JP2017209159A - 動体追跡装置および放射線照射システム - Google Patents

Abstract

【課題】動体追跡において、オペレータの負担をより軽減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。【解決手段】マーカー２９を撮像する撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢとＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂと、撮像された撮像画像からマーカー２９の位置を求める動体追跡制御装置４１と、を備えた動体追跡装置３８であって、動体追跡制御装置４１は、放射線の治療計画の作成時に特定したマーカー２９の撮像画像上の位置の情報に基づいてマーカー２９の位置を求める。【選択図】 図８Ａ

Description

本発明は、粒子線等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、算出された第１及び第２の２次元座標に基づき腫瘍マーカーの３次元座標を計算する中央演算処理部と、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

癌などの患者に粒子線やＸ線などの放射線を照射する方法が知られている。粒子線には陽子線や炭素線などがある。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の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。

放射線照射システムにおける線量分布を形成する方法として、細い粒子線を電磁石により走査して線量分布を形成するスキャニング照射法が普及し始めている。

ところで、腫瘍などの標的が呼吸などで移動すると、粒子線の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）にある場合のみ粒子線を照射するゲート照射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とを比較し、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。この方法では、追跡対象が写ったＸ線測定器上の位置と撮像用Ｘ線発生装置とを結ぶ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とを比較して、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には、探索領域を設定して、その内部のみでテンプレートマッチングすることによりマーカー位置判定の計算量を低減する方法が示されている。しかし、マーカーが認識されていない状態からマーカーを認識する方法については検討がなされていない。

そのため、マーカーが認識されていない状態において探索領域の設定をオペレータが手作業で実施することになるが、この設定を省略することができれば、治療時間を短縮することができるようになる。

本発明の目的は、動体追跡において、治療時間を短縮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にある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
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、複数の追跡対象を撮像する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と、放射線による治療計画の作成時に撮像した撮像画像上で特定した前記複数の追跡対象の位置情報とに基づいて前記複数の追跡対象の位置を求める制御装置とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、動体追跡において、治療時間を短縮することができる。

陽子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。 比較例におけるマーカーの探索領域を設定する概念図である。 比較例におけるマーカーの探索領域を設定する概念図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールのＸ線撮像画像の表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールのマッチングスコアの変化表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールの共通垂線長の変化表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールのＸ線撮像画像の表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールのマッチングスコアの変化表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールの共通垂線長の変化表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールのＸ線撮像画像の表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールのマッチングスコアの変化表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールの共通垂線長の変化表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールのＸ線撮像画像の表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールのマッチングスコアの変化表示部分を示す図である。 実施例１におけるマーカーの探索領域を設定する際のコンソールの共通垂線長の変化表示部分を示す図である。 実施例１におけるコンソールの画面を示す概念図である。 実施例１におけるマーカーの探索に用いるパラメータの設定画面を示す概念図である。 実施例２におけるマーカーの探索領域を設定する方法を示す概念図である。 実施例２におけるマーカーの計画位置と検出位置との距離を示す図である。

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１１を用いて説明する。

本発明は、Ｘ線照射システムや陽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、陽子線照射システムを例にして図１を用いて説明する。

本発明の実施例のひとつである陽子線照射システムは、図１に示すように、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、照射制御装置４０を備える。標的に対して陽子線を照射するための陽子線照射装置は、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２を備える。

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（図示せず）、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で更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（図示せず）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台の走査電磁石、線量モニタ、位置モニタを備える。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は照射制御装置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。

照射制御装置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等と接続されており、陽子線発生装置１０、ビーム輸送系２０、照射ノズル２２等の機器を制御する。

動体追跡装置３８は、第１のX線撮像装置と、第２のX線撮像装置と、動体追跡制御装置４１を備える。第１のX線撮像装置は、照射対象２６内のマーカー（追跡対象）２９の撮像画像を撮像する撮像用Ｘ線発生装置２３ＡとＸ線測定器２４Ａを備える。第２のX線撮像装置は、マーカー２９の撮像画像を撮像する撮像用Ｘ線発生装置２３ＢとＸ線測定器２４Ｂを備える。

