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JP6668902B2 - 位置決め装置および位置決め装置の作動方法 - Google Patents

位置決め装置および位置決め装置の作動方法 Download PDF

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Description

この発明は、患者に対して放射線治療を行うときに患者の位置決めを行う位置決め装置および位置決め装置の作動方法に関する。
患者の患部に向けて、Ｘ線、電子線、粒子線等の放射線を照射する放射線治療においては、治療用放射線を患部に正確に照射する必要がある。このような放射線治療では、まずＸ線ＣＴ撮像が行われ、治療計画が策定される。そして、放射線治療装置による治療を実行するときには、治療計画時にＸ線ＣＴ装置により収集された３次元画像データに対して仮想的透視投影が行われ、ＤＲＲ（Ｄｅｇｉｔａｌ Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ Ｒａｄｉｏｇｒａｐｈｙ：デジタル再投影画像）が作成される。
患者（被検体）の位置決めを行う位置決め装置では、放射線治療装置の治療台に固定具で拘束された患者の患部およびその周辺のＸ線透視画像と、ＤＲＲとの類似度が最大となるように透視投影パラメータの最適化演算が行われる。そして、Ｘ線透視画像にＤＲＲを位置合わせすることで、患者の放射線治療時の位置と治療計画時の位置とのずれ量を算出し、それを治療台の移動量に反映している（特許文献１から特許文献４参照）。
特開２０１０−５７８１０号公報 特開２０１０−２４６７３３号公報 特開２０１３−９９４３１号公報 国際公開第２０１４／１５５５５６号
特許文献１から特許文献３の放射線治療装置のように、治療台上の患者に対して、正側２方向（水平方向と垂直方向）からＸ線透視を行う場合と比較して、特許文献４の放射線治療装置のように、患者に対して傾斜角を持った２方向からＸ線透視を行う場合には、ＳＩＤ（Ｓｏｕｒｃｅ Ｉｍａｇｅ Ｄｉｓｔａｎｃｅ：線源受像面間距離）が長くなる。このようにＳＩＤが長い場合には、実透視像であるＸ線透視画像と仮想投影像であるＤＲＲとの位置合わせの最適化演算の進行が停滞し、位置合わせに時間がかかる、もしくは、位置決め精度が低下することがあった。
図７および図８は、被検体に対して傾斜角を持った２方向からのＸ線透視を行った場合のＸ線透視画像を模式的に示す説明図である。図７は、撮影方向と被検体の位置を説明する図であり、図８は、図７に１、２、３の数字で示す被検体の位置での撮影方向ＡおよびＢの各Ｘ線透視画像にＤＲＲを重ね合わせた像を示すものである。なお、図８においては、ＤＲＲの輪郭を実線で示し、Ｘ線透視画像の輪郭を破線で示している。
Ｘ線透視画像とＤＲＲの位置合わせは、２方向の画像の類似度の和が最大となる位置の探索を、類似度の和の反数を目的関数（評価関数）として、これを最小化する最適化問題を解くことに帰着する。被検体の位置が撮影方向ＡとＢの交点である１の位置（図７参照）であるときには、方向Ａ、ＢのどちらもＸ線透視画像とＤＲＲとに位置ずれがなく（図８上段参照）、いずれの方向においても画像の類似度が大きくなる。すなわち、評価関数値が最も小さくなる状態である。被検体の位置が撮影方向Ａ、Ｂのいずれからもずれている２の位置（図７参照）であるときには、方向Ａ、ＢのどちらもＸ線透視画像とＤＲＲとに位置ずれがあり（図８中段参照）、いずれの方向においても画像の類似度が大きくないため、この場合には、さらに最適化演算が続行される。
一方で、被検体の位置が撮影方向ＡとＢの交点から、方向Ａに沿ってずれている３の位置（図７参照）であるときには、方向ＡのＸ線透視画像とＤＲＲ画像とには位置ずれがなく、方向ＢのＸ線透視画像とＤＲＲ画像とには位置ずれがある（図８下段参照）。ＳＩＤが長い場合には、被検体が撮影方向に沿って動いても大きさの変化が小さいため、当該撮影方向のＸ線透視画像とＤＲＲ画像との位置が合い、かつ、被検体の大きさもほぼ同じである状態となる。したがって、方向Ａの画像の類似度が非常に大きくなり、方向Ｂの画像の類似度が大きくなくとも、評価関数値が非常に小さくなってしまう。この場合には、最適化演算の進行が停滞する。このような最適化演算の進行の停滞は、ＳＩＤが長い場合ほど顕著となる。ここで、評価関数の形状を考えた場合、撮影方向に沿って評価関数値が非常に小さくなる谷構造が存在することが理解される。そして、この２方向の撮影方向に沿った２本の谷の交点が大域的最適解（最小値）となる。
図９は、評価関数の谷構造と従来の画像の類似度の最適化の過程を模式的に示す説明図である。この図９においては、撮影方向を破線矢印で、最適化経路を実線矢印で示す。
最適化演算では、解を得ようとする領域（解空間）に複数の谷が存在する場合、評価関数の勾配に基づいて局所最適解に至り、最適な経路を通って次の谷の局所最適解に至ることが繰り返される。しかしながら、治療台に固定されている患者への負担が増すことを避けるため、最適化演算は、所定時間および所定繰り返し回数で打ち切られる。このため、最適化演算の進行が停滞すれば、大域的最適解に到達するまで計算が行われないことになる。
