普及啓発

粒子線がん治療等に関する施設研究会

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粒子線(重粒子線・陽子線)がん治療は、高精度な治療技術に求められる所要の機器やシステムをはじめ、施設全体の設計、機器配置、建設、および遮蔽等さまざまな関連分野において、研究開発および技術的対応、規格基準の整備など、適確に対応していくことが求められております。さらにこれらは、実際の医療の臨床現場での治療技術とのインターフェイスが重視され、システムとしての調和や品質管理も重要となっております。
 「粒子線がん治療等に関する施設研究会」は、粒子線治療施設建設の視点から、 先行施設の実地調査を行うとともに、実際に治療に携わっている専門家から講義を受け、現状を把握した上で、普及に係る課題・対策の分析・ 検討に資するとともに、関係組織相互の情報の共有化をはかり、専門知識を有する人材育成をはじめ関連産業の育成・発展に寄与することを目的に実施しております。
 研究会会員は、設計、建設、装置製造、情報処理、保険等幅広い関連分野の技術者、研究者および実務者で構成され、国内外における粒子線がん治療等に関する医療情報、研究・技術開発動向、ならびに関連法令や技術基準の動向などの現状および将来見通しや課題・対策などに関して、講演および関連施設の見学および意見交換を行っております。

【 主査】

遠藤 真広 公益財団法人 医用原子力技術研究振興財団 常務理事



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令和元年度粒子線がん治療等に関する施設研究会」第1回研究会

 「令和元年度第1回施設研究会」は令和元年5月17日(金)いばらき中性子医療研究センターにてホウ素中性子捕捉療法(BNCT)施設の見学会として開催しました。

 当日は、はじめにBNCT施設を見学させていただき、その後筑波大学 医学医療系 生命医科学域(陽子線医学利用研究センター)准教授 熊田博明先生から、つくばグループによるBNCT事業の概要についてご説明がありました。

<つくば型BNCT装置の概要>
▼BNCTの実用化に向けた産学官連携プロジェクト
 ・筑波大学を筆頭に加速器、放射線に関する研究機関、重工メーカー、民間企業、及び、茨城県との
  連携による産学官連携プロジェクトを発足。
   つくば型治療装置・実証機:iBNCT001を開発整備。同装置を「いばらき中性子医療研究センター」
  (東海村内、茨城県所管の施設)に設置。
 ・J-PARCの開発実績のある高エネルギー加速器研究機構、日本原子力研究開発機構による加速器
  中性子源の設計、製作、コミッショニングを実施
 ・原子炉での臨床研究実績のある筑波大学が医療装置としての装置開発を支援
 ・放射線治療装置の製造実績のある重工メーカー、及び、原子力・放射線の施設管理、運用実績の
  ある茨城県内外の企業等との連携
▼つくば型BNCT用治療装置・実証機:iBNCT001の概要
 ・最先端の研究用大型加速器施設:J-PARCの技術を基盤に、医療(BNCT)専用加速器として設計
 ・RFQ+DTL方式直線型加速器(リニアック)を採用
  陽子エネルギー:8MeV、陽子の平均電流値:5mA以上(設計値)、標的への入射
  パワー:40kW(8MeV×5mA)以上、リニアックの長さ<7m、 リニアックの設置面積:<50m2
   ・中性子発生標的材にはベリリウムを採用。


<これまでの開発状況>
 ▼2016年末までに実証機の組み立てを完了し、中性子発生に成功
 ▼2017年から段階的に陽子の平均電流値を増加するとともに、安定的、継続的に加速器を稼働させて
  中性子を発生するための高度化を実施。
 ▼平均電流値:1.4mAでの長時間連続稼働による繰り返し運転を実施できることを確認。
 ▼平均電流値:2.8mAでの運転条件下での加速器稼働試験を開始。
 ▼同稼働条件下で水ファントムを用いた特性測定実験などを実施し、治療に要求される強度の中性子
  を発生できていることを確認した。
 ▼発生する中性子の生体への影響を評価するため、細胞、小動物(マウス)に対する照射実験
  (予備実験)を実施している。
 ▼今後は、準備が整い次第非臨床試験を実施し、この結果を踏まえて、速やかに実際の対象患者に
  対する治験を実施する計画である。

  
リニアック(RFQ)    リニアック(DTL)
  
陽子ビーム輸送系(上層階へ)    中性子発生装置(右内部へ)



