Key-technologies for the heavy

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
NIRS
Contents
HIMAC
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
NIRS
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
HIMAC
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
1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果
NIRS
部位別治療患者登録数 (1994年6月 - 2006年8月)
HIMAC
Total: 2,867
中枢神経
眼
涙腺
総合
涙腺
頭頚部
骨・軟部
疾患部位
食道
肺
536
12
頭蓋底
44
消化管
44
眼
67
すい臓
71
直腸
76
中枢神経
92
婦人科
肝臓
肝臓
すい臓
直腸
111
前立腺
子宮
209
骨・軟部
316
頭頚部
375
肺
451
前立腺
463
0
100
200 300 400
治療患者数
500
600
1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果
NIRS
臨床試験まとめ
HIMAC
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
18 fractions in 6 weeks
9 fractions in 3 weeks
4 fractions in 1 week
1 fraction in 1 day
線量
59.4~95.4GyE
72.0GyE
52.8~60.0GyE
28.0GyE
局所制御率（３年）
65%
98%
93%
(in progress)
1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果
NIRS
重粒子線がん治療装置の仕様
HIMAC
-
-
イオン種: 高LET (100keV/mm)荷電粒子線
レンジ:
30cm in soft tissue
最大照射野:
22cm radius
線量率:
5Gy/min
ビーム照射方向:
水平, 垂直