被検体がＸ線撮影方向Ａ、Ｂのうちのどちらか一方に沿った位置にある場合、最適化の経路で、上述した谷に頻繁に落ち込むことになる。谷に落ちた後、次に進む方向は、評価関数の勾配などに基づいて決定され、このとき撮影方向は考慮されない。このため、次に進む方向は谷構造に沿った方向ではなく、若干ずれた方向が算出されることになる。そして、算出された方向に進むと、谷を上るかたちとなり評価関数値が増加するため、次のイタレーションで進む方向を算出することになる。そうすると、図９に示すように、最適化の経路が谷構造を交互に跨ぐようにジグザグに進んでいくことになり、最適化の効率が低下する。このように、最適化演算の進行が停滞すると、被検体の位置合わせに時間がかかり、所定時間または所定繰り返し回数の演算で最適解に辿り着くことができず、位置決め精度が低下することになる。
さらに、最適化にはいくつかの手法があるが、例えば、方向集合法（Ｐｏｗｅｌｌ法）で最適化を行う場合には、初期最適化方向に撮影方向を指定することができる。この場合は、最適化の初期では、撮影方向を考慮した最適化が行われるが、最適化の方向はイタレーションにより更新されていくため、最適化演算の全般において撮影方向を考慮した最適化が行われるわけではない。また、最急降下法やニュートン法などの勾配法で最適化を行う場合には、初期最適化方向は初期位置における評価関数の勾配に基づいて決定されるため、最適化において撮影方向は全く考慮されない。
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、被検体の位置決め精度を向上させた位置決め装置および位置決め装置の作動方法を提供することを目的とする。
第１の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、放射線照射部と放射線検出器を有し、被検体に対して傾斜角を持った異なる２方向の撮像系により前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、仮想空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予め収集されたＣＴ画像データに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲを作成するＤＲＲ作成部と、異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとの一致度を評価する評価関数が最大となるように、前記ＣＴ画像データと前記放射線画像とを位置合わせする位置合わせ部と、を備え、前記位置合わせ部は、前記ＣＴ画像データへの前記透視投影における、前記治療台の移動軸に対応した回転および平行移動に関するパラメータを最適化する多次元最適化部と、前記多次元最適化部によって最適化を行った後に前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する１次元最適化部と、を備えること、を特徴とする。
第２の発明では、前記１次元最適化部は、前記多次元最適化部における最適化により取得された前記評価関数の値に基づいて、１次元最適化を実行するか否かを決定する。
第３の発明では、前記位置合わせ部は、前記多次元最適化部と前記１次元最適化部とで、異なる評価関数を用いる。
第４の発明では、前記位置合わせ部は、前記多次元最適化部と前記１次元最適化部とで、最適化の収束を判定する収束判定値に異なる値を用いる。
第５の発明では、前記位置合わせ部は、異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとを解像度ごとに異なる評価関数を用いて最適化する多重解像度処理を実行する。
第６の発明では、前記位置合わせ部は、前記１次元最適化部における１次元最適化を解像度ごとに実行するか否かを判断する。
第７の発明では、前記１次元最適化部は、前記多次元最適化部によって最適化を行った後、前記多次元最適化部によって最適化が収束しなかった場合に前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する。
第８の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系により前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、仮想空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予め収集されたＣＴ画像データに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲを作成するＤＲＲ作成部と、異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとの一致度を評価する評価関数が最大となるように、前記ＣＴ画像データと前記放射線画像とを位置合わせする位置合わせ部と、を備え、前記位置合わせ部は、前記ＣＴ画像データへの前記透視投影における、前記治療台の移動軸に対応した回転および平行移動に関するパラメータを最適化する多次元最適化部と、前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する１次元最適化部と、を備え、前記１次元最適化部は、前記多次元最適化部における最適化により取得された前記評価関数の値に基づいて、１次元最適化を実行するか否かを決定すること、を特徴とする。
