計算機による人体ファントム

MIRDファントム^{[ 7 ]}は、1960年代にオークリッジ国立研究所のフィッシャーとスナイダーによって開発され、 22個の内臓と100個以上のサブ領域を備えています。^{[ 8 ] [ 9 ]}これは、内部線量測定用の両性具有成人を表す最初の人体ファントムです。

MIRDファントムを基に、その後数十年にわたり多くの派生ファントムが開発されました。主なファントムの種類としては、1980年代にCristyとEckermanによって開発された様式化された「Family」ファントムシリーズ、ドイツのGSFによって開発された「ADAMとEVA」、主流の放射線防護線量測定コミュニティには知られていないNASAによって開発されたCAM（Computerized Anatomical Man）ファントムなどがあります。

放射線防護、放射線治療、医用画像処理における応用範囲の拡大と多様化を目指した多くの努力がなされてきたものの、その本質的な限界を克服することはできなかった。この数学的ファントムにおける内臓の表現は粗雑で、各臓器の位置と形状のごく一般的な記述しか捉えられていなかった。1980年代後半に強力なコンピュータと断層撮影技術が利用可能になったことで、歴史はボクセルファントムの新たな時代へと突入した。

参照ファントムの開発における 2 つの大きな問題は、有用な画像を取得することの難しさと、これらの画像から生成される大量のデータの処理の難しさです。CT スキャンは人体に大量の電離放射線を照射しますが、これはそもそも計算ファントムが回避するように設計されたものです。MRI 画像の処理には時間がかかります。さらに、単一被験者のスキャンのほとんどは体のごく一部しかカバーしませんが、有用なデータを得るには一連のスキャン全体が必要です。このデータの処理も困難です。新しいコンピュータにはデータを保存するのに十分な容量のハードドライブが搭載されていますが、画像を目的のボクセルサイズに処理するためのメモリ要件はしばしば高すぎました。^{[ 1 ]}

これまで数多くのボクセルファントムが開発されてきましたが、いずれも完成に至るまでの過程はほぼ同じです。まず、CTスキャン、MRI画像、または写真撮影による直接画像から生データを取得する必要があります。次に、身体の各構成要素をセグメント化、つまり識別して他の部分から分離する必要があります。さらに、各構成要素の密度と組成を特定する必要があります。最後に、これらのデータを単一の3D構造に統合し、解析に利用できるようにします。

ボクセル化ファントムに関する初期の研究は、ほぼ同時期に、ヴァンダービルト大学のギブス博士とドイツの国立環境健康研究センター（GSF）のザンクル博士によって独立して行われた。 ^{[ 12 ] [ 13 ]}これは1982年頃のことである。ギブス博士の研究は、医療線量シミュレーションに使用される人体ファントムの再構築に、CTやMRI画像ではなくX線画像から始まった。M.ザンクルとチームは、赤ちゃんから目に見える人体まで12個のファントムを作成するためにCT画像を使用した。

