデータに対して仮想的透視投影が実行される。CTデータは、治療計画策定時にX線CT装置により取得し、図示を省略した患者DBに格納しておく。制御部40は、ネットワーク17を介して治療計画およびCTデータを取得する。しかる後、DRR画像作成部42の作用により、3次元CTデータへの仮想的透視投影により被検体の異なる2方向の2次元DRR画像が作成される(ステップS2:DRR画像作成工程)。   The geometry (geometric arrangement) of the imaging system is reproduced in a virtual space on a computer, and virtual perspective projection is performed on the previously acquired three-dimensional CT data. The CT data is acquired by an X-ray CT apparatus when formulating a treatment plan, and stored in a patient DB (not shown). The control unit 40 acquires a treatment plan and CT data via the network 17. Thereafter, by the operation of the DRR image creation unit 42, two-dimensional DRR images of the subject in two different directions are created by virtual perspective projection onto the three-dimensional CT data (step S2: DRR image creation step).

X線透視撮影のジオメトリには、選択された2つの撮像系におけるX線管11a〜11dのいずれか2個、フラットパネルディテクタ21a〜21dのいずれか2個の位置および天板31の位置・姿勢が含まれる。これらの要素の機械的設置精度は、最終的な位置決め精度に影響を与えるため、定期的に設置位置の校正を行い、X線透視撮影のジオメトリに校正結果を反映している。 The geometry of the X-ray fluoroscopy includes the positions of any two of the X-ray tubes 11a to 11d, the positions of any two of the flat panel detectors 21a to 21d, and the position and orientation of the top plate 31 in the two selected imaging systems. Is included. Since the mechanical installation accuracy of these elements affects the final positioning accuracy, the installation position is periodically calibrated , and the calibration result is reflected on the geometry of X-ray fluoroscopy.

DRR画像作成時には、選択された撮像系におけるX線管11a〜11dのいずれかの焦点からフラットパネルディテクタ21a〜21dのいずれかへの投影線に沿って、CT画像データのボクセル値が積算(線積分)される。   When the DRR image is created, the voxel values of the CT image data are integrated along the projection line from any one of the X-ray tubes 11a to 11d in the selected imaging system to any of the flat panel detectors 21a to 21d. Integration).

DR画像とDRR画像が一致するように、透視投影の平行移動および回転に関するパラメータの最適化が行われ、位置合わせが実行される(ステップS3:位置合わせ工程)。ここで、2つの画像の一致度を評価する評価関数としては、正規化相互情報量(NMI:Nomalized Mutual Information)、勾配差(GD:Gradient Difference)、ゼロ平均正規化相互相関(ZNCC:Nero−means Normalized Cross−Correlation)など、従来からマルチモダリティの画像位置合わせに用いられている評価関数を採用することができる。なお、NMI、GD、ZNCCを組み合わせて使用することで、DR画像とDRR画像の一致度の評価精度を向上させることもできる。   The parameters related to the parallel movement and rotation of the perspective projection are optimized so that the DR image and the DRR image match, and alignment is performed (step S3: alignment step). Here, as an evaluation function for evaluating the degree of coincidence between two images, a normalized mutual information (NMI), a gradient difference (GD: Gradient Difference), and a zero-average normalized cross-correlation (ZNCC: Nero- An evaluation function such as mean normalized cross-correlation that has been conventionally used for multi-modality image registration can be employed. In addition, by using NMI, GD, and ZNCC in combination, it is also possible to improve the evaluation accuracy of the degree of coincidence between the DR image and the DRR image.

評価関数の計算は、画像中の被検体が写っている領域のみで行うことが好ましい。また、被検体内で動きのある臓器や関節など、CTデータと再現性のない変形を伴う部位は、この評価関数の計算の対象外とすることが望ましい。   It is preferable that the calculation of the evaluation function is performed only in the region where the subject is present in the image. In addition, it is desirable that a part having a deformation that is not reproducible with CT data, such as a moving organ or a joint in the subject, is excluded from the calculation of the evaluation function.