第９の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系により前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、仮想空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予め収集されたＣＴ画像データに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲを作成するＤＲＲ作成部と、異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとの一致度を評価する評価関数が最大となるように、前記ＣＴ画像データと前記放射線画像とを位置合わせする位置合わせ部と、を備え、前記位置合わせ部は、前記ＣＴ画像データへの前記透視投影における、前記治療台の移動軸に対応した回転および平行移動に関するパラメータを最適化する多次元最適化部と、前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する１次元最適化部と、を備え、前記位置合わせ部は、異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとを解像度ごとに異なる評価関数を用いて最適化する多重解像度処理を実行し、前記位置合わせ部は、前記１次元最適化部における１次元最適化を解像度ごとに実行するか否かを判断することを特徴とする。
第１０の発明では、治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う請求項１〜９のいずれかに記載の位置決め装置の作動方法であって、前記画像取得部が、放射線照射部と放射線検出器を有し、被検体に対して傾斜角を持った異なる２方向の撮像系により前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得工程と、前記ＤＲＲ作成部が、仮想空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予め収集されたＣＴ画像データに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲを作成するＤＲＲ作成工程と、前記位置合わせ部が、異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとの一致度を評価する評価関数が最大となるように、前記ＣＴ画像データと前記放射線画像とを位置合わせする位置合わせ工程と、を備え、前記位置合わせ工程は、前記多次元最適化部が、前記ＣＴ画像データへの前記透視投影における、前記治療台の移動軸に対応した回転および平行移動に関するパラメータを最適化する多次元最適化工程と、前記１次元最適化部が、前記多次元最適化工程によって最適化が収束しなかった場合に前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する１次元最適化工程と、を含むこと、を特徴とする。
第１から第１０の発明によれば、撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する１次元最適化を行うことから、評価関数形状が撮影方向に沿って評価関数値が非常に小さくなる谷構造となる場合に、撮影方向を考慮した効率的な最適化演算を行うことが可能となる。さらに、計算時間の低減と位置決め精度の向上も可能となる。
第２および第８の発明によれば、多次元最適化演算により得られた評価関数の値に基づいて、１次元最適化を実行するか否かを決定することから、解が谷構造に落ち込んだときなど、最適化への寄与が期待できるときのみに１次元最適化演算を行うようにすることができ、より計算時間を低減することが可能となる。
第３の発明によれば、多次元最適化と１次元最適化とで、異なる評価関数を用いることから、より高精度な位置決めが可能となる。
第４の発明によれば、最適化が収束したか否かを判定する収束判定値を、多次元最適化と１次元最適化とで異ならせることから、より高精度な位置決めが可能となる。
第５の発明によれば、多重解像度処理を実行し、位置ずれが大きい最適化の初期段階では、低解像度で作成されたＤＲＲとの一致度を評価し、繰り返し計算により位置ずれが小さくなり、さらに高い位置決め精度が求められる最適化の最終段階では、高解像度画像により画像間の一致度を評価するため、最適化演算をより高速化することが可能となる。
第６および第９の発明によれば、解像度ごとに１次元最適化を行うか否かを判断することから、撮影方向を考慮しなくても解空間での最適化の方向が好ましい解の探索方向から大きくはずれることがない低解像度側で１次元最適化を省略することができ、最適化演算をさらに高速化することが可能となる。
