JPWO2006104046A1 - Radiation dosimetry element and radiation dosimetry device using electrically insulating polymer material - Google Patents
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Abstract
加工性に優れ、より生体組織に近い状態で線量を測定し、より広い電圧範囲(例えば低電圧10V以下の小さな暗流で大きな信号電流を検出しうる電気絶縁性高分子材料を使った放射線の線量測定素子および放射線の線量測定装置を提供する。この目的を達成するため、常温で電気絶縁性を有する高分子材料により構成される基板11と、この電気絶縁性高分子基板11の表面または内部に設けた少なくとも一対の電極12,12とを有しており、基板11に放射線が照射されると、その放射線の線量率に対して線形的な一意性を有する出力電流値が得られる。Radiation dose using an electrically insulating polymer material that is excellent in processability, measures the dose in a state closer to living tissue, and can detect a large signal current in a wider voltage range (for example, a low dark voltage of 10 V or less). In order to achieve this object, a substrate 11 made of a polymer material having electrical insulation properties at room temperature and a surface or inside of the electrical insulation polymer substrate 11 are provided. When the substrate 11 is irradiated with radiation, an output current value having linear uniqueness with respect to the radiation dose rate is obtained.
Description
本発明は、放射線の線量測定素子および放射線の線量測定装置に関し、特に、放射線治療における生体内吸収線量や診断用X線の照射による被曝線量、放射線管理区域における被曝や一般環境放射線による被曝線量等を測定するのに好適な電気絶縁性高分子材料を使った放射線の線量測定素子および放射線の線量測定装置に関するものである。 The present invention relates to a radiation dosimetry element and a radiation dosimetry device, and in particular, an in vivo absorbed dose in radiation therapy, an exposure dose due to irradiation with diagnostic X-rays, an exposure dose in a radiation control area, an exposure dose due to general environmental radiation, etc. The present invention relates to a radiation dosimetry element and a radiation dosimetry apparatus using an electrically insulative polymer material suitable for measuring the radiation.
従来より、放射線の吸収線量や照射線量、放射線強度等を測定する技術が提案されている。例えば、特開平9−167594号公報には、比例計数管を用いた放射線検出器が記載されている(特許文献1)。この放射線検出器は、ガスを封入した計数管を有しており、この計数管内部の中心に線状電極を配設している。そして、入射した放射線によって電離された電子とイオン対を電圧を印加した線状電極に集電し、この線状電極から出力されるパルスに基づいて放射線のエネルギーや線量を測定している。そして、生体組織モデルとして比例計数管を使用する場合には、計数管内部に生体組織等価ガスを封入して測定されるものである。 Conventionally, techniques for measuring the absorbed dose, irradiation dose, radiation intensity, and the like of radiation have been proposed. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-167594 discloses a radiation detector using a proportional counter (Patent Document 1). This radiation detector has a counter tube filled with gas, and a linear electrode is disposed in the center of the counter tube. Then, electrons and ion pairs ionized by the incident radiation are collected on a linear electrode to which a voltage is applied, and the energy and dose of the radiation are measured based on a pulse output from the linear electrode. And when using a proportional counter as a biological tissue model, it is measured by enclosing a biological tissue equivalent gas inside the counter.
また、特開2004−20249号公報には、電離箱を用いた放射線検出装置が提案されている(特許文献2)。この放射線検出装置は、ガスを封入した電離箱内に中心電極を設けている。そして、電離箱内に入射した放射線によってガス中に電離生成されたイオンの分量に基づいて、その放射線の強度を測定している。生体モデルとして電離箱を使用する場合には、水が満たされたタンク内に通じる挿入穴に指頭型の電離箱を挿入し、生体組織と等価するものと想定して放射線量を測定している。 Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2004-20249 proposes a radiation detection apparatus using an ionization chamber (Patent Document 2). In this radiation detection apparatus, a center electrode is provided in an ionization chamber filled with gas. And the intensity | strength of the radiation is measured based on the quantity of the ion ionized and produced in gas by the radiation which injected in the ionization chamber. When using an ionization chamber as a living body model, a finger-type ionization chamber is inserted into an insertion hole leading to a water-filled tank, and the radiation dose is measured assuming that it is equivalent to a living tissue. .
さらに、US6,278,117号公報に記載のRadiation Detector(放射線検知器)は、「polymeric substrate(高分子基板)」上に金属電極を配線し、この金属電極を被覆するように「active polymeric layer(活性高分子層)」を形成している(特許文献3)。そして、放射線を照射した際の「active polymeric layer(活性高分子層)」における電流変化に基づいて放射線量を測定するとされている。 Furthermore, a radiation detector described in US Pat. No. 6,278,117 discloses a “active polymeric layer” in which a metal electrode is wired on a “polymeric substrate” and the metal electrode is covered. (Active polymer layer) "is formed (Patent Document 3). And it is supposed that a radiation dose will be measured based on the electric current change in the "active polymeric layer" at the time of irradiation.
また、特開平5−107360号に記載の放射線センサーは、「ハロゲンを含有する有機高分子物質」と「ポリアニリン」とから構成されている(特許文献4)。そして、この「ポリアニリン」の電気伝導度が、放射線の照射線量に依存することを利用して照射線量を求めている。 The radiation sensor described in JP-A-5-107360 is composed of “an organic polymer substance containing halogen” and “polyaniline” (Patent Document 4). And the irradiation dose is calculated | required using the electrical conductivity of this "polyaniline" depending on the irradiation dose of a radiation.
また、特開平2−143188号に記載の放射線検知素子は、絶縁基板上に設けられた一対の電極上に、「導電性高分子化合物」と「放射線感応物質」とからなる「組成物」を塗布して構成されている(特許文献5)。そして、「放射線感応物質」に放射線を照射した際に生成されるドーパントが、「導電性高分子化合物」にドーピングされて導電率や抵抗値が変化することを利用して、放射線量を測定している。 In addition, the radiation detection element described in JP-A-2-143188 has a “composition” composed of a “conductive polymer compound” and a “radiation sensitive substance” on a pair of electrodes provided on an insulating substrate. It is configured by coating (Patent Document 5). Then, the amount of radiation is measured by utilizing the fact that the dopant generated when the radiation sensitive substance is irradiated with radiation is doped into the conductive polymer compound and the conductivity and resistance change. ing.
さらに、特開昭62−299780号に記載の放射線検知素子は、「導電性付与剤」を添加した高分子またはゴムにより検知層が構成されている(特許文献6)。そして、放射線照射量の増加に伴って、抵抗値が低下することを利用して照射量を検知している。 Furthermore, in the radiation detection element described in JP-A-62-299780, the detection layer is composed of a polymer or rubber to which a “conductivity imparting agent” is added (Patent Document 6). And the amount of irradiation is detected using the fact that the resistance value decreases as the amount of radiation irradiation increases.
しかしながら、上述した特許文献1や特許文献2に記載された発明を含め、従来の放射線測定装置では、以下に示す問題が存在する。
(1)組織吸収線量を測定しようとする従来の装置では、生体組織モデルを想定して組織等価ガスや水を使用しているが、本来、人体は液体と固体の混合体と把握されるから、実際に人体が吸収している放射線の線量との誤差が生じるおそれが高い。ここで、吸収線量とは物質の単位質量あたりのエネルギー吸収量を表わす。従って、その量は物質の種類に依存する量である。
(2)従来の比例計数管や電離箱では、形状の自由度がほとんどないため、人体部位や臓器のごとき曲面形状や球面形状、複雑な形状に形成して測定することはできず、現実の人体部位や臓器が受ける吸収線量との誤差が大きくなるおそれがある。
(3)比例計数管の場合、測定対象となる生体組織に等価な体積分の組織等価ガスを封入するためには、計数管が相当に大きくならざるを得ず、装置全体が大型化してしまう。
(4)電離箱の場合、放射線の線量を算出するに際し、使用するガスやビルドアップキャップ等の壁材物質の物性を考慮したブラッグ・グレイの原理に基づいた変換式によって校正する必要があり、算出処理が複雑である。
(5)比例計数管や電離箱では、印加電圧が±(500V〜800V)と高く、特別な電源が必要である。However, the conventional radiation measurement apparatus including the inventions described in
(1) In a conventional apparatus for measuring a tissue absorbed dose, a tissue equivalent gas or water is used assuming a biological tissue model. However, since the human body is originally grasped as a mixture of liquid and solid. There is a high possibility that an error from the radiation dose actually absorbed by the human body will occur. Here, the absorbed dose represents the amount of energy absorbed per unit mass of the substance. Therefore, the amount depends on the type of substance.
