WO2017187877A1 - 動体追跡装置および放射線照射システム - Google Patents

動体追跡装置および放射線照射システム Download PDF

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WO2017187877A1
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pixel value
tracking
irradiation
marker
moving body
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貴啓 山田
徹 梅川
祐介 藤井
宮本　直樹
梅垣　菊男
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株式会社日立製作所
国立大学法人北海道大学
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Definitions

  • the present invention relates to a radiation irradiation system for irradiating an affected area such as a tumor with radiation such as charged particles or X-rays, and a moving object tracking apparatus suitable for such a radiation irradiation system.
  • Patent Literature 1 includes an imaging device that simultaneously captures tumor markers embedded in the vicinity of a tumor from first and second directions to obtain first and second captured images, and digitized first and second captured images.
  • Template matching is performed at a real-time level of a predetermined frame rate by applying a template image of the tumor marker registered in advance to the image, and based on the first and second imaging conversion matrices,
  • An image input recognition processing unit that calculates first and second two-dimensional coordinates, and calculating the three-dimensional coordinates of the tumor marker based on the calculated first and second two-dimensional coordinates
  • An arithmetic processing unit, the moving body tracking irradiation apparatus having an irradiation control unit that controls the treatment beam irradiation linac based on 3-dimensional coordinates of the calculated tumor markers have been described.
  • a method of irradiating a patient with cancer or the like with radiation such as charged particles or X-rays is known.
  • Charged particles include proton beams and carbon beams.
  • the radiation irradiation system used for this irradiation forms a dose distribution suitable for the shape of a target such as a tumor in a patient's body fixed on a patient bed called a couch.
  • gate irradiation is performed only when the target is in a predetermined range (gate range).
  • Patent Document 1 described above describes a method called moving body tracking irradiation in which gate irradiation is performed based on the position of a marker embedded in the vicinity of an affected area.
  • a marker used in gate irradiation as described in Patent Document 1 is, for example, a metal sphere having a diameter of about 2 mm.
  • gate irradiation is performed based on the position of the tracking target such as a marker embedded in the vicinity of the affected part or the target itself.
  • the position of a tracking target such as a marker is measured using an image captured by X-rays in two intersecting directions.
  • the position of the tracking target in the captured image is detected by a method called template matching.
  • the template matching is a method of comparing a captured image called a template image with a captured image and detecting a pattern closest to the template image in the captured image.
  • the position at which the two lines connecting the position on the X-ray measuring device where the tracking target appears and the imaging X-ray generator are closest is regarded as the position where the tracking target exists.
  • the captured image and the template image are compared, and the similarity such as normalized cross-correlation is evaluated as a matching score.
  • the present invention provides a moving body tracking apparatus and a radiation irradiation system capable of tracking a tracking target without erroneous detection even when a structure similar to the tracking target is in the vicinity of the tracking target in moving body tracking.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above-described problems.
  • an X-ray imaging apparatus that captures a captured image to be tracked, and a captured image captured by the X-ray imaging apparatus.
  • a moving body tracking control device for obtaining a position of the tracking target, wherein the moving body tracking control device performs gradation processing on the captured image and uses the captured image after the gradation processing. The position of the tracking target is obtained.
  • 1 is an overall configuration diagram of a radiation irradiation system. It is a conceptual diagram with which a moving body tracking device acquires a captured image. It is a conceptual diagram in which a moving body tracking device calculates the position of a marker from a captured image. It is a conceptual diagram which shows the marker position determination method in the general method for a comparison. It is a figure which shows distribution of the pixel value on the dotted line of FIG. 4A in the general method for a comparison. It is a conceptual diagram which shows the method of setting the window of the gradation process in 1st Example of this invention. It is a conceptual diagram which shows the marker position determination method in a 1st Example. It is a figure which shows distribution of the pixel value on the dotted line of FIG.
  • Example 1 A moving object tracking device and a radiation irradiation system according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the moving body tracking device of the present invention can be applied to an X-ray irradiation system or a proton beam irradiation system, for example, a radiation irradiation system such as a heavy particle beam irradiation system that irradiates a target with heavy particles such as carbon.
  • a radiation irradiation system such as a heavy particle beam irradiation system that irradiates a target with heavy particles such as carbon.
  • a proton beam irradiation system using protons as irradiation radiation as shown in FIG. 1 will be described as an example.
  • a proton beam irradiation system includes a proton beam generator 10, a beam transport system 20, an irradiation nozzle 22, a moving body tracking device 38, a couch 27, a control device 40, and the like. .
  • the proton beam generator 10, the beam transport system 20, and the irradiation nozzle 22 constitute a radiation irradiation device.
  • the proton beam generator 10 includes an ion source 12, a linac 13, and a synchrotron 11.
  • the synchrotron 11 includes a deflection electromagnet 14, a quadrupole electromagnet (not shown), a high frequency accelerator 18, a high frequency output device 19, an output deflector 17, and the like.
  • the ion source 12 is connected to the linac 13, and the linac 13 is connected to the synchrotron 11.
  • the proton beam generated from the ion source 12 is accelerated in the previous stage by the linac 13 and enters the synchrotron 11.
  • the proton beam further accelerated by the synchrotron 11 is emitted to the beam transport system 20.
  • the beam transport system 20 includes a plurality of deflecting electromagnets 21 and quadrupole electromagnets (not shown), and is connected to the synchrotron 11 and the irradiation nozzle 22. Further, a part of the beam transport system 20 and the irradiation nozzle 22 are installed in a cylindrical gantry 25 and can rotate together with the gantry 25. The proton beam emitted from the synchrotron 11 is converged by the quadrupole electromagnet while passing through the beam transport system 20, and the direction is changed by the deflecting electromagnet 21 to enter the irradiation nozzle 22.
  • the irradiation nozzle 22 includes two pairs of scanning electromagnets, a dose monitor, and a position monitor (both not shown).
  • the two pairs of scanning electromagnets are installed in directions orthogonal to each other, and can deflect the proton beam so that the proton beam reaches a desired position in a plane perpendicular to the beam axis at the target position.
  • the dose monitor measures the amount of proton beam irradiated.
  • the position monitor can detect the position where the proton beam has passed.
  • the proton beam that has passed through the irradiation nozzle 22 reaches the target in the irradiation object 26.
  • the irradiation object 26 represents a patient and a target represents a tumor etc.
  • the bed on which the irradiation object 26 is placed is called a couch 27.
  • the couch 27 can move in the direction of three orthogonal axes based on an instruction from the control device 40, and can further rotate about each axis. By these movement and rotation, the position of the irradiation object 26 can be moved to a desired position.
  • the control device 40 is connected to the proton beam generator 10, the beam transport system 20, the irradiation nozzle 22, the moving object tracking control device 41, the couch 27, the storage device 42, the console 43, and the like, and controls these devices.
  • the moving body tracking device 38 includes an imaging X-ray generator 23A and an X-ray measuring device 24A that capture the captured image A61 of the marker 29, and an imaging X-ray generator 23B and an X-ray measuring device that capture the captured image B62 of the marker 29. 24B and two pairs of X-ray imaging devices and a moving body tracking control device 41.
  • the two sets of the imaging X-ray generator 23A and the X-ray measuring device 24A and the imaging X-ray generator 23B and the X-ray measuring device 24B are installed so that their X-ray paths intersect each other.
  • the two pairs of imaging X-ray generators 23A and 23B and the X-ray measuring devices 24A and 24B are preferably installed in directions orthogonal to each other, but may not be orthogonal to each other.
  • the imaging X-ray generators 23A and 23B and the X-ray measuring devices 24A and 24B are not necessarily arranged inside the gantry 25, and may be arranged at fixed places such as a ceiling and a floor. good.
  • the moving body tracking control device 41 calculates the position of the marker 29 based on the signal input from the X-ray imaging device, and then determines whether or not to permit the emission of the proton beam based on the position of the marker 29. The determination is made and a signal indicating whether or not the proton beam can be irradiated is transmitted to the control device 40.
  • the moving body tracking control device 41 irradiates the marker 29 with the X-rays generated from the imaging X-ray generation device 23 ⁇ / b> A, and performs two-dimensional X-rays passing through the marker 29.
  • the marker 29 is imaged by measuring the dose distribution with the X-ray measuring device 24 ⁇ / b> A, and the marker 29 is irradiated with the X-rays generated from the imaging X-ray generator 23 ⁇ / b> B.
  • the marker 29 is imaged by measuring the dose distribution with the X-ray measuring device 24B.
  • the moving body tracking control device 41 calculates the three-dimensional position of the marker 29 embedded in the irradiation target 26 from the two captured images and permits the emission of a proton beam based on the position of the marker 29 based on the result. It is determined whether or not to do. For example, the moving body tracking control device 41 determines whether or not the target position obtained from the position of the marker 29 is within a gate range (irradiation permission range) designated in advance, and the target position is within the gate range. If it is determined, the gate-on signal is transmitted to the control device 40 to permit emission. On the other hand, if it is determined that the target position is not within the gate range, a gate-off signal is transmitted and emission is not permitted.
