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RI ビームの応用による治療精度の向上

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NIRS. HIMAC. RI ビームの応用による治療精度の向上. 放射線医学総合研究所 北川 敦志. Contents. 1. 重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果 2. 放射性炭素ビームの医学応用の目的 3. 技術的手法 4. 検証実験の結果 商用PET診断装置を用いた3次元画像データの測定 1 次元の精密レンジ測定 生体内での臓器毎の代謝の研究. 1. 重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果. 重粒子線の特長. 放射線治療 1. 物理学的特長 物質中での荷電粒子の Bragg peak より、深さ方向の線量集中性が良い .

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Presentation Transcript
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NIRS

HIMAC

RIビームの応用による治療精度の向上

放射線医学総合研究所

北川 敦志

contents
Contents
  • 1. 重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果
  • 2. 放射性炭素ビームの医学応用の目的
  • 3. 技術的手法
  • 4. 検証実験の結果
    • 商用PET診断装置を用いた3次元画像データの測定
    • 1次元の精密レンジ測定
    • 生体内での臓器毎の代謝の研究
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1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果

重粒子線の特長
  • 放射線治療
    • 1. 物理学的特長
      • 物質中での荷電粒子のBragg peakより、深さ方向の線量集中性が良い.
      • 物質中での散乱が小さく、横方向の線量集中性が良い.
    • 2. 生物学的特長
      • 高LET(Linear Energy Transfer)のため、生物学的効果が高い.
      • 低酸素細胞にも効果が高い
      • 細胞の増殖周期によらず効果が高い
1994 6 2006 8

1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果

中枢神経

涙腺

頭頚部

食道

骨・軟部

肝臓

すい臓

前立腺

直腸

子宮

部位別治療患者登録数 (1994年6月 - 2006年8月)

Total: 2,867

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1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果

臨床試験まとめ
  • 1. 1994年より2800人以上の患者に対して治療を行った.
  • 2. 物理学的/生物学的優位性を証明し、本治療法の有効性、安全性が確かめられた.
  • 3.治療期間の短縮に成功した.
      • 肺がんの臨床試験結果

照射回数線量局所制御率(3年)

18 fractions in 6 weeks 59.4~95.4GyE 65%

9 fractions in 3 weeks 72.0GyE 98%

4 fractions in 1 week 52.8~60.0GyE 93%

1 fraction in 1 day 28.0GyE (in progress)

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1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果

HIMAC(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba)

重粒子線がん治療装置の仕様
  • イオン種: 高LET (100keV/mm)荷電粒子線  炭素
  • レンジ: 30cm in soft tissue 430MeV/n
  • 最大照射野: 22cm radius
  • 線量率: 5Gy/min  2×109pps
  • ビーム照射方向: 水平, 垂直

面積: 7200 m2 (60 x 120 m)

建設費: 326億円

146億円(建屋)

180億円(装置)

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1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果

イオン源

線形加速器

シンクロトロン

電磁石

加速空洞

照射システム

電磁石電源

1/3

面積 及び 建設費

次世代治療施設
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1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果

普及への取り組み
  • 次世代治療施設のための研究開発
      • 400 MeV/u 炭素線シンクロトロン.
      • 面積及び建設費はHIMACの1/3が目標.
  • 治療費の推定
      • 年間治療患者数 = 800人 / 年
        • 3 室x 250 日x 6 時間 = 4500 時間 / 年
        • 0.5 時間 x 11.2 照射回数 = 5.6 時間 / 人
      • 治療費 = 約200万円 / 人
        • 減価償却費 4.5 (億円 / 年)
        • 人件費 4.7
        • 光熱費 2.7
        • 保守費 3.7
        • 消耗品費 1.4
  •                      (粒子線がん治療普及に向けた勉強会報告書による)
  • 施設建設計画
      • 群馬大学の治療施設建設 (2006 - 2008).
      • 全国に20ヶ所程度の建設計画が進行中(新聞報道等より).
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2.放射性炭素ビームの医学応用の目的

正常な

重要臓器

陽子線

重粒子線

がん患部

放射性炭素ビームの利用目的
  • 重粒子線がん治療の特長
  • = 良好な線量集中性.
  • マージンの要因:
  • - 治療計画の誤差,
  • - 患者位置決めの誤差,
  • - 体内での臓器位置の変動.
  • マージンを減少させるには?
  • 照射領域の検出システムが
  • 必要.
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2.放射性炭素ビームの医学応用の目的

