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公開番号2025116619
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-08
出願番号2024011137
出願日2024-01-29
発明の名称システム、放射線治療システム、システムが実行する方法、プログラム
出願人株式会社日立製作所,国立大学法人北海道大学
代理人弁理士法人ウィルフォート国際特許事務所
主分類A61N 5/10 20060101AFI20250801BHJP(医学または獣医学;衛生学)
要約【課題】三次元ボリュームに含まれる広範な種類のセグメントに適用可能である、三次元ボリュームの変位または変形の推定を実現する。
【解決手段】システム102は、三次元ボリューム191の変位または変形の推定内容に対応するように、セグメント毎のセグメント対応二次元リファレンス画像(DR_ref[*])を変位または変形して、セグメント対応二次元シミュレーション画像(DR_sim[*])を生成する。システム102は、DR_sim[*]のそれぞれを合成して、二次元シミュレーション画像(DR_sim)を生成する。同一モダリティ類似度計算器134は、互いに同じモダリティを有する、DR_simと、三次元ボリューム191がX線撮影されることにより生成される二次元リアルタイム画像(DR_RT)の類似度を計算する。システム102は、DR_sim とDR_RTの類似度に基づいて、前記推定内容の妥当性を判定する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
システムであって、
三次元ボリュームがX線撮影されることにより生成される二次元リアルタイム画像(DR_RT)を取得する二次元画像取得器であって、前記二次元リアルタイム画像(DR_RT)は所定のモダリティを有する、前記二次元画像取得器と、
前記三次元ボリュームの変位または変形の推定内容に対応するように、前記三次元ボリュームに含まれるセグメント毎のセグメント対応二次元リファレンス画像(DR_ref[*])のそれぞれを変位または変形して、前記三次元ボリュームに含まれるセグメント毎のセグメント対応二次元シミュレーション画像(DR_sim[*])のそれぞれとする、二次元変位変形器であって、前記セグメント対応二次元リファレンス画像(DR_ref[*])及び前記セグメント対応二次元シミュレーション画像(DR_sim[*])は前記所定のモダリティを有する、前記二次元変位変形器と、
前記セグメント対応二次元シミュレーション画像(DR_sim[*])のそれぞれを合成して、二次元シミュレーション画像(DR_sim)を生成する、二次元シミュレーション画像合成器であって、前記二次元シミュレーション画像(DR_sim)は前記所定のモダリティを有する、前記二次元シミュレーション画像合成器と、
前記二次元リアルタイム画像(DR_RT)と前記二次元シミュレーション画像(DR_sim)の類似度を計算する、同一モダリティ類似度計算器と、
前記類似度に基づいて、前記推定内容の妥当性を判定する、ボリューム推定妥当性判定器を有するシステム。
続きを表示（約 3,400 文字）【請求項２】
請求項１に記載のシステムであって、
前記システムは、
前記三次元ボリュームの変位または変形の推定内容を定める変位変形設定器と、
前記推定内容を反映するように、モデルに基づいて、前記三次元ボリュームに含まれるセグメント毎のセグメント対応三次元画像のそれぞれを変位または変形して、前記三次元ボリュームに含まれるセグメント毎のセグメント対応三次元モデル画像(3D_model[*])のそれぞれとする、三次元変位変形器と、
前記セグメント対応三次元モデル画像(3D_model[*])のそれぞれに基づいて、デジタル再構成X線画像としての、前記三次元ボリュームに含まれるセグメント毎のセグメント対応二次元モデル再構成画像(DRR_model[*])のそれぞれを生成する再構成画像生成器と、
前記三次元ボリュームに含まれるセグメント毎のセグメント対応二次元リファレンス再構成画像(DRR_ref[*])のそれぞれと前記セグメント対応二次元モデル再構成画像(DRR_model[*])のそれぞれに基づいて、前記三次元ボリュームに含まれるセグメント毎のセグメント対応二次元変形ベクトル場(2D-DVF_model[*])のそれぞれを生成する二次元変形ベクトル場生成器を備え、
前記二次元変位変形器は、前記セグメント対応二次元リファレンス画像(DR_ref[*])のそれぞれを、前記セグメント対応二次元変形ベクトル場(2D-DVF_model[*])のそれぞれを用いて変位または変形することにより、前記セグメント対応二次元シミュレーション画像(DR_sim[*])のそれぞれを生成するものである、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムであって、
