特表 2024-501500 多断面運動管理システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-01-12

(54)【発明の名称】多断面運動管理システム

(51)【国際特許分類】

   A61B 8/14 20060101AFI20240104BHJP

   A61B 5/33 20210101ALI20240104BHJP

   A61B 5/352 20210101ALI20240104BHJP

【ＦＩ】

A61B8/14

A61B5/33 100

A61B5/352

A61B5/33 210

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023536923

(86)(22)【出願日】2021-12-23

(85)【翻訳文提出日】2023-06-23

(86)【国際出願番号】 IB2021000922

(87)【国際公開番号】W WO2022136925

(87)【国際公開日】2022-06-30

(31)【優先権主張番号】63/129,694

(32)【優先日】2020-12-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520167438

【氏名又は名称】エバメッド・エセアー

(74)【代理人】

【識別番号】110000394

【氏名又は名称】弁理士法人岡田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】キャンプス，サスキア

(72)【発明者】

【氏名】グリンゲット，ジェレミー

(72)【発明者】

【氏名】ペリン，ロザリント

(72)【発明者】

【氏名】ガロンナ，アドリアーノ

【テーマコード（参考）】

4C127

4C601

【Ｆターム（参考）】

4C127AA02

4C127BB05

4C127GG02

4C127KK03

4C127KK05

4C601BB03

4C601DD15

4C601DD27

4C601EE16

4C601FF08

4C601FF11

4C601GA18

4C601GA21

4C601JB16

4C601JC26

4C601JC31

4C601KK24

(57)【要約】

非侵襲的放射線治療の投与を支援するための多断面運動管理システム。開示されるデバイス及び技法は、臨床医がシミュレーション段階の参照状況に関して心臓の位置及び運動を正確にモニタすることを可能にする。加えて、患者の呼吸フェーズ及び解剖学的構造の生じ得るドリフトについての情報が提供される。この情報は、必要に応じて、放射線治療を手動で中断するために臨床医によって使用され得る。情報は、適切なゲーティング信号を治療機械に自動的に且つリアルタイムで提供するためにも使用され得る。開示されるシステムは、患者のセットアップ（照射治療間運動モニタリング）から、処置中の心臓及び呼吸運動モニタリング（照射治療中運動モニタリング）まで、１つのみのデバイスを用いて、典型的な放射線治療ワークフロー中に必要とされる全ての運動態様をカバーするように構成され得る。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部ビーム治療処置中に患者内の心臓の変位を検出する方法であって、
命令と共に有形の非一時的媒体を構成すること
を含み、前記命令は、
（ａ）多断面撮像プローブを用いて、患者内の拍動している心臓の一連の参照多断面画像を取得することと、
（ｂ）ステップ（ａ）中、前記参照用の一連の多断面画像のうちの前記参照多断面画像の各々について、前記撮像プローブの参照位置を取得することと、
（ｃ）前記参照用の一連の多断面画像の各参照多断面画像の心位相を識別することと、
（ｄ）前記患者のビーム治療処置中、前記多断面撮像プローブを用いてライブ多断面画像を取得することと、
（ｅ）ステップ（ｄ）中、前記多断面撮像プローブのライブ位置を取得することと、
（ｆ）前記ライブ多断面画像の心位相を識別することと、
（ｇ）前記参照用の一連の多断面画像の対応する参照画像及び前記対応する参照画像と関連する対応する参照位置に対する前記ライブ多断面画像及び前記ライブ位置の剛体レジストレーションを実行することであって、前記対応する参照画像は、前記ライブ多断面画像の前記心位相を表し、前記剛体レジストレーションは、三次元座標系に対する、前記患者の前記ビーム治療処置中の前記拍動している心臓のライブ心臓位置を提供して、前記参照位置に対する前記拍動している心臓のライブ変位を提供する、実行することと
を含む、方法。

【請求項2】

前記構成するステップにおける前記命令は、所定の閾値との前記変位の比較に基づいてステータス状況を生成することを含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

ステップ（ａ）において取得される前記一連の多断面画像は、前記患者が既知の呼吸状態である状態で取得される、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記既知の呼吸状態は、前記患者の呼気終末呼吸フェーズである、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記有形の非一時的媒体を提供することを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

ステップ（ａ）及び（ｄ）の前記多断面画像を取得するための多断面撮像プローブを提供することを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

ステップ（ｂ）及び（ｅ）において前記撮像プローブの前記位置を取得するためのプローブ位置特定システムを提供することを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記有形の非一時的媒体にアクセスするためのゲーティングコントローラを提供することを含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。

【請求項9】

既知の三次元座標系において心臓構造の位置を特定する方法であって、
多断面撮像プローブ及び三次元空間において前記多断面撮像プローブを追跡するための位置特定システムを提供すること、
命令を有形の非一時的媒体に提供すること
を含み、前記命令は、
患者が既知の呼吸状態であり、心臓が第１の位置にある間、複数の心拍の持続時間にわたって前記多断面撮像プローブを用いて前記心臓の第１の多断面画像のシーケンスを取得することと、
前記第１のシーケンスを取得する前記ステップ中、前記位置特定システムを用いて前記多断面撮像プローブを位置特定して、前記第１の位置における第１の部屋座標の組を定義することと、
前記患者が前記既知の呼吸状態であり、前記心臓が第２の位置にある間、複数の心拍の持続時間にわたって前記多断面撮像プローブを用いて前記心臓の第２の多断面画像のシーケンスを取得することと、
前記第２のシーケンスを取得する前記ステップ中、前記位置特定システムを用いて前記多断面撮像プローブを位置特定して、前記第２の位置における第２の部屋座標の組を定義することと、
前記第１の多断面画像のシーケンスから第１の代表的な多断面画像の組を、且つ前記第２の多断面画像のシーケンスから第２の代表的な多断面画像の組を識別することであって、前記第１の代表的な多断面画像の組及び前記第２の代表的な多断面画像の組は、心臓運動フェーズと呼吸運動フェーズとの既知の組合せに対応する、識別することと、
前記第２の部屋座標の組を前記第１の部屋座標の組とアライメントすることと、
前記アライメントされた第１及び第２の部屋座標の組内の前記第１の代表的な多断面画像の組に対する前記第２の代表的な多断面画像の組の並進変位及び回転変位を定量することと
を含む、方法。

【請求項10】

前記識別するステップにおける心臓運動フェーズと呼吸運動との前記既知の組合せは、前記呼吸運動フェーズの呼気終末と対応する、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記命令を提供するステップにおける前記命令は、前記並進変位及び前記回転変位に従って患者サポートを変位させることを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記命令を提供するステップにおける前記命令は、前記第１の多断面画像のシーケンスを取得する前記ステップ中、前記既知の呼吸状態にするために少なくとも１つの心周期にわたって息を止めるように前記患者に指示することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

前記命令の前記第１の多断面画像のシーケンスを取得する前記ステップは、前記既知の呼吸状態にするために呼気終末呼吸フェーズで実行される、請求項９に記載の方法。

【請求項14】

治療ビームを有効化及びゲーティングする方法であって、
多断面撮像プローブ及びプローブ位置特定システムをゲーティングコントローラに結合すること
を含み、前記ゲーティングコントローラは、リアルタイムで実行するための命令の組を非一時的コンピュータ可読媒体に含み、前記命令は、
（ａ）多断面撮像プローブを用いて、患者内の拍動している心臓の一連の参照多断面画像を取得することと、
（ｂ）ステップ（ａ）中、前記参照用の一連の多断面画像のうちの前記参照多断面画像の各々について、前記撮像プローブの参照位置を取得することと、
（ｃ）前記参照用の一連の多断面画像の各参照多断面画像の心位相を識別することと、
（ｄ）前記患者のビーム治療処置中、前記多断面撮像プローブを用いてライブ多断面画像を取得することと、
（ｅ）ステップ（ｄ）中、前記多断面撮像プローブのライブ位置を取得することと、
（ｆ）前記ライブ多断面画像の心位相を識別することと、
（ｇ）前記参照用の一連の多断面画像の対応する参照画像及び前記対応する参照画像と関連する対応する参照位置に対する前記ライブ多断面画像及び前記ライブ位置の剛体レジストレーションを実行することであって、前記対応する参照画像は、前記ライブ多断面画像の前記心位相を表し、前記剛体レジストレーションは、三次元座標系に対する、前記患者の前記ビーム治療処置中の前記拍動している心臓のライブ心臓位置を提供して、前記参照位置に対する前記拍動している心臓のライブ変位を提供する、実行することと
を含む、方法。

【請求項15】

前記ゲーティングコントローラの前記命令は、所定の閾値との前記変位の比較に基づいてステータス状況を生成することを含む、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記命令と共に前記非一時的コンピュータ可読媒体を構成することを含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

ビーム治療処置のために患者の心臓の変位を推測する方法であって、
（ａ）多断面撮像プローブを用いて、患者内の拍動している心臓の一連の参照多断面画像を取得することと、
（ｂ）ステップ（ａ）中、前記参照用の一連の多断面画像のうちの前記参照多断面画像の各々について、前記撮像プローブの参照位置を取得することと、
（ｃ）前記参照用の一連の多断面画像の各参照多断面画像の心位相を識別することと、
（ｄ）前記患者のビーム治療処置中、前記多断面撮像プローブを用いてライブ多断面画像を取得することと、
（ｅ）ステップ（ｄ）中、前記多断面撮像プローブのライブ位置を取得することと、
（ｆ）前記ライブ多断面画像の心位相を識別することと、
（ｇ）前記参照用の一連の多断面画像の対応する参照画像及び前記対応する参照画像と関連する対応する参照位置に対する前記ライブ多断面画像及び前記ライブ位置の剛体レジストレーションを実行することであって、前記対応する参照画像は、前記ライブ多断面画像の前記心位相を表し、前記剛体レジストレーションは、三次元座標系に対する、前記患者の前記ビーム治療処置中の前記拍動している心臓のライブ心臓位置を提供して、前記参照位置に対する前記拍動している心臓のライブ変位を提供する、実行することと
を含む方法。

【請求項18】

所定の閾値との前記変位の比較に基づいてステータス状況を生成することを含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

参照シミュレーションの実行中に使用するために、前記患者の胸部に前記多断面撮像プローブを固定することを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

シミュレーション段階の実行中に使用するために、前記患者の胸部に前記多断面撮像プローブを固定することを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項21】

既知の呼吸状態にするために少なくとも１つの心周期にわたって息を止めるように前記患者に指示することを含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項22】

既知の呼吸状態は、呼気終末呼吸フェーズである、請求項１８に記載の方法。

【請求項23】

前記参照用の一連の多断面画像は、処置プロセスの開始時に取得される、請求項１８に記載の方法。

【請求項24】

前記参照用の一連の多断面画像は、処置段階前のシミュレーション段階中に取得される、請求項１８に記載の方法。

【請求項25】

患者の胸部に取り付けられた多断面撮像プローブから、呼吸運動から生じる心臓の変位を推測する方法であって、
多断面撮像プローブを提供すること、
命令を有形の非一時的媒体に提供すること
を含み、前記命令は、
前記多断面撮像プローブを用いて、参照用の一連の多断面画像を取得することであって、前記多断面撮像プローブは、患者の胸部に固定される、取得することと、
前記参照用の一連の多断面画像の各多断面画像の心位相を識別することと、
前記患者の照射処置中、前記多断面撮像プローブを用いてライブ多断面画像を取得することであって、前記多断面撮像プローブは、前記患者の前記胸部に固定される、取得することと、
前記ライブ多断面画像の心位相を識別することと、
前記参照用の一連の多断面画像の対応する画像に対する前記ライブ多断面画像の剛体レジストレーションを実行することであって、前記参照用の一連のうちの前記対応する画像は、前記ライブ多断面画像の前記心位相を表す、実行することと
を含む、方法。

