日本人成人男女の平均体型を有する全身数値モデルの開発

生 体 医 工 学 40-4, 239/246 (2002)

圏

日本人成人男女の平均体型 を有 する全 身数値モデルの開発＊

長 岡 智 明 ＊＊ ・櫻 井 清 子 ＊＊,＊＊＊ ・国 枝 悦 夫 †・渡 辺 聡 一††・本 間 寛 之 ＊＊ 鈴 木 保 ＊＊ ・河 合 光 正 ＊＊ ・酒 本 勝 之 ＊＊,＊＊＊ ・小 川 幸 次 ＊＊＊ ・此 川 公 紀 ††† 久 保 田 勝 巳 ‡・金 鳳 沫 ‡‡・多 氣 昌 生 ‡‡‡・山 中 幸 雄 ††・渡 辺 敏 ＊＊,＊＊＊ 1. 序 論 現 代 社 会 で は電 磁 波 が 積 極 的 に利 用 され, 我 々 の生 活 を豊 か に して い る. す な わ ち, 我 々 は 様 々 な電 磁 界 に囲 まれ て 生 活 を し て い る とい え よ う. そ の た め に電 磁 界 は 我 々 の 生 活 を取 り巻 く環 境 因 子 の一 つ と して 強 く認 識 さ れ て お り, そ の 安 全 性 につ い て 関 心 が 高 ま っ て きて い る. 特 に近 年, 携 帯 電 話 は 急 速 に 社 会 に普 及 し生 活 に 欠 か せ な い 存 在 に な りつ つ あ り, 携 帯 電 話 等 の 無 線 通 信 機 器 で 使 用 さ れ る 高 周 波 電 磁 界 の 安 全 性 に つ い て の 関 心 も高 ま っ て い る. 今 後, 無 線 通 信 を 利 用 し た情 報 端 末 が これ まで 以 上 に 一 般 公 衆 の 間 で 利 用 さ れ る こ とが 予 想 さ れ て い る こ とか ら, 高 周 波 電 磁 界 の 生 体 に 対 す る安 全 性 を よ り正 確 に評 価 す る こ と は我 々 の 安 全 か つ 便 利 な生 活 を保 証 す るた め に大 き な 課 題 で あ る. 電 磁 波 の 安 全 性 に つ い て は生 体 内 に 吸 収 され る電 力 (SAR: Specific Absorption Rate, 単 位 は[W/kg]) で 評 価 さ れ, 生 体 内SARの 防 護 指 針 値 が 定 め ら れ て い る1・2). した が っ て, 電 磁 波 の 安 全 性 の 検 討 に は 生 体 内SARを 正 確 に 評 価 す る こ とが 必 要 で あ る. しか し, 生 体 内SARを 直 接 的 に 求 め る こ と は非 常 に困 難 で あ るた め, 人 体 の 各 組 織 ・臓 器 の 導 電 率 と比 誘 導 率 を 人 体 模 擬 の 数 値 モ デ ル に 与 え, FDTD (Finite-Difference Time-Domain: 時 間 領 域 有 限 差 分) 法 な ど の数 値 シ ミュ レ ー シ ョ ン に よ り推 定 され て い る. こ れ まで, MRI (Magnetic Resonance Imaging:磁 気 共 鳴 画 像 法) に よ り撮 像 され た 画 像 に基 づ い て, 人 体 頭部 を模 擬 した数 値 モ デルが 開発 され て い る. これ ら の頭 部 モ デル を利 用 した数 値 シ ミュ レー シ ョ ン に よ り, 携帯 電話 使 用 時 に頭部 内で生 じるSARが 推 定 さ れ て い る3∼7). 今 後, 携 帯 電 話 だ け で な く, 様 々 な無 線 情報 端末 が身 体 の様 々 な場 所 に装着 され た状 態 で利 用 され る こ とが 予想 されて い る. これ らの端末 は人 体 に装 着 され た状 態 で周 囲 と通信 を行 うた め, これ らの 装 置か ら発射 され る電 波 に よる生体 内SARの 評 価 が 必要 にな る と考 え られ る. したが って, これ まで に開 発 され て きた頭部 数値 モ デル で は, 頭 部 以外 の場 所 に 装着 され た無線 端末 に よ り生 じ る頭部 以 外 の部 分 で の SARの 評価 を行 え な い. 一 方 で, 人 体 全 身 を模 擬 し た数値 モ デル もい くつか 開発 され て いるが, ほ とん ど は欧米人 男性 を模 擬 した モ デル で あ り8∼11), 日本 人 を 模擬 した モ デル と して はX線CT画 像 に基 づ い て作 成 さ れ た 男 性 モ デ ル が 報 告 され て い る12). 生 体 内 SARは 人体 の体型 や臓 器 の位置 や 大 き さの影 響 を受 けるた め, 欧米 人 モデル を日本 人 を対 象 とした評価 に 用 い る こ とは必 ず し も適 当 とは い え な い. また, X 線CT画 像 か ら作 成 され た 日本 人数 値 モ デル は体 軸方 向の分 解能 が10mmで あ り, 携帯 電 話 等 の 無線 通 信 で利 用 され てい る1GHz以 上 の マイ ク ロ波帯 にお け る数 値 シ ミュ レー シ ョンに利 用 す る ことはで きな い. さ らに, これ まで行 わ れて きた生体 内SARの 評 価 は すべ て男性 モ デル を利 用 して い る. 男性 と女性 で は体 型 や臓 器 の重 量 以外 に解剖 学 的な構造 な ど も異 な って い る. した が って, 詳細 なば く露評価 に はそれ ぞれ男 女 の数値 モ デル を利 用 す る こ とが必要 で あ る. そ こで, 本 研 究 で はMRIを 利 用 し, 高 周 波 電磁 界 の ば く露 評 価 (生体 内SARの 数 値 シ ミ ュ レー シ ョ ン) に利 用 可能 な高 分 解 能 (2×2×2mm) の 日本 人 成 人男 女 の人 体 数値 モデ ル を開発 した. 最 初 に人体 モ デル作 成 の ため のMRI画 像 の取得 方 法 に つ いて説 明 し, 次 に組織 ・臓器 の同定 方法 につ いて述 べ る. 続 い て開発 した モデル につ いて, 日本人 平均 体型 お よび組 織 ・臓 器 の平均 重量 と比較 した結果 を示 し, 本 開発 モ デル の有 用性 につ いて検討 す る. ＊2002年10月3日 受 付, 2002年10月31日 改 訂, 2002 年11月25日 再 改 訂 ＊＊北 里 大 学大 学 院 医 療 系研 究 科 ＊＊＊北 里 大学 医療 衛 生学 部 †慶 應 義塾 大 学 医 学部 放 射 線 科 ††独 立行 政 法 人 通信 総 合 研 究所 †††北里 大 学 病 院 放射 線 部 ‡北里 大 学 東 病 院放 射 線 部 ‡‡東京 電 機 大 学大 学 院 理 工 学研 究 科 ‡‡‡東京 都 立 大 学大 学 院 工 学研 究 科

