JP6676780B2 - 画像誘導治療提供 - Google Patents

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Description

本発明は患者に対する画像ベースの治療提供誘導のシステム及びコンピュータプログラムに関する。さらに、本発明は、画像提供における支援の方法に関する。
特許文献１は、患者に対する放射線治療のような標的療法のシステムを開示している。このシステムは、コンピュータ断層撮影画像化システムのような画像化モダリティから得られた第１の画像を使用することによって、患者の内部の標的病変を識別するように適合される。このシステムは、静的超音波画像を提供し、静的超音波画像上に患者内の解剖学的特徴を識別するようにさらに適合される。さらに、システムは、第１の画像を静的超音波画像に位置合わせし、超音波を使用してリアルタイムで呼吸中の解剖学的特徴の動きを追跡し、標的病変への治療送達が解剖学的特徴の移動および位置合わせされた画像に基づいてトリガされるように構成される。
特許文献２は、医用画像化プローブを位置特定するシステムを開示している。基準標的の画像は、医用画像化プローブに取り付けられたカメラによって生成され、基準標的は、プローブから離れており、座標系に対して既知の位置にある場所に配置されている。医用画像化プローブの位置は、基準標的の生成された画像に少なくとも部分的に基づいて、座標系に対して決定される。
特許文献３は、関心のある生体構造を追跡するシステムを開示している。システムは、関心のある解剖学的構造の超音波画像を取得するように構成された超音波プローブと、関心のある解剖学的構造の画像を取得するように構成された非超音波画像化モダリティと、超音波プローブおよび非超音波画像化モダリティと動作可能に通信するコントローラとを含み、コントローラは、プロセッサとコンピュータ可読媒体とを備える。コンピュータ可読媒体は、第１の基準フレームの関心のある解剖学的構造の事前に取得された３次元画像と、プロセッサに次の機能を実行させる命令とを記憶する：
ａ）非超音波画像化モダリティに命令して第２の基準フレームにおける関心のある解剖学的構造の非超音波画像を取得することと、
ｂ）前記超音波プローブに命令して、非超音波画像が取得されるのと実質的に同時に、関心のある解剖学的構造のセットアップ超音波画像を取得することと、
ｃ）事前に取得された３次元画像と非超音波画像とを位置合わせすることによって、第１の基準フレームと第２の基準フレームとの間の変換を確立することと、
ｄ）前記超音波プローブに命令して関心のある解剖学的構造の内分泌（ｉｎｔｒａｆｒａｃｔｉｏｎ）超音波画像を取得することと、
ｅ）前記内分泌超音波画像を前記セットアップ超音波画像と位置合わせすることと、
ｆ）位置合わせされた内分泌超音波画像に基づいて関心のある解剖学的構造の動きを追跡することとを含む。
特許文献４は、手術中にナビゲーションを提供するシステムを開示している。このシステムは、基準マーカーとして適した医療機器と並行して超音波画像化トランスデューサを操作するロボット装置を備える。関心領域がスキャンされ、その中の解剖学的特徴のパラメータが、超音波画像化トランスデューサを使用して測定される。超音波画像化トランスデューサの位置は、ロボット装置へのプログラム可能なコンピュータリンクを使用して手術中に追跡され、この追跡によって追跡情報が得られる。追跡情報は、手術中に医療器具を視覚化することができる関心領域の３次元モデルを構築するように適用され、３次元モデルから導出された情報を使用することによって関心領域を中心として医療器具が操作される。
特許文献５は、様々な位置における超音波画質を推定して所望の超音波トランスデューサ位置を決定するシステムを開示している。このシステムは、第１の画像化モダリティから、標的を含む解剖学的構造の画像データを受信するように構成された入力モジュールを備える。このシステムはさらに、入力モジュールに結合された画質評価モジュールを備え、前記画質評価モジュールは、前記解剖学的構造の画像データを解析して、前記位置から前記標的までの、１つ以上の組織タイプを通過する経路に沿って超音波速度を推定することにより、前記標的に対する位置において前記標的を画像化するときに、超音波画質を推定するように構成される。さらに、このシステムは、画質評価モジュールと結合したディスプレイモジュールを備え、このディスプレイモジュールは標的に対する複数の位置において超音波画質の表示を出力するように構成される。
例えば、患者への治療提供（ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｄｅｌｉｖｅｒｙ）する放射線治療システムの利用が知られている。放射線療法システムは、電離放射線を用いて標的を治療する放射線源と、患者の画像を生成するコンピュータ断層撮影画像化システムのようなＸ線画像化システムとを備えていてもよく、放射線治療が行われる直前に、この画像を用いて患者内の標的の位置、向きおよび寸法を決定する。この空間情報を用いて、例えば、又は標的に正しくイオン化放射線が照射されるように、患者を正しく配置し、所与の治療計画を適用することができる。
Ｘ線を用いて患者内の標的の位置、向きおよび寸法を決定することにより、患者の、実際の標的ではない部分に比較的高い放射線量が照射されてしまうが、理想的には標的のみに高放射線量が受けられるべきである。
米国特許出願公開第２００６／０２４１４４３号 米国特許出願公開第２００５／０１８２３１６号 米国特許出願公開第２０１２／００３５４６２Ａ１号 米国特許出願公開第２０１４／００３９３１４Ａ１号 米国特許出願公開第２０１６／００００４０９Ａ１号
本発明の目的は、患者への治療提供を画像ベース誘導するシステムとコンピュータプログラムであって、標的ではない患者の部分に加えられる放射線量を低減できるものを提供することである。本発明の別の目的は、画像を提供するのを支援する方法を提供することである。
本発明の第１の態様によると、患者への治療提供をする画像ベース誘導のシステムが提供される。該システムは、