前記変位変形設定器は、前記三次元ボリュームが有する代理組織に関する情報、所定の値、または、乱数に基づいて、前記推定内容を定めることが可能なものである、システム。
【請求項４】
請求項２に記載のシステムであって、
前記ボリューム推定妥当性判定器は、前記推定内容が妥当でない場合に、前記変位変形設定器に、前記三次元ボリュームの変位または変形に関する新たな推定内容を定めるように指示を行うものであり、
前記システムは、
前記二次元リアルタイム画像(DR_RT)と前記二次元シミュレーション画像(DR_sim)の間の差分に関する情報を生成する同一モダリティ差分計算器を有するものであり、
前記変位変形設定器は、前記差分に関する情報を前記三次元ボリュームが含まれる三次元空間に逆投射させたものに基づいて、新たな前記推定内容を定めるものである、システム。
【請求項５】
請求項２に記載のシステムであって、
前記ボリューム推定妥当性判定器は、前記推定内容が妥当でない場合に、前記変位変形設定器に、前記三次元ボリュームの変位または変形に関する新たな推定内容を定めるように指示を行うものであり、
前記三次元変位変形器は、乱数に基づいて、新たな前記推定内容を定めるものである、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムであって、
前記ボリューム推定妥当性判定器は、複数の前記推定内容のうち、妥当性が高い推定内容を選択するものである、システム。
【請求項７】
請求項２に記載のシステムであって、
前記システムは、
前記モデルを生成するモデル生成器であって、互いに異なる時間帯または互いに異なる呼吸相について前記三次元ボリュームが三次元撮影されることにより生成される三次元画像のそれぞれに基づいて、前記モデルを生成するか、または、三次元ボリュームに含まれるセグメントのそれぞれの変位または変形に関するデータベースの情報に基づいて、前記モデルを生成する、前記モデル生成器を有するものであり、
前記モデルは、前記三次元ボリュームに含まれるセグメントのそれぞれの変位または変形を表現するものである、システム。
【請求項８】
請求項２に記載のシステムであって、
前記二次元画像取得器は、前記三次元ボリュームがX線撮影されることにより生成される二次元リファレンス画像(DR_ref)を取得するものであり、
前記二次元リファレンス画像(DR_ref)は、前記所定のモダリティを有するものであり、
前記再構成画像生成器は、三次元リファレンス画像(3D_ref)に基づく、デジタル再構成X線画像としての、二次元リファレンス再構成画像(DRR_ref)を生成するものであり、
前記再構成画像生成器は、セグメント対応三次元リファレンス画像(3D_ref[*])のそれぞれに基づく、デジタル再構成X線画像としての、前記セグメント対応二次元リファレンス再構成画像(DRR_ref[*])のそれぞれを生成するものであり、
前記セグメント対応三次元リファレンス画像(3D_ref[*])のそれぞれは、前記三次元リファレンス画像(3D_ref)のうち、前記三次元ボリュームに含まれるセグメントのそれぞれに対応する部分であり、
前記システムは、
前記二次元リファレンス再構成画像(DRR_ref)と、前記セグメント対応二次元リファレンス再構成画像(DRR_ref[*])のそれぞれと、前記二次元リファレンス画像(DR_ref)に基づいて、前記セグメント対応二次元リファレンス画像(DR_ref[*])のそれぞれを生成するセグメント対応二次元リファレンス画像生成器を有するものであり、
前記セグメント対応二次元リファレンス画像(DR_ref[*])のそれぞれは、前記三次元ボリュームに含まれるセグメントのそれぞれに対応するものである、システム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムであって、
前記システムは、
前記三次元ボリュームが三次元撮影されることにより生成される三次元オリジナル画像(3D_ori)を取得する三次元画像取得器であって、前記三次元オリジナル画像(3D_ori)は前記所定のモダリティとは異なるモダリティを有する、前記三次元画像取得器と、
前記三次元オリジナル画像(3D_ori)を、前記三次元ボリュームに含まれるセグメント毎のセグメント対応三次元オリジナル画像(3D_ori[*])のそれぞれに分割する三次元セグメント生成器を有するものであり、
前記変位変形設定器は、前記三次元ボリュームの変位または変形の事前設定内容を定めるものであり、
前記三次元変位変形器は、前記事前設定内容を反映するように、前記モデルに基づいて、前記三次元オリジナル画像(3D_ori)を変位または変形することにより、前記三次元リファレンス画像(3D_ref)を生成するものであり、
前記三次元変位変形器は、前記事前設定内容を反映するように、前記モデルに基づいて、前記セグメント対応三次元オリジナル画像(3D_ori[*])を変位または変形することにより、前記セグメント対応三次元リファレンス画像(3D_ref[*])を生成するものであり、
前記システムは、
