線量測定の基礎

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1 歯科放射線 2015;55(1):30-34 健児 The Basis of Dosimetry for Oral and Maxillofacial Radiology The Doses for Diagnostic Refernce Levels Kenji Sato Dental Radiology 2015; 55(1): Key words: Dosimetry, Diagnostic reference level, Dose index / 線量測定, 診断参考レベル, 線量指数 X 線診断における患者の被曝は, 医療被曝であるため線 量限度は適用されないが,X 線診断の最適化 1,2 は行われ るべき X 線診断の最適化とは, 線量を合理的に 達成できる限り低く保つ (as low as reasonably achievable, ALARA の原則 ) ことであり, この目的を達成する ために, 国際放射線防護委員会 (International Commission on Radiological Protection, ICRP) は診断参考レベ ル (diagnostic reference level, DRL) 1,3 5 の使用を勧告し ている DRL は, 一般的な X 線診断の手法に適用され, 容易に測定できる線量を用い, 平均的な体格の患者または標準的なファントムに対応するもの DRL に用いられる線量 ( 以下 DRL 線量 ) は,X 線診断のモダリティによって異なる そこで今回は, 今後 X 線診断に深くかかわる歯科医師が知っておくべき DRL 線量とその測定方法について概説する DRL 線量を測定し理解するために必要な基本となる線量は, 照射線量 (exposure), 吸収線量 (absorbed dose) およびカーマ (kerma) Appendix 1 の 1 ~ 3 に国際放射線単位および測定委員会 (International Commission on Radiation Units and Measurements, ICRU) 6 8 によ Received February 12, revision accepted February 12, 著者所属 : 日本歯科大学生命歯学部歯科放射線学講座別刷請求先 : 東京都千代田区富士見 日本歯科大学生命歯学部歯科放射線学講座健児 From Department of Oral and Maxillofacial Radiology, School of Life Dentistry at Tokyo, The Nippon Dental University, Fujimi, Chiyoda-ku, Tokyo , Japan Address reprint requests to the author, Dr. K. Sato 版権 :C 2015 日本歯科放射線学会 る照射線量, 吸収線量およびカーマの定義を示す 照射線量は, 記号 X で表され,X 線や 線などの光子 ( 電磁放射線 ) の電離によって生成された二次電子が, 空気中で完全に止められた場合に空気中で発生する電荷量, つまり電離能力の大きさを表す線量単位は C kg -1, 旧単位はレントゲン (R) 吸収線量は, 記号 D で表され, 電離放射線によってある物質の単位質量あたりに与えられた平均エネルギーを表す線量吸収線量はすべての放射線および物質を対象とする 単位は J kg -1, 特別名称はグレイ (Gy) カーマは, 記号 K で表され,X 線, 線, 中性子線などの非荷電粒子とある物質との相互作用によって発生した初期の荷電粒子 ( 主に電子 ) の運動エネルギーの総和で表される カーマはすべての物質を対象とする 単位は吸収線量と同じ J kg -1, 特別名称はグレイ (Gy) カーマという名称は,kinetic energy released per unit mass の頭文字をとったもので, 単位質量あたりに放出された運動エネルギー を意味する 対象を X 線と空気に限定すると, これらは照射線量, 吸収線量およびカーマそれぞれの定義を満たす共通な放射線と物質となる 空気を対象とした場合, 吸収線量とカーマは, それぞれ空気吸収線量 (absorbed dose in air) と空気カーマ (air kerma) と呼ばれる 照射線量は電離する ( 二次電子に運動エネルギーを与える ) 場所が空気であり, 電磁放射線のみに適用されることから, 空気カーマや空気吸収線量が照射線量に代わって多く用いられるようになっている 測定された照射線量 ( 電離による電荷量 ) を質量エネルギー吸収係数 (mass energy absorption coefficient, en/), 質量エネルギー転移係数 (mass energy transfer coefficient, tr/) および W 値 ( 気体中で 1 個のイオン対を生成す 30

