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動体追跡陽子線治療における照射ログファイルを用いた実績線量評価に関する研究

山田, 貴啓 北海道大学

2023.06.30

概要

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動体追跡陽子線治療における照射ログファイルを用いた実績線量評価に関する研究

山田, 貴啓

北海道大学. 博士(医理工学) 乙第7181号

2023-06-30

10.14943/doctoral.r7181

http://hdl.handle.net/2115/90413

theses (doctoral)

Takahiro_Yamada.pdf

Instructions for use

Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers : HUSCAP



位 論



動体追跡陽子線治療における照射ログファイルを
用いた実績線量評価に関する研究
(Studies on Evaluation of Actual Dose
Distributions Utilizing Log Data in Real-timeimage Gated Proton Therapy)

2023年6月
北海道大学
山田 貴啓



位 論



動体追跡陽子線治療における照射ログファイルを
用いた実績線量評価に関する研究
(Studies on Evaluation of Actual Dose
Distributions Utilizing Log Data in Real-timeimage Gated Proton Therapy)

2023年6月
北海道大学
山田 貴啓

発表論文目録および学会発表目録
本研究の一部は以下の論文に発表した。
1.

山田 貴啓,高尾 聖心,松浦 妙子,児矢野 英典,二本木
介,平山 嵩輔,宮本 直樹,松浦 妙子,梅垣 菊男,加藤
白𡈽 博樹,清水 伸一

英明,藤井
徳雄,横田


勲,

Validation of dose distribution for liver tumors treated with real-time-image gated
spot-scanning proton therapy by log data based dose reconstruction
Journal of Radiation Research
2.

山田 貴啓,宮本
矢野 英典,梅澤

直樹,松浦 妙子,高尾 聖心,藤井 祐介,松崎 有華,児
真澄,二本木 英明,清水 伸一,白𡈽 博樹,梅垣 菊男

Optimization and evaluation of multiple gating beam delivery in a synchrotron-based
proton beam scanning system using a real-time imaging technique
Physica Medica
3.

山田 貴啓,永嶋

和也,野村

拓也,添田

誠司,日野

徳昭

Concept of scanning magnet with distributed winding coils for particle beam therapy
Physical Review Accelerators and Beams
本研究の一部は以下の学会で発表した。
1.

山田 貴啓,宮本 直樹,松浦 妙子,高尾 聖心,松崎 有華,藤井 祐介,児
矢野 英典,二本木 英明,梅澤 真澄,松田 浩二,梅垣 菊男,白𡈽 博樹
Development of evaluation system of optimal synchrotron controlling parameter for
spot scanning proton therapy with multiple gate irradiations in one operation cycle
57th AAPM Annual Meeting, 2015/7/12–2015/7/16, Anaheim

2.

山田 貴啓,髙柳 泰介,松浦
井 孝明,梅垣 菊男

妙子,高尾

聖心,吉村

孝明,平山

嵩輔,藤

Time saving lateral profile validation procedure utilizing simplified Monte Carlo
calculation for patient specific QA of proton beam therapy
第 113 回日本医学物理学会学術大会,2017/4/13–2017/4/16,横浜
3.

山田 貴啓,髙柳
梅垣 菊男,白𡈽

泰介,藤本
博樹

林太郎,高尾

1

聖心,小橋

啓司,清水

伸一,

Lateral profile validation procedure utilizing simplified Monte Carlo calculation based
on log data for patient specific QA of proton beam therapy
第 116 回日本医学物理学会学術大会,2018/9/15–2018/9/17,盛岡
4.

山田 貴啓,高尾 聖心,松浦 妙子,児矢野 英典,二本木
介,平山 嵩輔,梅垣 菊男,加藤 徳雄,清水 伸一,白𡈽

英明,藤井
博樹



EVALUATION OF ACCUMULATED DOSE DISTRIBUTION UTILIZING LOG DATA
ON SPOT SCANNING PROTON THERAPY FOR LIVER TUMORS
PTCOG North America - Sixth Annual Conference, 2019/10/14–2019/10/16, Miami
5.