  • a gate range irradiation permission range
  • the acquisition of captured images by the X-ray imaging apparatus is performed at regular intervals of 30 Hz, for example.
  • the acquired captured image includes a marker 29 embedded in the body, and the position of the marker 29 in the irradiation target 26 is specified by template matching with a template image of the marker 29 prepared in advance. Since searching for the entire range of the captured image requires time, the position of the marker 29 is searched only within a predetermined size range centered on the position of the marker 29 in the previous captured image.
  • FIG. 3 shows the line 28A connecting the position of the marker 29 detected by template matching on the X-ray measuring device 24A and the imaging X-ray generator 23A and the position of the marker 29 on the X-ray measuring device 24B and the generation of the imaging X-ray.
  • a line 28B connecting the device 23B is shown. These two lines ideally intersect at one point, and the intersection is a position where the marker 29 exists.
  • the two lines are usually twisted without intersecting.
  • a common perpendicular line can be drawn at a position where the two lines in the twist relationship are closest to each other. This common perpendicular is called a common perpendicular 30.
  • the midpoint of the common perpendicular 30 is set as the position of the marker 29.
  • the common perpendicular becomes long.
  • the moving object tracking control device 41 determines that the position of the marker 29 is within the gate range. Even in the case, the gate-off signal is transmitted to the control device 40 to stop the irradiation of the proton beam.
  • the feature of the moving object tracking control device 41 of the present embodiment is in the method of detecting this marker 29.
  • template matching the template image of the marker 29 prepared in advance and the captured image are compared, and the similarity between the template image called a matching score is calculated. Similarity such as normalized cross-correlation is used for the matching score. The higher this matching score, the more the captured image being searched matches the template image.
  • the position having the highest matching score is detected as the position of the marker 29 within the search range of the captured image.
  • the matching score such as normalized cross-correlation has a high degree of similarity even if the absolute value of the pixel value is different. For this reason, if there is a portion of the structure 39 similar to the marker 29 in the search region, the matching score at that position becomes high, and thus it has become clear that the place may be mistaken for the marker 29.
  • FIGS. 4A and 4B show a captured image in the case where there is a structure 39 similar to the marker 29 in the vicinity of the marker 29, and FIG. 4B shows a distribution of pixel values on the dotted line of the captured image shown in FIG. 4A.
  • FIG. 4A simply shows a template image having a one-dimensional pixel value distribution.
  • the position of the marker 29 is determined after performing gradation processing on the captured image. judge.
  • the gradation processing in this embodiment is to set a specific pixel value range (window), convert pixels larger than the window upper limit pixel value into upper limit pixel values, and pixels smaller than the window lower limit pixel value lower limit Image processing to convert the pixel value into
  • the operator sets the gradation processing window as shown in FIG.
  • the setting of the window may be performed by the operator operating the console 43, or the setting value is stored in the storage device 42 in advance for each irradiation field of the irradiation target 26 to be irradiated with the proton beam. A value may be applied.
  • a method in which an operator sets a window by operating the console 43 will be described. Details thereof will be described later.
  • FIG. 6A shows a captured image after gradation processing is performed on the captured image shown in FIG. 4A
  • FIG. 6B shows a distribution of pixel values on the dotted line of the captured image after gradation processing shown in FIG. 6A.
  • the structure 39 similar to the marker 29 is not seen in the captured image after the gradation processing. Therefore, as shown in FIG. 6B, the area outside the gradation processing window has uniform pixel values, and the matching score by pattern matching becomes small. Therefore, the possibility that the structure 39 similar to the marker 29 is erroneously detected as the marker 29 can be reduced.
  • the proton beam irradiation system of the above-described embodiment employs an irradiation method called a spot scanning method.
  • the spot scanning method is a method in which dose distributions formed by thin proton beams are arranged to form a dose distribution that matches the shape of the target.
  • Proton rays are characterized by the loss of energy within the body, with the energy loss maximizing immediately before stopping.
  • the shape of the dose distribution due to this energy loss is called a Bragg curve and has a peak at the end of the range.
  • the depth at which the proton beam forms a peak can be adjusted by changing the energy of the proton beam.
  • the dose distribution shape in the direction perpendicular to the beam axis formed by the proton beam is generally a normal distribution.
  • the position where the dose distribution in the direction perpendicular to the beam axis is formed can be adjusted by scanning the proton beam with a scanning electromagnet. By combining energy change and scanning with a scanning magnet, a uniform dose distribution can be formed
  • the storage device 42 stores parameters for irradiation created by a treatment planning device or the like, and the control device 40 receives necessary information from the storage device 42 before irradiation.
  • the console 43 is connected to the control device 40 and the moving body tracking control device 41, and displays information on the screen based on signals acquired from the control device 40 and the moving body tracking control device 41.
  • the console 43 receives input from an operator who operates the proton beam irradiation system, and transmits various control signals to the control device 40 and the moving object tracking control device 41.
  • the console 43 displays the captured image obtained by the X-ray imaging apparatus and the tracking status of the marker 29. Further, parameters necessary for tracking the marker 29 can be set from the console 43.
  • FIG. 7 shows a moving object tracking screen related to the moving object tracking control device 41 displayed on the console 43.
  • a captured image A61 obtained from the X-ray measuring device 24A and a captured image B62 obtained from the X-ray measuring device 24B are displayed.
  • a window setting unit 63 for inputting a pixel value range for performing gradation processing on the captured image A61 and a window setting unit 64 for inputting a pixel value range for performing gradation processing on the captured image B62 are displayed on the screen. Is displayed.
  • the moving body tracking control device 41 performs gradation processing based on the pixel value range input by the window setting units 63 and 64 displayed on the console 43.
  • FIG. 7 shows a slide bar for setting a window level and a window width as a window setting method for specifying a pixel value range for performing gradation processing
  • other setting means may be used.
  • a slide bar for setting the maximum pixel value and the minimum pixel value of the window and a function for directly inputting these values as numerical values can be considered.
  • the display of the captured image A61 and the captured image B62 is changed according to the change in the window setting by the operator. The operator adjusts the gradation processing window so that the marker 29 can be easily seen while viewing the captured image A61 and the captured image B62 on the screen.
  • the irradiation object 26 is fixed on the couch 27. Thereafter, the couch 27 is moved to move the irradiation target 26 to a previously planned position. At this time, it is confirmed that the irradiation target 26 has moved to a previously planned position by capturing a captured image using an X-ray imaging apparatus.
  • the control device 40 When the irradiation preparation button on the console 43 is pressed by the operator, the control device 40 reads information on the gantry angle, energy, and spot from the storage device 42. In accordance with the read gantry angle, the operator presses the gantry rotation button from the console 43 to rotate the gantry 25.
  • the operator presses the imaging start button 50 from the console 43 to cause the moving object tracking control device 41 to start X-ray imaging.
  • the operator looks at the two captured images corresponding to the two X-ray imaging apparatuses, and adjusts the gradation processing window so that the marker 29 can be easily seen.
  • the window is set by operating the window setting sections 63 and 64 displayed on the console 43 by the operator.
  • Template matching is used for tracking the marker 29.
  • a position that best matches the pattern of the marker 29 image registered in advance as a template image is searched for on the captured image.
  • a position having the maximum matching score on each captured image is detected as a marker 29 and tracked.
  • the gate range is set and the gate start button 51 is pressed.
  • the gate start button 51 is pressed, if the position of the marker 29 is within the gate range, a gate-on signal is transmitted from the moving body tracking control device 41 to the control device 40. If the operator confirms on the screen of the console 43 and determines that the intended marker 29 is not being tracked, the operator can correct it.
  • the control device 40 accelerates the proton beam to the first irradiation energy based on the energy and spot information read from the storage device.
  • control device 40 controls the ion source 12 and the linac 13 so that the proton beam generated by the ion source 12 is accelerated by the linac 13 before entering the synchrotron 11.
  • the control device 40 controls the synchrotron 11 to accelerate to the energy at which the incident proton beam is first irradiated.
  • the proton beam circulating around the synchrotron 11 is accelerated by the high frequency from the high frequency accelerator 18.
  • the control device 40 controls the excitation amounts of the deflection electromagnet 21 and the quadrupole electromagnet of the beam transport system 20 so that the proton beam of the energy to be irradiated first can reach the irradiation nozzle 22 from the synchrotron 11.
  • the excitation amounts of the two scanning electromagnets in the irradiation nozzle 22 are set so that the proton beam reaches the first irradiation spot position in the spot information from the storage device 42.
  • control device 40 receives a gate-on signal from the moving body tracking control device 41, proton beam irradiation is started. If a gate-off signal is received, the process waits until a gate-on signal is received.
  • the control device 40 After receiving the gate-on signal, the control device 40 applies a high frequency to the high-frequency emission device 19 and starts emitting a proton beam.
  • a high frequency is applied to the high frequency emission device 19
  • a part of the proton beam that circulates in the synchrotron 11 passes through the extraction deflector 17, passes through the beam transport system 20, and reaches the irradiation nozzle 22.
  • the proton beam reaching the irradiation nozzle 22 is scanned by two scanning electromagnets, passes through a dose monitor and a position monitor, reaches the target of the irradiation object 26, and forms a dose distribution.
