JP7048038B2 - Robot moving body phantom system - Google Patents
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Description
本発明は、ロボット動体ファントムシステムに関し、より詳細には、ロボットマニピュレータ、動体追跡装置およびファントムを備え、放射線治療の治療計画を検証するロボット動体ファントムシステムに関する。 The present invention relates to a robotic moving body phantom system, and more particularly to a robotic moving body phantom system including a robot manipulator, a moving body tracking device and a phantom, and verifying a treatment plan for radiotherapy.
超高齢化社会の到来により、悪性新生物(がん)を治療する場合は、低侵襲な治療が選択されるようになり、放射線治療のニーズが非常に高まっている。放射線治療は、コンピュータなどの技術の進歩により目覚ましい発展を遂げ、がん治療の3本柱の一つに位置づけられている。この放射線治療は、腫瘍の完全根治にのみ使用されるのではなく、腫瘍による痛みを軽減する緩和目的においても使用される。 With the advent of a super-aging society, when treating malignant neoplasms (cancer), minimally invasive treatment has come to be selected, and the need for radiation therapy is extremely increasing. Radiation therapy has made remarkable progress due to advances in computer and other technologies, and is positioned as one of the three pillars of cancer treatment. This radiation therapy is used not only for the complete cure of the tumor, but also for the purpose of alleviating the pain caused by the tumor.
現在の放射線治療は、CT(Computed Tomography) 画像を用い、人体の解剖学的構造と腫瘍位置を3次元的に把握して治療を行う3次元放射線治療が主流である。しかし、胸部や腹部など呼吸性移動を伴う腫瘍に対する放射線治療は、腫瘍が呼吸運動によって動く領域全てを含めて治療を行う必要がある。そのため、放射線治療には、腫瘍への放射線集中性は高まるものの、周囲の正常組織にも余分な放射線投与が行われ、放射線による副作用が増加するという問題がある。 Currently, the mainstream of radiotherapy is three-dimensional radiotherapy, which uses CT (Computed Tomography) images to grasp the anatomical structure of the human body and the position of the tumor in three dimensions. However, radiation therapy for tumors with respiratory movement such as the chest and abdomen needs to be treated including the entire area where the tumor moves due to respiratory movement. Therefore, although radiation therapy increases the concentration of radiation on the tumor, there is a problem that extra radiation is administered to the surrounding normal tissues and side effects due to radiation increase.
さらに、コンピュータの助けを借りて、多葉絞りで形成された複数のビームを組み合わせることで放射線に強弱をつけ、正常組織へ線量低減させながら、腫瘍に集中的に照射できる放射線治療技術として強度変調放射線治療が知られている。強度変調放射線治療は、呼吸性移動を伴う部位へその治療を施行すると、予定とは全く異なった放射線量を投与することになり、腫瘍の制御率の低下や正常組織に対する副作用が増加する問題がある。 Furthermore, with the help of a computer, the intensity of radiation can be adjusted by combining multiple beams formed by a multi-leaf diaphragm to reduce the dose to normal tissues, and the intensity of the radiation can be modulated as a radiation therapy technology that can intensively irradiate the tumor. Radiation therapy is known. Intensity-modulated radiotherapy, when the treatment is applied to a site with respiratory movement, will administer a completely different radiation dose than planned, which causes problems such as a decrease in tumor control rate and an increase in side effects on normal tissues. be.
これらの問題を解決するため、近年、放射線治療は、3次元空間に時間要素を加えた4次元化に向けた研究開発が進んでおり、臨床への展開が期待されている。臨床現場では、4次元放射線治療の一つである動体追跡装置(SyncTraXTM,島津製作所)を用いた動体追跡放射線治療を行っている。In order to solve these problems, in recent years, radiation therapy has been researched and developed toward four-dimensionalization by adding a time element to a three-dimensional space, and is expected to be applied to clinical practice. In clinical practice, moving body tracking radiation therapy using a moving body tracking device ( SyncTraXTM , Shimadzu Corporation), which is one of the four-dimensional radiotherapy, is performed.
このような動体追跡装置の一例として、特許文献1には、2方向のX線透視画像をパターン認識画像処理することで、気管支鏡下またはCTもしくは超音波ガイド下で腫瘍付近に留置された金属マーカの3次元位置座標をリアルタイムに算出し、呼吸性移動によって動く金属マーカ(腫瘍)を追跡することが可能な動体追跡装置が開示されている。動体追跡装置のX線透視位置は、3方向から選択することができ、医療用直線加速器の照射角度(ガントリ、カウチ角度に依存せず)に制約を受けることなく、金属マーカの追跡をすることが可能である。動体追跡放射線治療は、動体追跡装置を用いてリアルタイムに算出される金属マーカの3次元位置が、ある位置に来たときのみ放射線が照射される治療であり、動体追跡装置および医療用直線加速器を組み合わせることで治療実施可能となる。 As an example of such a moving body tracking device,
動体追跡放射線治療では、医師の診察後、患者専用の固定具を作成し、治療計画用CT撮影を行う。そのCT画像の解剖学的情報を基に、放射線を照射する方向や照射量をコンピュータ上でシミュレーションする治療計画を行う。治療計画が完了すると、動体追跡装置を使用して、患者に留置された金属マーカの視認性を確認し、治療で使用するX線透視位置を決定する。この時、呼吸によって動いた金属マーカの3次元座標をログとして記録する。その後、シミュレーション上の治療計画の妥当性を評価するため、治療計画の品質保証を行う。 In moving body follow-up radiotherapy, after seeing a doctor, a fixture dedicated to the patient is created and CT imaging for treatment planning is performed. Based on the anatomical information of the CT image, a treatment plan is performed by simulating the irradiation direction and irradiation amount on a computer. Once the treatment plan is complete, a motion tracking device is used to confirm the visibility of the metal markers placed in the patient and determine the fluoroscopy position to use in the treatment. At this time, the three-dimensional coordinates of the metal marker moved by breathing are recorded as a log. After that, in order to evaluate the validity of the treatment plan in simulation, the quality of the treatment plan is guaranteed.
治療計画に基づく放射線治療の一例として、特許文献2には、人体と同等の放射線吸収率を有し、水等価組織として模擬したファントムに対して施行し、ファントム内に挿入された線量計で測定された放射線量と治療計画時の計算値に相違がないことを検証する品質保証の手順が開示されている。この品質保証により、放射線治療の精度が担保されると、患者に対して治療が開始される。 As an example of radiation therapy based on a treatment plan,
しかしながら、現在の動体追跡放射線治療の品質保証は、特許文献1に開示されているような動体追跡装置を利用して取得した金属マーカの3次元座標のある1軸の座標データを基に、特許文献2に開示されているようなファントムを1軸駆動させて行っている。そのため、人体の呼吸により3次元的に動く腫瘍の動きを再現するファントムを用いた装置等が存在せず、高精度に動体追跡放射線治療の品質保証ができていないのが現状である。 However, the quality assurance of the current moving body tracking radiotherapy is based on the coordinate data of one axis having the three-dimensional coordinates of the metal marker acquired by using the moving body tracking device as disclosed in
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、実際の腫瘍運動を再現するため3次元の並進運動が可能な自由度を持ち、放射線治療の品質保証に活用できる追従精度を有する動体ファントムシステムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to have a degree of freedom in which three-dimensional translational movement is possible in order to reproduce an actual tumor movement, and is utilized for quality assurance of radiotherapy. It is an object of the present invention to provide a moving body phantom system having a follow-up accuracy that can be achieved.
上記課題を解決するために本発明に係るロボット動体ファントムシステムは、3次元の並進運動自由度を有するロボットマニピュレータと、ロボットマニピュレータを制御するロボット制御装置と、ロボットマニピュレータの先端に固定され、人体と同等の放射線吸収率を有するファントムと、腫瘍付近に留置された患者のマーカ位置の変化を実時間で測定する動体追跡装置と、を備え、ロボット制御装置は、患者のマーカ位置の3次元運動軌跡からロボットマニピュレータの目標軌道を生成する目標軌道生成部を有し、ファントム内のマーカ位置が目標軌道に追従するようにロボットマニピュレータを制御することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the robot moving body phantom system according to the present invention has a robot manipulator having three-dimensional translational motion degrees of freedom, a robot control device for controlling the robot manipulator, and a human body fixed to the tip of the robot manipulator. It is equipped with a phantom having the same radiation absorption rate and a moving body tracking device that measures changes in the marker position of a patient placed near the tumor in real time, and the robot control device has a three-dimensional motion trajectory of the marker position of the patient. It has a target trajectory generation unit that generates a target trajectory of the robot manipulator, and is characterized by controlling the robot manipulator so that the marker position in the phantom follows the target trajectory.
本発明に係るロボット動体ファントムシステムによれば、放射線治療の品質保証の精度を高めることができる。なお、ここに記載された効果は、必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれかの効果であってもよい。 According to the robot moving body phantom system according to the present invention, the accuracy of quality assurance of radiotherapy can be improved. The effects described here are not necessarily limited, and may be any of the effects described in the present technology.