− 患者の治療標的とリスク臓器とを示す、前記患者の基準画像を提供する基準画像提供部と、
− 前記基準画像に基づき準備された、前記治療提供のための治療計画を提供する治療計画提供部と、
− 前記基準画像に基づいて前記患者の超音波画像を生成するのに用いられるように構成された超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータを決定する空間パラメータ決定部とを有し、
前記システムはさらに、前記超音波プローブの視野を提供する視野提供部を有し、前記空間パラメータ決定部は、前記基準画像中の前記標的の位置、向き及び寸法を決定し、前記基準画像中の前記リスク臓器の位置、向き及び寸法を決定し、前記標的と前記リスク臓器とが前記視野内に入るように、前記基準画像中の前記標的と前記リスク臓器の決定された位置、向き及び寸法と、提供された視野とに基づいて前記空間パラメータを決定するように構成される。
空間パラメータ決定部は、基準画像に基づいて超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータを決定するように構成され、超音波プローブの配置が自動的に決定でき、超音波プローブのこの自動的に決定される配置は、治療提供の画像ベース誘導のための超音波画像生成に利用できる。したがって、超音波プローブの位置および向きを規定する空間パラメータが自動的に決定され、次いで、超音波プローブが、自動的に決定された空間パラメータに従って配置され得る。この自動化によりユーザ依存性が減少し、比較的経験が少ないオペレータでも利用し易くなる。このようにして、治療提供ワークフローにおける超音波の使用は、病院にとって魅力的であり、患者は、この画像化モダリティの一意的な特徴から十分に利益を得ることができる。結局これは、毒性を低下させ、同時に生活の質を改善しつつ、患者にとってより良い結果をもたらすことができる。特に、超音波の使用は、実際の治療提供の標的ではない患者の部分に加えられる放射線量を減少させる。さらに、基準画像は治療計画の生成にも利用されるので、すなわち同じ画像が治療計画の生成と、超音波プローブの位置及び向きの決定に利用されるので、標的ではない患者の部分に加えられる放射線量をさらに低減できる。
治療計画提供部は、治療計画が既に記憶されている記憶手段であってもよく、治療計画を読み出してそれを提供することができる記憶手段であってもよい。しかし、治療計画提供部は、治療計画生成部から治療計画を受信する受信部、すなわち計画入力であってもよく、治療計画提供部は、治療計画生成部自体であってもよい。
参照画像は、患者内で治療される標的を示し、システムは、超音波プローブの視野を提供する視野提供部を有し、空間パラメータ決定部は、基準画像内の標的の位置、向きおよび寸法を決定し、標的が視界内に入るように、基準画像内の標的の決定された位置、向き及び寸法と、提供された視野とに基づいて空間パラメータを決定する。これにより、比較的少ない計算量で、超音波画像が少なくとも標的を実際に示すように、空間パラメータの決定ができる。
さらに、基準画像はまた、患者内のリスク臓器（ｏｒｇａｎ ａｔ ｒｉｓｋ）も示し、空間パラメータ決定部は、基準画像内のリスク臓器の位置、向き、および寸法も決定し、リスクがある標的およびリスク臓器が視野内に入るように、基準画像中の標的およびリスク臓器の決定された位置、向きおよび寸法に基づいて空間パラメータを決定する。これにより、超音波画像が、比較的低い計算量で、標的だけでなく、リスク臓器の少なくとも一部も実際に示すように、空間パラメータを決定することが可能になる。
好ましくは、前記システムはさらに、強制的に超音波画像化される前記リスク臓器の強制部分を確定する画像化部分表示を提供する画像化部分表示提供部を有し、前記空間パラメータ決定部は提供された画像化部分表示にも基づいて前記空間パラメータを決定するように構成される。好ましくは、空間パラメータ決定部は、指示された必須的部分が超音波プローブの視野内に入るように、超音波プローブの位置および向きを規定する空間パラメータを決定するように適合される。前記画像化部分表示提供部は、前記画像化部分表示が任意的に超音波画像化される前記リスク臓器の任意的部分も確定するように、前記画像化部分表示を提供するように構成されてもよい。空間パラメータ決定部は、必須的部分が超音波プローブの視野内に確実に入り、任意的部分からは、できるだけ多くが超音波プローブの視野内に入るように、提供された画像化部分表示に基づいて超音波プローブの位置および向きを規定する空間パラメータを決定するように適合させることができる。
好ましくは、前記基準画像は超音波遮蔽構造体も示し、前記空間パラメータ決定部は前記超音波遮蔽構造体の決定された位置、向きおよび寸法も決定するように構成され、前記空間パラメータ決定部は、前記超音波遮蔽構造体の決定された位置、向き及び寸法にも基づいて前記空間パラメータを決定するように構成される。具体的には、空間パラメータ決定部は、ａ）超音波プローブとｂ）標的及び、あれば超音波画像に含めるべきリスク臓器との間に超音波遮蔽構造体が存在しないように空間パラメータを決定し、超音波画像である危険性のある器官を定義する。超音波遮蔽構造体も考慮することにより、超音波遮蔽構造体により超音波画像中に標的とリスク臓器が見えない可能性は大幅に減少させられる。
一実施形態では、前記空間パラメータ決定部は、前記超音波遮蔽構造体の位置、向き及び寸法を考慮せずに、各位置と向きにおいて、少なくとも前記標的と任意的にリスク臓器とが提供される視野内に入るように、前記超音波プローブの複数の可能性のある位置と向きを規定する複数セットの空間パラメータを決定し、前記超音波遮蔽構造体の位置を考慮することにより、前記超音波遮蔽構造体が前記超音波プローブと、超音波画像化される少なくとも前記標的との間に入らない、可能な位置と向きを規定する空間パラメータのセットのうち少なくとも１つを選択するように構成される。これにより、比較的少ない計算量で、標的および任意的にリスク臓器が確実に超音波画像に示されるように、超音波プローブの空間パラメータを決定することが可能になる。