炭素
430MeV/n

2×109pps
面積: 7200 m2 (60 x 120 m)
建設費: 326億円
146億円（建屋）
180億円（装置）
HIMAC(Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba)
1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果
NIRS
次世代治療施設
HIMAC
線形加速器
イオン源
シンクロトロン
加速空洞
電磁石
照射システム
電磁石電源
面積及び建設費
1/3
1.重粒子線がん治療の特長と臨床試験の結果
NIRS
普及への取り組み
HIMAC
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
人件費
光熱費
保守費
消耗品費
４．５ (億円 / 年)
４．７
２．７
３．７
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）.
2.放射性炭素ビームの医学応用の目的
NIRS
放射性炭素ビームの利用目的
HIMAC
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.
正常な
マージンを減少させるには? 重要臓器
 照射領域の検出システムが
がん患部
必要.
陽子線
重粒子線
2.放射性炭素ビームの医学応用の目的
NIRS
治療計画中でのレンジ計算
HIMAC
CTdensHIMAC 10:54:12 00/02/18
X線CT画像よりがん患部の決定
1.4
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
1.2
Electron density
1
CTS-new
XForceS5
XforceS2
XForceM5
XForceM2
XForceL5
0.8
0.6
0.4
0.2
0
-1000
-500
0
CT(HU)
500
1000
NIRS
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
HIMAC
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.
NIRS
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
HIMAC
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）
3.技術的手法
NIRS
照射位置の測定原理
HIMAC
b+ 放射性核
（炭素）
15O
12C
13N
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.
11C
核崩壊
11C
12C
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.
（ホウ素）
ポジトロン
対消滅ガンマ線の
放出
11C, 10C
...
3. Radioactive beam
放射性炭素ビームを直接照射す
る（S/Nが高い）.
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.
3.技術的手法
NIRS
対消滅ガンマ線の検出器
HIMAC
11C
beam
X
Y
Z
γ-ray
NaI
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
PMT
3.技術的手法
NIRS
放射性炭素ビームの生成
HIMAC
Projectile
Target
Target
Fragments
F0
1st Analyzer
Magnet
7Li, 12C
8B
Energy Degrader
F1 slit
2nd Analyzer
Magnet
TOF1 counter
7 Ｂｅ
F2 slit
TOF2 counter
dE counter
11Ｃ
Maximum magnetic rigitity
Radius of bending magnet
Maximum beam energy (for 20Ne)
Momentum acceptance
Angular acceptance (h, v)
Momentum dispersion at F1
8.13Tm
5.0(1st), 5.6(2nd)m
600MeV/n
5%(full width)
26mrad(full)
2.0m
M. Kanazawa et al.., Nucl. Phys. A 701 (2002) 244c
3.技術的手法
NIRS
一般的な11Cの運動量分布
HIMAC
11
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.
C Production rate
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%
P roduction R ate
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Momentum slit
0
8 60
8 70
8 80
8 90
M omentum [(M eV /c)/n]
9 00
9 10
3.技術的手法
NIRS
11Cの運動量選択的使用法
HIMAC
11
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.
C Production rate
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
P roduction R ate
1
0.8
0.6
0.4
0.2
Momentum slit
0
8 60
8 70
8 80
8 90
M omentum [(M eV /c)/n]
9 00
9 10
3.技術的手法
NIRS
スポットスキャニングによる３次元照射システム
HIMAC
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
multi-leaf collimator
ridge filter
pencil beam collimater
PSD monitor
positron camera
position monitor
Q Magnet
scatterer
scanning
magnets
(h. & v.)
dose monitor range shifter
patient chair
(main/sub)
5430mm
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.
3.技術的手法
NIRS
患者位置決めシステムと治療いす
HIMAC
ポジトロン
カメラ
Ｘ線管
ビーム
多葉
コリメーター
レンジ
シフター
Ｘ線撮影板
回転治療いす
4.検証実験の結果
NIRS
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
HIMAC
Pattern Test
63x63 mm, 20 mm apart,
3 mm step
4.検証実験の結果
NIRS
商用PET診断装置による測定
HIMAC
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
4.検証実験の結果
NIRS
１次元レンジ測定精度の検証実験
HIMAC
0.95*diameter
レンジシフター
spherical PMMA
(150, 180 diam.)
10C
プラスチック
シンチレーター
ビームエネルギー :
運動量幅 :
ビームサイズ:
照射粒子数:
照射時間:
346 MeV/u
- range in PMMA : 156.9 mm
0.8 % FW
- range width : 3.6 mm
7 mm in FWHM
(3 -5)×105
- 最大線量 (simulated) : 110-180 mGyE
2 sec (1 spill)
2-axis,
2-rotational stage
4.検証実験の結果
NIRS
１次元レンジ測定の精度
HIMAC
100
= 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
70
Count
生物学的線量
90
80
60
50
40
30
20
10
0
-40
-20
0
20
40
z (mm)
Y. Iseki et al..,Phys. Med. Biol. 49 (2004) 1
4.検証実験の結果
NIRS
PETイメージのWashout効果
HIMAC
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.
4.検証実験の結果
NIRS
ウサギを用いた体内代謝の測定実験
HIMAC
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
15cm
10C, 11C
with 350MeV/u
Beam
Duct
20cm
Beam
脳に照射する前のX線
によるウサギの位置決
め画像
12cmφ
Absorber
Plastic
(PMMA)
Scintillator
Beam condition
10C & 11C beam energy :
Momentum width :
Beam size :
Intensity :
350 MeV/u
0.4% (FW)
3 - 7 mm (FWHM)
24k (10C) / 300k (11C) pps
4.検証実験の結果
NIRS
10Cと11Cの分布
HIMAC
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
4.検証実験の結果
NIRS
ウサギ中の10C, 11C 生物学的半減期
HIMAC
100
live
dead
Muscles
Counts/5s
Brain
Counts/5s
100
10C
10
1
10
1
0
20
40
60
80
100
0
20
t [s]
40
60
80
100
t [s]
1000
11C
live
dead
Counts/30s
11C
Counts/30s
live
dead
10C
live
dead
100
100
0
500
1000
t [s]
1500
2000
10
0
500
1000
t [s]
1500
2000
4.検証実験の結果
NIRS
臓器による代謝の違い（脳と筋肉）
HIMAC
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
細胞
tC-10 or C-11 and tbios・・・ 3
Muscle
Brain
Component-3
τ~10191±2200s
（35±1 %）
Component-1
τ~2.0±1.8s
（35±3 %）
Component-3
τ~3175±378s
（52±2 %）
Component-1
τ~10±8s
（30±4 %）
Component-2
Component-2
τ~140±18s
（30±3 %）
τ~195±52s
（19±3 %）
H. Mizuno et al.., Phys. Med. Biol. 48 (2003) 2269.
4.検証実験の結果
NIRS
医学応用のための検証実験結果
HIMAC
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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