平成30年度粒子線がん治療等に関する施設研究会」第3回研究会


 「平成30年度第3回施設研究会」は、平成31年2月22日(金)大手町サンスカイルーム(東京都千代田区)にて講演会として開催しました。

 当日は、はじめに当研究会主査 遠藤真広から挨拶があった後、エレクタ株式会社 オンコロジー事業部 リサーチフィジックス マネージャー 岩井 良夫 氏より『画像誘導放射線治療の進化とMR-Linac』について、また、岩手医科大学 医歯薬総合研究所  所長 佐々木 真理 氏より『超高磁場MRIの現状と将来』について講義がありました。

  
エレクタ株式会社
オンコロジー事業部
リサーチフィジックスチーム
マネージャー 岩井 良夫 氏
   岩手医科大学
医歯薬総合研究所
所長 佐々木 真理 氏

『画像誘導放射線治療の進化とMR-Linac』

エレクタ株式会社                    
オンコロジー事業部 リサーチフィジックスチーム
マネージャー 岩井 良夫            

1. はじめに
 放射線治療の基本的な考え方は、腫瘍を制御できる線量を照射し、一方、周辺の正常組織への照射をできるだけ少なくすることである。腫瘍部位の同定に関しては、CT、MRIそしてPETというイメージング法の開発により、非常によい精度で決めることが可能となり、治療計画に使用されるようになった。また、線量を腫瘍部位(これを臨床的標的体積 (Clinical target volume: CTV)という)に集中する技術として、強度変調放射線治療(Intensity modulated radiation therapy: IMRT)、定位放射線治療(Stereotactic radiation therapy: SRT)や粒子線治療といういわゆる高精度放射線治療が開発された。これにより、近年、放射線治療の治療成績向上と適応拡大は著しいものがある。
 放射線治療技術の高度化には、上記の2つ以外にもう一つの要素が必要である。それは、治療照射時の腫瘍位置の正確な同定である。体内における腫瘍と周辺の正常組織の位置は、治療期間中だけでなく1回の照射中にも変化する。ここで、治療期間中の変化としては、例えば照射による腫瘍体積の変化などがあり、1回の治療中の変化としては、例えば呼吸性移動、腸の蠕動運動などがある。実際の照射においては、患者を治療位置にセットアップする際の誤差も考慮したマージンをCTVに付加した計画標的体積(Planning target volume: PTV)に対して処方線量を照射することが行われる。
 マージンが大きいと、周辺正常組織への線量が大きくなり好ましくなく、マージン内に放射性感受性が高い臓器が入る場合、腫瘍へ十分な線量を投与できなくなる。このため、治療照射時の腫瘍位置を正確に同定しマージンを最小化するため、さまざまなイメージングが治療照射時に行われるようになった。これらをまとめて、画像誘導放射線治療(Image guided radiation therapy: IGRT)という。
 本講演では、現在の放射線の主要装置であるリニアックに搭載されているIGRT を概説し、今後発展が期待されるMR-Linacを紹介する。
 

2.様々なIGRT
2.1 X線を用いたIGRT
 図1はX線を用いてIGRTを行うリニアックを示したものである。図1のリニアックでは、ガントリーヘッドに対向して2D検出器が搭載されているとともに、それと直交する位置にkV X線管と2D検出器が搭載されている。これにより治療ビーム(MV X線)を用いた平面画像が取得できるとともに、より軟部組織の画像が鮮明なkV X線による平面画像及びCBCT画像が取得でき、それによる患者位置決めが可能である。また、照射直前に取得したCBCT画像を用いたオフライン適応放射線治療(Adaptive radiation therapy)も可能となっている。さらに呼吸移動にともなう横隔膜などの動きから得られる呼吸曲線によりマーカレス4D-CBCT画像を得ることもできる。

図1.
CBCT搭載のリニアックの外観
(1)ガントリーヘッド,
(2)kV X線管球,
(3)MV用2Dパネル,
(4)kV用2Dパネル.(Elekta社 Versa HDTM)

