Material selection for a 3D-printed tissue-equivalent cost-effective phantom for radiotherapy quality assurance

放射線治療は、高エネルギーのビームを用いて周囲の健康な組織を保護しながら腫瘍を破壊するという、がん治療における強力な手段です。これらのビームは目に見えず、その効果は極めて微小なエネルギー単位で測定されるため、医師は患者への治療を行う前に厳格なチェックを行います。彼らは、特定の患者の体が放射線をどのように吸収するかをシミュレートするために、「ファントム」と呼ばれるモデルを使用します。従来、これらのモデルは一般的な人体のような形状をした標準的なプラスチックブロックで作られてきました。これらは信頼できるものですが、標準的なブロックでは、個々の患者の独特な形状や、内部にある複雑な組織の混ざり合いを捉えることはできません。この問題を解決するために、科学者たちは、患者の正確な解剖学的構造に一致するカスタムモデルを作成するために、物体を層状に積み上げて造形する技術である3Dプリンティングへと目を向けました。しかし、大きな課題が残っています。それは、3Dプリンターで使用されるプラスチックは、放射線を受けた際に自然に人間の肉体と同じ挙動を示さないということです。もしプラスチックが実際の組織と比較してエネルギーを吸収しすぎたり、少なすぎたりすれば、安全性のチェックが誤ったものとなり、潜在的に不適切な治療計画につながる恐れがあります。

研究チームは、これらのカスタム3Dプリントモデルに最適な材料を見つけ出すことで、この問題の解決に乗り出しました。彼らには、見た目だけでなく、2つの非常に異なるエネルギーレベルにおいて放射線とどのように相互作用するかという点で、人間の軟部組織を模倣できるプラスチックを特定する必要がありました。最初のレベルは、標準的なCTスキャンのような医療用画像診断に使用される低エネルギーであり、これは患者の体の地図を作成します。第二のレベルは、実際にがんを治療するために使用される高エネルギーであり、これは体内深くへと浸透します。研究者たちは、スキャン上で正しく見え、かつ治療中に正しい線量の放射線を届けることができるモデルを、病院が日常的に使用できるほど低コストで作成できるかどうかを知りたいと考えました。

答えを見つけるために、チームは30種類ほどの一般的な3Dプリント用材料を代表する、60個以上の小さなプラスチック製の立方体を作成しました。彼らは、プラスチックの細い糸を溶かして積み重ねる2種類の機械と、光で液体樹脂を硬化させる1種類の機械の、計3種類の異なるプリンターを使用しました。彼らは、いくつかの立方体を完全に中実（ソリッド）としてプリントし、他のものは「インフィル密度」として知られる内部の空隙量を変化させてプリントすることで、材料の特性を調整できるかどうかを検証しました。プリント後、すべての立方体を臨床用CTスキャナーでスキャンして、材料が画像上でどのように見えるか（ハウンスフィールド・ユニットと呼ばれる値で記録されます）を測定しました。また、質量を決定するために立方体の重さを量り、放射線が物質をどのように通過するかを決定する重要な要因である、各立方体にどれだけの電子が詰まっているかを計算しました。最後に、実際のがん治療で使用される高エネルギービームの下でこれらの材料がどのように振る舞うかをテストするため、大きな立方体の中央にある穴の中に微小なセンサーを設置し、注入されたエネルギーを測定しました。

結果として、いくつかの一般的なプラスチックが、人間の軟部組織を非常に密接に模倣できることが明らかになりました。100%の密度でプリントされた場合、材料は幅広い特性を示しました。あるプラスチックはCTスキャン上で脂肪のように非常に暗く映り、別のプラスチックはより密度が高い臓器のように明るく映りました。これらの中実の立方体の質量密度は、水よりわずかに軽いものから、約20%重いものまで及びました。決定的なことに、研究者がこれらの材料を高エネルギー治療ビームの下でテストした際、吸収された放射線の量はコンピュータによる予測とほぼ完璧に一致しました。機械の予測とセンサーによる測定値の差は極めて小さく、1.3%を超えることはありませんでした。この一致の度合いは、これらのプリントされた材料が、放射線治療における標準的な参照対象である「水」とほぼ同じように振る舞うことを示唆しています。

また、本研究では、プリントされた物体の内部にある空隙量を変化させることで、材料をさらに微調整できることも発見されました。インフィル密度を10%から90%まで調整することで、単一のプラスチックの種類であっても、その特性を広大なスペクトラムへと変化させることができました。例えば、中実の状態では脂肪を模倣するには密度が高すぎるプラスチックであっても、大きな隙間を持たせてプリントすることで、空気を含んだ肺のような低密度を模倣することが可能です。この柔軟性により、単一の材料であっても、印刷設定を変更するだけで体の異なる部位を表現できるようになります。研究者たちは、特定のプラスチックの種類とインフィル密度の組み合わせによって、肝臓、心臓、あるいは乳房組織といった特定のヒト組織の放射線学的特性を密接に一致させられることを見出しました。

有望な結果が得られた一方で、研究者たちはいくつかの限界についても指摘しています。液体樹脂を使用するハイエンドの機械は優れた結果をもたらしましたが、プラスチックの糸を使用する機械よりも大幅に高価でした。加えて、液体樹脂のサンプルは数ヶ月間の保管後に変形が見られましたが、プラスチックの糸のサンプルは安定していました。また、本研究は軟部組織のみに焦 de しており、骨を模倣するための材料を見つけるという今後の課題を残しています。これらの留意点はあるものの、本研究は、放射線の安全性チェックのための、コスト効率の高い患者固有のモデルを作成することが可能であることを証明しています。適切なプラスチックを選択し、内部構造を調整することで、病院は手頃な価格で正確なファントムを製造することができ、患者に届けられる放射線量が安全かつ精密であることを保証できるのです。