WO2010098215A1

WO2010098215A1 - ターゲット検出装置および放射線治療装置

Info

Publication number: WO2010098215A1
Application number: PCT/JP2010/052134
Authority: WO
Inventors: 石川正純
Original assignee: 国立大学法人北海道大学
Priority date: 2009-02-26
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2010-09-02
Also published as: JP2012095680A

Abstract

Ｘ線透視装置（２０－１，２０－２）は、１つの方向について、感度の異なる複数のＸ線透視画像を同時に取得する。画像処理装置（３４）は、各方向について、得られた複数のＸ線透視画像に基づいてターゲットを検出する。

Description

ターゲット検出装置および放射線治療装置

　複数の方向からのＸ線透視画像に基づき、ターゲットを検出するターゲット検出装置およびこれを利用した放射線治療装置に関する。

　放射線治療においては、放射線を患部（例えば腫瘍）に正確に照射することが重要である。一方、生体には各種の動きがあり、特に肺の近くの腫瘍は呼吸に基づき大きく移動する。このため、腫瘍のそばにマーカを配置し、このマーカの位置を２方向Ｘ線透視式の動体追跡装置で検出し、治療放射線の照射を制御することが提案されている（特許文献１）。この動体追跡装置は、２式の高強度のＸ線発生装置とＸ線受像装置を用いて、体内に埋め込まれた金属マーカ等を撮影し、２枚の２次元の透視画像から、３次元位置を計測する。連続でＸ線透視撮影を行うことによって、リアルタイムで金属マーカの３次元位置が計算可能であり、呼吸性移動を伴う部位の金属マーカを高精度で検出することができる。そこで、金属マーカの検出結果に基づき、治療放射線の照射を制御することで、腫瘍の動きに応じた高精度の放射線を行うことができる。

特許第３０５３３８９号公報特開２００６−２３０６７３号公報特開２００３−２０２３８２号公報

東芝レビューＶｏｌ．５９Ｎｏ．１０（２００４）ｐ．５１−５４

　ここで、効率的な治療放射線照射のためには、さらに正確なマーカの位置検出が求められる。特に、肺などの低密度領域と骨や金属マーカなどの高密度物質が混在する領域において、金属マーカの追跡が困難な場合があった。
　さらに、動体追跡装置によるＸ線の照射についても提案がある（特許文献２参照）が、さらなる効率化が要求されている。なお、カラーシンチレータを利用して放射線画像のダイナミックレンジを広げることについては特許文献３や非特許文献１に記載されている。

　本発明は、複数の方向からのＸ線透視画像に基づき、ターゲットを検出するターゲット検出装置であって、１つの方向について、感度の異なる複数のＸ線透視画像を取得する画像取得手段と、各方向についてそれぞれ得られた複数のＸ線透視画像に基づいて各方向についてのターゲットを検出するターゲット検出手段と、を有し、前記ターゲット検出手段は、同一方向についての複数のＸ線透視画像について演算処理を行い演算処理の結果の画像についてパターンマッチングによりターゲットを同定することを特徴とする。
　また、前記ターゲット検出手段は、前記画像取得手段によって得られた複数の画像のそれぞれについて、エッジ強調処理を施し、エッジ強調画像を得るエッジ強調手段と、得られた複数のエッジ強調画像について、対応するオリジナルのＸ線透視画像を減算し減算画像を得る減算手段と、得られた複数の減算画像について加算して加算画像を得る加算手段と、を有し、前記加算画像に基づいて、ターゲットを検出することが好適である。
　また、前記画像取得手段は、透視Ｘ線の強度に応じて複数の蛍光色のＸ線透視画像を取得することが好適である。
　さらに、このターゲット検出手段において検出した各方向のターゲットに基づき、当該ターゲットの３次元位置を検出する位置検出手段と、を有することが好適である。
　また、本発明は、上記ターゲット検出装置を含む放射線治療装置であって、前記ターゲットは、生体内に挿入されたマーカであり、マーカの３次元位置に基づき、生体に対する放射線治療ビームの照射を制御することを特徴とする。
　また、前記マーカは、電子密度又はＸ線阻止能の大きい物質であることが好適である。
　また、前記マーカの３次元位置が所定のエリア内にあるときにのみ、生体に対する放射線治療ビームの照射を許可または抑止することが好適である。

