特開 2021-153952 精度検証装置、放射線治療システム、精度検証方法及びコンピュータプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2021-153952(P2021-153952A)

(43)【公開日】2021年10月7日

(54)【発明の名称】精度検証装置、放射線治療システム、精度検証方法及びコンピュータプログラム

(51)【国際特許分類】

   A61N 5/10 20060101AFI20210910BHJP

【ＦＩ】

   A61N5/10 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2020-58288(P2020-58288)

(22)【出願日】2020年3月27日

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(71)【出願人】

【識別番号】504173471

【氏名又は名称】国立大学法人北海道大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000279

【氏名又は名称】特許業務法人ウィルフォート国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 康一

(72)【発明者】

【氏名】梅垣 菊男

(72)【発明者】

【氏名】宮本 直樹

(72)【発明者】

【氏名】梅川 徹

(72)【発明者】

【氏名】藤井 孝明

【テーマコード（参考）】

4C082

【Ｆターム（参考）】

4C082AC02

4C082AC04

4C082AC05

4C082AE01

4C082AP07

4C082AP08

(57)【要約】

【課題】患者毎・透視角度毎に患部位置の算出精度を検証することを可能にする。
【解決手段】放射線治療システム１００に適用され、患者２をＸ線透視により撮影した患者透視画像を取得し、患者透視画像から動体追跡装置６０の追跡対象の位置を算出する精度検証装置１０は、追跡対象を模擬した追跡対象模型をＸ線透視により撮影した模型透視画像と、患者透視画像と、を合成することで合成透視画像を作成し、合成透視画像に基づき動体追跡装置６０の追跡対象の追跡位置精度を算出する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

放射線治療システムに適用され、患者をＸ線透視により撮影した患者透視画像を取得し、前記患者透視画像から動体追跡装置の追跡対象の位置を算出する精度検証装置であって、
前記追跡対象を模擬した追跡対象模型をＸ線透視により撮影した模型透視画像と、前記患者透視画像と、を合成することで合成透視画像を作成し、
前記合成透視画像に基づき前記動体追跡装置の前記追跡対象の追跡位置精度を算出することを特徴とする精度検証装置。

【請求項2】

前記患者体内におけるＸ線の減衰を表すパラメータと、前記追跡対象模型内におけるＸ線の減衰を表すパラメータと、を用いて前記合成透視画像を算出することを特徴とする請求項１に記載の精度検証装置。

【請求項3】

前記患者体内におけるＸ線の減衰を表すパラメータと、前記追跡対象模型内におけるＸ線の減衰を表すパラメータと、ビームハードニングの効果を表すパラメータと、を用いて前記合成透視画像を算出することを特徴とする請求項１に記載の精度検証装置。

【請求項4】

前記患者体内におけるＸ線の減衰を表すパラメータと、前記追跡対象模型内におけるＸ線の減衰を表すパラメータと、前記患者体内における前記追跡対象のＸ線の減衰を表すパラメータと、を用いて前記合成透視画像を算出することを特徴とする請求項１に記載の精度検証装置。

【請求項5】

前記合成透視画像にノイズ効果を付与することを特徴とする請求項１に記載の精度検証装置。

【請求項6】

前記追跡位置精度を透視パラメータごとに算出することを特徴とする請求項１に記載の精度検証装置。

【請求項7】

前記追跡対象模型は患者毎に作成されることを特徴とする請求項１に記載の精度検証装置。

【請求項8】

前記追跡対象模型は３Ｄ造形装置を用いて作成されることを特徴とする請求項１に記載の精度検証装置。

【請求項9】

患者をＸ線透視により撮影した患者透視画像を取得し、前記患者透視画像から動体追跡装置の追跡対象の位置を算出する精度検証装置を備えた放射線治療システムであって、
前記精度検証装置は、
前記追跡対象を模擬した追跡対象模型をＸ線透視により撮影した模型透視画像と、前記患者透視画像と、を合成することで合成透視画像を作成し、
前記合成透視画像に基づき前記動体追跡装置の追跡対象の追跡位置精度を算出する
ことを特徴とする放射線治療システム。

【請求項10】

放射線治療システムに適用され、患者をＸ線透視により撮影した患者透視画像を取得し、前記患者透視画像から動体追跡装置の追跡対象の位置を算出する精度検証装置による精度検証方法であって、
前記追跡対象を模擬した追跡対象模型をＸ線透視により撮影した模型透視画像と、前記患者透視画像と、を合成することで合成透視画像を作成し、
前記合成透視画像に基づき前記動体追跡装置の前記追跡対象の追跡位置精度を算出することを特徴とする精度検証方法。

【請求項11】

放射線治療システムに適用され、患者をＸ線透視により撮影した患者透視画像を取得し、前記患者透視画像から動体追跡装置の追跡対象の位置を算出するコンピュータにより実行されるコンピュータプログラムであって、
前記追跡対象を模擬した追跡対象模型をＸ線透視により撮影した模型透視画像と、前記患者透視画像と、を合成することで合成透視画像を作成する機能と、
前記合成透視画像に基づき前記動体追跡装置の前記追跡対象の追跡位置精度を算出する機能と
を実現させるコンピュータプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、精度検証装置、放射線治療システム、精度検証方法及びコンピュータプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