2.2 放射線を用いないIGRT
 放射線被ばくのないIGRTとしては、対象はX線ほど広くはないが超音波(US)や光学式のものが用いられてきた。
2.2.1 超音波(US)
 超音波を利用したIGRTは、リニアックにCBCTが搭載される以前から実施されている。前立腺は、腸内のガス・便そして尿量によって移動することが知られており、照射中の前立腺の位置を超音波でリアルタイムモニターするために、ロボティックアーム等が研究・開発されてきた。図2に示す装置は、治療寝台に設置され、皮膚に接触するカバー内部のプローブが自動的に首振りすることで、経会陰で連続的に前立腺の3D-US画像を取得する。プローブには複数の赤外線反射板がついており、天井に固定されたカメラによってUS画像の治療室内での位置が特定される。照射中も前立腺をモニターし、移動量が閾値を超えた場合、自動で照射を中断することができる。
2.2.2 光学式3D体表面検出システム
 図3に示す装置では、それぞれ天井に固定された1台/ 3台のカメラで構成されており、取得する3D体表面情報により位置合わせを行う。本装置はで治療計画時に対する姿勢補正を対話的にサポートする。非線形位置合わせアルゴリズムによって、変形量と移動量を独立に算出し、プロジェクション機能によってその情報を患者体表面に投影する(図3 参照)。治療計画に対して変形している部位にずれている方向を示す光が体表面に投影されるため、術者は投影された情報を参考に、患者から視線を離すことなく姿勢を補正できる。また、治療位置までの移動量は変形量と別に算出されているため、姿勢補正作業は必ずしも治療位置(アイソセンターの高さ)で実施する必要はない。

3.MRI-Linac
 X線を用いたIGRTでは、胸部や骨構造に対しては正確な位置決めが可能であるが、腹部領域の治療に関しては、低コントラストの画像となる。このため、軟部組織のコントラストのよいMRIの利用が古くから検討されてきた。しかし、MRI装置とリニアックの融合は技術的に非常に難しく、実用化までに時間を要した。最近、ようやく海外においてMRIとリニアックが統合された装置(MRI-Linac)で治療が行われるようになった。
3.1 60Co治療装置との組み合わせ
 MRI-Linacの技術的難しさは以下のようなものであり、まさに水と油の関係といえる。
①MRIでは微弱な電磁波(RF波)を検出する必要があるが、一方リニアックでは電子加速のためにハイパワーのRF波を用いる。
②MRIでは強力な磁場中に被験者を置くが、一方リニアックの加速する電子は磁場の影響により容易に軌道が変化する。
 このためもあり、MRI-Linac は2000年に提案されていたが、先に実現したのは、線源として60Co を用いるものである。この装置ではマグネットによる治療ビームの吸収を防ぐため、マグネットを中央で2分割し、その空間からビームを照射する。米国では2012年よりViewRay社から0.35 T MRIと3個の60Co線源を組み合わせた放射線治療システムが販売され、日本国内にも導入されている。

図2.
超音波による前立腺IGRT装置のセットアップ
(Elekta社 ClarityTM AutoScan Probe system)
図3.
光学式3D体表面検出システムによる
体表面へのプロジェクションの様子
(C-RAD社 CatalystTM/ Catalyst HDTM)

3.2 MRI-Linacの開発
 MRI-Linacは2000年にオランダのユトレヒト大学の研究者により提案され、開発が進められた。現在、以下に述べるようにいくつかの装置が開発されている。
3.2.1 1.5 T MRI-Linac
 ユトレヒト大学では、2000年に初めてMRI-Linacを提案し、その後開発を続けた。そして 最近1.5 T MRIと7 MVの加速器を組み合わせたMRI-Linacを開発した。強い静磁場を発生する超電導コイルの外側に逆方向の磁場を生成するコイルを配置して、マグネットの外側の磁場をキャンセルする、アクティヴシールド技術を用いている。マグネットの外側に同心円状に磁場の弱い空間を作り出し、磁場の影響を受けやすいマグネトロンおよび電子銃をその同心円状の空間内に配置することで、1.5 Tの磁場に対して直交するリニアックからの照射に成功した。図4は1.5 T MRI-Linacシステムの構造とアクティヴシールドによって制御された磁力線を示している。電子線加速用のハイパワーのRF波によるMRI画像悪化を防ぐため、リニアック部分はRFシールドの外に配置されている。超電導マグネットのケースは一体だが、内部のマグネットは中央で分離しており、治療ビームが超電導線材を照射しない構造となっている。欧州地域では2018年6月、米国では同年12月からElekta社により商用機の販売が開始されている。
3.3.2 0.35 T MR-Linac
 ViewRay社はMR-60Co治療装置発売後もMRI-Linacの開発を続け、電子銃、マグネトロン、加速管等のリニアックの構成部品を透磁率の高い金属製の磁場遮蔽ケースに入れる、パッシヴシールドを用いて6 MVのリニアックを開発した。現在、0.35 T MR-Linacを販売している。
3.3.3 オープンマグネット型MRI-Linac
 アルバータ大学(カナダ)及びシドニー大学(オーストラリア)はどちらもオープン型のマグネットを用いたMRI-Linacを開発している。磁場と平行に動く電子はローレンツ力を受けないため、磁力線と平行に加速管を配置することで、リニアックへの磁場の影響を最小限にすることができる。磁場に対して直交方向から照射する場合でも、マグネットにリニアックを固定することで、照射方向を変えても磁場の乱れを最小限にできる。一方、リニアックとマグネットの位置関係が固定されるため、照射方向を変えるためには、患者の向きを変えるか、リニアックが取り付けられたマグネット全体を回転させる必要がある。

