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HIMAC NIRS 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
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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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重粒子線の特長 放射線治療 1. 物理学的特長 2. 生物学的特長
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
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部位別治療患者登録数 (1994年6月 - 2006年8月) Total: 2,867 1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果 中枢神経
前立腺 子宮 頭頚部 肺 肝臓 骨・軟部 眼 涙腺 中枢神経 直腸 食道 すい臓
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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.
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 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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重粒子線がん治療装置の仕様 面積: 7200 m2 (60 x 120 m) 建設費: 326億円 146億円(建屋) 180億円(装置)
1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果 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 HIMAC(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba) 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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1/3 次世代治療施設 面積 及び 建設費 線形加速器 イオン源 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.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果 次世代治療施設 イオン源 加速空洞 線形加速器 照射システム 電磁石電源 シンクロトロン 電磁石 面積 及び 建設費 1/3
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普及への取り組み 次世代治療施設のための研究開発 治療費の推定 施設建設計画 400 MeV/u 炭素線シンクロトロン.
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 ( ). 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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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,
2.放射性炭素ビームの医学応用の目的 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. 正常な 重要臓器 がん患部 陽子線 重粒子線
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治療計画中でのレンジ計算 X線CT画像よりがん患部の決定
2.放射性炭素ビームの医学応用の目的 治療計画中でのレンジ計算 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
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Squamus Cell Ca. of Ethmoid Sinus.
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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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。
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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照射位置の測定原理 1. In-vivo activation: 2. Autoactivation:
3.技術的手法 照射位置の測定原理 12C 11C 11C, 10C ... 15O 13N 対消滅ガンマ線の 放出 ポジトロン b+ 放射性核 (炭素) 核崩壊 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: 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) 2 C.A. Tobias et al.., Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 3, 35 (1977). 2 G.W. Bennett et al.., Science 200, 1151 (1978). 3 A. 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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放射性炭素ビームの生成 Maximum magnetic rigitity 8.13Tm
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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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:
3.技術的手法 一般的な11Cの運動量分布 Momentum slit 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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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:
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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スポットスキャニングによる3次元照射システム
3.技術的手法 スポットスキャニングによる3次元照射システム pencil beam collimater scanning magnets (h. & v.) scatterer dose monitor (main/sub) position monitor multi-leaf collimator ridge filter range shifter positron camera PSD monitor 5430mm Q Magnet patient chair 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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患者位置決めシステムと治療いす ポジトロン X線管 カメラ 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
3.技術的手法 患者位置決めシステムと治療いす X線管 ポジトロン カメラ 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
4.検証実験の結果 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 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 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.
RIビームの応用による治療精度の向上 ‘06 Tokai 4.検証実験の結果 商用PET診断装置による測定 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 A. Kitagawa (National Institute of Radiological Sciences)
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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.)
‘06 Tokai 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 : 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) : mGyE 照射時間: 2 sec (1 spill) A. Kitagawa (National Institute of Radiological Sciences)
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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
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
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PETイメージのWashout効果 重粒子線の 線量分布(計画) Autoactivation+Attenuation PET Image
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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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
4.検証実験の結果 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 Duct Plastic Scintillator Absorber (PMMA) Beam 15cm 12cmφ 20cm 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 : mm (FWHM) Intensity : 24k (10C) / 300k (11C) pps
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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
4.検証実験の結果 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 10C 11C 10C 11C T1/2(10C)=19.3sec, T1/2(11C)=20.3min
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4.検証実験の結果 ウサギ中の10C, 11C 生物学的半減期
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臓器による代謝の違い(脳と筋肉) 速い成分 tC-10 or C-11 and tbiof ・・・ componet1 血流
4.検証実験の結果 臓器による代謝の違い(脳と筋肉) 血流 遅い成分 tC-10 or C-11 and tbios・・・ 3 中間の成分 tC-10 or C-11 and tbiom ・・・ 2 速い成分 tC-10 or C-11 and tbiof ・・・ componet1 細胞 Component-1 τ~10±8s (30±4 %) Component-2 τ~195±52s (19±3 %) Component-3 τ~3175±378s (52±2 %) Component-1 τ~2.0±1.8s (35±3 %) Component-2 τ~140±18s (30±3 %) Component-3 τ~10191±2200s (35±1 %) H. Mizuno et al.., Phys. Med. Biol. 48 (2003) 2269.
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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.
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.
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