(240) 生 体 医 工 学 第40巻 第4号 (2002年12月) 2. MRI画 像 の 取 得 2・1 MRI撮 像 の 対 象 人 体 全 身 の 数 値 モ デ ル を 開 発 す る た め に は, そ の モ デ ル と な る被 験 者 の 人 体 全 身 に わ た り撮 像 さ れ た MRI画 像 が 必 要 と な る. 18か ら30歳 ま で の 日本 人 の 平 均 身 長 と平 均 体 重 は男 性 で171.4cm, 63.3kg, 女 性 で は159.1cm, 52.6kgと の 報 告 が あ る13). そ こ で 被 験 者 と して の ボ ラ ン テ ィ ア を 募 り, そ の 中 か ら 口 本 人 の 平 均 値 に 最 も合 致 し た 男 女 各1名 を選 ん だ. 被 験 者 の 身 長, 体 重 お よ び 年 齢 は 成 人 男 性 で172.8 cm, 65.0kg, 22歳, 成 人 女 性 で は160.0cm, 53.0 kg, 22歳 で あ る. な お, 被 験 者 に は 本 研 究 の 目 的 お よ びMRI撮 像 の 人 体 へ の影 響 に つ い て 説 明 し, 被 験 者 に な る こ との 了 解 を得 た. 2・2撮 像 方 法 と条 件 北 里 大 学 病 院 のMRI装 置 (GE横 河 メ デ ィ カ ル 社 製Signa Advantage Lx 1.5T) を用 い て, 被 験 者 の 全 身 を 頭 部 か ら 足 の 力 向 に 撮 像 し た. MRIはX線 CTと 比 較 し て 放 射 線 被 ば くが な く, 被 験 者 に 対 し て 負 荷 の 少 な い撮 像 が 可 能 で あ り, 画 像 の 組 織 コ ン トラ ス トが 強 い と い う利 点 を 有 す る. し か し, X線CT に比 べ て撮 像 時 間 が 長 く, 被 験 者 の 体 動 に よ る ア ー チ フ ァ ク トが 生 じ や す い 欠 点 も あ る. し た が っ て, MRIに よ っ て 被 験 者 の 全 身 を 十 分 な 解 像 度 で 撮 像 す る に は長 大 な 時 間 を必 要 と し, 撮 像 中 は被 験 者 の 体 動 を抑 え る 必 要 が あ っ た. 本 研 究 に 必 要 な 空 間 分 解 能 (2mm) で 全 身 デ ー タ を取 得 す る に は8時 間 程 度 の 撮 像 時 間 が 必 要 とな る. こ の よ うな 長 時 間 の 撮 像 は被 験 者 に苦 痛 を与 え る こ と に な る た め, 1日 あ た りの 撮 像 時 間 は2∼3時 間 を 限 度 と し, 全 身 の 撮 像 を 数 日 に 分 け て 行 っ た. 異 な る 日 時 で の 撮 像 時 の 被 験 者 の 体 形 お よ び 寝 台 上 で の 位 置 (体 軸 の 方 向, 回 転, 左 右 な ど) を 一 定 に す る こ とが 必 要 で あ る. そ こで, 撮 像 の 前 段 階 と し て 被 験 者 体 型 の キ ャ ス ト (固定 具) を作 成 し, 撮 像 時 に これ を用 い て 被 験 者 の 体 形 お よ び 位 置 を 固 定 し, 撮 像 日間 の 被 験 者 の 位 置 ず れ を 最 小 限 に 抑 え た. さ ら に, 数 値 モ デ ル 第1表MRIの 撮 像 条 件 Table 1 Imaging pararneters of