Ｘ線または陽子線をはじめとする粒子線等の各種放射線を患部に照射する放射線治療が広く実施されている。放射線治療では、患部に対して放射線を正確に照射する必要がある。呼吸や心拍などの体内の動きにより患部の位置や形状が変化する場合、それらの変化に応じて照射する放射線を制御することが求められる。放射線を高精度に照射する方法として、動体追跡放射線治療がある。

【0003】

動体追跡放射線治療では、Ｘ線等を用いて撮影した患者の透視画像から患部の位置を計測する。計測した患部の位置に応じて放射線の照射位置や照射タイミングを制御することで、患者体内の患部に対して放射線を正確に照射できる。

【0004】

透視画像から患部の位置を計測する方法として、患者体内に留置された金属マーカを追跡する方法がある。金属マーカは人体組織より密度が高く、透視画像に高コントラスト物体として映るため、テンプレートマッチング法などの手法により追跡できる。
また近年では金属マーカを用いずに透視画像から患部位置を算出するマーカレストラッキングと呼称される方法も提案されている。

【0005】

本技術分野の一般技術として、特許文献１に記載の技術がある。

【0006】

特許文献１には、「治療計画時に導出したターゲット位置を学習し、透視画像ＴＩにおけるターゲット位置の導出時に用いる変換パラメータＣＰと逆変換パラメータＲＣＰ、および透視画像における尤度導出に用いる尤度計算パラメータＬＰを導出する学習装置１１０と、治療ビームＢ照射時に取得する透視画像ＴＩと学習装置１１０の導出した各種パラメータを用いて、治療ビームＢ照射時に取得する透視画像ＴＩにおける尤度を用いてターゲット位置の導出を行う動体追跡装置１２０とによって、放射線治療において、照射中の患者Ｐの透視画像ＴＩからターゲットの位置を、高速・高精度に追跡することができる。」と記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１９−１８０７９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１では、患者のＣＴ画像を仮想投影したＤＲＲ画像（Digitally Reconstructed Radiograph）から機械学習により尤度計算パラメータを算出し、実際の患者の透視画像から尤度（患部が存在する位置であるという確からしさ）を算出する技術が記載されている。

【0009】

しかしながら、特許文献１に開示された技術には以下のような課題が存在する。

【0010】

すなわち、特許文献１に記載の技術では、患者毎・透視角度毎に患部位置の算出精度を検証する方法がない、との問題がある。

【0011】

体型や患部位置は患者毎に異なるため、透視画像に写る人体構造のコントラストや画像中のノイズ量は患者毎に変化する。また、患者を透視する透視角度によっては、尤度の算出に寄与しない人体構造が主として透視画像に写ってしまい、患部位置を正しく算出できない可能性がある。また、ＤＲＲ画像は患者のＣＴ画像を物理モデルに基づき仮想投影したものであり、ＣＴ画像の解像度の制限や物理モデルの不完全性などから、実際の透視画像とは画質が異なる。そのため、ＤＲＲ画像を使って学習したパラメータはＤＲＲ画像に対しては最適に近い値になっていると考えられるが、実際の患者の透視画像に対して最適でない可能性がある。このような理由から患部位置の算出精度は患者毎・透視角度毎に変化しうるが、その算出精度の変化量を知る方法はこれまで存在しなかった。

【0012】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたもので、患者毎・透視角度毎に患部位置の算出精度を検証することが可能な精度検証装置、放射線治療システム、精度検証方法及びコンピュータプログラムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記課題を解決すべく、本発明の一つの観点に従う精度検証装置は、放射線治療システムに適用され、患者をＸ線透視により撮影した患者透視画像を取得し、患者透視画像から追跡対象の位置を算出する精度検証装置であって、追跡対象を模擬した追跡対象模型をＸ線透視により撮影した模型透視画像と、患者透視画像と、を合成することで合成透視画像を作成し、合成透視画像に基づき 動体追跡装置の追跡対象の追跡位置精度を算出することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、患者毎・透視角度毎に患部位置の算出精度を検証することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態に係る放射線治療システムの全体概略構成を示す図である。

【図2】実施形態に係る精度検証装置の概略の機能構成を示す図である。

【図3】実施例に係る精度検証装置の造形部で作成した患部模型の一例を示す図である。

【図4】実施形態に係る精度検証装置による合成透視画像の作成方法の概略を示す図である。

【図5】実施例に係る精度検証装置の合成部で作成した合成透視画像と正解データの一例を示す図である。

【図6】実施形態に係る精度検証装置の処理フローの一例を示す図である。

【図7】実施形態に係る放射線治療システムによる動体追跡放射線治療の処理フローの一例を示す図である。

【図8】実施形態に係る精度検証装置を用いた実験の一例を示す図である。

【図9】実施形態に係る精度検証装置を用いた実験結果の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。

【0017】

なお、実施例を説明する図において、同一の機能を有する箇所には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

【0018】

図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。

【0019】

同一あるいは同様な機能を有する構成要素が複数ある場合には、同一の符号に異なる添字を付して説明する場合がある。ただし、これらの複数の構成要素を区別する必要がない場合には、添字を省略して説明する場合がある。