X線CT画像よりがん患部の決定

ビーム経路にそった水等価厚(WEL: water equivalent length )換算のレンジの算出

治療計画中でのレンジ計算
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2.放射性炭素ビームの医学応用の目的

治療への応用: シナリオ1
  • 中枢神経、頭頚部がん治療の課題
  • 腫瘍が眼球や視神経、脳幹部など重要臓器に
  • とりかこまれていてマージンがとりづらい。
  • 要求
  • = highest Tumor Control Probability (TCP)
  • = least Normal Tissue Complication Probability (NTCP).
  • したがって、
  • ・より複雑な形状の照射野の作成
  • ・照射位置の検出によるマージンの低減
  •  (三次元の照射野分布の測定)
  • が必要。

Squamus Cell Ca. of Ethmoid Sinus.

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2.放射性炭素ビームの医学応用の目的

治療への応用: シナリオ2
  • 肺がん治療の課題
  •   ビーム軌道にそって、骨や空気層といった密度が大きく異なる物質が入り混じっている。
  • このため、レンジの計算が複雑になり誤差が大きくなる。
  • 真のビーム停止位置の検出が誤差の低減に有効
  • (一次元の分布の測定)
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3.技術的手法

15O

b+放射性核

(炭素)

12C

13N

11C

核崩壊

11C

12C

ポジトロン

11C, 10C ...

対消滅ガンマ線の

放出

照射位置の測定原理
  • 1. In-vivo activation:
  • 通常の安定ビームが
  • 体内の原子核をb+放射性核に変える.
  • 2. Autoactivation:
  • 通常の安定ビームが
  • 体内の原子核に衝突して自身がb+放射性核に変わる.
  • 3. Radioactive beam
  • 放射性炭素ビームを直接照射する(S/Nが高い).

(ホウ素)

2C.A. Tobias et al.., Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 3, 35 (1977).

2G.W. Bennett et al.., Science 200, 1151 (1978).

3A. Chatterjee et al.., Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 7 (1981) 503.

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3.技術的手法

対消滅ガンマ線の検出器

1) 商用のPET診断装置

= 3次元画像の測定

2) ポジトロンカメラ

= 1次元レンジの精密測定

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3.技術的手法

放射性炭素ビームの生成
  • Maximum magnetic rigitity 8.13Tm
  • Radius of bending magnet 5.0(1st), 5.6(2nd)m
  • Maximum beam energy (for 20Ne) 600MeV/n
  • Momentum acceptance 5%(full width)
  • Angular acceptance (h, v) 26mrad(full)
  • Momentum dispersion at F1 2.0m

M. Kanazawa et al.., Nucl. Phys. A 701 (2002) 244c

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3.技術的手法

Momentum slit

一般的な11Cの運動量分布
  • 治療もしくは生物実験のためには、十分広い運動量分布が必要となる.
  • 生成条件:
  • ビームエネルギー = 400 MeV/u
  • ターゲット厚 = 51 mm (Be)
  • 角度アクセプタンス = 26 mrad
  • 運動量アクセプタンス = 5%
  • 生成率 = 1%
  • 純度 > 90%
  • 運動量幅 = 4%
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3.技術的手法

11Cの運動量選択的使用法
  • レンジの精密測定のためには、運動量を狭く選択したビームを用いる.
  • 生成条件:
  • ビームエネルギー = 400 MeV/u
  • ターゲット厚 = 51 mm (Be)
  • 角度アクセプタンス = 26 mrad
  • 運動量アクセプタンス = 0.2%
  • 生成率 = 2 x 10-4

Momentum slit

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3.技術的手法

multi-leaf collimator

ridge filter

pencil beam collimater

PSD monitor

positron camera

position monitor

Q Magnet

scatterer

dose monitor

(main/sub)

range shifter

patient chair

scanning

magnets

(h. & v.)