<1.第1実施形態>
まず、本発明の第1実施形態に係るロボット動体ファントムシステムの構成について、図1~図6を用いて説明する。なお、本発明の実施形態は、以下に示す実施形態に限られず、いずれかの実施形態を組み合わせることもできる。また、以下に示す実施形態では、動体ファントムとして「水等価ファントム」を用いているが、これに限らず「水等価」以外のファントムを用いてもよい。<1. First Embodiment>
First, the configuration of the robot moving body phantom system according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6. The embodiment of the present invention is not limited to the embodiment shown below, and any of the embodiments can be combined. Further, in the embodiment shown below, the "water equivalent phantom" is used as the moving body phantom, but the present invention is not limited to this, and a phantom other than the "water equivalent" may be used.
<2-1.動体ファントムシステムの概要>
放射線治療において、呼吸や心拍などの影響を受けて移動する腫瘍(マーカ)の動きを再現するデバイスは、動体追跡放射線治療や動体追尾照射などの移動腫瘍に対する放射線治療の品質保証を行う上で重要である。このようなデバイスとして、動体ファントムシステムが知られている。ここで動体ファントムシステムとは、患者の体内における腫瘍位置の変化を実時間で模擬するファントム駆動装置と、生体組織(人体)と同等の放射線吸収率を有する水等価ファントムおよび線量計や放射線感応フィルムの組み合わせで構成される、放射線治療用の品質保証システムである。<2-1. Overview of moving phantom system>
In radiation therapy, devices that reproduce the movement of tumors (markers) that move under the influence of breathing and heartbeat are important for quality assurance of radiation therapy for moving tumors such as moving body tracking radiation therapy and moving body tracking irradiation. Is. As such a device, a moving object phantom system is known. Here, the moving phantom system is a phantom drive device that simulates changes in the tumor position in the patient's body in real time, a water-equivalent phantom having a radiation absorption rate equivalent to that of living tissue (human body), a dosimeter, and a radiation-sensitive film. It is a quality assurance system for radiotherapy, which consists of a combination of.
ファントム駆動装置上に設置された水等価ファントムには、動体追跡装置で位置測定対象となるマーカが埋め込まれるとともに線量計もしくは放射線感応フィルムなどが必要に応じて設置される。ファントム駆動装置は、あらかじめ記録された患者の安静時における腫瘍移動軌跡を目標値として水等価ファントムを動かす。この動作を治療時と同様にモニタリングしながら治療計画に沿った放射線照射を行うとともに、線量を線量計によって計測し、治療計画で定められた照射線量を投与できているかを確認する。 In the water equivalent phantom installed on the phantom drive device, a marker to be positioned by the moving object tracking device is embedded, and a dosimeter or a radiation sensitive film is installed as needed. The phantom drive device moves the water-equivalent phantom with a pre-recorded tumor movement trajectory at rest as a target value. While monitoring this operation in the same way as during treatment, irradiation is performed according to the treatment plan, and the dose is measured with a dosimeter to confirm whether the irradiation dose specified in the treatment plan can be administered.
現在、上記動体ファントムシステムは、1自由度の直線往復運動が可能なもので、かつ過渡的に数mm程度の大きな追従誤差が発生することが知られている。体内での腫瘍の動きは3次元空間での運動であり、それを再現できること、また高精度放射線治療のため全時間の3次元追従誤差が1mm 程度に抑えられる動体ファントムシステムが望まれている。 At present, it is known that the moving object phantom system is capable of linear reciprocating motion with one degree of freedom and transiently causes a large tracking error of about several mm. The movement of the tumor in the body is a movement in a three-dimensional space, and it is desired to have a moving body phantom system that can reproduce it and that the three-dimensional tracking error of the entire time can be suppressed to about 1 mm for high-precision radiotherapy.
ロボットマニピュレータおよびそれに類する位置決め装置を利用した動体ファントムシステムの構成に関して、ステッピングモータと6軸のロボットマニピュレータを利用し、胸郭の呼吸による変形を模擬しつつ、かつ胸郭内での腫瘍の動きを模擬する放射線治療のための動体ファントムシステムを構築したものが知られている。しかし、この動体ファントムシステムは、ロボットマニピュレータの先端に固定されるのが粒子線の検出器であることに加え、腫瘍軌跡への追従精度評価のために用いられている3次元目標軌道が正弦波のみで、追従精度向上が比較的容易であると考えられる目標値に対する誤差評価しかなされていない。動体ファントムシステムにロボットマニピュレータを利用する場合の問題設定の特殊性と困難は、目標軌道が大マーカに周期的ではあるものの振幅や位相、場合によっては波形形状そのものも変動するという状況にあるが、この動体ファントムシステムではその点には触れられていない。 Regarding the configuration of a moving body phantom system using a robot manipulator and a similar positioning device, a stepping motor and a 6-axis robot manipulator are used to simulate the respiratory deformation of the thorax and the movement of the tumor in the thorax. It is known that a moving body phantom system for radiation therapy has been constructed. However, in this moving object phantom system, in addition to the particle beam detector fixed to the tip of the robot manipulator, the three-dimensional target trajectory used to evaluate the tracking accuracy of the tumor trajectory is a sine wave. Only the error evaluation for the target value, which is considered to be relatively easy to improve the tracking accuracy, is performed. The peculiarity and difficulty of setting a problem when using a robot manipulator for a moving object phantom system is that although the target trajectory is periodic to the large marker, the amplitude and phase, and in some cases the waveform shape itself, also fluctuates. This moving object phantom system does not touch on that point.
一方、直動型アクチュエータを組み合わせて構成したXYZテーブルによるファントム駆動装置が開発されている。このファントム駆動装置によると、その腫瘍軌道追従性能を3次元誤差信号のμ+2σ値で評価した結果が、肺がん、肝臓がんおよび膵臓がんの計20症例について0.8mm以内であったことが報告されている。上記ファントム駆動装置の性能評価は、事前に測定されたがん患者の腫瘍運動軌跡に対する追従精度を指標として行われている。後述するように、腫瘍の運動は症例間の差が大きいが、本発明者らも上記値を一つの目安として性能評価を行うこととした。 On the other hand, a phantom drive device using an XYZ table configured by combining a linear acting actuator has been developed. According to this phantom drive device, it was reported that the result of evaluating the tumor trajectory tracking performance by the μ + 2σ value of the three-dimensional error signal was within 0.8 mm for a total of 20 cases of lung cancer, liver cancer and pancreatic cancer. Has been done. The performance evaluation of the phantom drive device is performed using the accuracy of following the tumor motion trajectory of the cancer patient measured in advance as an index. As will be described later, there is a large difference in tumor movement between cases, but the present inventors also decided to evaluate the performance using the above values as a guide.
そこで、本発明者らは、産業用の小型6軸ロボットマニピュレータシステム(MZ07-01,株式会社不二越)を用いたロボット動体ファントムシステムの構築を行った。表1に、一例として、選択したロボットマニピュレータの仕様の概要を示す。 Therefore, the present inventors have constructed a robot moving body phantom system using an industrial small 6-axis robot manipulator system (MZ07-01, Nachi-Fujikoshi Co., Ltd.). Table 1 outlines the specifications of the selected robot manipulator as an example.
ロボット動体ファントムとして要求される運動自由度は、3次元の並進運動自由度(並進3自由度)のみであるが、ロボットマニピュレータの先端に固定する水等価ファントムと固定用の治具が合計6.7kgの質量を有するため、ロボットマニピュレータに保証されている先端の可搬質量を考慮して機種選定を行った。ロボットマニピュレータに要求される運動が並進運動のみである場合、回転関節型のロボットマニピュレータは、直動アクチュエータに基づく位置決め装置に対して機構的、制御的に不利であることは否めない。ところが、本明細書では、ロボットマニピュレータに与える目標軌道の補正方法を提案し、姿勢によりアクチュエータに掛かる負荷が大きく変化する回転関節型のロボットマニピュレータを用いても、患者の腫瘍軌道に対する追従性能が臨床現場の要求精度を満たすことができるロボット動体ファントムシステムを提案している。 The motion degrees of freedom required for a robot moving body phantom are only three-dimensional translational motion degrees of freedom (translational three degrees of freedom), but a total of water equivalent phantoms and jigs for fixing to the tip of the robot manipulator are required. Since it has a mass of 7 kg, the model was selected in consideration of the payload of the tip guaranteed by the robot manipulator. When the only motion required for the robot manipulator is translational motion, it is undeniable that the rotary joint type robot manipulator is mechanically and controlally disadvantageous to the positioning device based on the linear actuator. However, this specification proposes a method for correcting the target trajectory given to the robot manipulator, and even if a rotary joint type robot manipulator whose load applied to the actuator changes greatly depending on the posture is used, the follow-up performance to the patient's tumor trajectory is clinical. We are proposing a robot moving body phantom system that can meet the required accuracy in the field.
