JP7362130B2 - 放射線治療装置 - Google Patents

Description

本開示は、放射線治療装置および放射線治療方法に関する。

従来、放射線治療においては、患者の呼吸等に伴って移動するがん等の患部に対して、正常な部位の被曝を最小限に抑えつつ、放射線を照射することが求められている。このため、体内の患部近傍に留置されたマーカをリアルタイムでモニタし、マーカの３次元位置が計画領域にある場合にのみ放射線を照射する動体追跡放射線治療が行われている（特許文献１参照）。

また、肝臓や肺などのがんに対する放射線治療において、呼吸により移動する患部に対して正確に放射線を照射する目的で、腹壁表面の動きをモニタして特定の呼吸位相（呼気位相や吸気位相など）で放射線を照射する方法も提案されている（特許文献２参照）。

特開２０００－１６７０７２号公報 特開２００８－５１４３５２号公報

ここで、特許文献１の動体追跡放射線治療においてモニタしているのはマーカの３次元位置のみであり、患部そのものや周辺臓器の構造は考慮できていない。また、特許文献２では呼吸位相あるいはがんの代表点位置のみを参照しており、がん周辺の臓器の３次元的な変形等は考慮できていない。実際には、マーカと患部の位置関係や、周辺臓器の構造が治療中に変化する。従って、より精度の高い患部位置（照射対象位置）への放射線照射のために、周辺臓器の状態についての検出が望まれる。

また、体内での呼吸運動は日々変化するため、例えば、呼気における腫瘍の位置が治療計画ＣＴ撮影時とは異なる場合が散見される。このような場合、そのまま治療を継続してよいかすぐに判断することは難しく、現状では、呼吸運動が落ち着くまで時間をおく、あるいはＣＴを再撮像するなどの方策がとられており、これが治療時間増加の要因となっている。そこで、その時の状態に応じたＣＴ画像を短時間で得ることが望まれる。

さらに、粒子線治療においては、粒子線の飛程が周辺臓器の状況により大きく変化する。従って、治療計画時と治療時において、照射対象となる患部位置だけではなく、周辺臓器の状況も同じでなければ、所期の治療が行えない場合もある。そこで、がんの位置だけでなく、周辺臓器も含めた３次元構造をリアルタイムで評価することが可能となれば、限りなく治療計画時と近い状態で治療することで、より正確性が高まると考えられる。

本開示に係る放射線治療装置は、照射対象に存在するランドマークを検出する検出手段と、治療計画時において予め取得した、前記ランドマークを含む前記照射対象についての時間経過に従った複数の３次元ＣＴ画像の中における１つを基準画像として、前記基準画像におけるランドマーク位置から前記複数の３次元ＣＴ画像の中における前記基準画像以外の画像である他の３次元ＣＴ画像におけるランドマーク位置の変位と、前記他の３次元ＣＴ画像における各部位の変形との関係を記憶する記憶手段と、前記照射対象に対し治療放射線を照射する治療時において、前記検出手段により検出した前記ランドマークの位置に応じ、前記関係を参照して、各部位の変形を推定し、推定された３次元ＣＴ画像を再生する３次元ＣＴ画像再生手段と、を有する。

さらに、前記３次元ＣＴ画像再生手段により再生された３次元ＣＴ画像に基づいて、前記治療放射線の照射を制御する制御手段を有するとよい。

前記ランドマークは金属マーカを含み、前記検出手段は、前記金属マーカを検出するＸ線カメラを含むとよい。

前記ランドマークは、照射対象の表面位置を含み、前記検出手段は前記表面位置を検出する表面位置検出手段を含むとよい。

本開示によれば、ランドマークの検出によって得られた３次元ＣＴ画像を得ることができ、これを利用して適切な治療放射線の照射制御が行える。

実施形態に係る放射線治療装置の構成を示す図である。 ＳＩ方向におけるマーカ変位と変形の間の相関を明度で示したアキシャル方向のＣＴ画像である。 ＳＩ方向におけるマーカ変位と変形の間の相関を明度で示したコロナル方向のＣＴ画像である。 ＳＩ方向におけるマーカ変位と変形の間の相関を明度で示したサジタル方向のＣＴ画像である。 マーカと変形の関係を示したグラフである。 呼気位相のコロナル方向のＣＴ画像である。 吸気位相のコロナル方向のＣＴ画像である。 計算によって求めた吸気位相のコロナル方向の合成画像である。 図７のＣＴ画像と図８のＣＴ画像の差を示した画像である。

以下、本開示の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本開示は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。

