学位論文内容の要旨

博士の専攻分野の名称

博士（医 学）

氏 名

木 村

傑

学 位 論 文 題 名
画像機器の観点からの動体追跡装置の品質管理法の提案（A proposal of quality assurance procedures for a real-time tumor tracking radiotherapy
system from the view point of imaging devices）【背景と目的】
動体追跡放射線治療は、2 対の透視 X 線装置で構成される動体追跡装置で体内の腫瘍もしくはその近傍に留置された金マーカーの動きを毎秒 30 フレームで持続的に追跡し、予め定めた範囲に金マーカーが存在する時のみ、直線加速器が治療ビームを照射する方法である。主に、呼吸性移動を伴う臓器に対して同期照射を行うための治療法であるが、放射線治療機器としてその精度を担保するためには、動体追跡装置の定期的な品質保証と品質管理が必須である。動体追跡装置は、診断用放射線機器としての側面を持つが、その標準的な評価方法には 2003 年の IEC 62220-1 標準がある。一方、放射線治療において品質保証と品質管理で推奨される方法には 2009 年の AAPM
TG-142 レポートがあり、動体追跡装置は治療装置の付属品の項目 Planner kV imaging の一つに該当する。そこでは、画質に関する品質管理項目も明記されているが、動体追跡装置についてはこれまで金マーカーの 3 次元追跡精度と画質の関連性は検討されていなかった。本研究では、動体追跡装置における追跡精度と画質の関連性を検討し、画像機器の観点から動体追跡装置の実際的な品質管理法を提案する。
【方法と結果】
本研究では、北海道大学病院で現在稼働している SyncTraX のプロトタイプ装置を使用した。幾
何学的体系は、X 線管焦点からアイソセンターの距離が 229 cm、X 線管焦点からカラーイメージインテンシファイア（I.I.）の距離が 425 cm、X 線管の仰角が 38.3°である。X 線管は管電圧を40-110kV、管電流を 10-200 mA、パルス幅を 1-4 msec の透視条件を、被写体厚に応じて任意に設定できる。Red、Green、Blue（以下 RGB）の画像を同時に出力する２対のカラーI.I.を備えた透視装置（以下、装置 A,B）により体内にある直径 2.0 mm の金マーカーの 3 次元座標をリアルタイムに計算する動体追跡装置において、その 3 次元追跡精度は重要である。
まず、直線加速器の照射安全性を保つための指標としてインターロック（照射を停止する）に用いられる、透視画像上の金マーカーの 2 次元座標を決定するためのパターン認識の一致度である Pattern Recognition Score（以下 PRS：0-100 の値）およびそこで決められた 2 次元座標より得られる 2 つの空間ベクトルの共通垂線間の距離である Distance Between Ray（以下 DBR [mm]）と、その共通垂線の中点として得られる 3 次元座標計算精度（3 次元座標の標準偏差σ3D）の関係を調べた。0-60 mm/sec の速度で回転運動できる、PMMA 厚さ 10 cm の回転動体ファントムに装着された静止状態の金マーカーを、透視条件を変化して追跡し、その 10 秒間（300 フレーム）の追跡ログで得られた金マーカーの 3 次元座標の変動σ3D [mm]と、平均 PRS、DBR の標準偏差σDBR [mm]の関係を調べた。σ3D と平均 PRS は負の相関、σDBR は正の相関をそれぞれ示し、99％信頼区間である 3σ3D を＜0.5 mm（2.0 mm の金マーカーにおいて半分の 1.0 mm のズレに相当する、片側あたり 0.5 mm 以内の誤差を 99％の確率で達成する）とするために必要な平均 PRS は装置 A、B でそれぞれ＞54.34、＞57.29、その半分の＜0.25 mm とするためにはそれぞれ＞80.31、＞82.27 となった。
同じく、
3σ3D を＜0.5 mm とするために必要なσDBR は、装置 A、B でそれぞれ＜0.45、＜0.39 [mm]、その半分の＜0.25 mm とするためにはそれぞれ＜0.15、＜0.24 [mm]となった。ここで、金マーカ
ーを速度 10-60 mm/sec（10 mm/sec 間隔）で回転した時、平均 PRS に有意な変化が認められなかったが（p＞0.05）、σDBR は速度に応じて増加した。
次に、静止した金マーカーの 2 次元透視画像の画質と平均 PRS の関係を評価した。患者体厚を模擬してアイソセンターに設置した PMMA 厚さを 10, 20, 30 cm とし、管電圧を 80 kV、110 kV、管電流を 10 - 200 mA、パルス幅を 1, 2, 3, 4 msec として画質条件を設定した。そのカラーI.I.の透視画像（RGB）の空間周波数 0.5-1.25 [lp/mm]の範囲の解像度特性 MTF と雑音特性 NPS から画質指標∫NEQ を評価した。続けて、同条件で金マーカーの追跡を行い、その時の平均 PRS（100フレーム）と画質指標∫NEQ の関係を調べた。∫NEQ が高いほど平均 PRS も上昇する相関を示した
が、平均 PRS が 90 を超えたあたりで上昇はゆるやかに飽和した。ここで、平均 PRS と∫NEQ の関係の近似式より、3σ3D＜0.5 mm を達成するのに必要な∫NEQ は、装置 A の RGB でそれぞれ＞136.25、＞337.56、＞116.60、装置 B の RGB でそれぞれ＞52.48、＞232.83、＞128.97 となった。同様に 3
σ3D＜0.25 mm では、装置 A の RGB でそれぞれ＞223.21、＞585.50、＞429.57、装置 B の RGB でそれぞれ＞162.39、＞491.51、＞337.55 となった。
【考察】
追跡精度としてのσ3D は、平均 PRS と負の相関、σDBR と正の相関を示した。動きの速さによってもσDBR は上昇して追跡精度は低下するが、平均 PRS は必要条件である静的な（静止した金マーカーでの）3 次元追跡精度を保証した。その平均 PRS と画質指標∫NEQ にも相関が有ることから、
動体追跡装置の 3 次元追跡精度が画質に依存することが確認され、画質指標∫NEQ は動体追跡装置の静的な品質管理の指標に適していることがわかった。本研究では、診断用放射線機器としての側面も持つ動体追跡装置の透視画像を、IEC 62220-1 標準を踏襲しつつ品質管理に必要な簡便性・迅速性を確保するために工夫した方法で評価した。放射線治療機器の品質管理の標準である
AAPM TG-142 レポートの画質評価の項目では、コントラスト、解像度、ノイズと一様性について明記されているが、∫NEQ を評価する過程で得られた画質指標である入出力特性（線量率に対して得られる透視画像のピクセル値）、MTF、NPS をそれらに当てはめ、動体追跡装置のアクセプタンスおよびコミッショニング時に評価した値を基準値として、その変動を確認して動体追跡装置の追跡性能の品質管理を行うことを提案したい。
【結論】
画質指標∫NEQ は平均 PRS と相関があり、動体追跡装置による金マーカーの 3 次元追跡精度は画質に依存することがわかった。動体追跡装置の品質管理を、画質指標∫NEQ はもとより、その評価の過程で得られる入出力特性、MTF、NPS も評価項目に加えて行うことを提案した。