<2-2.ロボット動体ファントムシステムの構成例>
ロボットマニピュレータを通常の生産現場において利用する場合、その動作は、point to pointの位置制御であれ連続軌跡への追従であれ、付属の教示装置や専用ソフトウェアなどを利用してプログラムすることが可能で、同じ場所で同一作業のために利用される限りにおいては、一度プログラムされた軌道と動作を変更する必要はない。しかし、ロボットマニピュレータを動体ファントムのファントム駆動装置として利用する場合には、ファントムが追従すべき腫瘍軌跡は患者ごとに異なり、かつ動作中の全時間で高精度な追従が求められる。<2-2. Configuration example of robot moving phantom system>
When using a robot manipulator in a normal production site, its operation can be programmed using the attached teaching device or dedicated software, whether it is point-to-point position control or following a continuous trajectory. As long as it is used for the same work in the same place, it is not necessary to change the trajectory and operation once programmed. However, when the robot manipulator is used as a phantom drive device for a moving phantom, the tumor trajectory that the phantom should follow differs from patient to patient, and high-precision tracking is required for the entire time during operation.
図1は、本発明の第1実施形態に係るロボット動体ファントムシステムの座標系を示す模式図である。図1(A)は、品質保証における腫瘍位置の測定と治療時に用いられる医療用直線加速器10の座標系の取り方を示し、図1(B)は、ロボットマニピュレータの作業計画に使われる作業座標系の設定を示す。図1(A)において、医療用直線加速器10および寝台11で放射線治療・計測システムを形成し、治療装置座標系の原点ic(iso-center)が設けられている。図1(B)において、ロボットマニピュレータ12は、先端に水等価ファントム13を取り付け、後端が作業座標系の原点Oに設置されている。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a coordinate system of a robot moving body phantom system according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1 (A) shows how to take the coordinate system of the medical
ロボット動体ファントムシステムを図1(A)の放射線治療・計測システムと組み合わせて用いる場合、ロボットマニピュレータ12は、図1(A)の手前に見えている寝台11上に、ロボットマニピュレータ12のX軸方向が、治療装置である医療用直線加速器10のy軸方向と一致するように固定される。このため、治療装置座標系で計測された腫瘍軌跡の座標データをロボット動体ファントムシステムに渡す際には座標変換が必要である。本明細書で示す3次元の軌跡データとロボットマニピュレータ12との動作結果は、全て図1(B)のロボットマニピュレータ12の作業座標系で表現されたものであるが、その原点Oが治療装置座標系の原点icと重なるように平行移動してplotを作成している。 When the robot moving body phantom system is used in combination with the radiotherapy / measurement system of FIG. 1 (A), the
図2~図5は、本発明の第1実施形態に係る動体追跡装置により測定された、4名の肺がん患者A~DのX軸、Y軸およびZ軸方向の肺腫瘍軌跡を示すグラフである。図2~図5に表された波形は、本実施形態のロボット動体ファントムシステムの精度検証で目標軌道として取り上げた患者A~Dの肺腫瘍軌跡を示している。肺腫瘍の場合、呼吸性移動と呼ばれる周期4s程度のゆっくりした振動に、隣接する心臓の拍動に起因する高い周波数成分の振動が重畳したような挙動を示すが、その振幅や重なりの度合いには非常に大きな個人差があることがわかる。また、生体のリズム運動の揺らぎを反映し、厳密な意味での周期信号にはまずなり得ないという事実も重要である。 2 to 5 are graphs showing lung tumor trajectories in the X-axis, Y-axis, and Z-axis directions of four lung cancer patients A to D measured by the moving body tracking device according to the first embodiment of the present invention. be. The waveforms shown in FIGS. 2 to 5 show the lung tumor trajectories of patients A to D taken up as target trajectories in the accuracy verification of the robot moving phantom system of the present embodiment. In the case of lung tumor, the behavior is such that the vibration of a high frequency component caused by the beat of the adjacent heart is superimposed on the slow vibration with a period of about 4 s called respiratory movement, but the amplitude and the degree of overlap are different. It turns out that there are very large individual differences. It is also important that it reflects the fluctuations of the rhythmic movements of the living body and is unlikely to be a periodic signal in the strict sense.
<2-3.ロボット制御システムの構成例>
図6は、本発明の第1実施形態に係るロボット動体ファントムシステムの構成を示す模式図である。ロボット動体ファントムシステム60は、ロボットマニピュレータ61、ロボット制御装置62、ティーチングペンダント63、および外部コントローラ64を備えている。さらに、ロボットマニピュレータ61のアーム先端には、水等価ファントム65が取り付けられている。<2-3. Robot control system configuration example>
FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a robot moving body phantom system according to the first embodiment of the present invention. The robot moving
ロボット制御装置62は、動体追跡装置を用いて事前に測定された患者腫瘍の3次元運動軌跡をロボットマニピュレータ61のための目標軌道に変換して出力する目標軌道生成部66を有している。外部コントローラ64は、動体追跡装置の腫瘍位置追跡の時間間隔とロボット制御装置62によるロボットマニピュレータ61の目標軌道との追従動作の制御周期を一致させるために、患者のマーカ位置の情報を保持するか、または動体追跡装置による時間間隔の計測結果を補間し患者のマーカ位置の情報を保持してアップサンプリングする「サンプリング周期変換」機能を有する。このように、ロボット動体ファントムシステム60は、ロボットマニピュレータ61の先端に固定された水等価ファントム65内のマーカ位置をロボット目標軌道生成部66により生成された目標軌道に高精度に追従動作させるよう構成されている。 The
本実施形態では、選択したロボットマニピュレータ61のロボット制御装置62が備える外部コントローラ64の追従モードを利用して、臨床現場の要求精度を満たすロボット動体ファントムシステム60を構築している。なお、「サンプリング周期変換」機能は、外部コントローラ64が有する場合に限らず、ロボット制御装置62等の他の構成が有していてもよい。 In the present embodiment, the robot moving
ロボット制御装置62は、ロボットマニピュレータ61の各軸を駆動するモータのドライバとエンコーダ信号の処理回路を含む。ロボット制御装置62は、各軸レベルの2自由度制御器によりサーボ補償制御を行う下位システムと、作業者によるティーチングペンダント63を用いた操作への応答と、教示再生の機能を実現する上位システムと、の階層構造を取っている。下位システムと上位システムは、通信手段で制御および動作に必要なデータ(情報信号)を常時、送受信しながら動作している。 The
外部コントローラ64の追従モードでは、ロボット制御装置62の上位システムが外部コントローラ64と一定周期5msでTCP(Transmission Control Protocol)のデータ通信を行う。外部コントローラ64は、ロボット制御装置62に対してエンドエフェクタの目標軌道を実時間で指令することができる。 In the follow-up mode of the
一方、ロボット制御装置62は、外部コントローラ64より与えられた目標軌道情報に基づき制御を行い、その結果である現在の先端位置・姿勢などの情報を外部コントローラ64へフィードバックするように構成されている。以下の表2は、これらのロボット制御装置62と外部コントローラ64との間でやり取りされる情報を示している。 On the other hand, the
選択したロボットマニピュレータ61は、表1に示したように、ロボット制御装置62での制御により位置繰り返し精度(JIS B 8342 準拠)で±0.02mmを達成している。しかし、ロボット動体ファントムシステム60として用いる場合に求められる追従性能は、固定点への反復位置決めではなく、時間の関数として陽に記述できない目標軌道への実時間での高精度追従である。 As shown in Table 1, the selected
本実施形態のロボット動体ファントムシステム60を品質保証の道具として臨床の現場で用いる場合、軌道追従精度の向上のためシステムの使用者にロボットマニピュレータ61の制御動作の調整をゆだねることは難しいと考えられる。加えて目標軌道は規則性に乏しく、患者ごとに大きく異なる腫瘍軌道である。 When the robot moving
そこで本実施形態では、動体追跡装置で計測された患者の腫瘍位置軌跡を出発点として、ロボットマニピュレータ61に与える先端位置目標軌道をオンライン補正する方法を提案し、患者の腫瘍軌跡ごとのパラメータ再調整が不要なロボット動体ファントムシステム60の構築を図ることとした。 Therefore, in the present embodiment, a method of online correction of the tip position target trajectory given to the
<3. 目標軌道の補正による追従誤差低減>
次に、目標軌道の補正による追従誤差低減について、図7~図10を用いて説明する。<3. Reduction of tracking error by correcting the target trajectory>
Next, the reduction of the tracking error by correcting the target trajectory will be described with reference to FIGS. 7 to 10.
