ターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システム
【課題】ターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムの提供。
【解決手段】本ターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムは、遠方制御システムを結合してリアルタイム撮影装置を操作しリアルタイムで撮影してターゲット位置をモニタリングし、並びに画像レジストレーションシステムを整合してリアルタイムで撮影した画像を放射線治療計画に用いられる画像と画像レジストレーションし、患者の腫瘍が先に計画されたビームアイビューの範囲にあるか否かを確認する。腫瘍が先に計画されたビームアイビュー範囲にあることが確認された時、治療の正確度が増し治療効果を高められるほか、放射線治療の照射範囲を縮小して放射線治療の安全性を高められる。
【解決手段】本ターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムは、遠方制御システムを結合してリアルタイム撮影装置を操作しリアルタイムで撮影してターゲット位置をモニタリングし、並びに画像レジストレーションシステムを整合してリアルタイムで撮影した画像を放射線治療計画に用いられる画像と画像レジストレーションし、患者の腫瘍が先に計画されたビームアイビューの範囲にあるか否かを確認する。腫瘍が先に計画されたビームアイビュー範囲にあることが確認された時、治療の正確度が増し治療効果を高められるほか、放射線治療の照射範囲を縮小して放射線治療の安全性を高められる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の放射線治療モニタリングシステムに係り、視覚サーボ及び力量制御システムを利用して画像モニタリングシステムを操作し、遠方よりリアルタイムで患者の腫瘍がビームアイビュー（Ｂｅａｍ'ｓ ｅｙｅ ｖｉｅｗ）範囲内にあるか否かをモニタリングする放射線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
癌は医学上、悪性腫瘍（ｍａｌｉｇｎａｎｔ ｎｅｏｐｌａｓｍ）とも称され、正常な細胞成長増殖メカニズムが失われることで引き起こされる疾病である。癌は先進諸国の十大死因の一つになっている。癌には多くのタイプがあり、癌の病状進行程度は癌細胞の所在部位と悪性成長の程度、及び転移の発生の有無による。多数の癌は、そのタイプ、存在部位と発展段階に基づき治療され、ひいては治癒する。一部の末期、手術による切除が不能及び器官を保留したい患者に対しては、放射線治療は重要な役割を果たし、一定の治療効果を有する。
【０００３】
放射線治療は、放射線を使用して癌細胞を殺し、腫瘍を縮小させる。放射線治療は、体外照射療法（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂｅａｍ ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ 或いは ｔｅｌｅｔｈｅｒａｐｙ）或いは小線源治療（ｂｒａｃｈｙｔｈｅｒａｐｙ）による。癌細胞の成長と分裂は、いずれも正常細胞より速い。放射線は細胞の遺伝物質を破壊し、細胞の成長或いは分裂を阻止して、癌細胞の成長を制御できる。放射線治療の効果は照射を受ける領域内に局限される。放射線治療の目標は、全ての癌細胞を破壊すると共に、近隣の健康組織への影響をできるだけ減らすことである。放射線治療は脳、乳房、子宮頸、咽頭、肺、膵臓、前立腺、皮膚、胃、子宮、軟組織の肉腫を含む、各部に発生する固体腫瘍（ｓｏｌｉｄ ｔｕｍｏｒ）の治療、及び白血病とリンパ瘤にも使用される時がある。放射線剤の体内進入部分が、治療の目標を十分にカバーしているか、及び、正常な近隣組織に高線量による傷害を及ばさないかが、疾患の腫瘍制御効果と副作用を決定する鍵となる因子である。
【０００４】
テクノロジーの進歩、新規な画像設備及び放射線治療機器の開発により、原体照射療法が実現した。三次元原体照射療法（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｈｅｒａｐｙ）は、高エネルギーＸ線ビームを異なる照射野、異なる角度で入射し、三次元空間の概念を利用して線量をスタックし、線量分布の高線量領域を腫瘍の形状に沿って分布させ、並びに腫瘍周囲の正常組織をシールドして保護する。この治療方式は、腫瘍の受け取る線量を集中させて、正常組織と重要器官の線量を減少し、局部制御率（ｌｏｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒａｔｅ）を高め、並びに併発症の発生機会を減らすことができる。
【０００５】
放射線治療の放射源としては、直線加速器が発生する強度調整可能な治療用高エネルギー電子或いはＸ線を使用する。これは現在、最も常用されている方式であり、且つマルチブレードコリメータを組み合わせてビーム方向と形状を制御し、原体照射療法の効果を達成できる。このほか、また、旋回加速器が発生する高エネルギープロトンを利用して治療を行うことができる。近年、各種の原体照射療法（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ）が盛んになり、たとえば、強度変調放射線治療（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒａｐｙ）、トモセラピー（Ｔｏｍｏｔｈｅｒａｐｙ）等は、すでに臨床実験によりその利用可能性が実証されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ただし、癌患者を撮影したコンピュータ断層画像は、これらの画像に対する放射線治療計画評価がなされるため、実際に放射線治療を行うまでに、最初にコンピュータ断層画像を撮影してから数週間かかる。この時間内に、腫瘍の外形に変化があったかどうかは、現在、治療前に異なる角度の検証片を撮影することで検証され、再度治療角度及び照射野の正確性が確認される。ただし、もし患者が放射線治療の最中に、呼吸など自発性器官移動により、固定装置が不快感をもたらすか、或いは同じ姿勢を維持するのに耐えられなくなり移動した場合、移動幅が大きくなければ、放射線治療の操作者が気づかずに治療を続けて行ってしまう。その結果、放射線集中の位置が偏り、腫瘍は予定された線量を受けられず、予期された効果を達成できず、付近の正常組織は過多の線量を受けて比較的大きな傷害を受けることとなる。ゆえに、原体照射療法は広く癌の腫瘍の治療に受け入れられているが、現在原体照射療法を実行する時のコンピュータ断層設計は純粋にそのデジタル画像を組み合わせて発生するビームアイビューを放射線治療の唯一の根拠としているため、そのいわゆる撮影検証は、リアルタイム組合せ画像を治療前に検証しているのではなく、この前提に制限されるため、現在の放射線治療技術は放射線治療中のターゲットがビームアイビュー範囲内にあるか否かを確定できない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
現在の放射線治療システムの欠点を改善するため、本発明は一種のターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムを提供する。それは、放射源、リアルタイム撮影装置、ロボットアームに取り付けられて該放射源が作用するのと同時に、リアルタイムで照準位置の画像を撮影するリアルタイム撮影装置、遠距離操作システムであって、該遠距離操作システムは該ロボットアームと視覚サーボ及び力量制御システム（ｖｉｓｕａｌ ｓｅｒｖｏｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）とで構成され、そのうち該ロボットアームは６軸力量センサが取り付けられた多自由度ロボットアームとされ、該視覚サーボ及び力量制御システム或いはその他の定位サーボシステムにより、該ロボットアームの動作が制御されて該リアルタイム撮影装置が操作される上記遠距離操作システム、画像レジストレーションシステムであって、該リアルタイム撮影装置の撮影した画像を予め保存した画像とリアルタイム画像レジストレーションを行なう上記画像レジストレーションシステム、以上を包含し、その特徴は、放射線治療中に、該リアルタイム撮影装置を患者の体表の異なる部位で自由移動させて、最良のモニタリング画像を発生させられ、該遠距離操作システムは該リアルタイム撮影装置の空間位置を操作し、該リアルタイム撮影装置を照準位置に照準し、並びに患部に対するポジションと接触力を維持させられることにある。
【０００８】
本発明の実施例中、該リアルタイム撮影装置は超音波プローブとされ、該遠距離操作システムはロボットアーム、視覚サーボ及び力量制御システムを包含し、該放射源は線形加速器、サイクロトロン、シンクロトロンを包含する。該リアルタイム撮影装置は超音波プローブを包含し、ロボットアームで画像モニタリング装置を握持し操作できる。該視覚サーボ及び力量制御システムは該ロボットアームを制御して該リアルタイム撮影装置の位置、角度及び接触力を操作し、並びに必要な接触力を続けて制御する。該画像レジストレーションシステムの画像レジストレーション処理は、画像分割、コンピュータ断層画像切断面内挿、コンピュータ断層画像任意切断面再構築、特徴取り出し及び画像レジストレーションを包含し、このレジストレーションシステムにより、非ビーム方向の超音波画像とコンピュータ断層画像のレジストレーション処理の後、ビームと同方向のビームアイビュー中の治療ターゲット画像に転化し、こうして、放射線治療過程中に、腫瘍がビームアイビュー範囲にあるかないかをリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムを構築できる。
【発明の効果】
【０００９】
これにより、本発明はリアルタイム撮影装置、視覚サーボ及び力量制御システム、画像レジストレーションシステムを整合し、放射線治療設備を結合して、放射ターゲット（たとえば腫瘍）の位置が各放射線角度のビームアイビュー中にあるか否かをリアルタイムでモニタリングし確認し、随時照射パラメータを調整でき、臨床使用される腫瘍の放射線治療の不確定性を大幅に改善できる。本発明のシステムは正確に腫瘍の位置をモニタリングでき、放射線治療計画中に、腫瘍外周の移動或いはその他の不確定因子により保留照射の範囲を縮小でき、腫瘍が先に計画されたビームアイビュー内にあることを確認した時に、治療の正確度を増して治療効果を高められるほか、放射線治療照射範囲を縮小でき、放射線治療の安全性を高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システム設置図である。
【図２Ａ】本発明の超音波プローブの異なる色のカラーボールと黒色細柱の設置表示図である。
【図２Ｂ】本発明のハンドヘルドプローブのカラーボールと黒色細柱の設置表示図である。
【図２Ｃ】本発明のハンドヘルドプローブの異なる色のカラーボールと黒色細柱の設置表示図である。
【図３】本発明のロボットアームの各ジョイントの図示と座標システムである。
【図４】本発明の視覚サーボ及び力量制御システムの制御フローチャートである。
【図５】本発明の特徴点画像処理のフローチャートである。
【図６】本発明の視覚サーボ及び力量制御システム構造図である。
【図７】本発明の実施例の画像レジストレーション方法のフローチャートである。
【図８】本発明の実施例の例１の画像レジストレーション結果であり、Ａ．無回転、Ｂ．３°回転である。