  • the irradiation amount for each spot is registered in the spot information from the storage device 42, and when the irradiation amount measured by the dose monitor reaches the value registered in the spot information, the control device 40 controls the high frequency for emission to control the proton beam. The emission of is stopped. After the emission of the proton beam, the control device 40 calculates the arrival position of the proton beam at the target position from the position information of the proton beam measured by the position monitor, and confirms that it matches the position registered in the spot information.
  • the control device 40 sets the excitation amount of the scanning magnet so that the proton beam reaches the position registered in the spot information in order to irradiate the next spot. If the gate-on signal is continuously received after the setting is completed, the control device 40 controls the high frequency for emission and starts emission of the proton beam. If a gate-off signal has been received, the process waits until a gate-on signal is received. When a gate-off signal is received during the irradiation of a certain spot, the proton beam is continuously emitted until the irradiation of the spot being irradiated is completed.
  • the control device 40 controls the synchrotron 11 to decelerate the proton beam and starts preparation for irradiation with the next energy proton beam.
  • the control device 40 controls the ion source 12 and the linac 13 to cause the proton beam to enter the synchrotron 11, and controls the synchrotron 11 to accelerate the proton beam to the second energy. To do.
  • the control device 40 continues the spot irradiation by controlling the beam transport system 20 and the scanning electromagnet.
  • an irradiation completion signal is transmitted from the control device 40 to the moving object tracking control device 41.
  • the moving body tracking control device 41 controls the imaging X-ray generators 23A and 23B to stop X-ray imaging.
  • the operator presses the irradiation preparation button and repeats the proton beam irradiation in the same manner.
  • the moving object tracking control device 41 performs gradation processing on the captured image A61 and the captured image B62, and the captured image A61 after performing this gradation processing. Then, the position of the marker 29 is measured using the captured image B62, and a signal for controlling radiation irradiation is generated based on the position of the marker 29.
  • the moving body tracking device 38 can continuously track the marker 29 without losing sight.
  • the frequency of losing sight of the marker 29 in this way, it is possible to save the operator from having to cause the moving body tracking device 38 to re-detect the marker 29 when losing sight of the marker 29, thereby shortening the irradiation time. It is possible. Further, since the irradiation time is shortened, the number of X-ray imaging can be reduced, and the exposure dose of the irradiation object 26 can be reduced.
  • the marker 29 can be tracked even when the quality of the captured image is deteriorated, the marker 29 can be tracked even if the X-ray intensity in the X-ray imaging apparatus is reduced, and the exposure of the irradiation target 26 is similarly performed. The dose can be reduced.
  • the window setting units 63 and 64 for inputting a pixel value range for performing gradation processing are further provided, and the moving object tracking control device 41 performs gradation processing based on the pixel value range input by the window setting units 63 and 64. Therefore, the operator can determine the pixel value range for performing gradation processing while confirming the captured image displayed on the console 43, and can perform gradation processing with high accuracy. Therefore, the frequency of losing sight of the marker 29 can be further reduced.
  • the X-ray imaging apparatus including the two imaging X-ray generators 23A and 23B and the two X-ray measuring devices 24A and 24B captures the captured image A61 and the captured image B62 of the marker 29 from two different directions.
  • the three-dimensional position of the marker 29 in the irradiation object 26 can be obtained with high accuracy.
  • a specific pixel value range is set, pixels larger than the pixel value range are converted to upper limit pixel values, and pixels smaller than the pixel value range are converted to lower limit pixel values.
  • the moving body tracking device 38 outputs a signal permitting the emission of radiation to the control device 40 when the position of the marker 29 is within a predesignated range, so that the radiation to the target in the irradiation target 26 is output. Irradiation accuracy can be increased.
  • Example 2 A second embodiment of the moving object tracking device and radiation irradiation system of the present invention will be described.
  • the same components as those in FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. The same applies to the following embodiments.
  • the difference between the moving object tracking device and the radiation irradiation system of the second embodiment of the present invention and the first embodiment is in a method for setting a gradation processing window to be performed on a captured image.
  • the moving body tracking control device 41 sets the pixel value range in the gradation processing using the gradation processing window set at the time of treatment up to the previous day, and performs the gradation processing on the day of irradiation using this setting. carry out. This will be specifically described below.
  • the operator sets a gradation processing window by the same method as in the first embodiment.
  • the window information set for each irradiation field is stored in the storage device 42.
  • the gradation of the previous day is based on the information stored in the storage device 42.
  • the captured image in which the processing window is set is displayed on the screen. At that time, the operator confirms the captured image and adjusts the window as necessary.
  • Information on the second day window is also stored in the storage device 42.
  • the previous day's window is set based on the information stored in the storage device 42, and gradation processing is performed on the captured image.
  • the configurations other than those described above are substantially the same as those of the moving body tracking apparatus and the radiation irradiation system of the first embodiment, and a gate signal is generated based on the position of the marker 29 to control the irradiation / stop of the distribution forming radiation. Since the method to do is the same as that of Example 1, it abbreviate
  • the moving object tracking control device 41 stores, in the storage device 42, the gradation processing parameters previously performed on the captured image A61 and the captured image B62 obtained by capturing the marker 29 as the pixel value range in the gradation processing.
  • the previous day's window setting is inherited as it is in the gradation processing after the second day has been described.
  • an average value from the first day to the previous day may be set, A moving average over several days may be set.
  • Example 3 A third embodiment of the moving body tracking device and radiation irradiation system of the present invention will be described with reference to FIGS. 8A to 8C.
  • the difference between the moving object tracking device and radiation irradiation system of the third embodiment of the present invention and the first and second embodiments is in a method for setting a gradation processing window to be performed on a captured image.
  • the marker 29 used for moving body tracking also moves in the body under the influence of the patient's breathing and pulsation in the same manner as the target. During such movement, if the marker 29 moves to the back side of a portion having a large water equivalent thickness such as a bone as viewed from the irradiation direction of the imaging X-ray, the amount of transmission of the imaging X-ray may be reduced. In such a case, the pixel value of the marker 29 decreases. On the other hand, when moving to a portion where the water equivalent thickness is small, the pixel value of the marker 29 increases due to an increase in the amount of transmission of imaging X-rays.
  • the pixel value of the marker 29 changes as the marker 29 moves.
  • the pixel value of the marker 29 may be outside the gradation processing window due to the movement of the marker 29.
  • the matching score is lowered, and thus there is a possibility that the three-dimensional position of the marker 29 is erroneously detected.
  • the gradation processing window is adjusted based on the captured image A61 and the captured image B62 in which the marker 29 is captured before the captured image A61 and the captured image B62 to be evaluated.
  • FIGS. 8A to 8C are diagram illustrating an image at the start of tracking of the marker 29
  • FIG. 8B is a diagram illustrating an image of the second frame from the start of tracking of the marker 29
  • FIG. 8C is a diagram illustrating an image of the third frame from the start of tracking of the marker 29. is there.
  • the operator presses the imaging start button 50 from the console 43 to cause the moving object tracking control device 41 to start X-ray imaging.
  • the operator looks at the two captured images corresponding to the two X-ray imaging apparatuses and operates the window setting units 63 and 64 displayed on the console 43 so that the marker 29 can be easily seen, thereby adjusting the gradation processing window. .
  • the operator selects the marker 29 to be tracked on the screen, thereby starting tracking of the marker 29 on each gradation-processed captured image.
  • the moving body tracking control device 41 sets the pixel value Wt 1 at the upper limit of the gradation process, the pixel value Wb 1 at the lower limit of the window, and the pixel value at the peak position of the marker 29 as shown in FIG. and stores the M 1.
  • the upper and lower limit pixel values of the window are maintained so that the pixel value interval between the peak and the window is maintained in the state of the first frame for the captured image after the third frame from the tracking start of the marker 29.
  • configurations other than those described above are substantially the same as those of the moving body tracking apparatus and the radiation irradiation system of the first embodiment, and a gate signal is generated based on the position of the marker 29 to Since the method for controlling the irradiation / stop is the same as that in the first embodiment, the details are omitted.
  • the moving body tracking control device 41 determines the pixel value range in the gradation process based on information of the captured image A61 and the captured image B62 obtained by capturing the marker 29 before the captured image A61 and the captured image B62 to be subjected to the gradation process. By determining, even if the pixel value of the marker 29 is changed due to the movement of the marker 29, the gradation processing window is corrected to follow the gradation processing window. Therefore, the pixel value of the marker 29 is changed to the gradation processing window. It is possible to further reduce the possibility of going out of the range, that is, the possibility of losing sight of the marker 29.
  • the gradation setting window setting for the first frame has been described by the operator. However, as in the second embodiment, it may be automatically set based on information at the time of treatment up to the previous day.
  • the window correction shown in this embodiment is effective.
  • the upper and lower limits of the window are corrected so that the pixel value interval between the peak and the window is fixed.
  • the lower limit of the window may be fixed, and the upper limit of the window and the peak pixel value range may be kept constant.
  • the upper limit of the window may be fixed, and the lower limit of the window and the peak pixel value range may be kept constant.