• アメリカ合衆国
  • イェール大学のズバル博士とそのチームは1994年にVoxelManファントムを開発しました。^{[ 14 ]}この最初のファントムは頭部から胴体までしか再現されておらず、核医学の改善を目的として設計されました。最初の開発以降、完全な人体を表現するために腕と脚が追加され、脳の小さな内部構造を再現する専用の頭部が完成しました。^{[ 15 ]}
  • 2000年、レンセラー工科大学（RPI）のジョージ・シュー博士と2人の学生が、米国国立医学図書館（NLM）のVisible Human Project （VHP）から取得したデータに基づいてVIP-Manファントムを作成しました。^{[ 16 ]}このファントムは、37億個以上のボクセルを持つ、当時最も複雑なモデルでした。このモデルは、健康物理学や医療物理学に関する多くの研究で使用されました。
  • フロリダ大学のボルチ博士とそのチームは、2002年から2006年にかけて小児ファントムのセットを作成しました。^{[ 17 ]}それまで、小児の計算ファントムは著しく不足していました。チームは、新生児から10代半ばまでのモデルを開発しました。
  • 米国食品医薬品局（FDA）は、社会における情報技術研究財団（IT'IS）およびその他のパートナーと協力して、電磁波曝露および熱評価のための表面ベースの仮想家族（VF）人体ファントム^{[ 18 ]}を開発しました。4つのVFモデルは、健康なボランティア（成人女性と男性、および子供）の高解像度磁気共鳴画像（MRI）データに基づいています。
• スイス
  • チューリッヒのIT'IS財団のニールス・クスター教授とそのチームが米国FDAと共同で開発した4体のVF全身ファントムは、34歳の成人男性、26歳の女性、11歳の女性、6歳の男性に対応しており、健康なボランティアの全身磁気共鳴画像（MRI）スキャンに基づいている。^{[ 18 ]}オリジナルのVFは後に仮想教室の4つの若年モデルで拡張された。高齢男性と肥満男性を含むさらに多くのモデルが後に仮想人口（ViP）を形成するために追加された。^{[ 19 ]}
• ブラジル
  • ブラジルのクレイマー博士は、国際放射線防護委員会の要件に類似したファントムを作成するために、イェール大学のズバルチームのデータを改良し、MAXファントムを作成した。^{[ 20 ]}
• イギリス
  • NORMANファントムは、Dimbylow博士率いるチームによって開発されました。^{[ 21 ]}これは、1996年に男性の磁気共鳴画像を分析することによって作成されました。2005年には、チームは女性のファントムを作成しました。
• オーストラリア
  • フリンダース大学では、カオン博士とチームが1999年に10代の少女を模した胴体ファントムを作成した。^{[ 22 ]}ファントムの名前はアデレードだった。これは数年間、唯一の10代女性のファントムだった。
• 日本
  • 最初のアジア人ファントムは、2001年に日本原子力研究所（JAERI）の斎藤博士とそのチームによって開発されました。 ^{[ 23 ]}これは主に放射線量測定研究に使用されました。
  • 国立情報通信研究機構（NIICT）の長岡博士率いる別のグループも、JAERIグループとほぼ同時期に男性と女性のファントムを作成した。^{[ 24 ]}これらはMR画像から作成された。
• 韓国
  • 韓国では、男性と女性の両方の多くのコンピュータファントムが作成されている。^{[ 25 ]}高解像度参照韓国人（HDRK）は、33歳の韓国人男性の遺体の連続切片として得られた高解像度カラー写真画像から構築された。^{[ 26 ]}
• 中国
  • 2000年代半ば、中国政府は張博士と中国放射線防護研究所のチームに、35歳の男性の遺体から得られたデータセットに基づいてVHPの中国版であるCNMANファントムを作成することを許可した。^{[ 27 ]}
• ドイツ
  • M. Zankl教授と共同研究者らは、CT画像を用いて、3つの小児モデルと妊娠24週の女性を含む、さまざまな個々のボクセルファントムを構築した。^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}

統計的形状モデリングに基づく計算フレームワークが、体内放射性核種線量測定やその他の核医学アプリケーションのための人種固有の臓器モデルの構築のために提示された。人種固有の統計ファントムを作成するために使用される提案された技術は、解剖学的リアリズムを維持し、放射性核種線量測定への適用のための統計的パラメータを提供する。^{[ 33 ]}

非一様有理 B スプライン(NURBS) ベースのファントムの表面は、一連の制御点によって定式化された NURBS 方程式によって定義されます。NURBS 表面の形状と体積は、制御点の座標によって変化します。この特徴は、時間依存の4D人体モデリングの設計に役立ちます。^{[ 34 ]} 例として、Segars らによる NCAT ファントムが挙げられます。これは、心臓システムのより現実的なモデリングで心臓と呼吸の動きをシミュレートするために使用されます。

多角形メッシュは、 3D空間における多面体オブジェクトの形状を指定する頂点、辺、面の集合で構成されます。ファントムの表面は、多数の多角形メッシュ（最も一般的には三角形）によって定義されます。多角形メッシュは、全身ファントムの開発において3つの顕著な利点があります。第一に、人体解剖図を描いたメッシュ表面は、実際の患者画像または市販の人体解剖メッシュモデルから容易に取得できます。第二に、多角形メッシュベースのファントムは、その形状の調整と微調整においてかなりの柔軟性があり、非常に複雑な解剖学的構造のシミュレーションを可能にします。第三に、Rhinoceros、AutoCAD、Visualization Toolkit （VTK）などの多くの市販のコンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェアには、多角形メッシュをNURBSに迅速に変換できる組み込み機能があります。^{[ 34 ]}