(2) Since conventional proportional counters and ionization chambers have almost no degree of freedom in shape, they cannot be measured with curved shapes such as human body parts or organs, spherical shapes, and complex shapes. There is a possibility that an error with the absorbed dose received by a human body part or organ increases.
(3) In the case of a proportional counter, in order to enclose a tissue equivalent gas of a volume equivalent to a living tissue to be measured, the counter must be considerably large, and the entire apparatus becomes large. .
(4) In the case of an ionization chamber, when calculating the radiation dose, it is necessary to calibrate using a conversion formula based on the Bragg-Gray principle that takes into account the physical properties of the wall material such as the gas used and build-up cap. The calculation process is complicated.
(5) In proportional counters and ionization chambers, the applied voltage is as high as ± (500 V to 800 V), and a special power source is required.
一方、半導体素子を用いた放射線検出器も知られているが、高強度の放射線環境下では半導体素子が電気的に壊れたり劣化してしまい、耐久性に欠けるという問題があり、放射線の線量測定素子としては適さない。 On the other hand, radiation detectors using semiconductor elements are also known, but in high-intensity radiation environments, there is a problem that semiconductor elements are electrically broken or deteriorated, resulting in poor durability, and radiation dosimetry Not suitable as an element.
また、上述した特許文献3では、「polymeric substrate(高分子基板)」上にフォトリソグラフィによって電極をプリント配線した後、その上から本願の「高分子基板」に相当する「active polymeric layer(活性高分子層)」を被覆している。このため、FIG.2に示されるように複雑な構造で製造工程も多くなり、コストが嵩むという問題がある。
In
さらに、特許文献3では、FIG.2に示されるように金属電極が極めて小さい間隔で複雑に配線されるため、放射線を照射していないときの出力電流(以下、「暗流」という)が大きくなるものと考えられる。このため、FIG.4に示されるように、印加電圧が1V以上の範囲では、放射線を照射したときの出力電流値が暗流と重なったり、暗流よりも低くなっている。また、FIG.5に示されるように、印加電圧が4V以上の範囲では、抵抗比(放射線OFF/放射線ON)が1.0以下になっている。すなわち、印加電圧が1V以上の範囲では、放射線を照射したときに増加する信号電流に比べて暗流が大きいため、信号電流を判別できず、放射線検知器として使用することが困難である。
Further, in
さらに、特許文献4〜6に記載の放射線検知素子は、導電性高分子を対象とするものであり、さらに高分子材料のみから構成されるものではない。つまり、特許文献4は「ハロゲンを含有する有機高分子物質」に「ポリアニリン」を合成しており、特許文献5は、絶縁基板上に設けられた一対の電極上に「組成物」を塗布しており、特許文献6は、高分子またはゴムに「導電性付与剤」を添加しており、いずれも導電性高分子を対象としている。
Furthermore, the radiation detection elements described in
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、少なくとも以下の一つ以上の作用効果を得ることを目的としている。すなわち、放射線の測定素子を気体ではなく、組織等価プラスチックをはじめとする各種の高分子材料として固体で構成することにより小型化、簡素化および低コスト化し、しかも任意の形状に成形可能であるため人体部位に貼れたり、臓器形状に形成して臓器モデルを成形するなどして、より生体組織に近い状態で吸収線量を精度よく測定することができる。さらにリアルタイムな放射線の線量の測定が可能である。また常温で電気絶縁性を有する高分子材料を採用することにより広い電圧範囲(例えば低電圧10V以下でも可)においても、小さな暗流で大きな信号電流を検出し線量測定素子として使用することができる電気絶縁性高分子材料を使った放射線の線量測定素子および放射線の線量測定装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such problems, and has an object of obtaining at least one of the following effects. In other words, the radiation measuring element is made of solid as various polymer materials such as tissue equivalent plastic instead of gas, so that it can be miniaturized, simplified and reduced in cost, and can be molded into any shape. The absorbed dose can be accurately measured in a state closer to a living tissue, for example, by being attached to a human body part or by forming an organ model by forming it into an organ shape. In addition, the radiation dose can be measured in real time. In addition, by adopting a polymer material having electrical insulation properties at room temperature, even in a wide voltage range (for example, a low voltage of 10 V or less is acceptable), a large signal current can be detected with a small dark current and used as a dosimetry element. An object of the present invention is to provide a radiation dosimetry element and a radiation dosimetry apparatus using an insulating polymer material.
本発明者らは、すでに特願2004−151087号において、組織等価プラスチックにより構成した基礎部材の表面に半導体あるいは絶縁体からなる薄膜層を形成し、この薄膜層に一対の電極を設けた線量測定素子を発明し、従来の問題点を解消し得るものであることを提案しているところである。そして、今回、発明者らはさらに研究を進め、前述した半導体あるいは絶縁体の薄膜層を形成することなく電気絶縁性高分子材料のみから構成される素子であっても、放射線線量と出力電流との線形性が得られ、放射線センサーとしての動作を確認することができた。これによれば、格段に成形性に優れるとともに大幅なコスト抑制が可能となり、実用性が高い。また、高分子材料は生体組織の低原子番号物質に近いことから生体の吸収線量の推定が容易であるというメリットもある。 The present inventors have already disclosed in Japanese Patent Application No. 2004-151087 a dose measurement in which a thin film layer made of a semiconductor or an insulator is formed on the surface of a base member made of a tissue equivalent plastic, and a pair of electrodes is provided on the thin film layer. An element has been invented, and it has been proposed that conventional problems can be solved. And this time, the inventors proceeded further research, and even with an element composed only of an electrically insulating polymer material without forming the above-described semiconductor or insulator thin film layer, the radiation dose and the output current It was possible to confirm the operation as a radiation sensor. According to this, the moldability is remarkably excellent, and the cost can be drastically reduced, which is highly practical. In addition, since the polymer material is close to a low atomic number substance in living tissue, there is also an advantage that it is easy to estimate the absorbed dose of the living body.
そこで、本発明に係る電気絶縁性高分子材料を使った放射線の線量測定素子の特徴は、常温で電気絶縁性を有する高分子材料により構成される基板と、この電気絶縁性高分子基板の表面または内部に設けた少なくとも一対の電極とを有する点にある。 Therefore, the radiation dosimetry element using the electrically insulating polymer material according to the present invention is characterized by a substrate composed of a polymer material having electrical insulation properties at room temperature and the surface of the electrically insulating polymer substrate. Alternatively, it has at least a pair of electrodes provided inside.
また、本発明において、前記電気絶縁性高分子基板は、放射線の照射によって出力電流値が放射線の線量に対して線形的な一意性を有しているものである。 In the present invention, the electrically insulating polymer substrate has an output current value that is linearly unique with respect to the radiation dose when irradiated with radiation.
ここで、本発明のメカニズムについて説明する。絶縁体、半導体に光を照射したときに、光が照射された絶縁体、半導体の光起電力効果が発生する現象は内部光電効果として知られている。本件出願に係る発明者らが鋭意研究したところ、生体組織等価プラスチックをはじめとする電気絶縁性高分子材料に放射線を照射することによっても、放射線が照射された高分子材料の電流値が外部信号として取り出すのに十分な変化をすることがわかり、しかも放射線強度および放射線の線量と出力電流値の変化が一意に対応して、直線的な線形性を有することがわかった。これは全く新しい知見である。また、電流値の変化が、主として高分子の表面近傍や内部において放射線による高分子鎖状結合手の切断により、ダングリングボンドの発生を引き起こし、そこからの電子などキャリアが生成されているものと考えられ、これが外部電界でドリフトすることで外部電流が得られると考えられる。放射線の照射により電流値が変化するという現象のみから見ると内部光電効果と類似するが、β線(電磁波ではない)の照射によっても電流値が変化することが確認されており、内部光電効果とは異なるものであると考えられる。つまり、通常の高分子材料の場合、電荷を運ぶ粒子である電子は、分子を構成する原子から動けない束縛状態にあり、380nm〜780nmの可視光領域ではその束縛を切る程のエネルギーを持たないので電流が流れない。放射線照射によって、放射線が照射された表面あるいは表面近傍にキャリアが誘起されるものと考えられる。本発明における放射線は電離放射線であり、γ線、β線、α線、X線を対象とする。 Here, the mechanism of the present invention will be described. A phenomenon in which a photovoltaic effect of an insulator or semiconductor irradiated with light occurs when the insulator or semiconductor is irradiated with light is known as an internal photoelectric effect. The inventors of the present application have conducted intensive research and found that the current value of the polymer material irradiated with radiation is also an external signal by irradiating the electrically insulating polymer material including biological tissue equivalent plastics with radiation. As a result, it was found that the change of the radiation intensity, the dose of radiation, and the change of the output current value uniquely correspond to each other and have a linear linearity. This is a completely new finding. In addition, the change in the current value causes the generation of dangling bonds due to the breakage of polymer chain-like bonds by radiation mainly near or inside the polymer surface, and carriers such as electrons are generated from the dangling bonds. It is conceivable that an external current is obtained by drifting in an external electric field. It is similar to the internal photoelectric effect when viewed only from the phenomenon that the current value changes due to irradiation of radiation, but it has been confirmed that the current value also changes due to irradiation of β rays (not electromagnetic waves). Are considered different. In other words, in the case of a normal polymer material, electrons, which are particles that carry charge, are in a bound state where they cannot move from the atoms that constitute the molecule, and do not have enough energy to break the binding in the visible light region of 380 nm to 780 nm. So no current flows. It is considered that carriers are induced by or near the surface irradiated with radiation. The radiation in the present invention is ionizing radiation and targets γ rays, β rays, α rays, and X rays.