山田 貴啓,永嶋

和也,野村

拓也,添田

誠司,日野

徳昭

Development of scanning magnet with distributed winding coils for particle beam
therapy
PTCOG59, 2021/6/4–2021/6/7, Online

2

緒言
陽子線治療の特徴
放射線治療は,正常組織への線量を抑えて,腫瘍へ線量を集中させることによってがんを
治療する方法である。これまで多くの施設では,高エネルギーX 線発生装置であるリニアッ
クを用いて約 4-15 MeV の X 線を体外から腫瘍に照射する X 線治療が行われてきた。
図 1 は体表から放射線が侵入する深さに対して吸収される線量を模式的に示した図であ
る。治療用エネルギー領域の X 線が持つ深部線量分布は,深さ 1 cm 付近に最大線量を示
し,より深部では線量は指数関数的な減少を示す。体内深部に存在する腫瘍を照射する場合,
1つの照射野が与える最大線量は腫瘍の手前側に存在する正常組織に付与され,また,腫瘍
の背後に存在する正常組織への線量を避けることができない。一方,X 線に比べて治療に適
した物理特性を持つ陽子線を用いた陽子線治療が注目されている。陽子線治療では,加速器
によって光速の約 60%に加速された陽子が腫瘍に照射される。陽子線は物質の透過中に主
に電子との電磁相互作用によって徐々にエネルギーを失い,停止する直前に大きなエネルギ
ーを付与する。この停止直前のエネルギー付与によって,陽子線は Bragg peak と呼ばれる
線量ピークを形成する。Bragg peak の位置は,陽子線の入射エネルギーに依存し,70 MeV
では約 4 cm,200 MeV では約 30 cm の深さまで到達する。がん治療において,Bragg peak
位置を腫瘍の深さに合わせることによって,選択的に腫瘍に線量を集中させることが可能で
ある。また,陽子線は Bragg peak より後方への付与エネルギーがゼロとなるため,腫瘍の
背後に存在する正常組織に陽子線線量は付与されない。

図 1

陽子線と X 線の深部線量分布

陽子線の照射方法
加速器で生成される陽子線のビーム径および Bragg peak 幅はどちらも数 mm 程度のサイ
ズであり,数 cm サイズの腫瘍全体に均一な線量を付与する為には,線量分布を側方方向と
深部方向に拡大する必要がある。代表的な照射方法として,散乱体照射法とスポットスキャ
3

ニング照射法を以下に説明する。
散乱体照射法
従来,陽子線の線量分布を形成する方法として,散乱体照射法が広く使用されてきた。図
2 を用いて散乱体照射法の線量分布形成方法を説明する。
散乱体照射法では深部方向の線量分布拡大に RMW(Range Modulation Wheel)やリッジ
フィルタを用い,深部方向に一様な線量の領域を形成する。拡大された深部線量分布を
SOBP(拡大ブラッグピーク,Spread-out Bragg Peak)と呼ぶ。図 2 に示す散乱体照射法
では,RMW を用いて SOBP を形成する。RMW は,回転方向に厚みの異なる構造を持ち,
ホイールを回転させることでビームが通過する部分の厚みを時間的に変化させて飛程を変
調させる。一方,リッジフィルタは空間的に厚みの異なる構造物を配置して,SOBP を形成
する。RMW やリッジフィルタで形成された深部線量分布は横方向の位置に対して一定であ
るため,標的の形状に応じて飛程終端の深さを調整することで標的の下流に位置する正常組
織への線量付与を低減することができる。これにはビーム進行方向の面内の場所ごとに厚み
を変えた患者ボーラス(Compensator)が用いられる。
散乱体照射法の側方方向の線量分布拡大には散乱体が用いられる。図 2 の散乱体照射法
は,二種類の散乱体を用いる二重散乱体法のノズル構成である。二重散乱体法では,一様な
厚みで単一の材質の第一散乱体と,鉛やタングステンなどの高原子番号の材質と樹脂などの
低原子番号の材質を組み合わせた第二散乱体により側方方向に平坦な線量分布を形成する。
散乱体によって広範囲に均一に拡大された線量分布が形成されるが,標的形状に応じた線量
分布を形成する為に,患者コリメータ(Aperture)を用いて標的外の線量を遮蔽することに
よって,標的の側方に位置する正常組織への線量付与を低減する。