  • the case where the target is imaged using two X-ray imaging apparatuses has been described as an example, but the number of X-ray imaging apparatuses is not necessarily two.
  • the captured image to be tracked may be captured from two different directions by moving one X-ray imaging apparatus.
  • the gate irradiation is performed based on the position of the spherical marker 29
  • the shape of the marker 29 may be a coil shape.
  • the tracking target is not limited to the marker 29, and the target may be directly detected without using the marker 29.
  • the tracking target can be a high-density region in the irradiation target 26, for example, a bone such as a rib.
  • the irradiation method may be tracking irradiation that tracks the irradiation position based on the position of the marker 29 or the like instead of the gate irradiation.
  • the orientation of the distribution forming X-ray generator is changed in accordance with the movement of the target, and the X-ray irradiation position is changed in accordance with the movement of the target.
  • tracking irradiation can be performed by adjusting the excitation amount of the scanning electromagnet according to the target position.
  • imaging X-rays are a kind of radiation, they are not used for the purpose of forming a dose distribution. Therefore, in this specification, distribution forming radiation is used as a general term for radiation other than imaging X-rays.
  • the radiation irradiation system of this invention is with respect to the system which irradiates particle beams other than proton beams, such as a carbon beam, X-rays, an electron beam. Can be applied similarly.
  • the radiation irradiation apparatus includes an X-ray generation apparatus, a beam transport system, and an irradiation nozzle.
  • the present invention in addition to the spot scanning method described in the above embodiment, can be similarly applied to a raster scanning method and a line scanning method for irradiating a fine particle beam without stopping the particle beam. it can.
  • the present invention is also applied to an irradiation method such as a wobbler method or a double scatterer method that forms a dose distribution that matches the shape of the target using a collimator or bolus after expanding the particle beam distribution. can do.
  • the particle beam generator may be a cyclotron in addition to the synchrotron 11 described in the above embodiment.
  • Proton generator 11 Synchrotron 12: Ion source 13: Linac 14: Deflection magnet 17: Deflection magnet 18: High-frequency accelerator 19: High-frequency extraction device 20: Beam transport system 21: Deflection electromagnet 22: Irradiation nozzle 23A , 23B: X-ray generator for imaging 24A, 24B: X-ray measuring device 25: Gantry 26: Irradiation target 27: Couch 29: Marker 30: Common perpendicular 38: Moving object tracking device 39: Structure similar to marker 40: Control device 41: Moving object tracking control device 42: Storage device 43: Console 50: Imaging start button 51: Gate start button 61: Captured image A 62: Captured image B 63: Window setting unit 64: Window setting unit

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Abstract

動体追跡制御装置４１は、撮像画像Ａ６１、撮像画像Ｂ６２に対して諧調処理を実施し、この諧調処理実施後の撮像画像Ａ６１、撮像画像Ｂ６２を用いてマーカー２９の位置を計測し、このマーカー２９の位置に基づき放射線の照射を制御する信号を生成する。これにより、動体追跡において、追跡対象に似た構造が追跡対象の近傍にある場合においても、誤検出することなく追跡対象を追跡することができる動体追跡装置および放射線照射システムを提供することができる。

Description

動体追跡装置および放射線照射システム
　本発明は、荷電粒子やＸ線などの放射線を腫瘍等の患部に照射して治療する放射線照射システムおよびこのような放射線照射システムに好適な動体追跡装置に関する。
　体幹部内で動き回る腫瘍の位置を実時間で、かつ自動的に算出し、機構系の絶対精度に依存せずに実質必要な精度を確保することができる動体追跡照射装置の一例として、特許文献１には、腫瘍近傍に埋め込まれた腫瘍マーカーを第１及び第２の方向から同時に撮像して第１及び第２の撮像映像を得る撮像装置と、デジタイズされた第１及び第２の撮像映像に予め登録された腫瘍マーカーのテンプレート画像を作用させた濃淡正規化相互相関法によるテンプレートマッチングを所定フレームレートの実時間レベルで実行し、第１及び第２の撮像変換行列に基づき前記腫瘍マーカーの第１及び第２の２次元座標を算出する画像入力認識処理部と、前記算出された第１及び第２の２次元座標に基づき前記腫瘍マーカーの３次元座標を計算する中央演算処理部と、前記計算された腫瘍マーカーの３次元座標に基づきライナックの治療ビーム照射を制御する照射制御部とを備えた動体追跡照射装置が記載されている。
特許第３０５３３８９号
　癌などの患者に荷電粒子やＸ線などの放射線を照射する方法が知られている。荷電粒子には陽子線や炭素線などがある。この照射に用いる放射線照射システムは、カウチと呼ばれる患者用ベッド上に固定された患者の体内で腫瘍などの標的の形状に適した線量分布を形成する。
　ところで、腫瘍などの標的が呼吸などで移動すると、正確な照射が難しくなる。そこで、標的が予め決められた範囲（ゲート範囲）にある場合のみ照射するゲート照射を実施することが近年実現されている。
　上述した特許文献１には、患部付近に埋め込まれたマーカーの位置に基づいてゲート照射を実施する動体追跡照射と呼ばれる方法が記載されている。
　特許文献１に記載されたようなゲート照射で用いられるマーカーは、例えば直径２ｍｍ程の金属製の球体などである。