また、本発明において、前記高分子材料は、電極間の電気抵抗値が約1010Ω以上、より好ましくは1012Ω以上となる電極間距離に設定されていることが好ましく、人体への被曝線量を測定対象とする際には生体組織等価プラスチックを採用することが望ましい。この場合、放射線の線量は生体組織の吸収線量に対応している。これによれば、生体と同等若しくは類似の組成によって放射線の吸収量を測定することができ、より一層人体に対する放射線吸収量等を精度よく測定することが可能となる。In the present invention, it is preferable that the polymer material is set to an inter-electrode distance at which an electric resistance value between the electrodes is about 10 10 Ω or more, more preferably 10 12 Ω or more. When the dose is to be measured, it is desirable to use a biological tissue equivalent plastic. In this case, the radiation dose corresponds to the absorbed dose of the living tissue. According to this, the amount of radiation absorbed can be measured with a composition equivalent to or similar to that of a living body, and the amount of radiation absorbed into the human body can be further accurately measured.
さらに、本発明において、前記電気絶縁性高分子基板は、身体表面に貼付あるいは体内に挿入される場合、生体組織等価プラスチックから構成されていることが好ましい。 Furthermore, in the present invention, the electrically insulating polymer substrate is preferably composed of a biological tissue equivalent plastic when being attached to the body surface or inserted into the body.
また、本発明において、放射線照射による画像撮影や放射線照射治療等の際における患者の被曝線量の測定に使用する場合、前記電気絶縁性高分子基板を、当該照射する放射線の実効エネルギーにおいて約90%以上の透過性を有する電気絶縁性高分子材料によって構成され、例えばシーツ状などに加工して患者にかけることが望ましい。 Further, in the present invention, when used for measuring the exposure dose of a patient at the time of imaging by radiation irradiation or radiation irradiation treatment, the electrically insulating polymer substrate is about 90% in effective energy of the irradiated radiation. It is desirable that it is made of an electrically insulating polymer material having the above permeability, and is applied to a patient after being processed into a sheet shape, for example.
また、本発明において、放射線を扱う空間の窓などに使用する場合、前記電気絶縁性高分子基板を、可視光に対する透明度を有する電気絶縁性高分子材料によって構成することが好ましい。 In the present invention, when used for a window of a space for handling radiation, the electrically insulating polymer substrate is preferably made of an electrically insulating polymer material having transparency to visible light.
また、本発明に係る放射線の線量測定装置の特徴は、電気絶縁性高分子基板の表面または内部に少なくとも一対の電極を有する放射線の線量測定素子と、この放射線の線量測定素子の一対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、前記電極間を流れる電流を検出する電流検出手段と、検出された電極間電流から線量を換算する線量取得手段と、線量を表示する表示手段とを有し、放射線の照射によって前記線量測定素子の出力電流値が放射線の線量に対して線形的な一意性をもって変化することを用いて放射線の線量を測定する点にある。 The radiation dose measuring device according to the present invention is characterized in that a radiation dose measuring element having at least a pair of electrodes on the surface or inside of an electrically insulating polymer substrate, and a pair of electrodes of the radiation dose measuring element. A voltage applying means for applying a voltage to the electrode, a current detecting means for detecting a current flowing between the electrodes, a dose acquiring means for converting a dose from the detected interelectrode current, and a display means for displaying the dose. The radiation dose is measured using the fact that the output current value of the dosimetry element changes with linear uniqueness with respect to the radiation dose due to radiation irradiation.
このような構成によれば、電圧印加手段により一対の電極に電圧を印加した状態で、放射線の線量測定素子の電気絶縁性高分子基板が放射線を受けると、その電気絶縁性高分子基板の表面およびまたは表面近傍においてキャリアが生成され、発生したキャリアが正負電極へ流れるため、そのキャリアによる微弱電流を電流検出手段により検出することにより、放射線を検出することができる。そして、電流検出手段により前記微弱電流を測定することで、放射線の線量も検出することが可能となる。 According to such a configuration, when the electrically insulating polymer substrate of the radiation dosimetry element receives radiation in a state where a voltage is applied to the pair of electrodes by the voltage applying means, the surface of the electrically insulating polymer substrate In addition, carriers are generated in the vicinity of the surface, and the generated carriers flow to the positive and negative electrodes. Therefore, radiation can be detected by detecting a weak current due to the carriers by the current detection means. Then, it is possible to detect the radiation dose by measuring the weak current by the current detecting means.
そして、本発明において、カテーテルの先端内に前記線量測定素子を取り付けるとともに、カテーテルのチューブ内に配置したマイクロストリップライン等の一定な特性インピ−ダンス線に接続して電圧印加手段および電流検出手段に接続し、これにより検出された電極間電流から線量を換算する線量換算手段と、線量を表示する表示手段とを有する構成としてもよい。 And in this invention, while attaching the said dosimetry element in the front-end | tip of a catheter, it connects to fixed characteristic impedance lines, such as a microstrip line arrange | positioned in the tube of a catheter, and a voltage application means and an electric current detection means It is good also as a structure which has a dose conversion means which converts a dose from the current between electrodes detected by this, and a display means which displays a dose.
さらには、本発明において、ボタン状の小型筐体内に、前記線量測定素子と、電流増幅器を内蔵した線量換算機能を有する演算処理部および計測データ蓄積する記憶部を備えた電子回路基板と、小型電池と、警報装置と、外部接続コネクタとを内蔵し、前記線量測定素子と前記電子回路基板および小型電池とを一対の一定な特性インピ−ダンス線を介して接続して構成されるようにしてもよい。 Further, in the present invention, in the button-shaped small housing, the dose measuring element, an electronic processing board having a dose conversion function with a built-in current amplifier and a storage unit for storing measurement data, and a small size A battery, an alarm device, and an external connection connector are built in, and the dose measuring element, the electronic circuit board and the small battery are connected via a pair of constant characteristic impedance lines. Also good.
さらにまた、靴の底部内に、前記線量測定素子と、電流増幅器を内蔵した線量換算機能を有する演算処理部および計測データ蓄積する記憶部を備えた電子回路基板と、小型電池と、警報装置と、外部接続コネクタとを内蔵し、前記線量測定素子と前記電子回路基板および小型電池とを一対の一定な特性インピ−ダンス線を介して接続して構成されるようにしてもよい。 Furthermore, in the bottom of the shoe, the dose measuring element, an electronic processing board having a dose conversion function with a built-in current amplifier and a storage unit for storing measurement data, a small battery, an alarm device, An external connection connector may be built in, and the dose measuring element, the electronic circuit board and the small battery may be connected via a pair of constant characteristic impedance lines.
本発明によれば、
1)放射線の線量測定素子を曲面や球状等の任意の形状に形成できるため、放射線治療において人体や臓器に貼付して生体内吸収線量を測定したり、診断用X線の照射による被曝線量を測定することができる。この場合、人体部位や臓器の形状に形成することにより臓器モデルケースを使って吸収線量を予測したり、放射線を照射しながらリアルタイムに実測することも可能である。
2)放射線管理区域や一般環境における放射線量を人体を模擬する組織モデルにて測定することも可能である。
3)従来に比べて装置全体を小型化、簡素化および低コスト化することができる。
4)高強度の放射線環境下でも動作安定性、信頼性、耐久性に優れた測定ができる。
5)広い電圧範囲(低電圧10V以下でも可)においても小さな暗流で大きな信号電流を検出し放射線の線量を測定することができる等の効果を奏する。According to the present invention,
1) Since the radiation dose measuring element can be formed into any shape such as a curved surface or a spherical shape, it can be applied to the human body or organ in radiation therapy to measure the absorbed dose in the body, or the radiation dose due to irradiation with diagnostic X-rays. Can be measured. In this case, the absorbed dose can be predicted using an organ model case by forming it in the shape of a human body part or organ, or it can be measured in real time while irradiating with radiation.