セガーズは、NURBSをファントム設計に応用した先駆者でした。2001年に発表した博士論文では、動的なNURBSベースの心臓・体幹（NCAT）ファントムの開発方法が詳細に記述されています。このファントムは、4Dタグ付き（MRI）データから作成された4D拍動心臓モデルを備えています。ファントムの体幹にあるその他の臓器は、Visible Human ProjectのCTデータセットに基づいて設計され、3D NURBS曲面で構成されています。呼吸運動もこのファントムに組み込まれています。

2005年、レンセラー工科大学のXuらは、NCATファントムのゲート呼吸運動データを採用して、3D VIP-Manファントムを使用して呼吸運動をシミュレートした。^{[ 36 ]} 4D VIP-Man胸部ファントムは、肺がん患者の外部照射治療計画の研究に使用された。^{[ 37 ]} 2007年、Xuの研究グループは、妊娠3、6、9ヶ月の妊婦とその胎児を表す一連のポリゴンベースのファントム（RPI Pregnant Females）を作成したと報告した。^{[ 38 ]}メッシュデータは、非妊娠女性、妊娠7ヶ月の女性のCTデータセット、胎児のメッシュモデルなど、別々の解剖学的情報ソースから最初に取得された。 2008年に、RPI変形可能成人男性および女性（RPI-AM、RPI-FM）と名付けられた2つの三角形メッシュベースのファントムが作成されました。^{[ 39 ] [ 40 ]}ファントムの解剖学的パラメータは、2つのデータセットと一致するように作成されました。内臓の質量と密度はICRP-23とICRP-89に由来し、全身の身長と体重のパーセンタイルデータは国民健康栄養調査（NHANES 1999～2002）から取得しました。その後、乳房のサイズと肺線量測定の関係を研究するために、RPI-AFの乳房の形状を変更して新しいファントム群が作成されました。^{[ 40 ]}

2006年から2009年にかけて、フロリダ大学の研究者らは、新生児、1歳、5歳、10歳、15歳、成人の男女を表す合計12体の「ハイブリッド」男性および女性ファントムを設計した。^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}これらのファントムは、ほとんどの臓器および組織がNURBS曲面でモデル化されているのに対し、骨格、脳、胸郭外気道は多角形曲面でモデル化されているため、 「ハイブリッド」と呼ばれている。 ^{[ 44 ]}ファントムの解剖学的パラメータは、4つの参照データセット、すなわち、標準的な人体計測データ、ICRP Publication 89からの参照臓器質量、ICRP 89およびICRU Report 46で提供されている参照元素組成、ICRP Publication 89および100に示されている消化管臓器に関する参照データに一致するように調整された。

2008年、ヴァンダービルト大学の研究者らは、デューク大学の研究者らと共同で、NURBSベースのNCAT成人男性および女性ファントムを改良し、成人および小児ファントムのファミリーを開発した。^{[ 44 ]} ICRP-89参照身体および臓器値を使用してNURBSサーフェスを調整した。

2009年、ブラジルのペルナンブコ連邦大学のCassolaら^{[ 45 ]}は、立位姿勢のポリゴンメッシュベースのファントムであるFASH（Female Adult meSH）とMASH（Male Adult meSH）を開発した。この手法は、RPI-AMとRPI-FMの設計に実装されたものと非常によく似ているが、完全に同一ではない。

2010年、 RPIの研究者たちは既存のRPI-AMを基に、23～44kg ∙m-2の範囲の異なる体格指数（BMI）を持つ5つのファントムを作成し続けました。 ^{[ 46 ]}これらのファントムは、BMIとCTおよび陽電子放出断層撮影（PET）検査による臓器線量との相関関係を研究するために使用されます。 

2011年、韓国の漢陽大学の研究者らは、多角形表面参照韓国人男性ファントム（PSRK-Man）を報告した。^{[ 47 ]}このファントムは、可視韓国人男性（VKH-man）を多角形メッシュベースのファントムに変換して構築された。高さ、体重、臓器や組織の形状は、参照韓国人データに合うように調整された。ボクセル化を行わない場合、PSRK-manは組み込み関数を使用してGeant4モンテカルロシミュレーションに直接実装できたが、計算時間は、同じくVKH-manから派生したボクセル化ファントムである高解像度参照韓国人男性（HDRK-Man）に必要な時間の70～150倍長かった。