【0020】

実施形態に係る放射線治療システムについて、図１乃至図９を用いて説明する。

【0021】

最初に、放射線治療システム１００の全体構成について図１を用いて説明する。図１は本実施形態における放射線治療システムの全体概略構成を示す図である。

【0022】

図１において、放射線治療システム１００は、患者２内の患部３に対して炭素線等の重粒子線や陽子線からなる粒子線を照射するための装置である。この放射線治療システム１００は、加速器１０１、ビーム輸送装置１０２、患者２の位置決めが可能な治療台１、加速器１０１から供給された粒子線を患者２内の患部３に照射する放射線照射装置７を備えている。

【0023】

粒子線は、加速器１０１にて必要なエネルギーまで加速された後、ビーム輸送装置１０２により放射線照射装置７まで導かれる。加速器１０１は、シンクロトロン型加速器やサイクロトロン型加速器、他の様々な加速器とすることができる。

【0024】

放射線照射装置７は２対の走査電磁石と、線量モニタと、位置モニタとを備えている（いずれも図示省略）。２対の走査電磁石は、互いに直行する方向に設置されており、患部３の位置においてビーム軸に垂直な面内の所望の位置に粒子線が到達するように粒子線を偏向することができる。線量モニタは照射された粒子線の量を計測する。位置モニタは粒子線が通過した位置を検出する。放射線照射装置７を通過した粒子線は患部３に到達する。

【0025】

粒子線の照射方法は特に限定されず、細い粒子線が形成する線量分布を並べて患部３の形状に合わせた線量分布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を用いることができる。

【0026】

また、上述のようなスキャニング法の他に、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患部３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。

【0027】

なお、治療に用いる放射線として、炭素線や陽子線などの粒子線の代わりにＸ線を用いる場合は、加速器１０１やビーム輸送装置１０２の代わりにＸ線を発生させるＸ線照射装置を設ける。γ線を用いる場合は、加速器１０１やビーム輸送装置１０２の代わりにγ線を発生させるγ線照射装置を設ける。電子線を用いる場合は、加速器１０１やビーム輸送装置１０２の代わりに電子線を発生させる電子線照射装置を設ける。

【0028】

放射線治療システム１００は、治療計画の策定に関わる構成要素として、ＣＴ撮影装置２０、治療計画装置３０、および患者データベース（ＤＢ）４０を備えている。

【0029】

ＣＴ撮影装置２０は、治療計画の策定のために予め患者２のＣＴ画像を撮影する。治療計画装置３０は、ＣＴ撮影装置２０の撮像結果に基づいて治療計画を策定する。患者ＤＢ４０は、患者２に関する情報を記憶する。なお、本実施形態においては、ＣＴ撮影装置２０で撮影されたＣＴ画像を用いた例を示すが、ＭＲＩ（Magnetic Resonance Imaging）撮影装置で撮影されたＭＲＩ画像や、超音波撮影装置で撮影された超音波画像等、他の撮影装置で撮影された他の３次元画像を用いてもよい。

【0030】

放射線治療システム１００は、患部３の位置測定に関わる構成要素として、Ｘ線撮影装置６Ａおよび６Ｂ、動体追跡装置６０、および精度検証装置１０を備えている。

【0031】

Ｘ線撮影装置６Ａおよび６Ｂは、患者２のＸ線透視画像を撮影する。動体追跡装置６０は、Ｘ線透視画像を取得し、予め作成した追跡用パラメータに基づき画像処理を実施し、患部３の位置を算出する。精度検証装置１０は、動体追跡装置６０が算出する患部３の位置の算出精度を検証する。精度検証装置１０の詳細については後述する。

【0032】

Ｘ線撮影装置６Ａおよび６Ｂは、患者２に向けてＸ線を発生させるＸ線発生装置５Ａおよび５Ｂと、Ｘ線発生装置５Ａおよび５Ｂから発生して患者２を透過したＸ線の２次元線量分布を検出する２次元Ｘ線検出器４Ａおよび４Ｂと、信号処理回路（図示せず）とを備えている。

【0033】

２次元Ｘ線検出器４Ａおよび４Ｂには、例えばフラットパネル検出器（FPD:Flat Panel Detector）やイメージ・インテンシファイヤ（I.I.:Image Intensifier）が用いられる。２次元Ｘ線検出器４Ａおよび４Ｂは、２次元画像を取得するものであればよく、FPDやI.I.以外の２次元検出器であってもよい。

【0034】

なお、本実施形態では、Ｘ線撮影装置の台数は２台であるが、これに限定されない。Ｘ線撮影装置の台数は、１台以上であれば何台であってもよい。患部３の位置を治療室座標系に対する３次元位置として算出する場合、２台以上のＸ線撮影装置が用いられてよい。

【0035】

動体追跡装置６０が実施する画像処理としては、例えばテンプレートマッチング法がある。この場合、動体追跡装置６０は追跡用パラメータとして、ＤＲＲ画像やＸ線透視画像から患部３が写っている範囲を切り抜いたテンプレート画像を予め作成する。

【0036】

動体追跡装置６０は、Ｘ線撮影装置６Ａおよび６Ｂで撮影したＸ線透視画像とテンプレート画像を比較し、もっとも類似度が高くなる位置を各Ｘ線透視画像上の患部３の位置として算出する。類似度としては、正規化相互相関（NCC:Normalized Cross Correlation）等が用いられる。その後、動体追跡装置６０は三角測量の原理を用いて、各Ｘ線透視画像上の患部３の位置から、患部３の位置を治療室座標系に対する３次元位置として算出する。