2) It is also possible to measure the radiation dose in a radiation control area or general environment with a tissue model that simulates the human body.
3) Compared with the prior art, the entire apparatus can be reduced in size, simplified and reduced in cost.
4) Measurements with excellent operational stability, reliability, and durability can be performed even in a high-intensity radiation environment.
5) Even in a wide voltage range (low voltage of 10 V or less is possible), it is possible to detect a large signal current with a small dark current and measure a radiation dose.
以下、本発明に係る電気絶縁性高分子材料を使った放射線の線量測定素子1およびこれを用いた放射線の線量測定装置2の実施形態について図面を用いて説明する。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a radiation
図1は、本実施形態の放射線の線量測定装置2の構成を示す模式図である。本実施形態の放射線の線量測定装置2は、放射線の線量を検出するための放射線の線量測定素子1と、この放射線の線量測定素子1を制御し放射線の線量を算出する装置本体3と、放射線線量の測定結果を表示する表示装置4とから構成されている。なお、本実施形態において線量とは、生体組織をはじめとする物質の吸収線量に対応した線量を示す。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a radiation
まず、放射線の線量測定素子1について説明する。本出願に係る発明者らは、前述した課題に対して鋭意研究した結果、電気絶縁性高分子材料のみから構成される電気絶縁性高分子基板の表面に放射線を照射することにより電流が流れ、しかもその出力電流値が照射された放射線の線量に対して線形な一意性を有していることを見い出した。このような電流値と放射線線量との線形性関係を利用することによって前記電気絶縁性高分子基板に発生する電流値、あるいはその電流によって起こる電極間電圧の変化を検出することにより照射された放射線の線量率を測定できる本発明に想到した。
First, the radiation
図1に示すように、本実施形態の放射線の線量測定素子1は、組織等価プラスチックあるいはこれと同等の性質を有する材料により構成され、常温で電気絶縁性を有する高分子基板11と、この電気絶縁性高分子基板11の表面に設けた一対の電極12,12とから構成されている。この電極12,12は一対に限定する必要はなく、たとえば下面側にも形成して二対の電極12,12として構成してもよい。
As shown in FIG. 1, the radiation
電気絶縁性高分子基板11は、放射線照射によって表面や表面近傍または内部、あるいはそれら両方においてキャリアを生成してコンダクタンスに変化を生じさせるためのものであり、組織等価プラスチックをはじめ各種の高分子材料によって成形可能である。前記電気絶縁性高分子基板11は、放射線非照射時には電気的な絶縁性に優れる一方、放射線を照射した際に微小電流が流れ、その電流値が放射線の線量に対して比例的な線形性を有している。
The electrically
本実施形態における電気絶縁性高分子基板11は、放射線照射による実用的大きさの信号を検出するために、一対の電極間の電気抵抗値が約1010Ω以上、より好ましくは約1012Ω以上の電極間距離に設定されている。また、電気絶縁性物質の抵抗率は一般的には約1010Ωcm以上のものを示すが、電気絶縁性高分子基板11に使用される高分子材料の抵抗率としては、放射線照射による信号検出が可能であればよく、約1012Ωcm以上が好ましく、約1014Ωcm以上であればより好ましい。例えば、室温程度における体積抵抗率で、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、およびポリカーボネート等は1016Ωcm以上であり、フェノール樹脂では1011〜1012Ωcm、エポキシ樹脂では1015〜1017Ωcm、ポリエステル樹脂では約1014Ωcmである。In the present embodiment, the electrical insulating
ここで、組織等価プラスチックとは、生体組織を構成する元素(C,H,O,N,F等)の組成に近い化学式(または混合比)を有する電気絶縁性高分子材料(プラスチック)のことであり、化学組成が類似しているため、放射線との相互作用を考える上では生体組織と等価とみなせるものである。前記組織等価プラスチックの組成は、生体軟組織や筋肉組織の元素組成に類似しており、高エネルギーを有する放射線粒子に対しては、阻止能というエネルギー付与量を表す物理量が等価な値を示す。組織等価プラスチックの例としては、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリアミドナイロン、ポリエチレンテレフタレート、水等価プラスチック、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレン等が挙げられる。また、組織等価プラスチックは、プラスチックとしての性質を備えているため、任意の形状に形成することが可能であり、曲面形状や複雑な形状にも容易に対応できる。 Here, the tissue equivalent plastic is an electrically insulating polymer material (plastic) having a chemical formula (or mixing ratio) close to the composition of elements (C, H, O, N, F, etc.) constituting the living tissue. Since the chemical composition is similar, it can be regarded as equivalent to a living tissue in considering the interaction with radiation. The composition of the tissue-equivalent plastic is similar to the elemental composition of living soft tissue and muscle tissue, and for a radiation particle having high energy, a physical quantity representing an amount of energy imparted as a stopping power shows an equivalent value. Examples of the tissue equivalent plastic include polycarbonate, acrylic resin, polyethylene, polyamide nylon, polyethylene terephthalate, water equivalent plastic, urethane resin, epoxy resin, polytetrafluoroethylene, and the like. In addition, since the tissue equivalent plastic has properties as a plastic, it can be formed into an arbitrary shape and can easily cope with a curved surface shape or a complicated shape.
つぎに、一対の電極12,12は、正電極と負電極とから構成されており、図1に示すように、所定の間隔を隔てて電気絶縁性高分子基板11の表面に設けられている。本実施形態の各電極12,12は、真空蒸着法等の薄膜技術を使って金(Au)からなる金属薄膜として形成している。前記一対の電極12,12は、所定のケーブルを介して装置本体3に接続される。なお、電極12,12の配置は上記構成に限られるものではなく、後述するように電気絶縁性高分子基板11の内部に挿入するようにしてもよい。
Next, the pair of
つぎに、装置本体3について図2を用いて説明する。本実施形態の装置本体3は、放射線の線量測定素子1の電極12,12間にバイアス電圧を印加する電圧印加回路31と、前記電極12,12間を流れる微弱電流を検出する電流検出器32と、この電流検出器32で検出した微弱電流を増幅する増幅回路33と、表示装置4を表示させる表示駆動回路34と、これら電流検出器32、増幅回路33および表示駆動回路34とインターフェース35を介して接続されるマイクロコンピュータ36とを有している。
Next, the apparatus
電圧印加回路31は、図2に示すように、所定のケーブルにより放射線の線量測定素子1の各電極12,12に接続されている。また、インターフェース35を介してマイクロコンピュータ36と接続され、印加するバイアス電圧が調整されている。電極12,12間に印加するバイアス電圧は、電気絶縁性高分子基板11の材質や一対の電極12,12間の距離に応じて適宜決定され、本実施形態では、約1〜100Vの直流電圧に設定されている。
As shown in FIG. 2, the
電流検出器32は、図2に示すように、放射線の線量測定素子1の正電極12に接続されている。本実施形態では、図示しないソレノイドコイルとホール素子とから構成されており、正電極12からの微弱電流によりソレノイドコイルに発生した磁力線をホール素子が検出している。したがって、微弱な電流であっても高精度に検出する。なお、電流検出器32としては、安価な電流オペアンプを使用してもよい。
As shown in FIG. 2, the
マイクロコンピュータ36は、図示しないROM(Read Only Memory)とRAM(Random Access Memory)とCPU(Central Processing Unit)とを有しており、線量換算手段をはじめ各種の制御手段として機能する。ROMには、放射線の線量を測定するための線量測定プログラムや、表示装置4に表示を行うための表示制御プログラム等が予め入力格納されている。線量測定プログラムには、検出した電流値から放射線の線量を算出するための所定の換算式あるいは換算表が組み込まれている。前記換算式あるいは換算表は、構成や材質の異なる線量測定素子1ごとに求められるものであり、放射線の強度とその放射線が照射された電気絶縁性高分子基板11における電流値との比例的な線形関係により定められる。RAMには、電流検出器32が検出した微弱電流値が所定の時間間隔(例えば1秒)で更新されつつ格納される。CPUは、ROMに格納された線量測定プログラムに基づいて、RAMに格納された最新の電流値データを取得し、所定の換算式や換算表により放射線の線量を取得する。この取得した値は、表示駆動回路34を介して表示装置4に表示される。
The
つぎに、本実施形態の電気絶縁性高分子材料を使った放射線の線量測定素子1およびこれを用いた放射線の線量測定装置2による作用を説明する。
Next, the operation of the radiation
まず、放射線の線量測定素子1を放射線が照射される位置にセットする。このとき、放射線の線量測定素子1は任意の形状に薄く形成することができるため、被照射体の表面形状に沿って張り付けることも可能である。また、例えば、人体の所定の部位(臓器など)の模型を組織等価プラスチックにより形成し、この模型の表面に電極12、12を形成すると、その部位に照射される放射線の線量をモニタするための放射線の線量測定素子1として構成される。
First, the radiation
放射線の線量測定素子1を所定位置にセットした後、電圧印加回路31により所定のバイアス電圧を一対の電極12,12に印加する。これにより、電気絶縁性高分子基板11を通じて正電極から負電極へほぼ一定の微弱電流が流れる。電流検出器32は、常時その微弱電流を検出するとともに、検出された電流値は増幅回路33で増幅された後、インターフェース35を介してマイクロコンピュータ36に入力される。マイクロコンピュータ36は、取得した最新の電流値を所定の時間間隔でRAMに更新しつつ格納する。格納された電流値はCPUにより逐次取得され、その増減が監視される。
After the radiation
