JP2005148033A

JP2005148033A - ファントム要素及び水ファントム

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Publication number: JP2005148033A
Application number: JP2003390240A
Authority: JP
Inventors: Masanori Miyazawa; 正則宮沢
Original assignee: AARUTEKKU KK
Current assignee: AARUTEKKU KK
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2003-11-20
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2023-11-20
Also published as: JP4384897B2

Abstract

【課題】放射線治療計画を作成する際に使用可能で、人体外形を考慮して設計可能な水ファントム、及びそのファントム要素を提供する。
【解決手段】ファントム要素１００は、（ａ）上面全体が開口し、水充填可能な柱状箱体１と、（ｂ）水充填状態の箱体の開口上面を水密密閉することができる蓋部２とを含み、柱状箱体がその内部側壁表面に軸方向Ｘに延びる少なくとも一対の溝１１を有し、その一対の溝のそれぞれに、耐水性平板状線量測定手段３の両側端部３Ａ，３Ｂを挿入することによって、線量測定手段を柱状箱体の軸方向に対して平行方向で着脱自在に装着可能である。水ファントム１０は、ファントム要素１００の柱状箱体の溝に線量測定手段を嵌め込んで、柱状箱体の内部に線量測定手段を装着し、柱状箱体の内部を水で完全に充填してから蓋部によって柱状箱体の開口上面を水密に密閉した。
【選択図】図３

Description

本発明は、ファントム要素及び水ファントムに関する。本発明の水ファントムによれば、放射線療法における治療計画の作成にあたり、従来の固形ファントムよりも正確な放射線量を得ることができる。

放射線によるガン治療は、外科手術や抗ガン剤投与と共に、ガン療法の中で重要な役割を果たしている。放射線療法は、外科療法と同様に、ガン組織とその周辺のみを治療する局所治療である点で有利なだけでなく、外科療法のような臓器摘出が不要であり、臓器を温存することができる点で優れている。しかしながら、理想的な放射線療法を実現するためには、ガン組織に対して最適な放射線量を照射してダメージを与え、一方では周囲の正常組織に対しては照射する放射線量をできる限り少なくして損傷を抑えることが求められる。

例えば、放射線療法の１つである強度変調療法（Intensity Modulated Radio Therapy：ＩＭＲＴ）では、治療対象となっている患者のガン組織の位置や形状に適合させて、放射線の照射野の形状や放射線の入射方向を調整して患者のガン組織に放射線を照射し、これらの放射線照射による積算吸収線量を最適化している。従って、放射線を患部に正確に集中させて、有効に放射線治療を実施することができる。このようなＩＭＲＴを実施する際には、まず治療計画を作成し、患部に対して所定の吸収線量分布の放射線照射を正確に行うことができる照射条件を設定する必要があり、更に、このような治療計画の妥当性を、実験的に検証する必要がある。
この場合、人体内部に線量計を挿入して試験的な線量測定を行うことはできないので、人体等価物質から構成される人体模型、すなわち、ファントム（phantom）を使用する。人体等価物質としては、人体の主要組織である筋肉と等価な水を使用した線量測定が推奨されている（非特許文献１）。しかしながら、人体の輪郭は湾曲していたり、耳や鼻のような複雑な形状の突起物を有しているので、これと同様に湾曲したり、複雑な形状の突起物の外形を有する容器に、空気を含む空隙部を形成せずに水を充填すると共に、線量計を正確に位置決めして装填し、線量測定を実施することは種々の困難を伴うことから、従来は、水と等価な樹脂（水等価物）を用いた固体ファントムが使用されてきた。

