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大学・研究所にある論文を検索できる 「金属球マーカーから放射される共振周波数を備えた球面イオン音響波(SPIRE)を用いた陽子線飛程のin vivo測定法に関する研究」の論文概要。リケラボ論文検索は、全国の大学リポジトリにある学位論文・教授論文を一括検索できる論文検索サービスです。

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金属球マーカーから放射される共振周波数を備えた球面イオン音響波(SPIRE)を用いた陽子線飛程のin vivo測定法に関する研究

髙栁, 泰介 北海道大学

2021.03.25

概要

【背景と目的】腫瘍に対する高い線量集中性から、がん治療において陽子線治療の期待が高まっている。しかしながら、陽子線飛程の不確定性が腫瘍周辺への照射マージン付与を要求し、線量集中性の利点を相殺する点が課題となっている。このため、陽子線治療では、飛程のin vivo測定、すなわち飛程検証の実現が求められている。陽子線照射に伴う媒質の断熱膨張によって生じる超音波を観測し飛程を推定するイオン音響法は、安価な音響検出器で観測システムを構成可能な点から、飛程検証の実現手段として注目を集めている。
 イオン音響法の臨床適用に向けては、音波強度の増強、及び検出感度の改善が課題となっている。本研究では、画像誘導放射線治療のために標的近傍へ刺入される金球マーカーに着目し、イオン音響法の課題解決の糸口となる物理現象として、陽子線照射時に金球マーカーから放射される共振周波数を備えた球面イオン音響波(spherical ionoacousitc wave with resonant frequency, SPIRE)の存在を予測した。本論文では、数値計算及びビーム照射試験に基づくSPIRE放射現象の実証と、SPIRE放射現象を応用した新しい飛程検証法(SPIRE法)の提案を目的とする。

【対象と方法】金の材料特性は、周囲の生体組織と比較して、陽子線照射時に金球マーカーが強い音源として機能することを示唆している。本論文では、最初に金球マーカーからのSPIREの放射現象とSPIREの物理的特性を波動方程式から導出し、数値計算による検証をおこなった。数値計算では、臨床で用いられる直径2mmの金球マーカーを一様な水中に設置して60MeV及び100MeVの陽子線ペンシルビームを照射し、SPIRE放射現象の再現を試みた。SPIREを飛程検証に活用するためには、SPIREと陽子線飛程との関連性を明らかにする必要がある。そこで、金球マーカーの設置深さをパラメータとし、金球マーカー位置での残余飛程Rresを変えながらSPIREの挙動を評価した。イオン音響の発生条件である熱閉じ込めと圧力閉じ込めを満たすため、陽子線の時間波形は標準偏差100-500nsのガウス分布と仮定した。音波の発生及び伝搬の計算には、k-space法に基づいて音響粒子の速度と密度の一階の微分方程式を解くk-Waveを用いた。音源項への入力に求められる陽子線線量の空間的分布は、モンテカルロ法に基づく粒子輸送計算コードGeant4を用いて計算した。
 さらに、本論文では、京都大学の固定磁場強収束加速器(Fixed-Field alternating gradient Accelerator, FFA)から出射されるパルス状の100MeV陽子線ペンシルビームを水中に設置した直径2mmの金球マーカーに照射し、数値計算と同様にSPIRE放射現象の観測を試みた。SPIREの検出感度を向上させるため、焦点をマーカーに合致させ周波数特性をSPIREの周波数に合致させたハイドロフォンLarge focused hydrophone(LFH)と、SPIREの周波数を中心としたバンドパスフィルターを備えた電荷感応型信号増幅器を開発し、SPIREの観測に用いた。