第１のX線撮像装置と第２のX線撮像装置は、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の位置を計算し、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照射制御装置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。また、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、Ｘ線測定器２４Ａ，２４Ｂによって取得した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次元位置を計算し、その結果に基づいて標的の位置を求める。また、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照射制御装置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。照射制御装置４０では、動体追跡制御装置４１が生成するゲートオン信号，ゲートオフ信号に基づき、陽子線の出射を制御する。

第１のＸ線撮像装置および第２の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、本実施例では、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（以後、探索領域とも記載）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２８Ａ，２８Ｂ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２８Ａ，２８Ｂ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２８Ａ，２８Ｂ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と呼ぶ。そして、この共通垂線の中点をマーカー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ときは共通垂線が長くなる。そして共通垂線３０の長さが予め設定した閾値を超えた場合はマーカー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照射制御装置４０に送信して陽子線の照射を停止させる。

本実施例の動体追跡制御装置４１の特徴は、複数のマーカー２９に対して、撮像を開始する際のマーカー２９の検出方法にある。

従来の方法では、上述のように、マーカー２９が認識されていない状態からマーカー２９を認識する方法が検討されていない。そのため、マーカー２９が認識されていない状態において探索領域の設定をオペレータが手作業で実施する場合、オペレータがマウスなどの入力装置を使用して探索領域を指示する方法が想定される。

動体追跡制御装置４１がマーカー２９に対して探索領域を設定する方法としては、撮像画像上のマーカー２９の計画位置に基づき、撮像開始直後からマーカー２９の位置の探索を開始する方法が考えられる。ここで、計画位置とは、治療計画時に特定されたマーカー２９の位置を指す。動体追跡照射において、マーカー２９が一定の範囲内にあるときに陽子線を照射する基準の位置とすることが考えられる。本実施例では、計画位置を探索領域の中心とする。

まず、図４と図５を用いて、１つのマーカー２９の探索を開始する方法を比較例として説明する。図４は２枚ある撮像画像の内１枚を表し、図５はマーカー２９が探索領域３５内に入った時の撮像画像を表す。２台のX線撮像装置によりマーカー２９の撮像が開始されると、図４に示すように、動体追跡制御装置４１は計画位置を中心として撮像画像上に探索領域３５を設定する。軌跡３３をマーカー２９が移動して、図５に示すように探索領域３５内に入ると、マーカー２９が認識できたと判断する。

上記の比較例で説明したようにマーカー２９が１つである場合に対して、本実施例では、マーカー２９が複数ある場合を対象とする。本実施例では、３つのマーカー２９−１、２９−２、２９−３がある場合を例に、図６Ａ乃至図９Ｃを用いて説明する。

動体追跡装置３８は、撮像が開始される前に撮像画像上のマーカー２９−１、２９−２、２９−３の計画位置の情報を保有している。

まず、撮像画像上における計画位置の特定方法について説明する。陽子線の照射を行うにあたって、治療計画装置により治療計画用ＣＴ画像上のアイソセンターの位置を決定する。アイソセンターの位置が決定されると、このアイソセンターの位置と治療計画用ＣＴ画像上のマーカー２９−１の位置との３次元的な位置関係が決定される。次に、３次元ＣＴ画像から、２次元の画像に変換した場合の計画位置を求める。２対のＸ線撮像装置を用いて撮像用Ｘ線を照射する方向が決まると、撮像画像上におけるマーカー２９−１の計画位置が求まる。

具体的には、撮像用Ｘ線の線源とマーカー２９−１を結ぶ直線がＸ線測定器２４の受像面と交わる点に対応する撮像画像上の位置が撮像画像における計画位置となる。マーカー２９−２、２９−３についても同様に撮像画像上における計画位置を求める。

マーカー２９−１、２９−２、２９−３が図６Ａの軌跡３３に示すように周期的に移動しているとする。撮像が開始されると、動体追跡制御装置４１は、撮像開始直後の画像に対して計画位置Ｐ_１，Ｐ_２，Ｐ_３を中心として予め決められた大きさの探索領域３５−１、３５−２、３５−３をそれぞれ設定する。これにより、探索範囲の設定を手動で行うことなく、撮像開始直後の画像からマーカー位置の探索が可能となる。