例えば、図９は、多数の板状固体ファントムを積み重ねて形成した固体ファントム６である。この固体ファントム６は、複数の板状ファントム６１を積み重ね、各板状ファントム６１に設けられている固定バー用孔６２に、固定バー（図示せず）を貫通させて形成される。感光フィルム６３は所望の位置に挟んで設けることができ、図９の場合は、板状ファントム６１ａと板状ファントム６１ｂとの間に挟んで設置することができる。各板状ファントム６１は、それぞれ所定の正確な厚さ（例えば、１ｃｍ）を有しているので、放射線の照射距離を正確に設定することができる。こうして形成した固体ファントムを後述する図１〜図３に示す外側固体ファントム４に挿入して線量測定を行う。
しかしながら、この固体ファントム６には、水ではなく、樹脂が使用されていることの他にも、種々の欠点がある。まず、各板状ファントム６１と隣接する板状ファントム６１との間には、空気層が存在するので、放射線がそれらの空気層を通過するため、感光フィルム６３での積算吸収線量に影響を与える。また、放射線は樹脂層を通過する際にチェレンコフ光を発生するので、その影響も無視することができない。

一方、水ファントムも、知られている（特許文献１及び特許文献２）。しかしながら、前記特許文献１及び特許文献２に記載の水ファントムは、いずれも、単純な形状の水槽内部に移動式の放射線センサを備えたものであり、人体の複雑な外形については全く考慮していない。また、市販の水ファントムも存在するが、これらはいずれも、放射線発生装置の校正用ファントムであり、放射線治療計画を作成するために使用する水ファントムではない。
すなわち、放射線治療計画を作成する際に、人体の複雑な外形を考慮して設計した水ファントムは、従来、全く知られていない。
日本医学放射線学会物理部会「放射線治療における高エネルギーＸ線および電子線の吸収線量の標準測定法」８０−８２，１９８９，通商産業研究社特開平１１−６４５３０号公報特開２００３−４７６６６号公報

従って、本発明の課題は、放射線治療計画を作成する際に使用するために、人体の外形を考慮して設計されてきた従来の固体ファントムに代えて、放射線治療計画を作成する際に使用可能で、人体の外形を考慮して設計可能な水ファントムを提供することにある。

前記の課題は、本発明によって、
（ａ）上面全体が開口し、水を充填することが可能な柱状箱体と、
（ｂ）水を充填した状態の前記箱体の開口上面を水密に密閉することができる蓋部と
を含み、
前記柱状箱体がその内部側壁表面に前記柱状箱体の軸方向に延びる少なくとも一対の溝を有し、
その一対の溝のそれぞれに、耐水性で平板状の線量測定手段の両側端部を挿入することによって、前記線量測定手段を前記柱状箱体の軸方向に対して平行な方向で着脱自在に装着することが可能であることを特徴とする、ファントム要素
によって解決することができる。

本発明のファントム要素の好ましい態様においては、複数の前記耐水性平板状線量測定手段を着脱自在に装着可能な複数対の溝が、所定の間隔を設けて配置されている。
本発明のファントム要素の別の好ましい態様においては、前記の蓋部、又は前記の柱状箱体の側壁部若しくは底面に、気泡排出口少なくとも１つを有する。

本発明は、前記のファントム要素の前記柱状箱体の溝に線量測定手段を嵌め込んで、前記柱状箱体の内部に線量測定手段を装着し、前記柱状箱体の内部を水で完全に充填してから蓋部によって前記柱状箱体の開口上面を水密に密閉した、水ファントムにも関する。
本発明の水ファントムの好ましい態様においては、前記の耐水性平板状線量測定手段が、ガラス線量板、又は少なくとも一方が中央開口部を有する２枚のフレームで周縁部を挟まれた線量測定フィルムである。

本発明の水ファントムは、従来の固体ファントムと異なり、生体に近い水を用いているので、より正確な線量測定を行うことができる。また、本発明の水ファントムでは、従来の固体ファントムにおいて板状ファントム間に形成される空気層が存在しないので、より正確な線量測定を行うことができる。更に、本発明の水ファントムでは、従来の固体ファントムにおいて発生するチェレンコフ光が発生しない。
以上のように、本発明の水ファントムは、従来の固体ファントムよりも正確な線量測定を行うことができるので、最近の放射線治療機器の発達や、放射線生物学及びコンピュータの発展と相まって、正確な放射線治療計画を作成することができ、その結果として、ガン組織には最適な放射線量を照射し、周囲の正常組織にはできる限り少ない量の放射線を照射することが可能になり、副作用の少ない放射線療法を実現することができる。