「装置の全体構成」
図１は、実施形態に係る放射線治療装置の全体構成を示す図である。

治療台１０上に固定される患者１２の体内には、ランドマークとして金属のマーカ（金属マーカ）１４が埋め込まれている。このマーカ１４は、例えば金製のボールで直径は１～２ｍｍ程度であり、患部の近傍に予め埋め込まれる。

治療台１０の周辺には、２つのＸ線カメラ２０，２０が設けられている。この２つのＸ線カメラ２０，２０に患者１２を介してそれぞれ対向する位置には、２つのＸ線照射装置２２，２２が配置されている。

Ｘ線照射装置２２，２２からのＸ線ビームは治療台１０上の患者１２の所定部位を通過して対向するＸ線カメラ２０，２０に入射する。Ｘ線カメラ２０，２０は、入射してくるＸ線から患者（照射対象）１２の透視画像についての電気信号を出力する。

２つのＸ線カメラ２０，２０からの画像信号は、Ｘ線カメラインタフェース２４を介し、画像処理部３０に入力される。Ｘ線カメラ２０，２０、Ｘ線照射装置２２，２２が、ランドマークの検出手段を構成する。

また、治療台１０の上方には、２つの光学カメラ２６，２６が配置されている。この光学カメラ２６，２６により、患者１２の体表（照射対象の表面）についての画像が撮影され、得られた画像信号は、光学カメラインタフェース２８を介し、画像処理部３０に入力される。

画像処理部３０は、２つのＸ線カメラ２０，２０からの画像信号について画像処理して、患者１２の体内に埋め込まれているマーカ１４を同定する。そして、同定されたマーカ１４の３次元位置を特定する。すなわち、２つのＸ線カメラ２０，２０によって得られた画像中のマーカ１４の２次元座標を特定するとともに、予めわかっている２つのＸ線カメラ２０，２０の位置と、得られた２の画像中のマーカ１４の座標とに基づいてマーカ１４の３次元位置を検出する。

また、表面検出装置として、２つの光学カメラ２６，２６が設けられており、２つの光学カメラ２６，２６によって得られた体表の画像と、光学カメラ２６，２６の位置とから、体表の３次元位置（表面位置）を検出する。すなわち、得られた体表画像と、光学カメラ２６，２６の位置とから体表の３次元位置を検出する。マーカ位置に代えて体表の３次元位置をランドマーク位置としてもよく、両者を共にランドマーク位置として使用してもよい。

画像処理部３０によって得られた、マーカ位置、体表位置は、変形量評価部３２に供給される。ここで、変形量評価部３２には、記憶部（記憶手段）３４が接続されており、この記憶部３４には、治療計画時において取得したＣＴ３次元画像が記憶されているとともに、マーカ位置の変動量や、体表の変形量に対応した、周辺組織の変形の関係が記憶されている。なお、この関係については後述する。なお、体表位置については、体表全体の３次元位置のデータをそのまま利用することができるが、平均、標準偏差などの統計データを利用することもできる。さらに、複数のエリアに分割し、各分割エリア毎に統計データを利用してもよい。

変形量評価部３２は、逐次入力されてくるマーカ位置および体表位置を記憶部３４に記憶されている関係に基づき、推定された３次元ＣＴ画像を逐次算出する。得られたＣＴ画像は、リアルタイムで表示部３６に表示される。

また、得られた３次元ＣＴ画像は、制御部（制御手段）３８に供給される。制御部３８は、３次元ＣＴ画像に基づき、患部の位置を特定し、治療放射線ビームを患者１２に照射するライナックなどのビーム照射装置４０を制御する。例えば、３次元ＣＴ画像データをパターンマッチングなどの画像処理することで患部を特定することができる。なお、３次元ＣＴ画像データをボクセルデータで構成するとよい。

ビーム照射装置４０については、そこからの治療放射線ビームの照射位置を予め定めておき、３次元ＣＴ画像から、患部（がん）位置が、照射位置と一致する際に、治療放射線ビームを照射するとよい。なお、ビーム照射装置４０は、回転しながら照射するものでもよく、この場合には周辺組織の変形を考慮した回転強度変調放射線治療などが行える。また、治療放射線の放射位置を、検出したターゲット位置に追従して制御してもよい。

さらに、得られた３次元ＣＴ画像と治療計画時に利用したＣＴ画像との比較から差分を算出し、得られた差分が予め定めておいた閾値を超える場合には、計画通りの治療が行えないと判断して、治療放射線の照射を中止するとよい。