撮像開始時点でマーカー２９のいずれかが探索領域の内側にない場合がある。本実施例では、撮像開始時点ですべてのマーカーが探索領域外にあるとする。マーカー２９のいずれかが該当する探索領域３５内に入って認識できるまではマーカー２９の探索を繰り返し実行する。マーカー認識の可否判断は、マッチングスコアまたは共通垂線長に基準値を設定して判断する。マッチングスコアを用いて判断する場合は、予め基準を設定しておき、その値よりもマッチングスコアが上回ればマーカーは認識できたと判断する。共通垂線長を用いる場合は、予め基準を設定しておき、その値よりも共通垂線長が下回ればマーカー２９を認識できたと判断する。また、マッチングスコアと共通垂線長の両方が基準を満たすことを判断基準とすることも可能である。

説明上、図６Ａの撮像画像を撮像開始からｎ枚目として、探索領域３５−１，３５−２，３５−３の中心位置はそれぞれＳ_ｎ，１，Ｓ_ｎ，２，Ｓ_ｎ，３とする。図６Ａではいずれのマーカー２９も探索領域３５外にあるため、図６Ｂに示すようにマッチングスコアはいずれも基準値より低く、図６Ｃに示すように共通垂線長は基準値を上回る。

図７Ａにｎ＋１枚目の撮像画像を示す。図６Ａに示したｎ枚目の撮像画像においてはどのマーカー２９も認識されていないため、動体追跡制御装置４１は、ｎ＋１枚目の撮像画像に対しても探索領域３５は計画位置を中心に設定する。

図７Ａに示すように、ｎ＋１枚目の撮像画像では、マーカー２９−１が探索領域３５−１内に入ったことにより、図７Ｂに示すようにマッチングスコアが基準値を上回り、また図７Ｃに示すように共通垂線長が基準値を下回る。マッチングスコアならびに共通垂線長の基準を満たしたことから、探索領域３５−１内にマーカー２９−１を検出位置Ｑ_{ｎ＋１，１}に認識したと判断する。このとき、マーカー２９−２，２９−３はまだ認識されていない。

図８Ａにｎ＋２枚目の撮像画像を示す。上述のようにｎ＋１枚目の撮像画像においてマーカー２９−１は認識されたので、動体追跡制御装置４１は、マーカー２９−１の探索領域３５−１は前フレームでの検出位置Ｑ_{ｎ＋１，１}を中心に設置する。マーカー２９−２，２９−３に関しては、動体追跡制御装置４１は、それぞれのマーカーの計画位置に対して、マーカー２９−１の計画位置と検出位置の差分を補正量として加えた位置を中心に探索領域３５−２，３５−３を設定する。

具体的には、動体追跡制御装置４１は、中心位置Ｓ_{ｎ＋２，２}＝Ｐ_２＋（Ｑ_{ｎ＋１，１}−Ｐ_１）、Ｓ_{ｎ＋２，３}＝Ｐ_３＋（Ｑ_{ｎ＋１，１}−Ｐ_１）と設定する。図８Ａ中の点線で示した領域は、計画位置を中心に設定した探索領域３５−１Ａ，３５−２Ａ，３５−３Ａである。このため、マーカー２９−２の場合、計画位置を中心に設定した探索領域３５−２Ａではｎ＋２枚目の撮像画像で認識不可能であるが、マーカー２９−１の計画位置と検出位置の差分を補正量として加えた位置を中心に設定した探索領域３５−２では認識可能となる。なお、マーカー２９−３では、計画位置を中心に設定した探索領域３５−３Ａでもｎ＋２枚目の撮像画像で認識可能である。このとき、図８Ｂに示すように、マッチングスコアはすべてのマーカーについて基準値を上回り、図8Ｃに示すように、共通垂線長はすべてのマーカーについて下回っている。

図９Ａにｎ＋３枚目の撮像画像を示す。前フレームにおいてマーカー２９−１，２９−２，２９−３を認識できているため、その後のフレームでは、探索中心Ｓ_{ｎ+３，１}，Ｓ_{ｎ+３，２}，Ｓ_{ｎ+３，３}は前画像でのマーカー位置に設定して、その位置を中心として予め決められた大きさの探索領域３５−１，３５−２，３５−３を設定する。