本発明によるファントム要素、及びそれを用いる本発明の水ファントムの好ましい態様を、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明による水ファントム１０を外側固体ファントム４に装着した状態を示す斜視図であり、図２は、その一部を切り欠いて示す斜視図であり、図３は、その分解図である。
本発明によるファントム要素１００は、立方体状箱体１と正方形型蓋部２とからなる（図３参照）。このファントム要素１００を構成する立方体状箱体１の収容室１５の内部に正方形型線量測定手段３を嵌め込んで挿入（嵌挿）した状態を、未装着状態の正方形型蓋部２と共に、図４に示す。また、図１〜図４に示す実施態様で用いる線量測定手段３は、図５（分解斜視図）に示すように、２枚の正方形型フレーム３２，３５で周縁部を挟まれた正方形型照射線量測定用フィルム３１である。フレーム３２，３５は、それぞれ正方形型枠部３４，３７と、それらに囲まれた正方形型開口窓３３，３６を有し、照射線量測定用フィルム３１は、前記の枠部３４，３７によって挟まれて四周を固定され、開口窓３３，３６の部分で露出される。なお、放射線が照射される側の線量測定用フィルム３１の中央部が露出されていれば充分であるので、放射線が照射される側のフレームとしては、図５に示すように、正方形型開口窓３３を有する正方形型フレーム３２を用い、反対側のフレームとしては、開口窓を有していないフレームを用いることもできる。また、本発明においては、線量測定手段３として、図６に示すように、蛍光ガラス線量板３Ａを用いることもできる。

本発明によるファントム要素１００を構成する立方体状箱体１は、上面全体が開口しており、その上面開口部から線量測定手段３の挿入と、水の充填を行うことが可能である。前記立方体状箱体１は、その対向する内部側壁表面に前記立方体状箱体１の軸方向（図３及び図４の矢印Ｘの方向）に延びる少なくとも一対の溝１１を有し、その一対の溝１１のそれぞれに、耐水性で平板状の正方形型線量測定手段３の両側端部３０Ａ，３０Ｂを挿入することによって、前記正方形型線量測定手段３を前記立方体状箱体１の軸方向Ｘに対して平行な方向で着脱自在に装着することができる。

前記の溝１１は、それぞれ、立方体状箱体１の対向する２つの内部側壁表面に設ける。その際、それぞれの対向する内部側壁表面において、所定の間隔（例えば、１ｃｍ）を設け、しかも、上端部（上面と接する地点）から下端部（底面と接する地点）に至る全長に亘って設ける。また、線量測定手段３の両側端部３０Ａ，３０Ｂを対向する一対の溝１１に嵌め込んで挿入（嵌挿）した場合に、線量測定手段３が、残りのもう１組の対向する２つの内部側壁表面（溝１１を設けていない内部側壁表面）と平行になるように設ける。前記の立方体状箱体１の対向する２つの内部側壁面に、複数の溝１１をそれぞれ同間隔を開けて設けることにより、１枚の線量測定手段３を種々の位置に嵌挿させ、種々の位置における線量測定を実施することができるだけでなく、複数枚の線量測定手段３を同時に嵌挿させて、線量測定を三次元的に実施することも可能になる。また、溝１１は、立方体状箱体１の底面の内側表面に設ける必要はないが、底面の内側表面に設けることもできる。更に、立方体状箱体１の対向する２つの内部側壁表面だけでなく、もう１組の対向する２つの内部側壁表面に溝を設けることもできる。