【0037】

なお、本実施形態における動体追跡装置６０は患部３の位置を治療室座標系に対する３次元位置として算出するが、これに限定されない。動体追跡装置６０は患部３の位置として、Ｘ線撮影装置６Ａおよび６Ｂで撮影した各Ｘ線透視画像上の２次元位置だけを算出してもよい。また、動体追跡装置６０は患部３の位置として、Ｘ線透視画像上に写る患部３の輪郭を算出してもよい。さらに、動体追跡装置６０は患部３の位置として、患部３が存在する位置であるという確からしさを表す尤度を算出してもよい。

【0038】

患部３の位置としてＸ線透視画像上の２次元位置を算出する場合、動体追跡装置６０は、例えば前述のテンプレートマッチング法を用いた画像処理を実施してもよい。この場合、動体追跡装置６０は追跡用パラメータとしてテンプレート画像を予め作成する。

【0039】

また、患部３の位置としてＸ線透視画像上に写る患部３の輪郭を算出する場合、動体追跡装置６０は、例えば患部３を含む学習画像と患部特徴を含む教師画像に基づいて機械学習により識別器を作成し、作成した識別器にＸ線透視画像を入力することで、患部３の輪郭を算出する、という画像処理を実施してもよい。この場合、動体追跡装置６０は追跡用パラメータとして、識別器のパラメータを機械学習により予め作成する。なお、ここでの機械学習手法としては、ニューラルネットワーク、畳み込みニューラルネットワーク、ＳＶＭ（Support Vector Machine）、決定木等が適用できる。

【0040】

さらに、患部３の位置として、患部３が存在する位置であるという確からしさを表す尤度を算出する場合、動体追跡装置６０は、例えば特許文献１に記載の技術を使用した画像処理を実施してもよい。この場合、動体追跡装置６０は追跡用パラメータとして、尤度計算パラメータとＸ線透視画像と学習装置の導出した各種パラメ―タを予め作成する。

【0041】

放射線治療システム１００には、治療台１に乗った患者２の位置と、治療計画で定められた所定の位置と、を合わせるための仮想的な基準点が定められている。基準点は、Ｘ線撮影装置６Ａおよび６ＢによってＸ線透視が撮影される平面に含まれていてよい。

【0042】

その他、放射線治療システム１００は、各種装置を相互に通信接続するネットワーク５０を備えている。

【0043】

図１、及び実施形態に係る精度検証装置１０の概略の機能構成を示す図２を参照して、本実施形態の精度検証装置１０について詳細に説明する。

【0044】

精度検証装置１０は、演算部１１、表示部１２、入力部１３、記憶部１４、および通信部１５を備えている。演算部１１は、造形部１１０、調整部１１１、合成部１１２、検証部１１３を備えている。

【0045】

造形部１１０は、例えばＣＴ撮影装置２０により撮影されたＣＴ画像上で定められた患部３の形状に基づき、患部模型を作成する。調整部１１１は、入力部１３の入力結果に基づき、患部模型をＸ線透視により撮影した透視画像（以下、模型透視画像と呼称する）の位置を調整する。合成部１１２は、調整部１１１で調整した模型透視画像と、患者２をＸ線透視により撮影した透視画像（以下、患者透視画像と呼称する）と、を合成し、合成画像を作成する。検証部１１３は、合成部１１２で作成した合成透視画像を用いて動体追跡装置６０の患部３の位置の算出精度を算出する。

【0046】

表示部１２は患者透視画像や模型透視画像、合成透視画像等を表示装置（図示せず）に表示する。入力部１３は、マウス、キーボード、スイッチ等のインターフェースを備えており、ユーザの操作に応じて精度検証装置１０に情報を入力する。記憶部１４は、合成部１１２で用いる合成パラメータや、合成部１１２で作成した合成透視画像等を記憶する。通信部１５は、動体追跡装置６０やＣＴ撮影装置２０などと相互通信する。

【0047】

精度検証装置１０の各構成要素が実行する処理を以下に具体的に説明する。

【0048】

造形部１１０は、まずＣＴ撮影装置２０によって撮影したＣＴ画像と、治療計画装置３０によって作成した治療計画を患者ＤＢ４０から読み出す。その後、治療計画によってＣＴ画像上に指定された患部領域の構造情報に基づき、患部３と同様の構造を持つ患部模型を造形する。

【0049】

図３に、造形部１１０が作成した患部模型の一例として、肺がん患者の治療計画とＣＴ画像に基づき作成した患部模型２００を示す。

【0050】

患部模型２００の造形には、例えば３Ｄプリンターが用いられる。以下に、患部模型２００の造形に３Ｄプリンターを用いた場合の作成手順を示す。まず治療計画によってＣＴ画像上に指定された患部領域の構造情報に基づき、ＣＴ画像中の患部領域だけを抽出した、患部抽出ＣＴ画像を作成する。その後、患部抽出ＣＴ画像を３Ｄプリンターの入力データ形式（例えばSTL形式:Stereolithography）に変換し、患部抽出造形データを作成する。最終的に変換した患部抽出造形データを３Ｄプリンターに入力し、患部模型２００を作成する。