なお、探索領域３５の大きさは、マーカー２９を認識する前後で変化させても良い。例えば、マーカー２９−１を認識する前に比べて、認識後に探索領域３５−１を小さく設定するようにしても良い。探索領域の大きさを変化させることで、マーカーを探索する時間を短縮し、治療時間を短縮することができる。

また、本実施例の計画位置に基づいた探索領域３５の設定とオペレータによる探索領域３５の指定とを組み合わせることも可能である。

具体的には、オペレータが探索領域３５を指定したときは、動体追跡制御装置４１は、オペレータが探索領域３５を指定した時点から数フレームの撮像画像に対しては指定した探索領域３５内でマーカー２９をそれぞれ探索し、認識されなかったときは、それ以降の撮像画像に関しては計画位置を中心に探索領域３５を設定し、探索を行う。

もしくは、例えばマーカー２９−１はオペレータにより探索領域３５−１を指定し、その他のマーカー２９−２，２９−３は動体追跡制御装置４１が探索領域３５−２，３５−３をそれぞれ設定するようにしても良い。

また、動体追跡制御装置４１は、マーカー２９が認識されない状態で長時間、撮像を継続しないようにするために待機時間を設定し、予め設定された時間の間にマーカー２９のいずれかの位置が求まらなかったときは、撮像用Ｘ線発生装置２３ＡとＸ線測定器２４Ａおよび撮像用Ｘ線発生装置２３ＢとＸ線測定器２４Ｂによる撮像を停止させる。

上述した各パラメータ，基準値を設定するための入力画面例の一例については後述する。

また、マーカー２９を追跡して陽子線を照射しているときに、何らかの理由でマーカー２９の認識に失敗してしまった場合においても、本実施例によりマーカー２９を再認識しなおす時間を短縮することが可能となる。マーカー２９−１を例として、具体的な方法を以下に説明する。

動体追跡制御装置４１は、オペレータの入力により、マッチングスコア、共通垂線長、検出されたマーカー位置と計画位置との間の距離のいずれかに対してマーカー２９−１の認識が成功しているか否かを判別する基準値を設定する。マッチングスコアを用いる場合は、マーカー２９−１を認識して追跡している間にマッチングスコアを監視し、マッチングスコアが基準値よりも結果が大きいときに認識が成功していると判断する。共通垂線長を用いる場合は、マーカー２９−１を認識して追跡している間に共通垂線長を監視し、共通垂線長が基準値よりも結果が小さいときに認識が成功していると判断する。検出されたマーカー位置と計画位置との間の距離を用いる場合は、マーカー２９−１を認識して追跡している間に検出されたマーカー位置と計画位置との間の距離を監視し、検出されたマーカー位置と計画位置との間の距離が基準値よりも結果が小さいときに認識が成功していると判断する。また、例えばマッチングスコアと共通垂線長という組み合わせで、２つの値を用いても良い。この場合、マッチングスコアが基準値よりも結果が大きく、共通垂線長が基準値よりも結果が小さいときに認識が成功していると判断する。より好ましくは、マッチングスコア、共通垂線長、検出されたマーカー位置と計画位置との間の距離について、全ての基準値を用いて認識が成功しているか否かを判断すると良い。この場合、マッチングスコアが基準値よりも結果が大きく、共通垂線長ならびに検出されたマーカー位置と計画位置との間の距離が基準値よりも結果が小さいときに認識が成功していると判断する。

また、動体追跡制御装置４１は、マーカー２９−１の追跡中に、これらの判断基準を使用してマーカー２９−１の認識に失敗したと判断された場合は、計画位置を中心に探索領域３５−１を設定する。以降のマーカー認識までの方法は、撮像開始時点の方法と同様とする。

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、標的に配置された照射スポット（以降、スポットとも記載）に細い陽子線を照射し、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と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には治療計画装置により作成された照射のための照射パラメータが保存されており、照射制御装置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、照射制御装置４０や動体追跡制御装置４１と接続されており、照射制御装置４０や動体追跡制御装置４１から取得した信号に基づいてモニタ上に情報を表示する。表示する情報には、撮像画像やマーカー２９の追跡状況に関する情報が含まれる。図７にコンソール４３に表示される撮像画像やマーカー２９の追跡状況に関する画面の一例を示す。