位置合わせ部43の作用による位置合わせの結果得られたDR画像とDRR画像との位置ずれ量は、制御部40を構成するCPUの作用により移動量算出部44の機能が実行されることで、天板移動量に換算される(ステップS4:移動量算出工程)。そして、この移動量が、移動量算出部44から治療台30の天板移動機構32に送信される。しかる後、天板移動機構32の動作により天板31が移動する(ステップS5:天板移動工程)。このように、DR画像とCTデータから作成したDRR画像との位置ずれ量だけ被検体が転置するように天板31を移動させることで、被検体は、放射線治療装置1から照射される治療ビームに対して治療計画通りの位置・角度に位置決めされる。なお、天板31を転置して被検体の位置決めを行った後には、再度X線透視を行って、そのときのDR画像とDRR画像とを表示部15に表示させ、それらの画像が一致しているか否かがユーザによる目視確認により行われる。そして、放射線治療装置1のヘッド55から治療ビームが被検体の患部に向けて照射される。   The amount of misalignment between the DR image and the DRR image obtained as a result of the alignment by the operation of the alignment unit 43 is determined by executing the function of the movement amount calculation unit 44 by the operation of the CPU configuring the control unit 40. It is converted into a top plate movement amount (step S4: movement amount calculation step). Then, this movement amount is transmitted from the movement amount calculation unit 44 to the top moving mechanism 32 of the treatment table 30. Thereafter, the top 31 is moved by the operation of the top moving mechanism 32 (step S5: top moving step). As described above, by moving the top 31 so that the subject is displaced by the positional shift amount between the DR image and the DRR image created from the CT data, the subject can be treated by the treatment beam emitted from the radiation therapy apparatus 1. Is positioned at the position and angle as in the treatment plan. After transposition of the top plate 31 and positioning of the subject, X-ray fluoroscopy is performed again, and the DR image and the DRR image at that time are displayed on the display unit 15 so that the images match. It is determined by the user whether or not there is a visual check. Then, a treatment beam is emitted from the head 55 of the radiation therapy apparatus 1 toward the affected part of the subject.

位置合わせ部43の構成要素である、3軸最適化部45、6軸最適化部46、および、1次元最適化部47の機能について、さらに詳細に説明する。図4は、パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。   The functions of the three-axis optimizing unit 45, the six-axis optimizing unit 46, and the one-dimensional optimizing unit 47, which are components of the positioning unit 43, will be described in more detail. FIG. 4 is a flowchart showing a procedure of parameter optimization.

この実施形態では、最適化演算の手法として、BFGS公式による準ニュートン法を用いる。準ニュートン法は、k次元の関数f(x)の極小値、極大値を求めることができる方法である。最適化演算では、DRR画像とDR画像の一致を評価する評価関数をf(x)としたとき、治療室空間の点の初期値x0からi+1番目でのxi+1が十分小さくなるまで、下記式(1)により反復計算する。   In this embodiment, the quasi-Newton method based on the BFGS formula is used as a method of the optimization calculation. The quasi-Newton method is a method that can obtain the minimum value and the maximum value of a k-dimensional function f (x). In the optimization operation, assuming that an evaluation function for evaluating the coincidence between the DRR image and the DR image is f (x), the following equation (from the initial value x0 of the point in the treatment room space to xi + 1 at the (i + 1) th point) becomes sufficiently small. Calculate iteratively according to 1).

Figure 2018225234
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ここで、Hはヘッセ行列の逆行列の近似である。また、Hの近似式はいくつか提案されているが、以下の式(2)(3)で与えられるBFGS公式が最も計算効率が良い。   Here, H is an approximation of the inverse matrix of the Hessian matrix. Although several approximate expressions for H have been proposed, the BFGS formula given by the following expressions (2) and (3) has the highest calculation efficiency.