2 歯科放射線 2015 年 3 月 Table 1 歯科における DRL 線量と単位 線量単位 1) 対象 患者入射線量 patient entrance dose, PED 入射表面線量 entrance surface dose, ESD 線量 幅積 dose-width product, DWP 面積線量 dose-area product, DAP kerma-area product, KAP 加 ( 荷 ) 重 CT 線量指数 weighted CT dose index, CTDI w 線量 - 長さ積 dose-length product, DLP mm cm 2 cm 口内法 X 線撮影 頭部 X 線規格撮影 パノラマ X 線撮影 口内法 X 線撮影パノラマ X 線撮影頭部 X 線規格撮影歯科用コーンビーム CT 一般 CT 歯科用コーンビーム CT 一般 CT 歯科用コーンビーム CT 1) 単位の接頭語は状況に応じて,( マイクロ ),m( ミリ ),c( センチ ) など適宜用いてよい また, 長さの単位を状況に応じて,m( メートル ), cm( センチメートル ),mm( ミリメートル ) を適宜用いてよい るのに必要な平均エネルギー ) などの相互作用係数で換算することによって, 空気吸収線量および空気カーマを得ることができ, さらに照射線量, 空気吸収線量および空気カーマを互いに関連付けることができる 診断領域の X 線エネルギーでは, 空気吸収線量と空気カーマは等しいと考えて良い X 線の照射線量, 空気吸収線量, 空気カーマを測定する測定機器として代表的なものに電離箱 (ionization chamber) と半導体検出器 (solid state detectors, SSD) がある 電離箱は陰極 (cathode) と陽極 (anode) があり, 主に空気で満たされている 電離箱に X 線が入射すると電離箱壁と光電効果やコンプトン散乱などの相互作用を行い, その結果二次電子を発生し, その二次電子が電離箱内の空気を電離する この電離箱内の電離によって生成された陰イオンが陽極に引き寄せられると回路に電流が流れ, その電流を測定し, 電離箱内の空気の質量で除することによって C/kg や R 単位の照射線量が得られる また, 空気の質量エネルギー吸収係数などを演算回路として組み入れることによって Gy や J/kg 単位の空気吸収線量や空気カーマが得られる 電離箱は, 環境放射線や X 線発生装置の漏洩 X 線などの低線量から X 線診断や放射線治療などの高線量放射線に対応した多くの種類がある X 線量および線量率が低い場合は, 感度を上げるために電離箱の空気容量は大きくなる 半導体検出器は, 固体での電離を測定するものと解釈し てよい 半導体は, 気体よりも原子番号および密度が大きいことから, 電離箱に比べて線量計のコンパクト化および広範なエネルギーの放射線の計測が可能 DRL 歯科における DRL 線量と単位を Table 1 に示す 1. 面積線量 (dose-area product, DAP) ICRU による DAP の定義 8 を Appendix 1 の 4 に示す DAP は, 空気吸収線量と照射野面積の積で表される 空気吸収線量の代わりに空気カーマを測定した場合は, 記号は D に代わって K が用いられ KAP で表現される 単位は DAP と同じ J kg -1 m 2 または Gy cm 2 DAP の特徴は,1 空気による減弱, 散乱線および焦点外 X 線が無視できるならば, 測定や計算位置が患者やファントムに近づき過ぎないならば焦点からの距離に依存せず, 2 診断レベルの X 線の大部分は患者に吸収されることから, 患者への付与エネルギーつまり患者線量を反映することまた,DAP は面積線量計を X 線発生装置のビーム射出口に装着してモニターできるが, 面積線量計を日本品質保証機構 (Japan Quality Assurance Organization, JQA) などで国際標準にトレーサブルな標準電離箱によって校正することで正確に測定することができる 2. 口内法 X 線撮影口内法 X 線撮影で用いられる DRL 線量は, 患者入射線量 (patient entrance dose, PED) および面積線量 (DAP または KAP) PED はコーン先端での空中空気カーマを測定し,KAP は PED にコーン先端での照射面 31