　本発明によれば、１方向について複数の感度のＸ線透視画像を得て、これに基づいてターゲットを正確に検出することができる。

実施形態に係る放射線医療装置の構成を示す概略図である。複数のＸ線強度でのＲ，Ｇ，Ｂ別の画像を示す図である。吸収率の異なる場所におけるマーカ像を示す図である。画像処理の一例を示すフローチャートである。画像処理の他の実施形態を示すフローチャートである。オリジナル（Ｏｒｉｇｉｎａｌ）およびエッジ強調処理（Ｅｄｇｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）後の画像を示す図である。減算画像（Ｓｕｂｓｔｒａｃｔ）および加算画像（Ｓｕｍ）を示す図である。

　以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
　図１は、実施形態に係る位置検出装置を含む放射線治療装置の全体構成を示す図である。
　治療台１０上に固定される患者１２の体内には、マーカ１４が埋め込まれている。このマーカ１４は、例えば金製のボールで直径は１~２ｍｍ程度であり、患部の近傍に予め埋め込まれる。マーカ１４は、所定の挿入用の器具によって体内の患部近傍の所定部位に埋め込まれる。このようにして埋め込まれたマーカ１４は、腫瘍と一定の位置関係にあり、腫瘍の相対位置マーカとして機能する。なお、マーカ１４としては、Ｘ線吸収が大きい高電子密度物質が望ましく、酸化物、セラミックス、造影剤や金およびタングステンなどの比重の大きい金属などが採用される。
　治療台１０の周辺には、２つのＸ線透視装置２０−１，２０−２が設けられている。この２つのＸ線透視装置２０−１，２０−２は、異なる方向から治療台１０上の患者１２にＸ線を照射して透視像をそれぞれ別に得る。２つのＸ線透視装置２０は、Ｘ線ビームの方向が異なるだけで、基本的に同一の構成を有しているので、以下は、両者について共通して説明する。
　このＸ線照射装置２２は、Ｘ線管２４と、コリメータ２６とからなり、所定のＸ線ビームを射出する。Ｘ線照射装置２２からのＸ線ビームは治療台１０上の患者１２の所定部位を通過して対向するイメージインテンシファイア２８に入射する。このイメージインテンシファイア２８では、入射蛍光面においてＸ線を光に変換するとともに蛍光面表面の光電膜で光電子を放出する。そして、この光電子を電子レンズで加速して出力蛍光面に収束し、この出力蛍光面で可視画像に変換して、これをカメラ（例えばＣＣＤカメラ）３０で電気信号に変換する。従って、カメラから入射Ｘ線に応じた画像信号が出力される。
　ここで、このイメージインテンシファイア２８では、出力蛍光面にマルチカラーシンチレータを用い、カメラ３０をカラーカメラとしている。これによって、入射されるＸ線は、Ｘ線の強度に応じて感度の異なるＲ，Ｇ，Ｂの信号に変換され、ＲＧＢのカラー画像信号がカメラ３０から出力される。
　２つのＸ線透視装置２０−１，２０−２のカメラ３０からの画像信号は、カメラインタフェース３２を介し、画像処理部３４に入力される。
　画像処理部３４は、２つのＸ線透視装置２０−１，２０−２からのＲ信号画像、Ｇ信号画像、Ｂ信号画像のそれぞれについて画像処理を行う。本実施形態では、画像処理部３４においては、入力されてくる画像を処理して、患者１２の体内に埋め込まれているマーカ１４を同定する。そして、２つのＸ線透視装置２０−１，２０−２によって得られた画像中のマーカ１４の２次元座標についてのデータを位置検出部３６に供給する。位置検出部は、予めわかっている２つのＸ線透視装置２０−１，２０−２のＸ照射装置２２、イメージインテンシファイア２８の３次元座標と、得られた２の画像中のマーカ１４の座標とに基づいてマーカ１４の３次元位置を算出し、これを制御部３８に供給する。制御部３８は、治療放射線ビームを患者１２に照射するライナックなどのビーム照射装置４０を制御する。すなわち、ビーム照射装置４０からの治療放射線ビームの方向は予め定められており、一方マーカ１４の位置から照射対象となる腫瘍の位置はわかっている。そこで、制御部３８は、腫瘍が治療放射線ビームの照射範囲に入っているかを判断し、照射範囲に入っているときのみに、ビーム照射装置４０から治療放射線ビームが照射されるようにビーム照射装置４０を制御する。なお、ビーム照射装置４０は、一定の方向に治療放射線ビームを照射するものでもよいが、回転しながら照射するものでもよい。回転しながら治療放射線ビームを照射することにより、回転強度変調放射線治療などが行える。
　このようにして、本実施形態によれば、Ｘ線透視装置２０−１，２０−２によりリアルタイムで得た画像からマーカ１４の位置を検出し、ビーム照射装置４０からの治療放射線ビームの照射を制御する。これによって、大きく動く腫瘍に対し、追従して確実に治療放射線ビームを照射することができ、無駄な放射線照射を抑制することができる。