空間パラメータ決定部は、超音波画像中のそれぞれの位置、向き及び寸法を決定するため、超音波画像中の標的と任意的にはリスク臓器とを分割する、言い換えると、標的とリスク臓器とにそれぞれ占められる超音波画像のそれぞれの領域に分割するように構成できる。既知の分割アルゴリズムを利用してこれらの分割を実行できる。
一実施例では、前記システムはさらに、決定された超音波パラメータにより規定される位置と向きで前記超音波プローブを利用して生成される超音波画像を提供する超音波画像提供部を有し、前記治療計画提供部は、前記基準画像と前記超音波画像の比較に基づいて前記治療計画を適応するように構成されてもよい。さらに、システムは、患者支持部と、基準画像と超音波画像との比較に基づいて患者支持部を制御するコントローラとを備えることができる。参照画像と超音波画像の比較による治療計画の適応と患者支持部の制御は、治療を標的に送達する精度を改善することができる。
好ましくは、前記システムはさらに、決定された空間パラメータにしたがって、前記超音波プローブが決定された空間パラメータにより規定される位置と向きをとるように、前記超音波プローブを保持する保持メカニズムを有してもよい。 特に、前記保持メカニズムは、前記超音波プローブを保持するホルダーと、前記ホルダーが取り付けられた支持構造体とを有し、前記支持構造体の位置と向きは、可動要素パラメータにより規定される前記支持構造体の可動要素の位置及び／又は向きを修正することにより修正可能であり、前記空間パラメータ決定部は、前記超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータとして、前記可動要素パラメータを決定するように構成されてもよい。前記システムはさらに、前記治療計画にしたがって前記標的に適用されるエネルギーを提供するエネルギー源を有してもよい。
本発明の他の一態様において、画像提供において支援する方法が提供される。該方法は、
− 患者の治療標的とリスク臓器とを示す、前記患者の基準画像を提供することと、
− 前記基準画像に基づいて準備された、治療提供のための治療計画を提供することと、
− 前記基準画像に基づいて超音波画像を生成するのに利用されるように構成された、超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータを決定することであって、前記超音波プローブの視野が提供され、前記基準画像中の前記標的の位置、向き及び寸法が決定され、前記基準画像中の前記リスク臓器の位置、向き及び寸法が決定され、前記標的と前記リスク臓器が前記視野内に入るように、前記基準画像中の前記標的と前記リスク臓器の決定された位置、向き及び寸法と、提供された視野とに基づいて前記空間パラメータが決定される、こととを含み得る。
さらに、本発明の一態様によると、患者への治療提供を画像ベース誘導するコンピュータプログラムであって、請求項１に記載のシステムに、前記コンピュータプログラムが前記システム上で実行されると、次のステップを実行させるプログラムコード手段を有する、コンピュータプログラムを提供する。該コンピュータプログラムは、
− 患者の治療標的とリスク臓器とを示す、前記患者の基準画像を提供することと、
− 前記基準画像に基づいて準備された、治療提供のための治療計画を提供することと、
− 前記基準画像に基づいて超音波画像を生成するのに利用されるように構成された、超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータを決定することであって、前記超音波プローブの視野が提供され、前記基準画像中の前記標的の位置、向き及び寸法が決定され、前記基準画像中の前記リスク臓器の位置、向き及び寸法が決定され、前記標的と前記リスク臓器が前記視野内に入るように、前記基準画像中の前記標的と前記リスク臓器の決定された位置、向き及び寸法と、提供された視野とに基づいて前記空間パラメータが決定される、こととを含み得る。
言うまでもなく、請求項１のシステム、請求項１１の方法、及び請求項１２のコンピュータプログラムは、同様の及び／又は同一の好ましい実施形態を有し、特に従属項に記載した実施形態を有する。
言うまでもなく、本発明の好ましい実施形態は、従属項または上記の実施形態の、各独立項との任意の組合せであり得る。
本発明の上記その他の態様を、以下に説明する実施形態を参照して明らかにし、説明する。
患者に対する治療提供の画像ベース誘導をするシステムの一実施形態を概略的かつ例示的に示す図である。 超音波プローブを保持する保持機構を概略的かつ例示的に示す図である。 基準画像を模式的かつ例示的に示す図である。 基準画像中にセグメント化された標的、リスク臓器（ｏｒｇａｎｓ ａｔ ｒｉｓｋ）、および超音波遮蔽構造体を概略的かつ例示的に示す図である。 超音波プローブの視野を概略的かつ例示的に示す図である。 標的及び強制的に画像化されるリスク臓器の部分と、任意的に画像化されるリスク臓器のさらに別の部分とを概略的かつ例示的に示す図である。 超音波プローブの視野内の強制的に画像化される、標的とリスク臓器の部分とを概略的かつ例示的に示す図である。 超音波遮蔽構造体が超音波プローブと標的との間にある、超音波プローブの望ましくない位置と向きを概略的かつ例示的に示す図である。 超音波プローブの視野内で標的及び強制的に画像化されるリスク臓器の部分と、任意的に画像化される危険性のある臓器のさらに別の部分とを概略的かつ例示的に示す図である。 画像を提供するときに支援する方法の一実施形態を概略的かつ例示的に示すフローチャートである。