図１０に示すように、コンソール４３の画面上には、撮像開始ボタン５０やゲートスタートボタン５１、２対のＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂから得られた撮像画像Ａ６１および撮像画像Ｂ６２が表示される。更に撮像画像Ａ，Ｂ上にはそれぞれに対して探索領域３５とその中心が表示される。また、画面上には図６Ａ、図７Ａ、図８Ａ、図９Ａに示すような撮像画像Ａのマッチングスコアの変化表示部分６３、図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂ、図９Ｂに示すような撮像画像Ｂのマッチングスコアの変化表示部分６４、および図６Ｃ、図７Ｃ、図８Ｃ、図９Ｃに示すような共通垂線長の変化表示部分６５が表示される。

また、コンソール４３では、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、照射制御装置４０や動体追跡制御装置４１に様々な制御信号を送信する。入力される情報には、動体追跡に必要なパラメータが含まれる。図１１に示すように、コンソール４３上に、動体追跡に必要なパラメータの入力画面を表示するようにしてもよい。

入力可能なパラメータには、図８に示すような、マーカー位置判定基準の設定項目として、Ｘ線撮像装置Ａ（撮像用Ｘ線発生装置２３ＡとＸ線測定器２４Ａからなる組）のマッチングスコアの基準値、Ｘ線撮像装置Ｂ（撮像用Ｘ線発生装置２３ＢとＸ線測定器２４Ｂからなる組）のマッチングスコアの基準値、共通垂線長の基準値、探索領域３５のサイズ、待機時間がある。

次に、陽子線を照射する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、照射制御装置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ならびにマーカー２９の計画位置の情報を読み込む。読み込んだガントリー角度の情報に合わせて、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を押して動体追跡制御装置４１にＸ線撮像を開始させる。

本実施例では、撮像開始直後から、撮像画像上のマーカー２９の計画位置の情報を使用して探索領域３５が設定され、それぞれの撮像画像上でマーカー２９の探索が開始される。マーカー２９の探索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。

オペレータは、２つのＸ線撮像装置に対応する２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の押した後、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から照射制御装置４０に向けてゲートオン信号が送信される。オペレータが画面上で確認して意図したマーカー２９を追跡していない場合には、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すと、照射制御装置４０は、記憶装置４２から読み込んだエネルギーの情報に基づき、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、照射制御装置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、照射制御装置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。照射制御装置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から読み込んだスポット情報に基づいて、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から照射制御装置４０がゲートオン信号を受信していれば陽子線の出射を開始する。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、照射制御装置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から読み込まれた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照射制御装置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、照射制御装置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。

照射制御装置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次のスポット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照射制御装置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、照射制御装置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。照射制御装置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番目に照射するエネルギーまで陽子線を加速する。照射制御装置４０は、ビーム輸送系２０と走査電磁石を制御して、記憶装置４２から読み込んだスポットを照射していく。

以上の動作を繰り返し、全てのスポットの照射が完了すると、照射制御装置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３８および放射線照射システムの実施例１は、標的に対して陽子線を照射するための陽子線照射装置と、陽子線照射装置を制御する照射制御装置４０と、動体追跡装置３８とを備えた陽子線照射システムにおいて、マーカー２９を撮像する撮像用Ｘ線発生装置２３Ａ，２３ＢとＸ線測定器２４Ａ，２４Ｂと、撮像された撮像画像と陽子線による治療計画の作成時に撮像した撮像画像上で特定したマーカー２９の位置の情報に基づいてマーカー２９の位置を求める動体追跡制御装置４１と、を備えた動体追跡装置３８を備える。

これによって、オペレータが探索領域を設定しなくても、治療計画の作成時に特定した複数のマーカー２９の撮像画像上の位置に基づいて探索領域が設定されて探索が速やかに開始されることにより、治療時間を短縮できる。また、オペレータによる探索領域の設定作業を省略することができ、オペレータの負担を従来に比べて軽減することができる。

