RI ビームの応用による治療精度の向上

1. 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

2. 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

3. 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

4. 1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果 中枢神経 眼 涙腺 頭頚部 食道 骨・軟部 肺 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

5. 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)

6. 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）

7. 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

8. 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）.

9. 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.

10. 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

11. 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.

12. 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）

13. 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.

14. 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

15. 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

16. 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%

17. 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

18. 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 • 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.

19. 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

20. 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

21. 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

22. 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)

23. 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

24. 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.

25. 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

26. 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

27. 4.検証実験の結果 ウサギ中の10C, 11C 生物学的半減期

28. 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.

29. 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.