【0051】

なお、本実施形態では、患部模型２００の造形に３Ｄプリンターを用いたが、これに限定されない。例えば患部模型２００は、患部３と同様の構造となるよう樹脂塊を削り出すことで作成してもよい。また、本実施形態では、患部模型２００を患者毎に作成するとしたが、これに限定されない。例えば患部模型２００は、患者毎に患部模型２００を作成せず、予め作成しておいた数種類の患部模型２００を使いまわすことも可能である。

【0052】

調整部１１１は、入力部１３でユーザが入力した位置情報に基づき、造形部１１０で作成した患部模型２００をＸ線透視により撮影した模型透視画像を平行移動することで、模型透視画像上に投影された患部模型２００の位置を調整した、調整後模型透視画像を作成する。

【0053】

合成部１１２は、調整部１１１が作成した調整後模型透視画像と、患者２をＸ線透視により撮影した患者透視画像とを合成し、合成透視画像を作成する。合成透視画像は、動体追跡装置６０の患部３の位置の算出精度を測定するために用いられる。

【0054】

図４に、合成透視画像の作成方法を概念的に示す。合成透視画像の作成では、以下の４つの状況（状況３００、３２０、３４０，３６０）で撮影された４つの透視画像（透視画像３０４、３２４、３４４、３６４）を考える。

【0055】

状況３００は被写体がないケースである。入射Ｘ線３０１は空気中を通過し、透過Ｘ線３０２となる。この場合、２次元Ｘ線検出器４Ａまたは４Ｂで検出された透視画像３０４には明確な物体が投影されず、入射Ｘ線３０１の二次元強度分布が直に反映された画像になる。

【0056】

状況３２０は、被写体として患者２が存在するケースである。入射Ｘ線３２１は患者２を通過し、透過Ｘ線３２２となる。この場合、２次元Ｘ線検出器４Ａまたは４Ｂで検出された透視画像３２４には患者２の体内構造と、患者２内にある患部３の投影像である患部投影像３'が投影される。

【0057】

状況３４０は、被写体として患部模型２００が存在するケースである。入射Ｘ線３４１は患部模型２００を通過し、透過Ｘ線３４２となる。この場合、２次元Ｘ線検出器４Ａまたは４Ｂで検出された透視画像３４４には、患部模型２００の投影像である患部模型投影像２００'が投影される。

【0058】

最後に、状況３６０は被写体として患者２と患部模型２００が存在するという仮想的に想定したケースである。入射Ｘ線３６１は患者２と患部模型２００を通過し、透過Ｘ線３６２となる。この場合、２次元Ｘ線検出器４Ａまたは４Ｂで検出された透視画像３６４には、患者２の体内構造と、患者２内にある患部３の投影像である患部投影像３'と、患部模型２００の投影像である患部模型投影像２００'が投影される。

【0059】

合成部１１２は、透視画像３０４と透視画像３２４と透視画像３４４から、状況３６０を仮想的に想定した状況で得られる透視画像３６４を、下記の数式に基づき算出する。

【数1】

【数2】

【数3】

【0060】

ここで、I₀は透視画像３０４の画素値、I₁は透視画像３２４の画素値、I₂は透視画像３４４の画素値、μ₁は患者２内でのＸ線の線減弱係数、T1は患者２の厚み、μ₂は患部模型２００内でのＸ線の線減弱係数、T₂は患部模型２００の厚みを表す。つまり各透視画像から各物体の線減弱係数と厚みの積をそれぞれ算出し、それらの和を用いてＸ線の減衰を推定することで、２つの物体を別々に撮影した透視画像から、２つの物体を同時に撮影した透視画像を合成できる。

【0061】

また、透視画像３６４を、下記の数式に基づき算出することもできる。

【数4】

【0062】

ここで、αはＸ線のビームハードニングの影響により、後方にある物体ほどＸ線減衰が低下する効果を表すパラメータである。αの値は０〜１を取り、入力部１３がユーザの操作に基づき決定する。

【0063】

また、透視画像３６４を、下記の数式に基づき算出することもできる。

【数5】

【0064】

ここで、βは患部模型２００と患者２内にある患部３の密度の違いによるＸ線減衰量の差を補正するパラメータである。

【0065】

例えば患者２内にある患部３が肺腫瘍だとすると、肺腫瘍のＣＴ値（ＣＴ画像上での肺腫瘍の画素値で、凡そ物体の密度に比例する値）は−１００前後の値をとる。一方で患部模型２００を例えば一般的な樹脂材料を用いて作成したとすると、患部模型２００のＣＴ値は１００前後の値をとる。βはこのような患部模型２００のＣＴ値と患者２内の患部３のＣＴ値の違いを補正するためのパラメータであり、患部模型２００と患部３のＣＴ値が異なる場合でも、より患部模型２００のＣＴ値が患部３に近い状況での追跡精度を算出することができる。βは任意の値をとり、例えば患部模型２００と患部３のＣＴ値の比などを用いて算出することができる。またはβは、入力部１３がユーザの操作に基づき決定してもよい。

【0066】

さらに、数式（１）、数式（４）または数式（５）で作成した合成透視画像に対し、下記の数式に基づきノイズ効果を付与することもできる。

【数6】

【0067】

ここで、I₁₊₂は数式（１）、数式（４）または数式（５）により算出した合成透視画像であり、I'₁₊₂はノイズ効果を付与したノイズ合成透視画像であり、η（0、σ₂）は平均０、分散σのガウス分布に従う確率変数である。σの値は任意の大きさをとり、入力部１３がユーザの操作に基づき決定する。数式（６）により、合成透視画像にノイズ効果を付与することで、より追跡が困難な状況での追跡精度を算出することができる。