図１は、患者２に対する治療提供の画像ベース誘導をするシステム１の一実施形態を概略的かつ例示的に示す図である。患者２は患者台などの患者支持手段３上に横になっている。システム１は、患者２内の標的に照射されるエネルギー６を提供するエネルギー源５を有する放射線装置４を有する。この実施形態では、エネルギー源５はＸ線、ガンマ線などのイオン化放射線を放射する放射源である。放射線装置４はさらに回転可能ガントリー７を有し、患者２の周りの放射源５の回転を可能にするため、すなわち患者２に対して異なる放射方向でイオン化放射線６を照射できるようにするため、回転ガントリー７の一端には放射源５が取り付けられている。システム１はさらに、制御・処理装置１１を、治療計画を提供する治療計画提供部１２と共に有する。治療計画提供部１２は、すでに準備された治療計画を記憶し、記憶したこの治療計画を提供する記憶部であってもよい。しかし、治療計画提供部１２は、例えば治療計画生成部から治療計画を受信する受信部であってもよい。治療計画提供部１２は治療計画生成部自体であってもよい。治療計画は、患者２の内部、特に標的、リスク臓器（ｏｒｇａｎｓ ａｔ ｒｉｓｋ）及び骨などの超音波遮蔽構造体を示す計画画像に基づいて生成される。既知の治療計画アルゴリズムが用いられてもよい。
この実施形態では、計画画像は、コンピュータ断層撮影画像化システムを用いて生成されたコンピュータ断層撮影画像である。他の実施形態では、計画画像は、磁気共鳴画像化システムなどのその他の画像化モダリティを用いて生成されてもよい。コンピュータ断層撮影画像は放射線装置４とは別のコンピュータ断層撮影画像化システムにより生成され、コンピュータ断層撮影画像は、既知の位置合わせ（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）方法を用いて放射線装置４と位置合わせ（ｒｅｇｉｓｔｅｒｅｄ）される。他の実施形態では、コンピュータ断層撮影画像が初めから放射線装置４と位置合わせされ、位置合わせ方法の適用が不要になるように、コンピュータ断層撮影画像化システムを放射線装置４と一体化することも可能である。
システム１はさらに、患者２の内部の超音波画像を生成するのに用いられる超音波プローブ８と、超音波プローブ８を用いて生成された超音波画像を提供する超音波画像提供部１５とを有する。したがって、システム１は患者への治療提供をする超音波ベース誘導をするシステムであるとみなすこともできる。この実施形態では、超音波画像提供部１５は、超音波プローブ８が超音波信号を送受信し、受信した超音波信号を超音波画像提供部１５に提供して、受信した超音波信号に基づいて超音波画像提供部１５が超音波画像を生成できるようにするように、超音波プローブ８を制御するように構成されている。
システム１はさらに、図２により詳細に概略的かつ例示的に示す保持機構９を有する。保持機構９は超音波プローブ８を保持するホルダー１０を有する。ホルダー１０は支持構造体３１に取り付けられる。支持構造体３１の位置と向き、すなわち支持構造体３１の可動要素３３乃至３７の相互の位置と向きは、患者２に対して超音波プローブ８の位置と向きを変えられるようにするため、可変である。支持構造体３１は機械的またはロボットアームであると見なしても良い。支持構造体３１の位置および向きは、各可動要素３３乃至３７の位置および向き、したがって支持構造体３１全体の位置および向きを規定する可動要素パラメータによって画定される。
システム１はさらに、患者２の内部の基準画像を提供する基準画像提供部１３を有する。基準画像提供部１３は、計画画像を基準画像として提供するように適合される。したがって、基準画像を提供するために、追加画像を取得する必要はなく、すでに存在する計画画像を使用することができる。基準画像提供部１３は基準画像が既に記憶されている記憶部であり、基準画像提供部１３が記憶された基準画像を提供することができてもよい。または基準画像提供部１３は、例えば、コンピュータ断層撮影画像化システムのような画像化システムから、または治療計画提供部１２が治療計画を生成するためにも使用される基準画像を記憶している場合、治療計画提供部１２から、基準画像を受信する受信部であってもよい。基準画像は、標的、リスク臓器（ｏｒｇａｎｓ ａｔ ｒｉｓｋ）、超音波遮蔽構造、場合によってはさらに別の構造を示す。
システム１はさらに、強制的に超音波画像化されるリスク臓器の部分と、任意的に超音波画像化されるリスク臓器の部分とを画定する画像化部分表示を提供する画像化部分表示提供部１４を有する。さらに、システム１は、超音波プローブ８の視野を提供する視野提供部１６と、基準画像中の標的、リスク臓器及び超音波遮蔽構造体の位置、向き及び寸法を決定し、標的、リスク臓器及び遮蔽構造体の決定された位置、向き及び寸法と、提供された超音波プローブ８の視野と、提供された画像化部分表示とに基づいて超音波プローブ８の位置と向きを規定する空間パラメータを決定し、標的とリスク臓器の強制部分が提供された超音波プローブの視野内にあり、リスク臓器の任意的部分もできるだけ多く超音波プローブの視野内にあり、超音波遮蔽構造体が超音波プローブ８と、画像化される標的及びリスク臓器との間に配置されないようにする、空間パラメータ決定部１７とを有する。
図３は、コンピュータ断層撮影画像であり、計画画像としても使用される基準画像４０の一例を示す。空間パラメータ決定部１７は、提供される基準画像４０中の標的、リスク臓器及び超音波遮蔽構造体を分割（ｓｅｇｍｅｎｔｉｎｇ）することにより、これらの要素の位置、向き及び寸法を決定するように構成されている。この分割を行うため、既知の完全に自動化された、又は半自動の分割アルゴリズム（ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）を用いることができる。医師などのユーザが関連構造体を完全に手動で分割できるグラフィカルユーザインターフェースを設けることもできる。図４は、基準画像４０に完全自動の分割アルゴリズムを適用して得られる、標的５２、リスク臓器５１及び超音波遮蔽構造体の位置、向き及び寸法を示す。この例では、標的５２は前立腺であり、リスク臓器５１は膀胱と直腸であり、超音波遮蔽構造体５０は骨である。