　動体追跡照射では、患部付近に埋め込まれたマーカーや標的そのもの等の追跡対象の位置に基づきゲート照射を実施する。マーカー等の追跡対象の位置は、交差する２方向のＸ線による撮像画像を用いて計測される。撮像画像に写る追跡対象の位置は、テンプレートマッチングと呼ばれる方法により検出される。
　このテンプレートマッチングとは、テンプレート画像と呼ばれる予め用意した追跡対象の画像と撮像画像を比較し、撮像画像の中でテンプレート画像に最も近いパターンを検出する方法である。追跡対象が写ったＸ線測定器上の位置と撮像用Ｘ線発生装置を結ぶ２本の線が最も接近する位置を追跡対象が存在する位置とみなしている。このテンプレートマッチングの際には、撮像画像とテンプレート画像を比較して、規格化相互相関などの類似度をマッチングスコアとして評価する。
　ここで、上述した特許文献１に記載の技術で用いられているようなテンプレートマッチングでは、追跡対象に似た構造（非追跡対象）が追跡対象の近傍に現れると、その非追跡対象の画素値の範囲が真の追跡対象の画素値の範囲とは異なる場合であっても、その非追跡対象の場所もマッチングスコアが高くなり、追跡対象ではないものを追跡対象と誤検出することがある、との問題があることが本発明者らの検討によって明らかとなった。
　本発明は、動体追跡において、追跡対象に似た構造が追跡対象の近傍にある場合においても、誤検出することなく追跡対象を追跡することができる動体追跡装置および放射線照射システムを提供する。
　本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、追跡対象の撮像画像を撮像するＸ線撮像装置と、前記Ｘ線撮像装置によって撮像された撮像画像から、前記追跡対象の位置を求める動体追跡制御装置とを備えた動体追跡装置であって、前記動体追跡制御装置は、前記撮像画像に対して諧調処理し、前記諧調処理後の撮像画像を用いて前記追跡対象の位置を求めることを特徴とする。
　本発明によれば、追跡対象の誤検出の頻度を低減することができる。
放射線照射システムの全体構成図である。 動体追跡装置が撮像画像を取得する概念図である。 動体追跡装置が撮像画像からマーカーの位置を計算する概念図である。 比較のための一般的な方法におけるマーカー位置判定方法を示す概念図である。 比較のための一般的な方法における図４Ａの点線上の画素値の分布を示す図である。 本発明の第１の実施例における諧調処理のウィンドウを設定する方法を示す概念図である。 第１の実施例におけるマーカー位置判定方法を示す概念図である。 第１の実施例における図６Ａの点線上の画素値の分布を示す図である。 第１の実施例におけるコンソールの画面を示す概念図である。 第３の実施例における諧調処理のウィンドウを補正する方法を示す概念図である。 第３の実施例における諧調処理のウィンドウを補正する方法を示す概念図である。 第３の実施例における諧調処理のウィンドウを補正する方法を示す概念図である。
　以下に本発明の動体追跡装置および放射線照射システムの実施例を、図面を用いて説明する。
　＜実施例１＞　
　本発明の動体追跡装置および放射線照射システムの実施例１を、図１乃至図７を用いて説明する。
　本発明の動体追跡装置は、Ｘ線照射システムや陽子線照射システム、例えば炭素等の重粒子を標的に照射する重粒子線照射システムなどの放射線照射システムに適用することができる。本実施例では、図１に示すような照射する放射線として陽子を用いる陽子線照射システムを例にして説明する。
　図１において、本発明の実施例のひとつである陽子線照射システムは、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２、動体追跡装置３８、カウチ２７、制御装置４０等を備えている。このうち、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２とで放射線照射装置が構成される。
　陽子線発生装置１０は、イオン源１２、ライナック１３、シンクロトロン１１を備える。シンクロトロン１１は、偏向電磁石１４、四極電磁石（図示省略）、高周波加速装置１８、高周波出射装置１９、出射用デフレクタ１７等を備える。イオン源１２はライナック１３に接続されており、ライナック１３はシンクロトロン１１に接続されている。陽子線発生装置１０では、イオン源１２より発生した陽子線はライナック１３により前段加速され、シンクロトロン１１に入射する。シンクロトロン１１でさらに加速された陽子線はビーム輸送系２０に出射される。
　ビーム輸送系２０は、複数の偏向電磁石２１と四極電磁石（図示省略）を備えており、シンクロトロン１１と照射ノズル２２に接続されている。また、ビーム輸送系２０の一部と照射ノズル２２は筒状のガントリー２５に設置されており、ガントリー２５と共に回転することができる。シンクロトロン１１から出射された陽子線は、ビーム輸送系２０内を通過しながら四極電磁石によって収束し、偏向電磁石２１によって方向を変えて照射ノズル２２に入射する。
　照射ノズル２２は２対の走査電磁石と、線量モニタと、位置モニタ（いずれも図示省略）とを備えている。２対の走査電磁石は、互いに直交する方向に設置されており、標的の位置においてビーム軸に垂直な面内の所望の位置に陽子線が到達するように陽子線を偏向することができる。線量モニタは照射された陽子線の量を計測する。位置モニタは陽子線が通過した位置を検出することができる。照射ノズル２２を通過した陽子線は照射対象２６内の標的に到達する。なお、癌などの患者を治療する場合、照射対象２６は患者を表し、標的は腫瘍などを表す。
　照射対象２６を載せるベッドをカウチ２７と呼ぶ。カウチ２７は制御装置４０からの指示に基づき、直交する３軸の方向へ移動することができ、さらにそれぞれの軸を中心として回転することができる。これらの移動と回転により、照射対象２６の位置を所望の位置に移動することができる。
　制御装置４０は、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２、動体追跡制御装置４１、カウチ２７、記憶装置４２、コンソール４３などと接続されており、これらの機器を制御する。
　動体追跡装置３８は、マーカー２９の撮像画像Ａ６１を撮像する撮像用Ｘ線発生装置２３ＡとＸ線測定器２４Ａおよびマーカー２９の撮像画像Ｂ６２を撮像する撮像用Ｘ線発生装置２３ＢとＸ線測定器２４Ｂとからなる２対のＸ線撮像装置と、動体追跡制御装置４１とを備える。
　撮像用Ｘ線発生装置２３ＡおよびＸ線測定器２４Ａと撮像用Ｘ線発生装置２３ＢおよびＸ線測定器２４Ｂとの２組は、それぞれのＸ線の経路が交差するように設置されている。なお、２対の撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢとＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂは、互いに直交する方向に設置されることが好ましいが、直交していなくてもよい。また、撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢおよびＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂは、必ずしもガントリー２５の内部に配置されている必要はなく、天井や床などの固定された場所に配置されていても良い。
　動体追跡制御装置４１は、Ｘ線撮像装置から入力される信号に基づいて、マーカー２９の位置を演算し、その上で、マーカー２９の位置に基づいて陽子線の出射を許可するか否かを判定し、陽子線の照射の可否の信号を制御装置４０に対して送信する。
　より具体的には、動体追跡制御装置４１は、図２に示すように、撮像用Ｘ線発生装置２３Ａから発生させたＸ線をマーカー２９に照射し、マーカー２９を通過したＸ線の２次元線量分布をＸ線測定器２４Ａによって測定することでマーカー２９を撮像するとともに、撮像用Ｘ線発生装置２３Ｂから発生させたＸ線をマーカー２９に照射し、マーカー２９を通過したＸ線の２次元線量分布をＸ線測定器２４Ｂによって測定することでマーカー２９を撮像する。動体追跡制御装置４１は、取得した２つの撮像画像から照射対象２６内に埋め込まれたマーカー２９の３次元位置を演算し、その結果に基づいてマーカー２９の位置に基づいて陽子線の出射を許可するか否かを判定する。例えば、動体追跡制御装置４１は、マーカー２９の位置から求めた標的の位置が予め指定したゲート範囲（照射許可範囲）に入っているか否かを判定し、標的の位置がゲート範囲に入っていると判定された場合はゲートオン信号を制御装置４０に対して送信して出射を許可する。これに対し標的の位置がゲート範囲に入っていないと判定された場合は、ゲートオフ信号を送信して出射を許可しない。
　Ｘ線撮像装置による撮像画像の取得は、例えば３０Ｈｚの一定間隔で実施される。取得した撮像画像には体内に埋め込まれたマーカー２９が写っており、予め用意したマーカー２９のテンプレート画像とのテンプレートマッチングによりマーカー２９の照射対象２６内における位置を特定する。撮像画像の全範囲を探索すると探索に時間を要するため、ひとつ前の撮像画像におけるマーカー２９の位置を中心として予め定められた大きさの範囲内でのみマーカー２９の位置を探索する。
　図３にテンプレートマッチングにより検出したマーカー２９のＸ線測定器２４Ａ上における位置と撮像用Ｘ線発生装置２３Ａとを結ぶ線２８Ａおよびマーカー２９のＸ線測定器２４Ｂ上における位置と撮像用Ｘ線発生装置２３Ｂとを結ぶ線２８Ｂを示す。この２本の線は、理想的には１点で交わり、その交点がマーカー２９の存在する位置である。
　しかし、実際には、テンプレートマッチングの精度やＸ線撮像装置の設置誤差などの影響から、通常２本の線は交わらずにねじれの関係にある。このねじれの関係にある２本の線が最も接近する位置には共通の垂線を引くことができる。この共通の垂線を共通垂線３０と呼ぶ。テンプレートマッチングでは、この共通垂線３０の中点をマーカー２９の位置としている。