図4.1.5T MR-Linacの構造(Elekta社)

◆講演後の質疑(いずれも1.5T装置についてのもの)
1.加速エネルギーが7MVというのは珍しいがどうしてか?  →超電動マグネットの容器通過の影響もあり、ビームの線質が7MV相当となっている。
2.臨床的に期待できるメリットは何か?
 →例えば、消化管に近接した難治性の腹部臓器癌(膵臓癌など)の線量増加による治療成績向上。
3.建屋建築上の問題点は何か?
 →磁気シールド及び搬入搬出経路を含め、建屋建築時に確認が必要となる。


『超高磁場MRIの現状と将来』

岩手医科大学 医歯薬総合研究所  
所長 佐々木 真理         

― 岩手医科大学の超高磁場7Tesla MRI研究施設 ―
岩手医科大学 矢巾キャンパス内に超高磁場7Tesla MRIが導入されている。
建屋:24m×27m 平屋
磁気シールド:400トンにおよぶ鉄材を使用
   5ガウスライン(管理区域)は撮影室の外に出るので、管理区域で操作する。
   造影剤の自動注入装置など周辺装置は、高磁場MRI装置(1.5Tesla、3Tesla)のものが使用できる。
国内2台目の装置で平成27年4月より稼働を開始し、4,000件近い件数になる。フルデジタル受信・多チャンネル送信対応などの次世代機能を備えた機種としては世界初であり、特に8チャンネルのRF多チャンネル照射システム(parallel transmit, pTx)が世界で初めて導入されている。

― 7Tesla MRIの特徴 ―
<メリット>
・現在臨床で使われている最高機種の3 Tesla機に比べても、S/N比が格段に良くなる。
・このため、高い空間分解能の画像を撮ることができる。
・化学シフトが大きくなるので、位相やスペクトルの測定が容易になる。
・T1緩和時間の延長によってコントラストが良くなる。
・磁化率効果が強くなるので、磁化率に鋭敏な画像のコントラストが良くなる。
<デメリット>
・磁化率アーチファクト(画像のゆがみ)が強く出る。
・RFの周波数が高くなるためRF磁場の不均一が強くなることによって深刻な信号強度の不均一が生じる。

何れも、このような特徴は3Tesla MRIの利点・欠点を極端にしたようなものである。

― 7Tesla MRIの臨床 ―
・信号強度の不均一やSARが大きくなるため、現時点での対象は頭部だけである。
・高解像度を活かして、脳内の微細な構造のイメージングが行われる。
・MRAには非常にメリットがあり、従来は血管造影でしか描出できないような穿通枝という脳内の細い血管(直径200μm程度)をイメージングできる。
・磁化率の変化に鋭敏なため、微小脳静脈の磁化率値から脳酸素摂取率(oxygen extraction fraction)のイメージングが可能で、それにより、血流と酸素消費の乖離状態(misery/luxury perfusion)がわかる。これは、脳虚血の治療方針を決める際の重要な指標であり、酸素15を用いたPETにより得られるが、酸素15の半減期が短い(2分程度)ため、従来は臨床で使われていなかったものである。