基準画像４０は３次元コンピュータ断層撮影画像であり、提供される超音波プローブ８の視野６０も、図５に例示するが、３次元である。図６は、リスク臓器５１のどの部分が必須的に超音波画像化されなければならず（参照番号６１で示す）、リスク臓器５１のどの部分が任意的に超音波画像化されるべきか（参照番号６２で示す）示す画像化部分表示６１、６２を概略的かつ例示的に示す。これらの画像化部分表示は画像化部分表示提供部１４に記憶でき、画像化部分表示提供部１４はこれらのすでに記憶された画像化部分表示を提供するように構成できる。しかし、画像化部分表示提供部１４は、医師などのユーザが必須的および任意的部分を手動で指示することを可能にするグラフィカルユーザインターフェースを提供するように適合させることもできる。画像化部分表示提供部１４は、これら手動で生成された画像化部分表示を記憶し、これらの記憶された画像化部分表示を空間パラメータ決定部１７に提供するように構成することができる。ユーザは、キーボード、コンピュータマウス又はタッチパッドのような入力部２０と、ディスプレイのような出力部２１とを介してグラフィカルユーザインターフェースを使用することができる。
空間パラメータ決定部１７は、標的と、画像化されるリスク臓器の必須的部分との重心の位置を決定し、提供された視野をこの決定された重心の位置と位置合わせ（ａｌｉｇｎ）するように適合させることができる。例えば、視野は、中心線が重心を通るように位置合わせすることができる。空間パラメータ決定部１７は、視野が標的およびリスク臓器の必須的部分を完全に覆わない場合、標的及びリスク臓器の必須的部分が視野に完全に覆われるまで、１つまたは複数の方向に視野を並進移動し、および／または視野を１つまたは複数の軸を中心に回転させる。好ましくは、これらのステップは、視野が標的およびリスク臓器の必須的部分を完全に覆う、視野のいくつかの可能な位置および向きを決定するために、数回行われる。視野６０内の標的およびリスク臓器の必須的部分を示す解決策が、図７に概略的かつ例示的に例示されている。
空間パラメータ決定部１７は、図８に概略的かつ例示的に示すように、超音波遮蔽体５０が、ａ）超音波プローブ８、及びｂ）画像化される標的とリスク臓器の必須的部分の間にはないように、空間パラメータを決定するように適合されている。図８において、十字６９は、空間パラメータが図８に示されている配置を規定しないように空間パラメータが決定されることを確実にするよう空間パラメータ決定部１７が構成されることを示す。超音波遮蔽構造体がａ）超音波プローブとｂ）標的及びリスク臓器の必須的部分との間にないような空間パラメータのこの決定は、視野が標的およびリスク臓器の必須的部分をカバーする、視野のいくつかの可能な位置および向き、すなわち超音波遮蔽構造体がａ）超音波プローブと、ｂ）標的及びリスク臓器の必須的部分との間に配置されていない可能な位置および向きから選択することによって行われることが好ましい。
空間パラメータ決定部１７はさらに、標的及びリスク臓器の必須的部分が視野内にあるだけでなく、可能な限りリスク臓器の任意的部分が視野内にあるように、空間パラメータを決定するように構成される。図９は、例示的な解決策を示しており、標的および必須的部分６１が視野６０内にあるだけでなく、可能な限り多くの任意的部分６２が視野６０内にある。例えば、超音波遮蔽構造体がａ）超音波プローブとｂ）標的及びリスク臓器の必須的部分との間に配置されないように決定された位置および向きの選択の後、リスク臓器の任意的部分のできるだけ多くが視野内に入るまで、視野を再び１つまたは複数の方向に並進移動させ、及び／又は１つまたは複数の軸の周りに回転させることができ、視野には、ａ）超音波プローブと（ｂ）標的、リスク臓器の必須的部分、及びリスク臓器の任意的部分との間に超音波遮蔽構造体が配置されるべきでない。
空間パラメータ決定部１７は、超音波プローブ８の位置および向きを規定する空間パラメータとして、保持機構９の支持構造３１の可動要素３３乃至３７の位置および向きを規定する可動要素パラメータを決定するように適合される。したがって、空間パラメータ決定部１７は、視野６０の、したがって超音波プローブ８の決定された位置および向きを、空間パラメータ決定部１７により決定された位置及び向きに超音波プローブ８が保持されるように、超音波プローブ８を有するホルダー１０が取り付けられた支持構造体３１の可動要素３３乃至３７の位置および向きを規定する可動要素パラメータに変換するように適合される。別の実施形態では、決定された空間パラメータは、ユーザに出力されてもよく、ユーザは超音波プローブ８を手動で位置決めして方向付けることができる。
超音波プローブ８が、決定された空間パラメータにしたがって位置決め及び方向付けされた後、超音波画像が生成される。超音波画像と基準画像４０は、既知の位置合わせ方法を用いて、放射線装置４と位置合わせ（ｒｅｇｉｓｔｅｒｅｄ）される。治療計画提供部１２は、基準画像と超音波画像との比較に基づいて、治療計画を適合するように構成される。代替的に又は追加的に、システム１のコントローラ１８は、基準画像と超音波画像との比較に基づいて、患者支持手段３を制御するために使用することができる。治療計画の適応および／または患者支持手段３の制御は、患者内の関連する構造、特に、治療すべき標的とリスク臓器の現在の位置、向きおよび寸法に従うように行われる。最後に、治療計画に従って放射線装置４を動作させる。
以下では、図１０に示すフローチャートを参照して、画像の提供を支援する方法の実施形態を例示的に説明する。
ステップ１０１では、治療計画提供部１２により治療計画が提供され、基準画像提供部１３は計画画像を提供する。計画画像は、標的５２、リスク臓器５１及び超音波遮蔽構造体５０を示す基準画像として、治療計画を生成するのにしようされたものである。画像化部分表示提供部１４は、必須的に超音波画像化されるリスク臓器の部分と、任意的に超音波画像化されるリスク臓器の部分とを画定する画像化部分表示を提供する。さらに、視野提供部１６は、超音波プローブ８の視野を提供する。
ステップ１０２において、空間パラメータ決定部１７は空間パラメータを決定する。空間パラメータは、提供された基準画像内の標的５２、リスク臓器５１及び超音波遮蔽構造体５０の位置、向きおよび寸法に基づいて、超音波プローブ８の位置および向きを規定する。ステップ１０３において、超音波プローブ８は、決定された空間パラメータに従って位置決めされ、配向され、ステップ１０４において、患者２の内部の超音波画像が、空間パラメータにより規定される位置及び向きにおいて、超音波プローブ８を用いることにより生成される。