<3-1.腫瘍移動軌跡の測定>
ここでは、ロボット動体ファントムシステム60にとっての目標軌道となる、患者の腫瘍軌跡データの取得について説明する。本発明者らは、上述のとおりマーカの動体追跡装置を利用し、臨床現場のプロセスの中でこの測定を行っている。<3-1. Measurement of tumor migration trajectory>
Here, the acquisition of the patient's tumor trajectory data, which is the target trajectory for the robot moving
図7は、本発明の第1実施形態に係る医療用直線加速器81とともに設置された動体追跡装置80を示す模式図である。図7(A)に示すように、本実施形態の動体追跡装置80は、2つのX線源82、83に対応するカラー受像装置84、85を備えている。医療用直線加速器81と対向する位置には、治療対象の患者を載せる寝台86が設置されている。2枚のステレオ画像内に捕らえられたマーカは、テンプレートマッチングの技法を用いて画像内の座標値が特定され、治療装置座標系におけるマーカの座標値が出力される。 FIG. 7 is a schematic view showing a moving
また、図7(B) に示すように、X線源82、83とカラー受像装置84、85には3とおりの異なる空間的な組み合わせが可能となっており、腫瘍部位と、治療のために移動させる寝台86とガントリに干渉しない組み合わせを選択して利用するようになっている。 Further, as shown in FIG. 7B, three different spatial combinations are possible between the
パターン1は、図7(A)に示すように、X線源82、83と対応するカラー受像装置84、85が医療用直線加速器81を挟んで交差する位置に配置されている。パターン2は、図7(B)の紙面に向かって左側に2つのX線源82b、83が配置され、図7(B)の紙面に向かって右側に対応する2つのカラー受像装置84b、85が各X線の交差する位置に配置されている。パターン3は、図7(B)の紙面に向かって右側に2つのX線源82、83bが配置され、図7(B)の紙面に向かって左側に対応する2つのカラー受像装置84、85bが各X線の交差する位置に配置されている。 As shown in FIG. 7A, the
しかし、いずれの場合でもテンプレートマッチングによるステレオ座標計測を行うという原理に変わりはない。動体追跡装置80では、マーカ位置の定位誤差が0.8mm 以内であることを保証している。 However, in any case, there is no change in the principle of performing stereo coordinate measurement by template matching. The moving
<3-2.腫瘍移動軌跡の生成>
本実施形態の動体追跡装置80は、移動性腫瘍の位置を追跡するため、腫瘍付近に留置されたマーカ位置の追跡結果を33ms前後の周期で計測出力する能力を有する。一方、ロボット動体ファントムシステム60の構成では、外部コントローラ64は5ms間隔で目標値をロボット制御装置62にフィードするように構成されている。そのため、ロボットマニピュレータ61の駆動には、動体追跡装置80の計測結果ログファイルの時系列から、より短い時間間隔のロボットマニピュレータ用目標値時系列を生成する必要がある。この目標軌道生成において、動体追跡装置80の測定結果のサンプル点間における目標値を定める方法として、図8を用いて以下に4とおりの方法を示す。<3-2. Generation of tumor migration trajectory>
The moving
図8は、本発明の第1実施形態に係る動体追跡装置の測定結果のサンプル点間における目標値を定める方法を説明する図である。図8[S]は、本実施形態のいずれの目標値を定める方法にも共通する工程で、a)例えば、SyncTraXTMで計測された患者のマーカ位置情報と対応する時間情報を読み出す、工程である。なお、本実施形態に係る動体追跡装置の測定は、SyncTraXTMで計測する場合に限られない。FIG. 8 is a diagram illustrating a method of determining a target value between sample points of the measurement result of the moving body tracking device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 [S] is a step common to any of the methods of determining the target value of the present embodiment. be. The measurement of the moving object tracking device according to the present embodiment is not limited to the case of measuring with the SyncTraXTM .
図8[1] の方法は、最も基本的な方法で、目標座標値が更新されるまで現在の値を維持する方法である。図8[1]では、図8[S]a)の工程後に、b)最新のマーカ位置情報を次のサンプリング時刻まで保持し、c)前工程で保持したマーカ位置情報の軌跡をサンプリング周期5msでアップサンプリングする。 The method of FIG. 8 [1] is the most basic method and is a method of maintaining the current value until the target coordinate value is updated. In FIG. 8 [1], after the step of FIG. 8 [S] a), b) the latest marker position information is held until the next sampling time, and c) the locus of the marker position information held in the previous step is sampled at a sampling period of 5 ms. Upsample with.
図8[2]の方法は、次のサンプリング時刻のマーカ位置を先読みする方法である。図8[2]では、図8[S]a)の工程後に、b)次のサンプリング時刻のマーカ位置を先読みして保持し、c)前工程で保持したマーカ位置の軌跡をサンプリング周期5msでアップサンプリングする。図8[2]の方法は、1時間区間内で一定値を保つことは図8[1]の方法と同一であるが、動体追跡装置80ログの1サンプル先の値を先取りして目標値と設定することで、ロボット制御装置62の過渡応答動作が誤差に与える影響を小さくすることを狙ったものである。 The method of FIG. 8 [2] is a method of pre-reading the marker position at the next sampling time. In FIG. 8 [2], after the step of FIG. 8 [S] a), b) the marker position at the next sampling time is pre-read and held, and c) the locus of the marker position held in the previous step is held at a sampling period of 5 ms. Upsample. The method of FIG. 8 [2] is the same as the method of FIG. 8 [1] in that the constant value is maintained within one hour interval, but the target value is obtained in advance of the value one sample ahead of the moving
図8[3]の方法は、単純に、隣り合う2つの座標間を線分で補間する直線補間の方法である。図8[3]では、図8[S]a)の工程後に、b)座標データを線分で補間し、c)前工程で補間した座標データの軌跡をサンプリング周期5msでアップサンプリングする。 The method of FIG. 8 [3] is simply a linear interpolation method of interpolating between two adjacent coordinates with a line segment. In FIG. 8 [3], after the step of FIG. 8 [S] a), b) the coordinate data is interpolated by a line segment, and c) the locus of the coordinate data interpolated in the previous step is upsampled with a sampling period of 5 ms.
図8[4]の方法は、座標データを3次スプライン関数で補間する方法である。図8[4]では、図8[S]a)の工程後に、b)座標データを3次スプライン関数で補間し、c)前工程で補間した座標データの軌跡をサンプリング周期5msでアップサンプリングする。図8[4]の方法は、腫瘍などの生体組織の運動を示す速度および加速度は連続であるとの考え方に基づいて、時間の接続点における速度と加速度の連続性を保証する補間方法である。 The method of FIG. 8 [4] is a method of interpolating the coordinate data with a cubic spline function. In FIG. 8 [4], after the step of FIG. 8 [S] a), b) the coordinate data is interpolated by a cubic spline function, and c) the locus of the coordinate data interpolated in the previous step is upsampled with a sampling period of 5 ms. .. The method of FIG. 8 [4] is an interpolation method that guarantees the continuity of velocity and acceleration at the connection point of time, based on the idea that the velocity and acceleration indicating the movement of a living tissue such as a tumor are continuous. ..
最終的に生成される軌道は、図8[1]~[4]の4とおりのどの方法を用いたとしても動体追跡装置80ログファイル上のk(k=0,1,・・・,N-1) 番目の時間区間に属する時間変数t∈[Tst[k],Tst[k+1]) を用いて、以下の(式1)で表される。
The finally generated trajectory is k (k = 0,1, ..., N) on the moving
このように、tについての3次多項式で表すことができることから、動体追跡装置80ログファイルの1時間区間に対応する目標軌道計算用データは、これら3つの多項式の係数12個となる。 As described above, since it can be represented by a cubic polynomial with respect to t, the target trajectory calculation data corresponding to the one-hour interval of the moving
基本的に1サンプル区間の長さは、Tst[k+1]-Tst[k]=0.033sである。しかし、多少の揺らぎがあることに加え、ごくまれではあるが動体追跡装置80の画像処理の工程でマーカの認識に失敗した場合に当該区間でデータが欠落する。データが欠落した場合は、次に取得できたマーカ位置と時刻を用いて計算する。動体追跡装置80ログファイルから(式1)の係数集合を生成する処理は、MATLAB(Mathworks)のmスクリプトを作成して実行する。以上により、目標軌道を時間の関数として表現できるようになるので、これを用いて以下で詳述する外部コントローラ64上での実時間での目標軌道の補正や、追従誤差改善のための処理が実行可能となる。 Basically, the length of one sample section is Tst [k + 1] -Tst [k] = 0.033s. However, in addition to some fluctuation, data is lost in the section when the marker recognition fails in the image processing process of the moving
<4.第2実施形態>
次に、本発明の第2実施形態に係るロボット動体ファントムシステムについて説明する。<4. 2nd Embodiment>
Next, the robot moving body phantom system according to the second embodiment of the present invention will be described.
