JP4344825B2 - 照射位置照合システム - Google Patents

Description

本発明は、放射線治療において、照射計画に従って照射部位の位置を合わせることを支援するための照射位置照合システムに関するものである。

近年、高齢社会の到来によるがん患者数が急増している。このために、 放射線治療を必要とする患者数の増加が顕著であり、４人に１人が放射線治療を受けるようになるとも言われている。
さて、画像診断装置の進歩により、がん発見精度は向上している。そして、放射線治療技術の進歩により、放射線治療精度も向上しており、現在は、放射線治療により、がん細胞自体に狙い撃ちが可能となっている（例：ラジオサージャリー，ガンマナイフ）。
しかしながら、照射部位の位置確認は目視によって主観的に行われており、そのために、観察者の経験による個人差や、再現性が問題となっている。そのためにも、放射線治療の照射部位の確認を支援するシステムの開発が望まれている。
発表されている放射線治療の照射部位の確認を支援するシステムとしては、非特許文献１や２がある。非特許文献１では、照合の指標を手動でトレースしてから、コンピュータでずれを計算するシステムが紹介されている。しかしながら、手動トレースしているために再現性が低いことが問題である。非特許文献２では、Ｘ線シミュレーションイメージとポータルイメージを対象して、自動的に照合の指標を決定して、コンピュータでずれを計算することが紹介されている。しかしながら、治療計画に用いた画像（ＤＲＲ）を対象としておらず、必ずしも取り扱いがよいとはいえない。

John R. Van Sorensen de Koste, Hans C. J. de Boer, M.Sc., Regine H. Schuchhard-Schipper, et al: Procedures for high precision setup verification and correction of lung cancer patients using CT-simulation and digitally reconstructed radiographs (DRR), Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys. 55(3), 804-810, 2003 赤沢博之，中森伸行，塩本敦子，他：放射線治療におけるポータルイメージの自動照合プログラムの開発．日本放射線技術学会誌，60（１），101-110，2003

本発明は、利便性に優れ、再現性よく、照射計画に従った照射部位の位置照合を支援するための照射位置照合システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、放射線治療計画画像（ＤＲＲ）と、治療前に撮影する照射野確認画像（ＬＧ）とを用いて、照射部位の位置を合わせるための照射位置照合システムであって、前記ＤＲＲ及び照射野（ＦＯＶ）形成のための形状データ、前記ＬＧの画像を取得する画像取得手段と、取得した前記ＤＲＲ及びＬＧの画像のサイズと位置を合わせる前処理手段と、前記ＤＲＲとＬＧの画像のエッジを強調するエッジ強調手段と、取得した前記形状データを用いて、ＬＧ内のＦＯＶエッジを除去するＦＯＶエッジ除去手段と、ＤＲＲとＬＧの画像を２値化する２値化手段と、2値化したＤＲＲとＬＧの画像のエッジを細線化する細線化処理手段と、前記ＤＲＲとＬＧのずれを検出する照合手段と、照合した結果を表示する表示手段とを備えることを特徴とする。
照合には不要である、ＬＧ内のＦＯＶエッジを除去しているために、照合が正確にできる。

さらに、前記ＤＲＲの細線化処理後の画像で、エッジを膨張させてマスクを作成して、該マスクによりＬＧの不要なエッジを除去するランドマーク判定手段を備え、前記照合手段は、前記ランドマーク判定手段で不要なエッジを除去したＬＧとＤＲＲにより、照合するとよい。この処理により、照合対象であるランドマークを限定しているために、照合を適切に行うことができる。
さらに、前記２値化したＬＧの画像から、雑音除去する雑音除去手段と、前記ＤＲＲの画像と雑音除去した後の前記ＬＧの画像から、小さいエッジを除去する手段とを備え、照合対象となるエッジを適切なもののみに限定しているために、照合をより適切に行うことができる。
前記照合手段は、ＬＧの照合を行う範囲（テンプレート）を定め、ＤＲＲに定めた探索範囲で、照合する位置を求めるとよい。
さらに、照合に使用するエッジをマニュアルで選択するマニュアル選択手段を備え、前記照合手段は、ＬＧの選択されたエッジとＤＲＲの選択されたエッジとを照合することもできる。
上述の照射位置照合システムとして、コンピュータ・システムを機能させるためのコンピュータ・プログラムやそのプログラムを格納した記録媒体も本発明である。