Figure 2018225234
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Figure 2018225234
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画像レジストレーションを行うに際し、治療室の空間座標系のX軸、Y軸、Z軸の各軸の平行移動の3自由度と、回転の3自由度の計6自由度について、パラメータの最適化を行う。この発明においては、平行方向の3軸と回転方向の3軸の計6軸の最適化を同時に行う前に、まず、平行方向の3軸(3自由度)について、最適化を実行する(ステップS31:3軸最適化工程)。この3軸最適化工程では、評価関数f(x)を3次元の関数として、3次元位置xを上記式(1)に従って更新する。平行方向の3軸についてのずれ量が目標とする値に収束するまで、反復計算が実行される。なお、3軸最適化は、CPUが3軸最適化部45から読み込んだプログラムを実行することにより実現される。   When performing image registration, parameters are optimized for a total of six degrees of freedom, ie, three degrees of freedom of translation and three degrees of rotation of each of the X, Y, and Z axes of the treatment room spatial coordinate system. I do. In the present invention, before simultaneously optimizing a total of six axes, ie, three axes in the parallel direction and three axes in the rotation direction, first, optimization is performed on three axes in the parallel direction (three degrees of freedom) (step S1). S31: Triaxial optimization step). In the three-axis optimization step, the three-dimensional position x is updated according to the above equation (1), using the evaluation function f (x) as a three-dimensional function. The iterative calculation is performed until the deviation amounts for the three parallel axes converge to the target value. Note that the three-axis optimization is realized by the CPU executing a program read from the three-axis optimization unit 45.

平行方向の3軸についての最適化が終了すれば、回転方向を含めた6軸についての最適化が実行される(ステップS32:6軸最適化工程)。6軸最適化工程では、評価関数f(x)が、平行移動および回転の6自由度に関する6つの独立変数に依存する6次関数であるとして、6次元位置xを上記式(1)に従って更新する。6次元位置xの初期値x0は、先の3軸最適化工程で平行移動の3軸のパラメータが最適化された後の位置になる。そして、予め設定した時間内または予め設定した回数の計算を繰り返す間に、平行移動の3軸および回転の3軸の計6軸についてのずれ量が収束すれば(ステップS33)、最適化演算は終了する。一方で、6軸のずれ量が収束しなければ、1次元最適化を行う(ステップS34:1次元最適化工程)。なお、6軸最適化は、CPUが6軸最適化部46から読み込んだプログラムを実行することにより実現される。また、6軸最適化部46および6軸最適化工程は、この発明の多軸最適化部および多軸最適化工程に相当する。この発明において、多軸とは、平行移動の3軸に回転の軸が加わった4〜6自由度の移動軸を意味する。   When the optimization for the three axes in the parallel direction is completed, the optimization for the six axes including the rotation direction is executed (step S32: a six-axis optimization process). In the six-axis optimization process, the six-dimensional position x is updated according to the above equation (1), assuming that the evaluation function f (x) is a sixth-order function that depends on six independent variables relating to six degrees of freedom of translation and rotation. I do. The initial value x0 of the six-dimensional position x is a position after the three-axis parameters of the parallel movement are optimized in the previous three-axis optimization step. Then, if the deviation amounts for a total of six axes of three axes of translation and three axes of rotation converge within a predetermined time or while repeating the calculation of a predetermined number of times (step S33), the optimization calculation is performed. finish. On the other hand, if the shift amounts of the six axes do not converge, one-dimensional optimization is performed (step S34: one-dimensional optimization step). The six-axis optimization is realized by the CPU executing a program read from the six-axis optimization unit 46. The six-axis optimizing unit 46 and the six-axis optimizing step correspond to the multi-axis optimizing unit and the multi-axis optimizing step of the present invention. In the present invention, the multi-axis means a movement axis having 4 to 6 degrees of freedom in which a rotation axis is added to three translation axes.