MRI-*1TR: Repeat time. *2TE: Echo tinle.

*3NSA: Number of signal averages. *4 FOV: Field of view.

第1図MRIに よ り撮 像 し た 全 身 の 原 画 像 の 冠 状 断 面 と 矢 状 断 面 空 間 分 解 能 は2×2×2mm.(a) 男 性, (b) 女 性.

Fig. 1 Original whole-body images of coronal and sagittal planes obtained from MRI. The spatial resolution is 2×2×2mm.(a) Male, (b)Female.

(a) (b)

-46-を大 地 に 直 立 し た 状 態 にす る た め に, この キ ャ ス トは 足 の 部 分 を 直 角 に 保 つ 役 割 も 担 っ て い る. ま た, MRIの 撮 像 可 能 領 域 の 制 約 に よ り, 上 肢 を腹 部 の 横 に添 え た状 態 で は, 上 肢 の 一 部 が 撮 像 で き な い た め, 上 肢 を腹 部 上 方 に置 い て 撮 像 し た.

撮 像 に はSE (Spin Echo) 法 を用 い, ス ラ イ ス厚2 mm, 横 断 断 層 方 向 を 選 択 した. 第1表 に そ の 他 の撮 像 条 件 を示 した. 頭 部 は そ れ 以 外 の 部 位 に 比 べ て 重 要 か つ 微 細 構 造 を 有 す る組 織 が 多 く, そ れ らの 組 織 を識 別 す る た め に 画 質 と空 間 分 解 能 を 考 慮 し た 設 定 と し た. 一 方, 頭 部 以 外 の 躯 幹 部 お よび 四 肢 (以下 に 体 部 と呼 ぶ) に つ い て は, 撮 像 時 間 に 重 点 を置 き, 短 い時 間 で 多 くの 画 像 を取 得 で き る 条 件 を選 択 し た. さ らに 胸 ・腹 部 を撮 像 す る 際 は, 呼 吸 に よ る ア ー チ フ ァ ク ト を 抑 制 す る た め に 呼 吸 補 正 法 を 使 用 し た. 2・3MRI全 身 画 像 の 調 整 MRIに よ り取 得 した 全 身 の 断 層 画 像 は パ ー ソ ナ ル コ ン ピ ュ ー タ (PC) で 扱 い や す い グ レ ー ス ケ ー ル8 ビ ッ トのTIFF (Tag Image File Format) 形 式 に変 換 した. 異 な る撮 像 時 の 身 体 の 位 置 を 一 定 に 保 つ た め に キ ャ ス トを用 い た が, 実 際 に撮 像 さ れ た 画 像 で は 多 少 の 位 置 ず れが生 じて いた。 そ こで, 分 割 して撮像 した部分 を連 続 的 に接続 す る操作 を行 っ た. あ らか じめ, 各撮 像 時 の撮像 範囲 を隣 接 す る領域 まで重複 させて お り, 重複 した領域 で の断 面画 像 内の身体 位置 を比 較 す る こ とで, 各撮像 間 の位 置 のずれ を評価 した. この よ うな 第2図 組 織 同 定 前 後 の 画 像 の 例 (a) 頭 部 レ ベ ル の 原 断 層 画 像, (b) 組 織 同 定 画 像.

Fig. 2 An example of images before and after tissue-identification.

(a) Original transversal MR image at a head level, (b) Tissue identified image at the same level.

(a) (h)

第3図 開 発 し た 組 織 同 定 ボ ク セ ル モ デ ル

(a) 男 性 モ デ ル の3次 元 直 交 断 面 表 示 (左) と 骨 強 調 画 像(右), (b) (a) と 同 様 に 表 示 し た 女 性 モ デ ル. Fig. 3 Developed tissue-identified vosel models.