この発明に係る位置決め装置を適用する放射線治療装置の概要図である。 この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。 被検体の位置決め工程を示すフローチャートである。 パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。 この発明の１次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造と画像の類似度の最適化の過程を模式的に示す説明図である。 他のパラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。 被検体に対して傾斜角を持った２方向からのＸ線透視を行った場合のＸ線透視画像を模式的に示す説明図である。 被検体に対して傾斜角を持った２方向からのＸ線透視を行った場合のＸ線透視画像を模式的に示す説明図である。 評価関数の谷構造と従来の画像の類似度の最適化の過程を模式的に示す説明図である。
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、この発明に係る位置決め装置を適用した放射線治療装置１の概要図である。
この発明の位置決め装置は、Ｘ線撮像系を備え、放射線治療装置１とともに使用される。放射線治療装置１は、治療台３０の天板３１上の患者（被検体）に対して放射線治療を行うものであり、治療ビームを出射するヘッド５５と、治療室の床面に設置された基台５２に回転可能に支持されたガントリー５３を備える。放射線治療装置１は、ガントリー５３が回転することで、治療ビームの照射方向を変更することができる。
Ｘ線撮像系は、治療台３０の天板３１上に仰臥した患者の患部の位置を特定するためにＸ線透視を行うためのものであり、放射線照射部としてのＸ線管１１ａ〜１１ｄと、被検体および天板３１を透過したＸ線を検出する放射線検出器であるフラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄとを備える。Ｘ線管１１ａ〜１１ｄおよびフラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄとは、被検体に対して斜め方向からのＸ線透視を行う位置に配置される。なお、図１においては図示していないが、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄは床面に形成された凹部に配置され、凹部は床の一部を構成する蓋部材により覆われている。また、放射線検出器としてはイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ）を使用してもよい。
Ｘ線管１１ａから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ａにより検出され、Ｘ線管１１ａとフラットパネルディテクタ２１ａとは、第１撮像系を構成する。Ｘ線管１１ｂから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ｂにより検出され、Ｘ線管１１ｂとフラットパネルディテクタ２１ｂとは、第２撮像系を構成する。Ｘ線管１１ｃから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ｃにより検出され、Ｘ線管１１ｃとフラットパネルディテクタ２１ｃとは、第３撮像系を構成する。Ｘ線管１１ｄから照射されたＸ線は、フラットパネルディテクタ２１ｄにより検出され、Ｘ線管１１ｄとフラットパネルディテクタ２１ｄとは、第４撮像系を構成する。被検体の位置決めを行う際には、ガントリー５３が撮影視野に重ならないように第１〜第４撮像系のうち、２つの撮像系が選択され、被検体に対して異なる２方向からのＸ線透視が行われる。
図２は、この発明に係る位置決め装置を含む制御系のブロック図である。
この位置決め装置は、論理演算実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、各種画像処理を実行するＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、装置の制御に必要なプログラムが格納されたＲＯＭ、制御時にテータ等が一時的にストアされるＲＡＭ等を備え、位置決め処理を実行する制御部４０を備える。
制御部４０は、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄからのＸ線の照射を制御するＸ線管制御部１０と、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄの各々と接続されている。Ｘ線管制御部１０は、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄに接続され、Ｘ線透視時には、Ｘ線管１１ａ〜１１ｄのうち選択されている撮像系の２個にＸ線を照射するために必要な管電圧・管電流を供給する。また、制御部４０は、ネットワーク１７、表示部１５、入力部１６、放射線治療装置１および治療台３０とも接続されている。なお、治療台３０の天板３１は、天板移動機構３２により６軸方向に水平移動および回転可能となっている。