ここで、X線透視は、選択された2つの撮像系により異なる2方向から行われており、6軸最適化後のDRR画像とDR画像との一致を評価する評価関数の値も、異なる2方向について得られる。ステップS33での2つの画像のずれ量が目標とする値に収束したか否かの判定は、評価関数の値が収束判定値に到達したかどうかで判定される。そして、異なる2方向の評価関数の値をF1、F2としたとき、異なる2方向の評価関数の和F1+F2を収束判定値と対比する評価関数の値としている。なお、異なる2方向のいずれか一方が、位置決めにおいてより重要な場合には、単純なF1、F2の和ではなく、いずれか一方に重み付けをして和をとるようにしてもよい。また、3軸最適化の後にも6軸最適化のステップに進むか否かの判定が行われるが、平行移動の3軸を合わせた後に6軸最適化を行うため、3軸最適化後では、6軸最適化後の収束判定(ステップS33)ほど収束判定値を厳しく設定して最適化の収束判定を行なわなくてもよく、予め設定した回数の計算が終了すれば、次の6軸最適化のステップに進むようにしてもよい。   Here, the X-ray fluoroscopy is performed from two different directions by the two selected imaging systems, and the values of the evaluation functions for evaluating the coincidence between the DRR image after the 6-axis optimization and the DR image are different. Obtained about the direction. The determination as to whether or not the shift amount between the two images has converged to the target value in step S33 is made based on whether or not the value of the evaluation function has reached the convergence determination value. When the values of the evaluation functions in two different directions are F1 and F2, the sum F1 + F2 of the evaluation functions in the two different directions is set as the value of the evaluation function to be compared with the convergence determination value. When one of the two different directions is more important in positioning, the sum may be obtained by weighting one of the two, instead of the simple sum of F1 and F2. After the three-axis optimization, it is determined whether or not to proceed to the six-axis optimization step. However, since the six-axis optimization is performed after adjusting the three axes of the parallel movement, the three-axis optimization is performed. It is not necessary to set the convergence determination value more strictly as the convergence determination after the six-axis optimization (step S33), and to perform the convergence determination of the optimization. You may make it advance to the step of conversion.

6軸最適化の計算終了後のステップS33での判定が「No」であった場合には、1次元最適化を実行する(ステップS34)。この1次元最適化工程では、選択された2つの撮像系における撮影方向に沿った1次元平行移動に関するパラメータが最適化される。1次元最適化工程における評価関数は、撮影方向に沿った1次元平行移動に関する1つの変数に依存する1次関数である。ここでの最適化では、Brent法や黄金分割法などを用いることができる。   If the determination in step S33 after the calculation of the six-axis optimization is “No”, one-dimensional optimization is performed (step S34). In the one-dimensional optimization step, parameters relating to one-dimensional parallel movement along the imaging direction in the two selected imaging systems are optimized. The evaluation function in the one-dimensional optimization process is a linear function that depends on one variable related to one-dimensional translation along the imaging direction. In this optimization, the Brent method, the golden section method, or the like can be used.

図5は、この発明の1次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造とパラメータの最適化の過程を模式的に示す説明図である。   FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the process of optimizing the valley structure and parameters of the evaluation function when the one-dimensional optimization operation of the present invention is executed.

1次元最適化部47において、撮影方向に沿った1次元平行移動に関するパラメータを最適化したことで、最適化の経路は、谷構造に沿って進行する。このため、最適化の序盤だけではなく、最適化の終盤まで撮影方向を考慮した最適化が可能となり、図1に示すような、被検体に対して傾斜角を持った異なる2方向からX線透視を行った場合にSIDが長くなることによる最適化演算の進行の停滞問題を解決している。これにより、最短経路で効率よく最適化演算が行われ、全体の計算時間を従来よりも短くすることができ、かつ、位置決め精度も向上させることが可能となる。   The one-dimensional optimization unit 47 optimizes parameters related to one-dimensional parallel movement along the imaging direction, so that the optimization path proceeds along the valley structure. Therefore, it is possible to perform optimization in consideration of the imaging direction not only at the beginning of optimization but also at the end of optimization, and X-rays can be obtained from two different directions having an inclination angle with respect to the subject as shown in FIG. This solves the problem of the stagnation of the progress of the optimization calculation due to the longer SID when fluoroscopy is performed. As a result, the optimization operation is efficiently performed on the shortest path, the total calculation time can be shortened as compared with the related art, and the positioning accuracy can be improved.