(a) 3-dimensional orthogonal section display (left) and bone enhancement image (right) for male, (b) Female model similarly displayed as (a).

(242) 生体 医工 学 第40巻 第4号 (2002年12月) 位置 ず れの修 正 は頭部 を基 準 に して, 躯幹 部 か ら下 肢 方 向へ順 次行 った. また, 重複 した画像 を取 り除 くた めに, 主 要臓 器 また は骨 の形状 が最 も合致 す る画像 を 選択 し, それ を基 準 に して重複 画像 を削 除 した. さ らに, 上 肢 を腹部 上 方 に置 い た状 態 か ら腹 部 の両 側部 に移 動 させ る処理 も行 った. 最 後 にMRI画 像 の ピ ク セ ル サ イ ズ (頭部 領 域 は 0.9375×0.9375mm, 体 部 領 域 は1.875×1.875mm) を2×2mmに 変更 (平均 化) した. MRI画 像 の ス ラ イス 厚 は2mmで あ る こ とか ら, 空 間 分 解 能 が2×2 ×2mmの 全 身画 像が 得 られ た. 第1図 に補 正後 の全 身画 像 を示 した. 全身 の断 層画 像 は男性 で866枚, 女 性 で804枚 で あ り, これ らの画 像 を組織 ・臓 器 同定 用 の原画像 とした. 3. 組 織 ・臓 器 の 同定 原 画像 に基 づ い て人 体 の組 織 ・臓 器 の 同定 を行 っ た. 現 在 の画像処 理技 術 で は十 分 な精度 で 自動的 に各 組織 ・臓 器 に領域 分割 す る ことは不 可能 で あ るため, す べ ての組織 ・臓 器 同定処 理 を手作 業 で行 った. 各 々 の組 織 ・臓器 に特 定 のRGBコ ー ドを与 え る ことで組 織 ・臓 器 を識 別 した. 実 際 の作 業 はPC上 で 行 っ た. 画 像 処 理 ソ フ ト ウ ェ ア (Adobe社 製Photoshop) で 原 画像 に存 在 す る組 織 ・臓 器毎 にレイ ヤー を重 ね, そ の組 織 ・臓器 の領 域 部 分 にRGBコ ー ドを与 えた色 付 け を行 っ た. 1枚 の断層 画像 で組織 ・臓 器 同定 が 完了 した時 点 で レイヤ ー を統合 した. 第2図 に原 画像 と組 織 ・臓 器 同定後 の画 像 を示す. 次 に我々 が 開発 した ソフ トウ ェア を使 用 して, すべ ての 画像 を結合 し3Dデ ー タ を作 成 し, さ らに, 3D デー タの横 断面, 矢 状面 と冠状 面 の3方 向 をす べて考 慮 し, 組織 ・臓 器 の連続性 等 の修正 を行 った. 最 終的 な組 織 ・臓 器 の位置 や形 状 につい て の医学 監 修 を3D 可 視 化 ソ フ ト ウ ェ ア (ケ イ ・ジ ー ・テ ィ ー 社 製 INTAGE) を使 用 して行 った. 4. 全 身数 値 モ デ ル 第3図 に開発 した全 身数値 モ デル を示す. このモ デ ル は2×2×2mmの ボクセル で構成 され, 最 終 的 な組 織 ・臓 器 の 同定 数 は男女 共 に51で あ る. 第2表 に同 定 したす べて の組織 ・臓 器 を示 した. 男性 と女性 の解 剖 学 的 な違 い か ら, 男性 の みの組 織 ・臓 器 として前立 腺, 睾 丸, 精 嚢, 海 綿体 を同定 し, 女 性 で は乳 房 脂 肪, 卵 巣, 子 宮, 膣 を同定 した. 第3表 に人 体数 値 モ デ ル と日本人 の平 均 体 型13)を示 した. 日本 人 の平 均 体 型 は人体 の様 々 な部 分 が デー タ化 されて い る. 第3 第2表 同 定 し た 組 織 ・臓 器 Table 2 1dentified tissues and organs.

*1: Male tissues and organs. *2: Female tissues and organs.