　なお、上述の例では、マーカ１４が所定の範囲内にあるときにのみ治療放射線を照射したが、治療放射線の放射位置を、検出したマーカ１４位置に追従して制御してもよい。その際には、脊髄等の危険臓器を同時に認識し、治療Ｘ線ビームを抑止することが好適である。
　次に、画像処理部３４について説明する。上述のように、本実施形態では、１方向のＸ線ビームについて、Ｒ信号、Ｇ信号、Ｂ信号の３つの異なる感度の画像信号が得られる。図２には、３種類の強度でＸ線を検体に照射した場合のＲ，Ｇ，Ｂの画像を示してある。この検体は、立方体形状で８つの頂点にマーカ１４を配置したプラスチックファントムである。Ｒ，Ｇ，Ｂで、それぞれ感度が異なるため、画像が異なり、マーカ１４の視認性も異なっていることがわかる。この場合、Ｒが最も感度が高く、Ｂが最も感度が低くなっている。
　図３には、骨などと同等のＸを吸収しやすい部材を配置したファントムに複数のマーカ１４を配置した場合の画像であり、３つのマーカ１４について、それぞれＲ，Ｇ，Ｂ画像を示してある。場所によってＲ，Ｇ，Ｂ画像のいずれかにおいて、マーカ１４が明確に見える画像が異なっていることがわかる。
「画像同士の演算によるマーカの検出」
　図５には、マーカ１４の検出についての一例が記載してある。この例では、まずＲ，Ｇ，Ｂの各画像について、エッジ強調処理を施す（Ｓ２１−Ｒ，Ｓ２１−Ｇ，Ｓ２１−Ｂ）。このエッジ強調処理は、空間的な微分値を利用して輝度変化の大きな箇所（エッジ）を強調する。このエッジ処理によって、図６上段のようなＲ，Ｇ，Ｂ各色のオリジナル画像から、図６下段のエッジ強調された画像が得られる。マーカ１４は、周辺の組織に比べＸ線吸収率が高いため、このマーカ１４の外縁が強調される。
　次に、エッジ強調処理を行った画像から、オリジナルの画像を減算する（Ｓ２２−Ｒ，Ｓ２２−Ｇ，Ｓ２２−Ｂ）。ここで、減算するオリジナルの画像は、各画素データについてそのまま用い、これを画素毎に対応する画素データから減算する。そして、画素データはマイナスのデータはなく、その画素については輝度０とする。この減算処理によって図７上段に示すように、マーカ１４以外の部分における輝度変化の多くが削除された減算画像が得られる。一方、マーカ１４の画像についてもその輝度が落ちる。なお、減算する画像データは、必ずしもそのままではなく、変化幅を若干小さくしたデータとするウェイトを掛けた減算処理などでもよい。
　次に、得られた３つの減算画像を加算処理する（Ｓ２３）。これによって、図７下段に示すような、マーカ１４の輪郭が明確になった加算画像を得ることができる。
　そして、このようにして得られた加算画像について、パターンマッチングを行う（Ｓ２４）。加算画像では、図７下段に示すようにマーカ１４についてその輪郭は非常に明確な画像が得られる。従って、パターンマッチングにおいて、正確なパターンマッチングが行える。
　この処理では、演算の負荷が高いパターンマッチングは１つの画像に対して行えば良く、演算が容易であり高速に処理を行うことが可能である。すなわち、エッジ強調処理や、減算処理、加算処理は、パターンマッチングに比べ、演算負荷がかなり小さいため、パターンマッチングを１回にすることで全体としての演算負荷を小さくして高速の処理が可能となる。
　また、加算画像とパターンマッチングするレファレンスの画像は、各色のマーカ画像についてエッジ強調処理、減算処理、加算処理を行って作成することが好適である。
「各画像からのマーカの直接検出」
　この例では、画像処理部３４においてＲ，Ｇ，Ｂの各画像について、独立にマーカパターンとパターンマッチングを行い、マーカ１４を検出する。そして、得られた結果の中からパターンマッチングのスコアの最も高いものを採用し、その座標をマーカ１４の位置とする。
　このように、同じ方向から同時に取得された感度の異なる複数の画像を用いることにより、例えば肺野中のマーカ１４と、骨などの密度の高い物質の影になったマーカ１４が、感度の異なる画像のいずれかにおいて認識可能となる。この感度の異なる複数の画像に対して独立にパターンマッチング法を用いることにより、異なる条件に置かれたマーカ１４であっても、正確にその位置を同定することが可能となる。