また、動体追跡制御装置４１は、マーカー２９の位置を探索する探索領域３５を計画位置の情報に基づいて設定し、設定した探索領域３５内でマーカー２９を探索することでその位置を求めるため、オペレータが探索領域を設定することなくマーカー２９が存在すると想定される領域での探索が開始されるため、マーカー２９をより速やかに認識することができ、治療時間を短縮できるとともに、オペレータの負担をより軽減できる。

更に、マーカー２９の位置が認識された後は、動体追跡制御装置４１は、認識されたマーカー２９の位置に基づいて以後の探索する探索領域３５を設定することで、高い精度での探索を継続することができる。

また、マーカー２９の位置を検索する領域を入力するコンソール４３を備え、動体追跡制御装置４１は、入力された探索領域３５内において、所定の時間内に複数のマーカー２９を認識しないときは、以後は計画位置の情報に基づいてマーカー２９を探索することにより、オペレータによる探索領域３５の指定と計画位置を用いた探索領域３５の設定を組み合わせることができ、更にマーカー２９の認識までの時間を短縮することが可能となる。

更に、動体追跡制御装置４１は、所定時間内に複数のマーカー２９の位置を認識しないときは、第１のＸ線撮像装置と第２のＸ線撮像装置による撮像を停止させることで、必要以上に撮像用Ｘ線が照射されることを防ぐことができ、患者や装置などへの負担を軽減することができる。

また、特許文献１には、複数のマーカーを追跡する方法が示されている。しかし、認識された複数のマーカーと患者に設置されたマーカーとを対応付けする方法が検討されていない。そのため、マーカーの対応付けをオペレータが手作業で実施するとなると、時間が長くかかる可能性があるという課題がある。これに対し、本実施例のようにマーカー２９が複数ある場合に、あるマーカー２９が認識された後は、動体追跡制御装置４１は、認識されたマーカー２９の位置に基づいて認識されていないマーカー２９の位置を探索する探索領域３５を修正することにより、既に認識されたマーカーの検出位置の情報を用いて、まだ認識されていないマーカーに対する探索領域を補正することにより、すべてのマーカーの認識までの時間を短縮することが可能となる。

なお、上記の例では、マーカー２９−２，２９−３が同時に認識される場合を例に説明したが、ｎ＋１枚目の撮像画像においてマーカー２９−１，２９−２が認識されてマーカー２９−３が認識されていない状態の場合、マーカー２９−３の探索領域３５−３をＳ_{ｎ＋２，３}＝Ｐ_３＋（Ｑ_{ｎ＋１，１}−Ｐ_１）／２＋（Ｑ_{ｎ＋１，２}−Ｐ_２）／２等のような方法で計算・補正することができる。

また、動体追跡制御装置４１は、マーカー２９を認識している間は求めたマーカー２９の位置と治療計画の作成時に特定したマーカー２９の撮像画像上の位置との距離を求め、距離が所定の基準値以下であればマーカー２９を求められていると判定することにより、より高い精度でのマーカー２９の探索が可能となるとともに、マーカーを見失う可能性が低下し、治療時間が短縮する。

更に、第１のＸ線撮像装置と第２のＸ線撮像装置は、マーカー２９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、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照射制御装置４０に対して陽子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内の標的に対する陽子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を図１２および図１３を用いて説明する。図１から図１１と同じ構成には同一の符号を示し、説明は省略する。

本実施例の動体追跡装置および放射線照射システムと実施例１との違いは、マーカー２９が複数ある場合に、マーカー位置の探索に探索領域を設定せずに、検出されたマーカー２９がいずれのマーカー２９であるかを、計画位置の情報に基づいて特定する点にある。

まず、動体追跡制御装置４１はマーカー２９を認識するために探索を行う。探索領域を設定せずに撮像画像全体に対してマーカー位置を探索する場合、撮像開始直後からマーカー位置の探索が可能である。ここで、複数のマーカーがある場合、認識された複数のマーカーと患者に設置されたマーカーとを対応付けする必要がある。マーカーの対応付けをオペレータが手作業で実施する場合、オペレータの熟練度によっては時間が長くかかる可能性があり、この作業を省略することができればオペレータの負担をより軽減し、また時間を短くすることができるようになる。