前記立方体状箱体１に線量測定手段３を挿入した後に、立方体状箱体１の収容室１５の内部に、水を充填し、続いて、正方形型蓋部２で、前記立方体状箱体１の開口上面を水密に密閉する。水の充填は、線量測定手段３を挿入した前記立方体状箱体１の全体を水槽（図示せず）の内の水中に完全に水没させ、立方体状箱体１の収容室１５の内部が水で完全に充填された状態にし、その水中にて正方形型蓋部２で開口上面を覆い、正方形型蓋部２の周縁部に適当な間隔を開けて設けたボルト用貫通ネジ孔２３から、立方体状箱体１の上面縁部に設けたネジ孔１３にボルト（図示せず）を通し、各ボルトを締め付けて水密に密閉することによって行うことができる。なお、ボルトは、放射線照射に影響を与えないため、樹脂製（非金属製）であることが好ましい。

正方形型蓋部２は、例えば、図４（外側表面の斜視図）及び図７（内側表面の斜視図）に示すとおり、水密に密閉した場合に外側に露出する基台２１と、その基台２１の内側表面の中央部に突出する中央突出部２４と、その中央突出部２４の周辺部に設けた緩衝材としてのゴムパッキング２２とを含む。前記の中央突出部２４の突出部は、立方体状箱体１の収容室１５の上部内側壁面の形状と一致し、中央突出部２４は収容室１５内部に入り込む。前記の中央突出部２４の突出部を、立方体状柱状箱体１の収容室１５内部に挿入することにより、立方体状柱状箱体１の収容室１５の内部に嵌挿された線量測定手段３を上方から押さえて固定することが好ましい。また、ゴムパッキング２２は、前記立方体状箱体１の上面の正方形露出面１７の形状と一致する。従って、ボルト用貫通ネジ孔２３からネジ孔１３を通るボルトを締め付けると、ゴムパッキング２２が締め付けられるので、前記立方体状箱体１の収容室１５の内部に充填された水は、漏れ出すことがない。なお、中央突出部２４は、立方体状箱体１の収容室１５の内部に進入するので、その進入する距離に相当する長さだけ、正方形型線量測定手段３の寸法を短くしておく（厳密には、長方形型線量測定手段３となる）。

正方形型蓋部２は、図４及び図７に示すとおり、気泡排出口２６とそれを閉鎖する栓２５を有することができる。水槽内で前記立方体状箱体１の収容室１５の内部に水を充填し、正方形型蓋部２で水密に密閉した後に、収容室１５の内部に気泡が残留することがあるので、水槽内の水中に完全に浸漬させた状態で栓２５を開封し、気泡外部を除去してから再度密封することができる。なお、立方体状箱体１を最初に水槽内の水に完全に浸漬させて収容室１５の内部に水を充填し、続いて、線量測定手段３を一対の溝１１に嵌め込んで挿入（嵌挿）し、その後で正方形型蓋部２で水密に密閉することもできる。

こうして正方形型蓋部２で水密に密閉して形成された本発明による水ファントム１０は、図１〜図３に示すように、外側固体ファントム４に装着する。外側固体ファントム４は、その内部に、水ファントム収容部４１を有しており、外側表面は人体の外形と同様の形状に成形されている。また、外側固体ファントム４の外側表面には、放射線照射を実施する場合の可視マークとなる参照線４３とその交点４２を設けるのが好ましい。

水ファントム１０を含んだ状態で外側固体ファントム４に放射線照射を実施し、その終了後に水ファントム１０を取り出し、続いて線量測定手段３を取り出して、線量測定手段３に記録された照射線量を測定することができる。

本発明の水ファントムあるいはファントム要素において、柱状箱体の外観形状は特に限定されず、例えば、図１〜図４に示した立方体状箱体１であるか、若しくは直方体状箱体であるか、あるいは、図８に示すように、円柱状箱体１Ａであるか、あるいは、楕円柱状箱体であることもできる。なお、図８では、前記の円柱状箱体１Ａの円柱状収容室１５の内部に正方形型又は長方形型線量測定手段３を嵌め込んで挿入（嵌挿）した状態を、未装着状態の円形型蓋部２Ａと共に示す。