3 歯科放射線 55 巻 1 号 積を乗ずることで得られる ここで空中という意味は, 患者が存在しないこと, つまり背面散乱がないときの空気カーマを意味する コーン先端での照射面積はフィルムまたは IP などを用いて測定することができる 3. パノラマ X 線撮影パノラマ X 線撮影で用いられる DRL 線量は, 線量 - 幅積 (dose-width product, DWP) および DAP または KAP DWP は通常 2 次スリット位置での空中空気カーマとスリット幅の積で表され,KAP はビームの高さ方向での線量分布が一様ならば,DWP 測定と同じ位置でのスリット高さを DWP に乗ずることで得られる スリット高さは, フィルムまたは IP などを用いて測定することができる 4. 頭部 X 線規格撮影頭部 X 線規格撮影で用いられる DRL 線量は, 入射表面線量 (entrance surface dose, ESD) および DAP または KAP ESD はイヤロット位置での空中空気カーマを測定し, これに管電圧や半価層などの線質および照射野に対応した背面散乱係数を乗ずることで得られる 実際の患者あるいはファントムに熱蛍光線量計 (thermoluminescence dosimeter, TLD) や蛍光ガラス素子などを貼って実測することもできる KAP はイヤロット位置での空気カーマと照射面積を乗ずることで得られる 5. 一般 CT および歯科用コーンビーム CT 一般 CT で用いられる DRL 線量は, 加 ( 荷 ) 重 CT 線量指数 (weighted CT dose index, CTDI w) および線量 - 長さ積 (dose-length product, DLP) Appendix 2 に ICRP Publication 87 9 の APPENDIX A に示されている一般 CT における CTDI w と DLP の定義を示す CTDI w は直径 16 あるいは 32cm, 長さ 14cm 以上の PMMA つまりアクリル製の CT 用標準ファントムと CT 用電離箱を用いて測定する 成人の体幹部の測定には直径 32cm のファントムを, 成人の頭部と小児の体幹部の測定には頭部用ファントムを用いる DLP は CTDI w に実効的なスキャン長さを乗ずることによって得られる 歯科用コーンビーム CT で利用できると考えられている DRL 線量は, 一般 CT で定義されている CTDI w と DLP および DAP または KAP など CTDI w は患者体幹部の中心と皮膚などの表面に存在する組織 臓器の線量分布を考慮した撮影線量を意味し, DLP は CTDI w にスキャン長さを掛け合わせた線量であることから DAP または KAP 同様に患者線量を反映している したがって, 病院や診療室で実際に行われている撮影条件における CTDI w を予め測定し, 後日, 撮影記録から撮影範囲 (field of view, FOV) やスキャン長さなどを集計することによって, 歯科用コーンビーム CT あるいは一般 CT による年間の患者線量などを推定することができる 歯科における X 線診断の最適化は, 出来るだけ少ない撮影線量で必要十分な画質を担保することであり, この目的のためには DRL 値の設定は不可欠であるが, 日本では欧米に比べ大幅に遅れているのが現状 DRL 値の設定は, 画像と線量評価によって行われ, その一翼である線量評価では線量測定が基本的な手段そこで, 今回の研修によって歯科医師の先生方に線量測定の概念を理解していただき, その結果, 歯科における X 線診断の最適化が推進されれば幸い 1. ICRP. The 1990 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 60, Annals of the ICRP 21 (1-3), ICRP. The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 103, Annals of the ICRP 37 (2-4), ICRP. Radiological protection and safety in medicine. ICRP Publication 73, Annals of the ICRP 26 (2), ICRP. Radiation and your patient: A guide for medical practitioners. ICRP Supporting Guidance 2, Annals of the ICRP 31 (4), ICRP. Radiological protection in medicine. ICRP Publication 105, Annals of the ICRP 37 (6), ICRU. Quantities and units in radiation protection dosimetry. ICRU Report ICRU. Fundamental quantities and units for ionizing radiation. ICRU Report ICRU. Patient dosimetry for x ray used in medical imaging. ICRU Report ICRP. Managing patient dose in computed tomography. ICRP Publication 87, Annals of the ICRP 30 (4), Appendix 1 1. 照射線量 (exposure) 記号 :X 定義 : 照射線量 X は dq を dm で除した値であり, ここで dq は質量 dm の空気中に光子によって放出あるいは生成された陰電子と陽電子が空気中で完全に止められた場合に空気中で発生する一方の符合のイオンの全電荷の絶対値 32