　ここで、少なくとも片方の撮像画像上でマーカー２９を正しく検出していない場合、共通垂線は長くなる。これを利用して、共通垂線３０の長さが予め設定した閾値を超えた場合、マーカー２９を正確に検出できていない可能性が高いとして、動体追跡制御装置４１はマーカー２９の位置がゲート範囲内にある場合でもゲートオフ信号を制御装置４０に送信して陽子線の照射を停止させている。
　本実施例の動体追跡制御装置４１の特徴は、このマーカー２９を検出する方法にある。テンプレートマッチングでは、予め用意したマーカー２９のテンプレート画像と撮像画像とを比較してマッチングスコアと呼ばれるテンプレート画像との類似度を計算する。マッチングスコアには規格化相互相関などの類似度が使用される。このマッチングスコアが高いほど探索中の撮像画像とテンプレート画像とが一致していることを表す。
　一般的な方法では、撮像画像の探索範囲内からマッチングスコアが最も高い位置をマーカー２９の位置として検出していた。
　ここで、規格化相互相関などのマッチングスコアは、画素値の相対分布形状がテンプレート画像と似ていれば、画素値の絶対値が異なっていても類似度が高くなる。そのため、探索領域内にマーカー２９と似た構造３９の部分があると、その位置のマッチングスコアが高くなるため、その場所をマーカー２９と見誤る恐れがあることが明らかになった。
　図４Ａおよび図４Ｂを用いて一般的な方法を具体的に説明する。図４Ａはマーカー２９の付近にマーカー２９に似た構造３９がある場合の撮像画像を表し、図４Ａに示す撮像画像の点線上の画素値の分布を図４Ｂに示す。実際のテンプレート画像は二次元の画像であるが、図４Ａでは簡易的に１次元の画素値分布のテンプレート画像を示した。
　図４Ａおよび図４Ｂに示すように、テンプレートマッチングでは、撮像画像の画素値の分布とテンプレート画像との類似度を評価している。しかし、規格化相互相関のような画素値の絶対値に結果が影響を受けないマッチングスコアを使用する場合、図４Ａに示すようなマーカー２９に似た構造３９の部分も、図４Ｂに示すように、画素値の変化がテンプレートに類似する。このため、マッチングスコアが高くなる。このような場合、マーカー２９に似た構造３９の部分をマーカー２９と誤検出してしまう恐れがある。
　そこで、本実施例の動体追跡制御装置４１では、画素値の絶対値が異なるマーカー２９に似た構造３９への誤検出を防ぐために、撮像画像に諧調処理を実施してからマーカー２９の位置を判定する。この本実施例における諧調処理とは、特定の画素値の範囲（ウィンドウ）を設定し、ウィンドウ上限の画素値より大きい画素は上限の画素値に変換し、ウィンドウ下限の画素値より小さい画素は下限の画素値に変換する画像処理のことを言う。
　オペレータは、図５に示すような諧調処理のウィンドウを設定する。ウィンドウの設定は、オペレータがコンソール４３を操作して実施してもよいし、予め陽子線を照射する照射対象２６の照射野ごとに設定値を記憶装置４２に記憶しておき、記憶された設定値を適用してもよい。本実施例ではオペレータがコンソール４３の操作によりウィンドウを設定する方法を説明する。その詳細は後述する。
　図４Ａに示した撮像画像に対して諧調処理を行った後の撮像画像を図６Ａに、図６Ａに示す諧調処理後の撮像画像の点線上の画素値の分布を図６Ｂに示す。図６Ａに示すように、マーカー２９に似た構造３９の画素値は諧調処理のウィンドウの外側にあるため、諧調処理後の撮像画像にはマーカー２９に似た構造３９は見られない。そのため、図６Ｂに示したとおり、諧調処理のウィンドウの外側の領域は均一な画素値となり、パターンマッチングによるマッチングスコアは小さくなる。そのため、マーカー２９に似た構造３９をマーカー２９と誤検出してしまう可能性を低減することができる。
　上述の本実施例の陽子線照射システムは、スポットスキャニング法と呼ばれる照射方法を採用したものである。スポットスキャニング法は、細い陽子線が形成する線量分布を並べて標的の形状に合わせた線量分布を形成する方法である。陽子線は、体内でエネルギーを損失しながら進み、停止直前にエネルギー損失が最大になる特徴がある。このエネルギー損失による線量分布の形状は、ブラッグカーブと呼ばれ、飛程終端にピークを有する。陽子線がピークを形成する深さは、陽子線のエネルギーを変更することにより調整することができる。また、陽子線が形成するビーム軸に垂直な方向の線量分布形状は、概ね正規分布である。ビーム軸に垂直な方向の線量分布を形成する位置は、走査電磁石により陽子線を走査することにより調整することができる。エネルギーの変更と走査電磁石による走査を組み合わることで標的全体に一様な線量分布を形成することができる。
　図１に戻り、記憶装置４２には治療計画装置などにより作成された照射のためのパラメータが保存されており、制御装置４０は、照射前に記憶装置４２から必要な情報を受信する。
　コンソール４３は、制御装置４０や動体追跡制御装置４１と接続されており、制御装置４０と動体追跡制御装置４１から取得した信号に基づいて画面上に情報を表示する。また、コンソール４３は、陽子線照射システムを操作するオペレータからの入力を受け取り、制御装置４０と動体追跡制御装置４１に様々な制御信号を送信する。例えば、コンソール４３は、Ｘ線撮像装置によって得られた撮像画像やマーカー２９の追跡状況を表示する。また、コンソール４３から、マーカー２９の追跡に必要なパラメータを設定することができる。
　図７に、コンソール４３に表示される動体追跡制御装置４１に関係する動体追跡用の画面を示す。図７に示すように、コンソール４３に表示される画面上には、Ｘ線測定器２４Ａから得られた撮像画像Ａ６１およびＸ線測定器２４Ｂから得られた撮像画像Ｂ６２が表示される。更に、画面上には撮像画像Ａ６１に対する諧調処理を実施する画素値範囲を入力するためのウィンドウ設定部６３および撮像画像Ｂ６２に対する諧調処理を実施する画素値範囲を入力するためのウィンドウ設定部６４が表示される。動体追跡制御装置４１は、コンソール４３に表示されたウィンドウ設定部６３，６４で入力された画素値範囲に基づいて諧調処理を実施する。
　なお、図７には諧調処理を実施する画素値範囲を指定するウィンドウ設定方法として、ウィンドウレベルならびにウィンドウ幅を設定するスライドバーを示したが、別の設定手段をとることも可能である。別の設定手段としては、例えば、ウィンドウの最大画素値ならびに最小画素値を設定するスライドバーや、それらを数値として直接入力する機能が考えられる。オペレータのウィンドウ設定の変更に応じて撮像画像Ａ６１や撮像画像Ｂ６２の表示は変更される。オペレータは画面上の撮像画像Ａ６１および撮像画像Ｂ６２を見ながら、マーカー２９が見えやすくなるように諧調処理のウィンドウを調整する。
　次に、陽子線を照射する場合の手順について説明する。
　最初に、カウチ２７の上に照射対象２６を固定する。その後、カウチ２７を動かして照射対象２６を予め計画した位置に移動する。この際、Ｘ線撮像装置を用いて撮像画像を撮像することにより、照射対象２６が予め計画した位置に移動したことを確認する。
　オペレータによりコンソール４３上の照射準備ボタンが押下されると、制御装置４０は、記憶装置４２からガントリー角度とエネルギーとスポットの情報を読み込む。読み込んだガントリー角度に合わせて、オペレータは、コンソール４３からガントリー回転ボタンを押下しガントリー２５を回転させる。
　ガントリー２５の回転後、オペレータはコンソール４３から撮像開始ボタン５０を押下して動体追跡制御装置４１にＸ線撮像を開始させる。オペレータはふたつのＸ線撮像装置に対応するふたつの撮像画像を見て、マーカー２９が見えやすくなるように諧調処理のウィンドウを調整する。ウィンドウの設定はオペレータがコンソール４３に表示されるウィンドウ設定部６３，６４を操作することで実施する。
　諧調処理完了後、オペレータは追跡したいマーカー２９を画面上で選択することにより、それぞれの撮像画像上でマーカー２９の追跡を開始する。マーカー２９の追跡にはテンプレートマッチングを用いる。テンプレートマッチングでは、予めテンプレート画像として登録されたマーカー２９画像のパターンに最も合う位置を撮像画像上で探索する。それぞれの撮像画像上でマッチングスコアが最大の位置をマーカー２９として検出し追跡する。
　ふたつのＸ線撮像装置に対応するふたつの撮像画像上で追跡の開始を確認した後、ゲート範囲を設定し、ゲートスタートボタン５１を押下する。ゲートスタートボタン５１の押下により、マーカー２９の位置がゲート範囲内にあれば動体追跡制御装置４１から制御装置４０に向けてゲートオン信号が送信される。なお、オペレータがコンソール４３の画面上を確認して、意図したマーカー２９を追跡していないと判断した場合には、オペレータが修正することもできる。
　オペレータがコンソール４３上の照射開始ボタンを押下すると、制御装置４０は、記憶装置４２から読み込んだエネルギーとスポットの情報に基づき、最初に照射するエネルギーまで陽子線を加速する。
　具体的には、制御装置４０は、イオン源１２とライナック１３を制御して、イオン源１２で発生させた陽子線をライナック１３により前段加速し、シンクロトロン１１へ入射させる。
　次いで、制御装置４０は、シンクロトロン１１を制御して、入射した陽子線を最初に照射するエネルギーまで加速する。シンクロトロン１１を周回する陽子線は、高周波加速装置１８からの高周波により加速される。制御装置４０は、最初に照射するエネルギーの陽子線がシンクロトロン１１から照射ノズル２２へ到達できるようにビーム輸送系２０の偏向電磁石２１と四極電磁石の励磁量を制御する。また、記憶装置４２からのスポット情報にある最初に照射するスポット位置に陽子線が到達するように照射ノズル２２内の２台の走査電磁石の励磁量を設定する。
　これらの設定が完了した後、動体追跡制御装置４１から制御装置４０がゲートオン信号を受信していれば陽子線の照射を開始する。また、ゲートオフ信号を受信していれば、ゲートオン信号を受信するまで待機する。