-48-1表には体 型 を示 す 主 な11項 目 を選 定 した. 人 体 数 値 モ デル にお け る値 は被 験 者 を直 接 測定 した 値 で はな く, PC上 でINTAGEの 計 測機 能 を利 用 して計 測 し た 値で あ る. 男性 の人 体数 値 モデル と日本 人成人 男性 平 均値 との偏 差 の 平均 値 は4.03%で あ り, 最大 偏 差 は 臍 位 腹 部 厚 径 (Abdominal depth) で7.45%で あ った. 女 性 モデル と日本 人成人 女性 平均 値 との偏 差 の 平均 値 は3.28%で あ り, 最 大 偏 差 は男性 モ デ ル と同 様 に臍 位腹 部 厚径 で12.94%で あ った. 男性 モ デル で は11項 目中, 8項 目 で2. 0%以 上 の差 を示 した. 一 方, 女性 モデル につい て は平 均 値 に対 して2.0%以 上 の差 を示 した のは3項 目で, 男性 モ デル と比 較 して差 第3表 ボ ク セ ル モ デ ル の 体 型 と 日 本 人 成 人 男 女 の 平 均 体 型 と の 比 較

Table 3 Comparison of morphologic features of the voxel models and the average Japanese adult male and female.

第4表 ボ ク セ ル モ デ ル と 平 均 日 本 人 成 人 男 女 と の 組 織 お よ び 臓 器 重 量 の 比 較

Table 4 Comparison of tissue and organ masses between the voxel models and the average Japanese adult male and female.

Data of Japanese Reference Man14)was referred for average values. However, data of Asian Reference Man15) (*) was also referred only for average values of the tissues and organs whose data was not found in Japanese Reference Man.