　図４には、画像処理部３４における処理についてのフローチャートが示されている。このように、Ｒ画像、Ｇ画像、Ｂ画像についてそれぞれマーカ１４のパターンとパターンマッチングが行われる（Ｓ１１−Ｒ，Ｓ１１−Ｇ，Ｓ１１−Ｂ）。このパターンマッチングは、マーカ１４の画像データとカメラインタフェース３２から供給される各画像とをパターンマッチングすることによって行われる。この際に、パターンマッチングの一致度についてのスコアが、各画像中で検出されたマーカ１４のそれぞれについて記憶される。なお、各画像について、エッジ強調処理をした後、パターンマッチングを行ってもよい。また、パターンマッチングの際は、各色画像それぞれに対してレファレンスのマーカ画像データを定義している。これによって、各色の画像について適切なパターンマッチングが行える。さらに、エッジ強調処理した場合のレファレンスは、マーカ画像についてエッジ強調処理したものを利用することが好適である。
　次に、このようにＲ，Ｇ，Ｂの各画像において検出されたマーカ１４の位置で近いものを取り出し、それらのパターンマッチングにおけるスコアを比較する（Ｓ１２）。そして、スコアが最高のものを１つ選択し、画像中におけるマーカ１４の２次元座標位置を決定する（Ｓ１３）。このようにして、一方向の画像からマーカ１４の画像中の座標が決定され、これを２方向について同様に行うことで、２方向から見たマーカ１４の画像中の座標が決定され、このデータが位置検出部３６に供給される。
　例えば、肺領域中のマーカ１４を追跡する場合では低感度の蛍光体（例えば、Ｂ画像やＧ画像）によるイメージで位置算出を行い、骨などの高密度物質の陰になったマーカ１４を追跡する場合では、高感度のイメージ（Ｒ画像）で位置算出を行うことにより、透視条件によらずマーカ１４の追跡が可能となる。
　なお、感度の異なる画像を取得するイメージインテンシファイア２８としては、東芝電力システム社より市販されているカラー型イメージインテンシファイア装置（非特許文献１参照）を利用することができる。
　このように、本実施形態によれば、同一方向から感度の異なる３枚の画像（Ｒ，Ｇ，Ｂ画像）を同時に取得可能であるため、条件が頻繁に変化する場合においても、最も解析が有効な画像を用いて追跡を行うことにより、マーカ１４に対する追跡の精度を向上する。さらに、３つの蛍光体によるＸ線撮像感度を適切に調整することにより、ダイナミックレンジを広くすることができ、従来では追跡不可能な条件においても、追跡可能になる。また、複数のマーカ１４を追跡する場合において、それぞれのマーカ１４の透視条件が大きく異なる場合でも、マーカ１４を追跡することができる。
　上述した各色の画像同士の演算によるマーカ検出と、上述した各画像からのマーカの直接検出の両方を行い、検出された各マーカについて、最もスコアの高いものを選択することが好適である。
「その他」
　上述のように、本実施形態によれば、マーカ１４などのターゲットを効果的に検出することが可能である。従って、放射線治療以外の用途にも好適に適用が可能である。例えば、空港などにおいて、不審物検知のためにＸ線透視装置を利用している。この検査は、特に金属製のナイフなどの危険物を検出することが目的である。そこで、本実施形態のマーカの検出手法がそれら危険物の検出に好適に利用可能である。
　また、画像処理においては、画像などの色のデータと、それが実際に出力される際の信号の相対関係を調節して、より自然に近い表示を得るためのγ補正操作などが行われるが、これらの画像処理については、必要に応じて適宜行うことができる。
　上述の例としては、マーカ１４や金属製の危険物をターゲットとしたが、腫瘍などバックグラウンドとＸ線吸収率が異なるものであれば、ターゲットとすることができる。例えば、本実施形態により、腫瘍の明瞭な画像を得ることも可能である。
　さらに、放射線治療においては、脊髄への治療放射線の照射線量をなるべく小さくしたいという要求がある。上記実施形態によれば、複数のマーカを確実に追跡できる。このため、腫瘍および背骨（脊柱）をマーカとして、一方は腫瘍を追跡し、もう一方は脊柱を認識して、相互の位置関係を把握した上でゲーティングをかけることが好適である。すなわち、検出した腫瘍の三次元位置が所定の範囲内にあり、脊髄が当該所定の範囲内にない場合に治療放射線を照射する。これによって、腫瘍に対し、治療放射線を放射するが、脊柱に対する照射を禁止するように、治療放射線の照射を制御することができ、脊髄に対する治療放射線の照射を防止することができる。ここで、治療放射線の照射を禁止したい臓器は脊髄であるが、Ｘ線透視で確認ができるのは脊柱（背骨）であるため、マーカとしては脊柱を採用する。脊柱と脊髄の位置関係は予め測定できるので、脊柱の位置をパターンマッチングにより認識することによって、脊髄の位置を算出することは可能である。なお、腫瘍や脊柱の認識に代えて、金属マーカを利用することもできる。さらに、脊柱のみをターゲットとしてその位置検出をすることも可能である。