ステップ１０５において、治療計画提供部１２は、基準画像と超音波画像との比較に基づいて、治療計画を適合する。代替的に又は追加的に、コントローラ１８は、基準画像と超音波画像との比較に基づいて患者支持手段３を制御する。ステップ１０６において、放射線は、治療計画に従って患者に適用される。
放射線治療は様々なタイプの癌に対する、可能性のある治療方法の１つである。正常な組織、特にリスク臓器を可能な限り危険にさらさずに、腫瘍組織、すなわち標的に高い放射線量を送達するためには、正しい患者セットアップが必須である。画像誘導放射線療法（ＩＧＲＴ）に使用している時に、治療中に治療領域の画像化は、正確なセットアップに寄与することができ、このようにして放射線線量送達の精度を向上させる。
超音波画像化システムは、例えば柔らかい組織の高コントラスト画像化を可能にする、比較的高速で安価な画像化モダリティである。さらに、それは患者にとって無害であり、現在、放射線治療中にリアルタイムの臓器追跡を可能にする唯一の容積画像化技術である。これらの理由から、超音波画像化システムは画像誘導目的に非常に適している。しかし、一般に、超音波画像化は熟練したオペレータを必要とし、これらのオペレータを訓練することは、急な学習曲線でかなりの時間を必要とする。熟練したオペレータの予期せぬ転倒や病気によって、臨床的ルーチンを妨げ、患者にとって不快感、さらには重大な傷害を引き起こす可能性がある。この理由から、一般的に、超音波画像化の代わりに、訓練をほとんど必要としない「ワンボタン」手順を有するモダリティが使用される。特に、概してコーンビームコンピュータ断層撮影（ＣＢＣＴ）またはポータル画像化は、フラクション間モニタリングに使用される。
これらの欠点を克服するために、図１乃至１０を参照して説明したシステムおよび方法は、放射線治療のための超音波誘導ワークフローにある程度の自動化を導入する。この自動化は、ユーザに依存しない超音波画像化を可能にし、特に比較的訓練されていないオペレータにとってのユーザビリティを改善する。これは、毒性を低下させ、同時に生活の質を改善しつつ、患者にとってより良い結果をもたらすことができる。
放射線療法のための超音波誘導ワークフローのいくつかのステップは自動化される。システムは、超音波プローブの最適位置を計算し、関連する解剖学的構造すなわち標的およびリスク臓器の最良の視覚化を達成するために、コンピュータ断層撮影画像などの患者の基準画像を使用する。空間パラメータが決定され、これは、超音波プローブをどのように位置決めするかについての詳細な情報を与えるために、ロボットアームなどの超音波プローブを保持するホルダーを有する保持機構に直接的に入力することができ、またはオペレータに提供することができる。また、後者の場合には、それぞれの特定の身体領域用に設計されたプローブホルダを使用することによって、超音波プローブを保持することができる。
特に、放射線治療開始の前に、初期コンピュータ断層撮影画像を生成することができる。それにより放射線量計算のための電子密度情報が得られるからである。この初期コンピュータ断層撮影画像に基づいて、治療計画を生成することができる。さらに、この計算された断層撮影画像に基づいて、個々の患者ごとに最適な超音波プローブの位置および向きを計算することができる。すなわち、超音波プローブの最適な位置および向きを確定する空間パラメータが決定される。この計算は、好ましくは、関連する解剖学的構造、すなわち標的およびリスク臓器の存在と、骨などの超音波遮蔽構造体の存在とを考慮する。超音波遮蔽構造体は、シェーディング効果を生じて、超音波プローブの視野における超音波画像の画質を低下させ得る。また、超音波プローブの位置の決定では、超音波プローブの詳細と、対応する画像再構成方法とを考慮することもできる。超音波プローブの視野の他に、超音波プローブの更なる特性及び／又は超音波プローブから受信した超音波信号に基づく超音波画像の再構成は、基準画像に基づいて超音波プローブの位置及び向きを決定するのに使用できる。
例えば、超音波プローブ表面のサイズ、超音波侵入深さ、対象を見回す能力、超音波プローブの種類、すなわち、例えば線形、フェーズドアレイなどが考慮され得る。
超音波プローブは、それぞれの身体領域用に特別に設計されたプローブホルダ内に配置することができる。例えば、経会陰（ｔｒａｎｓｐｅｒｉｎｅａｌ）スキャン用の超音波プローブは、４自由度を提供するように適合させることができ、すなわち、４つのパラメータをその位置を変更するために変更することができる。ｙ軸まわりの、すなわち超音波プローブの長手方向軸のまわりの最大の時計回りの回転は、この場合、例えば３度であり得る。腹腔内スキャンのための超音波プローブは、例えば、ｙ方向の周りの４自由度を有してもよい。この場合、ｘ軸周りの最大の時計回りの回転は３度より大きくなることがある。
プローブホルダは、機械的アームに、ロボットアームに、または空間的位置決めを可能にする別の装置、すなわち可動要素を有する支持構造に、取り付けることができる。ユーザ、すなわちオペレータは、最終的に、実際のプローブの位置および向きが、特定の患者の計算された最適なプローブの位置および向きと一致するようにプローブホルダを設定する方法に関する情報を提供することができる。例えば、機械的アームの場合、機械的アームの２つの可動要素を接続する各関節はエンコーダを含むことができる。ユーザは、個々のエンコーダの設定方法に関する情報が与えられ、この情報は空間パラメータによって提供される。したがって、空間パラメータは、個々のエンコーダをどのように設定するかに関する情報を提供することができる。