制御部４０は、機能的構成として、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのうち、選択された撮像系の２個で検出された画像情報を取得する画像取得部４１と、ネットワーク１７を介して取得した３次元ＣＴ画像データに対して仮想的に透視投影を行うことにより異なる２方向のＤＲＲを作成するＤＲＲ作成部４２と、２つの撮像系から得たＸ線透視画像にＣＴ画像を位置合わせする位置合わせ部４３と、画像間のずれ量から天板３１の移動量を算出する移動量算出部４４とを備える。
位置合わせ部４３は、ＤＲＲとＸ線透視画像の一致を評価する評価関数が最大となるように、透視投影の回転および平行移動に関するパラメータを最適化する多次元最適化部４５と１次元最適化部４６とを備える。
図３は、被検体の位置決め手順を示すフローチャートである。
治療台３０の天板３１上の被検体に対し、選択された２つの撮像系によるＸ線透視を実行し、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのうちの２つから画像情報を取得し、異なる２方向からのＸ線透視画像を得る（画像取得工程：ステップＳ１）。
コンピュータ上の仮想空間にＸ線透視撮影のジオメトリを再現し、予め取得した３次元ＣＴ画像データに対して仮想的透視投影が実行される。ＣＴ画像データは、治療計画策定時にＸ線ＣＴ装置により取得し、図示を省略した患者ＤＢに格納しておく。制御部４０は、ネットワーク１７を介して治療計画およびＣＴ画像データを取得する。しかる後、ＤＲＲ作成部４２において、ＣＴ画像データへの仮想的透視投影により被検体の異なる２方向の２次元ＤＲＲが作成される（ＤＲＲ作成工程：ステップＳ２）。
Ｘ線透視撮影のジオメトリには、選択された２つの撮像系におけるＸ線管１１ａ〜１１ｄのいずれか２個、フラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのいずれか２個の位置および天板３１の位置・姿勢が含まれる。これらの要素の機械的設置精度は、最終的な位置決め精度に影響を与えるため、定期的に設置位置の構成を行い、Ｘ線透視撮影のジオメトリに校正結果を反映している。
ＤＲＲ作成時には、選択された撮像系におけるＸ線管１１ａ〜１１ｄのいずれかの焦点からフラットパネルディテクタ２１ａ〜２１ｄのいずれかへの投影線に沿って、ＣＴ画像データのボクセル値が積算（線積分）される（特許文献３、図１２参照）。
位置合わせ部４３では、ＤＲＲとＸ線透視画像の一致を評価する評価関数が最大となるように、透視投影の回転および平行移動に関するパラメータの最適化が行われ、ＣＴ画像データとＸ線透視画像との位置合わせが実行される（位置合わせ工程：ステップＳ３）。ここで、評価関数としては、正規化相互情報量（ＮＭＩ：Ｎｏｍａｌｉｚｅｄ Ｍｕｔｕａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ）、勾配差（ＧＤ：Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、ゼロ平均正規化相互相関（ＺＮＣＣ：Ｎｅｒｏ−ｍｅａｎｓ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｃｒｏｓｓ−Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）など、従来からマルチモダリティの画像位置合わせに用いられている評価関数を採用することができる。なお、ＮＭＩ、ＧＤ、ＺＮＣＣを組み合わせて使用することで、ＤＲＲとＸ線画像の一致度の評価精度を向上させることもできる。
評価関数の計算は、画像中の被検体が写っている領域のみで行うことが好ましい。また、被検体内で動きのある臓器や関節など、ＣＴ画像データと再現性のない変形を伴う部位は、この評価関数の計算の対象外とすることが望ましい。
位置合わせ部４３におけるパラメータの最適化等の計算が終了すると、移動量算出部４４において、位置合わせの結果得られたＸ線透視画像とＣＴ画像データとの位置ずれ量が天板移動量に換算され（移動量算出工程：ステップＳ４）、この移動量が、移動量算出部４４から治療台３０の天板移動機構３２に送信される。しかる後、天板移動機構３２の作用により天板３１が移動する（天板移動工程：ステップＳ５）。このように、Ｘ線透視画像とＣＴ画像データとの位置ずれ量だけ被検体が転置するように天板３１を移動させることで、被検体は、放射線治療装置１から照射される治療ビームに対して治療計画通りの位置・角度に位置決めされる。なお、天板３１を転置して被検体の位置決めを行った後には、再度Ｘ線透視を行って、Ｘ線透視画像とＤＲＲとを表示部１５に表示させ、それらの画像が一致しているか否かがユーザーによる目視確認により行われる。そして、放射線治療装置１のヘッド５５から治療ビームが被検体の患部に向けて照射される。
位置合わせ部４３でのパラメータの最適化について、さらに詳細に説明する。図４は、パラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。
この実施形態では、治療台３０に天板３１を６軸移動させるものを採用していることから、評価関数は、天板３１の移動軸に対応する回転３軸と平行移動３軸に関する６つの独立変数に依存する６次元関数である。したがって、位置合わせ部４３における多次元最適化部４５においては、放射線治療装置１の照射野に位置するターゲットアイソセンターを回転中心とし、評価関数の６次元最適化演算が実行される（多次元最適化工程：ステップＳ３１）。なお、多次元最適化の次元は、例えば、治療台３０が天板３１を４軸移動させるものであれば、４次元となる。