上述した本発明の照射位置照合システムにより、高い精度と再現性で照射部位の位置照合が可能となり、適切な放射線治療を行うことができる。

図面を用いて、本発明を実施するための実施形態を説明する。
本発明の照射位置照合システムでは、治療装置の線錘に沿った複数のCT画像データをX線写真と同じような幾何学的条件で再構成した画像である、放射線治療計画画像（digitally reconstructed radiographs：ＤＲＲ）と、治療装置の線錘で、治療前に撮影する照射野確認画像（lineacgraphy：ＬＧ）とを読み取り、両者をコンピュータ処理によって照合することで、照射部位の位置照合を支援している。放射線治療計画画像であるＤＲＲは、治療計画を作成する際に作成している画像である。また、照射野確認画像（ＬＧ）は、アイソセンタ位置の確認や照射野（Field of view：ＦＯＶ）形状の確認を目的に、実際の放射線治療に用いる医療用直線加速装置（Linear accelerator）と、照射野を形成するためのマルチリーフコリメータ（Multi-leaf collimator：ＭＬＣ）を用いて、実際の放射線治療と同じ幾何学的条件で、しかし実際の放射線治療に比べて極めて小さなX線エネルギーにより撮影されている。

図１は、本発明の実施形態である照射位置照合システムの動作を示すフローチャートである。各処理において、ＬＧの画像のみに対して行う処理もある。
図１のフローチャートと、図２〜図１７を用いて、照射位置照合システムの処理について説明する。

まず、本システムに参照画像であるＤＲＲと照合画像であるＬＧを読み取る（Ｓ１０２）。ＤＲＲとともにＭＬＣの形状データも取得する。２つの画像データは、通常、サイズが異なっているので、前処理として、サイズを同じにする（Ｓ１０４）。同じサイズとしたＤＲＲの例（図２（ａ））とＬＧの例（図２（ｂ））を示す。なお、画像のサイズが大きくなると処理時間が長く掛かるので、照合処理が可能である最小サイズで行うことが望ましい。

次にＬＧに対して、コントラストを上げて、骨のエッジを見やすくするために、ヒストグラムの平坦化処理を行う（Ｓ１０６）。そして、エッジ強調処理をＤＲＲ、ＬＧの双方に対して行う（Ｓ１０８）。エッジ強調処理は、例えば、濃度に係数を乗じて加えたものを中央画素の濃度とするソーベル・フィルタを用いて行うことができる。なお、ソーベルは平滑化の操作を含んでおり、一般の微分と異なり、雑音に対して強いという特徴がある。７×７のソーベルによりエッジ強調処理後の画像として、図３（ａ）にＤＲＲ、図３（ｂ）にＬＧを示す。