【請求項26】

非侵襲的心臓アブレーションのための多断面運動管理システムであって、
プローブ体積内のライブ多断面画像を取得するように構成された多断面撮像プローブであって、前記多断面画像は、非平行である、多断面撮像プローブ、
前記多断面撮像プローブの位置データを取得するように構成されたプローブ位置特定システム、
前記ライブ多断面画像及び前記位置データを同時に受信し、且つ前記多断面画像及び前記位置データの取得時間を確立するように構成された入力／出力（Ｉ／Ｏ）管理システム、
前記ライブ多断面画像、前記位置データ及び前記取得時間を受信及び処理するように構成されたゲーティングシステムであって、プロセッサを含むゲーティングシステム
を含み、前記プロセッサは、
前記ライブ多断面画像に対応する心位相を識別することと、
時間的に前記ライブ多断面画像に最も近く対応する部屋座標の組を前記位置データから定義することと、
参照多断面画像に対する前記ライブ多断面画像の剛体レジストレーションを実行することであって、前記参照多断面画像は、前記心位相を表す、実行することと
を行うように構成される、多断面運動管理システム。

【請求項27】

心周期データを生成するための心拍検知システムを含み、
前記心拍検知システムは、前記心周期データに基づいてトリガー信号を生成するように構成され、
前記Ｉ／Ｏ管理システムは、前記多断面画像及び前記位置データと同時に前記トリガー信号を受信し、且つ前記トリガー信号に対応する取得時間を含むトリガー信号情報を生成するように構成され、及び
前記ゲーティングシステムは、心周期の開始を識別するために、前記トリガー信号情報を受信及び処理するように構成される、請求項２６に記載の多断面運動管理システム。

【請求項28】

前記ゲーティングシステムは、前記トリガー信号情報を利用して、前記心位相を確認するように構成される、請求項２７に記載の多断面運動管理システム。

【請求項29】

前記心拍検知システムは、心電図（ＥＣＧ）システムであり、及び前記心周期データは、心電信号から生成される、請求項２７に記載の多断面運動管理システム。

【請求項30】

前記位置データは、部屋座標系に対するものである、請求項２６に記載の多断面運動管理システム。

【請求項31】

前記ライブ多断面画像及び前記参照多断面画像は、同じデータタイプのものである、請求項２６に記載の多断面運動管理システム。

【請求項32】

前記位置データは、三次元空間における前記多断面撮像プローブの位置及び向きを特定する、請求項２６に記載の多断面運動管理システム。

【請求項33】

前記多断面撮像プローブは、前記多断面画像を同時に取得するように構成される、請求項２６に記載の多断面運動管理システム。

【請求項34】

前記多断面撮像プローブは、患者の胸部に取り付けるように構成された形状を含む、請求項２６に記載の多断面運動管理システム。

【請求項35】

前記多断面撮像プローブは、両端値を含めて２０Ｈｚ～５０Ｈｚの範囲のレートで前記多断面画像を取得する、請求項２６に記載の多断面運動管理システム。

【請求項36】

前記多断面撮像プローブは、多断面超音波プローブであり、及び前記参照多断面画像は、超音波像である、請求項２８～３５のいずれか一項に記載の多断面運動管理システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して、外部ビーム治療のためのデバイス及び技法に関し、より詳細には、心不整脈の非侵襲的治療に関する。

【0002】

関連出願
本特許出願は、２０２０年１２月２３日付けで出願された米国仮特許出願第６３／１２９，６９４号明細書の利益を主張するものであり、この開示は、全体的に参照により本明細書に援用される。

【背景技術】

【0003】

心不整脈は、正常心拍の乱れである。心不整脈は、欧州の一般集団の２パーセント超が罹患しており、集団が年をとるにつれて今後５０年間で少なくとも２倍になると予想されている。心不整脈の発生は、心発作及び心臓発作のリスク増大と強く関連している。

【0004】

より具体的には、心不整脈は、心拍動の速度又はリズムに伴う問題である。心臓の拍動が速すぎるか、遅すぎるか又はパターンが不規則である。安静時の正常より速い、成人で１分当たり１００を超える心拍動は、頻脈と呼ばれる。遅すぎる、１分当たり６０未満の心拍動は、徐脈と呼ばれる。一般的な種類の心不整脈は、心房細動であり、不規則で速い心拍動を生じさせる。心発作の経験、喫煙、先天性心臓疾患及びストレス等の多くの因子が心臓のリズムに影響し得る。幾つかの物質又は薬剤も心不整脈を生じさせる恐れがある。

【0005】

処置は、投薬、アブレーション治療又はペースメーカー若しくは除細動器の移植及び手術等の医療手技を含み得る。心拍が速い場合の投薬には、ベータブロッカー又はプロカインアミド等、正常な心臓リズムを回復しようとする薬剤があり得る。投薬は、特に長期間服用する場合、より重大な副作用があり得る。ペースメーカーは、多くの場合、心拍が遅い場合に使用される。心拍動が不規則な人は、合併症リスクを下げるために抗凝血剤を用いて治療されることが多い。心不整脈からの重篤な症状を有する人は、心臓除細動又は除細動の形態の被制御電気ショックを用いた緊急治療を受け得る。

【0006】

アブレーション治療は、心不整脈の治療に使用されることが多い。アブレーション治療は、カテーテル等の侵襲的器具を用いて特定の心臓組織を焼くか又は凍結させて、これらの特定の組織で乱れている電気信号の伝導を止めることを含む。侵襲的カテーテルアブレーション手順は、手動で実行される外科的介入であり、治効は、使用される技術及び外科医の技能に応じて５０％～８０％で大きくばらつく。更に、手順には、幾人かの医療スタッフメンバーが関わり得、長時間を要し得、その間、患者は、組織穿孔、静脈狭窄又は血栓発生のような重篤な合併症のリスクに曝される。カテーテルアブレーションにより生じる傷害の性質により、連続時間にわたって繰り返されることが多い手順に繋がり、医療スタッフにとっての複雑性及び患者のリスクが増大する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

したがって、非侵襲的アブレーションを介して心臓不整脈を治療する、非侵襲的なデバイスを使用した治療方法が必要とされている。限定されないが、荷電粒子ビーム、光子ビーム、陽子ビーム並びに炭素イオン及びヘリウムイオンを含む外部治療ビームの使用は、非侵襲的技法を心臓アブレーションに提供する。現実世界での患者の身体の運動を考慮に入れた、そのような外部ビーム治療のためのデバイス及び方法の改善は、歓迎されるであろう。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の種々の実施形態は、患者の心臓の位置に基づいて、外部治療ビームに向けた患者の正確なセットアップ及びビーム送達を可能にする。これは、心臓病の患者のみならず、例えば、心臓が、治療中に追跡すべき危険に曝される臓器であり得る、放射線治療を受けている肺癌患者にも有益であり得る。開示されるデバイス及び技法は、２０２０年１１月１１日付けで出願され、Ｇａｒｏｎｎａらに付与され、本願の所有者によって所有される「Ｃａｒｄｉａｃ Ｐｈａｓｅ Ｇａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒａｐｙ」という名称の国際特許出願ＰＣＴ／米国特許出願公開第２０２０／０６００５４号明細書（「Ｇａｒｏｎｎａ ｅｔ ａｌ．」）からの拡張である。本開示は、呼吸運動フェーズを識別し、三次元空間における既知の座標系で絶対心臓位置を特定する改良された方法を提供することにより、Ｇｒｏｎｎａ ｅｔ ａｌ．から拡張される。本開示の種々の実施形態は、画像にいかなる解剖学的構造ランドマーク（又は基準）のセグメンテーションもなく、心臓を追跡して標的運動フェーズ及び位置を特定する。そのような技法は、ＭＲＩ像又はＣＴ像と超音波とのコレジストレーション又は融合も必要とせず、それにより異なるモダリティにわたるレジストレーションに関連する不正確性及び実行時間要件を回避する。したがって、本明細書に開示されるデバイス及び技法は、画像処理及び運動測定が完全に自動化され（オペレータ又は臨床医の介入がない）、再現可能であり、従来の運動制御システムよりも高速である点で有利である。

【0009】

幾つかの実施形態では、サロゲートを用いて検出される患者胸部の外部運動が、多断面（非平行）画像を生成する多断面プローブにより検出される心臓の内部運動と組み合わされて、呼吸運動に起因して心臓がどのように動くかがよりよく理解される。外部運動検出と内部運動検出との組合せにより、心臓の画像から呼吸運動パターンを抽出することができる。開示されるデバイス及び技法は、多断面画像とプローブ位置特定システムとの組合せにより、既知の三次元座標系で心臓構造体の位置を特定することが更に可能である。加えて、開示される技法は、画像を使用して、外部ビーム治療中に生じ得る心臓ドリフトを検出し、定量するために十分にロバストである。

【0010】

幾つかの実施形態は、患者の解剖学的構造に応じて異なる胸部位置（特に傍胸骨及び尖部視界窓）からの撮像を可能にすることにより、画質（例えば、超音波）に関してロバスト性を提供する。画像処理方法は、画質ロバスト性を念頭に置いても設計される。これは、低エコー輝度に起因してコントラストのより低い超音波像に繋がる恐れがある、不整脈患者に一般的な高齢又は高ＢＭＩを有する患者にとって有益であり得る。

【0011】

本開示の種々の実施形態は、設計の本質的な部分である冗長性を含む。例えば、撮像システムでの心位相認識に失敗した場合でもなお、ＥＣＧ信号を使用して心位相ゲーティングを行うことができる。別の例では、撮像システムでのそのような失敗の場合、多断面プローブ上の位置特定マーカを利用して外部運動を追跡し、呼吸フェーズゲーティングを可能にし得る。

【0012】

本開示の種々の実施形態は、治療患者と粒子ビームとのアライメントを強化する。標準の臨床実施は、骨解剖学を用いたアライメントを含む。幾つかの実施形態では、この骨解剖学的アライメントは、超音波撮像を用いた心臓アライメントセットアップで補足される。

【0013】

本開示の種々の実施形態は、心臓超音波三次元運動管理のシステム及び方法を提示する。多断面超音波プローブが利用され、外部ビーム治療前及び治療中、三次元で心臓の位置及び運動を正確且つ高速に特定するための専用画像処理方法が開示される。幾つかの実施形態では、心臓位置、長時間治療セッション中の患者の心臓位置ドリフトのモニタリング及び治療中の呼吸運動のモニタリングに基づいて、正確な患者の位置決めを可能にする方法が開示される。

【0014】

開示されるデバイス及び方法は、心不整脈の非侵襲的治療に有益である。しかしながら、その使用は、縦隔領域及び胸部領域（とりわけ乳、肺）における癌治療に有利に適用することもでき、なぜなら、これらの場合、特にペンシルビームスキャン粒子治療の場合、治療精度が心臓の位置及び運動により影響されるためである。実際に、これらの臨床用途では、心臓は、標的ではなく、放射線に関連する重篤な副作用を回避するために臨床医が傷つけたくない重要で繊細な臓器である。

【0015】

開示されるデバイス及び方法は、外部ビーム放射線治療の分野外、例えば放射線学及び介入心臓学で適用することも可能である。放射線学の場合、心臓運動が画質に影響し得（呼吸及び心拍動に起因して）、したがって導出される測定値及び診断に影響を及ぼす可能性がある磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、計算トモグラフィ（ＣＴ）又は他の医療撮像モダリティを使用して、よりよい画質を得る手段を提供することができる。これにより、例えば呼吸運動を制限するための息止めの使用又は強制換気技法の使用を回避することができる。介入心臓学の場合、介入中に心臓運動をモニタする手段を提供することができる。これにより、介入心臓医は、例えば、カテーテルの可視化に使用されるＸ線像を関心のある特定の心臓又は呼吸状態（運動フェーズ）でのみ取得することができる。これにより、Ｘ線撮像のより効率的な使用が可能になり、患者及び医療スタッフの両方に送達される放射線線量及び動作コストが低下する。