多次元最適化演算の手法として、ＢＦＧＳ公式による準ニュートン法を用いる。準ニュートン法では、評価関数をｆ（ｘ）としたとき、６次元位置ｘを以下の式（１）に従って更新する。
Figure 0006668902
ここで、Ｈはヘッセ行列の逆行列の近似である。また、Ｈの近似式はいくつか提案されているが、以下の式（２）（３）で与えられるＢＦＧＳ公式が最も計算効率が良い。
Figure 0006668902
Figure 0006668902
ここで、異なる２方向の評価関数の値をＦ１、Ｆ２としたとき、異なる２方向の評価関数の和Ｆ１＋Ｆ２を最終的な評価関数の値とする。なお、異なる２方向のいずれか一方が、位置決めにおいてより重要な場合には、Ｆ１、Ｆ２を重み付け加算してもよい。
位置合わせ部４３における１次元最適化部４６では、選択された２つの撮影系における撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータが最適化される（１次元最適化工程：ステップＳ３３）。１次元最適化部４６における評価関数は、撮影方向に沿った１次元平行移動に関する１つの変数に依存する１次関数である。ここでの最適化では、Ｂｒｅｎｔ法や黄金分割法などを用いることができる。
最終的な評価関数値は、多次元最適化の場合と同様に、異なる２方向の評価関数値をそれぞれＦ１、Ｆ２としたとき、異なる２方向の評価関数値の和Ｆ１＋Ｆ２を用いるが、値の大きな評価関数（Ｆ１またはＦ２のどちらか一方）のみを用いることが好ましい。すなわち、最適化の経路が評価関数の谷構造に沿っているときは、値の小さい評価関数は最適化への寄与が小さいため、位置ずれが撮影方向に沿っていない側の値の大きな目的関数のみで最適化を行うことで、計算の高速化が可能となる。
多次元最適化と１次元最適化とは、評価関数の値が収束判定値に到達するまで（判定工程：ステップＳ３２、ステップＳ３４）、繰り返し実行される。また、多次元最適化の後の評価関数値の判定で収束していると判定できれば（ステップＳ３２）、１次元最適化演算をスキップして最適化演算を終了する。なお、この実施形態では、多次元最適化と１次元最適化とで、異なる評価関数を用い、評価関数の値の収束判定値に異なる値を用いている。このように、それぞれに適した評価関数、収束判定値を用いることで、より適切にパラメータの最適化を行うことができる。
さらに、所定の計算時間または所定の計算回数に達しても収束判定値に到達しない場合は、最適化の繰り返し計算を打ち切る（打ち切り判断工程：ステップＳ３５）。このような、時間的な制限を設けることで、同じ姿勢で天板３１上に固定される患者の負担や放射線治療装置１のスループットの低下が軽減される。なお、最適化においては、多次元最適化演算と１次元最適化演算とを繰り返し実行することから、これらの順序は逆であってもよい。
図５は、この発明の１次元最適化演算を実行したときの評価関数の谷構造と画像の類似度の最適化の過程を模式的に示す説明図である。
１次元最適化部４６において、撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化したことで、最適化の経路は、従来のように谷構造を跨ぐようにジグザグに進む（図９参照）のではなく、図５に示すように、谷構造に沿って進行する。このため、最適化の序盤だけではなく、最適化の終盤まで撮影方向を考慮した最適化が可能となり、従来の被検体に対して傾斜角を持った異なる２方向からＸ線透視を行った場合にＳＩＤが長くなることによる最適化演算の進行の停滞問題を解決している。これにより、効率よく最適化演算が行われ、全体の計算時間を従来よりも短くすることができ、かつ、位置決め精度も向上させることが可能となる。
図６は、他のパラメータの最適化の手順を示すフローチャートである。
図６に示すパラメータの最適化の手順は、図４に示す手順と同様に、多次元最適化（ステップＳ１３１）、評価関数値の収束判定（ステップＳ１３２）、１次元最適化（ステップＳ１３４）、評価関数値の収束判定（ステップＳ１３５）、最適化の繰り返し計算の打ち切り判定（ステップＳ１３６）を行うが、１次元最適化の前に、１次元最適化を実行するか否かを判定する工程（ステップＳ１３３）を設けている点において、図４を参照して先に説明した手順とは異なる。
１次元最適化は、１次元最適化の直前での異なる２方向の評価関数の値をそれぞれＦ１、Ｆ２としたとき、Ｆ１／Ｆ２の自然対数を表すＬｎ（Ｆ１／Ｆ２）の絶対値が所定の値ａより大きいときにのみ行うことが好ましい。すなわち、異なる２方向の評価関数の値が大きく異なっているときは、評価関数の谷構造（図５および図９参照）に落ち込んでいると判断できる。すなわち、異なる２方向の画像はほぼ左右対称（図８参照）であることから、谷構造に落ち込んだときは、Ｆ１、Ｆ２の両者の値の差が大きくなり、そうでないときは差が小さくなる。したがって、両者の差が大きいときのみ撮影方向に沿った１次元最適化を行う。このように。評価関数の値が谷構造に落ち込んだときにのみ１次元最適化を実行することで、さらに効率的に最適化を行うことができる。