ステップS35で収束判定に用いられる最終的な評価関数値は、3軸最適化および6軸最適化の場合と同様に、異なる2方向の評価関数値をそれぞれF1、F2としたとき、異なる2方向の評価関数値の和F1+F2を用いてもよいが、値の大きな評価関数(F1またはF2のどちらか一方)のみを用いること方がより好ましい。すなわち、最適化の経路が評価関数の谷構造に沿っているときは、値の小さい評価関数は最適化への寄与が小さいため、位置ずれが撮影方向に沿っていない側の値の大きな目的関数のみで最適化を行うことで、計算の高速化が可能となる。   When the evaluation function values in two different directions are F1 and F2, respectively, as in the case of the three-axis optimization and the six-axis optimization, May be used, but it is more preferable to use only the evaluation function having a large value (either F1 or F2). That is, when the optimization path is along the valley structure of the evaluation function, the evaluation function with a small value has a small contribution to the optimization, and therefore the objective function with a large value on the side where the displacement is not along the imaging direction. Performing the optimization only with the use of the above makes it possible to speed up the calculation.

1次元最適化は、評価関数の値が収束判定値に到達するまで(ステップS35:収束判定工程)、繰り返し実行される。なお、この実施形態では、3軸および6軸の最適化と1次元最適化とで、異なる評価関数を用い、評価関数の値の収束判定値に異なる値を用いている。このように、それぞれに適した評価関数、収束判定値を用いることで、より適切にパラメータの最適化を行うことができる。また、1次元最適化は、異なる2方向の評価関数値F1、F2の差が小さいときには、省略してもよい。   The one-dimensional optimization is repeatedly executed until the value of the evaluation function reaches the convergence determination value (Step S35: convergence determination step). In this embodiment, different evaluation functions are used for the optimization of three axes and six axes and one-dimensional optimization, and different values are used for the convergence determination value of the value of the evaluation function. As described above, by using the evaluation function and the convergence determination value suitable for each, the parameters can be more appropriately optimized. The one-dimensional optimization may be omitted when the difference between the evaluation function values F1 and F2 in two different directions is small.

さらに、所定の計算時間または所定の計算回数に達しても収束判定値に到達しない場合は、最適化の繰り返し計算を打ち切る(ステップS36:打ち切り判断工程)。このような、時間的な制限を設けることで、同じ姿勢で天板31上に固定される患者の負担や放射線治療装置1のスループットの低下が軽減される。   Further, when the convergence determination value is not reached even after reaching the predetermined calculation time or the predetermined number of calculations, the repetition calculation of the optimization is terminated (step S36: termination determination step). By providing such a time limit, the burden on the patient fixed on the top plate 31 in the same posture and a decrease in the throughput of the radiotherapy apparatus 1 are reduced.

また、上述した最適化演算は、ダウンサンプリング法を利用してDR画像とDRR画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら実行する。例えば、画像の解像度を低解像度から高解像度に4段階で順次上げていきながら計算を繰り返す。解像度を下げると情報量が減少するため、このような計算領域を限定した計算を導入することで、計算を高速化することができる。   In addition, the above-described optimization operation is performed while gradually changing the resolution of the DR image and the DRR image from a low resolution to a high resolution using a downsampling method. For example, the calculation is repeated while sequentially increasing the resolution of the image from low resolution to high resolution in four steps. Since the amount of information decreases when the resolution is reduced, the calculation can be sped up by introducing such a calculation in which the calculation area is limited.

また、各解像度で3軸最適化を行う必要はなく、最も解像度の低い計算でのみ、3軸最適化を行うのが効果的である。例えば、評価関数が局所解に陥ってしまう頻度は高解像度ほど高い傾向にある。したがって、DR画像とDRR画像の初期位置ずれの大きさの影響を最も受ける最適化の初期段階の最も低い解像度で3軸最適化を実行し、大きなずれ量を小さくしておけば、それ以降の高解像度の最適化演算で、6軸最適化のみを実行しても、評価関数が局所解に陥ることを防ぐことができる。情報量の少ない低解像度側で、平行移動の3軸の最適化を先に行うので、計算負担も増えることがなく、その後の6軸最適化での最適化の進行の停滞も低減されることから、最適解に至るまでの計算時間も短縮することができる。   Further, it is not necessary to perform the three-axis optimization at each resolution, and it is effective to perform the three-axis optimization only for the calculation with the lowest resolution. For example, the frequency at which the evaluation function falls into a local solution tends to increase as the resolution increases. Therefore, if the three-axis optimization is performed at the lowest resolution in the initial stage of the optimization that is most affected by the magnitude of the initial displacement between the DR image and the DRR image, and the large displacement is reduced, Even when only the six-axis optimization is performed in the high-resolution optimization calculation, it is possible to prevent the evaluation function from falling into a local solution. Since optimization of three axes of parallel movement is performed first on the low resolution side where the amount of information is small, the computational burden does not increase, and the stagnation of the progress of optimization in the subsequent six-axis optimization is reduced. , The calculation time required to reach the optimal solution can be reduced.