また、重粒子線および陽子線等を用いる粒子線治療においては、治療放射線ビームパスの厚み（水換算の厚み）の影響が大きい。そこで、得られた３次元ＣＴ画像から治療放射線ビームパスにおける水換算での厚さを評価し、計画時との差分に応じて治療放射線ビームの強度などを制御するとよい。

ここで、３次元ＣＴ画像再生手段である、画像処理部３０、変形量評価部３２、記憶部３４、制御部３８は、１つ複数のコンピュータによって構成することができる。また、ＣＴスキャンを利用した治療前の準備における解析処理もコンピュータによって行うことできる。そこで、ＣＴスキャンによって得られた画像についての解析結果に基づく、ランドマークと変形量の関係と、処理プログラムを記憶部３４に記憶しておき、コンピュータがプログラムを実行することで、逐次検出されるランドマーク位置に基づき、対応する３次元ＣＴ画像を作成するとともに再生し、また得られた３次元ＣＴ画像に基づいて、治療放射線の照射を制御するとよい。

「治療前の準備」
治療前に患者についての３次元ＣＴ画像、すなわち時間経過に従った複数の３次元ＣＴ画像を取得する。例えば、肺などの呼吸によって変化する部位については、呼吸の１周期について、時間経過に従った各位相の３次元ＣＴ画像を得る。本実施形態では、呼吸１周期を１０分割した１０セットの３次元ＣＴ画像を得る。なお、ＣＴ画像の取得については、通常のＣＴスキャン装置によって行うことができる。

そして、呼気の３次元ＣＴ画像を基準とし、その他の位相の３次元ＣＴ画像のそれぞれに対して、（ｉ）体内で生じている変形量、（ｉｉ）体内マーカ位置の変位量、（ｉｉｉ）体表面形状の変化量を評価する。すなわち、上記（ｉｉ）、（ｉｉｉ）の測定値から、（ｉ）を評価するための関係（関数）を最適化する。関数のモデルは線形関数など任意のものでよい。本実施形態では、線形関数を利用する。

「関数の最適化」
まず、１０セットのＣＴ画像の中の１つを基準画像として、他の９つのＣＴ画像の差分を評価する。例えば、呼気相のＣＴ画像を基準ボリュームデータＶ０とし、それ以外の各呼吸位相ＣＴ画像との変形レジストレーションにより、９つの３次元変形フィールドＤ（ｘ，ｙ，ｚ）ｐを算出する。ここで、ｐ＝０が呼気相、ｐ＝２～９が他の位相である。なお、ｘ方向の変形をＤｘ（ｘ，ｙ，ｚ）、ｙ方向の変形をＤｙ（ｘ，ｙ，ｚ）、ｚ方向の変形をＤｚ（ｘ，ｙ，ｚ）のように表す。

そして、Ｄ（ｘ，ｙ，ｚ）ｐと相関が高い位置変化の推定パラメータＴｐを評価する。例えば、各呼吸位相ＣＴにおけるランドマーク位置Ｍｐを算出し、基準ＣＴ画像におけるランドマーク位置からのランドマーク位置変位を推定パラメータＴｐ（＝Ｍｐ－Ｍｐ（基準））として評価する。

そして、推定パラメータＴ（ベクトル）から体内で生じているＤ（ｘ，ｙ，ｚ）ｐを評価するための関数ｆ（Ｔ）のパラメータを求める。

例えば、ｘ，ｙ，ｚの各方向について、評価したい変形フィールドＤ（ｘ，ｙ，ｚ）をパラメータＴ（ランドマーク位置変位）を利用して推定する変形モデルを作成する。
Ｄｉ（ｘ，ｙ，ｚ）＝α（ｘ，ｙ，ｚ）Ｔｉ＋β（ｘ，ｙ，ｚ）
ここで、ｉ＝ｘ，ｙ，ｚである。

これによって、各ＣＴ画像について、基準ＣＴ画像におけるランドマーク位置からの変形パラメータＴｐがわかれば、それに応じて各ＣＴ画像における各部の移動量を推定することができる。例えば、各ＣＴ画像をボクセルデータとして、マーカの移動ベクトルに応じた３次元ＣＴ画像を作成することができる。

なお、ランドマークは、金属マーカなどを埋め込む体内マーカの他、横隔膜や肺の分岐部などでもよい。

「計算例」
図２～図４には、３方向のＣＴ画像について、ランドマーク（この例ではマーカ）変位と、各ボクセル移動量（頭足（ＳＩ）方向）の相関について示してある。図２は体の上下方向（アキシャル）の画像、図３は体の頭足方向（コロナル）の画像、図４は体の左右方向（サジタル）の画像であり、画像中における島状の部分において相関の高い部分が明るく表してある。図中丸印がマーカ位置であり、マーカ周辺において相関が高いことがわかる。