<4-1.目標軌道の通信遅延低減補正とオンライン再補間>
第1実施形態で説明した、動体追跡装置80ログからの多項式係数生成は、治療対象となる患者の腫瘍軌跡データをロボット動体ファントムシステム60に指令するために必要な処理であり、動体追跡装置80のログに含まれるデータを変更するものではない。しかし、図8[1]の方法を利用して外部コントローラ64からロボット制御装置62に目標軌道を単純フィードしただけでは、求められる臨床現場の要求精度は満足しにくい。そこで第2実施形態では、図6で示したロボット動体ファントムシステム60の構成を前提として、より追従精度が高いシステムを構築するための、目標軌道の補正および追従誤差の情報を用いた目標軌道のオンライン再補間法について説明する。<4-1. Communication delay reduction correction and online reinterpolation of the target trajectory>
The polynomial coefficient generation from the moving
<4-2.通信遅延影響の低減を目的とした目標軌道の補正>
図6中に記入されているが、ロボット動体ファントムシステム60では各サブシステム間のデータ授受にネットワーク通信を利用しており、各システム間の通信が原因で遅延が発生しうる。制御に関する量の授受におけるデータの遅延は、追従精度の悪化に直結するため、実時間で高い追従精度が要求されるロボット動体ファントムシステム60は、この遅延の影響を軽減することが必要である。<4-2. Correction of target trajectory for the purpose of reducing the effect of communication delay>
As shown in FIG. 6, in the robot moving
そこで、この補償を意図して、(式1) のxk(t)、yk(t)、zk(t)に対し、Tr=0.005sを用いて、補正量
を以下の(式2)により算出して目標値を拡張する。
Therefore, with the intention of this compensation, the correction amount is used for xk (t), yk (t), and zk (t) in (Equation 1) using Tr = 0.005s.
Is calculated by the following (Equation 2) to expand the target value.
ただし,(式2)に含まれる定数αx、αy、αz、βx、βy、βzは、正値となるように選択した。なお、動体追跡装置80からロボット制御装置62の短時間間隔の目標値系列を生成する工程で、動体追跡装置80ログの一時間区間内で一定値を保つ図8[1]および[2]の方法については、区間内で速度と加速度の変化がないことから、実験評価においてはこの補正の適用対象外としている。 However, the constants αx, αy, αz, βx, βy, and βz included in (Equation 2) were selected so as to have positive values. In addition, in the step of generating the target value series of the
図8[3]のように直線補間を行った場合、加速度項はサンプリング周期変換の接続点後の1サンプルでパルス状の0でない値を取るが、その他のステップでは0となってしまい、ロボットマニピュレータ61の振動を誘起する原因となるだけでなく補正の効果も十分に表れない。ロボットマニピュレータ61の速度制御系について、速度目標値から速度目標までの伝達特性が一次遅れとして近似できると仮定すると、加速度は一次遅れシステムのインパルス応答のように変化する。 When linear interpolation is performed as shown in FIG. 8 [3], the acceleration term takes a pulse-like non-zero value in one sample after the connection point of the sampling period conversion, but becomes 0 in the other steps, and the robot Not only is it a cause of inducing vibration of the
その伝達関数が1/(Ts+1)(T>0)と表せる場合、加速度信号α(t)を一定時間間隔Tr>0ごとに観察すれば、α(t)は、以下の(式3-1) に従って減衰する。
α((i+1)Tr)=γ・α(i・Tr)(γ=e-Tr/T) ・・・(式3-1)If the transfer function can be expressed as 1 / (Ts + 1) (T> 0), if the acceleration signal α (t) is observed at regular time intervals Tr> 0, α (t) will be as follows (Equation 3-1). ) Decays.
α ((i + 1) Tr) = γ ・ α (i ・ Tr) (γ = e -Tr / T ) ・ ・ ・ (Equation 3-1)
そこで、直線補間の場合、区間最初に算出される0でないx軸の加速度値をαkとして,区間t∈[Tst[k],Tst[k+1])中の時刻ti=i・Tr(i=1,2,・・・) なる時刻における加速度の値を、以下の(式3-2) に従って減衰させている。
Therefore, in the case of linear interpolation, the time ti = i · Tr (i) in the interval t ∈ [Tst [k], Tst [k + 1]), where αk is the acceleration value of the non-zero x-axis calculated at the beginning of the interval. = 1,2, ...) The value of the acceleration at the time is attenuated according to the following (Equation 3-2).
y軸およびz軸についても、上記x軸の処理と同様に処理することができる。なお、γの値は実験を重ねる中で試行錯誤的に調整し、γ=0.9を用いているが、他の値を用いてもよい。 The y-axis and z-axis can be processed in the same manner as the x-axis processing described above. The value of γ is adjusted by trial and error during repeated experiments, and γ = 0.9 is used, but other values may be used.
<4-3.動的再補間によるフィードバック目標値補正>
次に、図9および図10を用いて、ロボット制御装置62内の追従誤差情報を利用した動的再補間によるフィードバック目標値補正について説明する。<4-3. Feedback target value correction by dynamic reinterpolation>
Next, the feedback target value correction by dynamic reinterpolation using the tracking error information in the
上記(式2)で定義された各軸の補正目標値は、動体追跡装置80で観測された腫瘍運動軌跡のみから決定されるもので、ロボットマニピュレータ61を実際に動かしたときに発生する追従誤差を考慮した補正とはなっていない。そこで、ロボット制御装置62から外部コントローラ64にフィードバックされるロボットマニピュレータ61の先端位置情報を用いて、ロボット制御装置62に与える目標値に追従誤差情報を利用した追加のフィードバック補正を行う。 The correction target value for each axis defined in the above (Equation 2) is determined only from the tumor motion trajectory observed by the moving
上述のとおり、ロボット制御装置62の外部コントローラ64追従モードでは、ロボットマニピュレータ61の先端位置・姿勢の現在値が外部コントローラにフィードバックされる。この両者の差である追従誤差の値を用い、5ms周期でロボット制御装置62に送出する目標値を生成するための補間作業をやり直し、補間軌道を再生成する。具体的には、すでに過去のデータとなった補間の始点の座標値に上述の追従誤差を加算して、誤差の符号に応じて今後ロボット制御装置62に送出される目標座標値を増減する補正を行う。 As described above, in the
ここで、動的再補間の計算アルゴリズムを以下に示す。X軸、Y軸およびZ軸の全ての軸に同一の処理を独立に行うので、ここでは代表してX軸に対する計算手順を説明する。今、再補間を実施する時間区間を動体追跡装置ログのk番目の時間区間t∈[Tst[k],Tst[k+1])であるとすると、上述のとおり、この区間での補正前目標値は、以下の(式4)の3次多項式で決定される。
xk(t)=ax[k]+bx[k](t-Tst[k])+cx[k](t-Tst[k])2+dx[k](t-Tst[k])3・・・(式4)Here, the calculation algorithm of dynamic reinterpolation is shown below. Since the same processing is performed independently for all the X-axis, Y-axis, and Z-axis, the calculation procedure for the X-axis will be described here as a representative. Assuming that the time interval for performing reinterpolation is the kth time interval t ∈ [Tst [k], Tst [k + 1]) of the moving object tracking device log, as described above, before the correction in this interval. The target value is determined by the following cubic polynomial of (Equation 4).
xk (t) = ax [k] + bx [k] (t-Tst [k]) + cx [k] (t-Tst [k]) 2 + dx [k] (t-Tst [k]) 3・ ・ ・(Equation 4)
この時間区間内での外部コントローラ64のサンプル番号をi (i=1、2、・・・) で表すことにし、ロボット制御装置62より外部コントローラ64にフィードバックされるX軸の現在位置から、例えば、ステップiにおいてex[i]なる誤差が観測されたとする。このとき、この区間内でのみ有効な、(式4)に替わる目標軌道生成式は、以下の(式5)により表される。
x(i)k(t)=ax[k,i]+bx[k,i](t-Tst[k])+cx[k,i](t-Tst[k])2
+dx[k,i](t-Tst[k])3 ・・・(式5)The sample number of the
x (i) k (t) = ax [k, i] + bx [k, i] (t-Tst [k]) + cx [k, i] (t-Tst [k]) 2
+ dx [k, i] (t-Tst [k]) 3・ ・ ・ (Equation 5)
そして、(式5)が以下の拘束条件を全て満足するように係数ax[k,i]~dx[k,i]を定める。
Then, the coefficients ax [k, i] to dx [k, i] are determined so that (Equation 5) satisfies all of the following constraints.
上記(式7)は、この区間の終端時刻における目標値の値が次区間の目標値の初期値に一致することを要請する。上記(式8)および(式9)は、3次スプライン補間の特徴である接続点における速度と加速度の連続性を担保するための条件式であり、ここで示した方法を用いてこの区間での目標値生成多項式を上記(式5)に変更したとしても、位置、速度および加速度の連続性は維持されることになる。 The above (Equation 7) requests that the value of the target value at the end time of this section matches the initial value of the target value of the next section. The above (Equation 8) and (Equation 9) are conditional expressions for ensuring the continuity of velocity and acceleration at the connection point, which is a feature of cubic spline interpolation, and the method shown here is used in this section. Even if the target value generation polynomial of is changed to the above (Equation 5), the continuity of position, velocity and acceleration will be maintained.
ここで、
として、(式5)の係数は、(式6)と以下の(式10) により定められるので、これらの式をオンラインで計算することで再補間実施後の補間多項式を求めることができる。
here,
As the coefficient of (Equation 5) is determined by (Equation 6) and the following (Equation 10), the interpolation polynomial after reinterpolation can be obtained by calculating these equations online.