図 2

散乱体照射法の概念図
4

スポットスキャニング照射法
スポットスキャニング照射法は,本学の陽子線治療センターで採用された照射方法であり,
加速器から出力された細いビームを用いて標的内に三次元的に配置されたスポットを一つ
一つ照射する照射法である(図 3)。深部方向への線量分布の拡大は,加速器で生成するビ
ームのエネルギーを変更することで実現する。側方方向への線量分布の拡大は,照射ノズル
に設置された走査電磁石によって陽子線の軌道を偏向し,スポット毎に照射位置を逐次変更
する事より線量分布を形成する。
スポットスキャニング照射法の利点は,線量分布形成の自由度の高さである。例えば,横
方向の線量分布拡大に関しては,患者コリメータで線量分布を形成する散乱体照射法では実
現できなかったドーナツ型の様な複雑な形状であっても,スポット配置により線量分布形成
が可能である。また,深部方向に関しては,散乱体照射では標的上流の正常組織に SOBP の
低エネルギー部分の高線量領域の線量が付与されるが,スポットスキャニング照射法では,
照射方向毎に深部線量分布を形成できるので標的形状に合わせた線量分布形成が実現でき
る。更に,スポットスキャニング照射法では,散乱体照射法と比較して,照射ノズル内で陽
子線が通過する構造物が少ないため,二次的に発生する中性子による患者の被ばくを大幅に
低減できる。

図 3

スポットスキャニング照射法の概念図

図 3 に示す通り,従来の照射ノズルの構成では,平面的にビームを走査する為に,直交
する 2 方向に走査する 2 台の走査電磁石を配置している。下流の走査電磁石は,上流で走
査されて広がったビーム軌道を通過させる必要があり,走査磁場を発生させる領域が大きく,
電磁石の大型化および走査速度低下の要因となっていた。Jia らにより,1台の走査電磁石
で二次元走査可能な XY 結合型走査電磁石が提案されているが,起磁力に対して発生する磁
5

場強度が小さいという課題があった(Jia et al., 2018)。これに対し,モータの巻線方法であ
る分布巻で 3 相のコイルを形成し,三相交流の強度比で励磁することにより,1台の走査電
磁石で二次元走査可能な分布巻き走査電磁石を考案した(図 4,Yamada et al., 2022)。分
布巻き走査電磁石の採用により,照射ノズル小型化および走査速度の向上が期待される。

図 4

分布巻き走査電磁石の磁場計算例(Yamada et al., 2022)。
左図は磁場分布,右図は起磁力配置を示す。

シンクロトロンを用いた陽子線の生成
本学の陽子線治療装置は陽子線の加速にシンクロトロンを採用している。シンクロトロン
を用いた陽子線の生成方法を以下に簡単に説明する。
本学の陽子線治療装置の加速器は,入射用の前段加速器 Linac,シンクロトロン,高エネ
ルギー輸送系(HEBT, High Energy Beam Transport system),ガントリー輸送系(GABT,
Gantry Beam Transport system)および照射ノズルから構成される(図 5)。Linac により
7.0MeV まで前段加速された陽子線はシンクロトロンに入射される。シンクロトロンに入射
された陽子線は,偏向電磁石(BM, Bending Magnet)および四極電磁石(QM,Quadrupole
Magnet)により形成された周回軌道を周回する。高周波加速空胴(RFAC, RF cavity for
acceleration)により陽子線の進行方向と同一方向に印加される高周波電場により,陽子線
は周回ごとに数百 eV 程度の加速を受け,設定されたエネルギーまで加速される。陽子線の
エネルギーに応じて,BM および QM の励磁量を増大させることで,加速の間,陽子線の軌
道は一定に保たれる。設定されたエネルギーまで陽子線が加速された後,QM および六極電
磁石(SX,Sextupole Magnet)により出射条件を満たした軌道状態を形成し,出射用高周
波(RFEX, RF kicker for extraction)により水平方向の高周波電場が印加されることで,陽
子線がシンクロトロンの外に取り出される。出射された陽子線は,HEBT および GABT に
より輸送及び整形され,更に照射ノズルにより目標の位置に照射される。
6

図 5

北海道大学陽子線治療センターの加速器システム

スポットスキャニング照射のタイミングチャートを図 6 に示す。本学の陽子線治療装置
では,1加速周期毎に1エネルギーの陽子線が,高いエネルギーから順番に照射される。1
秒程度の加速が終了した後,偏向電磁石の励磁量が一定となる期間に陽子線は出射される。
ビーム出射の On/Off は出射用高周波の On/Off により制御される。すなわち,スポットの
照射は出射用高周波の印加により開始され,予め設定された照射量を達成すると,高周波電
場の印加を停止し,次のスポット位置に移動する。スポットの位置は走査電磁石の励磁量に
よって決定されるため,ビーム出射が停止している間に,走査電磁石の励磁量は次のスポッ
ト位置に相当する値に変更される。