【図９】本発明の実施例の例２の画像レジストレーション結果であり、Ａ．無回転、Ｂ．６°回転である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の技術内容、構造特徴、達成する目的を詳細に説明するため、以下に実施例を挙げ並びに図面を組み合わせて説明する。しかし、以下に列挙される実施例は本発明を説明するためのものであり、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲に基づきなし得る同等の変化と修飾は、いずれも本発明の権利のカバーする範囲内に属するものとする。
【００１２】
本発明の実施例は、超音波を利用してリアルタイムに正確に腫瘍位置をモニタリングする目的を達成するため、得られた超音波画像を放射線治療計画に使用されるコンピュータ断層画像と画像レジストレーションすることで、リアルタイムで腫瘍位置をモニタリングする。放射線治療室の高い遊離輻射環境のため、本発明はロボットアームを組合せ、該ロボットアームを使用して超音波プローブを操作し、放射線治療室の外から超音波プローブを遠隔操作できる。
【００１３】
本発明の実施例はカスタマイズされたＡｌｐｈａ ｃｒａｄｌｅ（ＳｍｉｔｈｅｒｓＭｅｄｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔ社、米国）を固定モデルとし、その保有するロボットアーム動作と超音波プローブ設置の空間は、超音波プローブがロボットアームの動作に影響を与えず、また、超音波プローブはロボットアームと組み合わされる。
【００１４】
超音波画像を放射線治療計画（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｌａｎｎｉｎｇ，ＲＴＰ）中に整合させるため、現在使用されている放射線治療計画ソフト（Ｅｃｌｉｐｓｅ，Ｖａｒｉａｎ，ＵＳＡ）の演算法を調整すると共に、新たなシステム構造を構築し、ターゲット体積と興味領域（ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を推測する。超音波画像再構築とビームアイビュー（ｂｅａｍ'ｓ ｅｙｅ ｖｉｅｗ，ＢＥＶ）併合の後、制限設定、最適化プロセス、線量計算等を実行する。線量発生測定の多重パラメータは、線量容積ヒストグラム（ｄｏｓｅ ｖｏｌｕｍｅ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ，ＤＶＨ）、等線量分布曲線（ｉｓｏｄｏｓｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）、等線量分布曲面（ｉｓｏｓｕｒｆａｃｅ ｄｏｓｅ ｄｉｓｐｌａｙ）を包含する。ターゲットのコンピュータ断層再構築画像と超音波画像を重畳比較するため、超音波とコンピュータ断層走査に用いられる数個の解剖構造を含有する腹部仮体（ＣＩＲＳ社より購入）を放射線治療のターゲットとなす。該腹部仮体中には、放射線治療ターゲットをシミュレートする肝嚢胞を具え、画像レジストレーション（ｉｍａｇｅ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）と放射線治療計画設計に使用できる。ビーム組合せ、線量分布及びビームアイビューは放射線写真（ｒａｄｉｏｇｒａｐｈ）デジタル再構築により形成され、それは、ターゲット可視化システム（ｔａｒｇｅｔ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）が欠如した現在の放射線治療計画の結果より構成され、リアルタイムで放射ターゲットをモニタリングできるシステムに転化され、本発明の実施例が開示するように、放射線治療過程中に、操作者に操作室中で超音波画像よりリアルタイムで放射線治療ターゲットをモニタリングさせるシステムとされる。
【実施例１】
【００１５】
［超音波プローブを保持するロボットアームの遠隔制御］
操作者が放射線治療室の外から超音波プローブをリアルタイム（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ）で操作できるようにするため、動作付随制御の装置が必要である。図１に示されるように、本発明のターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システム１は、放射源１０、遠隔操作システムを包含する。
【００１６】
該遠隔操作システムは、ロボットアーム１１と視覚サーボ及び力量制御システム（ｖｉｓｕａｌ ｓｅｒｖｏｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）１２を包含する。
【００１７】
該視覚サーボ及び力量制御システム１２はコンピュータ１２１、１２２、マルチプレクサ１２３及び二眼レフカメラ１２４１、１２４２を包含する。そのうち、二眼レフカメラは二眼カラーデジタル電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ（ドイツＡＶＴ社の型番Ｇｕｐｐｙ Ｆ−０８０Ｃ）及びハンドヘルドプローブ１１３とされる。
【００１８】
該ロボットアーム１１は６個の自由度を有する工業ロボットアーム（型番 Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＲＶ−１Ａ）とされ、それに６軸力量センサ１１１（米国ＡＴＩ社 型番Ｇａｍｍａ）と超音波プローブ１１２（図２Ａ〜Ｃ）が取付けられている。そのうち、超音波プローブ１１２はロボットアーム１１のエンドエフェクタ（ｅｎｄ−ｅｆｆｅｃｔｏｒ）に固定されている。
【００１９】
操作室内のハンドヘルドプローブ１１３に二眼レフカメラ１２４１、１２４２が組み合わされて動作命令が送出され、該動作命令はロボットアーム１１を操作して超音波プローブ１１２にハンドヘルドプローブ１１３と同じ姿勢をとらせる。ロボットアーム１１を操作して設定される超音波プローブ１１２の位置と傾斜角度は、超音波プローブ１１２とハンドヘルドプローブ１１３上の異なる色のカラーボール１１２２、１１３２と黒色細柱１１２１、１１３１により決定される。図２Ａから図２Ｃを参照されたい。そのうち、図２Ａはロボットアーム１１と超音波プローブ１１２に設置されたカラーボール１１２２と黒色細柱１１２１の表示図であり、図２Ｃはハンドヘルドプローブ１１３上に設置された異なる色のカラーボール１１３２と黒色細柱１１３１の表示図である。超音波プローブ１１２とハンドヘルドプローブ１１３に設置された異なる色のカラーボール１１２２、１１３２及び黒色細柱１１２１、１１３１の位置は相互に対応し、且つ角度は同じである。二眼レフカメラ１２４１を利用し、ロボットアーム１１と超音波プローブ１１２のカラーボール１１２２と黒色細柱１１２１に対して画像撮影し、二眼レフカメラ１２４２でハンドヘルドプローブ１１３のカラーボール１１３２と黒色細柱１１３１の画像撮影し、画像上の黒色細柱を特徴線分とし、黒色細柱（特徴線分）の交点を特徴点とし、該特徴点は空間上では異なる色のカラーボールとされ、さらに、異なる色のカラーボールの相対位置を識別して空間中の相対関係を判定し、超音波プローブ１１２及びハンドヘルドプローブ１１３の姿勢を得る。
【００２０】
二眼レフカメラ１２４１、１２４２それぞれがロボットアーム１１のエンドエフェクタの超音波プローブ１１２及びハンドヘルドプローブ１１３上の特徴点及び特徴線分の画像を撮影し、それぞれに接続されたコンピュータ１２１、１２２により処理し、コンピュータ１２１、１２２の処理した情報は、マルチプレクサ（Ｍｕｘ）１２３を介して接続交換され、これにより、ロボットアームの位置、角度、受力等の制御関係情報が、ディスプレイ１３より操作者の参考のため提供される。ディスプレイ１３によりフォースリフレクション情報を表示するほか、６軸力量センサ１１１が検出した検出情報をコンピュータ１２１、１２２で処理し並びにフォースリフレクションロボットアーム１１４に伝送し、フォースリフレクションロボットアーム１１４が検出情報をフォースリフレクションロボットアーム１１４末端に固定されたハンドヘルドプローブ１１３において反応させ、すなわち、ハンドヘルドプローブ１１３に、超音波プローブ１１２の操作制御とフォースリフレクション表現の機能を共に具備させ、操作者がハンドヘルドプローブ１１３を操作する感覚を、直接人体上で超音波プローブ１１２を操作する感覚に近づけられる。
【００２１】
該超音波プローブ１１２の姿勢（位置及び角度）はこれにより、放射線治療室中の視覚サーボシステム（ｖｉｓｕａｌ ｓｅｒｖｏｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に送られて制御される。まず、二眼レフカメラ１２４２がハンドヘルドプローブ１１３上の特徴点と特徴線分画像を撮影し並びにコンピュータ１２２に送り処理させ、この動作命令はマルチプレクサ１２３よりコンピュータ１２１に伝送されて処理後にロボットアーム１１に送信され、さらに二眼レフカメラ１２４１が、同じ点と線分特徴となるように組み合わされたロボットアーム１１のエンドエフェクタ画像を撮影してコンピュータ１２１に送り、命令された位置が達成されたかを確認させ、これにより６個の自由度を有するロボットアーム１１のエンドエフェクタ（ｅｎｄ−ｅｆｆｅｃｔｏｒ）に固定された超音波プローブ１１２を制御し操作者要求に従った動作を行わせる。特に、力量と姿勢を混合した制御命令を適当にエンコードすることで、放射線治療室中で、ロボットアーム１１のエンドエフェクタに固定された超音波プローブ１１２が、十分に、視覚サーボにより操作者の手中のハンドヘルドプローブ１１３と同じ姿勢をリアルタイムで形成できるようにする。データ演算は、それぞれＩｎｔｅｌ Ｃｏｒｅ ２ Ｑｕａｄ Ｑ６６００ ２．４ ＧＨｚ ＣＰＵが搭載された二台のパーソナルコンピュータにより行われる。
【００２２】
本発明のロボットアーム１１は、マルチジョイントを連結して構成され、これにより、ロボットアーム制御の時は、各ジョイントがロボットアームの姿勢に対して何らかの影響を有し、該ロボットアームの順方向運動学を推導しなければならない。本発明の６軸のロボットアームを例とすると、順方向運動学を推導する前に、まず、ロボットアーム上の各ジョイントにあって一つの座標システムを定義し、さらに各座標システム間の相対関係を推導し、任意の二つの座標システムの相対関係は、回転マトリクスと平行移動量に分けられ、これは以下のように示すとおりである。
【００２３】
【数１】
そして、座標｛Ａ｝と座標｛Ｂ｝の相対関係は以下のように表示され得る。
【数２】
そのうち、
【数３】
は、座標｛Ａ｝上に表示されるベクトル｛Ｐ｝とされる。
【数４】
は、座標｛Ｂ｝上に表示されるベクトル｛Ｐ｝とされる。
【数５】
は、座標｛Ａ｝の座標｛Ｂ｝に対応する回転マトリクスとされる。
【数６】
は、座標｛Ｂ｝の原点の座標｛Ａ｝に対する平行移動量とされる。
上の式は以下のように表示され得る。
【数７】
そのうち、
【数８】
である。
【００２４】
ロボットアームの各回転軸に座標が設定され、二つずつの座標の相対関係を利用してロボットアームの基底座標を計算して各回転軸の相対関係を知ることができ、図３に示されるようである。各軸が定義する座標系によりＤ−Ｈ連接棒パラメータ表を構築でき、表１のとおりである。
【００２５】
連接棒パラメータ表の推算結果から、ロボットアーム座標｛６｝のロボットアーム基底座標｛０｝に対する関係は、
【数９】
である。
【００２６】
【表１】
【００２７】
そのうち、
【数１０】
である。
【００２８】
図４を参照されたい。この図は視覚サーボ及び力量制御システム１２の制御フローチャートである。システム起動時に、二組の二眼レフカメラ１２４１、１２４２がそれぞれ同時にロボットアーム１１上の超音波プローブ１１２と操作者のハンドヘルドプローブ１１３の画像を撮影し、並びに画像中の異なる色のカラーボールと黒色細柱に対して画像処理がなされ、ハンドヘルドプローブ１１３と超音波プローブ１１２の特徴点と特徴線分の画像上の位置が定義される。
【００２９】