図9は、本発明の第2実施形態に係る制御装置による直線補間の場合の本アルゴリズムの動作を示すグラフである。図9(A)は、ロボットコントローラに送られる次の目標値を表し、図9(B)は、ロボットのエンコーダ情報で計算される先端の現在位置を表し、図9(C)は、修正前の目標軌道およびロボットコントローラに送られる次の目標値を表す。続いて、図9(D)は、ロボットのエンコーダで計算される新しい先端の現在位置を表し、図9(E)は、修正前の目標軌道および修正後の目標軌道を表す。 FIG. 9 is a graph showing the operation of this algorithm in the case of linear interpolation by the control device according to the second embodiment of the present invention. 9 (A) shows the next target value sent to the robot controller, FIG. 9 (B) shows the current position of the tip calculated by the encoder information of the robot, and FIG. 9 (C) shows the uncorrected state. Represents the target trajectory of and the next target value sent to the robot controller. Subsequently, FIG. 9 (D) shows the current position of the new tip calculated by the encoder of the robot, and FIG. 9 (E) shows the target trajectory before the correction and the target trajectory after the correction.
目標値軌道を3次スプライン関数で定める場合も再補間の計算の考え方は、図9で示すアルゴリズムと全く同じである。なお、図8[1]および[2]に示す区間内で目標値を一定値とする場合については、(式6)と(式7)を同時に満たすことができない。この場合でも(式6)のみを用いて区間内で使用する目標値を増減させることは可能であるが、そのような設定でロボットマニピュレータ61を試験動作させた場合、激しい振動を誘発することがある。これは、目標値の変化が階段状で一時的に大きな偏差が発生することで、(式6)で加算されるex[i]の値も大きくなることが原因であると考えられる。試行動作の結果、この設定で実験を行うことは危険であると判断されたため、以下の評価実験では、一定目標値を利用する場合先の速度および加速度を利用した補正と同様適用の対象外としている。 Even when the target value trajectory is determined by the cubic spline function, the concept of reinterpolation calculation is exactly the same as the algorithm shown in FIG. In addition, in the case where the target value is set to a constant value within the section shown in FIGS. 8 [1] and [2], (Equation 6) and (Equation 7) cannot be satisfied at the same time. Even in this case, it is possible to increase or decrease the target value used in the section using only (Equation 6), but if the
目標値軌道の動的再補間アルゴリズムを適用した結果得られる目標値と、速度および加速度を利用した上記(式2)で表される目標値補正を同時に用いた場合、外部コントローラ64からロボット制御装置62に送出される軌道指令値
は、以下の(式11)~(式13)で与えられる。
When the target value obtained as a result of applying the dynamic reinterference algorithm of the target value trajectory and the target value correction represented by the above (Equation 2) using the velocity and acceleration are used at the same time, the robot control device from the
Is given by the following (Equation 11) to (Equation 13).
上記(式11)~(式13)は、ロボットマニピュレータ61とロボット制御装置62との間で出来上がっているフィードバック制御系の外側に、以下の図10に示すように追加のフィードバックループを導入することに相当する。 In the above (Equation 11) to (Equation 13), an additional feedback loop is introduced outside the feedback control system completed between the
図10は、本発明の第2実施形態に係る外部コントローラを用いた追加のフィードバックループの導入を示す模式図である。本実施形態のロボットマニピュレータ61とロボット制御装置62との間では、フィードバック制御系が形成されている。また、本実施形態の外部コントローラ64は、目標軌道生成部66と、目標軌道補正部111と、目標軌道再生成部112と、を有している。目標軌道生成部66は、患者のマーカ位置の3次元運動軌跡を取得する位置取得部201と、3次元運動軌跡を取得したマーカの回転角度を算出する角度算出部202と、を備えることができる。腫瘍の回転角度も把握したい場合は、位置取得部201で患者の最低3つのマーカ位置の3次元運動軌跡を取得し続ける必要がある。そして、取得したマーカ位置に基づいて角度算出部202で腫瘍の回転角度を算出する処理を行うことにより、ロボットマニピュレータ61の目標軌道を生成する。 FIG. 10 is a schematic diagram showing the introduction of an additional feedback loop using the external controller according to the second embodiment of the present invention. A feedback control system is formed between the
図11は、角度算出部202が腫瘍の回転角度を定める際の計算方法の一例を説明する図である。図11(a)は、動体追跡装置80が時刻k-1で3個のマーカm1,m2,m3の位置を検出した時の様子を示している。図11(b)は次の時刻kにおいて同じ3個のマーカ位置を検出した時の様子を示している。図12は、実際に複数埋め込まれたマーカを導体追跡装置80が捉えた画像例である。マーカm1,m2,m3の位置変化が、腫瘍重心位置の3次元位置変化と、3次元空間内の回転のみで十分表されると仮定する。この2枚の画像の間の腫瘍の回転角はロール・ピッチ・ヨーもしくはオイラー角などの角度を用いて定義できる。図13は本発明にかかる方法で求めた腫瘍回転角度の例である。時刻k-1における各ベクトルv1,v2,nk-1と、時刻kにおける対応するベクトルv’1,v’2,nkの間は、先の3次元空間内の回転角度を用いて定義される回転行列Rと、位置取得部201を用いて定められる腫瘍重心位置の3次元位置変化を表すベクトルδを用いて定義される同時変換行列
を用いて
と関係づけられるので、この3つの式から回転行列Rを数値的に一意に定めることができ、定まった回転行列からロボットの手先に固定されているファントムの回転角度の目標軌道を生成することができる。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a calculation method when the
Using
Since it is related to, the rotation matrix R can be numerically and uniquely determined from these three equations, and the target trajectory of the rotation angle of the phantom fixed to the hand of the robot can be generated from the determined rotation matrix. can.
実際の腫瘍の運動、特に肺腫瘍に関しては、患者の呼吸に伴い肺自体が拡張と収縮を繰り返す。この変形をより厳密に表現するには、先の回転変換行列を列ベクトルr1,r2,r3を用いて表現した
R=[r1,r2,r3]
に、座標軸方向の拡大、縮小を表すスカラ実数a,b,cを導入し
R=[ar1,br2,cr3]
と表現して、行列Rに加えてa,b,cを定めると良い。a,b,cを導入したことによって未知数が増えるが、その場合はm2からm3に至るベクトルの時刻k-1,k間の変化を利用すればよい。For actual tumor movements, especially lung tumors, the lung itself repeatedly expands and contracts as the patient breathes. To express this transformation more strictly, the above rotation transformation matrix is expressed using the column vectors r1, r2, r3. R = [r1, r2, r3]
Introduced scalar real numbers a, b, and c that represent expansion and contraction in the axis direction, and R = [ar1, br2, cr3].
In addition to the matrix R, a, b, and c may be defined. The unknown increases due to the introduction of a, b, and c. In that case, the change between the time k-1 and k of the vector from m2 to m3 may be used.