【0016】

幾つかの実施形態では、開示されるデバイス及び方法は、Ｂモード超音波撮像を利用する。しかしながら、他の撮像技法、例えばドップラー、エラストグラフィ、Ｍモード撮像及び幾つかの他の超音波撮像モダリティも企図される。本開示は、直交面を利用するバイプレーン超音波撮像にも基づくが、当業者は、本開示に鑑みて、撮像技法、例えば直交ではないバイプレーン像、トライプレーン撮像、フルボリュメトリック撮像又は三次元空間での任意の他の多断面超音波撮像ジオメトリをより全般的に組み込み、採用することができる。

【0017】

外部ビーム放射線治療処置（とりわけ放射線治療、陽子治療、炭素イオン治療）を拡張及び実行する従来のシステム及び手順には、特定の欠点がある。今日のシステムにおいて欠点が制限である例には、患者セットアップ、治療中の臓器ドリフト、呼吸運動の考慮及び三次元空間における解剖学的構造の追跡がある。

【0018】

心臓の外部ビーム放射線治療処置での患者位置決めの問題を考える。外部ビーム放射線治療処置の過程を開始する前に、典型的には、患者の計算トモグラフィ（ＣＴ）スキャンがいわゆるシミュレーション段階で取得される。続けて、患者固有の治療計画がこのＣＴスキャンに基づいて設計され、その後、治療段階を開始することができるが、一般に同日ではない。治療段階中、シミュレーション段階中の患者の位置は、処置室で再現されて、治療計画及び治療送達に向けてプログラムされたビームパラメータの有効性を保証する。典型的には、熱可塑性マスク、標準サイズのウェッジ、ウィングボード及び掴み棒等の不動化デバイスが使用されて、胸部処置に向けた患者の位置決めを支援する。この患者セットアップを支援するために現在利用可能な技術には、バイプレーンＸ線像、コーンビームＣＴ又はＣＴオンレールがある。処置室での患者アライメントは、骨解剖学的構造（手動及び（半）自動画像レジストレーションの両方を使用する）の一致及びこれらの画像（例えば、トモグラフィ撮像）で十分なコントラストを有する標的に近い任意の軟組織の一致に主に基づく。これらの画像での心臓等の軟組織のコントラストは、典型的には、不十分である。心臓の位置は、骨解剖学的構造と常に十分に相関するわけでもない。加えて、患者の心拍及び呼吸運動は、画質を更に下げる。画質は、関心のあるエリアに一般に存在する金属物（とりわけペースメーカーのリード線、移植された除細動器のリード線）によってもたらされる画像アーチファクトによる影響を受けることもある。したがって、不整脈患者及び胸部患者のセットアップでは、一般的に、取得された画像で利用可能な解剖学的情報が限られており、その結果、医療スタッフメンバーの判断に大きく依存する。

【0019】

心臓ドリフトの現象及び影響も考える。心不整脈の外部ビーム治療処置中、２５～４０Ｇｙの範囲の放射線線量が単一の治療部分に送達され得る。これは、小さい胸部病変で典型的な定位アブレーション放射線治療線量の少なくとも２～３倍である。加えて、治療中、治療精度への呼吸運動及び心臓運動の影響を軽減するために、特殊な方法が使用され得る。両方の態様（高線量要件及び運動軽減）とも、患者が典型的には背臥位で不動化された状態でのかなり長い治療時間に繋がる。したがって、胸部／腹部における解剖学的構造が緩和し、本明細書で「心臓ドリフト」と呼ばれる標的の経時位置ドリフトに繋がる恐れがある。ＭＲ－ＬＩＮＡＣ等の効率的な治療照射中（ｉｎｔｒａ－ｆｒａｃｔｉｏｎ）運動管理の方法が出現しつつあるが、処置時間を更にのばすことになる放射線ビーム送達の中断を行わずに、処置中にこのドリフトをモニタする標準的な方法はない。

【0020】

呼吸周期の影響も管理しなければならない。周期性心臓運動は、２つの主な成分により特徴付けられる：心拍（０．５～１．５秒周期）及び呼吸（３～５秒周期）。そのような特徴付けに向けられた従来の研究には、呼吸成分を概説するが、心拍運動の側面に焦点を当てたＧａｒｏｎｎａ ｅｔ ａｌ．が含まれる。呼吸運動モニタリングの場合、外部サロゲートを辿ることにより、心臓との解剖学的構造の内部運動を間接的にモニタするシステムが市販されている。これらのシステムは、肺内及び肺外への空気流（例えば、Ｅｌｅｋｔａ ＡＢ，Ｓｔｏｃｋｈｏｌｍ，Ｓｗｅｄｅｎによって供給されるデバイスである能動的呼吸調整器若しくはＡＢＣにより利用される等の肺活量計を用いる）又は圧力ベルト（例えば、日本国東京に所在のＡｎｚａｉ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．により供給されるＡＮＺＡＩ ＢＥＬＴ（ＡＺ－７３３ＶＩ））、胸部運動の光学的追跡（例えば、米国カリフォルニア州パロアルトに所在のＶａｒｉａｎ Ｍｅｄｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．により供給されるＲＧＳＣシステム）及びＸ線追跡システム（例えば、独国ミュンヘンに所在のＢｒａｉｎｌａｂ ＡＧにより供給されるＶＥＲＯ（登録商標）ＳＢＲＴにおける追跡システム）等、横隔膜の収縮から生じる腹部／胸部の機械的運動のいずれかに基づく。これらの手法は、サロゲートの運動が解剖学的構造の内部運動、したがって処置標的の挙動とどのように相関するかについて仮定する。この相関が弱い場合、標的呼吸運動のモニタリング精度は、不良になる。ロボット放射線手術システム（例えば、米国カリフォルニア州サニーベールに所在のＡｃｃｕｒａｙ Ｉｎｃ．により供給されるＣＹＢＥＲＫＮＩＦＥ（登録商標））は、照射治療中呼吸運動を管理することが可能である。しかしながら、心臓に使用するには、基準クリップを移植する必要がある。

【0021】

特定の解剖学的構造又は関心のある領域の取得された三次元超音波ボリューム上での処置標的の追跡を促進する幾つかの手法が文献に記載されている。臨床で利用可能なシステムの例は、ＣＬＡＲＩＴＹ（登録商標）及びＣＬＡＲＩＴＹ（登録商標）ＡＵＴＯＳＣＡＮシステムである（スウェーデンストックホルムにおけるＥｌｅｋｔａ ＡＢにより供給される）。特定の用途では、三次元空間で標的を追跡するには、ボリュメトリック撮像が必要とされる。そのような要件は、例えば、標的が撮像面外に移動し得る場合に生じ、標的の撮像面外への移動は、二次元撮像で必ずしも検出されるわけではなく、それにより誤った追跡に繋がる。しかしながら、三次元超音波ボリューム上の三次元空間における標的の追跡には、幾つかの制限がある：
・既存の商用及び研究等級の三次元超音波システムは、不適切な空間及び時間解像度を有する。
・運動が超音波ボリューム内の標的の運動とよく相関する標的又は標的のサロゲートをときに手動で識別する必要がある。
・三次元超音波撮像技術は、嵩張り高価である。
三次元空間において心臓内部の解剖学的構造を追跡する従来の技術で構成されるシステムは、最良でも以下の性能特性を有すると推定される：
・反応時間（イベントの出現とシステムの最終応答との間の時間）は、約２５０ミリ秒（ｍｓ）である。これは、三次元超音波ボリューム取得、ビーム形成及び超音波デバイスからホストコンピュータへのデータストリーミングの２００ｍｓ並びにデータ解釈のために５０ｍｓで構成される。
・標的位置特定の空間不確実性は、約６．５ｍｍであり、これは、絶対部屋座標における超音波画像位置特定での１ｍｍ；標的又は標的自体を適宜追跡することができない場合にはサロゲートのセグメンテーション及び追跡精度に２．５ｍｍ；標的と標的のサロゲートとの間の運動相関に２ｍｍ；及び計画ＣＴスキャンと超音波ボリュームとの間の解剖学的構造可視化差に１ｍｍの組合せである。
そのような性能特性は、１００ｍｓ以上の反応時間及び３ｍｍの空間精度が予期される心臓の外部放射線治療処置に不適切である。

【0022】

本開示は、今日の特定の制限を解消するハードウェア及びソフトウェア構成要素並びに方法を提示する。加えて、種々の臨床ワークフローも開示される。

【0023】

幾つかの実施形態では、患者にとって潜在的に有害であり得る電離放射線を使用せずに非侵襲的画像取得をリアルタイムで提供する超音波撮像プローブが開示される。加えて、それは、費用効率的であり、典型的には良好な軟組織コントラストを提供し、多くの場合に心臓病患者にとって第１選択の診断ツールである。

【0024】

構造的に、本開示の種々の実施形態は、非侵襲的心臓アブレーションのための多断面運動管理システムを含み、本システムは、プローブ体積内のライブ多断面画像を取得するように構成された多断面撮像プローブであって、多断面画像は、非平行である、多断面撮像プローブと、多断面撮像プローブの位置データを取得するように構成されたプローブ位置特定システムと、ライブ多断面画像及び位置データを同時に受信し、且つ多断面画像及び位置データの取得時間を確立するように構成された入力／出力（Ｉ／Ｏ）管理システムと、ライブ多断面画像、位置データ及び取得時間を受信及び処理するように構成されたゲーティングシステムとを含む。ゲーティングシステムは、プロセッサを含み、プロセッサは、ライブ多断面画像に対応する心位相を識別することと、時間的にライブ多断面画像に最も近く対応する参照座標の組を位置データから定義することと、参照多断面画像に対するライブ多断面画像の剛体レジストレーションを実行することであって、参照多断面画像は、心位相を表す、実行することとを行うように構成され得る。幾つかの実施形態は、心周期データを生成するための心拍検知システムを含み、心拍検知システムは、心周期データに基づいてトリガー信号を生成するように構成され、Ｉ／Ｏ管理システムは、多断面画像及び位置データと同時にトリガー信号を受信し、且つトリガー信号に対応する取得時間を含むトリガー信号情報を生成するように構成され、及びゲーティングシステムは、心周期の開始を識別するために、トリガー信号情報を受信及び処理するように構成される。ゲーティングシステムは、トリガー信号情報を利用して、心位相を確認するように構成され得る。幾つかの実施形態では、心拍検知システムは、心電図（ＥＣＧ）システムであり、及び心周期データは、心電信号から生成される。位置データは、参照座標系に対するものであり得、及び位置データは、三次元空間における多断面撮像プローブの位置及び向きを特定し得る。多断面撮像プローブは、多断面画像を同時に取得するように構成され得、且つ患者の胸部に取り付けるように構成された形状を含み得る。幾つかの実施形態では、多断面撮像プローブは、両端値を含めて２０Ｈｚ～５０Ｈｚの範囲のレートで多断面画像を取得する。幾つかの実施形態では、多断面撮像プローブは、多断面超音波プローブであり、及び参照多断面画像は、超音波像である。