さらに、1次元最適化についても、解像度ごとに1次元最適化を行うか否かを切り替えてもよい。すなわち、撮影方向を考慮しなくても解空間での最適化の方向が好ましい解の探索方向から大きくはずれることがない低解像度側で1次元最適化を省略することで、さらに、最適化演算を高速化することが可能となる。   Further, regarding the one-dimensional optimization, whether or not to perform the one-dimensional optimization may be switched for each resolution. That is, by omitting the one-dimensional optimization on the low resolution side where the direction of optimization in the solution space does not largely deviate from the preferred solution search direction without considering the shooting direction, the optimization operation can be further performed. It is possible to increase the speed.

上述した被検体の位置決めでは、DR画像とCTデータから作成したDRR画像との位置合わせの結果を、放射線治療装置1から治療ビームを照射する前の天板31の移動に利用しているが、必ずしも天板31を移動させる必要はない。例えば、治療中に位置ずれがないか確認するために、位置合わせの結果を利用してもよい。   In the above-described positioning of the subject, the result of alignment between the DR image and the DRR image created from the CT data is used for moving the top board 31 before irradiating the treatment beam from the radiation therapy apparatus 1. It is not always necessary to move the top plate 31. For example, the result of the alignment may be used to confirm whether there is any displacement during the treatment.

この実施形態では、治療台30に、天板31を6軸移動させるものを採用していることから、移動量算出部44で算出された天板31の移動量は、対応する軸の6方向の全てについて天板移動機構32に出力される。この実施形態では、治療台の移動軸に対応しているか否かにかかわらず、6自由度のパラメータの最適化を実行し、得られたDR画像とDRR画像のずれ量に基づく移動量を、治療台の対応する移動軸の分だけ天板移動機構32に送信するようにしている。例えば、治療台30が天板31を4軸移動(3軸平行移動+鉛直軸回転)させるものであれば、移動量算出部44からは対応する移動軸の4方向の移動量のみが出力される。なお、治療台の移動軸の数を変数とする4次元の最適化を行って得た解よりも、6次元の最適化を行って大域的最適解を計算した後に、動かない軸についての拘束条件に射影して得た解の方が、最適解からの距離が最短の解となり、位置決め誤差が小さくなることがこの発明の発明者により実験的に確認されている。   In this embodiment, since the treatment table 30 is configured to move the top board 31 in six axes, the movement amount of the top board 31 calculated by the movement amount calculation unit 44 corresponds to the six directions of the corresponding axis. Are output to the table moving mechanism 32. In this embodiment, irrespective of whether or not it corresponds to the movement axis of the treatment table, optimization of parameters with 6 degrees of freedom is executed, and the movement amount based on the shift amount between the obtained DR image and DRR image is The data is transmitted to the top moving mechanism 32 by the amount corresponding to the moving axis of the treatment table. For example, if the treatment table 30 moves the top 31 in four axes (three-axis parallel movement + vertical axis rotation), the movement amount calculation unit 44 outputs only the movement amounts of the corresponding movement axes in four directions. You. It should be noted that, after calculating a global optimal solution by performing a six-dimensional optimization rather than a solution obtained by performing a four-dimensional optimization using the number of moving axes of the treatment table as a variable, a constraint on an immovable axis is obtained. It has been experimentally confirmed by the inventor of the present invention that the solution obtained by projecting the condition has the shortest distance from the optimal solution and the positioning error is small.