2012年、RPIの研究者らは、モーションキャプチャシステムを使用して取得したデータと連動して姿勢を調整できる構造の、アニメーション線量測定用計算人体（CHAD）ファントムを開発した。 ^{[ 48 ]}このファントムは、原子力事故シナリオにおける作業員の動きをシミュレートするために使用でき、研究者らは、作業員の動きの過程で姿勢を変えることが放射線量に与える影響を理解することができる。

IT'IS Foundationの研究者が4つのVFモデルを作成した後、身体モデルのコレクションは、4つの小児モデル、肥満男性モデル、高齢男性モデル、およびさまざまな妊娠段階の妊婦を追加してViPを形成するように拡張されました。^{[ 19 ]} IT'ISによって開発されたこれらの表面ベースのモデルは、電磁波曝露アプリケーションで広く使用されています。IT'ISはまた、米国FDAと共同で、最先端の計算ヘッドファントムであるMIDAモデルを開発しました。^{[ 49 ]}さらに最近では、Visible Koreanの女性と男性の凍結切片データに基づいて、すべての主要な末梢神経を含む2つの非常に詳細なモデルが、亜洲大学と東国大学のVisible Koreanチームと協力して作成されました。^{[ 50 ]}非電離線量測定とそれに関連する癌のリスクの研究のために、動物モデル（げっ歯類、豚、サル）のコレクションも開発されています。^{[ 51 ]}

境界表現（BREP）ファントム（NURBSベースおよび多角形（表面）メッシュベースのファントムを含む）はボクセルファントムに比べて大きな進歩を遂げたが、根本的な限界を共有している。それは、解剖学的構造の表面しか定義できないことである。臓器内の内部材料特性、密度勾配、および不均一な組織構成は、モンテカルロ輸送シミュレーション中に推測または近似する必要があり、多くの場合、BREPアプローチが克服するように設計された幾何学的剛性を再導入するボクセル化ステップを通じて行われる。^{[ 52 ]}

計算機による人体ファントム開発の次の進化段階は、体積メッシュファントムであり、最も一般的には四面体メッシュファントムとして実現されます。表面ポリゴンでボリュームを囲むのではなく、四面体メッシュは各臓器および組織構造の内部全体を、四面体（4つの面を持つ3次元要素）の連続ネットワークに分割し、ボクセル化なしで直接体積表現を可能にします。このアプローチは、第4世代の計算機ファントムと呼ばれています。^{[ 52 ]}

四面体メッシュは、空間領域が面、辺、頂点を共有する重なり合わない四面体に分割される非構造化体積メッシュの一種です。表面のみのポリゴンメッシュファントムと比較して、四面体メッシュファントムにはいくつかの重要な利点があります。^{[ 53 ]}

• 真の体積忠実度：各臓器の内部は明示的に離散化されており、中間的なボクセル化を行うことなく、要素レベルで材料特性を直接割り当てることができます。
• 適応解像度：メッシュ密度は、解剖学的に複雑な領域（例：皮質骨、皮膚層、活動性骨髄）の近くでは局所的に細かくすることができ、それ以外の場所では粗いままにすることで、精度と計算コストのバランスを取ることができます。
• シームレスな変形性：確立された有限要素法（FEM）変形アルゴリズムは、四面体メッシュ上でネイティブに動作し、幾何学的アーティファクトなしで生理学的に現実的な臓器の動き、呼吸、および心臓のシミュレーションを可能にします。^{[ 54 ]}
• FEMベースの物理学との互換性：放射線量測定にとどまらず、四面体ファントムは生体力学、熱、電磁気の有限要素ソルバーと直接互換性があり、真のマルチフィジックスシミュレーションをサポートします。

四面体メッシュファントムの実用化を可能にする重要な技術的マイルストーンは、主要なモンテカルロ放射線輸送コード（特にGeant4とMCNP6）が四面体メッシュ形状をネイティブにサポートするように拡張されたことである。以前のモンテカルロコードは、組み合わせ幾何学（様式化されたファントムで使用されるもの）または直交ボクセルグリッドのいずれかに基づいて設計されていた。非構造化四面体メッシュをサポートするには、光線と四面体の交点を効率的に計算できる新しい粒子追跡アルゴリズムが必要であった。^{[ 55 ]}