(244) 生 体 医 工 学 第40巻 第4号 (2002年12月) が少 な い項 目が多 い が, 2項 目が10%以 上 の差 を示 し た. 次 に, 人体 数 値 モ デル の主 な組織 ・臓 器 の重量 を 日 本 人平 均値 と比 較 した. 人 体数 値モ デル の臓 器重 量 を 求 め る際 に は, 各組 織 ・臓器 に属す るボ クセル数 か ら 体 積 を求 め, Japanese Reference Manに 記 載 され て い る比重 を用 いて14), 重量 に換 算 した. 第4表 に人 体 数 値 モ デ ル の 主 要 な 組 織 ・臓 器 重 量 と 日本 人 平 均 値14,15)を示 す. 女性 で は全 体 的 に 日本 人 平 均値 に比 べ 数 値 モ デル の臓 器 重量 が軽 くな る傾 向 を示 して い る. 一方 で, 男女 モ デル共 に大 腸, 骨, 脂肪, 皮 膚 の 重量 が平均 値 と比 較 して重 い ことが 示 され た. 男 性 モ デル の場合, 同定 されて い る組 織 ・臓 器 の約6割 につ い て は平 均 値 との偏 差 が30%以 内 で あ っ た. また, 女 性 モデル の場 合, 約8割 の組織 ・臓 器 につ い ては平 均値 との偏差 が30%以 内 であ った. 5. 考 察 前 節 にお い て, 体 型指標 の主要 な部位 で 開発 モ デル と 日本 人 の平 均体 型 値 を比 較 した (第3表). ほ とん どの体 型 値 につ いて は平均 値 とよ く一 致 してい たが, 臍 位腹 部 厚径 につい て は若 干偏差 が大 き くなった. こ れ は, 日本 人 の 平 均体 型 値 は立位 で の計 測 値 で あ る が, 開発 モ デル は臥位 の状 態 で のMRIデ ー タ に基 づ いて い る ことに よる もの と考 え られ る. したが っ て, 体位 の違 いが計 測項 目での 開発 モデル と日本 人 の平均 体型 値 の差 に影響 して い る と考 え られ る. しか し, 概 ね 開発 モ デル と日本 人 の平 均 体 型 との偏 差 は小 さ く (最大 で 約13%), ほ ぼ合 致 して い る こ とが確 認 され た. 人体 数値 モ デル を用 い た シ ミュ レー シ ョンで は, 人 体 組織 お よび臓 器 の重 量が 重要 な因子 とな る. そ こで 主 な組 織 ・臓 器 の重 量 につ いて, 本研究 で 開発 され た 数 値 モデ ル と 日本 の平 均臓 器 重量 値 を比較 した (第4 表). そ の結 果, い くつ か の組織 ・臓 器 重 量 にお い て は開発 モ デル と日本 人平均 値 との偏差 が体 型 の場合 よ りも大 き くな る こ とが 示 され た. そ の理 由 と して, 2 つ の原 因が考 え られ る. 1つ は被 験者 の実際 の組 織 ・ 臓 器 重量 が平 均値 と異 な る こ と. も う1つ は分解 能 の 影 響 が考 えられ る. すなわ ちモ デル を形 成 す る最 小単 位 で あ るボ クセル サ イズ以下 の組織 ・臓 器 は重量 が実 際 よ り重 くな る傾 向が あ る. 例 えば皮膚 で は, 男 女 モ デル と もに そ の重 量 は平 均 値 と比 較 して50%以 上 大 きい. これ は, 人 間 の皮 膚 の厚 さ は部 位 に よ り変 化 し, 大部 分 で は2mm未 満 の厚 さで あ るの に対 し, 本 モ デル で は皮 膚 をす べ て2mm立 方 の ボクセル で表現 したた め と考 え られ る. 日本人 の平均 的 な皮 膚 の表 面 積 は約16, 000cm2で あ る16). 開発 モ デ ル の皮 膚 を表 面積 で 表 す と, 男 性 モ デ ル は16, 918cm2, 女 性 モ デ ル は13, 360cm2で あ り, 皮 膚 重量 とは異 な り, 平 均 値 に近 い値 を示 して い る. した が って, 皮膚 の ボクセ ル につ いて は表 皮 と皮下 脂肪 を適 当 な重 み づ けで平 均 した電 気定 数 を与 え る ことで, よ り現実 的 な電磁 界 解 析 が可 能 にな る と考 え られ る. 我 々 が開発 した数値 モ デル以 外 の 日本 人 の解 剖 デ ー タに基 づ く数 値 モ デル と して は, Saito et al. 12)がX 線CTを 利 用 して作成 した 日本 人成 人男 性 の人 体数 値 モ デル が 報 告 され て い る. この モ デ ル は約1×1×10 mmの ボクセ ルで構 成 され てい る. 電 磁界 解析 の適用 可 能 上 限 周 波数 は ボ クセ ル の最 大 寸 法 に依 存 す る た め, こ の モ デル の分 解 能 (最大10mm) で は1GHz 以上 の 高周波 数帯 の電 磁波 解析評 価 を高精度 に行 うこ とは困難 で あ る. 本研 究 で 開発 した モ デル は2×2×2 mmで 構成 され た成 人男 女 の人体 数値 モ デル で あ る. した が って現 時点 で は, 高周 波数帯 の電磁 界解 析評 価 に利用 可能 な 日本人 の全 身数値 モ デル は本 開発 モ デル だ けであ る. さ らに, 高周 波数 帯 に限 らず, 女性 の全 身 に対 す る電磁界 のば く露評 価 が可 能 なモ デル は世界 的 にみ て も本 開発 モ デル のみで あ る. 開発 した人体 数値 モ デル は概 ね3GHzま で の電 磁 界 ば く露評 価 が可能 で あ る. した が って, 現在 使 用 さ れ てい る携 帯 電 話 の 周波 数 帯 域 (800MHz∼2GHz) で の 評 価, さ ら に 今 後 普 及 が 見 込 ま れ て い る Bluetoothや 無線LAN等 で使 用 さ れ る よ り高 い周 波 数 帯域 (2.45GHz) に も十分 に利 用 で き る と考 え ら れ る. また, 将来 的 に利 用 され るで あ ろ うウェ アラ ブ ル通 信端 末等 の, 必 ず しも頭 部近傍 で使用 され る とは 限 らな い携 帯通 信端 末 の安 全性 評価 に も使 用で きる と 考 え られ る. 電磁 波 ば く露 に対 す る生体 反 応 として は刺激 作 用や 熱作 用 が知 られ て いる. 高周 波数 帯 で は熱作用 が支 配 的 で あるた め, 熱 作用 の原 因 とな る電 磁波 エ ネル ギー 吸収 量 を正 確 に評価 す る こ とが重要 とな る. 生体 に対 す る熱作 用 を評 価 す る際 には, 電力 吸収 が大 き くなる 組 織, す なわ ち導電率 が大 きい高含 水組織 (筋肉, 脳 組 織, 内臓) にお ける電力 吸収 を正確 に評 価 す る こ と が 重要 で あ る. 一 方, 導電率 が小 さい骨 や脂肪 等 の低 含水 組織 で は高含 水組織 に比 べ て電力 吸収 は小 さい も の の, 低 含水組 織 の存在 によ り人体 内部 の電 力 吸収分 布が 著 し く不均 一 にな り, 場合 によ って は多 重散 乱等 によ り局所 的 に非常 に大 きな電 力吸収 (ホ ッ トスポ ッ ト) を生 じる可 能性 が ある. したが って, 高周 波数 帯