以上のように、放射線の線量測定素子1にバイアス電圧が印加された状態で電気絶縁性高分子基板11の表面に放射線が照射されると、電気絶縁性高分子基板11の表面近傍にキャリアが発生する。これにより、発生したキャリアは、バイアス電圧により電極12,12へ流されるため、電極12,12へ流れる電流が僅かに増加する。CPUは、放射線照射による微小な電流増加を検出したとき、その電流増加と上述した所定の換算式あるいは換算表に基づいて、電気絶縁性高分子基板11に入射した放射線の線量を算出する。算出された放射線の線量は、表示装置4に数値とグラフの形で表示される。
As described above, when radiation is applied to the surface of the electrically insulating
つぎに、本実施形態の放射線の線量測定素子1に係る実験例を説明する。本特許出願に係る発明者らは、線量測定素子1に電気絶縁性高分子基板11を適用するに先立ち、絶縁性の基板としてアルミナ(Al2O3)や組織等価プラスチックを使用し、これらの基板上に酸化チタン薄膜層、アルミナ薄膜層、酸化ジルコニウム薄膜層を形成して放射線を照射する基礎実験を行い、その放射線量に対して出力電流が線形的な一意性を有するとの結果を得て、特願2004−151087号にて開示しているところであるが、本件ではさらなる実験により、前記酸化金属薄膜を形成する必要がなく、電気絶縁性高分子材料のみによる基板11を使用することによって放射線量に対して出力電流が線形的な一意性を有するとの実験結果を得た。以下、各実験例について説明する。Next, an experimental example according to the radiation
『実験例1』
本発明に係る実験例について説明する。図3は実験に用いた放射線検出素子1(放射線の線量測定素子でもある)の測定回路の模式図である。放射線検出素子1は、各種の電気絶縁性高分子材料から構成される基板11と、この電気絶縁性高分子基板11の上に間隔を隔てて対向状に設けた一対の直線状の電極12,12とから構成される。電気絶縁性高分子基板11の膜厚は1mm、縦および横の長さはそれぞれ10mmとした。電極12,12は基板11の端部に形成されており、縦10mm、横3mm、厚さ200〜300nmであり、電極間距離は6mmである。"
An experimental example according to the present invention will be described. FIG. 3 is a schematic diagram of a measurement circuit of the radiation detection element 1 (also a radiation dose measurement element) used in the experiment. The
電気絶縁性高分子基板11の材料としては、プラスチックウォーター(米国CIRS社の登録商標)、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK:英国ビクトレックス社の登録商標)、テフロン(登録商標)(米国デュポン社)をそれぞれ使用した。プラスチックウォーター(登録商標)は比重が1.039(g/cm3)であって水に極めて近い比重を備えており、その組成比率は炭素Cが0.599,酸素Oが0.235、水素Hが0.078,窒素Nが0.018,カルシウムCaが0.068,塩素Clが0.002である。また、ポリイミドは全芳香族ポリイミドであってTI−3000(東レ製)を使用し、その比重は約1.4(g/cm3)であり、その組成比率は炭素Cが0.525,水素Hが0.300,酸素Oが0.125、窒素Nが0.05である。また、ポリカーボネートの比重は約1.2(g/cm3)である。一方、実験用電源は0〜100V出力のエレクトロメータ内蔵の直流安定化電源を使用し、検流計(エレクトロメータ)Gで電流の出力を測定した。Materials for the electrically insulating
また、本実験例1では、まずX線を照射する実験を行った。X線の照射装置はスタビリパンII(シーメンス社製)を使用し、照射条件は、管電圧100kV、実効電圧57keV、管電流20mA、照射時間60sec、照射距離40〜110cmとした。なお、印可電圧は10V一定にして行った。
In Experimental Example 1, first, an experiment of irradiating X-rays was performed. As the X-ray irradiation apparatus, Stabilpan II (manufactured by Siemens) was used, and the irradiation conditions were
図4は、各種の電気絶縁性高分子基板11に対してX線を照射した際の照射線量率と出力電流値との関係を示すグラフである。グラフの横軸にはX線照射線量率、縦軸には出力電流値を示す。このグラフから明らかなように、各種の電気絶縁性高分子材料で作製した基板11に生じる電流値はX線の照射線量率に対して比例的な線形性を示して一意的に定まる。今回の実験に供した高分子の中ではポリカーボネートが最高出力電流を示しており、35×10−4(C/kg/min)のX線照射線量率のときに約350pAの電流値を出力した。このポリカーボネートの比例特性に基づきその傾きである平均感度を求めると、約90[nA/(C/kg/min)]である。一方、PEEK(登録商標)、プラスチックウォーター(登録商標)およびポリイミドはポリカーボネートおよびテフロン(登録商標)に比べて出力電流値が小さく約150pAの出力電流値を示しているが、直線的な線形性を有しているためセンサーとしては問題ない。特に各電気絶縁性高分子材料では、わずか10V電圧でも充分な出力が得られており、また1Vであっても出力電流が得られることが確認されており、低電圧印加状態でもセンサーとして利用できることは実用上好適である。なお、照射線量と吸収線量とは、生体の軟部組織、例えば筋肉や内臓等ではほぼ比例することから、上記グラフの結果は、発生する電流値と吸収線量との関係に対しても同様に適用し得るものであり、比例的な線形性を有するといえる。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the irradiation dose rate and the output current value when various types of electrically insulating
『実験例2』
つぎに、実験例2として、放射線のうちγ線を照射した際の照射線量率に対する出力電流値の特性を調べた。放射線線量測定素子1の寸法および電気絶縁性高分子材料の種類は実験例1と同様である。また、γ線の照射装置は東芝コバルト60回転治療装置(東芝製)を使用した60Coのγ線源であり、照射条件は、γ線エネルギーを平均1.25MeV、照射時間60sec、照射距離65〜125cmとした。印加電圧は10Vである。"
Next, as Experimental Example 2, the characteristics of the output current value with respect to the irradiation dose rate when γ rays were irradiated among the radiation were examined. The dimensions of the radiation
図5に実験例2の結果を示す。図5は各種の電気絶縁性高分子基板11に対してγ線を照射した際の照射線量率と出力電流値との関係を示すグラフである。実験例1のX線の場合と同様、各種の電気絶縁性高分子材料による基板11に発生する電流値はγ線の照射線量率に対して比例的な関係を示して一意的に定まることがわかる。また、ポリカーボネート、テフロン(登録商標)およびPEEK(登録商標)の出力電流値が約9×10−4(C/kg/min)のX線照射線量率のときに約35pA〜40pAの電流値を出力したのに対し、ポリイミドは同照射線量率に対して約8pA、プラスチックウォーター(登録商標)は約14pAの電流値であった。ただし、いずれの電気絶縁性高分子材料であっても10V程度の印加電圧によって充分に測定可能な電流値を出力していることから、いずれもセンサーとしての実用性を備えている。なお、前記ポリカーボネートの平均感度は約30[nA/(C/kg/min)]であった。FIG. 5 shows the results of Experimental Example 2. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the irradiation dose rate and the output current value when γ rays are irradiated to various electrically insulating
『実験例3』
つぎに、電気絶縁性高分子基板11が真空雰囲気中においても放射線の照射量に対して出力電流値が比例的な線形性を有するか否かについて実験を行った。これは、上記実験例1および実験例2における照射線量と電流値の比例的特性が、周辺雰囲気による影響、例えば、電気絶縁性高分子基板11の近傍に存在する気体の電離による影響を受けていないかを確認するための実験である。電気絶縁性高分子基板11の材料としては最高電流出力を示したポリカーボネートを使用し、真空雰囲気の条件以外は実験例1と同様な条件下でX線を照射した。真空度は10−3Torrオーダーとした。"
Next, an experiment was conducted to determine whether or not the electrically insulating
図6は実験例3の結果を示すグラフである。横軸を放射線の照射線量率とし、縦軸を出力電流値としている。このグラフから真空雰囲気中であっても放射線線量率に対して出力電流値は比例的線形性を有することが認められる。なお、出力電流値が約20×10−4(C/kg/min)のX線照射線量率(真空チャンバ表面での線量率)のときに約13pAであって大気中の結果(約230pA)より減少している。これは、真空チャンバ内に放射線線量測定素子1をセットすることで線量測定素子1に到達する放射線量が減衰してしまうためと考えられる。FIG. 6 is a graph showing the results of Experimental Example 3. The horizontal axis is the radiation dose rate, and the vertical axis is the output current value. From this graph, it is recognized that the output current value has a proportional linearity with respect to the radiation dose rate even in a vacuum atmosphere. In addition, when the output current value is an X-ray irradiation dose rate (dose rate on the vacuum chamber surface) of about 20 × 10 −4 (C / kg / min), it is about 13 pA and the result in the atmosphere (about 230 pA) It is decreasing more. This is considered because the radiation dose reaching the
『実験例4』
つぎに、X線のON/OFFに対する外部出力電流の応答特性を調べた。電気絶縁性高分子材料はポリカーボネートを使用し、X線照射時間は60秒である。外部印加電圧を10Vで一定とし、X線の強度を8×10−4(C/kg/min)、9×10−4(C/kg/min)、11×10−4(C/kg/min)、13×10−4(C/kg/min)と順次変化させ、そのときの出力電流値を測定した。“
Next, the response characteristic of the external output current with respect to ON / OFF of the X-ray was examined. The electrically insulating polymer material uses polycarbonate, and the X-ray irradiation time is 60 seconds. The externally applied voltage is constant at 10 V, and the X-ray intensity is 8 × 10 −4 (C / kg / min), 9 × 10 −4 (C / kg / min), 11 × 10 −4 (C / kg / min) and 13 × 10 −4 (C / kg / min) in order, and the output current value at that time was measured.