【0068】

合成透視画像に投影された患部模型２００の正解データは、例えば閾値を使って透視画像３４４を患部模型２００が投影された領域と、患部模型２００が投影されていない領域の２値に分離することで作成できる。閾値の算出方法には大津の２値化法などが適用できる。

【0069】

図５に、合成部１１２で作成した合成透視画像と正解データの一例を示す。

【0070】

合成透視画像には、患者２の体内構造と、患部３の投影像である患部投影像３'と、患部模型２００の投影像である２００'が投影されている。また、正解データは、患部模型２００が投影された領域４０１と、患部模型２００が投影されていない領域４０２に２値化されている。なお正解データは２つの領域として作成したが、これに限定されない。例えば患部模型２００が投影された領域と、患部模型２００が投影されていない領域と、それらの境界領域などの３つの領域として正解データを作成してもよい。また、患部模型２００が投影された領域の重心位置などの二次元情報として正解データを作成してもよい。

【0071】

検証部１１３は、まず、合成部１１２が作成した合成透視画像を動体追跡装置６０に送信する。検証部１１３は動体追跡装置６０を操作し、動体追跡装置６０は合成透視画像上の患部模型２００を追跡し、合成透視画像上での患部模型２００の２次元位置を算出する。その後、検証部１１３は、動体追跡装置６０が算出した追跡位置と合成部１１２が作成した正解データの比較結果を算出する。比較結果としては、例えば動体追跡装置６０が算出した合成透視画像上での患部模型２００の２次元位置と、正解データ上での患部模型２００が投影された領域４０１の重心位置との二乗誤差などが用いられる。

【0072】

表示部１２は、患者透視画像や合成透視画像など各種画像や、検証部１１３が算出した比較結果などを表示装置（図示せず）に表示する。入力部１３は、マウス、キーボード、スイッチ等のインターフェースを備えており、ユーザの操作に応じて精度検証装置１０に情報を入力する。入力部１３は、ユーザの操作に応じて調整部１１１で模型透視画像を平行移動する際の位置情報を決定する。入力部１３が決定する位置情報は、例えば２次元位置が用いられる。この場合、調整部１１１が作成する調整後模型透視画像は１種類になる。

【0073】

また、入力部１３が決定する位置情報は、複数の２次元位置などであってもよい。この場合、調整部１１１は、投影される患部模型２００の位置が異なる複数種類の調整後模型透視画像を作成し、同時に合成部１１２が作成する合成透視画像も複数種類作成される。

【0074】

記憶部１４は、合成部１１２で用いる合成パラメータや、合成部１１２で作成した合成透視画像等を記憶する。通信部１５は、動体追跡装置６０やＣＴ撮影装置２０などと相互通信する。

【0075】

精度検証装置１０や動体追跡装置６０等は、演算装置である演算部１１にプログラムを実行させることで実現されてよい。この演算装置は、ＣＰＵやメモリ、インターフェース等を備えたコンピュータや、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラム可能な演算デバイスであってよい。演算装置に読み込まれるプログラムは、内部記録媒体や外部記録媒体ＭＭ（図１参照）に記憶されており、演算装置によって読み出される。

【0076】

また、精度検証装置１０や動体追跡装置６０等に対する動作指令は、１つのプログラムにまとめられていても、複数のプログラムに分かれていてもよく、それらの組み合わせでもよい。また、プログラムの一部または総ては専用のハードウェアで実現されてもよく、モジュール化されていてもよい。さらには、各種プログラムは、プログラム配布サーバや内部記憶媒体や外部記憶媒体ＭＭから各装置にインストールされてもよい。また、精度検証装置１０や動体追跡装置６０等は独立している必要はなく、２つ以上を一体化、共通化して処理のみを分担してもよい。

【0077】

精度検証装置１０が備える複数の構成要素のうちの一部は、外部のコンピュータによって構成されてもよい。外部のコンピュータは、精度検証装置１０に直接接続されたものでもよいし、インターネット等の通信回線に接続されたものでもよい。精度検証装置１０が備える複数の構成要素のうちの一部または全部は、ハードウェアとしての電子回路によって個別に構成されてもよい。

【0078】

精度検証装置１０が備える記憶部１４には、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード等が用いられてよい。記憶部１４は、インターネット等の通信回線上にあるストレージであってもよい。精度検証装置１０が備える１つの構成要素は、分散処理を実行する複数のコンピュータによって構成されてもよい。

【0079】

次に、本実施例に係る放射線治療システム１００の精度検証装置１０の処理についての詳細を説明する。図６は、精度検証装置１０の処理手順を示すフローチャートである。

【0080】

精度検証装置１０が処理を開始すると、通信部１５は患者ＤＢ４０からＣＴ画像と治療計画を読み出し、記憶部１４に保存する（Ｓ５０１）。

【0081】

次に、造形部１１０は、記憶部１４に保存されたＣＴ画像と治療計画から、治療計画によってＣＴ画像上に指定された患部領域の構造情報に基づき、患部３と同様の構造を持つ患部模型２００を造形する（Ｓ５０２）。