【0025】

本開示の種々の実施形態は、方法であって、（ａ）多断面撮像プローブを用いて、患者内の拍動している心臓の一連の参照多断面画像を取得することと、（ｂ）ステップ（ａ）中、参照用の一連の多断面画像のうちの参照多断面画像の各々について、撮像プローブの参照位置を取得することと、（ｃ）参照用の一連の多断面画像の各参照多断面画像の心位相を識別することと、（ｄ）患者のビーム治療処置中、多断面撮像プローブを用いてライブ多断面画像を取得することと、（ｅ）ステップ（ｄ）中、多断面撮像プローブのライブ位置を取得することと、（ｆ）ライブ多断面画像の心位相を識別することと、（ｇ）参照用の一連の多断面画像の対応する参照画像及び対応する参照画像と関連する対応する参照位置に対するライブ多断面画像及びライブ位置の剛体レジストレーションを実行することであって、対応する参照画像は、ライブ多断面画像の心位相を表し、剛体レジストレーションは、三次元座標系に対する、患者のビーム治療処置中の拍動している心臓のライブ心臓位置を提供して、参照位置に対する拍動している心臓のライブ変位を提供する、実行することとを含む方法を具現化する。

【0026】

幾つかの実施形態では、方法は、有形の非一時的媒体に命令として列記されたステップを構成することを含む。構成するステップにおける命令は、所定の閾値との変位の比較に基づいてステータス状況を生成することを含む。方法は、参照シミュレーションの実行中に使用するために、多断面撮像プローブを患者の胸部に固定することも含み得る。幾つかの実施形態では、方法は、シミュレーション段階の実行中に使用するために、多断面撮像プローブを患者の胸部に固定することを含む。方法は、既知の呼吸状態にするために少なくとも１つの心周期にわたって息を止めるように患者に指示することを含み得る。既知の呼吸状態は、呼気終末呼吸フェーズであり得る。参照用の一連の多断面画像は、処置プロセスの開始時に取得され得る。幾つかの実施形態では、参照用の一連の多断面画像は、処置段階前のシミュレーション段階中に取得され得る。

【0027】

幾つかの実施形態では、方法は、多断面撮像プローブ及びプローブ位置特定システムをゲーティングコントローラに結合することを含み、ゲーティングコントローラは、非一時的コンピュータ可読媒体に予め構成された、リアルタイムで実行するための命令の組を含む。ゲーティングコントローラの命令は、所定の閾値との変位の比較に基づいてステータス状況を生成することを含み得る。幾つかの実施形態では、方法は、命令と共に非一時的コンピュータ可読媒体を構成することを含む。

【0028】

本開示の種々の実施形態は、既知の三次元座標系において心臓構造の位置を特定する方法であって、多断面撮像プローブ及び三次元空間において多断面撮像プローブを追跡するための位置特定システムを提供すること、命令を有形の非一時的媒体に提供することを含む方法を含む。命令は、患者が既知の呼吸状態であり、心臓が第１の位置にある間、複数の心拍の持続時間にわたって多断面撮像プローブを用いて心臓の第１の多断面画像のシーケンスを取得することと、第１のシーケンスを取得するステップ中、位置特定システムを用いて多断面撮像プローブを位置特定して、第１の位置における第１の参照座標の組を定義することと、患者が既知の呼吸状態であり、心臓が第２の位置にある間、複数の心拍の持続時間にわたって多断面撮像プローブを用いて心臓の第２の多断面画像のシーケンスを取得することと、第２のシーケンスを取得するステップ中、位置特定システムを用いて多断面撮像プローブを位置特定して、第２の位置における第２の参照座標の組を定義することと、第１の多断面画像のシーケンスから第１の代表的な多断面画像の組を、且つ第２の多断面画像のシーケンスから第２の代表的な多断面画像の組を識別することであって、第１の代表的な多断面画像の組及び第２の代表的な多断面画像の組は、心臓運動フェーズと呼吸運動フェーズとの既知の組合せに対応する、識別することと、第２の参照座標の組を第１の参照座標の組とアライメントすることと、アライメントされた第１及び第２の参照座標の組内の第１の代表的な多断面画像の組に対する第２の代表的な多断面画像の組の並進変位及び回転変位を定量することとを含み得る。幾つかの実施形態では、識別するステップにおける心臓運動フェーズと呼吸運動との既知の組合せは、呼吸運動フェーズの呼気終末と対応する。命令を提供するステップにおける命令は、並進変位及び回転変位に従って患者サポートを変位させることを含む。幾つかの実施形態では、命令を提供するステップにおける命令は、第１の多断面画像のシーケンスを取得するステップ中、既知の呼吸状態にするために少なくとも１つの心周期にわたって息を止めるように患者に指示することを含む。命令の第１の多断面画像のシーケンスを取得するステップは、既知の呼吸状態にするために呼気終末呼吸フェーズで実行され得る。

【0029】

本開示の種々の実施形態は、患者の胸部に取り付けられた多断面撮像プローブから、呼吸運動から生じる心臓の変位を推測する方法であって、多断面撮像プローブを提供すること、命令を有形の非一時的媒体に提供することを含む方法を含む。命令は、多断面撮像プローブを用いて、参照用の一連の多断面画像を取得することであって、多断面撮像プローブは、患者の胸部に固定される、取得することと、参照用の一連の多断面画像の各多断面画像の心位相を識別することと、患者の照射処置中、多断面撮像プローブを用いてライブ多断面画像を取得することであって、多断面撮像プローブは、患者の胸部に固定される、取得することと、ライブ多断面画像の心位相を識別することと、参照用の一連の多断面画像の対応する画像に対するライブ多断面画像の剛体レジストレーションを実行することであって、参照用の一連のうちの対応する画像は、ライブ多断面画像の心位相を表す、実行することとを含む。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本開示の一実施形態による、２つの非平行撮像面で多断面画像を取得するための超音波プローブの斜視図である。

【図2】本開示の一実施形態による、２つの非平行撮像面で多断面画像を取得するための超音波プローブの斜視図である。

【図3】本開示の一実施形態による非侵襲的心臓アブレーションシステムの簡易化された斜視図である。

【図4】本開示の一実施形態による図３の非侵襲的心臓アブレーションシステムの概略図である。

【図5】本開示の一実施形態による、処置計画を作成するシミュレーション段階を示すワークフロー図である。

【図6】本開示の一実施形態による、放射線治療を送達する処置段階を示すワークフロー図である。

【図7】本開示の一実施形態による、シミュレーション段階画像との処置段階画像のアライメントを示す。

【図8】本開示の一実施形態による、シミュレーション段階画像との処置段階画像のアライメントを示す。

【図9】本開示の一実施形態による、シミュレーション段階画像との処置段階画像のアライメントを示す。

【図10】本開示の一実施形態による、ライブ－シミュレーションレジストレーション並びに呼吸周期及び心臓ドリフトの解析のための心臓変位の位置特定特性を示すプロットである。

【図11】本開示の一実施形態による、図１０の呼吸周期及び心臓ドリフト情報を抽出する方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１及び図２を参照して、本開示の一実施形態による多断面超音波プローブ５０の動作を示す。多断面超音波プローブ５０は、２つの非平行撮像面５２及び５４において画像を取得するように構成される。幾つかの実施形態では、非平行撮像面５２及び５４は互いに直交し、任意にｘ－ｙ平面（図２）及びｘ－ｚ平面（図３）と呼ばれる。多断面超音波プローブ５０は、走査されて有効プローブ体積５６を提供し得るセンサ（図示せず）の二次元アレイを含む。多断面超音波プローブ５０は、単一の二次元超音波撮像と同様の解像度特性で多断面画像の各々を撮像し得る。そのような多断面超音波プローブは市販されており、例えば蘭国Ｅｉｎｄｈｏｖｅｎに所在のＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｎ．Ｖ．により提供されるＸＭＡＴＲＩＸ（登録商標）Ｘ５－１又はＸ７－２ｔアレイトランスデューサが市販されている。

【0032】

幾つかの実施形態では、プローブの設計は、ケース内部の金属構成要素の数を低減するように構成され、それにより例えばＣＴ撮像又はコーンビームＣＴ撮像におけるアーチファクトの出現を低減する。多断面超音波プローブ５０は、患者５８（図４）の胸部に位置決めするように適合された形状（図示せず）を有し得る。幾つかの実施形態では、多断面画像は、両端値を含めて少なくとも１０～３０ヘルツの範囲の画像リフレッシュレートで取得される。幾つかの実施形態では、画像リフレッシュレートは、両端値を含めて１０～５０ヘルツの範囲である。幾つかの実施形態では、画像リフレッシュレートは、両端値を含めて１０～１００ヘルツの範囲である。本明細書では、「両端値を含めて」と書かれた範囲は、記載された範囲の端点値を包含する。

【0033】

機能的に、多断面超音波プローブ５０は、非平行画像（図４）の同時又は順次のライブ取得を可能にし、「ライブ」は、リアルタイム取得又は画像モニタリングに十分な準リアルタイム取得として定義される。多断面超音波プローブ５０を用いて取得された非平行画像は、有効プローブ５６内の三次元空間座標における心臓運動のモニタリングを可能にする。非平行撮像面５２及び５４は、撮像された解剖学的構造についての三次元における情報を提供する。

【0034】

図３及び図４を参照して、本開示の一実施形態による非侵襲的心臓アブレーションシステム１００を示す。非侵襲的心臓アブレーションシステム１００は、治療ビーム放出システム１０２、患者位置決めシステム１０４、多断面撮像システム１０６、プローブ位置特定システム１０８及び心拍検知システム１１０を含む。システム１０６、１０８及び１１０は、リアルタイムデータ取得システム又はＤＡＱ１１２により制御され、これらは、全て入力／出力（Ｉ／Ｏ）管理システム１１４の一部である。Ｉ／Ｏ管理システム１１４は、ビームゲーティングシステム１１６とインタフェースして、多断面運動管理システム１１８を提示する。Ｉ／Ｏ管理システム１１４は、非侵襲的心臓アブレーションシステム１００の他の構成要素、例えば患者位置決めシステム１０４とインタフェースするための補助インタフェース１２０を含むこともできる。

【0035】

Ｉ／Ｏ管理システム１１４は、異なる複数のデータストリームからデータセットを同時に取得し、各データセットに対応する取得時間（「タイムスタンプ」）を確立する。幾つかの実施形態では、Ｉ／Ｏ管理システム１１４は、３種類のデータを取得するための構成要素を含む：超音波データ、心電図（ＥＣＧ）データ及び光学位置特定データ。Ｉ／Ｏ管理システム１１４は、処置室１２２内に物理的に配置することができ、幾つかの実施形態では、Ｉ／Ｏキャビネット１２４内に収容又はＩ／Ｏキャビネット１２４をベースとすることができる。

【0036】

多断面撮像システム１０６は、心臓を可視化するためにリアルタイム又は準リアルタイムで非平行多断面画像１２８を生成するために、多断面撮像プローブ１２６（例えば、多断面超音波プローブ５０）に結合される。多断面撮像システム１０６は、多断面超音波プローブ５０、プローブホルダ１４２及びビーム形成器（図示せず）を含み得る。ビーム形成器は、超音波を患者に送る時限電気信号を生成し、音響波の患者での反射に基づいてプローブ要素からの電気信号を収集し、入力信号を処理して、超音波像を生成する。

【0037】

多断面画像１２８は、標的領域１４６を直接解像し得るか、又は他の方法で標的領域１４６の位置の推測を可能にし得る。多断面撮像プローブ５０、１２６及び／又はプローブホルダ１４２は、１つ若しくは複数の位置特定マーカ１４４を含み得るか、又は１つ若しくは複数の位置特定マーカ１４４が装着され得る。多断面撮像システム１０６は、近傍粒子ビームからの中性子、陽子及びガンマ線の間接的な放出等のあるレベルの放射線露出に耐えるように構成され得る。代替的に、多断面撮像システム１０６の幾つかの構成要素（例えば、データプロセッサ）は、リモートであり得るか、アナログ又はデジタル伝送ケーブルを介して伝送される信号であり得る。