本発明で用いる柱状箱体が、図１〜図４に示した立方体状箱体１である場合には、外側固体ファントム４の内部の水ファントム収容部４１に装着する際に、９０°回転させて、立方体状箱体１に挿入されている線量測定手段３の方向を９０°回転させることができる。また、本発明で用いる柱状箱体が、図８に示すような円柱状箱体１Ａである場合には、外側固体ファントム４の内部の円柱状水ファントム収容部４１に装着する際に、任意の角度で回転させ、円柱状箱体１Ａに挿入されている線量測定手段３の方向を任意の角度で回転させることができる。

本発明の水ファントムを収容する外側固体ファントムの外形は、人体の外形と同様に成形するのが好ましい。固体ファントムの材料としては、水等価物として従来から慣用されているポリスチレン（密度＝１．０５）、アクリル樹脂（密度＝１．１８）、又はパラフィン系組成物である「ＭｉｄＤｐ」（密度＝１．００；パラフィン５０．０％，ポリエチレン２５．０％，松ヤニ１６．２％，酸化マグネシウム６．４％，酸化チタン２．４％）を挙げることができる。また、固体外側ファントムの中に、補正用ファントム、例えば、骨ファントムとしてのポリテトラフルオロエチレン（密度＝１．８５）、脂肪ファントムとしてのポリエチレン（密度＝０．９３）、あるいは肺ファントムとしてのコルク（密度＝０．３〜０．４）を含有させることもできる。

本発明の水ファントムに照射される放射線は、放射線治療に用いられる放射線である限り特に限定されず、電磁波（例えば、Ｘ線又はγ線）又は粒子線（例えば、電子線、陽子線、又は中性子線）のいずれでもよく、通常は、Ｘ線、γ線、又は電子線が主に使用され、更には陽子線や重粒子線を使用することもできる。

本発明の水ファントムにおいて、線量測定手段として使用することのできるガラス線量板は、好ましくは蛍光ガラス線量板であり、これは、例えば、銀活性リン酸塩ガラスからなる。銀活性リン酸塩ガラスは、従来から棒状のガラス線量計として広く用いられている。本発明では、この銀活性リン酸塩ガラスを平板状に成形して用いることができる。銀活性リン酸塩ガラスを放射線で照射すると自由電子と正孔とが生じ、これらが銀原子に捕獲されて蛍光中心が生成される。こうして照射されたガラスを約３２０ｎｍの紫外線で励起するとオレンジ色の蛍光を放出する。この現象をラジオフォトルミネッセンス（ＲＰＬ）と称している。放出された蛍光をリーダーで読み取ることにより、放射線量を測定することができる。前記のＲＰＬ中心は極めて安定に長期間保存され、読み取り操作によって消滅することがない。更に、蓄積線量も定量的に測定することができる。また、高温（例えば、約４００℃）で加熱（アニーリング）すると、蛍光中心が消滅し、新たに最初から放射線量の集積を行うことができる。

本発明の水ファントムにおいて、線量測定手段として使用することのできる照射線量測定用フィルムは、例えば、透明イエローポリマー層と不透明白色ポリマー層（又は透明イエローポリマー層）との間に活性層を含む３層構造体である。活性層には、放射線活性物質として、例えば、ジアセチレンモノマーが含まれており、この活性物質は放射線によって照射されると固相重合反応によって、シアンブルー色のポリジアセチレン着色剤に変換される。活性層の外側に配置する透明イエローポリマー層と白色ポリマー層（又は透明イエローポリマー層）は、ＵＶ光や青色光から活性層を保護する機能、活性層内に生成されるポリジアセチレン着色剤の可視性を向上させる機能、及び耐水性を付与する機能を有する。また、前記の照射線量測定用フィルムは、銀粒子を含有せず、現像処理が不要で、通常の室内光には感光性を有していないので、明室内での使用が可能である。更に、放射線で照射すると直ちに発色し、発色の程度は照射線量に比例するので、定量的な線量測定が可能である。市販の照射線量測定用フィルム（GAFCHROMIC; Nuclear Associates社製）は、人体の軟組織に近い組成を有しており、水中に浸漬しても性能変化は起きない。