また、パラメータの最適化演算は、図４、図５を参照して説明した最適化手順に、多重解像度処理を組み合わせることにより、高速化することが可能である。この多重解像度処理は、Ｘ線透視画像とＤＲＲをピラミッド構造の多重解像度画像とするダウンサンプリング法を利用するものであり、位置ずれが大きい最適化の初期段階では、Ｘ線透視画像をダウンサンプリングにより低解像度画像とし、低解像度で作成されたＤＲＲとの一致度を評価する。そして、繰り返し計算により位置ずれが小さくなり、さらに高い位置決め精度が求められる最適化の最終段階では、高解像度画像により画像間の一致度を評価する。
また、評価的関数値が谷構造に落ち込む頻度は高解像度ほど高い傾向にあるため、解像度ごとの多重解像度処理を行う際には、全ての解像度で多次元最適化と１次元最適化を繰り返し行うのではなく、解像度ごとに１次元最適化を行うか否かを切り替えてもよい。すなわち、撮影方向を考慮しなくても解空間での最適化の方向が好ましい解の探索方向から大きくはずれることがない低解像度側で１次元最適化を省略することで、さらに、最適化演算を高速化することが可能となる。なお、多重解像度画像処理を行うときには、各解像度で得られる精度に基づいて、解像度ごとに異なる収束判定値を用いることが好ましい。
上述した被検体の位置決めでは、位置合わせ部４３におけるＸ線透視画像とＣＴ画像データとの位置合わせの結果を、放射線治療装置１から治療ビームを照射する前の天板３１の移動に利用しているが、必ずしも天板３１を移動させる必要はない。例えば、治療中に位置ずれがないか確認するために、位置合わせの結果を利用してもよい。多次元最適化の次元は、例えば、治療台３０が天板３１を４軸移動させるものであれば、４次元となると説明したが、必ずしも多次元最適化の次元と天板３１の移動軸とが一致している必要はない。例えば、天板３１が４軸移動（３軸平行移動＋鉛直軸回転）しかできないにもかかわらず、最適化のパラメータを６次元とすることができる。この場合、天板移動軸にない２軸の回転ができないが、操作者に２軸回転の位置ずれがある旨を警告表示することが可能である。警告を見た操作者は患者を手動で２軸回転するなどして患者姿勢を合わせることができる。
１ 放射線治療装置
１０ Ｘ線管制御部
１１ Ｘ線管
１５ 表示部
１６ 入力部
１７ ネットワーク
２１ フラットパネルディテクタ
３０ 治療台
３１ 天板
３２ 天板移動機構
４０ 制御部
４１ 画像取得部
４２ ＤＲＲ作成部
４３ 位置合わせ部
４４ 移動量算出部
４５ 多次元最適化部
４６ １次元最適化部

Claims (10)

  1. 治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、
    放射線照射部と放射線検出器を有し、被検体に対して傾斜角を持った異なる２方向の撮像系により前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、
    仮想空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予め収集されたＣＴ画像データに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲを作成するＤＲＲ作成部と、
    異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとの一致度を評価する評価関数が最大となるように、前記ＣＴ画像データと前記放射線画像とを位置合わせする位置合わせ部と、
    を備え、
    前記位置合わせ部は、
    前記ＣＴ画像データへの前記透視投影における、前記治療台の移動軸に対応した回転および平行移動に関するパラメータを最適化する多次元最適化部と、
    前記多次元最適化部によって最適化を行った後に前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する１次元最適化部と、
    を備えること、を特徴とする位置決め装置。
  2. 請求項１に記載の位置決め装置において、
    前記１次元最適化部は、前記多次元最適化部における最適化により取得された前記評価関数の値に基づいて、１次元最適化を実行するか否かを決定する位置決め装置。
  3. 請求項１または請求項２に記載の位置決め装置において、
    前記位置合わせ部は、前記多次元最適化部と前記１次元最適化部とで、異なる評価関数を用いる位置決め装置。
  4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の位置決め装置において、
    前記位置合わせ部は、前記多次元最適化部と前記１次元最適化部とで、最適化の収束を判定する収束判定値に異なる値を用いる位置決め装置。
  5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の位置決め装置において、
    前記位置合わせ部は、異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとを解像度ごとに異なる評価関数を用いて最適化する多重解像度処理を実行する位置決め装置。
  6. 請求項５に記載の位置決め装置において、