4 歯科放射線 2015 年 3 月 単位 :C kg -1 備考 : 旧単位レントゲン (R) との関係は, 1 R = C kg 吸収線量 (absorbed dose) 記号 :D 定義 : 吸収線量 D は dを dm で除した値であり, ここで dは質量 dm の物質に付与された平均エネルギー (については後述) 単位 :J kg -1 特別名称 : グレイ (Gy) 1 Gy = 1 J kg -1 備考 : 旧単位ラド (rad) との関係は, 1 rad = 10-2 J kg カーマ (kerma) 記号 :K 定義 : カーマ K は de tr を dm で除した値であり, ここで de tr は質量 dm 中の非荷電粒子によって発生した全荷電粒子の初期運動エネルギーの総和 単位 :J kg -1 特別名称 : グレイ (Gy) 1 Gy = J kg -1 備考 : カーマは, 光子や中性子などの非荷電粒子放射線 ( 間接電離放射線 ) に適用され, 電子や陽子などの荷電粒子放射線 ( 直接電離放射線 ) には適用されない 物質が空気の場合は空気カーマという 4. 面積線量 (kerma-area product, KAP and dose-area product, DAP) 記号 :P KA 定義 : 面積線量 P KA は X 線ビーム軸に垂直な照射野 A 全体におけるにおける自由空気中での空気カーマ K a の積分 単位 :J kg -1 m 2 または Gy cm 2 備考 : もし, 空気カーマ K a(a) が照射野全体で一様ならば, 微小面における空気カーマを K a とすると, 33

5 歯科放射線 55 巻 1 号 Appendix 2 ICRP Publication 87, APPENDIX A. Reference dose quantities for computed tomography (A1)CT で用いられる主な線量計測量は computed tomography dose index(ctdi) CTDI はある固定した寝台位置での一回転スキャンにより得られる回転軸 (z) に平行な線量プロフィール (D(z)) の線積分を X 線ビームの公称ビームコリメーションで除したものとして定義される CTDI は有効長 100mm のペンシル型電離箱を用いて容易に評価できることから空気吸収線量で表す (IEC, 1999): () (1) ここで n は, 一回転のシングルスキャンにより得られる公称スライス厚 T の断層像の数 (A2)CT の参考線量は標準線量測定ファントムを用いて測定する 標準線量測定ファントムとしては, 現在のところ均 質な PMMA の円柱であり, 直径は 16cm( 頭部 ) と 32cm( 胴体部 ) の 2 種類このファントムの中心 (c) と表面 から深さ 10mm(p) での測定から次の 2 つの参考線量を導く (CEC, 1999): (a) 臨床で用いられているある照射条件において, 一回のシングルスキャンによる頭部または胴体部の標準ファントム中の荷重 CTDI w は : () (2) ここで,CTDI 100,p はファントム周辺の 4 つの異なる位置における測定値の平均 (b) 一つの検査全体についての dose-length product(dlp) は : ( cm) (3) ここで i は, 検査におけるスキャンシークエンスの回数,nT(cm) は各シークエンスにおける公称ビームコリメーション [(1) 式 ],C(mAs) は一回転あたりの照射量,N は各シークエンスにおける回転数であり, nctdi w は各シークエンスの印加電圧と公称ビームコリメーションに対して照射量 mas で規格化された荷重 CTDI( ma -1 s -1 ) (A3) これらの量はシングルスライスあるいはマルチスライス両方の CT に対して連続スキャンあるいはスパイラルスキャンにも適応できる 初期 DRL は実態調査に基づき, いくつかの一般的な検査について成人 (CEC, 1999) と小児 (Shrimpton and Wall, 2000) の患者について発表された これらの値が表 A1 と A2 に示されている このような調査レベルは, ある CT 施設で代表的な患者グループの検査について評価された局所的な線量表現 (CTDI w や DLP) の平均値と比較するためのものであり, 個々の患者に適用されるべきではない CEC (1999)Quality Criteria for Computed Tomography, European Directive. EUR 16262, Commission of the European Communities, Luxembourg. Shrimpton, P.C., Wall, B.F. (2000)Reference doses for paediatric CT. Radiat. Prot. Dosim. 90,