ここで、ＤＲＲとＬＧのアイソセンタ（画像の中心）のずれを補正する（Ｓ１１０）。ＤＲＲでは、画像データの一部（ＤＩＣＯＭヘッダー）に照射野形成のためのＭＬＣ形状データおよびアイソセンタが数値（画像上の座標値）として記録されており、アイソセンタが画像の中心になるように作成されているのでその座標位置は分っている。ＤＲＲのＤＩＣＯＭヘッダーから再現した照射野とアイソセンタを図４（ａ）に示す。ＬＧに対しては、ＬＧの画像（図４（ｂ）参照）の中心付近のプロファイルを解析して、ＬＧのアイソセンタの座標位置を認識する（図５参照）。
ＬＧのアイソセンタの認識には、ＬＧの画像に写し込まれている治療装置の目盛り板の目盛り（図３（ｂ）では、○で十字に写されている）の図形を利用する。この十字の中心がＬＧ画像のアイソセンタである。まずＬＧ画像から中心部のみ（図４（ｂ）の網掛け部分）を取り出す。それが図５（ａ）の下左の画像である。これをｘ方向（横方向）とｙ方向（縦方向）にプロファイルを作成したのが、図５（ａ）の上や右側にある、それぞれのグラフである。このプロファイルは、目盛りの画像の特徴が反映されたものである。このプロファイルを利用して、目盛りの十字形の中心である、アイソセンタを認識する手順を、ｙ方向のプロファイルのグラフ（図５（ａ）右側）を用いて説明する（図５（ｂ）〜（ｄ）参照）。まず、最大ピクセル値をサーチする（図５（ｂ））。発見した最大ピクセル値をとる位置ｐ１から一定範囲（ここでは３ピクセル）離れた位置でのピクセル値を比較し、２番目に大きいピクセル値をとる位置ｐ２を求める（図５（ｃ））。ｐ１とｐ２の間にアイソセンタ探索範囲を設定し、その範囲での最小ピクセル値をサーチして、その最小ピクセル値をとる位置ｐ３をアイソセンタとする。
そして、ＤＲＲのアイソセンタと一致させるために、ＬＧで求めたアイソセンタと、ＤＲＲのアイソセンタの座標の差だけ、ＬＧの画像を移動する（図６参照）。これで、ＤＲＲとＬＧのアイソセンタの位置が一致した。

ＬＧ画像にある照射野（field of view:ＦＯＶ）のエッジはＤＲＲにはなく、このエッジは、ＤＲＲとＬＧの画像のマッチングをエッジにより行うためには、阻害要因となる。このために、ＬＧの画像にあるＦＯＶのエッジを除去する（Ｓ１１２）。この処理を、図７を用いて説明する。
まず、ＤＲＲの画像とともに取り込んだＭＬＣの形状データをもとに、ＦＯＶ形状画像を作成する（図７（ａ）参照）。作成したＦＯＶ画像を３回収縮処理して、ＦＯＶ’画像を作成する（図７（ｂ）参照）。また、形成したＦＯＶ画像に１０回膨張処理をして、ＦＯＶ’’画像を作成する（図７（ｃ）参照）。ＦＯＶ’’とＦＯＶ’との差をとって、関心領域（region of interest：ＲＯＩ）の画像を作成する（図７（ｄ）参照）。このＲＯＩ内のエッジ成分をＦＯＶのエッジとし、このエッジのピクセル値を０（＝黒：背景色）とすることで、エッジを消去する。その画像を図７（ｅ）に示す。このＲＯＩを用いることにより、図７（ｅ）に示すように、ＦＯＶ内の画像（人体構造エッジ）を残して、ＦＯＶエッジのみを除去することができる。

さて、マッチングを２値化した画像で行うので、２値化する閾値を自動的に決定するために、ヒストグラム解析処理を行う（Ｓ１１４）。図８のヒストグラムのグラフに示すように、それぞれの画像において高ピクセル値側からカウントし、総画素数の８％に相当するピクセル値を求め、閾値とする。例に示した画像では、ＤＲＲの閾値は約７７０（図８（ａ）の矢印）であり、ＬＧの閾値は約６００（図８（ｂ）の矢印）である。求めた閾値を用いて、それぞれの画像に対して２値化処理を行う（Ｓ１１６）。２値化した画像は、図９（ａ）にＤＲＲを、図９（ｂ）にＬＧを示す。
ＬＧ画像は、図９（ｂ）に示すように、２値化すると背景に散在する雑音が多く出現するので、収縮処理を２回繰り返して雑音を除去する（Ｓ１１８）。雑音除去後のＬＧ画像を図１０に示す。

マッチングの対象となるエッジを選ぶために、まず、小さいものを除去する。これを行うために、つながりのある個々のエッジに対して、区別するためのラベルを付与し（Ｓ１２０）、各ラベルの面積が、ＤＲＲの画像の場合は５０ピクセル以下、ＬＧの画像の場合は１００ピクセル以下を判定して、エッジを削除する（Ｓ１２２）。判定して、削除後の画像は、図１１（ａ）にＤＲＲを、図１１（ｂ）にＬＧを示す。
残った、つながりのあるエッジの細線化（１ピクセルの線とする）処理を行う（Ｓ１２４）。細線処理後の画像は、図１２（ａ）にＤＲＲを、図１２（ｂ）にＬＧを示す。