【0082】

その後、通信部１５は動体追跡装置６０と通信し、患部模型２００をＸ線撮影装置６Ａおよび６Ｂで撮影するための撮影パラメータを設定する（Ｓ５０３）。撮影パラメータとは、Ｘ線発生装置５Ａおよび５Ｂの管電圧や管電流や、Ｘ線透視の角度などのことを指す。

【0083】

続いて、通信部１５は動体追跡装置６０と通信し、患部模型２００のＸ線透視を撮影し、模型透視画像を取得し、記憶部１４に保存する（Ｓ５０４）。さらに、入力部１３は、ユーザの操作により模型透視画像を平行移動する際の位置情報を決定する（Ｓ５０５）。続いて、調整部１１１は、記憶部１４から模型透視画像を読み出し、Ｓ５０５で決定した位置情報に基づいて、調整後模型透視画像を作成する（Ｓ５０６）。

【0084】

Ｓ５０２乃至Ｓ５０６と並行し、通信部１５は動体追跡装置６０と通信し、治療台１に乗った患者２の位置決めを実施する（Ｓ５０７）。患者２の位置決めは放射線照射装置７に備え付けられた墨出しレーザー光（図示せず）に基づいて、治療計画上で定められた所定の位置と患者２の位置を合わせてもよい。

【0085】

次に、通信部１５は動体追跡装置６０と通信し、患部模型２００をＸ線撮影装置６Ａおよび６Ｂで撮影するための撮影パラメータを設定する（Ｓ５０８）。撮影パラメータとは、Ｘ線発生装置５Ａおよび５Ｂの管電圧や管電流などのことを指す。続いて、通信部１５は動体追跡装置６０と通信し、患者２のＸ線透視を撮影し、患者透視画像を取得し、記憶部１４に保存する（Ｓ５０９）。

【0086】

Ｓ５０６乃至Ｓ５０９の後、入力部１３は必要に応じてユーザの操作を受け付け、合成パラメータを決定する（Ｓ５１０）。合成パラメータとは、例えば数式（４）にあるαの値である。

【0087】

次に、合成部１１２は記憶部１４に保存された調整後模型透視画像と患者透視画像を読み出し、合成透視画像と正解データを作成し、記憶部１４に保存する（Ｓ５１１）。続いて、通信部１５は動体追跡装置６０と通信し、予め作成された追跡パラメータを読出し（Ｓ５１２）、記憶部１４に保存した合成透視画像を動体追跡装置６０に送信し、合成透視画像上の患部模型２００の投影像を追跡する（Ｓ５１３）。

【0088】

その後、検証部１１３は、動体追跡装置６０が算出した追跡結果と記憶部１４に保存された正解データを比較し、比較結果を表示部１２に表示する（Ｓ５１４）。

【0089】

さらに、通信部１５は動体追跡装置６０と通信し、他の撮影パラメータで撮影するかどうかを判定する（Ｓ５１５）。複数の透視角度で治療するなどの理由で他の撮影パラメータで撮影する場合（Ｓ５１５においてＹＥＳ）、Ｓ５０３およびＳ５０８に戻り、撮影パラメータを変更して再度処理を進める。

【0090】

本実施例に係る放射線治療システム１００による動体追跡放射線治療の処理についての詳細を説明する。図７は、放射線治療システム１００による動体追跡放射線治療の処理手順を示すフローチャートである。図７に示すフローチャートは、治療前に実行される治療前フローＦ６００と、患者２が来院し、実際に放射線を照射する際に実行される治療時フローＦ６５０に分かれている。

【0091】

放射線治療システム１００が処理を開始すると、ＣＴ撮影装置２０は患者２のＣＴ画像を撮影する（Ｓ６０１）。次に、治療計画装置３０はＣＴ画像に基づき治療計画を作成し、患者ＤＢ４０へ保存する（Ｓ６０２）。

【0092】

続いて、動体追跡装置６０は、治療計画とＣＴ画像に基づき、追跡用パラメータを作成する（Ｓ６０３）。さらに、精度検証装置１０は、動体追跡装置６０が算出した患部３の追跡結果と正解データを比較し、追跡精度を検証する（Ｓ６０４）。

【0093】

その後、放射線治療システム１００は、Ｓ６０４で算出した追跡精度が予め設定された所定の範囲内であるかを判定し（Ｓ６０５）、所定の範囲内であれば（Ｓ６０５においてＹＥＳ）治療時フローＦ６５０へと進む。所定の範囲外と判定した場合（Ｓ６０５においてＮＯ）、Ｓ６０３に戻り、動体追跡装置６０は追跡用パラメータを再度作成しなおす。

【0094】

なお、Ｓ６０４において複数回追跡精度の検証を行ってもなおＳ６０５において追跡精度が所定の範囲内に収まらない場合、治療時フローＦ６５０において患者２の患部３に例えば金属製のマーカを用いた治療を提案してもよい。

【0095】

治療時フローＦ６５０では、放射線治療システム１００は、治療台１に乗った患者２の位置決めを実施する（Ｓ６５１）。患者２の位置決めは放射線照射装置７に備え付けられた墨出しレーザー光（図示せず）に基づいて、治療計画上で定められた所定の位置と患者２の位置を合わせてもよい。