図7は実験例4の結果を示すグラフであり、横軸はX線照射時間、縦軸は出力電流値である。図7によれば、X線強度が8×10−4(C/kg/min)のとき約115pAの出力電流値を示し、9×10−4(C/kg/min)のとき約130pA、11×10−4(C/kg/min)のとき約155pA、13×10−4(C/kg/min)のとき約185pAの電流値を示していることがわかる。このようにX線強度を増加すると、電気絶縁性高分子基板11内に発生する電荷キャリア量が増加すると考えられ、出力電流が増加することがわかる。また、X線源のON/OFFに対する応答速度は1秒以内であることがわかる。FIG. 7 is a graph showing the results of Experimental Example 4. The horizontal axis represents the X-ray irradiation time, and the vertical axis represents the output current value. According to FIG. 7, when the X-ray intensity is 8 × 10 −4 (C / kg / min), an output current value of about 115 pA is shown, and when the X-ray intensity is 9 × 10 −4 (C / kg / min), about 130 pA, It can be seen that the current value is about 155 pA at 11 × 10 −4 (C / kg / min) and about 185 pA at 13 × 10 −4 (C / kg / min). It can be seen that increasing the X-ray intensity in this way increases the amount of charge carriers generated in the electrically insulating
つぎに、他の構成からなる放射線検出素子1を使った実施例について説明する。前述の各実施例では、電気的絶縁性高分子基板11の表面に電極12,12を配した放射線検出素子1を使用しているが、以下の実験例では、図8に示すように、電極12,12を電気的絶縁性高分子基板11の内部に挿入した放射線検出素子1を使用し、同様な効果が得られるかについて実験した。
Next, an embodiment using the
『実験例5』
本実験例5では、一対の電極12,12を表面ではなく内部に挿入した場合であっても同様に実用性のある電流が出力されるか否かについて確認する実験を行った。図8に示すように、10mm×10mm×1mmサイズの放射線検出素子1に最大径0.5mmの針電極を1mmの厚み部分に2mm程度挿入して一対の電極12,12を構成した。電極12,12間距離は6mmである。この電極12,12に1〜100Vの電圧を印加して実験を行った。X線照射線量は35×10−4(C/kg/min)の一定にした。"
In this Experimental Example 5, an experiment was conducted to confirm whether or not a practical current is output even when the pair of
図9は実験例5の結果を示すグラフであり、横軸は電極間電圧、縦軸は出力電流値である。図9によれば、一定放射線線量において放射線検出素子1内で発生する荷電粒子数が一定と考えられる状態で、印加電圧を1V〜100Vへと上昇することにより荷電粒子の速度vが上昇し、電流密度i=nev(A/m2)の関係式に従って電流が増加していくことがわかる。ここでnは荷電粒子の密度、eは荷電粒子の電荷量、vは荷電粒子の速度でv=μ(V/d)である。但し、μは荷電粒子の移動度である。したがって、電極12,12を電気絶縁性高分子基板11の内部に挿入しても表面に構成したのと同様に線量測定素子1としての機能が得られることがわかる。FIG. 9 is a graph showing the results of Experimental Example 5. The horizontal axis represents the interelectrode voltage, and the vertical axis represents the output current value. According to FIG. 9, in a state where the number of charged particles generated in the
『実験例6』
つぎに、電極12,12を内部に挿入したタイプの放射線検出素子1について、X線のON/OFFに対する外部出力電流の応答特性を調べた。X線照射線量は35×10−4(C/kg/min)の一定に設定し、印加電圧10Vで5分間X線を照射した。Experimental Example 6
Next, the response characteristic of the external output current with respect to the X-ray ON / OFF was examined for the
図10は実験例6の結果を示すグラフであり、横軸はX線照射時間、縦軸は出力電流値である。図10によれば、放射線検出素子1が照射時間に対して一定の安定した出力電流を発生することがわかる。したがって、長時間の測定に対しても安定な信号が保証されると考えられる。なお、図10中、1分と5分においてスパイク状の信号が見られるが、これはX線照射のオン・オフ時にX線発生装置から発生する電気的なノイズである。
FIG. 10 is a graph showing the results of Experimental Example 6. The horizontal axis represents the X-ray irradiation time, and the vertical axis represents the output current value. FIG. 10 shows that the
以上のような各実験例によれば、各種の電気絶縁性高分子基板11にX線やγ線等の放射線を照射した場合、前記電極12,12間に発生する電流値は放射線の照射線量に対して比例的関係を有していることが認められた。さらに上記実験例の結果を踏まえ、上述した現象が、主として電気絶縁性高分子基板11で発生する電子(二次荷電粒子)の反応によるものとすれば、電気絶縁性高分子基板11から構成される線量測定素子1にβ線やα線を照射した場合でも、同様の結果が得られると考えられる。測定電流値は電気絶縁性高分子基板11の材質に強く依存するものであり、組織等価プラスチックを用いれば人体組織への放射線の線量と等価な値の推定が可能となる。
According to each experimental example as described above, when various types of electrically insulating
『実験例7』
つぎに、線量測定素子1として使用される電気絶縁性高分子基板11の好適な厚みについて汎用モンテカルロシミュレーションコードEGS4により算出した。図12および図13は実験例7の結果を示すグラフであり、横軸は本実施形態で使用された組織等価プラスチックに対する照射深さ、縦軸はエネルギー蓄積量を示す。図12は1.25MeVのCo60(γ線)の照射を条件とする場合の照射深度に対するエネルギー蓄積量を示しており、図13はX線照射に対応する200keV光子の照射を条件とする場合の照射深度に対するエネルギー蓄積量を示している。"Experimental example 7"
Next, a suitable thickness of the electrically insulating
図12を参酌すると、γ線であるCo60では3〜4mmで飽和しているので電気絶縁性高分子基板11に適用する場合には、この飽和深度以上の厚みに構成するのが好ましい。一方、図13に示すように、X線を想定した200KeV光子を照射した場合、0.1mm以上で飽和しているので、それ以上の厚みに構成することが好ましい。
Referring to FIG. 12, Co60, which is γ-ray, is saturated at 3 to 4 mm. Therefore, when applied to the electrically insulating
以上の結果を考慮すれば、γ線の線量を測定する場合には、3〜4mm以上の厚みをもった電気絶縁性高分子基板11が好ましく、X線の線量を測定する場合には、0.1mm以上の厚みをもった電気絶縁性高分子基板11が好ましい。そして、高分子材料の加工性のよさを活かすには薄い方が好ましく、本実施形態では、電気絶縁性高分子基板11の厚さが1mmのものを実験に使用している。
In consideration of the above results, the electrically insulating
なお、本実験例で使用した電気絶縁性高分子基板11について、電極間の電気抵抗を測定したところ、すべて5×1012Ω以上であった。In addition, when the electrical resistance between the electrodes was measured for the electrically insulating
以上のような本実施形態によれば、以下に示すような効果を得ることができる。
(1)組織等価プラスチックをはじめとする電気絶縁性高分子材料を人体や臓器等の任意の形状に形成できるため、従来の組織等価ガスを使った比例計数管や水中での電離箱による測定に比べて格段に測定精度と利便性が向上すると考えられる。特に、線量測定素子1の本体を電気絶縁性高分子材料のみで形成できるので、製造しやすくコストが抑制できる。例えば、薄い曲面状に形成して人体等に直接貼り付け、放射線治療を行いながら生体内吸収線量を測定したり、あるいは線量測定素子1をカテーテルの先端に取り付けて体内に挿入し、手術中の生体内(血液内)吸収線量を測定することができ、極めて応用性、実現性が高いといえる。
(2)臓器モデルを組織等価プラスチックで製作し、どの部位にどの程度の放射線の線量が吸収されるかを実験により予め知ることも可能となる。この場合、図11に示すような球形の放射線の線量測定素子1によれば、一方向のみならず、多方向からの照射に対して放射線の線量を測定することができ、照射方向に対して表側だけでなく裏側部位における放射線の線量測定など、方向依存性なく測定できるという効果を奏する。
(3)組織等価プラスチックをはじめとする電気絶縁性高分子材料は固体であるため、組織等価ガスのように大きな装置にならないし、低電圧でも電流値を検知して放射線の線量を測定できるため小型化が図れる。さらに、高強度の放射線環境下でも動作安定性、信頼性、耐久性に優れた測定ができる等の効果を奏する。
(4)10V以下の低電圧を含めて広い電圧範囲においても小さな暗流で大きな信号電流を検出し放射線の線量を測定することができる。
(5)放射線管理区域や一般環境における放射線量を人体を模擬する組織モデルにて測定することも可能である。According to the present embodiment as described above, the following effects can be obtained.