【0038】

本開示全体を通して広く行われる、多断面撮像プローブ１２６として多断面超音波プローブ５０を使用することは非限定的である。当業者は、本開示に鑑みて、本明細書に開示される概念が超音波撮像に限定されず、必要な変更を加えて組み込むことができる他の非平行撮像デバイス及び技法を組み込むこともできることを認識するであろう。他の多断面撮像システム１０６及び付随する多断面撮像プローブ１２６、例えばＸ線、ＭＲＩ及びＥＣＧＩシステムも非侵襲的心臓アブレーションシステム１００に企図される。

【0039】

プローブ位置特定システム１０８は、位置特定マーカ１４４を見るように固定された光学システム、例えばカメラ１５２であり得る。一実施形態では、カメラ１５２は、スイスＰｕｉｄｏｕｘに所在のＡｔｒａｃｓｙｓ，ＳＡＲＬから入手可能なＦＵＳＩＯＮＴＲＡＣＫ（登録商標）５００又はカナダＷａｔｅｒｌｏｏに所在のＮｏｒｔｈｅｒｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｃ．から入手可能なＰＯＬＡＲＩＳ ＶＥＧＡ（登録商標）ＸＴ等の赤外線（ＩＲ）カメラである。この種のカメラは、例えば、カメラ１５２に対するマーカの位置及び回転向きを確立する位置データの形態で、三次元空間において自由度６で赤外線反射マーカ又はＬＥＤマーカを位置特定することができる。代替的に、プローブ位置特定システム１０８は、電気、磁気又は音響を含む他の原理によって動作し得る。プローブ位置特定システム１０８は、例えば、レーザ又はサーマルイメージングを使用する表面追跡機能を含むこともできる。

【0040】

幾つかの実施形態では、位置特定マーカ１４４は、シミュレーション段階２００（図５）中にＣＴ室（図示せず）に及び処置段階３００（図６）中に処置室１２２に位置する。ＣＴ室及び処置室は、非侵襲的心臓アブレーションシステム１００の処置アイソセンタ（図示せず）に対する参照ピクセル座標１５６’、１５６を生成する共通部屋又は参照座標系１５４を含み得、参照ピクセル座標１５６’はシミュレーション段階２００を参照し、参照ピクセル座標１５６は処置段階３００を参照する。プローブ位置特定システム１０８が一致する部屋座標系１５４における多断面撮像プローブ５０、１２６の位置及び向きを提供するように、専用較正ファントム（図示せず）を用いる較正手順を使用し得る。例えば、Ｌａｃｈａｉｎｅ ｅｔ ａｌ．，“Ｉｎｔｒａｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｐｒｏｓｔａｔｅ ｍｏｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｃｌａｒｉｔｙ Ａｕｔｏｓｃａｎ ｓｙｓｔｅｍ”，Ｍｅｄｉｃａｌ ｐｈｙｓｉｃｓ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，１（２０１３）により使用されるように、そのような較正ファントムは当技術分野で既知である。

【0041】

心拍検知システム１１０は、心臓により生成される電気活動を測定する、ＥＣＧ等の心周期データ１５８を生成する。心拍検知システム１１０は、心拍動信号取得をモニタし、トリガー信号を出力し、これはＩ／Ｏ管理システム１１４により受信される。幾つかの実施形態では、Ｉ／Ｏ管理システムは、多断面画像１２８と同時にトリガー信号を受信するように構成される。ＥＣＧシステムでは、心電信号の振幅及びＲピークトリガーの両方をモニタし得る。ＥＣＧシステムは、Ｒピーク検出時にトリガーパルスを出力し、トリガーパルスはＩ／Ｏキャビネットにより受信されタイムスタンプが付される。ＥＣＧシステムは、ＥＣＣリード間の切替を制御することもできる。

【0042】

ＤＡＱ１１２は、少なくともシステム１０６、１０８及び１１０を制御し、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）１６２及び種々のＩ／Ｏモジュール１６４を含み得る。ＰＬＣ１６２及びＩ／Ｏモジュール１６４は、開始及び停止のトリガー並びに撮像、心拍動及び位置特定データストリームの正確なタイムスタンプ付与を実行する。

【0043】

治療ビーム放出システム１０２及び患者位置決めシステム１０４は任意選択的にＩ／Ｏ管理システム１１４に結合される。治療ビーム放出システム１０２は、標的領域１４６に送達される粒子ビーム１７０を選択的に生成する粒子エミッタ１６６及びビームコントローラ１６８を含み得る。患者位置決めシステム１０４は、患者サポート１７２及びポジショナシステム１７４を含み得る。幾つかの実施形態では、非侵襲的心臓アブレーションシステム１００は、同様にＩ／Ｏ管理システム１１４に結合され得る患者位置確認システム１７６を含む。患者位置確認システム１７６は、患者位置を確認するために二重Ｘ線又はコーンビーム計算トモグラフィ（ＣＢＣＴ）撮像システムを含み得る。治療ビーム放出システム１０２、患者位置決めシステム１０４及び患者位置確認システム１７６の更なる詳細は、Ｇａｒｏｎｎａ ｅｔ ａｌ．に見られる。

【0044】

ビームゲーティングシステム１１６は、ゲーティングコントローラ１７８に結合されるハードウェア制御及び信号機能を含む。標的運動管理システム１１８は、ゲーティングコントローラ１７８とユーザインタフェースするための制御コンソール１８０を含み得る。制御コンソールは、ユーザ入力及び情報表示を促進するためにグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）１８２を含み得る。ゲーティングコントローラ１７８は、治療ビーム放出システム１０２、患者位置決めシステム１０４、多断面撮像システム１０６から入力を受け取り、且つ／又はそれに出力を送るように動作可能に結合される。ゲーティングコントローラ１７８は、ＤＡＱ１１２を介してＩ／Ｏ管理システム１１４とインタフェースし得る。非侵襲的心臓アブレーションシステム１００のハードウェア構成要素を制御、調整することに加えて、ゲーティングコントローラは、限定されないが、多断面画像のレジストレーション、心位相の特定（例えば、Ｇａｒｏｎｎａ ｅｔ ａｌ．に従った）を含め、ビームゲーティングシステム１１６の求められる種々の計算タスクを記憶、実行するために、コンピュータメモリを含み得る。

【0045】

ビームゲーティングシステム１１６は、データを処理し、ユーザ及び非侵襲的心臓アブレーションシステム１００への更新情報を生成する。ビームゲーティングシステム１１６は、例えば、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）１８４を使用して画像、心拍動及び位置特定データストリームをリアルタイム又は準リアルタイムで処理するために使用し得る。代替的に、ＧＰＵ１８４は、処置室１２２に配置され、Ｉ／Ｏ管理システム１１４の一部としてＩ／Ｏキャビネット１２４に収容することができる。ＧＰＵ１８４は、例えば、多断面画像１２８及び心周期データ１５８等のデータを表示するＧＵＩ１８２及び補助ディスプレイモニタ１８６と通信し得る。ビームゲーティングシステム１１６は、ＧＵＩ１８４を通してオペレータから情報を受け取ることもできる。ビームゲーティングシステム１１６は、処置室１２２とは別の制御室１８８にリモートに配置され得、幾つかの実施形態では、ワークステーションプラットフォーム１９２に収容されるか又はワークステーションプラットフォーム１９２をベースとする。

【0046】

ビームゲーティングシステム１１６は、通信チャネル１９６を介してビームコントローラ１６８と通信するインタフェース１９４を含むこともできる。通信チャネル１９６はアナログ若しくはデジタルケーブル又は無線チャネルであり得る。ビームゲーティングシステム１１６は、通信チャネル１９２を介してゲーティング信号を送信して、粒子エミッタ１６６を有効化又はゲーティングする。本明細書では、治療ビーム放出システム１０２を「有効化」することは、粒子ビーム１７０に患者５８を照射させることであり、一方、治療ビーム放出システム１０２を「ゲーティング」することは、粒子ビーム１７０が患者５８を照射しないようにすることである。より一般に、「ビームゲーティング」という用語は、計画されたように治療ビーム１７０の送達を一時停止又は再開する信号をビームコントローラ１６８に送信することを指す。そのような有効化及びゲーティングが達成される方法は、システム固有である。幾つかのシステムは、治療ビーム放出システム１０２の加速度計をアクティブ化することにより粒子ビーム１７０を有効化し、加速度計を非アクティブ化することにより粒子ビーム１７０をゲーティングする。他のシステムは、患者５８が照射されないように粒子ビーム１７０を遮断又は送達することにより、加速度計が粒子エミッタ１６６をアクティブ化及びゲーティングしたままにする。

【0047】

機能的に、プローブ位置特定システム１０８は、多断面画像１２８内の解剖学的構造と位置特定マーカ１４４を関連付けるために、三次元空間において多断面撮像プローブ５０、１２６を追跡できるようにする。プローブ位置特定システム１０８は、部屋座標系１５４における位置特定マーカ１４４の位置特定及び連続モニタリングを可能にする。

【0048】

プローブ位置特定システム１０８は、呼吸運動のモニタリングに使用することができる。多断面撮像プローブ５０、１２６及び／又はプローブホルダ１４２は、位置特定マーカ１４４を備え、心臓を撮像するために胸部に配置され、呼吸の潮汐運動に従うように適宜位置決めされる。したがって、位置特定マーカ１４４は、呼吸運動の外部サロゲートとして作用し得る。プローブ位置特定システム１０８はそれにより、心臓及び標的領域１４６の近傍の呼吸運動についての外部情報を提供することができる。

【0049】

動作において、多断面運動管理システム１１８は、治療送達前のシミュレーション段階２００（図５）中及び／又は処置送達が実行される処置段階３００（図６）中、使用することができる。多断面撮像プローブ５０、１２６は、胸骨傍及び尖部視界窓のために、例えば患者５８の胸部上にプローブホルダ１４２を用いて患者５８に固定し得る。多断面撮像プローブ５０、１２６は、プローブホルダ１４２を使用して患者５８の胸部上に不動化され、ハンズフリー動作を可能にする。幾つかの実施形態では、多断面超音波プローブ５０のビーム形成器の信号処理を利用して、可視化に向けて画像を再構築する。

【0050】

多断面撮像システム１０６は、経腹腔（横隔膜若しくは肝臓を通る）又は経胸郭（肋骨間）での心臓の連続可視化を提供し得る。多断面撮像プローブ５０、１２６は、非平行であり得、尖部位置又は傍胸骨位置に配置され得、且つ／又は心臓運動により影響される長軸心臓構造又は短軸心臓構造を撮像し得る。

【0051】

非侵襲的心臓アブレーションシステム１００は、特定の身体運動周期の所定のフェーズにおいて、粒子ビーム１７０を標的領域１４６に送達もする。そのような身体運動周期は呼吸周期及び心臓周期を含み得る。多断面撮像システム１０６は、リアルタイム撮像からの多断面画像１２８を標的運動管理システム１１８に提供する。標的運動管理システム１１８は、多断面画像１２８を利用して、例えばＧａｒｏｎｎａ ｅｔ ａｌ．により記載されるように、所定の呼吸及び心位相で粒子ビーム１７０を送達する。多断面画像１２８は、同様にゲーティングコントローラ１７８によって決定され得る粒子ビーム１７０の求められる性質に関する情報も含み得る。

【0052】

多断面画像１２８及び心周期データ１５８は連続して取得され、標的運動管理システム１１８に更新されることができ、オペレータに情報のライブストリームを提供する。多断面画像１２８及び心周期データ１５８は、記憶媒体に記憶され、フェーズ予測プロセスの正確性を査定するために後に解析され、必要に応じて患者５８固有のソフトウェアパラメータを採用することもできる。