　ゲートオン信号を受信した後、制御装置４０は高周波出射装置１９に高周波を印加して陽子線の出射を開始する。高周波出射装置１９に高周波が印加されるとシンクロトロン１１内を周回する陽子線の一部が出射用デフレクタ１７を通過してビーム輸送系２０を通過し照射ノズル２２に到達する。照射ノズル２２に到達した陽子線は２台の走査電磁石により走査され、線量モニタと位置モニタを通過して照射対象２６の標的に到達し線量分布を形成する。スポット毎の照射量は記憶装置４２からのスポット情報に登録されており、線量モニタが測定した照射量がスポット情報に登録された値に到達すると制御装置４０は出射用高周波を制御して陽子線の出射を停止する。陽子線の出射後、制御装置４０は位置モニタが測定した陽子線の位置情報から標的位置での陽子線の到達位置を計算し、スポット情報に登録された位置と一致することを確認する。
　制御装置４０は次のスポットを照射するため、スポット情報に登録されている位置に陽子線が到達するように走査電磁石の励磁量を設定する。設定完了後、ゲートオン信号を受信し続けていれば制御装置４０は出射用高周波を制御して陽子線の出射を開始する。ゲートオフ信号を受信していれば、ゲートオン信号を受信するまで待機する。あるスポットの照射の途中でゲートオフ信号を受信した場合には、照射中のスポットの照射が完了するまでは陽子線の出射を継続する。
　スポットの照射を繰り返し、最初のエネルギーで照射するスポットの照射を全て完了すると、制御装置４０はシンクロトロン１１を制御して陽子線を減速させ、次のエネルギーの陽子線の照射準備を開始する。制御装置４０は、最初のエネルギーの場合と同様に、イオン源１２とライナック１３を制御して陽子線をシンクロトロン１１に入射させ、シンクロトロン１１を制御して２番目のエネルギーまで陽子線を加速する。制御装置４０は、ビーム輸送系２０と走査電磁石を制御してスポットの照射を継続する。
　以上の動作を繰り返し、記憶装置４２から読み込んだ全てのスポットを照射する。照射が完了すると、制御装置４０から動体追跡制御装置４１に照射完了信号が送信される。照射完了信号を受信した動体追跡制御装置４１は撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３Ｂを制御してＸ線の撮像を停止する。
　標的を複数の方向から照射する場合、ガントリー２５の角度とカウチ２７の位置を変更した後、オペレータが照射準備ボタンを押下して陽子線の照射を同様に繰り返す。
　次に、本実施例の効果について説明する。
　上述した本発明の動体追跡装置および放射線照射システムの実施例１では、動体追跡制御装置４１は、撮像画像Ａ６１、撮像画像Ｂ６２に対して諧調処理を実施し、この諧調処理実施後の撮像画像Ａ６１、撮像画像Ｂ６２を用いてマーカー２９の位置を計測し、このマーカー２９の位置に基づき放射線の照射を制御する信号を生成する。
　以上のような構成により、マーカー２９の近くにマーカー２９に似た構造３９が存在する場合でも、動体追跡装置３８はマーカー２９を見失うことなく継続して追跡することができる。このようにマーカー２９を見失う頻度が低減することにより、マーカー２９を見失った場合にオペレータが動体追跡装置３８にマーカー２９を再検出させるための手間を省略することができ、よって照射時間を短縮することが可能である。また、照射時間が短くなることにより、Ｘ線の撮像回数を削減することができ、照射対象２６の被ばく線量の低減も図ることができる。更に、撮像画像の質が低下した場合にもマーカー２９を追跡できるため、Ｘ線撮像装置におけるＸ線の強度を低下させてもマーカー２９の追跡を行うことができ、同様に照射対象２６の被ばく線量の低減を図ることができる。
　また、諧調処理を実施する画素値範囲を入力するためのウィンドウ設定部６３，６４を更に備え、動体追跡制御装置４１は、ウィンドウ設定部６３，６４で入力された画素値範囲に基づいて諧調処理を実施するため、オペレータがコンソール４３に表示された撮像画像を確認しながら諧調処理を実施する画素値範囲を決定することができ、高い精度での諧調処理を実施することができる。よって、マーカー２９を見失う頻度をより低減することができる。
　更に、２つの撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３Ｂと２つのＸ線測定器２４Ａ，２４ＢからなるＸ線撮像装置は、マーカー２９の撮像画像Ａ６１、撮像画像Ｂ６２を異なる２方向から撮像することで、照射対象２６内のマーカー２９の３次元位置を高い精度で求めることができる。
　また、諧調処理として、特定の画素値の範囲を設定し、画素値の範囲より大きい画素を範囲の上限の画素値に変換し、画素値の範囲より小さい画素を範囲の下限の画素値に変換することにより、マーカー２９に似た構造３９をマーカー２９と誤検出してしまう可能性をより低減することができる。
　また、動体追跡装置３８は、マーカー２９の位置が予め指定した範囲内にあるときに制御装置４０に対して放射線の出射を許可する信号を出力することにより、照射対象２６内の標的に対する放射線の照射精度を高めることができる。
　＜実施例２＞　
　本発明の動体追跡装置および放射線照射システムの実施例２を説明する。図１乃至図７と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。以下の実施例においても同様とする。
　本発明の第二の実施例の動体追跡装置および放射線照射システムと第一の実施例との違いは、撮像画像に実施する諧調処理のウィンドウの設定方法にある。
　通常、放射線治療では、一人の患者を治療するために、複数日に渡って同一の照射を繰り返す。ここで、患者の体型は治療日の数日の間に大きく変化することは少ない。このため、治療日が異なっても、同じ照射角度であれば、マーカー２９を追跡するために取得する撮像画像の画素値は大きく変化しない。そのため、本実施例では、動体追跡制御装置４１は、諧調処理における画素値範囲を前日までの治療時に設定した諧調処理のウィンドウを用いて設定し、この設定を用いて照射する当日の諧調処理を実施する。以下に具体的に説明する。
　まず、初日の治療時は第一の実施例と同様の手法等によってオペレータが諧調処理のウィンドウを設定する。その際、照射野毎に設定したウィンドウの情報は記憶装置４２に記憶される。
　２日目の治療では、オペレータがコンソール４３から撮像開始ボタン５０を押下して動体追跡制御装置４１にＸ線撮像を開始させた時点で、記憶装置４２に記憶された情報に基づいて前日の諧調処理のウィンドウを設定した撮像画像を画面上に表示する。その際、オペレータは撮像画像を確認し、必要に応じてウィンドウを調整する。２日目のウィンドウの情報も記憶装置４２に記憶される。諧調処理完了後の治療は第一の実施例と同様に実施される。
　３日目以降も同様に、記憶装置４２に記憶された情報に基づいて前日のウィンドウを設定して撮像画像に諧調処理を実施する。
　なお、上述した以外の構成は実施例１の動体追跡装置や放射線照射システムと略同じ構成であり、また、マーカー２９の位置に基づきゲート信号を生成し、分布形成用放射線の照射・停止を制御する方法は実施例１と同様であるため、詳細は省略する。
　本実施例の動体追跡装置および放射線照射システムにおいても、前述した実施例１の動体追跡装置および放射線照射システムと同様の効果が得られる。
　また、動体追跡制御装置４１は、諧調処理における画素値範囲を、マーカー２９を撮像した撮像画像Ａ６１、撮像画像Ｂ６２に対して以前行った諧調処理のパラメータを記憶装置４２に記憶し、記憶装置４２の情報に基づいて決定することにより、照射条件がほぼ変化しない２日目以降の照射を速やかに開始することができ、照射時間の更なる短縮化を図ることができる。
　なお、上記の説明では、２日目以降の諧調処理の際に、前日のウィンドウ設定をそのまま引き継ぐ場合について説明したが、例えば、初日から前日までの平均値を設定しても良いし、直前の数日間の移動平均を設定しても良い。
　＜実施例３＞　
　本発明の動体追跡装置および放射線照射システムの実施例３を図８Ａ乃至図８Ｃを用いて説明する。
　本発明の第三の実施例の動体追跡装置および放射線照射システムと第一の実施例や第二の実施例との違いは、撮像画像に実施する諧調処理のウィンドウの設定方法にある。
　上述のように、動体追跡に使用するマーカー２９も、標的と同様に患者の呼吸や拍動などの影響で体内を移動する。このような移動の間に、マーカー２９が撮像用Ｘ線の照射方向から見て骨などの水等価厚が大きい部分の裏側に移動した場合、撮像Ｘ線の透過量が減ることがある。このような場合、マーカー２９の画素値は低下する。逆に、水等価厚が小さい部分に移動した場合は、撮像Ｘ線の透過量が増えることにより、マーカー２９の画素値は増大する。
　このように、マーカー２９の画素値はマーカー２９の移動により変化する。しかし、諧調処理のウィンドウが固定されていた場合、マーカー２９の移動により、マーカー２９の画素値が諧調処理のウィンドウの範囲外に出てしまう可能性がある。マーカー２９の画素値が諧調処理のウィンドウ外に出た場合、マッチングスコアが低下するためマーカー２９の３次元位置の誤検出が起こる恐れがある。
　そこで、本実施例では、評価する対象の撮像画像Ａ６１、撮像画像Ｂ６２より前にマーカー２９が撮像された撮像画像Ａ６１，撮像画像Ｂ６２に基づき諧調処理のウィンドウを調整する。図８Ａ乃至図８Ｃを用いて具体的に説明する。図８Ａはマーカー２９追跡開始時の画像を示す図であり、図８Ｂはマーカー２９追跡開始から２フレーム目の画像を示す図、図８Ｃはマーカー２９追跡開始から３フレーム目の画像を示す図である。
　まず、マーカー２９の追跡を始めるために、オペレータはコンソール４３から撮像開始ボタン５０を押下して動体追跡制御装置４１にＸ線撮像を開始させる。オペレータはふたつのＸ線撮像装置に対応するふたつの撮像画像を見て、マーカー２９が見えやすくなるようにコンソール４３に表示されるウィンドウ設定部６３，６４を操作して諧調処理のウィンドウを調整する。