【0096】

次に、動体追跡装置６０は、Ｓ６０３で作成した追跡用パラメータを読出す（Ｓ６５２）。さらに、動体追跡装置６０は、Ｘ線撮影装置６Ａおよび６Ｂと通信し、患者２をＸ線透視により撮影した透視画像を取得する（Ｓ６５３）。

【0097】

続いて、動体追跡装置６０は、Ｓ６５３で取得した透視画像から患部位置を算出し（Ｓ６５４）、患部位置が予め設定された所定の範囲内であるかを判定する（Ｓ６５５）。所定の範囲内である場合（Ｓ６５５においてＹＥＳ）、放射線治療システム１００は患者２内の患部３へ向けて粒子線を照射する（Ｓ６５６）。Ｓ６５５にて、患部位置が所定の範囲外にある場合（Ｓ６５５においてＮＯ）、Ｓ６５３へと戻る。

【0098】

さらに、放射線治療システム１００は照射した粒子線量が所定の値に達したかを判定する（Ｓ６５７）。Ｓ６５７にて、照射した粒子線量が所定の値に達した場合（Ｓ６５７においてＹＥＳ）、治療を終了する。Ｓ６５７にて、照射した粒子線量が所定の値に達しない場合（Ｓ６５７においてＮＯ）、Ｓ６５３へと戻る。

【0099】

本実施例に係る放射線治療システム１００及び精度検証装置１０の作用について以下に説明する。

【0100】

図８は、本実施形態に係る放射線治療システム１００の実験例の説明図を示す。図８に示す実透視画像、実施例および比較例の３つの透視画像を使用して動体追跡装置６０の追跡精度の検証について実験を実施した。実透視画像は、実際にＸ線透視により撮影された画像であり、患部３の位置は既知である。実施例は、本実施形態における放射線治療システム１００を用いて、実透視画像中に患部模型２００の透視画像を合成して作成した画像である。比較例は、ＣＴ画像を仮想的にＸ線透視することで算出した画像である。

【0101】

実透視画像と比較例では、画像中に投影された患部３をテンプレートマッチング法により追跡し、追跡精度を算出した。実施例では、本実施形態における放射線治療システム１００を用いて、画像中に合成した患部模型２００の投影像をテンプレートマッチング法により追跡し、追跡精度を算出した。

【0102】

図９には、実験例の実験結果の説明図を示す。図９において、実透視画像での追跡誤差は平均５．８（ピクセル）で最大２２．１（ピクセル）となった。実施例での追跡誤差は平均６．０（ピクセル）で最大２０．０（ピクセル）となり、実透視画像での追跡誤差と同等の結果が得られた。比較例での追跡誤差は平均５．２（ピクセル）で最大１４．１（ピクセル）となり、実透視画像や実施例での追跡誤差より最大値が小さい結果となった。

【0103】

つまり、ＤＲＲ画像での追跡誤差は、実透視画像での追跡誤差より過少に評価される傾向にある。一方で、実施例では、ＤＲＲ画像より実透視画像に近い追跡誤差を算出できる。これにより、従来であれば算出できなかった実透視画像での追跡誤差を、本実施形態では合成透視画像を用いて算出することができる。

【0104】

また、本実施形態では、患者毎に患部模型２００を作成することで、患者毎に変化する動体追跡装置６０の追跡誤差を評価することができる。

【0105】

さらに、本実施形態では、患者２をＸ線透視する角度毎に合成透視画像を作成し、各合成透視画像において追跡誤差を算出することで、透視角度毎に変化する動体追跡装置６０の追跡誤差を評価することができる。

【0106】

また、本実施形態では、ビームハードニングの効果を補正したうえで合成透視画像を作成することで、患部模型２００のコントラストをより現実的にすることができ、動体追跡装置６０の追跡誤差をより正確に評価することができる。

【0107】

さらに、本実施形態では、患部模型２００と患者２内の患部３のＣＴ値の違いを補正したうえで合成透視画像を作成することで、患部模型２００のコントラストをより現実的にすることができ、動体追跡装置６０の追跡誤差をより正確に評価することができる。

【0108】

また、本実施形態では、合成透視画像にノイズの効果を付与することで、撮影パラメータが低下した状態での、より追跡が困難な状況での追跡精度を評価することができる。
さらに本実施形態では、患者毎に患部模型２００を作成することで、患者毎に変化する患者体内の患部３の形状に合わせた合成透視画像を作成することができ、動体追跡装置６０の追跡誤差をより正確に評価することができる。

【0109】

なお、本発明は上記した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。例えば、上記した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が可能であり、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・置換をすることが可能である。

【0110】

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

【0111】

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

【符号の説明】

【0112】

１…治療台 ２…患者 ３…患部 ３'…患部が透視画像上に投影された投影像 ４Ａ、４Ｂ…２次元Ｘ線検出器 ５Ａ、５Ｂ…Ｘ線発生装置 ６Ａ、６Ｂ…Ｘ線撮影装置 ７…粒子線照射装置 １０…精度検証装置 １１…演算部 １２…表示部 １３…入力部 １４…記憶部 １５…通信部 ２０…ＣＴ撮影装置 ３０…治療計画装置 ４０…患者ＤＢ ５０…ネットワーク １００…放射線治療システム １１０…造形部 １１１…調整部 １１２…合成部 １１３…検証部 ２００…患部模型

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】