前記二次元リファレンス画像(DR_ref)と前記二次元リファレンス再構成画像(DRR_ref)の異モダリティ画像間類似度を計算する、異モダリティ類似度計算器と、
前記異モダリティ画像間類似度に基づいて、前記事前設定内容の妥当性を判定する、ボリューム事前設定妥当性判定器を有するものである、システム。
【請求項１０】
請求項９に記載のシステムであって、
前記三次元セグメント生成器は、前記三次元オリジナル画像(3D_ori)に含まれるボクセル毎の動きによる速度、前記三次元オリジナル画像(3D_ori)におけるボクセル毎の強度、または、前記三次元ボリュームに含まれるセグメントのそれぞれの位置に関する経験的な知識に基づいて、前記三次元オリジナル画像(3D_ori)を前記セグメント対応三次元オリジナル画像(3D_ori[*])のそれぞれに分割するものである、システム。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、三次元ボリューム(例えば身体)の動き(変位または変形)を推定(追跡)する技術に関するものである。または、本開示は、三次元ボリュームの動き(変位または変形)の推定内容に基づいて、当該三次元ボリュームに含まれるターゲット(例えば腫瘍)に対して行われる放射線治療のための治療用ビームの制御に関するものである。
続きを表示（約 3,800 文字）【背景技術】
【０００２】
三次元ボリューム(例えば身体)の動き(変位または変形)を推定することが望まれている。例えば、三次元ボリュームに含まれるターゲット(例えば腫瘍)に対して放射線治療が行われる際には、三次元ボリュームに含まれるセグメント(例えば、部位・器官・組織・ターゲット(例えば腫瘍)等)のそれぞれの動き(変位または変形)の推定(追跡)の精度が高いことが望まれている。三次元ボリュームに含まれるターゲットに対して治療用ビームが照射される際に、ターゲットの動き(変位または変形)の推定の精度が高いほど、ターゲットに対する治療用ビームの照射が適切に為される(適切な放射線量の照射が為される)とともに、ターゲット以外の組織に対する治療用ビームの影響が抑えられる。言い換えれば、ターゲットの動き(変位または変形)の推定の精度が低いと、治療用ビームの照射の精度が下がり、ターゲットに適切な放射線量の照射が為されない上に、ターゲット以外の組織に対する治療用ビームの影響が無用に大きくなる恐れが生じ得る。
また、三次元ボリュームの動き(変位または変形)の推定が精度良く行われることが出来れば、放射線治療に限らず、三次元ボリュームに対して行われる措置一般において、措置の内容が適切なものとなることが期待出来る。
ここで、三次元ボリュームの動き(変位または変形)の原因となることは、様々あり得る。例えば、三次元ボリュームが有する呼吸器の動きは、三次元ボリュームに含まれるセグメントのそれぞれの変位または変形(位置や形状の変化)を引き起こしうる。また、呼吸器の動き以外にも、呑み込むこと、蠕動、膀胱に対する充填といった、他の解剖学的変化(anatomic changes)も、セグメントのそれぞれの変位または変形(位置や形状の変化)を引き起こしうる。
【０００３】
従来は、三次元ボリューム(例えば身体)の動きを推定(追跡)するために、内部に入れる基準マーカー(internal fiducial marker)が用いられることがあった。例えば、内部に入れる基準マーカーの複数のものが、三次元ボリュームに含まれるターゲット(例えば腫瘍)の近くに埋め込まれることがある。このようにすることにより、ターゲットの形状の変化に関する包括的な動き(comprehensive motion)の情報が得られる。
【０００４】
また、上記のような基準マーカーを用いないで、三次元ボリューム(例えば身体)の動きを推定(追跡)する手法が開発されつつある。
例えば、特許文献１や特許文献２には、三次元ボリュームを示すCT画像(CTボリューム)に対して変形を加え、変形後のCT画像(CTボリューム)を二次元平面に投射したものであるデジタル再構成X線画像(Digitally Reconstructed Radiography(DRR))と、三次元ボリュームをX線撮影して得たリアルタイムX線画像を比較する技術が開示されている。この比較結果が良好である(例えば、類似度が高い)と、変形後のCT画像(CTボリューム)が三次元ボリュームの動きを推定(追跡)したものして妥当であるということになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２０２１－１４２１４６号公報
特表２０１０－５００１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
まず、内部に入れる基準マーカーを用いて、三次元ボリューム(例えば身体)の動きを推定(追跡)する技術は、三次元ボリュームに対して侵襲的である。場合によっては、基準マーカーの侵襲性が原因となって、三次元ボリュームに合併症をもたらすこともありうる。