(1) Electrically insulating polymer materials such as tissue-equivalent plastics can be formed into any shape such as the human body and organs, so it can be used with conventional proportional counters using tissue-equivalent gas or ionization chambers in water. Compared to this, the measurement accuracy and convenience are expected to improve significantly. In particular, since the main body of the
(2) An organ model is made of a tissue equivalent plastic, and it is possible to know beforehand by experiment how much radiation dose is absorbed in which part. In this case, according to the spherical radiation
(3) Since electrically insulating polymer materials such as tissue-equivalent plastics are solids, they do not become large devices like tissue-equivalent gases, and can detect the current value and detect radiation dose even at low voltages. Miniaturization can be achieved. In addition, there are effects such as measurement with excellent operational stability, reliability, and durability even under a high-intensity radiation environment.
(4) The radiation dose can be measured by detecting a large signal current with a small dark current even in a wide voltage range including a low voltage of 10 V or less.
(5) It is also possible to measure the radiation dose in a radiation control area or general environment with a tissue model that simulates the human body.
なお、本発明に係る放射線の線量測定素子1およびこれを用いた放射線の線量測定装置2は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。
The radiation
例えば、所定値以上の放射線を検出したことを報知する警報器を設けてもよい。これによれば、万一、人体に過度の放射線が照射された場合でも、警報器が警報を発するため、即座にその照射を停止することができる。 For example, you may provide the alarm device which alert | reports that the radiation beyond a predetermined value was detected. According to this, even if excessive radiation is irradiated to the human body, since the alarm device issues an alarm, the irradiation can be stopped immediately.
つぎに、本発明に係る放射線の線量測定素子1および線量測定装置2のより具体的な実施例について説明する。
Next, more specific examples of the radiation
『実施例1』
実施例1は、図14に示すように、レントゲン撮影やCTスキャン撮影などにおいて使用される際に、線量測定素子1をシーツ状に構成し、レントゲン撮影などによる患者の被曝線量を測定する例である。“Example 1”
As shown in FIG. 14, the first embodiment is an example in which the
本実施例1では、電気絶縁性高分子基板11として、照射する放射線の実効エネルギーの約90%以上の透過性を有する電気絶縁性高分子材料によってシーツ状に加工する。電気絶縁性高分子基板11の厚さは100μm〜1mm程度であって、大きさが10cm×10cm以上の容易に変形が可能な柔軟性を有するものが好ましい。例えばポリエチレンをシーツ状に加工し、その両端に一対の電極12,12を埋め込み、一対の一定な特性インピ−ダンス線である同軸ケーブル41,41を介して装置本体3に接続することにより線量測定装置2を構成する。装置本体3は、電圧印加制御機能、電流検出・表示機能、電流―被曝線量率換算機能、データ蓄積・記録機能の各機能を備えている。そして、装置本体3により所定の電圧を電極12,12間に印加して電流値をモニタし、被曝線量に換算することで患者Pの全身の被曝線量をリアルタイムに管理することが可能である。また、電気的絶縁高分子基板11を患者の生殖器などの特定部分のみに置いて、臓器ごとに被曝線量を管理するようにしてもよい。
In the first embodiment, the electrically insulating
なお、実施例1の態様で使用される場合、その基板11の材料と大きさを決定するにあたり要求される特性としては、電気絶縁性、柔軟性のほかに、透過像の画質を維持することであり、X線発生装置の実効エネルギーにおいて90%以上の透過性を確保しうる材料と厚さを選択することが望ましい。
When used in the form of Example 1, the characteristics required for determining the material and size of the
さらに、図示しないが、電気絶縁性高分子基板11の特性として可視光に対する透明度の機能を具備させることにより、高レベルの放射性物質を手で取り扱う場合に使用するクリーンベンチやグローブボックスなどの窓面に適用し、作業者の被曝線量をリアルタイムにモニタすることも可能である。
Furthermore, although not shown in the figure, the window surface of a clean bench or a glove box used when handling high-level radioactive substances by hand by providing a function of transparency to visible light as a characteristic of the electrically insulating
『実施例2』
つぎに、本実施形態の実施例2について説明する。本実施例2は、カテーテルの先端に線量測定素子1を取り付けて血管内に挿入できるようにし、血液の被曝線量や特定の臓器の被曝線量を測定しうる例である。“Example 2”
Next, Example 2 of the present embodiment will be described. The second embodiment is an example in which the
図15に示すように、カテーテル50の先端に円筒状の電気絶縁性高分子基板11を取り付け、その基板11内に一対の電極12,12を埋め込み、この一対の電極12,12をカテーテル50のチューブ51内に配置した一対のマイクロストリップライン52,52と接続し、さらにこの一対のマイクロストリップライン52,52を一対の同軸ケーブル41,41と接続し、装置本体3に接続することで線量測定装置2を構成する。装置本体3は実施例1と同様、電圧印加制御機能、電流検出・表示機能、電流―被曝線量率換算機能、データ蓄積・記録機能の各機能を備えている。
As shown in FIG. 15, a cylindrical electrically insulating
装置本体3により所定の電圧を印加し電流値をモニタして被曝線量に換算することで、人体内の種々の臓器や組織の吸収線量を計測することが可能となる。このような機能が付加されたカテーテル50によりインターベンショナルラジオロジー(IVR:Interventional Radiology)の手技中におけるカテーテル先端部での各臓器の被曝線量を管理することが可能となる。
By applying a predetermined voltage by the apparatus
『実施例3』
つぎに、本実施形態の実施例3について説明する。本実施例3は、ボタン状の筐体60内に線量測定素子1を内蔵させて、作業者の衣服の一部として手軽に取り付けられるようにし、放射線を扱う作業者に対してリアルタイムな線量測定を可能とする例である。“Example 3”
Next, Example 3 of the present embodiment will be described. In the third embodiment, the
図16に示すように、実施例3の線量測定装置2は、直径20mm、厚さ10mm程度の大きさを持つ円筒管状の筐体60内に、一対の電極12,12が埋め込まれた円盤状の電気絶縁性高分子基板11と、電子回路基板61と、ボタン電池やコイン電池等から構成される小型電池62と、警報装置63と、外部接続コネクタ64とを内蔵させている。電子回路基板61には、電流増幅器33を内蔵した線量換算機能を有するCPU65と、EPROMなどの計測データ蓄積電子回路素子66とが設けられており、円盤状の電気絶縁性高分子基板11と、小型電池62および計測データ蓄積電子回路素子66とは一対の一定な特定インピーダンス線であるマイクロストリップライン52,52を介して接続されている。
As shown in FIG. 16, the
そして、前記外部接続コネクタ64を介して外部に設置した被曝線量管理装置67と接続することで線量測定装置3を構成し、任意の時刻に瞬時にして積算被曝線量を計測することができる。このため、放射線管理区域における個人被曝線量管理が可能である。また、被曝線量管理装置67により計測データ蓄積電子回路素子66をリセットして初期値に戻すことも可能にしておくことで、1個の線量測定素子1で何度でも個人線量計として使用することができる。
The
さらに、電流増幅器33を内蔵した線量換算機能を持つCPU65に被曝線量の閾値を設定して積算被曝線量がその閾値を超えたら警報装置63を作動させるように制御することにより、作業者へリアルタイムに被曝の警告を発することができる。警報装置63としては、ブザーなどの音声発生装置や半導体発光素子等の可視光発生装置、あるいはこれらを併用する装置が考えられる。前記閾値は被曝線量管理装置67により設定変更にすることも可能である。なお、実施例3の円盤形状の線量測定素子1は一例であって、断面四角形状や断面六角形状等に形成してよい。
Further, by setting a dose threshold value in the CPU 65 having a dose conversion function with a built-in
『実施例4』
つぎに、本実施形態の実施例4について説明する。本実施例4は、靴70の靴底71内に線量測定素子1を内蔵させて靴底71の被曝線量を測定するようにし、作業者の靴底面に付着した放射線物質により放射線被害が拡散するのを防止しうる例である。Example 4
Next, Example 4 of the present embodiment will be described. In the fourth embodiment, the
図17に示すように、靴底71に一対の電極12,12が埋め込まれた柔軟性を有する電気絶縁性高分子基板11を埋め込み、靴70の踵部分に電子回路基板61と、小型電池62と、警報装置63とを内蔵させて線量測定装置を構成する。電子回路基板61には、電流増幅器33を内蔵した線量換算機能を持つCPU65とEPROMなどの計測データ蓄積電子回路素子66とを取り付け、電気絶縁性高分子基板11と前記CPU65および小型電池62とを一対の同軸ケーブル41,41を介して接続する。