特徴点と特徴線分の画像上の位置が得られた後、左右の画像上の特徴位置によりエンドエフェクタに対して位置と姿勢の再構築を行い並びに任務エンコードを実行する。任務エンコード完成後、エンコード結果を位置と姿勢コントローラ中に代入し、同時にロボットアーム上の６軸力量センサ１１１が力量測定情報を力量コントローラ中に送り、並びにハンドヘルドプローブ１１３より送信される位置と姿勢及び力量の混合制御命令を考慮してロボットアーム１１のエンドエフェクタに対して追跡制御を実行する。追跡制御実行する時、操作者はディスプレイ１３で画像と力量フィードバック情報を観ることができる。
【００３０】
ゆえに、ロボットアーム１１エンドエフェクタは、操作者の手中のハンドヘルドプローブ１１３の動作に追随するほか、６軸力量センサ１１１の検出したフィードバック力により患者に対する施力を判断し、力が過大であることにより患者に不快感をもたらすのを防止する。ならびに、患者体表の特定部位への接触を完成した後、測定する力量を希望する接触力とし、さらに力量の追跡制御を実行し、このシステムに、患者が移動する時にも、該患者の体表特定部位において希望する接触力を維持させ、移動により超音波プローブが該特定部位を離れないようにし、これにより、超音波プローブと患者の関係位置をロックし、良好な超音波画像を発生するのに有利である。
【００３１】
上述された画像中の超音波プローブ１１２とハンドヘルドプローブ１１３の特徴点と特徴線分に対して実行する画像処理方法について、図５を参照されたい。この図は画像処理のフローチャートである。その方法は以下のように詳述される。まず、ローパスフィルタ（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）を使用して高周波ノイズを除去し、カメラの撮影したＲＧＢ画像をＹＣｒＣｂカラー空間に変換し、特徴線分と特徴ボール検出を実行する。そのうち、Ｙは輝度を表示し、Ｃｒ及びＣｂは色度とされ、それぞれＲＧＢカラー空間中の赤色と青色部分と輝度値Ｙ間の差異を表示し、Ｙ＝０．２９９×Ｒ＋０．５８７×Ｇ＋０．１１４×Ｂ、Ｃｒ＝（Ｒ−Ｙ）×０．７１３＋１２８、Ｃｂ＝（Ｂ−Ｙ）×０．５６４＋１２８を以て、ＹＣｒＣｂカラー空間に変換する。カラーフィルタ閾値を定義し、黒色特徴線分の閾値は、０＜Ｙ＜６０、１２０＜Ｃｒ＜１３０、１２０＜Ｃｂ＜１３５であり、赤色特徴ボールのカラー閾値は、０＜Ｙ＜１００、１００＜Ｃｒ＜２５５、１５０＜Ｃｂ＜２５５であり、青色特徴ボールのカラー閾値は、１０＜Ｙ＜１４０、１４０＜Ｃｒ＜２５５、８０＜Ｃｂ＜２５５であり、緑色特徴ボールのカラー閾値は、０＜Ｙ＜１８０、０＜Ｃｒ＜１３０、０＜Ｃｂ＜１２０であり、黄色特徴ボールのカラー閾値は、１００＜Ｙ＜２４０、１２０＜Ｃｒ＜１５０、１１０＜Ｃｂ＜１４０である。しかし閾値範囲は環境光線の変化とカメラの絞りの大小により変化し得るため、上述の閾値範囲は所在環境と使用する器材により調整が必要である。続いて、エッジ検出の方法、たとえばソベルオペレータ（Ｓｏｂｅｌ ｏｐｅｒａｔｏｒ）を用い、画像エッジを強化する。その後、広義ハフ変換を利用して画像特徴を抽出し、ハフ変換完成後に、ハフ変換を利用して抽出した特徴線分の直線方程式の交点計算を行う。特徴線分交点計算時に、各時刻の特徴線分の画像上の姿勢はいずれも異なるために、交点の画像上での順序も変化を有し得る。ゆえに、異なるカラーボール特徴を利用して交点の確実な位置を定義する。
【００３２】
特徴点と特徴線分の位置を確定した後は、図６を参照されたい。図６は画像サーバー制御のシステム構造図である。既知の予め設置された幾何特徴を遵守し、命令位置ｒ*と命令方向θ* は、一つの二眼レフカメラ視覚システムの測定ｙ*により決定され得て、該二眼レフカメラ視覚システムの数学モデルは、透視投影関数Ｇ1を利用して表示され得る。
【００３３】
【数１１】
【００３４】
同様に、放射線治療室中の二眼レフカメラ視覚システムＧ2のリアルタイム画像測定ｙにより、ロボットアームの所持する超音波プローブの姿勢は、以下の相似の演算法により決定され得る。
【００３５】
【数１２】
【００３６】
これにより、姿勢エンコード誤差が包含する現在姿勢とその命令値の間の差異は、以下のように定義され得る。
【００３７】
【数１３】
【００３８】
接触力ｆは直接力センサで測定され、該力センサはその要求する接触力ｆd を維持する。力エンコード誤差ｅfは、以下のように定義され得る。
【００３９】
【数１４】
【００４０】
設定点命令姿勢の状況を考慮し、姿勢エンコード誤差ｅ及びロボットアームのエンドエフェクタに伝送される制御入力ｕは以下の動態方程式で表示され得て、そのうち、
【数１５】
【数１６】
【数１７】
は、それぞれｅ、ｒ、及びθの時間に対する一次導関数を代表する。
【数１８】
【００４１】
これにより、以下の、力と視覚サーボ制御命令の混合による混合エンコードの誤差は、姿勢エンコード誤差と力エンコード誤差を包含し、時間の経過とともに、零に接近し、そのうち、ｋr とｋθは、いずれも正のゲイン定数とされる。混合エンコード誤差が零へと駆動されることの更なる意味は、力と姿勢の制御任務が既に正確に完成したということである。
【００４２】
【数１９】
【００４３】
そのうち、ｕfは力制御法則とされて以下のように定義される。
【数２０】
ｋfは正のゲイン定数とされ、
【数２１】
は接触面の単位法線ベクトルとされる。
【００４４】
超音波プローブがロボットアームのエンドエフェクタに固定されて動作し、操作者が手に持つハンドヘルドプローブの設定点姿勢を達成する。制御操作点の姿勢及び力量が指数収斂速度中のいずれの初期値であっても、いずれも達成可能である。ロボットアームのエンドエフェクタに固定された超音波プローブの位置と角度は１３秒いないに目標設定点の姿勢を達成し、力量は１１秒以内に目標値を達成する。特に、その位置、角度及び力量の傾向は、収斂を現出し、表２に示されるようである。実験過程中、提出される視覚サーボ制御システムは、設定点制御上、有効な表現を現出する。
【００４５】
【表２】
【実施例２】
【００４６】
［エッジ特徴画像（Ｅｄｇｅ−ｂａｓｅｄ ｉｍａｇｅ）レジストレーション］
実施例１で提出された遠隔操作システムに超音波プローブ１１２を組合せることで、放射線治療ターゲットの画像をリアルタイムで撮影でき、このほか、本発明はまた、一種の、エッジ特徴に基づいたコンピュータ断層画像と超音波画像レジストレーション技術を提出し、得られた超音波画像と放射線治療計画の断層走査画像をレジストレーションし、これにより、放射線治療ターゲットがビームアイビュー中にあるかを否かを知る。ゆえに、本発明はまた画像レジストレーションシステム（コンピュータ１２２内に設けられる）に結合される。
【００４７】
図７を参照されたい。図７は本発明の一つの実施例の画像レジストレーション方法のフローチャートである。コンピュータ断層画像中、まず、領域拡張法（ｒｅｇｉｏｎ ｇｒｏｗｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）を利用して画像を目標期間領域に分割し、さらに挿値演算法を利用し、該目標器官の三次元コンピュータ断層画像を得、ならびに、放射線治療中に組合せ、超音波プローブで画像を得て、超音波プローブと同じ角度の切断面を選択する。最後に、ＣＩＲＳ社製の仮体を実験使用し、試験を行ない、前述の演算法を利用してスピーディーに正確なレジストレーション結果を得る。
【００４８】
詳細なコンピュータ断層画像の処理ステップは以下のとおりである。領域拡張法を利用して画像を目標器官領域に分割し、さらにコンピュータ断層画像及びその軸方向（ａｘｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）情報を利用して三次元画像情報を再構築し、三次元コンピュータ断層画像のアフィン変換（ａｆｆｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ）により、超音波画像と同じ切断面に照らして、コンピュータ断層特定切断面の画像を再構築する。ごま塩ノイズ（ｓｐｅｃｋｌｅ ｎｏｉｓｅ）除去及びエッジ維持、非等方性拡散演算法の前処理ステップにより特徴抽出（ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）の目的を達成する。
【００４９】
超音波画像中、超音波画像が有するノイズが多く及び変形ひずみの特性により、非等方性拡散（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）と５×５領域のメディアンフィルタ（ｍｅｄｉａｎ ｆｉｌｔｅｒ）を利用して画像前処理を行うことで、比較的低ノイズの画像を提供して後続のエッジ処理時の誤判断を防止する。特徴抽出のステップはコンピュータ断層画像と相似である。
【００５０】
さらに、キャニー（Ｃａｎｎｙ）エッジ検出を用い、コンピュータ断層画像と超音波画像に対してエッジ特徴を抽出し、最後に広義ハフ変換を利用してコンピュータ断層画像と超音波画像の移動と角度のエッジ特徴レジストレーションを行う。キャニーエッジ検出の第１ステップは、ガウスフィルタを利用してノイズ除去を行うことである。第２ステップは、ソベル演算子を利用し画像エッジ強化を行ない、第３ステップは勾配方向により勾配の大きさに対して非最大値削除（Ｎｏｎｍａｘｉｍｕｍ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）を行ない、勾配方向上のエッジ画素点の値がその近隣画素の値より大きく、ゆえに、ローカル最大値をエッジポイントとして取り、第４ステップは、二つの臨界値を採用し、そのうち一つは高臨界値Ｔ１とされ、もう一つは低臨界値Ｔ２とされる。任意の画素の値はただＴ１より大きければ、それがエッジポイントとして指定され、この点の画素を接続し、ただその値がＴ２より大きければエッジポイントと指定する。第５ポイントは、付加遅延性ヒステリシススレショルディング（Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ）のステップであり、不正確なエッジポイントを削除する。
【００５１】
エッジ特徴アラインメントは広義ハフ変換を利用し、以下の２項の情報を自動で探し出す。すなわち、１）特定器官の中心位置、２）更新される該特定器官の姿勢方位である。まず、コンピュータ断層画像と超音波画像中より得られたエッジ結果を、エッジ検出し、広義ハフ変換を用いて、超音波画像とコンピュータ断層画像中の特定器官の中心位置偏移を決定する。その後、興味領域（Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ，ＲＯＩ）を、コンピュータ断層画像の特定器官エッジ拡張し、ならびに超音波画像と対応させる。第２に、さらに広義ハフ変換を用いて該特定器官のコンピュータ断層画像と超音波画像中の姿勢方位の定義を更新する。最後に、非ビーム方向の超音波画像とコンピュータ断層画像のレジストレーション処理の後、ビームと同方向のビームアイビュー中の治療ターゲットの画像に転化する。図７中には画像レジストレーションに基づく目標物エッジ演算フローが示され、コンピュータ断層画像と超音波画像の離線計算或いはリアルタイム計算を包含する。白色ブロックは離線計算とされるが、灰色ブロックはリアルタイム計算が必要とされる。本実施例はグラフィックプロセッサユニット（Ｇｒａｐｈｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ，ＧＰＵ）と中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ，ＣＰＵ）の組み合わせによる快速な超音波画像とコンピュータ断層画像レジストレーションの演算法であり、これによりリアルタイム効率の部分を改善している。プラットフォームはＮｖｉｄｉａの大量平行演算構造（Ｃｏｍｐｕｔｅ Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＣＵＤＡ）及び個別の、グラフィックプロセッサユニットと中央処理装置に相容するＩｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）プロセッサとされる。グラフィックプロセッサユニットの規格はＧｅＦｏｒｃｅ ＧＴＸ４７０とされる。中央処理装置規格はＩｎｔｅｌ（Ｒ）Ｃｏｒｅ（登録商標）２Ｄｕｏ ＣＰＵ（２．４０ＧＨｚ）とされ、ならびに４ＧＢのメモリが組み合わされる。