-50-にお ける評価 に は人体 内部 -50-にお け る高 含水 組織 と低 含 水組織 の解剖 学 的 な構 造 と位 置 を正確 に模 擬 す る必 要 が あ る. そのた め, 本 開発 モデル の 開発 で は, 医学 監 修 の 際 に高含 水組 織 と低含 水組 織 の境 界 につ いて特 に 注意 を は らって い る. 高周 波 数帯 の電 波 にば く露 した人 体 内部 にお ける吸 収 電力 特性 は人 体 の体型 お よび組織 ・臓 器重 量 に影響 され るの で, 今 後 は年 齢 に お け る平 均 的 な体 型 や 組 織 ・臓器 重 量 を有 す る数 値 モ デル を整 備 す る こ とが必 要 で あ ろ う. た だ し, そ れ ぞ れ の モ デ ル を 一 か ら MRI画 像 に基 づ い て作 成 す る こ とは, 開発 期 間 な ど の制 約 に よ り, 非 常 に困難 であ る と予 想 され る. そ こ で, 我 々 の開発 した成 人 モ デル を幼児 か ら老人 までの 各年 齢 層 の体 格 特 性 (身長, 体 重, 組 織 ・臓器 重 量) に合 せ て適切 にスケ ー リングす る こ とに よ り, 各 年齢 層 の平均体 型 を有 す る数値 モ デル を作成 す る手法 につ い て, 現在 研究 を進 めて い る. 本研 究 で は高 周 波電磁 界 の評 価 を可能 にす る人体 全 身 数値 モ デル を開発 したが, 全 身 の人 体 数値 モ デル は 電 磁界 の解析 のみ な らず, 様 々 な分野 の研 究 に利用 で きる. 特 に, 放 射 線 防護 の分 野 (放射 線 被 ば く評 価) では, 従 来 は数 式 モデル に代 表 され る簡易 形状人 体 モ デルが使 用 され て きたが, 本研 究 で 開発 した よ うな詳 細 な人体 数値 モ デル も この分 野 の研 究 に利 用で きる と 考 え る. さ らに, 数値 モ デル に電気 定数 の代 わ りに弾 性 定 数や 熱定 数 を与 え る こ とに よ り, 自動車衝 突 時 の 人 体 損傷 シ ミュレー シ ョ ンの た めの弾性 解析 や様 々 な 環 境条 件下 で の人体 生 理 シ ミュ レー シ ョンのた めの温 度 解析 等 の研究 に利 用 で き る と考 え られ る. 6. 結 論 2×2×2mmの 分解 能 を有 す る成 人 男女 の全 身 数値 モ デ ル を開発 した. これ らの 数値 モ デル はMRIの 画 像 に基 づ き, 50以 上 の 異 な る組 織 ・臓 器 を有 して い る. これ らのモ デル は 日本 人 の平均 的 な身長 ・体 重 を 有 す る被 験 者 のMRI画 像 か ら作 成 されて お り, 体 型 お よび各組 織 ・臓 器 ともに 日本人 の平均値 に近 い もの となって い る. したが っ て, 本研 究 で開発 した全身 数 値 モデル を利用 す る ことに よ り, 日本 人 を想定 した高 精 度 な シ ミュレー シ ョンが可 能 にな る. また, この数 値 モ デル は2mmと い う非常 に高 い空 間分解 能 を有 し て お り, これ まで 困 難 で あった1GHzを 超 え る高 周 波 数電磁 界 にお け る人 体全 身 を考慮 した ば く露評価 を 可 能 とす る. さ らに, モ デル の各 ボ クセル に電気定 数 以 外のパ ラメー タ を設 定 す る ことで, 様 々 な研 究分 野 で の利 用 が可能 とな る. 我 々 は このモ デルが電 磁界 の 解 析 だ け で な く 様 々 な 研 究 分 野 で 幅 広 く 使 用 さ れ る こ と を 期 待 す る. な お, 本 人 体 数 値 モ デ ル の デ ー タ に つ い て は 利 用 条 件 等 を 整 備 し た 上 で 様 々 な 研 究 利 用 の た め に 広 く 公 開 し て い く 予 定 で あ る. 本 モ デ ル の 開 発 を 遂 行 す る に あ た り, 貴 重 な ご 意 見 を い た だ き ま し た 名 古 屋 工 業 大 学 工 学 部 の 藤 原 修 教 授 な ら び に 放 射 線 医 学 総 合 研 究 所 ・医 学 物 理 部 の 西 澤 か な 枝 先 生 に 感 謝 い た し ま す. 文 献 1) 郵 政 省 電 気 通 信 技 術 審 議 会 答 申: 諮 問 第38号, 電 波 利 用 に お け る 人 体 防 護 指 針 (1990) 2) 郵 政 省 電 気 通 信 技 術 審 議 会 答 申: 諮 問 第89号, 電 波 利 用 に お け る 人 体 防 護 の 在 り方 (1997)

3) P. J. Dimbylow: SAR calculations in an automatically realistic model of the head for mobile communication transceivers at 900 MHz and 1.8GHz, Phys. Med. Biol., 39, 1537/1553 (1994)

4) S. Watanabe, M. Taki, T. Nojima & O. Fujiwara Characteristics of the SAR distributions in a head exposed to electromagnetic fields radiated by a hand-held portable radio, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 44, 1874/1883 (1996)

5) M. Okoniewski & M. A. Stuchly:Astudy of the handset antenna and human body interaction, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 44, 1855/1864 (1996) 6) O. P. Gandhi, G. Lazzi & C. M. Furse: Electromagnetic

absorption in the human head and neck for mobile telephones at 835 and 1, 900 MHz, IEEE Trans. Micro-wave Theory Tech., 44, 1884/1897 (1996)

7) J. Wang & O. Fujiwara: FDTD analysis of dosimetry in human head model for a helical antenna portable tele-phone, IEICE Trans. Commun., E83-B. 549/554 (2000) 8) M. Zankl, N. Petoussi-Henss & A. Wittman: The GSF voxel phantoms and their application in radiology and radiation protection, Proc. of an International Work-shop at NRPI3"Voxel Phantorrl Development", 98/104, UK (1995)

9) P. J. Dimbylow: FDTD calculations of the whole-body averaged SAR in an anatomically realistic voxel model of the human body from 1MHz to 1GHz, Phys. Med.