　１０　治療台、１２　患者、１４　マーカ、２０　Ｘ線透視装置、２２　Ｘ線照射装置、２４　Ｘ線管、２６　コリメータ、２８　イメージインテンシファイア、３０　カメラ、３２　カメラインタフェース、３４　画像処理部、３６　位置検出部、３８　制御部、４０　ビーム照射装置。

Claims

　複数の方向からのＸ線透視画像に基づき、ターゲットを検出するターゲット検出装置であって、
　１つの方向について、感度の異なる複数のＸ線透視画像を取得する画像取得手段と、
　各方向についてそれぞれ得られた複数のＸ線透視画像に基づいて各方向についてのターゲットを検出するターゲット検出手段と、
　を有し、
　前記ターゲット検出手段は、同一方向についての複数のＸ線透視画像について演算処理を行い演算処理の結果の画像についてパターンマッチングによりターゲットを同定することを特徴とするターゲット検出装置。
　請求項１に記載のターゲット検出装置において、
　前記ターゲット検出手段は、
　前記画像取得手段によって得られた複数の画像のそれぞれについて、エッジ強調処理を施し、エッジ強調画像を得るエッジ強調手段と、
　得られた複数のエッジ強調画像について、対応するオリジナルのＸ線透視画像を減算し減算画像を得る減算手段と、
　得られた複数の減算画像について加算して加算画像を得る加算手段と、
　を有し、
　前記加算画像に基づいて、ターゲットを検出することを特徴とするターゲット検出装置。
　請求項１または２に記載のターゲット検出装置において、
　前記画像取得手段は、透視Ｘ線の強度に応じて複数の蛍光色のＸ線透視画像を取得することを特徴とするターゲット検出装置。
　請求項１または２のいずれか１つに記載のターゲット検出装置において、
　さらに、
　このターゲット検出手段において検出した各方向のターゲットに基づき、当該ターゲットの３次元位置を検出する位置検出手段と、
　を有することを特徴とするターゲット検出装置。
　請求項４に記載のターゲット検出装置を含む放射線治療装置であって、
　前記ターゲットは、生体内に挿入されたマーカであり、マーカの３次元位置に基づき、生体に対する放射線治療ビームの照射を制御することを特徴とする放射線治療装置。
　請求項５に記載の放射線治療装置であって、
　前記マーカは、電子密度又はＸ線阻止能の大きい物質であることを特徴とする放射線治療装置。
　請求項５または６に記載の放射線治療装置であって、
　前記マーカの３次元位置が所定のエリア内にあるときにのみ、生体に対する放射線治療ビームの照射を許可または抑止することを特徴とする放射線治療装置。