目標軌道補正部111は、動体追跡装置80の腫瘍位置追跡の結果出力された軌道を補間することによって規定されるロボットマニピュレータ61の運動軌跡の速度または加速度を用いてロボット目標軌道を補正する機能を有する。目標軌道補正部111は、ロボットマニピュレータ61の3次元座標位置を補正する位置補正部203と、3次元座標位置を補正したロボットマニピュレータ61の回転角度を補正する角度補正部204と、を備えることができる。回転角度も考慮してロボット目標軌道を補正する場合は、位置補正部203でロボットマニピュレータ61の3次元座標位置を補正し、補正した3次元座標位置に基づいて角度補正部204でロボットマニピュレータ61の回転角度を算出する処理を行うことにより、ロボットマニピュレータ61の目標軌道を補正する。 The target
目標軌道再生成部112は、目標軌道生成部66から与えられた目標軌道に対する制御実績から各制御サンプリング時点での目標軌道の追従誤差を算出してその情報を目標軌道補正部111に伝達する機能を有する。目標軌道補正部111は、受領した目標軌道の追従誤差を当該時間に対応する補間区間の始点の目標値情報に加算することで制御中に実時間で補間をやり直して目標軌道を再生成する機能を有する。 The target orbit regeneration unit 112 has a function of calculating the follow-up error of the target orbit at each control sampling time from the control results for the target orbit given by the target
本実施形態の外部コントローラ64内において、目標軌道生成部66で補間により生成された作業座標系の目標軌道の情報が、目標軌道補正部111および目標軌道再生成部112に伝達される。その後、目標軌道補正部111では、速度および加速度を用いた遅延補正がなされ、目標軌道再生成部112では、フィードバック再保管による補正がなされる。そして、各補正後の目標値の情報が、ロボットマニピュレータ61に伝達される。 In the
<5.実施例>
次に、上記実施形態のロボット動体ファントムシステム60を用いた放射線治療の品質保証の実施例について、図14~図16を用いて説明する。<5. Example>
Next, an example of quality assurance of radiotherapy using the robot moving
図14は、本発明の一実施例に係るロボットマニピュレータの設置例を示す模式図である。図14のロボットマニピュレータ61は、固定台121に固定され、アームの先端に水等価ファントム65が取り付けられている。 FIG. 14 is a schematic diagram showing an installation example of a robot manipulator according to an embodiment of the present invention. The
図15は、本発明の他の実施例に係るロボットマニピュレータの設置例を示す模式図である。図15のロボットマニピュレータ61は、図8(A)に示すような寝台86に固定具131で固定され、アームの先端に水等価ファントム65が取り付けられている。 FIG. 15 is a schematic diagram showing an installation example of a robot manipulator according to another embodiment of the present invention. The
<5-1.腫瘍軌跡への追従精度評価実験>
本実施例では、上記提案した目標軌道の補正法の効果を評価するため、ロボットマニピュレータ61の先端に実際に水等価ファントム65を固定した状態で、図2~図5で示した肺腫瘍軌跡4症例を目標軌道として開発した上記実施形態に係るロボット動体ファントムシステム60を駆動し、その追従精度を評価した。<5-1. Follow-up accuracy evaluation experiment to tumor trajectory>
In this embodiment, in order to evaluate the effect of the proposed target trajectory correction method, the
本明細書で提案した手法では、33ms程度の時間間隔で得られている動体追跡装置80を用いた腫瘍軌跡の測定結果から、5ms周期でロボット制御装置62に供給する目標値を生成するサンプリング周期変換に4とおりの選択が可能である。(式2)で示される遅延補償を意図した補正の有無に2とおりの選択が可能である。(式4)~(式10)を用いて説明した、ロボット制御装置62で取得できる追従誤差を用いた目標軌道生成のための動的再補間適用の有無に2とおりの選択が可能である。したがって、全ての組み合わせは16とおりとなる。 In the method proposed in the present specification, a sampling cycle for generating a target value to be supplied to the
しかしながら、上述したように、動体追跡装置80の1サンプリング周期内で一定の目標値を用いる場合については、軌道の速度・加速度が1サンプリング周期内で0となるので、遅延補償項が0となることに加え、(式6)と(式7)を同時に満たすこともできないので、フィードバック再補間も適用することができない。そこで、この評価では、全16とおりの組み合わせから、補正が機能しないか実現できない6とおりを除外した計10とおりの異なる組み合わせを対象として実験を行い、ロボットマニピュレータ61を利用したロボット動体ファントムシステム60の補正前目標軌道に対する追従精度を評価した。追従誤差は時系列データとして定まるが、そこから誤差のRMS値と、発生しうる最大誤差に関する指標であるμ+2σ値を計算してまとめた。 However, as described above, when a constant target value is used within one sampling cycle of the moving
実験は2台のロボットマニピュレータ61を用いて、2つの異なる環境で行った。第一の環境は、コンクリート床を有する実験室で、図14に示すように、ロボットマニピュレータ61は、製造メーカの指定に従った設置固定がなされている。この環境で得られるロボットマニピュレータ61の先端位置の情報は、ロボット制御装置62がエンコーダ情報から計算して外部コントローラ64にフィードバックした先端位置のみとなる。 The experiment was performed using two
第二の環境は、実際に患者の治療が行われている臨床環境である。ここでは、ロボット制御装置62による先端位置情報に加え、動体追跡装置80を用いた測定値も得られる。詳細は後述するが、臨床環境においては、図15に示すように、ロボットマニピュレータ61を医療用直線加速器81の寝台86に固定具131で固定し、かつ吸振ウレタンフォームを寝台と寝台基部の間に設置して実験した。 The second environment is the clinical environment in which the patient is actually treated. Here, in addition to the tip position information by the
<5-2.実験室における実験結果>
実験室で行った実験結果から、目標腫瘍軌跡に対する二乗平均誤差値とμ+2σの値を計算したものを、表3に示す。<5-2. Experimental results in the laboratory>
Table 3 shows the calculation of the root mean square error value and the value of μ + 2σ with respect to the target tumor trajectory from the experimental results conducted in the laboratory.
この場合の誤差は、外部コントローラ64からあるサンプル周期にロボット制御装置62に送出した目標値の補正前の値と、次のサンプル周期にロボット制御装置62から返送されるマーカ位置の差として計算している。上述したように、外部コントローラ64とロボット制御装置62との間、およびロボット制御装置62内のデータ授受にネットワーク通信が利用されており、それに伴う遅延があること、およびその遅延はネットワークのバッファの状態によりランダムに変化することを考えれば、ここで計算している誤差はあるサンプル時点における正確な誤差とはなっていない。ただし、以下の臨床環境での評価結果が示すように、ロボット制御装置62の実績値を用いて計算した統計誤差指標値が大きければ、動体追跡装置80を用いて評価した統計誤差指標値も大きくなる。 The error in this case is calculated as the difference between the uncorrected value of the target value sent from the
表3の数値より、上記で提案した通信遅延の低減を目的とした目標軌道の補正が極めて有効に作用していることが見て取れる。4症例全て、直線補間に遅延補償を組み合わせ、フィードバック再補間を用いないものが最も小さなμ+2σ値を与えていることがわかる。しかし、直線補間での結果を見比べると、遅延補償がある状態でフィードバック再補間を行う場合と行わない場合のμ+2σ 値の差は、症例Dを除いて表1に記載したこのロボットマニピュレータ61の静的反復位置決め精度である0.02mm以内となっており,偶発的に発生する誤差と区別できないレベルに収まっていることがわかる。 From the numerical values in Table 3, it can be seen that the correction of the target trajectory for the purpose of reducing the communication delay proposed above works extremely effectively. It can be seen that in all four cases, linear interpolation combined with delay compensation and feedback reinterpolation is not used gives the smallest μ + 2σ value. However, when comparing the results of linear interpolation, the difference in μ + 2σ values between the case where feedback reinterpolation is performed with delay compensation and the case where feedback reinterpolation is performed is the static error of this
一方、サンプリング周期変換に3次スプライン補間を用いた場合、μ+2σ値は直線補間に対して0.1mm以上悪化しており、今回の4症例について、実験室環境での実験では3次スプライン補間の使用が直線補間と比して誤差を大きくするよう作用していることがわかる。 On the other hand, when the third-order spline interpolation is used for the sampling period conversion, the μ + 2σ value is worse than the linear interpolation by 0.1 mm or more. It can be seen that the use acts to increase the error compared to linear interpolation.
フィードバック再補間の手法は、サンプリング周期変換単体でロボットマニピュレータ61を駆動した場合に比べれば大きな誤差低減効果を発揮するが、遅延補償を利用した場合の誤差低減量に比べれば効果が小さい。また遅延補償とフィードバック再補間を併用した場合、本環境では微小ではあるが結果の悪化を招くことも確認された。ただし、その差は、使用したロボットマニピュレータ61が保証する固定点への繰り返し位置決めの誤差に収まる程度のものである。 The feedback re-interpolation method exhibits a large error reduction effect as compared with the case where the
<5-3.臨床環境における評価実験>
次に、病院の臨床設備を用い、動体追跡装置80も併用した評価実験を行った。実験の内容は実験室での実験と全く同一で、図2~図5に示した4症例の腫瘍軌跡に対して、実験室での実験と全く同じパラメータ値を用いてロボット動体ファントムシステム60を駆動した。臨床環境では、ロボットマニピュレータ61の動作結果として、ロボット制御装置62が出力する位置情報と、動体追跡装置80により得られる計測値の2つの計測結果が得られる。ロボット制御装置62が出力する位置情報を用いた場合の誤差の定義は上記と同様である。<5-3. Evaluation experiment in clinical environment>
Next, an evaluation experiment was conducted using the clinical equipment of the hospital and also using the moving
以下の表4に、上記場合の補正前腫瘍位置目標軌道との誤差を処理した結果を示す。また、以下の表5に、動体追跡装置80のマーカ位置測定結果と補正前腫瘍目標位置との誤差を統計処理した結果を示す。 Table 4 below shows the results of processing the error from the uncorrected tumor position target trajectory in the above case. In addition, Table 5 below shows the results of statistical processing of the error between the marker position measurement result of the moving
また、誤差評価の一例として、図5の腫瘍軌跡を目標値とし、表5中の3つの目標値生成スキームについて3次元誤差の時間変化をプロットしたグラフを図16に示す。 Further, as an example of error evaluation, FIG. 16 shows a graph in which the tumor locus in FIG. 5 is set as a target value and the time change of the three-dimensional error is plotted for the three target value generation schemes in Table 5.