最終的に、マッチングの対象となるランドマークをＬＧの画像から選択する（Ｓ１２６）。このために、細線化されたＤＲＲの画像（図１３（ａ）参照）を１２回膨張させて、マスク画像（図１３（ｂ）参照）を作成する。このマスク画像をＬＧの細線化画像（図１３（ｃ）参照）に作用して、マスク画像の部分のＬＧのみを抜き取り、この部分にある細線化処理されたエッジをマッチング対象とする（図１３（ｄ）参照）。
この処理で決定されたランドマークを実際に表示している本システムの画面を図１４に示す。図１４では、右側上にＬＧの画像および決定されたランドマークを、右側下にＤＲＲの画像およびランドマークを示しており、中央部に、ＬＧとＤＲＲとそれぞれのランドマークを重ね合わせて示している。

この照合対象のＬＧとＤＲＲのランドマークに対して、テンプレート（照合対象範囲）を定め（Ｓ１２８）、テンプレート・マッチングによる照合を行う（Ｓ１３０）。テンプレートの定め方や照合については、図１５，図１６を用いて説明する。
図１５（ａ）のように、ＬＧのランドマークが有る場合、その最も右側、最も左側、最も上側、最も下側の座標を見つけて（図１５（ｂ）参照）、それらで構成される４点の座標で囲まれる範囲をテンプレートＴとする（図１６（ａ）参照）。このテンプレートに対する探索領域Ｓとして、ＤＲＲ上にテンプレートと同じＲＯＩ（Region of Interest)サイズとその周囲の適当なマージン（ｄｘ，ｄｙ）を定める（図１６（ｂ）参照）。そして、最も一致する場所を、以下の式に示すように、テンプレートを移動して探す（図１６（ｃ））。
ここで、Ｒは残差，Ｔ（ｘ、ｙ）：テンプレート，Ｓ（ｘ、ｙ）：探索領域，Ｎはテンプレートの横サイズ，Ｍはテンプレートの縦サイズを示し、０＜ｘ＜Ｍ，０＜ｙ＜Ｎ，０＜ｄｘ＜５０，０＜ｄｙ＜５０である。Ｒが最小値となったときが、最も一致したところであり、その時のｄｘ，ｄｙがずれの値である。
ｘ方向，ｙ方向のテンプレートのシフト量（照射位置のずれ）を、例えばｍｍ単位で表示を行なう（Ｓ１３２）。シフト量の算出後、図１７に示すように、検出シフト量だけシフトさせたＬＧをＤＲＲに重ね合わせた結果画像が表示される。その横のウィンドウにシフト量が数値として表示される。
これで、ＤＲＲとＬＧの差異（照射位置のずれ）が認識でき、治療装置内の患者に対して、どの程度の移動を指示すればよいのか分かる。

なお、このシステムでは、オペレーターは図１４に示されるような上述の一連の処理で自動決定されたＤＲＲとＬＧのランドマークの中から、マウスクリックにより任意のランドマークを選択し、選択されたそれぞれのランドマークを用いて自動照合することができる。ランドマークのマニュアルによる選択は、図１のフローチャートにおけるランドマークの決定（Ｓ１２６）の後に行うとよい。この選択は、図１４において中央部にＤＲＲ又はＬＧをランドマークと共に表示して、マウスで所望のランドマークをクリックすることで行う。探索範囲の決定（Ｓ１２８）や照合（Ｓ１３０）の処理は、マニュアルで選択したエッジに対して行う。探索範囲はマニュアルで指定したエッジの範囲となり、マニュアルで選択したエッジに対してのみ照合を行うので、無駄な探索を行わず、正確な照合を早く行うことが可能となる。

さて、上述では、ＤＲＲへの処理とＬＧへの処理を平行して説明した。しかしながら、処理時間を短縮するためには、ＤＲＲを先に取得して、ＤＲＲに対する処理（前処理や細線化処理、マスク作成、ＦＯＶのエッジ除去のためのＲＯＩ作成等）を予め行なっておき、ＬＧを撮影後、ＬＧに対する処理をＤＲＲの処理結果を用いて行うことが望ましい。