• Geant4は、四面体メッシュファントムの高度な例を導入し、メッシュファントムをフルスケールシミュレーションに直接インポートできるようにしました。
• MCNP6では、非構造メッシュ（UM）ジオメトリ機能が実装され、四面体メッシュベースのファントムをボクセル形式に変換することなくシミュレーションできるようになり、元のメッシュの幾何学的精度が維持されます。

このネイティブサポートにより、シミュレーション前にBREPファントムをボクセル化するという長年の必要性がなくなりました。この手順では、湾曲した臓器境界に沿って階段状のアーティファクトが発生し、計算メモリの要件が人為的に増大していました。^{[ 56 ]}

国際放射線防護委員会（ICRP）は、その参照計算ファントムフレームワークの文脈で、四面体メッシュファントムを正式に認めています。ICRP Publication 110（2009）は、ボクセルベースの成人男性および女性の参照ファントムを確立しましたが、その後の研究では、皮膚、眼の水晶体、消化管壁の層などの薄いまたは幾何学的に複雑な構造における線量測定のためのボクセル形状の限界が認識されました。^{[ 53 ]}

研究グループは、これらの制約に対処するため、ICRP参照ファントムの四面体メッシュ版を開発しました。

• 韓国の漢陽大学とドイツのヘルムホルツ・ツェントルム・ミュンヘン（旧GSF）の研究グループは、既存の参照ボクセルおよび表面メッシュファントムを四面体形式に変換する研究を行い、放射線感受性の高い表面組織における線量測定精度の向上を実証した。
• 韓国のHDRKファントム系統に属する研究者らは、幾何学的変換全体を通してICRP-89参照臓器質量を維持しながら、直接FEMベースの変形と姿勢調整を可能にするために、四面体メッシュのバリアントを開発した。^{[ 57 ]}
• IT'IS財団（スイス）は、電磁気学およびマルチフィジックス線量測定アプリケーション向けの仮想人口（ViP）フレームワーク内で四面体メッシュ表現を研究しました。体積メッシュは、有限要素電磁気ソルバーの前提条件です。^{[ 58 ]}

これらの進展は、ICRP（国際放射線防護委員会）内で現在進行中の議論に影響を与えており、外部線量測定と内部線量測定の両方における将来の参照モデルとして、四面体またはハイブリッド型の体積メッシュファントムを採用する可能性について検討されている。

一部の研究グループは、異なる解剖学的構造を最も適切なメッシュタイプを使用して表現するハイブリッドアプローチを採用している。

• 幾何学的に単純な大きな臓器（例えば、肝臓、肺）には、より粗い四面体メッシュが使用される場合がある。
• 薄い壁を持つ層状構造（例えば、消化管の壁層、膀胱の壁）では、高度に精緻化された局所的な四面体メッシュを使用して、数百マイクロメートルという薄さの組織層を解像します。これは、法外なメモリコストをかけずに標準的なボクセルファントムでは達成できない解像度です。
• 骨格系、特に海綿骨と活動的な骨髄は、骨線量測定に関連する複雑な海綿骨の微細構造を捉えるマイクロCT由来の四面体メッシュを用いて表現される。

この階層的なアプローチにより、メッシュ要素数を全体的に増加させることなく、線量測定精度が最も重要な箇所に計算リソースを集中させることができます。

NURBSベースのファントム（例：NCATファントム）によって導入された4D機能を基に、四面体メッシュファントムはFEMベースの変形モデリングを通じて動的シミュレーションを拡張します。

• 心臓の動き：拍動する心臓は、タグ付きMRIまたは4D心エコー検査データから得られたFEM変形場を四面体心臓メッシュに直接適用することでシミュレートされ、体積を維持し、隣接する構造の相互貫入を回避します。
• 呼吸運動：横隔膜の変位と肺容積の変化は、胸郭四面体メッシュ上で連続体力学変形問題を解くことによってモデル化され、呼吸サイクル全体を通して物理的に整合性のある臓器境界の動きが生成されます。
• 姿勢変形：CHADファントムコンセプトで実証されているように、モーションキャプチャデータは全身の姿勢変化を引き起こすことができます。四面体表現では、内部臓器の変位は幾何学的に近似するのではなくFEMによって解かれ、より解剖学的に妥当な結果が得られます。^{[ 54 ] [ 59 ]}