そこで、本実施例の動体追跡制御装置４１では、複数あるマーカー２９がどのマーカー２９であるかの対応付けを各マーカー２９の計画位置の情報を用いて実施する。図１２を用いて説明する。図１２は３つのマーカーがある場合の撮像画像の例である。

図１２に示すように、計画位置１，２，３を持つ３つのマーカーがそれぞれ検出位置１，２，３に認識されている。本実施例の動体追跡制御装置４１では、マーカーを対応付けるために、計画位置と検出位置との距離を使用する。図１３に各マーカーの計画位置と検出位置との距離を表す。

動体追跡制御装置４１では、３つのマーカーの計画位置と検出位置との距離の組み合わせを全て求め、距離が最も小さくなる組み合わせが対応付けられた組み合わせとして、マーカーの位置を求める。図１３の場合、検出位置１をマーカー２９−１、検出位置２をマーカー２９−２、検出位置３をマーカー２９−３に対応付ける。

その他の構成・動作は前述した実施例１の動体追跡装置および放射線照射システムと略同じ構成・動作であり、詳細は省略する。

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実施例１とほぼ同様な効果が得られる。

また、複数のマーカー２９に対して、動体追跡制御装置４１は、検出されたマーカー２９が、複数のマーカー２９のうちいずれのマーカー２９であるかを計画位置の情報に基づいて特定することにより、複数のマーカーがある場合であってもオペレータの熟練度に依存しないマーカー追跡の開始が可能となる。

＜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。

また、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本発明は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
２８Ａ，２８Ｂ…線
２９，２９−１，２９−２，２９−３…マーカー（追跡対象）
３０…共通垂線
３３…軌跡
３５，３５−１，３５−１Ａ，３５−２，３５−２Ａ，３５−３，３５−３Ａ…探索領域
３８…動体追跡装置
４０…照射制御装置
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…撮像画像Ａのマッチングスコアの変化表示部分
６４…撮像画像Ｂのマッチングスコアの変化表示部分
６５…共通垂線長の変化表示部分

Claims (12)

1. 複数の追跡対象を撮像する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と、放射線による治療計画の作成時に撮像した撮像画像上で特定した前記複数の追跡対象の位置情報とに基づいて前記複数の追跡対象の位置を求める制御装置とを備える
   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、
   前記制御装置は、前記位置情報に基づいて前記追跡対象の位置を探索する領域を設定し、前記領域内で前記追跡対象を探索することで前記複数の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。
3. 請求項２に記載の動体追跡装置において、
   前記制御装置は、前記複数の追跡対象に対して、先に認識された前記追跡対象の位置に基づいて、認識されていない前記追跡対象の前記領域を修正する
   ことを特徴とする動体追跡装置。
4. 請求項２または３に記載の動体追跡装置において、
   前記追跡対象の位置が認識された後は、前記制御装置は、認識された前記追跡対象の位置に基づいて前記領域を修正する
   ことを特徴とする動体追跡装置。
5. 請求項１に記載の動体追跡装置において、
   複数の前記追跡対象に対して、前記制御装置は、認識された前記追跡対象が、前記複数の追跡対象のうちいずれの追跡対象であるかを前記位置情報に基づいて特定する
   ことを特徴とする動体追跡装置。
6. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の動体追跡装置において、
   前記領域の入力を受け付ける入力装置を備え、
   前記制御装置は、入力された前記領域内において、所定の時間内に前記複数の追跡対象のうち少なくとも１つが認識されないときは、前記位置情報に基づいて前記領域を修正する
   ことを特徴とする動体追跡装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の動体追跡装置において、
   前記制御装置は、所定の時間内に前記複数の追跡対象のうち少なくとも１つがが認識されないときは、前記Ｘ線撮像装置による撮像を停止させる
   ことを特徴とする動体追跡装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の動体追跡装置において、
   前記制御装置は、前記追跡対象を認識している間は求めた前記追跡対象の位置と治療計画の作成時に特定した前記追跡対象の撮像画像上の位置との距離を求め、この距離が所定の基準値以下であれば前記追跡対象が認識されていると判定する
   ことを特徴とする動体追跡装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項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。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項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。
11. 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、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。
12. 請求項１１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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