また、内部に入れる基準マーカーを用いて、三次元ボリュームの動きを推定(追跡)する技術は、ターゲット(例えば腫瘍)の形状の変化に関する包括的な動きの情報を得ることが出来ることがあるものの、ターゲットの形状の変形の全貌(full picture)を把握するには至らないことが多い。つまり、内部に入れる基準マーカーの技術は、三次元ボリュームの動き(変位または変形)の推定(追跡)の精度の面で改善の余地がある。
【０００７】
次に、内部に入れる基準マーカーを用いないで、三次元ボリューム(例えば身体)の動きを推定(追跡)する先行技術は、三次元ボリュームに含まれるセグメント(例えば、部位・器官・組織・ターゲット(例えば腫瘍)等)のそれぞれのうち、適切に推定(追跡)を行うことが出来るセグメントの種類が限定されがちである。
具体的には、特許文献１や特許文献２に開示されている先行技術では、CT画像(CTボリューム)由来のデジタル再構成X線画像(DRR)と、X線撮影により生成されたリアルタイムX線画像(通常はデジタルX線画像(Digital Radiography(DR)))の間の比較(マッチング。テンプレートマッチングと呼んでもよい。)が行われる。ここで、デジタル再構成X線画像(DRR)とデジタルX線画像(DR)では、有するモダリティ(画像を得るために用いられる撮像装置や、画像を得るための処理の前提となった物理的背景)が異なる。
互いに異なるモダリティを有する画像どうしを比較する(マッチングを行う)場合には、セグメントにおける画像上のコントラスト(画像における互いに異なる性質の領域間の画素値の違い)が大きいときに、適切な比較(マッチング)が行える傾向にある。実際に、(肺のなかに空気が多いことに起因して)肺においては腫瘍等のコントラストが比較的大きいため、特許文献１や特許文献２におけるデジタル再構成X線画像(DRR)とデジタルX線画像(DR)の比較(マッチング)をリアルタイムに行うことが可能である。その一方で、膵臓やその他の消化器においては腫瘍等のコントラストが比較的小さいため、特許文献１や特許文献２におけるデジタル再構成X線画像(DRR)とデジタルX線画像(DR)の比較(マッチング)を、リアルタイムで適切に行うことには困難が伴う。
【０００８】
更に言えば、三次元ボリューム(例えば身体)に含まれるセグメント(例えば、部位・器官・組織・ターゲット(例えば腫瘍)等)のそれぞれは、三次元空間内で、互いに異なった動き(変位または変形)を行い得る。つまり、三次元ボリュームがX線撮影されることにより生成される二次元X線画像は、互いに異なるコントラストを有し、互いに異なる速度で動き、互いに異なる変形が為される、複数の画像層(layers)の重ね合わせを含む。このような複数の画像層を未分化のままで取り扱うと、三次元ボリュームに含まれるセグメントの動き(変位または変形)を適切に推定(追跡)することが困難となりうる。
【０００９】
以上を踏まえて、三次元ボリュームに対して侵襲的ではなく、三次元ボリュームに含まれるセグメントのうちの広範な種類のセグメントに適用可能であり、三次元ボリュームに複数のセグメントが含まれることに対応可能である、三次元ボリュームの動き(変位または変形)の推定(追跡)を実現することを、本開示の目的の１つとしてよい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的のうちの少なくとも１つを達成するために、本開示が備えうる特徴は、例えば次のとおりである。
本開示の１つは、システムである。システムは、二次元画像取得器と二次元変位変形器と二次元シミュレーション画像合成器と同一モダリティ類似度計算器とボリューム推定妥当性判定器を有する。
二次元画像取得器は、三次元ボリュームがX線撮影されることにより生成される二次元リアルタイム画像(DR_RT)を取得する。ここで二次元リアルタイム画像(DR_RT)は所定のモダリティを有するものである。
二次元変位変形器は、三次元ボリュームの変位または変形の推定内容に対応するように、三次元ボリュームのセグメント毎のセグメント対応二次元リファレンス画像(DR_ref[*])のそれぞれを変位または変形して、三次元ボリュームのセグメント毎のセグメント対応二次元シミュレーション画像(DR_sim[*])のそれぞれとする。ここでセグメント対応二次元リファレンス画像(DR_ref[*])及びセグメント対応二次元シミュレーション画像(DR_sim[*])は前記所定のモダリティを有するものである。
二次元シミュレーション画像合成器は、セグメント対応二次元シミュレーション画像(DR_sim[*])のそれぞれを合成して、二次元シミュレーション画像(DR_sim)を生成する。ここで二次元シミュレーション画像(DR_sim)は前記所定のモダリティを有するものである。
同一モダリティ類似度計算器は、二次元リアルタイム画像(DR_RT)と二次元シミュレーション画像(DR_sim)の類似度を計算する。
ボリューム推定妥当性判定器は、類似度に基づいて前記推定内容の妥当性を判定する。
【発明の効果】
（【００１１】以降は省略されています）

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