【００５２】
本実施例中、肝臓が画像レジストレーションの目標器官とされ、腹部仮体走査画像を例とすると、コンピュータ断層画像は、全部で２９７枚の腹部横断面（ａｘｉａｌ ｐｌａｎｅ）の空間上の連続画像であり、範囲は全体の肝臓をカバーする。これらのコンピュータ断層画像の空間解析度は５１２×５１２画素であり、走査間隔は０．５ｍｍである。これにより、腹部仮体を撮影した画像サイズは５１２×５１２×２９７画素とされる。画像の詳細規格は表３のとおりである。
【００５３】
【表３】
【００５４】
用いられる二つの例は我々の超音波画像とコンピュータ断層画像レジストレーション方法の例である。図８と図９は例１と例２に対応する実験結果を示す。Ｍａｕｒｅｒ氏等（Ｍａｕｒｅｒ ｅｔ ａｌ．Ｊ Ｃｏｍｐｕｔ Ａｓｓｉｓｔ Ｔｏｍｏｇｒ １９９６；２０：６６６−６７９）は、点基準レジストレーション方法の正確度測定の二つの誤差パラメータを検討しており、そのうち一つは、基準レジストレーション誤差（ｆｉｄｕｃｉａｌ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ，ＦＲＥ）であり、レジストレーション後の二つの画像の対応する基準点の距離である。二つ目は、ターゲットレジストレーション誤差（ｔａｒｇｅｔ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ，ＴＲＥ）であり、レジストレーション後の基準点の外の対応点の距離である。表４は異なる例のレジストレーション正確度の実験結果である。この二つの例中、基準レジストレーション誤差及びターゲットレジストレーション誤差はいずれも１０ｍｍより小さい。本方法の各ステップの計算時間は表５に示される。平均すると、リアルタイム部分はグラフィックプロセッサユニットを利用しての処理時間がほぼ２３５ｍｓｅｃであり、この画像レジストレーション技術が実際に臨床使用可能であることを示している。
【００５５】
【表４】
【００５６】
【表５】
【００５７】
このほか、超音波プローブ１１２は、遠方コンピュータ画像ワークステーションより全機能操作可能であり、ならびにリアルタイム画像撮影して出力し、取り込みが行える。そのうち、「遠方コンピュータ画像ワークステーション」は放射線治療室外を指し、該ロボットアームの動作を制御する定位サーボシステムコンピュータに整合され、放射線治療室内のリアルタイム撮影装置のレジストレーション操作を実行できる。「全機能操作」は、放射線治療室外より、放射線治療室内のリアルタイム撮影装置の異なる機能とパラメータに対応した完全機能操作を指し、たとえば、放射線治療内に位置する超音波装置上の異なる成像技術を切り換えて、リアルタイムグレースケール（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｇｒａｙ ｓｃａｌｅ）画像から、カラードップラー（ｃｏｌｏｒ ｄｏｐｐｌｅｒ）技術の画像に転じる。
【００５８】
実施例１と実施例２から分かるように、本発明のターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムを利用して、放射線治療を実施できると共に、ロボットアームを制御してターゲット（腫瘍）の画像を撮影し、さらに画像レジストレーションシステムを利用して、得られた超音波画像と先になされた治療計画の画像をレジストレーションし、放射ターゲットが治療計画中の位置であるか否か、及び、現在のビームアイビューが放射ターゲットをカバーしているか否かを知ることができ、これにより、もし放射ターゲットの位置或いは角度が患者の移動により変更されたことが分かったなら、リアルタイムでパラメータを調整してビームアイビューに放射ターゲットをカバーさせ、同時に周囲の正常組織が受ける放射線量を減らす。
【００５９】
ロボットアームに６軸力量センサを有する多自由度視覚サーボ及び力量制御システムが整合され、そのうち、ロボットアームに６軸力量センサと定位サーボシステムが整合され、患者の移動（体表、呼吸或いは内臓移動を包含する）の形成する問題を克服でき、自動追跡機能を有し、患者体表の特定部位にリアルタイム撮影装置をロックして続けて固定目標をモニタリングでき、このほか、操作側でフォースリフレクション（ｆｏｒｃｅ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）機能を有し、遠隔操作者の手の操作感を改善するほか、リアルタイム撮影装置の過度の圧迫により発生する危険を防止し、患者の安全を増す目的を達成する。
【符号の説明】
【００６０】
１ ターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システム
１０ 放射源
１１ ロボットアーム
１１１ ６軸力量センサ
１１２ 超音波プローブ
１１２１、１１３１ 黒色細柱
１１２２、１１３２ カラーボール
１１３ ハンドヘルドプローブ
１１４ フォースリフレクションロボットアーム
１２１、１２２ コンピュータ
１２３ マルチプレクサ
１２４１、１２４２ 二眼レフカメラ
１３ ディスプレイ
【技術分野】
【０００１】
本発明は一種の放射線治療モニタリングシステムに係り、視覚サーボ及び力量制御システムを利用して画像モニタリングシステムを操作し、遠方よりリアルタイムで患者の腫瘍がビームアイビュー（Ｂｅａｍ'ｓ ｅｙｅ ｖｉｅｗ）範囲内にあるか否かをモニタリングする放射線治療システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
癌は医学上、悪性腫瘍（ｍａｌｉｇｎａｎｔ ｎｅｏｐｌａｓｍ）とも称され、正常な細胞成長増殖メカニズムが失われることで引き起こされる疾病である。癌は先進諸国の十大死因の一つになっている。癌には多くのタイプがあり、癌の病状進行程度は癌細胞の所在部位と悪性成長の程度、及び転移の発生の有無による。多数の癌は、そのタイプ、存在部位と発展段階に基づき治療され、ひいては治癒する。一部の末期、手術による切除が不能及び器官を保留したい患者に対しては、放射線治療は重要な役割を果たし、一定の治療効果を有する。
【０００３】
放射線治療は、放射線を使用して癌細胞を殺し、腫瘍を縮小させる。放射線治療は、体外照射療法（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｂｅａｍ ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ 或いは ｔｅｌｅｔｈｅｒａｐｙ）或いは小線源治療（ｂｒａｃｈｙｔｈｅｒａｐｙ）による。癌細胞の成長と分裂は、いずれも正常細胞より速い。放射線は細胞の遺伝物質を破壊し、細胞の成長或いは分裂を阻止して、癌細胞の成長を制御できる。放射線治療の効果は照射を受ける領域内に局限される。放射線治療の目標は、全ての癌細胞を破壊すると共に、近隣の健康組織への影響をできるだけ減らすことである。放射線治療は脳、乳房、子宮頸、咽頭、肺、膵臓、前立腺、皮膚、胃、子宮、軟組織の肉腫を含む、各部に発生する固体腫瘍（ｓｏｌｉｄ ｔｕｍｏｒ）の治療、及び白血病とリンパ瘤にも使用される時がある。放射線剤の体内進入部分が、治療の目標を十分にカバーしているか、及び、正常な近隣組織に高線量による傷害を及ばさないかが、疾患の腫瘍制御効果と副作用を決定する鍵となる因子である。
【０００４】
テクノロジーの進歩、新規な画像設備及び放射線治療機器の開発により、原体照射療法が実現した。三次元原体照射療法（ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｈｅｒａｐｙ）は、高エネルギーＸ線ビームを異なる照射野、異なる角度で入射し、三次元空間の概念を利用して線量をスタックし、線量分布の高線量領域を腫瘍の形状に沿って分布させ、並びに腫瘍周囲の正常組織をシールドして保護する。この治療方式は、腫瘍の受け取る線量を集中させて、正常組織と重要器官の線量を減少し、局部制御率（ｌｏｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｒａｔｅ）を高め、並びに併発症の発生機会を減らすことができる。
【０００５】
放射線治療の放射源としては、直線加速器が発生する強度調整可能な治療用高エネルギー電子或いはＸ線を使用する。これは現在、最も常用されている方式であり、且つマルチブレードコリメータを組み合わせてビーム方向と形状を制御し、原体照射療法の効果を達成できる。このほか、また、旋回加速器が発生する高エネルギープロトンを利用して治療を行うことができる。近年、各種の原体照射療法（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ ｒａｄｉｏｔｈｅｒａｐｙ）が盛んになり、たとえば、強度変調放射線治療（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｒａｄｉａｔｉｏｎ Ｔｈｅｒａｐｙ）、トモセラピー（Ｔｏｍｏｔｈｅｒａｐｙ）等は、すでに臨床実験によりその利用可能性が実証されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ただし、癌患者を撮影したコンピュータ断層画像は、これらの画像に対する放射線治療計画評価がなされるため、実際に放射線治療を行うまでに、最初にコンピュータ断層画像を撮影してから数週間かかる。この時間内に、腫瘍の外形に変化があったかどうかは、現在、治療前に異なる角度の検証片を撮影することで検証され、再度治療角度及び照射野の正確性が確認される。ただし、もし患者が放射線治療の最中に、呼吸など自発性器官移動により、固定装置が不快感をもたらすか、或いは同じ姿勢を維持するのに耐えられなくなり移動した場合、移動幅が大きくなければ、放射線治療の操作者が気づかずに治療を続けて行ってしまう。その結果、放射線集中の位置が偏り、腫瘍は予定された線量を受けられず、予期された効果を達成できず、付近の正常組織は過多の線量を受けて比較的大きな傷害を受けることとなる。ゆえに、原体照射療法は広く癌の腫瘍の治療に受け入れられているが、現在原体照射療法を実行する時のコンピュータ断層設計は純粋にそのデジタル画像を組み合わせて発生するビームアイビューを放射線治療の唯一の根拠としているため、そのいわゆる撮影検証は、リアルタイム組合せ画像を治療前に検証しているのではなく、この前提に制限されるため、現在の放射線治療技術は放射線治療中のターゲットがビームアイビュー範囲内にあるか否かを確定できない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
現在の放射線治療システムの欠点を改善するため、本発明は一種のターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムを提供する。それは、放射源、リアルタイム撮影装置、ロボットアームに取り付けられて該放射源が作用するのと同時に、リアルタイムで照準位置の画像を撮影するリアルタイム撮影装置、遠距離操作システムであって、該遠距離操作システムは該ロボットアームと視覚サーボ及び力量制御システム（ｖｉｓｕａｌ ｓｅｒｖｏｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）とで構成され、そのうち該ロボットアームは６軸力量センサが取り付けられた多自由度ロボットアームとされ、該視覚サーボ及び力量制御システム或いはその他の定位サーボシステムにより、該ロボットアームの動作が制御されて該リアルタイム撮影装置が操作される上記遠距離操作システム、画像レジストレーションシステムであって、該リアルタイム撮影装置の撮影した画像を予め保存した画像とリアルタイム画像レジストレーションを行なう上記画像レジストレーションシステム、以上を包含し、その特徴は、放射線治療中に、該リアルタイム撮影装置を患者の体表の異なる部位で自由移動させて、最良のモニタリング画像を発生させられ、該遠距離操作システムは該リアルタイム撮影装置の空間位置を操作し、該リアルタイム撮影装置を照準位置に照準し、並びに患部に対するポジションと接触力を維持させられることにある。