5430mm

スポットスキャニングによる3次元照射システムスポットスキャニングによる3次元照射システム
  • 最大照射領域
  • 10 x 10 x 18 cm (水等価厚)
  • スキャニング速度 (x, y)
  • 2 ms/cm

加速器からの

ビームエネルギーは

固定

X-、Y-の電磁石による

横方向のスキャニング

レンジシフターによる

深さ方向のスキャニング

E. Urakabe et al.., Jpn. J. Appl. Phys. 40 (2001) 2540.

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3.技術的手法

患者位置決めシステムと治療いす

ポジトロン

カメラ

X線管

ビーム

多葉

コリメーター

X線撮影板

レンジ

シフター

回転治療いす

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PET画像として測定した3次元スポットスキャニング照射PET画像として測定した3次元スポットスキャニング照射

4.検証実験の結果

Pattern Test

63x63 mm, 20 mm apart,

3 mm step

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商用PET診断装置による測定

4.検証実験の結果

放射性炭素11Cビーム(a) とAutoactivation (b)

2mm以下のレンジの違いを検出可能.

照射線量: 1 Gy, 照射領域: 35x35x50 mm WE

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4.検証実験の結果

1次元レンジ測定精度の検証実験

0.95*diameter

レンジシフター

spherical PMMA

(150, 180 diam.)

10C

2-axis,

2-rotational stage

プラスチック

シンチレーター

ビームエネルギー : 346 MeV/u - range in PMMA : 156.9 mm

運動量幅 : 0.8 % FW - range width : 3.6 mm

ビームサイズ: 7 mm in FWHM

照射粒子数: (3 -5)×105

- 最大線量 (simulated) : 110-180 mGyE

照射時間: 2 sec (1 spill)

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4.検証実験の結果

1次元レンジ測定の精度
  • 生物学的線量 = 0.1 GyE
  • = 3 x 105 particles
  • ビーム停止位置重心の測定精度
  • = 0.6 mm

10 mm FWHM

Y. Iseki et al..,Phys. Med. Biol. 49 (2004) 1

pet washout

4.検証実験の結果

PETイメージのWashout効果

重粒子線の

線量分布(計画)

Autoactivation+Attenuation PET Image

本来、一様であるべき分布に

代謝による濃淡が生じている.

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4.検証実験の結果

15cm

Beam

Duct

Absorber

(PMMA)

20cm

Plastic

Scintillator

Beam

12cmφ

ウサギを用いた体内代謝の測定実験

放射性炭素10Cと11Cビームを、生きたウサギおよび死んだウサギに照射し、生物学的半減期を測定する

10C, 11C with 350MeV/u

脳に照射する前のX線によるウサギの位置決め画像

Beam condition

10C & 11C beam energy : 350 MeV/u

Momentum width : 0.4% (FW)

Beam size : 3 - 7 mm (FWHM)

Intensity : 24k (10C) / 300k (11C) pps

10 c 11 c

4.検証実験の結果

10C

11C

10C

11C

10Cと11Cの分布

生きたうさぎ及び死んだウサギの脳に照射した10Cと11Cの

2次元測定画像及び射影画像

T1/2(10C)=19.3sec, T1/2(11C)=20.3min

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4.検証実験の結果

速い成分 tC-10 or C-11 and tbiof ・・・ componet1

血流

中間の成分 tC-10 or C-11 and tbiom ・・・ 2

遅い成分  tC-10 or C-11 and tbios・・・ 3

細胞

Component-1

τ~10±8s

(30±4 %)

Component-1

τ~2.0±1.8s

(35±3 %)

Component-3

τ~10191±2200s

(35±1 %)

Component-3

τ~3175±378s

(52±2 %)

Component-2

τ~195±52s

(19±3 %)

Component-2

τ~140±18s

(30±3 %)

臓器による代謝の違い(脳と筋肉)

H. Mizuno et al.., Phys. Med. Biol. 48 (2003) 2269.

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4.検証実験の結果

医学応用のための検証実験結果
  • 1. 商用PET診断装置を用いた3次元画像の測定.
      • ビーム経路上の2mm以下のレンジの違いを検証可能.
  • 2. ポジトロンカメラを用いた1次元レンジ精密測定.
      • ビーム停止位置を重心として0.6mmの精度にて検出可能.
  • 3.臓器による代謝の違いの研究
      • 生きたウサギ中の生物学的半減期には、少なくとも3つの成分が存在する.
      • Washout効果は、臓器によって異なり、脳の方が筋肉に比べて速い.