本発明の水ファントムは、前記のように、外側固体ファントムに装着した状態で放射線照射を実施するのが好ましいが、外側固体ファントムに装着せずに、放射線発生装置の校正用ファントムとして使用することもできる。この場合には、柱状箱体及び／又は蓋部の外側表面に、放射線照射を実施する場合の可視マークとなる参照線とその交点を設けるのが好ましい。

本発明による水ファントムは、放射線療法における治療計画の作成の際、あるいは放射線発生装置の校正用ファントムとして用いることができる。

本発明の水ファントムを外側固体ファントムに装着した状態を示す斜視図である。図１の水ファントムの一部を切り欠いて示す斜視図である。図１の水ファントムの分解斜視図である。本発明のファントム要素を構成する立方体状箱体の収容室の内部に正方形型線量測定手段を嵌挿した状態を、未装着状態の正方形型蓋部と共に示す分解斜視図である。本発明の水ファントムで用いる照射線量測定用フィルムを含む線量測定手段の分解斜視図である。本発明の水ファントムで線量測定手段として用いる蛍光ガラス線量板の斜視図である。本発明の水ファントムで用いる正方形型蓋部の内側表面の斜視図である。本発明のファントム要素を構成する円柱状箱体の収容室の内部に正方形型線量測定手段を嵌挿した状態を、未装着状態の円形蓋部と共に示す分解斜視図である。多数の板状固体ファントムを積み重ねて形成した従来技術の固体ファントムの斜視図である。

符号の説明

１・・・立方体状箱体；１Ａ・・・円柱状箱体；
２・・・正方形型蓋部；２Ａ・・・円形型蓋部；
３・・・線量測定手段；３Ａ・・・蛍光ガラス線量板；
４・・・外側固体ファントム；６・・・固体ファントム；
１０・・・水ファントム；１１・・・溝；１３・・・ネジ孔；
１５・・・収容室；１７・・・正方形露出面；
２１・・・基台；２２・・・ゴムパッキング；
２３・・・ボルト用貫通ネジ孔；２４・・・中央突出部；
２５・・・栓；２６・・・気泡排出口；３０Ａ，３０Ｂ・・・両側端部；
３１・・・照射線量測定用フィルム；３２，３５・・・フレーム；
３３，３６・・・開口窓；３４，３７・・・枠部；
４１・・・水ファントム収容部；４２・・・交点；４３・・・参照線；
６１，６１ａ，６１ｂ・・・板状ファントム；
６２・・・固定バー用孔；６３・・・感光フィルム；
１００・・・ファントム要素；
Ｘ・・・軸方向

Claims

（ａ）上面全体が開口し、水を充填することが可能な柱状箱体と、（ｂ）水を充填した状態の前記箱体の開口上面を水密に密閉することができる蓋部とを含み、
前記柱状箱体がその内部側壁表面に前記柱状箱体の軸方向に延びる少なくとも一対の溝を有し、その一対の溝のそれぞれに、耐水性で平板状の線量測定手段の両側端部を挿入することによって、前記線量測定手段を前記柱状箱体の軸方向に対して平行な方向で着脱自在に装着することが可能であることを特徴とする、ファントム要素。
複数の前記耐水性平板状線量測定手段を着脱自在に装着可能な複数対の溝が、所定の間隔を設けて配置されている、請求項１に記載のファントム要素。
前記の蓋部、又は前記の柱状箱体の側壁部若しくは底面に、気泡排出口少なくとも１つを有する、請求項１又は２に記載のファントム要素。
請求項１〜３のいずれか一項に記載のファントム要素の前記柱状箱体の溝に線量測定手段を嵌め込んで、前記柱状箱体の内部に線量測定手段を装着し、前記柱状箱体の内部を水で完全に充填してから蓋部によって前記柱状箱体の開口上面を水密に密閉した、水ファントム。
前記の耐水性平板状線量測定手段が、ガラス線量板、又は少なくとも一方が中央開口部を有する２枚のフレームで挟まれた線量測定フィルムである、請求項４に記載の水ファントム。