図 6

陽子線スポットスキャニング照射のタイミングチャート

7

スポットスキャニング照射の誤差要因
陽子線治療において,患者に照射される線量分布は治療計画装置によって計画される。治
療計画は,患者の CT(Computed Tomography)画像に対して標的への付与線量や正常組織
の耐容線量を考慮して,照射野毎のスポットのエネルギー,位置,線量を決定する。治療計
画は誤差がない理想的な状態における理想的な線量分布であり,実際の治療では誤差の影響
を受けて線量分布は変化する。線量分布に影響を与える誤差要因としては主に照射装置に起
因する誤差,撮像装置及び患者に起因する誤差に分けることができる。
スポットスキャニング照射の場合,照射装置に起因する誤差は主に以下の4点である。
・スポット線量
・スポット位置
・スポット形状
・ビームエネルギー
本学の陽子線治療装置では,照射の間,これらの値は監視され,予め設定された基準値を超
過すると警告の表示または照射の停止により,線量分布の悪化が防止される。スポット線量
は照射ノズルに搭載された線量モニタにより計測され,スポット位置および形状は照射ノズ
ルに搭載されたスポット位置モニタにより計測される。ビームエネルギーは,シンクロトロ
ン内の水平方向ビーム位置を監視している。ビームエネルギーが変化するとシンクロトロン
内の軌道位置が変化する為,シンクロトロンの水平方向ビーム位置を計測することによりビ
ームエネルギーの監視が可能となる。
一方,撮像装置及び患者に起因する誤差は主に以下の4点である。
・位置決め精度
・CT 値-水等価厚変換精度
・治療期間中の患者の変形
・照射中の患者の変形(呼吸性移動)
位置決め精度は,治療計画作成時に撮像された CT 画像に対して,治療日の患者の標的およ
び周辺の体内構造の位置を合わせる際に生じる誤差である。これは,撮像装置の位置分解能
や 患 者 の 姿 勢 に 影 響 さ れ る 。 本 学 の 陽 子 線 治 療 で は , 位 置 合 わ せ 後 の DR ( Digital
Radiography)画像および DRR(Digitally Reconstructed Radiograph)画像を医師が確認す
ることにより,位置決め精度を担保している。CT 値-水等価厚変換精度は,治療計画用 CT
画像の画素値から水等価厚に変換する際に生じる誤差であり,一般的に,飛程の誤差として
±3.5%程度の誤差があると考えられている(Paganetti, 2012)。ビーム進行方向のマージン
を設定して照射パターンを作成することにより,誤差を考慮しても標的に線量が付与される
ように治療計画が立案される。治療期間中の患者の変形は,患者の体重の増減や,腫瘍の縮
小,腸管の内容物の状況などの治療日毎に変化する患者の解剖学的構造の変形に起因し,定
期的な CT 撮像により状況を確認し,変化が大きい場合は再度治療計画を作成することで対
応される。照射中の患者の変形は,主に呼吸に伴う標的および周辺組織の変動に起因する。
呼吸性移動の対応方法は次項で説明する。
8

呼吸性移動の対応方法
スポットスキャニング照射において,照射中の標的の呼吸性移動により線量分布が乱れる
ことが報告されている(Bert et al., 2008;Knopf et al., 2011)。これはインタープレイ効果
と呼ばれ,照射中の標的の動きにより個々のスポットが照射される位置が計画位置からずれ
ることにより,線量分布に粗密が発生する(図 7)。

図 7 インタープレイ効果による線量分布の乱れ(Bert et al., 2008)。
左図は動きのない場合,中図はビーム走査方向に対して動きが垂直な場合,右図はビー
ム走査方向に対して動きが平行な場合の線量分布を示す。
呼吸性移動による線量分布変化を抑制する為に,X 線治療においては,標的が計画位置に
来たときにのみ X 線を照射するゲート照射(Shirato et al., 1999;Wagman et al., 2003;
Jang et al., 2014)や,標的の移動に伴い X 線照射位置を変化させる追尾照射(Kamino et
al., 2006;Hoogenman et al., 2009)が採用されている。一方,粒子線治療に関しては,体
外マーカを用いたゲート照射(Tsunashima et al., 2010;Minohara et al., 2000;Bert et al.,
2009)や追尾照射(Bert et al., 2007;Grozinger et al., 2008)が報告されている。しかし,
標的の動きと腹部の体外マーカの動きには必ずしも相関があるわけではないことが分かっ
ている(Berbeco et al., 2005;Fujii et al., 2017)。本学の陽子線治療装置では,体内マーカ
を用いた標的位置のリアルタイム監視により陽子線をゲート照射する動体追跡陽子線治療
(Real-time-image Gated spot-scanning Proton beam Therapy, RGPT)を実現している。