決定された空間パラメータに従って超音波プローブが位置決めされた後、１つまたは複数の超音波画像が取得される。取得された超音波画像に人工知能技術を適用して、超音波画像の自動解釈および必要に応じて適合を可能にすることができる。特に、患者の内部組織分布の変化は、予想される超音波画像と、すなわち、標的、リスク臓器及び超音波遮蔽構造体に対する超音波プローブの視野の位置および向きの決定から予想される超音波画像と、実際に取得された超音波画像との間の相違点を生じることがある。システム、特に空間パラメータ決定システムおよび／または超音波画像化システムは、実際に取得された超音波画像を自動的に解釈するために人工知能を使用するように適合させることができる。具体的には、システムは、例えば、ａ）実際に取得された超音波画像中の関連する解剖学的構造、すなわち標的、リスク臓器および超音波遮蔽構造体の可視性、ｂ）実際に取得された超音波画像の画質を劣化させる予期せぬシェーディングの発生、ｃ）実際に取得された超音波画像中の、超音波プローブと患者の皮膚との結合が悪いことを示す気泡または他の現象の存在、及びｄ）走査された要素のそれぞれについて十分な空間的に可変な分解能の存在、に関して、実際に取得された超音波画像にアクセスするように適合させることができる。好ましくは、それぞれの評価結果が所定の基準と比較され、評価結果がこれらの基準からのそれぞれの所定の閾値を超えるかどうかが判定される。この場合、超音波プローブを動かさなくても差異を優先的に減らすことができる。
図１乃至１０を参照して説明したシステムおよび方法は、前立腺癌放射線治療を確認するための４次元経会陰（ｔｒａｎｓｐｅｒｉｎｅａｌ）超音波画像取得のための超音波プローブの位置および向きの決定方法に関する情報をオペレータに提供するために使用することができる。超音波プローブをどのように配置し、配向させるかについてのこの情報は、治療計画を生成するために使用されたコンピュータ断層撮影画像である基準画像に基づいて提供される。
超音波プローブを保持する保持機構は、空間パラメータ決定部から超音波プローブの位置および向きを規定する決定された空間パラメータを受け取るように構成することができる。しかしながら、代替的に又は追加的に、保持機構は、超音波プローブの決定された位置および向きを入力するユーザインターフェースを備えることができ、保持機構は、対応する位置および向きをとるように構成することができる。
上記の実施形態では、エネルギー源は、放射線源によって放射された放射線を使用することによって標的にエネルギーを加える放射線源であるが、他の実施形態では、他のエネルギー源、すなわち他の治療提供手段を使用して、エネルギーを加えてもよい。例えば、エネルギー源は、特に、針または高強度集束超音波（ＨＩＦＵ）エネルギーによって、熱エネルギーを送達するように適合させることができる。
システムを前立腺癌の治療に使用できることは上記の通りであるが、システムはまた、腹部、特に肝臓、胸部などのような患者の他の部分を治療するように適合され得る。特に、このシステムは、婦人科癌の症例に使用することができる。
上記の実施形態では、基準画像と、超音波プローブが決定された位置と向きに配置されている時に取得された超音波画像とを比較し、例えば、その比較に基づいて治療計画を修正し、または患者の配置を修正した。他の実施形態では、この超音波画像を、基準画像が取得される直前または直後に取得されたさらに別の超音波画像と比較してもよく、この比較を治療計画や患者の配置の修正に用いてもよい。
患者への治療提供のための画像ベース誘導システムは、超音波プローブの位置および向きを規定する空間パラメータを決定し、これらの空間パラメータは、超音波プローブを適宜配置し、治療提供の誘導に用いられる患者の超音波画像を生成するのに適用されるので、このシステムは画像、すなわち超音波画像を提供、特に生成するのを支援するシステムであると見なすこともできる。
請求項に記載した発明を実施する際、図面、本開示、及び添付した特許請求の範囲を研究して、開示した実施形態のその他のバリエーションを、当業者は理解して実施することができるであろう。
請求項において、「有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は他の要素やステップを排除するものではなく、「１つの（「ａ」又は「ａｎ」）」という表現は複数ある場合を排除するものではない。
単一のユニット又は装置が請求項に記載した複数のアイテムの機能を満たすこともできる。相異なる従属クレームに手段が記載されているからといって、その手段を組み合わせて有利に使用することができないということではない。
治療計画の準備、超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータの決定、超音波プローブの視野の提供（ｐｒｏｖｉｓｉｏｎ）、画像化部分表示の提供などの動作は、１つ又は複数のユニットまたは装置で実行されてもよいが、その他幾つのユニットや装置で実行しても良い。画像の提供を支援する方法による、患者への治療提供の画像ベース誘導のためのシステムの動作及び／又は制御は、コンピュータプログラムのプログラムコード手段として、及び／又は専用ハードウェアとして実施することもできる。
コンピュータプログラムは、光記憶媒体や他のハードウェアとともに、またはその一部として供給される固体媒体などの適切な媒体に記憶／配布することができ、インターネットや有線または無線の電気通信システムなどを介して他の形式で配信することもできる。
請求項に含まれる参照番号は、その請求項の範囲を限定するものと解してはならない。
本発明は患者に対する画像ベースの治療提供誘導のシステムに関する。このシステムは、治療計画を作成するために使用された基準画像に基づいて、超音波プローブの位置および向きを規定する空間パラメータを決定するように適合される。これにより、ユーザ依存性を低減し、比較的経験の浅いオペレータでも利用し易くするため、超音波プローブの配置をある程度自動化できる。さらに、基準画像は治療計画の生成にも利用されるので、すなわち同じ画像が治療計画の生成と、超音波プローブの位置及び向きの決定に利用されるので、追加画像を取得する必要はない。これは、治療される標的ではない患者の部分に適用される放射線線量の低減を可能にする。

Claims (12)

  1. 患者への治療提供をする画像ベース誘導のシステムであって、
    患者の治療する標的とリスク臓器とを示す、前記患者の基準画像を提供する基準画像提供部と、
    前記基準画像に基づき準備された、前記治療提供のための治療計画を提供する治療計画提供部と、