この実施形態では、上述したように6軸のずれ量を算出し、治療台の移動軸が4軸であれば、4軸分を天板移動機構32に送信する構成を採用しているが、この発明は、実施形態に限定されるものではない。例えば、6軸最適化演算にかえて、治療台の移動軸に対応する、例えば、4自由度や5自由度のパラメータを最適化する4軸、5軸最適化演算を実行し、各移動軸の移動量を天板移動機構32に送信するようにしてもよい。   In this embodiment, as described above, the shift amount of six axes is calculated, and if the moving axis of the treatment table is four axes, the configuration of transmitting the four axes to the top moving mechanism 32 is adopted. The present invention is not limited to the embodiment. For example, instead of the 6-axis optimization calculation, a 4-axis or 5-axis optimization operation corresponding to the movement axis of the treatment table, for example, optimizing parameters of 4 degrees of freedom or 5 degrees of freedom is executed, and each movement axis is calculated. May be transmitted to the table moving mechanism 32.

1 放射線治療装置
10 X線管制御部
11 X線管
15 表示部
16 入力部
17 ネットワーク
21 フラットパネルディテクタ
30 治療台
31 天板
32 天板移動機構
40 制御部
41 画像取得部
42 DRR画像作成部
43 位置合わせ部
44 移動量算出部
45 3軸最適化部
46 6軸最適化部
47 1次元最適化部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Radiotherapy apparatus 10 X-ray tube control part 11 X-ray tube 15 display part 16 input part 17 network 21 flat panel detector 30 treatment table 31 top plate 32 top plate moving mechanism 40 control part 41 image acquisition part 42 DRR image creation part 43 Positioning unit 44 Moving amount calculation unit 45 3-axis optimization unit 46 6-axis optimization unit 47 One-dimensional optimization unit

Claims (5)