【0053】

図５を参照して、本開示の一実施形態によるシミュレーション段階２００のワークフローを示す。シミュレーション段階２００中、処置計画に必要な全てのデータ及び解剖学的情報（例えば、医療画像）が収集され、そこから、患者固有の処置計画が作成される。シミュレーション段階２００は、文字「ｐ」で始まる参照文字により図５に各々示されている一連のプロセスを含み得る。シミュレーション段階２００のプロセスは、幾つかの場合、間欠的に実行されるのみでよい位置特定システムの較正プロセス（ｐ２１０）；対象者セットアッププロセス（ｐ２２０）；参照撮像プロセス（ｐ２３０）；計画ＣＴスキャンプロセス（ｐ２４０）；コンタリングプロセス（ｐ２５０）；及び処置計画プロセス（ｐ２６０）を含み得る。種々のプロセスは、文字「ｓ」で始まる参照文字により図５に示されている１つ又は複数のステップを含むものとして示される。

【0054】

幾つかの実施形態では、シミュレーション段階２００の位置特定較正プロセス（ｐ２１０）は、ＣＴ撮像室で行われ、特に設計された較正ファントムを使用したプローブ位置特定システム１０８の較正（ｓ２１１）を含む。較正ファントムステップ（ｓ２１１）は、後のプロセス及び段階において多断面撮像プローブ５０、１２６を部屋座標系１５４（例えば、ＣＴ撮像室の）において位置特定できるようにする。患者又は対象者セットアッププロセス（ｐ２２０）が実行され、患者５８は腫瘍学的放射線治療手順に従ってＣＴ台に位置決めされる。対象者セットアッププロセス（ｐ２２０）は、標準不動化及び患者サポートデバイスの使用を含み得る。

【0055】

参照撮像プロセス（ｐ２３０）が実行され、参照多断面画像が、プローブホルダ１４２（ｓ２３４）を使用して患者の胸部に固定された多断面撮像プローブ５０、１２６（ｓ２３１）を用いて取得される。画像取得中、多断面撮像プローブ５０、１２６は、位置特定マーカ１４４（ｓ２３２）を使用してプローブ位置特定システム１０８により位置特定し得る。このようにして、各参照多断面画像の取得中の多断面撮像プローブ５０、１２６の位置（本明細書では「参照位置」と呼ばれる）は、部屋座標系１５４（ｓ２３５）に関して特定することができる。参照撮像プロセスｐ２３０において取得された各参照多断面画像の心位相が特定される（ｓ２３３）。参照多断面画像の取得中、皮膚マーカを患者５８の皮膚に配置して（ｓ２３６）、処置段階３００（図６）における多断面撮像プローブ５０、１２６の再位置決めを支援し得る。幾つかの実施形態では、心周期データ１５８が、シミュレーション段階中に取得される（ｓ２３７）。更に、位置特定マーカ１４４の時間分解位置は、呼吸信号として使用することができる（ｓ２３８）。

【0056】

幾つかの実施形態では、シミュレーション段階２００の計画ＣＴスキャンプロセス（ｐ２４０）、コンタリングプロセス（ｐ２５０）及び処置計画プロセス（ｐ２６０）は、標準の腫瘍学放射線治療手順を実施し得る。計画ＣＴスキャンプロセス（ｐ２４０）は、四次元（３つの空間次元＋時間）コンピュータトモグラフィ（４Ｄ－ＣＴ）スキャン取得を計画することを含み得る。幾つかの実施形態では、ダミープローブがＣＴ取得計画の取得中に利用されて（ｓ２４１）、多断面撮像プローブの金属製部品により生成されるＣＴスキャン上の望ましくないアーチファクトを回避する。ダミープローブは、位置特定マーカ（ｓ２４２）を使用してプローブ位置特定システム１０８により位置特定することもできる。追加の心周期データ及び呼吸データを取得することもできる（ｓ２４４～ｓ２４７）。４Ｄ－ＣＴスキャンでは、呼吸ゲーティング及び心臓ゲーティングの両方を行うことができる。コンタリングプロセス（ｐ２５０）中、放射線標的がコンタリングされ、一般に、標的領域１４６近傍の危険に曝されている臓器もコンタリングされる。一例の関連するコンタリングプロセスは、Ｂｌａｎｃｋ ｅｔ ａｌ．，“Ｒａｄｉｏｓｕｒｇｅｒｙ ｆｏｒ ｖｅｎｔｒｉｃｕｌａｒ ｔａｃｈｙｃａｒｄｉａ：ｐｒｅｃｌｉｎｉｃａｌ ａｎｄ ｃｌｉｎｉｃａｌ ｅｖｉｄｅｎｃｅ ａｎｄ ｓｔｕｄｙ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ Ｇｅｒｍａｎ ｍｕｌｔｉ－ｃｅｎｔｅｒ ｍｕｌｔｉ－ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｔｒｉａｌ（ＲＡＶＥＮＴＡ）”，Ｃｌｉｎ Ｒｅｓ Ｃａｒｄｉｏｌ １０９，１３１９－１３３２（２０２０）に見出される。

【0057】

幾つかの実施形態では、計画ＣＴスキャンプロセス（ｐ２４０）中、２つの心拍動信号が取得される。計画ＣＴスキャンは、典型的には、ＣＴスキャナに直結された第１の心拍検知システムにより取得される心拍動信号＃１（ｓ２４４）からのデータを使用して再構築される。処置送達は、Ｉ／Ｏ管理システム１１４の心拍検知システム１１０によって取得される心拍動信号＃２（ｓ２４５）に基づく。ＥＣＧシステムでは、心周期の開始は通常、Ｒピーク情報を使用して識別されるが、異なるＥＣＧ供給業者は典型的には、Ｒピークを識別する各自の方法を有する（例えば、実際のピークの直前又は直後）。したがって、開示される実施形態は、各心拍検知システムのＲピーク識別間の相関を確立するために、両方の心拍検知システムから信号を同時に取得することの提供を含む。代替的に、ＣＴスキャナは、それ自体の心拍動信号＃１の代わりに、心拍検知システム１１０からの心拍動信号＃２を利用し得るか、又はＩ／Ｏ管理システム１１４は、それ自体の心拍動信号＃２の代わりに、ＣＴスキャナからの心拍動信号＃１を利用し得、それにより相関付けの必要性をなくす。

【0058】

同様に、幾つかの実施形態では、２つの呼吸信号ＲＥＳＰ＃１及びＲＥＳＰ＃２を計画ＣＴスキャンプロセス（ｐ２４０）中に取得し得る。計画ＣＴスキャンは、ＣＴ撮像室で利用可能な第１の位置特定システムにより取得され得る、ＲＥＳＰ＃１（ｓ２４７）（又は任意の他の呼吸運動サロゲート信号）からのデータを使用して再構築される。処置送達は、Ｉ／Ｏ管理システム１１４のプローブ位置特定システム１０８によって取得され得るＲＥＳＰ＃２（ｓ２４６）に基づく。各位置特定システムは、相関付けを必要とする特殊性を有し得る。例えば、位置特定が複数の光学追跡システムを用いて実行される場合、ある光学追跡システムの態様は、他の光学追跡システムの特性と異なり得る。そのような態様は、追跡される物体に対する光学追跡システムの位置、取得レート、取得待ち時間を含む。したがって、開示される実施形態は、両方の位置特定システムから信号を同時に取得して、各位置特定システムにより検出された呼吸運動間に相関を確立することを含む。代替的に、ＣＴ撮像室は、それ自体のＲＥＳＰ＃１の代わりに、プローブ位置特定システム１０８からのＲＥＳＰ＃２を利用し得るか、又はＩ／Ｏ管理システム１１４は、それ自体のＲＥＳＰ＃１の代わりに、ＣＴ撮像室で使用される位置特定システムからのＲＥＳＰ＃１を利用し得、相関付けの必要性をなくす。

【0059】

幾つかの実施形態では、処置計画プロセス（ｐ２６０）は、処置段階３００の３つの入力特性を決定することを含む：（１）部屋座標系１５４により提供される座標における処置アイソセンタの所望の場所（ｓ２６１）、（２）処置計画により与えられ、心臓運動に基づいて放射線ビームが有効化又は無効化すべきときを決める心臓ゲーティング窓（ｓ２６２）、及び（３）処置計画により与えられ、呼吸運動に基づいて放射線ビームが有効化又は無効化すべきときを決める呼吸ゲーティング窓（ｓ２６３）。更に、処置計画プロセスは、少なくとも１つの参照ＣＴでの標的及び関連する全ての臓器のコンターを生成する。

【0060】

図６を参照して、本開示の一実施形態による処置段階３００のワークフローを示す。処置段階３００は、周囲の可能な限り多くの正常組織を傷つけないようにしながら、標的に照射線線量を正確に送達することを促進する。処置段階３００は、文字「ｐ」で始まる参照文字により図６に各々が示されている一連のプロセスを含む。プロセスは、幾つかの場合、間欠的に実行されるのみでよい位置特定システムの較正プロセス（ｐ３１０）；対象者セットアッププロセス（ｐ３２０）；多断面プローブセットアッププロセス（ｐ３３０）；骨アライメントプロセス（ｐ３４０）；心臓アライメントプロセス（ｐ３５０）；処置開始プロセス（ｐ３６０）；及びゲーティングプロセス（ｐ３７０）を含み得る。種々のプロセスは、文字「ｓ」で始まる参照文字により図６に示されている１つ又は複数のステップを含むものとして示される。

【0061】

幾つかの実施形態では、処置段階３００は、ここでも較正ファントム（ｓ３１１）を使用してプローブ位置特定システム１０８の較正（ｐ３１０）で開始される。対象者セットアッププロセス（ｐ３２０）中、患者５８は、シミュレーション段階２００と同様に台上に位置決めされる。幾つかの実施形態では、処置室アイソセンタとの皮膚マークの初期アライメントは、例えば、処置室で利用可能なレーザシステムを用いて又は表面撮像システムを用いて対象者セットアッププロセス（ｐ３２０）中に実行される。多断面撮像プローブ５０、１２６は、プローブホルダ１４２（ｓ３３３）を用いて患者５８の胸部上に位置決めされ不動化される。多断面撮像プローブ５０、１２６を患者５８上の、シミュレーション段階中と同じ位置に位置決めすることを促進するために、皮膚マーク及び位置特定マーカ（ｓ３３２）からの情報を利用することができる。

【0062】

多断面撮像プローブ５０、１２６が固定された位置にある状態で、患者５８は部屋座標系１５４を使用してアライメントされる。幾つかの実施形態では、骨アライメントプロセス（ｐ３４０）は、例えば、コーンビームＣＴ（ｓ３４１）を使用して、骨解剖学的構造に基づいて患者５８をアライメントすることを含む。台アライメントステップ（ｓ３４２）中、アライメントずれは、例えば、ＣＴ像、ＣＢＣＴ像又はＸ線像を用いて識別されるシミュレーション段階２００及び処置段階３００からの骨解剖学的構造の比較に基づいて計算される。アライメントずれは、患者５８をシミュレーション向きとアライメントさせるように、患者ポジショナ１７４を使用して患者サポート１７２を走査することによって補正される。幾つかの実施形態では、補正は、患者位置決めシステム１０４を制御するように、補助インタフェース１２０の１つを介して多断面運動管理システム１１８を使用して実行される。