    前記位置合わせ部は、前記１次元最適化部における１次元最適化を解像度ごとに実行するか否かを判断する位置決め装置。
  7. 請求項１に記載の位置決め装置において、
    前記１次元最適化部は、前記多次元最適化部によって最適化を行った後、前記多次元最適化部によって最適化が収束しなかった場合に前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する位置決め装置。
  8. 治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、
    放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系により前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、
    仮想空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予め収集されたＣＴ画像データに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲを作成するＤＲＲ作成部と、
    異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとの一致度を評価する評価関数が最大となるように、前記ＣＴ画像データと前記放射線画像とを位置合わせする位置合わせ部と、
    を備え、
    前記位置合わせ部は、
    前記ＣＴ画像データへの前記透視投影における、前記治療台の移動軸に対応した回転および平行移動に関するパラメータを最適化する多次元最適化部と、
    前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する１次元最適化部と、を備え、
    前記１次元最適化部は、前記多次元最適化部における最適化により取得された前記評価関数の値に基づいて、１次元最適化を実行するか否かを決定すること、を特徴とする位置決め装置。
  9. 治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う位置決め装置であって、
    放射線照射部と放射線検出器を有する撮像系により前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得部と、
    仮想空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予め収集されたＣＴ画像データに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲを作成するＤＲＲ作成部と、
    異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとの一致度を評価する評価関数が最大となるように、前記ＣＴ画像データと前記放射線画像とを位置合わせする位置合わせ部と、
    を備え、
    前記位置合わせ部は、
    前記ＣＴ画像データへの前記透視投影における、前記治療台の移動軸に対応した回転および平行移動に関するパラメータを最適化する多次元最適化部と、
    前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する１次元最適化部と、を備え、
    前記位置合わせ部は、異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとを解像度ごとに異なる評価関数を用いて最適化する多重解像度処理を実行し、
    前記位置合わせ部は、前記１次元最適化部における１次元最適化を解像度ごとに実行するか否かを判断することを特徴とする位置決め装置。
  10. 治療台上の被検体の患部に向けて治療ビームを照射する放射線治療を行うときに、前記被検体の位置決めを行う請求項１〜９のいずれかに記載の位置決め装置の作動方法であって、
    前記画像取得部が、放射線照射部と放射線検出器を有し、被検体に対して傾斜角を持った異なる２方向の撮像系により前記被検体の異なる２方向の２次元放射線画像を取得する画像取得工程と、
    前記ＤＲＲ作成部が、仮想空間に前記撮像系の幾何学的配置を再現し、予め収集されたＣＴ画像データに仮想的に透視投影を行うことにより、前記被検体の異なる２方向のＤＲＲを作成するＤＲＲ作成工程と、
    前記位置合わせ部が、異なる２方向の前記放射線画像と前記ＤＲＲとの一致度を評価する評価関数が最大となるように、前記ＣＴ画像データと前記放射線画像とを位置合わせする位置合わせ工程と、
    を備え、
    前記位置合わせ工程は、
    前記多次元最適化部が、前記ＣＴ画像データへの前記透視投影における、前記治療台の移動軸に対応した回転および平行移動に関するパラメータを最適化する多次元最適化工程と、
    前記１次元最適化部が、前記多次元最適化工程によって最適化が収束しなかった場合に前記撮像系の撮影方向に沿った１次元平行移動に関するパラメータを最適化する１次元最適化工程と、
    を含むこと、を特徴とする位置決め装置の作動方法。
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