まず、実験室環境と同様ロボット制御装置62で得られる先端位置を用いた誤差解析の結果である表4で最小のμ+2σ値を与える組み合わせは、表3と同じで直線補間に基づき遅延補償項を入れたものとなっている。またその最小値も、表3のものとほぼ同等となっている。フィードバック再補間は単独で用いればある程度の誤差低減効果を発揮するが、遅延補償と組み合わせた場合大きくはないが結果の悪化を招く傾向も同一であった。 First, as in the laboratory environment, the combination that gives the minimum μ + 2σ value in Table 4, which is the result of error analysis using the tip position obtained by the
これに対して、動体追跡装置80を利用した測定結果を用いた誤差である表5では、異なる結果が得られている。まず、μ+2σの最良値が表3および表4と比較して、腫瘍の動きが大きいA、B、Dの症例で0.2mmから0.25mmほどで、動きが小さい症例Cで0.06mmほど大きくなっている。また、4例中3例で3次スプライン補間を用いたものが最小のμ+2σ値を与える結果となった。遅延補償と動的再補間を併用すると結果が悪くなる点は、ロボット制御装置62の位置出力を用いた解析と同じになった。 On the other hand, in Table 5, which is an error using the measurement result using the moving
ロボット制御装置62が出力するマーカ位置は、ロボットマニピュレータ61の固定台121上にある作業座標原点Oからの相対位置情報であるのに対し、動体追跡装置80での計測結果は、医療用直線加速器81の原点icに対して定まる部屋内で固定された座標系での絶対座標値である。もしロボットマニピュレータ61の作業座標原点Oが医療用直線加速器81の座標系上で動かないのであれば、2つの測定値の差は測定系の差に起因するものとなる。今回の場合それは動体追跡装置80によるステレオX線画像を用いた3次元位置計測で発生しうる誤差である。X線透視画像内でのマーカ捕捉にはテンプレートマッチングを用いており、その過程でマーカ重心位置の算出に誤差が発生しうる。 The marker position output by the
本実施例で利用したロボットマニピュレータ61には、その設置固定について、固定台121の固定のため、床にアンカーボルトを打つこと、ロボットマニピュレータ61の固定台121への固定については満足すべきボルト締め付けトルクの値が指示されている。 For the
一方、臨床環境ではアンカーボルトの設置は不可能で、かつ金属製の台座も放射線に悪影響を与えることから使用できなかったため、ロボットマニピュレータ61を医療用直線加速器81の寝台86に対して固定するにとどまっている。予備実験の過程で寝台とロボットマニピュレータが目視ではっきり確認できる大きさで振動した場合があったため、上述のとおり防振材を用いて振動の軽減化を図った。これにより目視でわかるほどの振動は無くなったが、目視では確認できない微細振動は残存していると考えられ、かつ動体追跡装置80での計測値はその振動も捉えることができるので、ロボット制御装置62での誤差値と比較して大きな値となることの理由として大きな要因であると考えられる。 On the other hand, since it was impossible to install anchor bolts in a clinical environment and the metal pedestal could not be used because it adversely affected radiation, the
動体追跡装置80を利用した評価で、4症例中3症例において3次スプライン補間を用いた場合が最も高精度になったことも、この寝台86とロボットマニピュレータ61の振動で説明が可能であると考えられる。3次スプラインでは、補間の接続点における速度と加速度の連続性が担保されているため、ロボット制御装置62が生成する操作量の連続性も高いと思われるが、直線補間の場合接続点で速度と加速度がステップ状、インパルス状に変化をするため、スプライン補間に比べれば過渡的な振動を誘起しやすいと考えられる。 It is possible to explain by the vibration of the
放射線治療の品質保証に上記実施形態のロボット動体ファントムシステム60を利用する場合、その品質に与える影響の評価として意味を持つのは動体追跡装置80を用いた場合の値である。その意味で、臨床環境での測定結果において、動体追跡装置80を用いた誤差解析の結果、4症例全てにおいて、μ+2σの最良値が0.8mm 未満となったことは、ロボット動体ファントムシステム60の良好な精度を示している。 When the robot moving
呼吸性移動を示す腫瘍の放射線治療における品質保証では、動体追跡装置80を用いたファントム内マーカの位置計測を実際に行いながら水等価ファントム65に対して治療を施行する。一般に待ち伏せ照射と呼ばれる、呼吸性移動を示す腫瘍が事前に計画された位置の指定範囲近傍に来た際に放射線を照射する治療について、実際の治療では、腫瘍付近に留置されたマーカが、計画位置を中心とする一辺4mmの立方体内部に入ったことをもって放射線を投与するプロトコルになっている。μ+2σ<0.8という結果は、腫瘍軌跡が計画位置である立方体の中心にあるにもかかわらず、水等価ファントム65の位置決め誤差が原因で投与がなされないという状況がほぼ発生しないことを意味しており、ロボット動体ファントムシステム65を用いることで、品質保証の精度を向上させることができることを示す、意義のある結果である。 In quality assurance in radiotherapy for tumors showing respiratory movement, treatment is performed on the water
本実施例では、放射線治療の品質保証の精度向上を目的として、患者の体内における3次元の腫瘍運動軌跡に高い精度で追従することのできる、4Dロボット動体ファントムシステム60の構築を試みた。本実施例に示した結果からは、開発したロボット動体ファントムシステム60を臨床現場における品質保証に用いることができることがわかった。 In this example, for the purpose of improving the accuracy of quality assurance of radiotherapy, we attempted to construct a 4D robot moving
10 医療用直線加速器
11 寝台
12 ロボットマニュピレータ
13 水等価ファントム
60 ロボット動体ファントムシステム
61 ロボットマニュピレータ
62 ロボット制御装置
63 教示ペンダント
64 外部コントローラ
65 水等価ファントム
66 目標軌道生成部
80 動体追跡装置
81 医療用線形加速器
82、83、82b、83b X線源
84、85、84b、85b カラー受像装置
86 寝台
111 目標軌道補正部
112 目標軌道再生成部
121 固定台
131 固定具
201 位置取得部
202 角度算出部
203 位置補正部
204 角度補正部
ic 治療装置座標系の原点
O 作業座標系の原点10
Claims (8)
前記ロボット制御装置は、前記患者のマーカ位置の3次元運動軌跡から前記ロボットマニピュレータの目標軌道を生成する目標軌道生成部を有し、前記ファントム内のマーカ位置が前記目標軌道に追従するように前記ロボットマニピュレータを制御することを特徴とするロボット動体ファントムシステム。A robot manipulator with three-dimensional translational degrees of freedom, a robot control device that controls the robot manipulator, a phantom fixed to the tip of the robot manipulator and having a radiation absorption rate equivalent to that of the human body, and placed near the tumor. It is equipped with a moving body tracking device that measures changes in the marker position of the patient in real time.
The robot control device has a target trajectory generation unit that generates a target trajectory of the robot manipulator from a three-dimensional motion trajectory of the marker position of the patient, and the marker position in the phantom follows the target trajectory. A robot moving phantom system characterized by controlling a robot manipulator.
該外部コントローラは、前記患者のマーカ位置の情報を保持して該マーカ位置の軌跡をアップサンプリングすることにより、前記動体追跡装置の腫瘍位置追跡の時間間隔と前記目標軌道との追従動作の制御周期を一致させることを特徴とする請求項1に記載のロボット動体ファントムシステム。Further equipped with an external controller for transmitting and receiving information signals to and from the robot control device.
The external controller retains the information on the marker position of the patient and upsamples the trajectory of the marker position, thereby controlling the time interval of the tumor position tracking of the moving body tracking device and the control cycle of the tracking operation with the target trajectory. The robot moving body phantom system according to claim 1, wherein the robot moving body phantom system is made to match.
該外部コントローラは、前記時間間隔の計測結果を補間して前記マーカ位置の軌跡をアップサンプリングすることにより、前記動体追跡装置の腫瘍位置追跡の時間間隔と前記目標軌道との追従動作の制御周期を一致させることを特徴とする請求項1に記載のロボット動体ファントムシステム。Further equipped with an external controller for transmitting and receiving information signals to and from the robot control device.
The external controller interpolates the measurement result of the time interval and upsamples the locus of the marker position to control the time interval of the tumor position tracking of the moving body tracking device and the control cycle of the follow-up operation with the target trajectory. The robot moving body phantom system according to claim 1, wherein the robots are matched.
該目標軌道補正部は、動体追跡装置の腫瘍位置追跡の結果出力された軌道を補間することによって規定されるロボットマニピュレータ運動軌跡の速度または加速度を用いてロボット目標軌道を補正することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のロボット動体ファントムシステム。Further having a target trajectory correction unit for correcting the target trajectory,
The target trajectory correction unit is characterized in that the robot target trajectory is corrected using the velocity or acceleration of the robot manipulator motion trajectory defined by interpolating the trajectory output as a result of tumor position tracking of the moving body tracking device. The robot moving body phantom system according to any one of claims 1 to 4.
前記目標軌道再生成部は、受領した目標軌道の追従誤差を当該時間に対応する補間区間の始点の目標値情報に加算することで制御中に実時間で補間をやり直して目標軌道を再生成することを特徴とする請求項5に記載のロボット動体ファントムシステム。It also has a target trajectory regeneration unit that regenerates the target trajectory, and calculates the tracking error of the target trajectory at each control sampling point from the control results for the target trajectory given by the target trajectory generation unit, and the information thereof. Is transmitted to the target orbit regeneration unit,
The target trajectory regeneration unit regenerates the target trajectory by re-interpolating in real time during control by adding the received tracking error of the target trajectory to the target value information of the start point of the interpolation section corresponding to the time. The robot moving body phantom system according to claim 5, wherein the robot moving body phantom system is characterized in that.
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