図５には、マーカの変位と、マーカから３０ｍｍ離れた位置のボクセル移動量の関係を示してある。このように、マーカの変位に対し頭足方向（ＳＩ方向）の移動には非常に大きな相関があることがわかる。他２方向については相関は小さいが、移動の絶対量が小さいため、位置精度への影響は小さい。

図６には呼気位相におけるコロナル画像（ＣＴ画像）、図７には吸気位相におけるコロナル画像（ＣＴ画像）が示してある。図８には、呼気位相のコロナル画像に基づき、吸気位相（図７）のマーカの変位量に基づいて算出した推定吸気位相のコロナル画像（合成画像）を示す。このように、図８の推定した吸気位相の合成画像は、図７の吸気位相に非常に近いことがわかる。図９には、図７，８の画像についての差について、示してある。図９の明度の高い部分が差が大きい部分である。図において、白丸で示したマーカ周辺については、ほとんど差がないことがわかる。

「その他」
上述の例では、体内マーカの位置に基づいて、ＣＴ画像を再生したが、これに体表の位置など他のデータを関連付けることで、再生するＣＴ画像の精度を向上することができる。例えば、マーカ周辺の体表位置の変化と各部のボクセルの変化との関係（例えば線形の相関関係）を求めておく。そして、治療時において、マーカ位置だけでなく、体表位置を検出し、マーカ変位に基づいて得られた各ボクセル位置を、体表位置（統計量でもよい）に基づいて計算した各ボクセルに位置により修正することができる。例えば、両者の重み付け平均によって位置を算出することができる。

このようにして、本実施形態によれば、Ｘ線カメラ２０，２０によりリアルタイムで得た画像からマーカ１４の位置を検出し、これに基づいて各時点における３次元ＣＴ画像をリアルタイムで再生する。

従って、随時得られる３次元ＣＴ画像を参照して、ビーム照射装置４０からの治療放射線ビームの照射を制御することができる。

これによって、大きく動く患部に対し、追従して、あるいは特定の患部の位置で確実に治療放射線ビームを照射することができ、無駄な放射線照射を抑制することができる。

患者の体内に埋め込まれたマーカの三次元位置あるいは／および体表面形状の情報などのリアルタイムで取得可能なランドマーク位置から体内構造を評価することにより、評価した体内構造と治療計画ＣＴとの整合性を評価することで、治療中リアルタイムで治療放射線の制御ができる。

１０ 治療台、１２ 患者、１４ マーカ、２０ Ｘ線カメラ、２２ Ｘ線照射装置、２４ Ｘ線カメラインタフェース、２６ 光学カメラ、２８ 光学カメラインタフェース、３０ 画像処理部、３２ 変形量評価部、３４ 記憶部、３６ 表示部、３８ 制御部、４０ ビーム照射装置。

Claims (4)

1. 照射対象に存在するランドマークを検出する検出手段と、
   治療計画時において予め取得した、前記ランドマークを含む前記照射対象についての時間経過に従った複数の３次元ＣＴ画像の中における１つを基準画像として、前記基準画像におけるランドマーク位置から前記複数の３次元ＣＴ画像の中における前記基準画像以外の画像である他の３次元ＣＴ画像におけるランドマーク位置の変位と、前記他の３次元ＣＴ画像における各部位の変形との関係を記憶する記憶手段と、
   前記照射対象に対し治療放射線を照射する治療時において、前記検出手段により検出した前記ランドマークの位置に応じ、前記関係を参照して、各部位の変形を推定し、推定された３次元ＣＴ画像を再生する３次元ＣＴ画像再生手段と、
   を有する放射線治療装置。
2. 請求項１に記載の放射線治療装置であって、
   さらに、
   前記３次元ＣＴ画像再生手段により再生された３次元ＣＴ画像に基づいて、前記治療放射線の照射を制御する制御手段有する放射線治療装置。
3. 請求項１または２に記載の放射線治療装置であって、
   前記ランドマークは金属マーカを含み、
   前記検出手段は、前記金属マーカを検出するＸ線カメラを含む、
   放射線治療装置。
4. 請求項１～３のいずれか１つに記載の放射線治療装置であって、
   前記ランドマークは、照射対象の表面位置を含み、
   前記検出手段は前記表面位置を検出する表面位置検出手段を含む、
   放射線治療装置。

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