照射位置照合システムの処理を示すフローチャートを示す図である。 サイズ調整後のＤＲＲ（ａ）とＬＧ（ｂ）の画像を示す図である。 エッジ強調後のＤＲＲ（ａ）とＬＧ（ｂ）の画像を示す図である。 ＤＲＲの照射野とアイソセンタ（ａ）とＬＧのプロファイル解析領域（中心付近の網掛け部）（ｂ）を示す図である。 ＬＧに対するアイソセンタの中心の認識処理を説明するための図である。 ＤＲＲとＬＧを重ね合わせて表示した画像で、アイソセンタのずれの自動補正前（ａ）と自動補正後（ｂ）を示す図である。 ＬＧに対するＦＯＶエッジ除去処理を説明するための図である。 ＤＲＲ（ａ）とＬＧ（ｂ）に対するヒストグラム解析を説明するための図である。 ２値化処理後のＤＲＲ（ａ）とＬＧ（ｂ）の画像を示す図である。 雑音除去後のＬＧ画像の図である。 ラベル判定後のＤＲＲ（ａ）とＬＧ（ｂ）の画像を示す図である。 細線処理後のＤＲＲ（ａ）とＬＧ（ｂ）の画像を示す図である。 ランドマーク判定処理を説明するための図である。 本システムの画面上に表示されるランドマークの画像を示す図である。 検索範囲の決定処理を説明するための図である。 照合の処理を説明するための図である。 照合結果を表示する画面を示す図である。

Claims (7)

1. 放射線治療計画画像（ＤＲＲ）と、治療前に撮影する照射野確認画像（ＬＧ）とを用いて、照射部位の位置を合わせるための照射位置照合システムであって、
   前記ＤＲＲ及び照射野（ＦＯＶ）形成のための形状データ、前記ＬＧの画像を取得する画像取得手段と、
   取得した前記ＤＲＲ及びＬＧの画像のサイズと位置を合わせる前処理手段と、
   前記ＤＲＲとＬＧの画像のエッジを強調するエッジ強調手段と、
   取得した前記形状データを用いて、ＬＧ内のＦＯＶエッジを除去するＦＯＶエッジ除去手段と、
   ＤＲＲとＬＧの画像を２値化する２値化手段と、
   ２値化したＤＲＲとＬＧの画像のエッジを細線化する細線化処理手段と、
   前記ＤＲＲとＬＧのずれを検出する照合手段と、
   照合した結果を表示する表示手段と
   を備えることを特徴とする照射位置照合システム。
2. 請求項１記載の照射位置照合システムにおいて、
   さらに、前記ＤＲＲの細線化処理後の画像で、エッジを膨張させてマスクを作成して、該マスクによりＬＧの不要なエッジを除去するランドマーク判定手段を備え、
   前記照合手段は、前記ランドマーク判定手段で不要なエッジを除去したＬＧとＤＲＲにより、照合することを特徴とする照射位置照合システム。
3. 請求項１又は２に記載の照射位置照合システムにおいて、さらに、
   前記２値化したＬＧの画像から、雑音除去する雑音除去手段と、
   前記ＤＲＲの画像と雑音除去した後の前記ＬＧの画像から、小さいエッジを除去する手段とを備えることを特徴とする照射位置照合システム。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の照射位置照合システムにおいて、
   前記照合手段は、ＬＧの照合を行う範囲（テンプレート）を定め、ＤＲＲに定めた探索範囲で、照合する位置を求めることを特徴とする照射位置照合システム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の照射位置照合システムにおいて、
   さらに、照合に使用するエッジをマニュアルで選択するマニュアル選択手段を備え、前記照合手段は、ＬＧの選択されたエッジとＤＲＲの選択されたエッジとを照合することを特徴とする照射位置照合システム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の照射位置照合システムとして、コンピュータ・システムを機能させるためのコンピュータ・プログラム。
7. 請求項６に記載の照射位置照合システムとして、コンピュータ・システムを機能させるためのコンピュータ・プログラムを格納した記録媒体。