As shown in FIG. 17, a flexible electrically insulating
CPU65には被曝線量の閾値を設定しておき、積算被曝線量がその閾値を超えたら警報装置63を作動させるようにしておく。本線量測定装置3により、放射線管理区域における床の放射線汚染をリアルタイムにモニタすることが可能である。このような靴70を用いることで、作業者に危険を瞬時に通達することが可能である上に、汚染の拡大を予防することも可能となる。当該実施例4の場合、警報装置63はブザーなどの音声発生装置が望ましい。また、床以外からの放射線を遮蔽するために靴底71以外の部分は鉛の薄膜などを埋め込んでおくことが望ましい。さらに、実施例3と同様に、外部装置と計測データのやり取りや警報発生のための閾値変更ができるように当該線量測定装置2に外部接続コネクタ64を設けてもよい。
A threshold value for exposure dose is set in the CPU 65, and the alarm device 63 is activated when the integrated exposure dose exceeds the threshold value. With the
以上のように、本実施形態の線量測定素子1および線量測定装置2は、上記各実施例に限定されず、放射線の影響を受ける様々な態様に適用することが可能である。
As described above, the
1 放射線の線量測定素子
2 放射線の線量測定装置
3 装置本体
4 表示装置
11 電気絶縁性高分子基板
12 電極
31 電圧印加回路
32 電流検出器
33 増幅回路
34 表示駆動回路
35 インターフェース
36 マイクロコンピュータ
41 同軸ケーブル
50 カテーテル
51 カテーテルのチューブ
52 マイクロストリップライン
60 ボタン状筐体
61 電子回路基板
62 小型電池
63 警報装置
64 外部接続コネクタ
65 CPU
66 計測データ蓄積電子回路素子
67 被曝線量管理装置
70 靴
71 靴底DESCRIPTION OF
66 Measurement data storage electronic circuit element 67
【0005】
るというメリットもある。
[0016]
そこで、本発明に係る電気絶縁性高分子材料を使った放射線の線量測定素子の特徴は、常温で電気絶縁性を有する高分子材料により構成される基板と、この電気絶縁性高分子基板の表面または内部に設けた少なくとも一対の電極とを有し、放射線の照射により前記電気絶縁性高分子基板内で発生する電子および正孔からなるキャリアを前記電極に収集して電流として検知する点にある。
[0017]
また、本発明において、前記電気絶縁性高分子基板は、放射線の照射によって出力電流値が放射線の線量に対して線形的な一意性を有しているものである。
[0018]
ここで、本発明のメカニズムについて説明する。絶縁体、半導体に光を照射したときに、光が照射された絶縁体、半導体の光起電力効果が発生する現象は内部光電効果として知られている。本件出願に係る発明者らが鋭意研究したところ、生体組織等価プラスチックをはじめとする電気絶縁性高分子材料に放射線を照射することによっても、放射線が照射された高分子材料の電流値が外部信号として取り出すのに十分な変化をすることがわかり、しかも放射線強度および放射線の線量と出力電流値の変化が一意に対応して、直線的な線形性を有することがわかった。これは全く新しい知見である。また、電流値の変化が、主として高分子の表面近傍や内部において放射線による高分子鎖状結合手の切断により、ダングリングボンドの発生を引き起こし、そこからの電子などキャリアが生成されているものと考えられ、これが外部電界でドリフトすることで外部電流が得られると考えられる。放射線の照射により電流値が変化するという現象のみから見ると内部光電効果と類似するが、β線(電磁波ではない)の照射によっても電流値が変化することが確認されており、内部光電効果とは異なるものであると考えられる。つまり、通常の高分子材料の場合、電荷を運ぶ粒子である電子は、分子を構成する原子から動けない束縛状態にあり、380nm〜780nmの可視光領域ではその束縛を切る程のエネルギーを持たないので電流が流れない。放射線照射によって、放射線が照射された表面あるいは表面近傍にキャリアが誘起されるものと考えられる。本発明における放射線は電離放射線であり、γ線、β線、α線、X線を対象とする。
[0019]
また、本発明において、前記高分子材料は、電極間の電気抵抗値が約1010Ω以上、より好ましくは1012Ω以上となる電極間距離に設定されていることが好ましく、人[0005]
There is also a merit that
[0016]
Therefore, the radiation dosimetry element using the electrically insulating polymer material according to the present invention is characterized by a substrate composed of a polymer material having electrical insulation properties at room temperature and the surface of the electrically insulating polymer substrate. Or having at least a pair of electrodes provided inside, and collecting electrons and holes generated in the electrically insulating polymer substrate upon irradiation of radiation to the electrodes and detecting them as current. .
[0017]
In the present invention, the electrically insulating polymer substrate has an output current value that is linearly unique with respect to the radiation dose when irradiated with radiation.
[0018]
Here, the mechanism of the present invention will be described. A phenomenon in which a photovoltaic effect of an insulator or semiconductor irradiated with light occurs when the insulator or semiconductor is irradiated with light is known as an internal photoelectric effect. The inventors of the present application have conducted intensive research and found that the current value of the polymer material irradiated with radiation is also an external signal by irradiating the electrically insulating polymer material including biological tissue equivalent plastics with radiation. As a result, it was found that the change of the radiation intensity, the dose of radiation, and the change of the output current value uniquely correspond to each other and have a linear linearity. This is a completely new finding. In addition, the change in the current value causes the generation of dangling bonds due to the breakage of polymer chain-like bonds by radiation mainly near or inside the polymer surface, and carriers such as electrons are generated from the dangling bonds. It is conceivable that an external current is obtained by drifting in an external electric field. It is similar to the internal photoelectric effect when viewed only from the phenomenon that the current value changes due to irradiation of radiation, but it has been confirmed that the current value also changes due to irradiation of β rays (not electromagnetic waves). Are considered different. In other words, in the case of a normal polymer material, electrons, which are particles that carry charge, are in a bound state where they cannot move from the atoms constituting the molecule, and do not have enough energy to break the binding in the visible light region of 380 nm to 780 nm. So no current flows. It is considered that carriers are induced by or near the surface irradiated with radiation. The radiation in the present invention is ionizing radiation and targets γ rays, β rays, α rays, and X rays.
[0019]
In the present invention, the polymer material is preferably set to an interelectrode distance at which an electrical resistance value between the electrodes is about 10 10 Ω or more, more preferably 10 12 Ω or more.
Claims (11)
前記放射線の線量測定素子の一対の電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、
前記電極間を流れる電流を検出する電流検出手段と、
検出された電極間電流から線量を換算する線量換算手段と、
線量を表示する表示手段とを有していることを特徴とする放射線の線量測定装置。A radiation dosimetry element according to any one of claims 1 to 7,
Voltage applying means for applying a voltage between a pair of electrodes of the radiation dose measuring element;
Current detecting means for detecting a current flowing between the electrodes;
A dose conversion means for converting a dose from the detected interelectrode current;
A radiation dose measuring apparatus comprising: a display means for displaying a dose.
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