【0063】

心臓アライメントプロセス（ｐ３５０）中、ライブ多断面画像が取得され、シミュレーション段階２００（図５のｐ２３０のｓ２３５において）中に取得された参照多断面画像とレジストレーションされる。この剛性レジストレーション（ｓ３５１）は、一般に「ライブ－シミュレーション」画像レジストレーションと呼ばれ、同じデータ種類の画像間で行われる。例えば、多断面超音波プローブ５０を使用する場合、ライブ画像及びシミュレーション画像は両方とも超音波像であり、「超音波間」又は「ＵＳ間」画像レジストレーションと呼ぶことができる。プロセスは一般に、多断面画像１２８が超音波像であるか否かに関係なく適用される。幾つかの実施形態では、超音波間画像レジストレーションは、患者セットアップの最終確認として機能する。台微調整ステップ（ｓ３５３）では、アライメントずれは、多断面画像１２８を用いて識別されたシミュレーション段階２００及び処置段階３００からの心臓の軟組織コントラストの比較に基づいて計算される。アライメントずれを補正するために必要な並進及び回転は、任意選択的に多断面運動管理システム１１８を使用して、ポジショナシステム１７４を用いて実行される。

【0064】

処置プロセス及びゲーティングプロセス（ｐ３６０及びｐ３７０）の開始時、プローブ位置特定システム１０８が多断面撮像プローブ５０、１２６を同時に追跡しながら（ｓ３７２）、ライブ多断面画像がリアルタイム又は準リアルタイムで連続して取得される（ｓ３７１）。心位相は、参照撮像プロセスｐ２３０（ｓ２３３）において取得された各参照多断面画像においてライブで特定される。ライブ多断面画像に基づいて、４つの異なる出力が生成される：（１）ドリフトモニタリングのための心臓変位情報（ｐ３７４）、（２）呼吸ゲーティング信号（ｓ３７５）、（３）心臓ゲーティング信号（ｓ３７６）（例えば、Ｇａｒｏｎｎａ ｅｔ ａｌ．に開示される等）、及び（４）治療を要する患者の生理学的変化及び処置の中断を必要とする患者の生理学的変化等の関連する警告及びインターロック（ｓ３７７）。

【0065】

図７～図９を参照して、本開示の一実施形態による、部屋座標系１５４における正しい位置への患者のアライメントを強化する患者セットアップ方法４００を示す。患者セットアップ方法は、多断面撮像を使用して心臓アライメントセットアップで骨アライメントセットアップを補足することにより、シミュレーション段階２００と同じ位置及び向きで処置段階３００において患者５８をセットアップすることを支援する。患者セットアップ方法４００は、処置段階３００の心臓アライメントプロセス（ｐ３５０）中に達成され得る。方法の態様について以下概説する。

【0066】

シミュレーション段階２００において、多断面撮像プローブ５０、１２６の位置特定中（図５）、シミュレーション段階画像シーケンスＳＩＭが、１つ又は複数の心拍動及び１つ又は複数の呼吸周期の持続時間にわたって取得される。同様に、処置段階３００において、多断面撮像プローブ５０、１２６の位置特定中（図６）、処置段階画像シーケンスＴＸが、１つ又は複数の心拍動周期及び呼吸周期の持続時間にわたって取得される。

【0067】

ＳＩＭシーケンス及びＴＸシーケンスの両方から、心臓運動フェーズと呼吸運動フェーズとの特定の組合せに属する多断面画像１２８が抽出され（図７のステップ４００ａにおいて）、シミュレーション段階参照ピクセル座標１５６’及び処置段階参照ピクセル座標１５６が定義される。例えば、呼気終末呼吸フェーズ及び収縮末期心位相と相関する画像を各シーケンスから抽出することができる。このようにして、心臓運動及び呼吸運動は、ＳＩＭシーケンス及びＴＸシーケンスから抽出された画像で同じ生理学的状態にある。既知の呼吸状態の特定は、ゲーティングコントローラにより実行され得る。そのような既知の呼吸状態は、限定されないが、息留め状況又は呼気終末状況を含む。収縮末期心位相又は他の好ましい心位相の特定もゲーティングコントローラによって特定され得る。

【0068】

粗い剛体レジストレーションがステップ４００ｂ（図８）において実行される。粗い剛体レジストレーションは、ＳＩＭシーケンス及びＴＸシーケンスからの画像４０２及び４０２’を重ねる。粗い剛体レジストレーションは、画像取得時の有効プローブ体積５６の位置に基づく（図８のステップ４００ｂ）。粗い剛体レジストレーション４００ｂは、ＳＩＭ画像４０２及びＴＸ画像４０２’の内容に関係なく実行される。

【0069】

細かい剛体レジストレーションは、ＳＩＭ画像４０２及びＴＸ画像４０２’の内容に基づいても実行される（図９のステップ４００ｃにおいて）。粗いレジストレーションと細かいレジストレーションとの組合せは、シミュレーション段階２００に対する処置段階３００における心臓の並進変位及び回転変位を定量する。したがって、患者セットアップ方法（図６の処置段階３００のプロセスｐ３２０、ｐ３４０及びｐ３５０）は、患者５８の心臓をシミュレーション段階セットアップに関して正しくアライメントするために、患者５８が位置決めされた非侵襲的心臓アブレーションシステム１００の患者サポート１７２を変位させるための並進指示及び回転指示を患者位置決めシステム１０４に提供し得る（図６のステップｓ３４２及びＳ３５３）。粗い剛体レジストレーション及び細かい剛体レジストレーションの基本概念は、Ｋｈａｌｉｌ ｅｔ ａｌ．，“Ａｎ Ｏｖｅｒｖｉｅｗ ｏｎ Ｉｍａｇｅ Ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｃａｒｄｉａｃ Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ ａｎｄ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ”，Ｃａｒｄｉｏｌｏｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ，２０１８（２０１８）及びＣｈｅ ｅｔ ａｌ．，“Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ：Ａ ｒｅｖｉｅｗ”，Ｍｅｔｈｏｄｓ，１１５，１２８－１４３（２０１７）に開示されている。

【0070】

上記技法は、処置段階３００中、参照ピクセル座標１５６における心臓の変位又は「ドリフト」をモニタするために使用することもできる。即ち、心臓ドリフトもＳＩＭ画像４０２に関して測定することができる。情報はＧＵＩ１８２で可視化することができ、それにより、オペレータが必要であると見なし得る場合、処置を中断することが可能である。幾つかの実施形態では、処置送達前にオペレータにより与えられる入力に基づいて、例えば心臓が計画標的マージン（運動の不確実性を考慮する）外に長すぎる時間にわたって移動した場合、非侵襲的心臓アブレーションシステム１００は、警告及び／又はインターロックを自動的にトリガーし、粒子ビーム１７０を中断することができる。

【0071】

幾つかの実施形態では、外部情報と内部情報とを組み合わせて、呼吸に起因する心臓の運動をモニタする。多断面撮像プローブ５０、１２６及び患者の胸部上の付随する位置特定マーカ１４４の配置（図６のｓ３３２、ｓ３３３）は、上述したように、外部情報を提供する。多断面画像１２８は、呼吸に起因する心臓の運動についての内部情報を提供する。実際に、多断面画像１２８は、参照ピクセル座標１５６における心臓の運動及び多断面撮像プローブ５０、１２６の運動についての情報を含む。

【0072】

外部情報と内部情報の両方の組合せは心臓運動の正確な表現を提供するのに対して、外部情報に依存すると、肺等の周囲の解剖学的構造の移動に基づいて心臓運動を不正確に推測することのみができる。呼吸運動管理のための内部情報と外部情報との組合せは、外部サロゲートにより提供される外部情報に制限されることが多い従来のシステム及び技法からの改良である。

【0073】

図１０を参照して、本開示の一実施形態による呼吸運動情報の種々の態様について考察する。多断面画像１２８は本質的に、多断面撮像プローブ５０、１２６に対する心臓の変位（胸部内部の解剖学的構造の変位から生じる）及び多断面撮像プローブ５０、１２６自体の変位（胸部の拡張及び収縮から生じる）の両方を捕捉する。これらの組み合わされた変位は、剛体レジストレーションプロセスにより多断面画像１２８から分離し抽出することができる。プローブ位置特定により、２つの寄与を切り離すことができる。レジストレーションプロセスは、心臓変位を特定できるようにする。

【0074】

幾つかの実施形態では、処置開始時（例えば、図６の処置開始プロセスｐ３６０中）、患者が既知の呼吸状態であるとき、患者の拍動している心臓の一連の参照多断面画像が取得される。患者に、例えば息留め状況４１２に示されるように１つ又は複数の心周期にわたって息を止めるように求めることができる。この息止め又は参照シーケンス４１２内の各参照多断面画像について、呼吸に起因した運動は、存在せず、心周期データ１５８に基づいて又はＧａｒｏｎｎａ ｅｔ ａｌ．に記載のように、心位相に関して、心臓運動を原因とした周期的運動を抽出し得る。代替的に、処置の開始時に参照多断面画像を生成する代わりに、シミュレーション段階２００中に生成されたＳＩＭ画像４０２（図５のｐ２３０のｓ２３５において取得される）を使用し得る。

【0075】

処置段階３００中、一連のライブ多断面画像が取得される。対応する心位相の参照多断面画像に対する各ライブ多断面画像の剛体レジストレーションが実行される。例えば、所与のライブ多断面画像の心位相が０．３と識別される場合、そのライブ多断面画像は、０．３と同じ心位相に対応するか、又は０．３と同じ心位相を表す参照多断面画像にレジストレーションされる。この剛体（ライブ－シミュレーション）画像レジストレーションは、図７～図９に付随して説明されたＴＸ－ＳＩＭレジストレーションのステップと同様であり得、細かいレジストレーション及び粗いレジストレーションを含み得る。

【0076】

処置中、患者は、通常の呼吸状況４１６中、細かい剛体レジストレーション時間トレース４１４に示されるように、正常に呼吸することが可能である。画像自体は、取得中のプローブ体積５６の空間位置の指示を提供しないため、ライブ－シミュレーション画像の細かいレジストレーション時間トレース４１４はプローブに対する心臓の変位を示す。通常の呼吸状況４１６中の位置特定マーカ１４４の変位を提示する位置特定マーカ時間トレース４１８も図１０に提示されている。位置特定マーカ時間トレース４１８は、対照的に、部屋座標に対するプローブ体積の位置変位の指示のみを提供する。通常呼吸４１６中に取得されるライブ多断面画像は、対応する心位相の参照多断面画像にレジストレーションされる。参照多断面画像とライブ多断面画像の心位相相関により、心臓活動に起因するいかなる相対変位も剛体レジストレーションにより実質的に相殺され、それにより、ライブ－シミュレーション（超音波間）画像の剛体レジストレーション後のいかなる変位指示も主に、多断面撮像プローブ５０、１２６に対する呼吸運動及び／又は心臓ドリフトに起因する。したがって、呼吸に起因した心臓の運動は、剛体レジストレーション時間トレース４１４と位置特定時間トレース４１８との間の差から推測することができる。

【0077】

呼吸に起因した心臓運動の推測は完全（粗い及び細かい）レジストレーションによって達成され、これも図１０に示されている。完全レジストレーションの手順は以下である：細かい剛体レジストレーション時間トレース４１４と位置特定（粗いレジストレーション）時間トレース４１８との間の差Δが、グラフ４１０では時間ｔ＝３０秒に示されている。差Δはレジストレーション時間トレース４１４を参照してのものであり得、その場合、ｔ＝３０秒に示されているΔの値は負又は反転される（グラフ４１０では下向きの矢印で表されている）。時間の関数として差Δの差時間トレース４２２を提示するサブプロット４２０も図１０に提供されている。差時間トレース４２２の周期的態様は、呼吸に起因した心臓の運動を表し、呼吸ゲーティング又は運動モニタリングを目的として呼吸周期の信頼性の高い動的指示を提供する。