    前記基準画像に基づいて前記患者の超音波画像を生成するのに用いられるように構成された超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータを決定する空間パラメータ決定部とを有し、
    前記システムはさらに、前記超音波プローブの視野を提供する視野提供部を有し、前記空間パラメータ決定部は、前記基準画像中の前記標的の位置、向き及び寸法を決定し、前記基準画像中の前記リスク臓器の位置、向き及び寸法を決定し、前記標的と前記リスク臓器とが前記視野内に入るように、前記基準画像中の前記標的と前記リスク臓器の決定された位置、向き及び寸法と、提供された視野とに基づいて前記空間パラメータを決定するように構成される、
    システム。
  2. 前記システムはさらに、強制的に超音波画像化される前記リスク臓器の強制部分を確定する画像化部分表示を提供する画像化部分表示提供部を有し、前記空間パラメータ決定部は提供された画像化部分表示にも基づいて前記空間パラメータを決定するように構成される、
    請求項１に記載のシステム。
  3. 前記画像化部分表示提供部は、前記画像化部分表示が任意的に超音波画像化される前記リスク臓器の任意的部分も確定するように、前記画像化部分表示を提供するように構成される、
    請求項２に記載のシステム。
  4. 前記基準画像は超音波遮蔽構造体も示し、前記空間パラメータ決定部は前記超音波遮蔽構造体の決定された位置、向きおよび寸法も決定するように構成され、前記空間パラメータ決定部は、前記超音波遮蔽構造体の決定された位置、向き及び寸法にも基づいて前記空間パラメータを決定するように構成される、
    請求項１に記載のシステム。
  5. 前記空間パラメータ決定部は、前記超音波遮蔽構造体の位置、向き及び寸法を考慮せずに、各位置と向きにおいて、少なくとも前記標的が提供される視野内に入るように、前記超音波プローブの複数の可能性のある位置と向きを規定する複数セットの空間パラメータを決定し、前記超音波遮蔽構造体の位置を考慮することにより、前記超音波遮蔽構造体が前記超音波プローブと、超音波画像化される少なくとも前記標的との間に入らない、可能な位置と向きを規定する空間パラメータのセットのうち少なくとも１つを選択するように構成される、
    請求項４に記載のシステム。
  6. 前記システムはさらに、決定された空間パラメータにしたがって、前記超音波プローブが決定された空間パラメータにより規定される位置と向きをとるように、前記超音波プローブを保持する保持メカニズムを有する、
    請求項１に記載のシステム。
  7. 前記保持メカニズムは、前記超音波プローブを保持するホルダーと、前記ホルダーが取り付けられた支持構造体とを有し、前記支持構造体の位置と向きは、可動要素パラメータにより規定される前記支持構造体の可動要素の位置及び／又は向きを修正することにより修正可能であり、前記空間パラメータ決定部は、前記超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータとして、前記可動要素パラメータを決定するように構成される、
    請求項６に記載のシステム。
  8. 前記システムはさらに、決定された超音波パラメータにより規定される位置と向きで前記超音波プローブを利用して生成される超音波画像を提供する超音波画像提供部を有し、前記治療計画提供部は、前記基準画像と前記超音波画像の比較に基づいて前記治療計画を適応するように構成される、
    請求項１に記載のシステム。
  9. 前記システムはさらに、決定された超音波パラメータにより規定される位置と向きで前記超音波プローブを利用して生成される超音波画像を提供する超音波画像提供部を有し、前記システムは前記基準画像と前記超音波画像の比較に基づいて患者支持手段を制御するコントローラを有する、
    請求項１に記載のシステム。
  10. 前記システムはさらに、前記治療計画にしたがって前記標的に適用されるエネルギーを提供するエネルギー源を有する、
    請求項１に記載のシステム。
  11. 画像提供において支援する方法であって、
    患者内の治療する標的とリスク臓器とを示す、前記患者の基準画像を提供することと、
    前記基準画像に基づいて準備された、治療提供のための治療計画を提供することと、
    前記基準画像に基づいて超音波画像を生成するのに利用されるように構成された、超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータを決定することであって、前記超音波プローブの視野が提供され、前記基準画像中の前記標的の位置、向き及び寸法が決定され、前記基準画像中の前記リスク臓器の位置、向き及び寸法が決定され、前記標的と前記リスク臓器が前記視野内に入るように、前記基準画像中の前記標的と前記リスク臓器の決定された位置、向き及び寸法と、提供された視野とに基づいて前記空間パラメータが決定される、決定することとを含む、
    方法。
  12. 患者への治療提供を画像ベース誘導するコンピュータプログラムであって、請求項１に記載のシステムに、
    患者内の治療標的とリスク臓器とを示す、前記患者の基準画像を提供することと、
    前記基準画像に基づいて準備された、治療提供のための治療計画を提供することと、
    前記基準画像に基づいて超音波画像を生成するのに利用されるように構成された、超音波プローブの位置と向きを規定する空間パラメータを決定することであって、前記超音波プローブの視野が提供され、前記基準画像中の前記標的の位置、向き及び寸法が決定され、前記基準画像中の前記リスク臓器の位置、向き及び寸法が決定され、前記標的と前記リスク臓器が前記視野内に入るように、前記基準画像中の前記標的と前記リスク臓器の決定された位置、向き及び寸法と、提供された視野とに基づいて前記空間パラメータが決定される、決定することとを実行させるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。
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