　諧調処理完了後、オペレータが追跡したいマーカー２９を画面上で選択することにより、それぞれの諧調処理された撮像画像上でマーカー２９の追跡を開始する。オペレータがマーカー２９を選択した時点で、動体追跡制御装置４１は、図８Ａに示すような諧調処理のウィンドウ上限の画素値Ｗｔ１、ウィンドウ下限の画素値Ｗｂ１、マーカー２９のピーク位置の画素値Ｍ１を記憶する。以降では、マーカー２９追跡開始からｎフレーム目の撮像画像において、諧調処理のウィンドウの上限と下限をそれぞれＷｔｎ、Ｗｂｎ、マーカー２９のピーク位置の画素値Ｍｎとする。
　例えば、図８Ｂに示すようなマーカー２９の追跡開始から２フレーム目の撮像画像に対しては、諧調処理のウィンドウは１フレーム目の撮像画像と同等とする。つまり、Ｗｔ２＝Ｗｔ１、Ｗｂ２＝Ｗｂ１である。
　図８Ｃに示すように、マーカー２９の追跡開始から３フレーム目以降の撮像画像に対しては、ピークとウィンドウの画素値間隔を１フレーム目の状態を維持するようにウィンドウの上下限の画素値を補正する。つまり、３フレーム目の撮像画像に対しては、Ｗｔ３＝Ｍ２＋（Ｗｔ１－Ｍ１）、Ｗｂ３＝Ｍ２－（Ｍ１－Ｗｂ１）とする。すなわち、ｎフレーム目の撮像画像に対しては、Ｗｔｎ＝Ｍｎ－１＋（Ｗｔ１－Ｍ１）、Ｗｂｎ＝Ｍｎ－１－（Ｍ１－Ｗｂ１）と設定した状態で諧調処理を実施する。
　なお、本実施例でも、上述した以外の構成は実施例１の動体追跡装置や放射線照射システムと略同じ構成であり、また、マーカー２９の位置に基づきゲート信号を生成し、分布形成用放射線の照射・停止を制御する方法は実施例１と同様であるため、詳細は省略する。
　本実施例の動体追跡装置および放射線照射システムにおいても、前述した動体追跡装置および放射線照射システムの第１の実施例と同様の効果が得られる。
　また、動体追跡制御装置４１は、諧調処理における画素値範囲を、諧調処理を行う対象の撮像画像Ａ６１、撮像画像Ｂ６２より前にマーカー２９を撮像した撮像画像Ａ６１、撮像画像Ｂ６２の情報に基づいて決定することにより、マーカー２９の移動によるマーカー２９部分の画素値の変動が起こる場合であっても、諧調処理のウィンドウがそれに追従して補正されるため、マーカー２９の画素値が諧調処理のウィンドウの範囲外に出てしまう可能性、すなわちマーカー２９を見失う可能性をより低減することができる。
　なお、上記の説明では、１フレーム目の諧調処理のウィンドウ設定はオペレータが実施する場合について説明したが、第二の実施例のように前日までの治療時の情報に基づき自動で設定しても、本実施例に示したウィンドウの補正は効果がある。
　また、上記の説明では、ピークとウィンドウの画素値間隔を一定にするようにウィンドウの上下限を補正する場合について説明したが、必ずしもピークとウィンドウの上下限を一定に保つ必要はない。例えば、ウィンドウの下限は固定し、ウィンドウの上限とピークの画素値範囲を一定に保つようにしても良い。また、ウィンドウの上限は固定し、ウィンドウの下限とピークの画素値範囲を一定に保つようにしても良い。
　また、上記の説明では、ピークの上限と下限の画素値間隔Ｗｔｎ－Ｗｂｎを一定にするようにウィンドウの上下限を補正する場合について説明したが、必ずしもＷｔｎ－Ｗｂｎを一定にする必要はなく、マーカー２９の移動に合わせて補正しても良い。
　＜その他＞　
　なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記の実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
　例えば、上述の実施例では２台のＸ線撮像装置を用いて標的を撮像する場合を例に説明したが、Ｘ線撮像装置は必ずしも２台である必要はない。例えば、１台のＸ線撮像装置を移動させることによって、追跡対象の撮像画像を異なる２方向から撮像してもよい。
　上述の実施例では球形のマーカー２９の位置に基づいてゲート照射を実施する場合を例に説明したが、マーカー２９の形状はコイル状であってもよい。また、追跡対象をマーカー２９とした場合について説明したが、追跡対象はマーカー２９に限られず、マーカー２９を使用することなく標的を直接検出してもよい。または、追跡対象は照射対象２６内の高密度領域、例えば肋骨等の骨などとすることができる。
　また、照射方法は、ゲート照射の代わりにマーカー２９などの位置に基づいて照射位置を追尾する追尾照射であってもよい。例えばＸ線の追尾照射では、標的の動きに合わせて分布形成用Ｘ線発生装置の向きを変更し、標的の動きに合わせてＸ線の照射位置を変更する。粒子線の場合にも走査電磁石の励磁量を標的の位置に合わせて調整することにより追尾照射をすることができる。
　撮像用Ｘ線も放射線の一種ではあるが、線量分布を形成する目的での使用はしないため、本明細書では、撮像用Ｘ線以外の放射線の総称として分布形成用放射線を用いている。
　更に、上述の実施例では陽子線照射システムを例に説明したが、本発明の放射線照射システムは、炭素線などの陽子線以外の粒子線、Ｘ線、電子線などを照射するシステムに対しても同様に適用することができる。例えば、Ｘ線を用いた場合、放射線照射装置はＸ線発生装置、ビーム輸送系、照射ノズルから構成される。
　また、粒子線照射装置の場合、上述の実施例で説明したスポットスキャニング法の他、粒子線を停止することなく細い粒子線を照射するラスタースキャニング法やラインスキャニング法にも同様に適用することができる。また、スキャニング法の他、ワブラー法や二重散乱体法など粒子線の分布を広げた後、コリメータやボーラスを用いて標的の形状に合わせた線量分布を形成する照射方法にも本発明を適用することができる。
　また、粒子線照射システムの場合、粒子線発生装置には上述の実施例で説明したシンクロトロン１１のほかにサイクロトロンであってもよい。
１０：陽子線発生装置
１１：シンクロトロン
１２：イオン源
１３：ライナック
１４：偏向電磁石
１７：出射用デフレクタ
１８：高周波加速装置
１９：高周波出射装置
２０：ビーム輸送系
２１：偏向電磁石
２２：照射ノズル
２３Ａ，２３Ｂ：撮像用Ｘ線発生装置
２４Ａ，２４Ｂ：Ｘ線測定器
２５：ガントリー
２６：照射対象
２７：カウチ
２９：マーカー
３０：共通垂線
３８：動体追跡装置
３９：マーカーに似た構造
４０：制御装置
４１：動体追跡制御装置
４２：記憶装置
４３：コンソール
５０：撮像開始ボタン
５１：ゲートスタートボタン
６１：撮像画像Ａ
６２：撮像画像Ｂ
６３：ウィンドウ設定部
６４：ウィンドウ設定部

Claims (11)

  1. 　追跡対象の撮像画像を撮像するＸ線撮像装置と、
    　前記Ｘ線撮像装置によって撮像された撮像画像から、前記追跡対象の位置を求める動体追跡制御装置とを備えた動体追跡装置であって、
    　前記動体追跡制御装置は、前記撮像画像に対して諧調処理し、前記諧調処理後の撮像画像を用いて前記追跡対象の位置を求める
    　ことを特徴とする動体追跡装置。
  2. 　請求項１に記載の動体追跡装置において、
    　前記動体追跡制御装置は、追跡対象の移動に応じて、諧調処理の画素値範囲を変える
    　ことを特徴とする動体追跡装置。
  3. 　請求項１に記載の動体追跡装置において、
    　前記諧調処理する画素値範囲を入力するためのウィンドウ設定部を備え、
    　前記動体追跡制御装置は、前記ウィンドウ設定部で入力された画素値範囲に基づいて前記諧調処理する
    　ことを特徴とする動体追跡装置。
  4. 　請求項１に記載の動体追跡装置において、
    　前記動体追跡制御装置は、前記諧調処理における画素値範囲を、記憶装置に記憶された前記追跡対象の諧調処理のパラメータを用いて決定する
    　ことを特徴とする動体追跡装置。
  5. 　請求項２に記載の動体追跡装置において、
    　前記画素値範囲は、前記諧調処理を行う対象の撮像画像より前に前記追跡対象を撮像した撮像画像の前記画素値範囲の上限の画素値と、前記画素値範囲の下限の画素値と、追跡対象のピーク位置の画素値より決定する
    　ことを特徴とする動体追跡装置。
  6. 　請求項２に記載の動体追跡装置において、
    　前記動体追跡制御装置は、前記画素値範囲が設定されると、前記画素値範囲の上限より大きい画素を前記画素値範囲の上限の画素値に変換し、前記画素値範囲の下限より小さい画素を前記画素値範囲の下限の画素値に変換する
    　ことを特徴とする動体追跡装置。
  7. 　請求項１に記載の動体追跡装置において、
    　前記動体追跡制御装置は、求めた前記追跡対象の位置に基づき放射線の照射を制御する信号を生成する
    　ことを特徴とする動体追跡装置。
  8. 　請求項１に記載の動体追跡装置において、
    　前記Ｘ線撮像装置は、前記追跡対象の撮像画像を異なる２方向から撮像する
    　ことを特徴とする動体追跡装置。
  9. 　請求項１に記載の動体追跡装置において、
    　前記追跡対象は、標的を識別するためのマーカー、前記標的、高密度領域の何れかである
    　ことを特徴とする動体追跡装置。
  10. 　標的に対して放射線を照射するための放射線照射装置と、
    　この放射線照射装置を制御する照射制御装置と、
    　請求項１に記載の動体追跡装置とを備え、
    　前記照射制御装置は、前記動体追跡装置が生成する信号に基づき、治療用放射線を制御する
    　ことを特徴とする放射線照射システム。
  11. 　請求項１０に記載の放射線照射システムにおいて、
    　前記動体追跡装置は、前記追跡対象の位置が予め指定した範囲内にあるときに前記照射制御装置に対して放射線の出射を許可する信号を出力する
    　ことを特徴とする放射線照射システム。
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