Biol., 42, 479/490 (1997)

10) T. W. Dawson, K. Caputa & M. A. Stuchly: Acompari-son of 60 Hz uniform magnetic and electric induction in the human body, Phys. Med. Biol., 42, 2319/2329 (1997) 11) X. G. Xu, T. C. Chao & A. Bozkurt: VIP-Man: An image-based whole-body adult male model constructed from color photographs of the Visible Human Project

for multi-particle Monte Carlo calculations, Health Phys., 78, 476/486 (2000)

12) K. Saito, A. Wittmann, S. Koga, Y. Ida, T. Kamei, J. Funabiki & M. Zankl: Construction of a computed tomographic phantom for a Japanese male adult and dose calculation system, Radiat. Environ. Biophys., 40, 69/76 (2001)

13) 生 命 工 学 工 業 技 術 研 究 所: 設 計 の た め の 人 体 寸 法 デ ー タ 集, 67/146, 日 本 出 版 サ ー ビ ス, 東 京 (1996)

(246) 生 体 医工 学 第40巻 第4号 (2002年12月)

Reference Man) -1988の 研 究-IV-主 要 器 官 の 正 常 値 に 関 す る 研 究-, 日 本 医 放 会 誌, 49, 344/364 (1989)

15) G. Tanaka & H. Kawamura: Anatomical and physio-logical characteristics for Asian reference man-Male and female of different ages: Tanaka model,

NIRS-M-115, National Institute of Radiological Science, Chiba (1996)

16) 鈴 木 隆 雄: 日 本 人 の か ら だ; 健 康 ・身 体 デ ー タ 集, 305/308, 朝 倉 出 版, 東 京 (1996)

The Development of Whole-body High-resolution Voxel Models of the Average Japanese Adult Male and Female*

Tomoaki NAGAoKA, **Kiyoko SAKuRAI, **,***Etsuo KuNIEDA, †Soichi WATANABE, †† Hiroyuki HONMA, **Tamotsu SUZUKI, **Mitsumasa KAWAI, **Katsuyuki SAKAMOTO, **,***

Koji OGAWA, ***Kiminori KoNoKAWA, †††Katsumi KUBOTA, ‡Bongsoo KIM, ‡‡ Masao TAKI, ‡‡‡Yukio YAMANAKA, ††Satoshi WATANABE**,***

We have developed high-resolution voxel models of the whole body from MR images of Japanese adult male and female volunteers. These models can be used for dosimetry simulation of exposure to radiofrequency electromagnetic fields over 1GHz. The MR images were taken by making a series of scans over several days; that is, a subject was scanned in several blocks. Scan parameters were optimized for head and body, respectively, in order to get practical contrast and to save data acquisition time. An implement was used to keep the position and form of the subject. All of the MR images were converted to TIFF format. The continuities between different blocks of the data were corrected to form a whole body. Furthermore, the resolution of the images was changed into 2×2mm. Male and female models were segmented into 51 tissues and organs. This segmentation was performed lmanually using popular i血age-processing software. The developed models consisted of isotropic voxels with a side of 2mm. Although the masses of the skin and small-sized tissues and organs of the models deviated from the averaged values for Japanese due to the limitation of spatial resolution, the masses of the other tissues and organs and the morphometric measures were nearly equivalent to those of the average Japanese. The models are the first voxel models of the average Japanese that can be used for the dosimetry of electromagnetic fields over l GHz. Furthermore, the female model is the first of its kind in the world.

The models can also be used for various numerical simulations related to Japanese human bodies in other fields of research.

*Received on October 3rd 2002, Revised on October 31st 2002, November 25th 2002 **Kitasato University Graduate School of Medical Sciences

***School of Allied Health Sciences, Kitasato University

†Department of Radiology, School of Medicine, Keio University

††Communications Research Laboratory, Independent Administrative Institution †††Department of Radiology, Kitasato University Hospital

‡Department of Radiology, Kitasato University East Hospita1 ‡‡Graduate School of Science and Engineering, Tokyo Denki University ‡‡‡Graduate School of Engineering, Tokyo Metropolitan University