動体追跡陽子線治療
動体追跡陽子線治療では,治療前に標的の近傍にマーカが挿入される。図 8 に示した通
り,RGPT 装置は,2 対のノズル搭載の撮像装置 FPD(Flat Panel Detector)および X 線管
球を備える。治療中は,これらの 2 対の透視装置によって 2 方向からの X 線画像が 33 ms
毎に撮像され,マーカの 3 次元位置が算出される。算出されたマーカ位置がゲートウィンド
ウ内にあるとき時のみ陽子線が照射される。ゲートウィンドウの形状は立方体であり,大き
さは計画位置からの許容誤差で決定される。
9

図 8

北海道大学陽子線治療センターの動体追跡陽子線治療装置

陽子線治療におけるログデータの活用
近年,照射方法の高度化に伴い,照射精度の管理や検証に対する要求が高まっている。照
射精度の検証として,照射時に記録されるログデータを用いる方法が注目されている。具体
的には,ログデータを用いた実績線量の評価方法や患者 QA(Quality assurance)の方法が
提案されている。
Meier らは実際に照射された線量分布を評価する為に,ログデータに基づき実績線量分布
を再構成する方法を報告している(Meier et al., 2015)。また,Li や Scandurra らは照射ノ
ズルに搭載された線量モニタおよびスポット位置モニタの精度を評価し,ログデータに基づ
く線量分布の再構成方法が患者 QA に適用可能であることを示した(Li et al., 2013;
Scandurra et al., 2016)。更に,Zhu や Johnson らは,ログファイルに記録されたスポット
毎の照射位置および照射線量を統計的に解析する患者 QA 方法を報告している(Zhu et al.,
2015; Johnson et al., 2019)。
また,本学の RGPT 装置では,X 線動体追跡治療において取得されたゲート情報のログ
データに基づき,治療時間の観点で効率的なシンクロトロンの運転パラメータを決定した。
更に,シンクロトロンの運転パラメータを患者ごとに最適化することにより,治療時間短縮
の可能性が示唆された(Yamada et al., 2016)。

本研究の目的
動体追跡陽子線治療では,スポット位置や照射線量に関するログデータに加えて,照射時
のマーカ位置のログデータが記録される。本研究の目的は,動体追跡陽子線治療におけるロ
10

グデータの活用方法を検討することである。 ...

この論文で使われている画像

参考文献

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47

目次

発表論文目録および学会発表目録 ........................................................................................ 1

緒言 ...................................................................................................................................... 3

陽子線治療の特徴 ............................................................................................................. 3

陽子線の照射方法 ............................................................................................................. 3

シンクロトロンを用いた陽子線の生成 ............................................................................. 6

スポットスキャニング照射の誤差要因 ............................................................................. 8

呼吸性移動の対応方法 ...................................................................................................... 9

動体追跡陽子線治療 .......................................................................................................... 9

陽子線治療におけるログデータの活用 ............................................................................10

本研究の目的 ...................................................................................................................10

略語表 ..................................................................................................................................12

第一章 肝臓がん動体追跡陽子線治療おけるログデータを用いた実績線量評価 ...............13

1.1 緒言 ............................................................................................................................13

1.2 方法 ............................................................................................................................13

実績線量分布の再構成方法 ..............................................................................................13

ログデータの取得方法 .....................................................................................................14

ログデータの関連付けおよび同期方法 ............................................................................16

実績スポットファイルの作成方法 ...................................................................................16

実績線量分布の検証方法..................................................................................................18

実績線量分布の評価条件..................................................................................................19

1.3 結果 ............................................................................................................................21

実績線量分布の検証 .........................................................................................................21

実績線量分布の評価 .........................................................................................................22

1.4 考察 ............................................................................................................................25

第二章 ログデータを用いた患者 QA の省力化 ..................................................................29

2.1 緒言 ............................................................................................................................29

北海道大学における陽子線治療向け患者 QA...................................................................29

2.2 方法 ............................................................................................................................30

ログベースの線量計算による患者 QA 省力化 ..................................................................30

Simplified Monte Carlo Method ........................................................................................31

精度評価方法 ...................................................................................................................31

2.3 結果 ............................................................................................................................36

線量分布形状の検証:立方体照射 ...................................................................................36

線量分布形状の検証:患者治療計画 ................................................................................36

絶対線量精度の検証 .........................................................................................................37

2.4 考察 ............................................................................................................................39

48

総括および結論 ...................................................................................................................41

謝辞 .....................................................................................................................................43

引用文献 ..............................................................................................................................44

49

...

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