【０００８】
本発明の実施例中、該リアルタイム撮影装置は超音波プローブとされ、該遠距離操作システムはロボットアーム、視覚サーボ及び力量制御システムを包含し、該放射源は線形加速器、サイクロトロン、シンクロトロンを包含する。該リアルタイム撮影装置は超音波プローブを包含し、ロボットアームで画像モニタリング装置を握持し操作できる。該視覚サーボ及び力量制御システムは該ロボットアームを制御して該リアルタイム撮影装置の位置、角度及び接触力を操作し、並びに必要な接触力を続けて制御する。該画像レジストレーションシステムの画像レジストレーション処理は、画像分割、コンピュータ断層画像切断面内挿、コンピュータ断層画像任意切断面再構築、特徴取り出し及び画像レジストレーションを包含し、このレジストレーションシステムにより、非ビーム方向の超音波画像とコンピュータ断層画像のレジストレーション処理の後、ビームと同方向のビームアイビュー中の治療ターゲット画像に転化し、こうして、放射線治療過程中に、腫瘍がビームアイビュー範囲にあるかないかをリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムを構築できる。
【発明の効果】
【０００９】
これにより、本発明はリアルタイム撮影装置、視覚サーボ及び力量制御システム、画像レジストレーションシステムを整合し、放射線治療設備を結合して、放射ターゲット（たとえば腫瘍）の位置が各放射線角度のビームアイビュー中にあるか否かをリアルタイムでモニタリングし確認し、随時照射パラメータを調整でき、臨床使用される腫瘍の放射線治療の不確定性を大幅に改善できる。本発明のシステムは正確に腫瘍の位置をモニタリングでき、放射線治療計画中に、腫瘍外周の移動或いはその他の不確定因子により保留照射の範囲を縮小でき、腫瘍が先に計画されたビームアイビュー内にあることを確認した時に、治療の正確度を増して治療効果を高められるほか、放射線治療照射範囲を縮小でき、放射線治療の安全性を高められる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明のターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システム設置図である。
【図２Ａ】本発明の超音波プローブの異なる色のカラーボールと黒色細柱の設置表示図である。
【図２Ｂ】本発明のハンドヘルドプローブのカラーボールと黒色細柱の設置表示図である。
【図２Ｃ】本発明のハンドヘルドプローブの異なる色のカラーボールと黒色細柱の設置表示図である。
【図３】本発明のロボットアームの各ジョイントの図示と座標システムである。
【図４】本発明の視覚サーボ及び力量制御システムの制御フローチャートである。
【図５】本発明の特徴点画像処理のフローチャートである。
【図６】本発明の視覚サーボ及び力量制御システム構造図である。
【図７】本発明の実施例の画像レジストレーション方法のフローチャートである。
【図８】本発明の実施例の例１の画像レジストレーション結果であり、Ａ．無回転、Ｂ．３°回転である。
【図９】本発明の実施例の例２の画像レジストレーション結果であり、Ａ．無回転、Ｂ．６°回転である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の技術内容、構造特徴、達成する目的を詳細に説明するため、以下に実施例を挙げ並びに図面を組み合わせて説明する。しかし、以下に列挙される実施例は本発明を説明するためのものであり、本発明の実施の範囲を限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲に基づきなし得る同等の変化と修飾は、いずれも本発明の権利のカバーする範囲内に属するものとする。
【００１２】
本発明の実施例は、超音波を利用してリアルタイムに正確に腫瘍位置をモニタリングする目的を達成するため、得られた超音波画像を放射線治療計画に使用されるコンピュータ断層画像と画像レジストレーションすることで、リアルタイムで腫瘍位置をモニタリングする。放射線治療室の高い遊離輻射環境のため、本発明はロボットアームを組合せ、該ロボットアームを使用して超音波プローブを操作し、放射線治療室の外から超音波プローブを遠隔操作できる。
【００１３】
本発明の実施例はカスタマイズされたＡｌｐｈａ ｃｒａｄｌｅ（ＳｍｉｔｈｅｒｓＭｅｄｉｃａｌ Ｐｒｏｄｕｃｔ社、米国）を固定モデルとし、その保有するロボットアーム動作と超音波プローブ設置の空間は、超音波プローブがロボットアームの動作に影響を与えず、また、超音波プローブはロボットアームと組み合わされる。
【００１４】
超音波画像を放射線治療計画（ｒａｄｉａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｌａｎｎｉｎｇ，ＲＴＰ）中に整合させるため、現在使用されている放射線治療計画ソフト（Ｅｃｌｉｐｓｅ，Ｖａｒｉａｎ，ＵＳＡ）の演算法を調整すると共に、新たなシステム構造を構築し、ターゲット体積と興味領域（ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を推測する。超音波画像再構築とビームアイビュー（ｂｅａｍ'ｓ ｅｙｅ ｖｉｅｗ，ＢＥＶ）併合の後、制限設定、最適化プロセス、線量計算等を実行する。線量発生測定の多重パラメータは、線量容積ヒストグラム（ｄｏｓｅ ｖｏｌｕｍｅ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ，ＤＶＨ）、等線量分布曲線（ｉｓｏｄｏｓｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）、等線量分布曲面（ｉｓｏｓｕｒｆａｃｅ ｄｏｓｅ ｄｉｓｐｌａｙ）を包含する。ターゲットのコンピュータ断層再構築画像と超音波画像を重畳比較するため、超音波とコンピュータ断層走査に用いられる数個の解剖構造を含有する腹部仮体（ＣＩＲＳ社より購入）を放射線治療のターゲットとなす。該腹部仮体中には、放射線治療ターゲットをシミュレートする肝嚢胞を具え、画像レジストレーション（ｉｍａｇｅ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ）と放射線治療計画設計に使用できる。ビーム組合せ、線量分布及びビームアイビューは放射線写真（ｒａｄｉｏｇｒａｐｈ）デジタル再構築により形成され、それは、ターゲット可視化システム（ｔａｒｇｅｔ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）が欠如した現在の放射線治療計画の結果より構成され、リアルタイムで放射ターゲットをモニタリングできるシステムに転化され、本発明の実施例が開示するように、放射線治療過程中に、操作者に操作室中で超音波画像よりリアルタイムで放射線治療ターゲットをモニタリングさせるシステムとされる。
【実施例１】
【００１５】
［超音波プローブを保持するロボットアームの遠隔制御］
操作者が放射線治療室の外から超音波プローブをリアルタイム（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ）で操作できるようにするため、動作付随制御の装置が必要である。図１に示されるように、本発明のターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システム１は、放射源１０、遠隔操作システムを包含する。
【００１６】
該遠隔操作システムは、ロボットアーム１１と視覚サーボ及び力量制御システム（ｖｉｓｕａｌ ｓｅｒｖｏｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ）１２を包含する。
【００１７】
該視覚サーボ及び力量制御システム１２はコンピュータ１２１、１２２、マルチプレクサ１２３及び二眼レフカメラ１２４１、１２４２を包含する。そのうち、二眼レフカメラは二眼カラーデジタル電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ（ドイツＡＶＴ社の型番Ｇｕｐｐｙ Ｆ−０８０Ｃ）及びハンドヘルドプローブ１１３とされる。
【００１８】
該ロボットアーム１１は６個の自由度を有する工業ロボットアーム（型番 Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＲＶ−１Ａ）とされ、それに６軸力量センサ１１１（米国ＡＴＩ社 型番Ｇａｍｍａ）と超音波プローブ１１２（図２Ａ〜Ｃ）が取付けられている。そのうち、超音波プローブ１１２はロボットアーム１１のエンドエフェクタ（ｅｎｄ−ｅｆｆｅｃｔｏｒ）に固定されている。
【００１９】
操作室内のハンドヘルドプローブ１１３に二眼レフカメラ１２４１、１２４２が組み合わされて動作命令が送出され、該動作命令はロボットアーム１１を操作して超音波プローブ１１２にハンドヘルドプローブ１１３と同じ姿勢をとらせる。ロボットアーム１１を操作して設定される超音波プローブ１１２の位置と傾斜角度は、超音波プローブ１１２とハンドヘルドプローブ１１３上の異なる色のカラーボール１１２２、１１３２と黒色細柱１１２１、１１３１により決定される。図２Ａから図２Ｃを参照されたい。そのうち、図２Ａはロボットアーム１１と超音波プローブ１１２に設置されたカラーボール１１２２と黒色細柱１１２１の表示図であり、図２Ｃはハンドヘルドプローブ１１３上に設置された異なる色のカラーボール１１３２と黒色細柱１１３１の表示図である。超音波プローブ１１２とハンドヘルドプローブ１１３に設置された異なる色のカラーボール１１２２、１１３２及び黒色細柱１１２１、１１３１の位置は相互に対応し、且つ角度は同じである。二眼レフカメラ１２４１を利用し、ロボットアーム１１と超音波プローブ１１２のカラーボール１１２２と黒色細柱１１２１に対して画像撮影し、二眼レフカメラ１２４２でハンドヘルドプローブ１１３のカラーボール１１３２と黒色細柱１１３１の画像撮影し、画像上の黒色細柱を特徴線分とし、黒色細柱（特徴線分）の交点を特徴点とし、該特徴点は空間上では異なる色のカラーボールとされ、さらに、異なる色のカラーボールの相対位置を識別して空間中の相対関係を判定し、超音波プローブ１１２及びハンドヘルドプローブ１１３の姿勢を得る。
【００２０】
二眼レフカメラ１２４１、１２４２それぞれがロボットアーム１１のエンドエフェクタの超音波プローブ１１２及びハンドヘルドプローブ１１３上の特徴点及び特徴線分の画像を撮影し、それぞれに接続されたコンピュータ１２１、１２２により処理し、コンピュータ１２１、１２２の処理した情報は、マルチプレクサ（Ｍｕｘ）１２３を介して接続交換され、これにより、ロボットアームの位置、角度、受力等の制御関係情報が、ディスプレイ１３より操作者の参考のため提供される。ディスプレイ１３によりフォースリフレクション情報を表示するほか、６軸力量センサ１１１が検出した検出情報をコンピュータ１２１、１２２で処理し並びにフォースリフレクションロボットアーム１１４に伝送し、フォースリフレクションロボットアーム１１４が検出情報をフォースリフレクションロボットアーム１１４末端に固定されたハンドヘルドプローブ１１３において反応させ、すなわち、ハンドヘルドプローブ１１３に、超音波プローブ１１２の操作制御とフォースリフレクション表現の機能を共に具備させ、操作者がハンドヘルドプローブ１１３を操作する感覚を、直接人体上で超音波プローブ１１２を操作する感覚に近づけられる。