【0078】

心臓ドリフトの検出もサブプロット４２０に示されている。一般に、グラフ４１０における位置特定時間トレース４１８に対する細かいレジストレーション時間トレース４１４の上向きの移行は、心臓ドリフトを示す。心臓ドリフトは、差時間トレース４２２の下向きの移行によりサブプロット４２０に示されている。時間トレース４１４及び４２２の逆方向の移行の原因は、差Δの大きさ反転である。通常の呼吸フェーズ４１６の初期呼吸周期にわたり、ゼロである差Δを表す中央値データ線４２４を確立し得る。動作帯域４３０は、サブプロット４２０上の差Δの下限閾値４２６及び上限閾値４２８によって区切られる。動作帯域は、非侵襲的心臓アブレーションシステム１００が動作することができる差Δの許容可能範囲を表す。差時間トレース４２２は、出口点４３２において動作帯域４３０の下限閾値４２６を超えて示され、再突入点４３４において動作帯域４３０内に戻るものとして示されている。したがって、出口点４３２と再突入点４３４との間に動作帯域４３０の穴４３６が存在する。

【0079】

幾つかの実施形態では、ビームゲーティングシステム１１６は、差Δが動作帯域４３０外である場合、治療ビーム１７０の送達をゲーティング又は無効化するように構成される。ビームゲーティングシステム１１６は、差Δが動作帯域４３０に再び入る場合、治療ビーム１７０の送達を有効化するように構成することもできる。幾つかの実施形態では、ビームゲーティングシステム１１６は、穴４３６が所定の時間量を超える場合のみ、治療ビーム１７０の送達をゲーティングするように構成される。同様に、ビームゲーティングシステム１１６は、動作帯域への再突入が所定の時間量を超える場合のみ、治療ビーム１７０の送達を有効化するように構成される。幾つかの実施形態では、上限及び下限閾値４２６及び４２８は、例えば、制御コンソール１８０を使用してシステムオペレータにより入力される。

【0080】

図１０のグラフ４１０は、例示を目的として含められ、単一の座標に沿った一次元変位データを提示している。本開示に鑑みて、多断面撮像プローブ５０、１２６が三次元での情報を提供し、したがって三次元での変位情報を提供可能なことを当業者は認識するであろう。

【0081】

時間トレース４１４及び４１８は、両方とも患者呼吸の結果であるため、同じ時間パターンを有する。したがって、位置特定マーカ時間トレース４１８は、ライブ－シミュレーション画像レジストレーションへのチェックとして機能する冗長性を提供し得る。ライブ－シミュレーション（例えば、ＵＳ間）レジストレーションが位置特定マーカ１４４のモニタリングに失敗する場合、位置特定は、呼吸フェーズを特定するためのバックアップを提供することもできる。加えて、位置特定マーカにより提供される情報は、心臓周囲の解剖学的構造がどのように位置するかを更に理解するために使用することができる追加情報を提供し得る。

【0082】

図１１を参照して、本開示の一実施形態による、図１０で考察した呼吸運動の態様に基づいて多断面画像１２８から呼吸運動情報を抽出する方法を示す。患者内の拍動している心臓の参照多断面画像が、多断面撮像デバイスを用いて取得され（ｓ４５１）；ステップ４５１の参照多断面画像での撮像プローブの参照位置を同時に取得し（ｓ４５２）；ステップｓ４５１の参照多断面画像の心位相を識別し（ｓ４５３）；ステップｓ４５１～ｓ４５３を繰り返して、一連の参照多断面画像並びに対応するプローブ位置及び心位相を取得する（ｓ４５４）。一連の参照多断面画像は、処置プロセスｐ４６０中にアクセスするために、例えばゲーティングコントローラ１７８のコンピュータ可読記憶媒体に記憶される。

【0083】

処置プロセス４６０が続けて実行される：患者のビーム治療処置中、多断面撮像プローブを用いてライブ多断面画像を取得し（ｓ４６６）；多断面撮像プローブのライブ位置を同時に取得し（ｓ４６７）；ライブ多断面画像の心位相を識別し（ｓ４６７）；ステップ４５５において取得された対応する参照画像と関連する、参照用の一連のうちの対応する画像及び対応する参照位置とのライブ多断面画像及びライブ位置の剛体レジストレーションを実行し、対応する参照画像は、ライブ多断面画像の心位相を表す。剛体レジストレーションは、三次元座標系に対する、患者のビーム治療処置中の拍動している心臓のライブ心臓位置を提供して、参照位置に対する拍動している心臓のライブ変位を提供する。幾つかの実施形態では、所定の閾値との上記変位の比較に基づくステータス状況が、ビームゲーティングシステム１１６による更新のために生成される。ステップｓ４６１～ｓ４６６は、外部ビーム治療処置の持続時間にわたって繰り返される。

【0084】

幾つかの実施形態では、本明細書に開示される種々の方法のステップは、プリントされた文書、コンパクトディスク又はフラッシュドライブ等の有形の非一時的媒体に提供される命令の形態で提供される。有形の非一時的媒体の非限定的な例には、紙文書並びにコンパクトディスク及び磁気記憶装置（例えば、ハードディスク、フラッシュドライブ、カートリッジ、フロッピードライブ）を含むコンピュータ可読媒体がある。コンピュータ可読媒体は、ローカルであり得るか、又はインターネットを経由してアクセス可能であり得る。命令は、単一の媒体で完了され得るか、又は２つ以上の媒体に分けられ得る。例えば、命令の幾つかは、インターネットを経由して方法のステップの１つ又は複数にアクセスするようにユーザに指示する紙文書に書くことができ、インターネットアクセス可能なステップは１つ又は複数のコンピュータ可読媒体に記憶される。

【0085】

本明細書に開示される追加の図及び方法の各々は、改良されたデバイス並びにその作製方法及び使用方法を提供するために別個に使用され得るか、又は他の特徴及び方法と組み合わせて使用され得る。したがって、本明細書に開示される特徴及び方法の組合せは、最も広い意味で本開示の実施に必ずしも必要であるわけではなく、代わりに代表的で好ましい実施形態を特に説明するためにのみに開示される。

【0086】

本開示を読んだ上で、実施形態に対する種々の変更形態が当業者に明らかであり得る。例えば、当業者は、異なる実施形態で説明された種々の特徴が他の特徴と単独で又は異なる組合せで適宜結合、結合解除及び再結合可能であることを認識するであろう。同様に、上述した種々の特徴の全ては、本開示の範囲又は趣旨への限定ではなく、実施形態例と見なされるべきである。

【0087】

種々の実施形態は、上述した任意の個々の実施形態に示されるよりも少数の特徴を含み得ることを当業者は認識するであろう。本明細書に記載された実施形態は、種々の特徴を組み合わせることができる方法の網羅的な提示であることを意図しない。したがって、実施形態は、特徴の相互に排他的な組合せではなく、むしろ、特許請求の範囲は、当業者に理解されるように、異なる個々の実施形態から選択される異なる個々の特徴の組合せを含むことができる。

【0088】

以下の文献は、全体的に参照により本明細書に援用される：Topolnjak et al.,"Image-guided radiotherapy for left-sided breast cancer patients:geometrical uncertainty of the heart",International Journal of Radiation Oncology^*Biology^*Physics,82(4),e647-e655(2012);Kincaid Jr et al.,"Investigation of gated cone-beam CT to reduce respiratory motion blurring",Medical physics,40(4),041717(2013);Nankali et al.,"Geometric and dosimetric comparison of four intrafraction motion adaptation strategies for stereotactic liver radiotherapy",Physics in Medicine&Biology,63(14),145010(2018);Fayad et al.,"Correlation of respiratory motion between external patient surface and internal anatomical landmarks",Medical physics,38(6Part1),3157-3164(2011);Robinson et al.,"An evaluation of the Clarity 3D ultrasound system for prostate localization",Journal of applied clinical medical physics,13(4),100-112(2012);De Luca et al.,"The 2014 liver ultrasound tracking benchmark",Physics in Medicine&Biology,60(14),5571(2015);Lachaine et al.,"Intrafractional prostate motion management with the Clarity Autoscan system",Medical physics international,1(2013);Ipsen et al.,"Target tracking accuracy and latency with different 4D ultrasound systems-a robotic phantom study",Current Directions in Biomedical Engineering,6(1)(2020);Queiros et al.,"Fast left ventricle tracking using localized anatomical affine optical flow",International journal for numerical methods in biomedical engineering,33(11),e2871(2017);Roujol et al.,"Characterization of respiratory and cardiac motion from electro-anatomical mapping data for improved fusion of MRI to left ventricular electrograms",PloS one,8(11),e78852(2013);Baker et al.,"Prostate displacement during transabdominal ultrasound image-guided radiotherapy assessed by real-time four-dimensional transperineal monitoring",Acta Oncologica,54(9),1508-1514(2015);Khalil et al.,"An Overview on Image Registration Techniques for Cardiac Diagnosis and Treatment",Cardiology research and practice,2018(2018);Che et al.,"Ultrasound registration:A review",Methods,115,128-143(2017);Hoogeman et al.,"Clinical accuracy of the respiratory tumor tracking system of the cyberknife:assessment by analysis of log files",International Journal of Radiation Oncology^*Biology^*Physics,74(1),297-303(2009);Depuydt et al.,"Treating patients with real-time tumor tracking using the Vero gimbaled linac system:implementation and first review",Radiotherapy and Oncology,112(3),343-351(2014);Keall et al.,"The management of respiratory motion in radiation oncology report of AAPM Task Group 76a"(2006);Blanck et al.,"Radiosurgery for ventricular tachycardia:preclinical and clinical evidence and study design for a German multi-center multi-platform feasibility trial(RAVENTA)",Clin Res Cardiol 109,1319-1332(2020);Zei et al.,"Ablative Radiotherapy as a Noninvasive Alternative to Catheter Ablation for Cardiac Arrhythmias"Curr Cardiol Rep(2017);van der Ree et al.,"Cardiac Radioablation-a Systematic Review",Heart Rhythm(2020);Graeff et al.,"Noninvasive cardiac arrhythmia ablation with particle beams",Med Phys 45(11)(2018);O'Shea et al.,"Review of ultrasound image guidance in external beam radiotherapy part II:intra-fraction motion management and novel applications",Physics in Medicine&Biology,v61(8)(2016);Fontanarosa et al.,"Review of ultrasound image guidance in external beam radiotherapy:I.Treatment planning and inter-fraction motion management",Physics in Medicine&Biology,v60(3),R77(2015);Bertholet et al.,"Real-time intrafraction motion monitoring in external beam radiotherapy",Physics in Medicine 64(15)(2019);Ipsen,"See what you treat:4d ultrasound imaging for real time motion compensation in the liver",PhD Thesis University of Luebeck(2019);Ipsen et al,"Radiotherapy beyond cancer:Target localization in real-time MRI and treatment planning for cardiac radiosurgery",Med Phys 41(12)(2014);Poon et al.,"Technical Note:Cardiac synchronized volumetric modulated arc therapy for stereotactic arrhythmia radioablation - Proof of principle",Med Phys 47(8)2020。

【0089】

本明細書における文献の参照によるいかなる援用も、本明細書における明確な開示と逆の趣旨が援用されないように制限される。上記文献の参照による援用が、文献に含まれる特許請求の範囲が本明細書での参照により援用されないように更に制限される。上記文献の参照によるいかなる援用も、文献に提供される定義が、明確に本明細書に含まれない限り、本明細書での参照により援用されないように更に制限される。

【0090】

別記される場合を除き、本明細書に含まれる「実施形態」、「開示」、「本開示」、「本開示の実施形態」、「開示される実施形態」等の言及は、認められた先行技術ではない本特許出願の明細書（特許請求の範囲を含む文章及び図）を指す。

【0091】

特許請求の範囲を理解するために、「～するための手段」又は「～するステップ」という特定の用語が各請求項で記載される場合を除き、米国特許法第１１２条（ｆ）項の規定が行使されるべきではないことが明確に意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】