【結果】数値計算により、金球マーカを発信源とした周波数1.62MHzの球面波、すなわちSPIREの放射が再現された。SPIREの周波数は理論から予想される値と合致し、金球マーカの直径のみに依存した。SPIREの放射現象は数十μs間にわたって続き、強度は単調減少を示した。金球マーカーと検出器との距離が20.6mm、金球マーカー位置での陽子線の残余飛程Rresが9mmのとき、SPIREの最大強度は4.7×10−5mPa/protonであり、水の断熱膨張によって発生するイオン音響波、所謂アルファ波の強度と同程度であった。陽子線のブラッグカーブ形状を反映し、金球マーカーが陽子線の飛程から9mm上流までに位置する(0mm<Rres≦9mm)とき、SPIREの強度は残余飛程Rresに対し線形に変化することが分かった。
 FFAを用いたビーム照射実験においても、同様にSPIRE放射現象が観測された。ブラッグピーク線量が0.4Gyとなる臨床相当の照射条件下において、LFHで観測したSPIREの強度は背景雑音(〜30mV)に対して最大370mVであり、10以上の信号-ノイズ比(SNR)を示した。また、SPIREの周波数は1.53MHzと理論値1.62MHzに近い数値を示した。このとき、陽子線のスポットサイズは約5mm(1σ)であり、パルス幅が21ns(1σ)と3桁以上短いことを除けばFFAのビーム特性は臨床装置相当であった。数値計算と同様に、0mm<Rres≦9mmときSPIREの強度は残余飛程Rresに対し線形に増加することが観測された。相関係数は11.7%/mm、計測毎のSPIREの強度の再現性は4.3%(1σ)であった。

【考察】数値計算や水ファントム測定によりSPIREの強度と残余飛程Rresとの相関係数を予め求めておくことで、観測したSPIREの強度からin vivoで陽子線飛程を推定することができる。ビーム照射実験で得た計測の再現性と残余飛程RresとSPIREの強度の相関係数に基づけば、この新しい飛程検証法であるSPIRE法は0.4mmの精度で飛程を推定可能な見通しである。SPIRE法の利点は、音源の位置と特定の周波数に焦点を合わせた観測システムを構築することで検出感度を改善できる点である。これを裏付けるように、開発したLFHは臨床相当の照射条件下でSPIREを10以上のSNRで検出したが、対照実験として市販の広帯域ハイドロフォンで観測した条件では、背景雑音からのSPIREの識別に平均化を必要とした。
 残余飛程RresとSPIREの強度の傾向は数値計算と実測とで良く一致したことから、両者の相関係数を数値計算により事前に求める事は可能と考えられる。臨床応用に向けては、人体といった不均質媒質中での音波伝搬の計算精度評価が今後の研究課題である。また、本研究では数値計算と実測との比較が相対比較に留まることから、絶対値での数値計算の精度評価が求められる。
 SPIRE法の臨床応用に向けては、高感度且つ指向性の低い音響検出器の開発も重要である。SPIREのように高周波な球面波を観測対象とする場合、音源が焦点から僅かにずれると検出器の感度が大きく低下する。本研究で開発したLFHは0.2mmのセットアップ誤差で信号強度が10%変化し、飛程推定精度が1mm以上に低下することがわかった。動体追跡システムのマーカー追跡精度は±0.5mmであるから、仮にLFHが動体追跡システムの観測データに基づいてマーカーの動きを追尾する機構を備えていたとしても、サブミリの精度で飛程を推定することは困難であることを示している。この問題に対しては、指向性を抑制するために、感度を保ったまま検出器を可能な限り小型化することが重要と考える。

【結論】本研究では、陽子線照射時に金球マーカーから放射されるSPIRE放射の存在を予測し、数値計算及びビーム照射試験に基づいて実証を行った。さらに、SPIRE放射現象を応用した新しい飛程検証法(SPIRE法)を提案し、サブミリでの飛程推定が可能であることを示した。SPIRE法の臨床応用により、in vivoでの陽子線の飛程推定が可能となり、陽子線治療の更なる高精度化と治療成績改善に貢献することが期待される。特に、リスク臓器に囲まれているために根治を狙った大線量照射が困難な難治性がん(例えば、膵臓がん)治療に適用し、治療成績の改善に貢献することが期待される。

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