【００２１】
該超音波プローブ１１２の姿勢（位置及び角度）はこれにより、放射線治療室中の視覚サーボシステム（ｖｉｓｕａｌ ｓｅｒｖｏｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）に送られて制御される。まず、二眼レフカメラ１２４２がハンドヘルドプローブ１１３上の特徴点と特徴線分画像を撮影し並びにコンピュータ１２２に送り処理させ、この動作命令はマルチプレクサ１２３よりコンピュータ１２１に伝送されて処理後にロボットアーム１１に送信され、さらに二眼レフカメラ１２４１が、同じ点と線分特徴となるように組み合わされたロボットアーム１１のエンドエフェクタ画像を撮影してコンピュータ１２１に送り、命令された位置が達成されたかを確認させ、これにより６個の自由度を有するロボットアーム１１のエンドエフェクタ（ｅｎｄ−ｅｆｆｅｃｔｏｒ）に固定された超音波プローブ１１２を制御し操作者要求に従った動作を行わせる。特に、力量と姿勢を混合した制御命令を適当にエンコードすることで、放射線治療室中で、ロボットアーム１１のエンドエフェクタに固定された超音波プローブ１１２が、十分に、視覚サーボにより操作者の手中のハンドヘルドプローブ１１３と同じ姿勢をリアルタイムで形成できるようにする。データ演算は、それぞれＩｎｔｅｌ Ｃｏｒｅ ２ Ｑｕａｄ Ｑ６６００ ２．４ ＧＨｚ ＣＰＵが搭載された二台のパーソナルコンピュータにより行われる。
【００２２】
本発明のロボットアーム１１は、マルチジョイントを連結して構成され、これにより、ロボットアーム制御の時は、各ジョイントがロボットアームの姿勢に対して何らかの影響を有し、該ロボットアームの順方向運動学を推導しなければならない。本発明の６軸のロボットアームを例とすると、順方向運動学を推導する前に、まず、ロボットアーム上の各ジョイントにあって一つの座標システムを定義し、さらに各座標システム間の相対関係を推導し、任意の二つの座標システムの相対関係は、回転マトリクスと平行移動量に分けられ、これは以下のように示すとおりである。
【００２３】
【数１】
そして、座標｛Ａ｝と座標｛Ｂ｝の相対関係は以下のように表示され得る。
【数２】
そのうち、
【数３】
は、座標｛Ａ｝上に表示されるベクトル｛Ｐ｝とされる。
【数４】
は、座標｛Ｂ｝上に表示されるベクトル｛Ｐ｝とされる。
【数５】
は、座標｛Ａ｝の座標｛Ｂ｝に対応する回転マトリクスとされる。
【数６】
は、座標｛Ｂ｝の原点の座標｛Ａ｝に対する平行移動量とされる。
上の式は以下のように表示され得る。
【数７】
そのうち、
【数８】
である。
【００２４】
ロボットアームの各回転軸に座標が設定され、二つずつの座標の相対関係を利用してロボットアームの基底座標を計算して各回転軸の相対関係を知ることができ、図３に示されるようである。各軸が定義する座標系によりＤ−Ｈ連接棒パラメータ表を構築でき、表１のとおりである。
【００２５】
連接棒パラメータ表の推算結果から、ロボットアーム座標｛６｝のロボットアーム基底座標｛０｝に対する関係は、
【数９】
である。
【００２６】
【表１】
【００２７】
そのうち、
【数１０】
である。
【００２８】
図４を参照されたい。この図は視覚サーボ及び力量制御システム１２の制御フローチャートである。システム起動時に、二組の二眼レフカメラ１２４１、１２４２がそれぞれ同時にロボットアーム１１上の超音波プローブ１１２と操作者のハンドヘルドプローブ１１３の画像を撮影し、並びに画像中の異なる色のカラーボールと黒色細柱に対して画像処理がなされ、ハンドヘルドプローブ１１３と超音波プローブ１１２の特徴点と特徴線分の画像上の位置が定義される。
【００２９】
特徴点と特徴線分の画像上の位置が得られた後、左右の画像上の特徴位置によりエンドエフェクタに対して位置と姿勢の再構築を行い並びに任務エンコードを実行する。任務エンコード完成後、エンコード結果を位置と姿勢コントローラ中に代入し、同時にロボットアーム上の６軸力量センサ１１１が力量測定情報を力量コントローラ中に送り、並びにハンドヘルドプローブ１１３より送信される位置と姿勢及び力量の混合制御命令を考慮してロボットアーム１１のエンドエフェクタに対して追跡制御を実行する。追跡制御実行する時、操作者はディスプレイ１３で画像と力量フィードバック情報を観ることができる。
【００３０】
ゆえに、ロボットアーム１１エンドエフェクタは、操作者の手中のハンドヘルドプローブ１１３の動作に追随するほか、６軸力量センサ１１１の検出したフィードバック力により患者に対する施力を判断し、力が過大であることにより患者に不快感をもたらすのを防止する。ならびに、患者体表の特定部位への接触を完成した後、測定する力量を希望する接触力とし、さらに力量の追跡制御を実行し、このシステムに、患者が移動する時にも、該患者の体表特定部位において希望する接触力を維持させ、移動により超音波プローブが該特定部位を離れないようにし、これにより、超音波プローブと患者の関係位置をロックし、良好な超音波画像を発生するのに有利である。
【００３１】
上述された画像中の超音波プローブ１１２とハンドヘルドプローブ１１３の特徴点と特徴線分に対して実行する画像処理方法について、図５を参照されたい。この図は画像処理のフローチャートである。その方法は以下のように詳述される。まず、ローパスフィルタ（ｌｏｗ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）を使用して高周波ノイズを除去し、カメラの撮影したＲＧＢ画像をＹＣｒＣｂカラー空間に変換し、特徴線分と特徴ボール検出を実行する。そのうち、Ｙは輝度を表示し、Ｃｒ及びＣｂは色度とされ、それぞれＲＧＢカラー空間中の赤色と青色部分と輝度値Ｙ間の差異を表示し、Ｙ＝０．２９９×Ｒ＋０．５８７×Ｇ＋０．１１４×Ｂ、Ｃｒ＝（Ｒ−Ｙ）×０．７１３＋１２８、Ｃｂ＝（Ｂ−Ｙ）×０．５６４＋１２８を以て、ＹＣｒＣｂカラー空間に変換する。カラーフィルタ閾値を定義し、黒色特徴線分の閾値は、０＜Ｙ＜６０、１２０＜Ｃｒ＜１３０、１２０＜Ｃｂ＜１３５であり、赤色特徴ボールのカラー閾値は、０＜Ｙ＜１００、１００＜Ｃｒ＜２５５、１５０＜Ｃｂ＜２５５であり、青色特徴ボールのカラー閾値は、１０＜Ｙ＜１４０、１４０＜Ｃｒ＜２５５、８０＜Ｃｂ＜２５５であり、緑色特徴ボールのカラー閾値は、０＜Ｙ＜１８０、０＜Ｃｒ＜１３０、０＜Ｃｂ＜１２０であり、黄色特徴ボールのカラー閾値は、１００＜Ｙ＜２４０、１２０＜Ｃｒ＜１５０、１１０＜Ｃｂ＜１４０である。しかし閾値範囲は環境光線の変化とカメラの絞りの大小により変化し得るため、上述の閾値範囲は所在環境と使用する器材により調整が必要である。続いて、エッジ検出の方法、たとえばソベルオペレータ（Ｓｏｂｅｌ ｏｐｅｒａｔｏｒ）を用い、画像エッジを強化する。その後、広義ハフ変換を利用して画像特徴を抽出し、ハフ変換完成後に、ハフ変換を利用して抽出した特徴線分の直線方程式の交点計算を行う。特徴線分交点計算時に、各時刻の特徴線分の画像上の姿勢はいずれも異なるために、交点の画像上での順序も変化を有し得る。ゆえに、異なるカラーボール特徴を利用して交点の確実な位置を定義する。
【００３２】
特徴点と特徴線分の位置を確定した後は、図６を参照されたい。図６は画像サーバー制御のシステム構造図である。既知の予め設置された幾何特徴を遵守し、命令位置ｒ*と命令方向θ* は、一つの二眼レフカメラ視覚システムの測定ｙ*により決定され得て、該二眼レフカメラ視覚システムの数学モデルは、透視投影関数Ｇ1を利用して表示され得る。
【００３３】
【数１１】
【００３４】
同様に、放射線治療室中の二眼レフカメラ視覚システムＧ2のリアルタイム画像測定ｙにより、ロボットアームの所持する超音波プローブの姿勢は、以下の相似の演算法により決定され得る。
【００３５】
【数１２】
【００３６】
これにより、姿勢エンコード誤差が包含する現在姿勢とその命令値の間の差異は、以下のように定義され得る。
【００３７】
【数１３】
【００３８】
接触力ｆは直接力センサで測定され、該力センサはその要求する接触力ｆd を維持する。力エンコード誤差ｅfは、以下のように定義され得る。
【００３９】
【数１４】
【００４０】
設定点命令姿勢の状況を考慮し、姿勢エンコード誤差ｅ及びロボットアームのエンドエフェクタに伝送される制御入力ｕは以下の動態方程式で表示され得て、そのうち、
【数１５】
【数１６】
【数１７】
は、それぞれｅ、ｒ、及びθの時間に対する一次導関数を代表する。
【数１８】
【００４１】
これにより、以下の、力と視覚サーボ制御命令の混合による混合エンコードの誤差は、姿勢エンコード誤差と力エンコード誤差を包含し、時間の経過とともに、零に接近し、そのうち、ｋr とｋθは、いずれも正のゲイン定数とされる。混合エンコード誤差が零へと駆動されることの更なる意味は、力と姿勢の制御任務が既に正確に完成したということである。
【００４２】
【数１９】
【００４３】
そのうち、ｕfは力制御法則とされて以下のように定義される。
【数２０】
ｋfは正のゲイン定数とされ、
【数２１】
は接触面の単位法線ベクトルとされる。
【００４４】
超音波プローブがロボットアームのエンドエフェクタに固定されて動作し、操作者が手に持つハンドヘルドプローブの設定点姿勢を達成する。制御操作点の姿勢及び力量が指数収斂速度中のいずれの初期値であっても、いずれも達成可能である。ロボットアームのエンドエフェクタに固定された超音波プローブの位置と角度は１３秒いないに目標設定点の姿勢を達成し、力量は１１秒以内に目標値を達成する。特に、その位置、角度及び力量の傾向は、収斂を現出し、表２に示されるようである。実験過程中、提出される視覚サーボ制御システムは、設定点制御上、有効な表現を現出する。
【００４５】
【表２】
【実施例２】
【００４６】
［エッジ特徴画像（Ｅｄｇｅ−ｂａｓｅｄ ｉｍａｇｅ）レジストレーション］
実施例１で提出された遠隔操作システムに超音波プローブ１１２を組合せることで、放射線治療ターゲットの画像をリアルタイムで撮影でき、このほか、本発明はまた、一種の、エッジ特徴に基づいたコンピュータ断層画像と超音波画像レジストレーション技術を提出し、得られた超音波画像と放射線治療計画の断層走査画像をレジストレーションし、これにより、放射線治療ターゲットがビームアイビュー中にあるかを否かを知る。ゆえに、本発明はまた画像レジストレーションシステム（コンピュータ１２２内に設けられる）に結合される。
【００４７】
図７を参照されたい。図７は本発明の一つの実施例の画像レジストレーション方法のフローチャートである。コンピュータ断層画像中、まず、領域拡張法（ｒｅｇｉｏｎ ｇｒｏｗｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ）を利用して画像を目標期間領域に分割し、さらに挿値演算法を利用し、該目標器官の三次元コンピュータ断層画像を得、ならびに、放射線治療中に組合せ、超音波プローブで画像を得て、超音波プローブと同じ角度の切断面を選択する。最後に、ＣＩＲＳ社製の仮体を実験使用し、試験を行ない、前述の演算法を利用してスピーディーに正確なレジストレーション結果を得る。
【００４８】
詳細なコンピュータ断層画像の処理ステップは以下のとおりである。領域拡張法を利用して画像を目標器官領域に分割し、さらにコンピュータ断層画像及びその軸方向（ａｘｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）情報を利用して三次元画像情報を再構築し、三次元コンピュータ断層画像のアフィン変換（ａｆｆｉｎｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ）により、超音波画像と同じ切断面に照らして、コンピュータ断層特定切断面の画像を再構築する。ごま塩ノイズ（ｓｐｅｃｋｌｅ ｎｏｉｓｅ）除去及びエッジ維持、非等方性拡散演算法の前処理ステップにより特徴抽出（ｆｅａｔｕｒｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ）の目的を達成する。