治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、
放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる2方向の2次元放射線画像を取得する画像取得部と、
空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたCTデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる2方向のDRR画像を作成するDRR画像作成部と、
前記放射線画像と前記DRR画像の位置合わせを実行する位置合わせ部と、
前記位置合わせ部により算出された前記放射線画像と前記DRR画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出部と、
を備え、
前記位置合わせ部は、
空間座標系における平行移動および回転の6自由度のパラメータのうち、平行移動の3自由度のパラメータの最適化演算を実行することにより、前記放射線画像と前記DRR画像の平行方向のずれ量を求める3軸最適化部と、
前記3軸最適化部における最適化演算の結果を反映した後に、6自由度のパラメータ、または、前記治療台の移動軸に対応する4自由度または5自由度のパラメータの最適化演算を実行することにより、前記放射線画像と前記DRR画像の平行方向および回転方向のずれ量を求める多軸最適化部と、
を備えること、を特徴とする位置決め装置。
When performing radiotherapy to irradiate a treatment beam toward the affected part of the subject on the treatment table, a positioning device for positioning the subject,
An image acquisition unit that acquires a two-dimensional radiation image of the subject in two different directions from an imaging system having a radiation irradiation unit and a radiation detector;
A DRR image that reproduces the geometric arrangement of the imaging system in space and virtually performs perspective projection on CT data acquired in advance by computer tomography, thereby creating DRR images of the subject in two different directions. A creation department;
An alignment unit that performs alignment between the radiation image and the DRR image;
A movement amount calculation unit that outputs a movement amount of the treatment table from a shift amount between the radiation image and the DRR image calculated by the positioning unit;
With
The positioning unit,
By performing an optimization calculation of the three-degree-of-freedom parameters of the parallel movement among the six-degree-of-freedom parameters of the parallel movement and the rotation in the spatial coordinate system, the shift amount in the parallel direction between the radiation image and the DRR image is obtained. 3-axis optimization unit,
After reflecting the result of the optimization calculation in the three-axis optimization unit, the optimization calculation of the parameters of six degrees of freedom or the parameters of four or five degrees of freedom corresponding to the movement axis of the treatment table is executed. By this, a multi-axis optimization unit that determines the amount of shift in the parallel direction and the rotation direction between the radiation image and the DRR image,
And a positioning device.
請求項1に記載の位置決め装置において、
前記位置合わせ部は、前記放射線画像と前記DRR画像の解像度を低解像度から高解像度に段階的に変えながら、位置合わせを実行し、
前記3軸最適化部は、最も低い解像度で前記平行移動の3自由度のパラメータの最適化演算を実行する位置決め装置。
The positioning device according to claim 1,
The alignment unit performs alignment while gradually changing the resolution of the radiation image and the DRR image from a low resolution to a high resolution,
The positioning device, wherein the three-axis optimizing unit executes an optimization calculation of the three-degree-of-freedom parameter of the translation at the lowest resolution.
請求項1に記載の位置決め装置において、
前記移動量算出部は、前記多軸最適化部において6自由度のパラメータの最適化演算を実行したときには、前記放射線画像と前記DRR画像との間の平行方向および回転方向のずれ量から6方向の移動量を算出し、前記6方向の移動量のうち、前記治療台の移動軸に対応する移動量を出力する位置決め装置。
The positioning device according to claim 1,
When the multi-axis optimizing unit performs the optimization calculation of the parameter having six degrees of freedom, the moving amount calculating unit calculates the six directions based on the amounts of displacement in the parallel direction and the rotation direction between the radiation image and the DRR image. A positioning device that calculates a moving amount of the treatment table and outputs a moving amount corresponding to a moving axis of the treatment table among the moving amounts in the six directions.
請求項1に記載の位置決め装置において、
前記位置合わせ部は、前記撮像系の撮影方向に沿った1次元平行移動に関するパラメータの最適化演算を実行する1次元最適化部を備える位置決め装置。
The positioning device according to claim 1,
The positioning device, comprising: a one-dimensional optimizing unit configured to execute a parameter optimizing operation regarding one-dimensional parallel movement of the imaging system along a photographing direction.
治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め方法であって、
放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系から前記被検体の異なる2方向の2次元放射線画像を取得する画像取得工程と、
空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予めコンピュータ断層撮影により収集されたCTデータに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる2方向のDRR画像を作成するDRR画像作成工程と、
前記放射線画像と前記DRR画像の位置合わせを実行する位置合わせ工程と、
前記位置合わせ工程により算出された前記放射線画像と前記DRR画像のずれ量から前記治療台の移動量を出力する移動量算出工程と、
を備え、
前記位置合わせ工程は、
空間座標系における平行移動および回転の6自由度のパラメータのうち、平行移動の3自由度のパラメータを最適化する最適化演算を実行する3軸最適化工程と、
前記3軸最適化工程における最適化演算の結果を反映した後に、6自由度のパラメータまたは、前記治療台の移動軸に対応する4自由度または5自由度のパラメータの最適化演算を実行する多軸最適化工程と、
を備えること、を特徴とする位置決め方法。
When performing radiotherapy to irradiate a treatment beam toward the affected part of the subject on the treatment table, a positioning method for positioning the subject,
An image acquisition step of acquiring a two-dimensional radiation image of the subject in two different directions from an imaging system having a radiation irradiation unit and a radiation detector,
A DRR image that reproduces the geometric arrangement of the imaging system in space and virtually performs perspective projection on CT data acquired in advance by computer tomography, thereby creating DRR images of the subject in two different directions. Creation process,
An alignment step of performing alignment between the radiation image and the DRR image;
A movement amount calculation step of outputting a movement amount of the treatment table from a shift amount between the radiation image and the DRR image calculated in the alignment step,
With
The positioning step includes:
A three-axis optimization step of executing an optimization operation for optimizing a parameter of three degrees of freedom of translation among parameters of six degrees of freedom of translation and rotation in a spatial coordinate system;
After reflecting the result of the optimization calculation in the three-axis optimization process, the optimization calculation of the parameter of six degrees of freedom or the parameter of four or five degrees of freedom corresponding to the movement axis of the treatment table is performed. Axis optimization process,
And a positioning method.
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