【００４９】
超音波画像中、超音波画像が有するノイズが多く及び変形ひずみの特性により、非等方性拡散（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）と５×５領域のメディアンフィルタ（ｍｅｄｉａｎ ｆｉｌｔｅｒ）を利用して画像前処理を行うことで、比較的低ノイズの画像を提供して後続のエッジ処理時の誤判断を防止する。特徴抽出のステップはコンピュータ断層画像と相似である。
【００５０】
さらに、キャニー（Ｃａｎｎｙ）エッジ検出を用い、コンピュータ断層画像と超音波画像に対してエッジ特徴を抽出し、最後に広義ハフ変換を利用してコンピュータ断層画像と超音波画像の移動と角度のエッジ特徴レジストレーションを行う。キャニーエッジ検出の第１ステップは、ガウスフィルタを利用してノイズ除去を行うことである。第２ステップは、ソベル演算子を利用し画像エッジ強化を行ない、第３ステップは勾配方向により勾配の大きさに対して非最大値削除（Ｎｏｎｍａｘｉｍｕｍ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）を行ない、勾配方向上のエッジ画素点の値がその近隣画素の値より大きく、ゆえに、ローカル最大値をエッジポイントとして取り、第４ステップは、二つの臨界値を採用し、そのうち一つは高臨界値Ｔ１とされ、もう一つは低臨界値Ｔ２とされる。任意の画素の値はただＴ１より大きければ、それがエッジポイントとして指定され、この点の画素を接続し、ただその値がＴ２より大きければエッジポイントと指定する。第５ポイントは、付加遅延性ヒステリシススレショルディング（Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ）のステップであり、不正確なエッジポイントを削除する。
【００５１】
エッジ特徴アラインメントは広義ハフ変換を利用し、以下の２項の情報を自動で探し出す。すなわち、１）特定器官の中心位置、２）更新される該特定器官の姿勢方位である。まず、コンピュータ断層画像と超音波画像中より得られたエッジ結果を、エッジ検出し、広義ハフ変換を用いて、超音波画像とコンピュータ断層画像中の特定器官の中心位置偏移を決定する。その後、興味領域（Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ，ＲＯＩ）を、コンピュータ断層画像の特定器官エッジ拡張し、ならびに超音波画像と対応させる。第２に、さらに広義ハフ変換を用いて該特定器官のコンピュータ断層画像と超音波画像中の姿勢方位の定義を更新する。最後に、非ビーム方向の超音波画像とコンピュータ断層画像のレジストレーション処理の後、ビームと同方向のビームアイビュー中の治療ターゲットの画像に転化する。図７中には画像レジストレーションに基づく目標物エッジ演算フローが示され、コンピュータ断層画像と超音波画像の離線計算或いはリアルタイム計算を包含する。白色ブロックは離線計算とされるが、灰色ブロックはリアルタイム計算が必要とされる。本実施例はグラフィックプロセッサユニット（Ｇｒａｐｈｉｃ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ，ＧＰＵ）と中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ，ＣＰＵ）の組み合わせによる快速な超音波画像とコンピュータ断層画像レジストレーションの演算法であり、これによりリアルタイム効率の部分を改善している。プラットフォームはＮｖｉｄｉａの大量平行演算構造（Ｃｏｍｐｕｔｅ Ｕｎｉｆｉｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＣＵＤＡ）及び個別の、グラフィックプロセッサユニットと中央処理装置に相容するＩｎｔｅｌ Ｐｅｎｔｉｕｍ（登録商標）プロセッサとされる。グラフィックプロセッサユニットの規格はＧｅＦｏｒｃｅ ＧＴＸ４７０とされる。中央処理装置規格はＩｎｔｅｌ（Ｒ）Ｃｏｒｅ（登録商標）２Ｄｕｏ ＣＰＵ（２．４０ＧＨｚ）とされ、ならびに４ＧＢのメモリが組み合わされる。
【００５２】
本実施例中、肝臓が画像レジストレーションの目標器官とされ、腹部仮体走査画像を例とすると、コンピュータ断層画像は、全部で２９７枚の腹部横断面（ａｘｉａｌ ｐｌａｎｅ）の空間上の連続画像であり、範囲は全体の肝臓をカバーする。これらのコンピュータ断層画像の空間解析度は５１２×５１２画素であり、走査間隔は０．５ｍｍである。これにより、腹部仮体を撮影した画像サイズは５１２×５１２×２９７画素とされる。画像の詳細規格は表３のとおりである。
【００５３】
【表３】
【００５４】
用いられる二つの例は我々の超音波画像とコンピュータ断層画像レジストレーション方法の例である。図８と図９は例１と例２に対応する実験結果を示す。Ｍａｕｒｅｒ氏等（Ｍａｕｒｅｒ ｅｔ ａｌ．Ｊ Ｃｏｍｐｕｔ Ａｓｓｉｓｔ Ｔｏｍｏｇｒ １９９６；２０：６６６−６７９）は、点基準レジストレーション方法の正確度測定の二つの誤差パラメータを検討しており、そのうち一つは、基準レジストレーション誤差（ｆｉｄｕｃｉａｌ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ，ＦＲＥ）であり、レジストレーション後の二つの画像の対応する基準点の距離である。二つ目は、ターゲットレジストレーション誤差（ｔａｒｇｅｔ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒ，ＴＲＥ）であり、レジストレーション後の基準点の外の対応点の距離である。表４は異なる例のレジストレーション正確度の実験結果である。この二つの例中、基準レジストレーション誤差及びターゲットレジストレーション誤差はいずれも１０ｍｍより小さい。本方法の各ステップの計算時間は表５に示される。平均すると、リアルタイム部分はグラフィックプロセッサユニットを利用しての処理時間がほぼ２３５ｍｓｅｃであり、この画像レジストレーション技術が実際に臨床使用可能であることを示している。
【００５５】
【表４】
【００５６】
【表５】
【００５７】
このほか、超音波プローブ１１２は、遠方コンピュータ画像ワークステーションより全機能操作可能であり、ならびにリアルタイム画像撮影して出力し、取り込みが行える。そのうち、「遠方コンピュータ画像ワークステーション」は放射線治療室外を指し、該ロボットアームの動作を制御する定位サーボシステムコンピュータに整合され、放射線治療室内のリアルタイム撮影装置のレジストレーション操作を実行できる。「全機能操作」は、放射線治療室外より、放射線治療室内のリアルタイム撮影装置の異なる機能とパラメータに対応した完全機能操作を指し、たとえば、放射線治療内に位置する超音波装置上の異なる成像技術を切り換えて、リアルタイムグレースケール（ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｇｒａｙ ｓｃａｌｅ）画像から、カラードップラー（ｃｏｌｏｒ ｄｏｐｐｌｅｒ）技術の画像に転じる。
【００５８】
実施例１と実施例２から分かるように、本発明のターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムを利用して、放射線治療を実施できると共に、ロボットアームを制御してターゲット（腫瘍）の画像を撮影し、さらに画像レジストレーションシステムを利用して、得られた超音波画像と先になされた治療計画の画像をレジストレーションし、放射ターゲットが治療計画中の位置であるか否か、及び、現在のビームアイビューが放射ターゲットをカバーしているか否かを知ることができ、これにより、もし放射ターゲットの位置或いは角度が患者の移動により変更されたことが分かったなら、リアルタイムでパラメータを調整してビームアイビューに放射ターゲットをカバーさせ、同時に周囲の正常組織が受ける放射線量を減らす。
【００５９】
ロボットアームに６軸力量センサを有する多自由度視覚サーボ及び力量制御システムが整合され、そのうち、ロボットアームに６軸力量センサと定位サーボシステムが整合され、患者の移動（体表、呼吸或いは内臓移動を包含する）の形成する問題を克服でき、自動追跡機能を有し、患者体表の特定部位にリアルタイム撮影装置をロックして続けて固定目標をモニタリングでき、このほか、操作側でフォースリフレクション（ｆｏｒｃｅ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）機能を有し、遠隔操作者の手の操作感を改善するほか、リアルタイム撮影装置の過度の圧迫により発生する危険を防止し、患者の安全を増す目的を達成する。
【符号の説明】
【００６０】
１ ターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システム
１０ 放射源
１１ ロボットアーム
１１１ ６軸力量センサ
１１２ 超音波プローブ
１１２１、１１３１ 黒色細柱
１１２２、１１３２ カラーボール
１１３ ハンドヘルドプローブ
１１４ フォースリフレクションロボットアーム
１２１、１２２ コンピュータ
１２３ マルチプレクサ
１２４１、１２４２ 二眼レフカメラ
１３ ディスプレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射源と、
リアルタイム撮影装置であって、ロボットアームに取り付けられ、該放射源が作用すると同時に照準位置の画像をリアルタイムで撮影する上記リアルタイム撮影装置と、
遠距離操作システムであって、該ロボットアームと視覚サーボ及び力量制御システムで構成され、該ロボットアームは６軸力量センサが取り付けられた多自由度ロボットアームとされ、該視覚サーボ及び力量制御システム或いはその他の定位サーボシステムにより、ハンドヘルドプローブの姿勢に追従し、該ロボットアーム動作を制御して該リアルタイム撮影装置を操作する上記遠距離操作システムと、
画像レジストレーションシステムであり、該リアルタイム撮影装置が撮影した画像を予め保存した画像とリアルタイムの画像レジストレーションを行う上記画像レジストレーションシステムと、
を包含する、ターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムにおいて、
放射線治療進行中に、該リアルタイム撮影装置が患者体表の異なる部位において自由移動でき、モニタリング画像を発生し、該遠距離操作システムが該リアルタイム撮影装置の空間位置を操作し、該リアルタイム撮影装置を該照準位置に照準し、ならびに患部との相対姿勢と接触力を維持することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項２】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該放射源は、線形加速器、サイクロトロン、シンクロトロンを包含することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項３】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該放射源にさらに遠隔放射線治療システム或いは近接放射線治療システムが組み合わされ、該遠隔放射線治療システムはビームアイビューを使用した放射線治療システムを包含し、該近接放射線治療システムは画像レジストレーションシステムを使用した放射線治療システムを包含することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項４】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該リアルタイム撮影装置は超音波プローブ或いはロボットアームで握持操作できる画像モニタリング装置とされ、該超音波プローブは体外２Ｄプローブ、体内プローブ、機械式３Ｄプローブ、フリーハンド３Ｄプローブ、マトリクス式３Ｄプローブ或いはリアルタイム４Ｄプローブとされることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項５】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該遠距離操作システムは該ロボットアームを制御して該リアルタイム撮影装置の位置、角度及び接触力を操作し、ならびに必要な接触力を追跡制御し、且つフォースリフレクション機能を有し、該フォースリフレクション機能はフォースフィフレクション情報をスクリーン上に表示するか或いはハンドヘルドプローブにフィードバックする形式で達成されることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項６】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該画像レジストレーションシステムの該予め保存した画像はコンピュータ断層画像、陽電子放出断層画像（ＰＥＴ−ＣＴ）、或いは核磁気共鳴画像とされることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項７】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該画像レジストレーションシステムの画像レジストレーション処理は、画像分割、画像切断面内挿、コンピュータ断層画像及び任意切断面再構築、特徴取り出し及び画像レジストレーションを包含することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項８】
請求項７記載の放射線治療システムにおいて、該画像レジストレーションシステムの画像任意切断面再構築は、視覚サーボ及び力量制御システムがフィードバックするリアルタイム撮影装置の位置と角度を利用して同一角度の画像を再構築することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項９】
請求項７記載の放射線治療システムにおいて、該画像レジストレーションシステムの画像レジストレーション処理は、請求項６の放射線治療システムのリアルタイム撮影装置が得た画像と請求項８の放射線治療システムの予め保存した画像を利用して演算し、非ビーム方向のリアルタイム撮影装置が得た画像と予め保存した画像のレジストレーション処理の後、ビームと同方向のビームアイビュー中の治療ターゲットのオブジェクト画像に転化することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項１０】
請求項４記載の放射線治療システムにおいて、該超音波プローブが使用する超音波成像技術はリアルタイムグレースケール画像、カラードップラー及びパワードップラー技術の画像、ハーモニックソノグラフィー、ソノグラフィックエラストグラフィー、或いは造影増強超音波技術（ＣＥＵＳ）とされることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項１１】
請求項４記載の放射線治療システムにおいて、該リアルタイム撮影装置の発生する画像は、リアルタイムで画像レジストレーションシステムに入力され、専門医師により評価されることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項１２】
請求項４記載の放射線治療システムにおいて、該リアルタイム撮影装置は、該遠距離操作システムにより遠方コンピュータ画像ワークステーションを操作することで全機能遠距離操作を実行し、ならびにリアルタイムに画像の撮影、出力を行なうことを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項１３】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該その他の定位サーボシステムは電磁性或いは電子式の定位サーボシステムを包含することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項１】
放射源と、
リアルタイム撮影装置であって、ロボットアームに取り付けられ、該放射源が作用すると同時に照準位置の画像をリアルタイムで撮影する上記リアルタイム撮影装置と、
遠距離操作システムであって、該ロボットアームと視覚サーボ及び力量制御システムで構成され、該ロボットアームは６軸力量センサが取り付けられた多自由度ロボットアームとされ、該視覚サーボ及び力量制御システム或いはその他の定位サーボシステムにより、ハンドヘルドプローブの姿勢に追従し、該ロボットアーム動作を制御して該リアルタイム撮影装置を操作する上記遠距離操作システムと、
画像レジストレーションシステムであり、該リアルタイム撮影装置が撮影した画像を予め保存した画像とリアルタイムの画像レジストレーションを行う上記画像レジストレーションシステムと、
を包含する、ターゲット位置をリアルタイムでモニタリングする放射線治療システムにおいて、
放射線治療進行中に、該リアルタイム撮影装置が患者体表の異なる部位において自由移動でき、モニタリング画像を発生し、該遠距離操作システムが該リアルタイム撮影装置の空間位置を操作し、該リアルタイム撮影装置を該照準位置に照準し、ならびに患部との相対姿勢と接触力を維持することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項２】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該放射源は、線形加速器、サイクロトロン、シンクロトロンを包含することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項３】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該放射源にさらに遠隔放射線治療システム或いは近接放射線治療システムが組み合わされ、該遠隔放射線治療システムはビームアイビューを使用した放射線治療システムを包含し、該近接放射線治療システムは画像レジストレーションシステムを使用した放射線治療システムを包含することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項４】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該リアルタイム撮影装置は超音波プローブ或いはロボットアームで握持操作できる画像モニタリング装置とされ、該超音波プローブは体外２Ｄプローブ、体内プローブ、機械式３Ｄプローブ、フリーハンド３Ｄプローブ、マトリクス式３Ｄプローブ或いはリアルタイム４Ｄプローブとされることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項５】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該遠距離操作システムは該ロボットアームを制御して該リアルタイム撮影装置の位置、角度及び接触力を操作し、ならびに必要な接触力を追跡制御し、且つフォースリフレクション機能を有し、該フォースリフレクション機能はフォースフィフレクション情報をスクリーン上に表示するか或いはハンドヘルドプローブにフィードバックする形式で達成されることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項６】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該画像レジストレーションシステムの該予め保存した画像はコンピュータ断層画像、陽電子放出断層画像（ＰＥＴ−ＣＴ）、或いは核磁気共鳴画像とされることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項７】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該画像レジストレーションシステムの画像レジストレーション処理は、画像分割、画像切断面内挿、コンピュータ断層画像及び任意切断面再構築、特徴取り出し及び画像レジストレーションを包含することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項８】
請求項７記載の放射線治療システムにおいて、該画像レジストレーションシステムの画像任意切断面再構築は、視覚サーボ及び力量制御システムがフィードバックするリアルタイム撮影装置の位置と角度を利用して同一角度の画像を再構築することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項９】
請求項７記載の放射線治療システムにおいて、該画像レジストレーションシステムの画像レジストレーション処理は、請求項６の放射線治療システムのリアルタイム撮影装置が得た画像と請求項８の放射線治療システムの予め保存した画像を利用して演算し、非ビーム方向のリアルタイム撮影装置が得た画像と予め保存した画像のレジストレーション処理の後、ビームと同方向のビームアイビュー中の治療ターゲットのオブジェクト画像に転化することを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項１０】
請求項４記載の放射線治療システムにおいて、該超音波プローブが使用する超音波成像技術はリアルタイムグレースケール画像、カラードップラー及びパワードップラー技術の画像、ハーモニックソノグラフィー、ソノグラフィックエラストグラフィー、或いは造影増強超音波技術（ＣＥＵＳ）とされることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項１１】
請求項４記載の放射線治療システムにおいて、該リアルタイム撮影装置の発生する画像は、リアルタイムで画像レジストレーションシステムに入力され、専門医師により評価されることを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項１２】
請求項４記載の放射線治療システムにおいて、該リアルタイム撮影装置は、該遠距離操作システムにより遠方コンピュータ画像ワークステーションを操作することで全機能遠距離操作を実行し、ならびにリアルタイムに画像の撮影、出力を行なうことを特徴とする、放射線治療システム。
【請求項１３】
請求項１記載の放射線治療システムにおいて、該その他の定位サーボシステムは電磁性或いは電子式の定位サーボシステムを包含することを特徴とする、放射線治療システム。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−７８５５７（Ｐ２０１３−７８５５７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−４５５３２（Ｐ２０１２−４５５３２）
【出願日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【出願人】（５１００９５８７９）
【出願人】（５０５４０７７６０）國立台北科技大學 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【出願人】（５１００９５８７９）
【出願人】（５０５４０７７６０）國立台北科技大學 (5)
【Ｆターム（参考）】
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