― 7TeslaMRIの課題と対策 ―
 ・磁化率アーチファクト、ゆがみ
拡散強調画像などに非常に強い磁化率アーチファクトが出るが様々な技術的な解決手法が出ている。
 ・RF磁場不均一(信号ムラ)
   非常に深刻であるが、不均一補正により改善する。また、多チャンネルRF照射も非常に有効である。
 ・全身イメージング不可
   信号強度の不均一やSARが大きくなるため、現時点での対象は頭部だけである。
しかし、従来の定在波ではなく進行波を用いる新しい手法が出現したため、全身イメージングも可能になることが期待される。
 ・安全性
  [不快症状(めまい)]
   マグネットに出入りするときに回転性のめまいなど不快な症状が高頻度に起こっていたが、当施設ではマグネット出入り時の速度を落とすことで不快症状をほぼ抑えることができている。
  [体内金属・体表金属]
   3Teslaまで安全性が確認されているものでも7Teslaの場合は一つ一つ確認していく必要がある。ASTM基準に従い地道な安全性確認の実験等も行っている。
 ・高コスト
  初期導入費用に加え、維持費も高額であるが、アクティブシールドのマグネットが安定して動き出したことで、維持費を抑えることができるようになった。
 ・薬事未認可
  一昨年、FDAなどで認可されたので、今後国内でも薬事認可されよう。

 ・建築設計上の問題
  病院へ設置するにあたっては、当施設のように平屋で大面積の建物を建てるわけにはいかないので、装置メーカーと協力して以下にコンパクトに収めるかが課題となろう。



【これまでの主な活動内容】

開催日・会場

事業内容

報告書

施設見学会

平成30年9月20日

国立研究開発法人 国立がん研究センター中央病院
(東京都中央区)

講演会

平成30年2月15日
フクラシア八重洲

「日本におけるがんの陽子線治療」
(筑波大学附属病院 櫻井 英幸 氏)
「重粒子線がん治療の新たな展開―量子メス開発」
(放射線医学総合研究所 鎌田 正 氏)

施設見学会

平成30年5月26日

社会医療法人孝仁会 北海道大野記念病院(北海道札幌市)

講演会

平成30年2月15日
フクラシア八重洲

「日本におけるがんの陽子線治療」
(筑波大学附属病院 櫻井 英幸 氏)
「重粒子線がん治療の新たな展開―量子メス開発」
(放射線医学総合研究所 鎌田 正 氏)

施設見学会

平成29年12月2日

公益財団法人 大阪重粒子線がん治療財団(大阪府大阪市)

施設見学会

平成29年5月20日

社会医療法人財団 慈泉会 相澤病院(長野県松本市)

講演会

平成29年2月8日
フクラシア東京ステーション

「世界の重粒子線施設の現状」
(放射線医学総合研究所 野田 耕司 氏)
 「日建設計における重粒子線がん治療施設設計の歩み」
(株式会社 日建設計 冨田彰次 氏)

施設見学会

平成28年12月17日

社会医療法人 禎心会 札幌禎心会病院(北海道札幌市)

施設見学会

平成28年06月04日

一般財団法人脳神経疾患研究所附属総合南東北病院(福島県郡山市)

施設見学会

平成28年03月10日

国立研究開発法人 放射線医学総合研究所(千葉県千葉市)

講演会

平成28年02月05日
フクラシア東京ステーション

「米国における日立の粒子線治療施設普及状況」 
(株式会社日立製作所 藤崎雄滋郎 氏)
「加速器BNCTの普及状況」 
(筑波大学 熊田博明 氏)

施設見学会

平成27年10月16日

一般財団法人津山慈風会 津山中央病院(岡山県津山市)

講演会

平成27年02月09日
フクラシア東京ステーション

「粒子線治療防護に関するICRP Publication」 
(放射線医学総合研究所 赤羽恵一 氏)
「世界の重粒子線がん治療施設の現状と今後の見通し」 
(放射線医学総合研究所 北川敦志 氏)

施設見学会

平成26年11月10日

神奈川県立がんセンター (神奈川県横浜市)

施設見学会

平成26年06月03日

京都大学原子炉実験所 (大阪府泉南郡熊取町)

講演会

平成26年02月05日
日本橋サンスカイルーム

「粒子線治療施設の遮蔽計算」
(高度情報科学技術研究機構 仁井田浩二 氏)
「粒子線治療施設における放射化物」
(放射線医学総合研究所 米内俊祐 氏)

施設見学会

平成25年10月22日

北海道大学陽子線治療施設(北海道札幌市)

施設見学会

平成25年05月10日

九州国際重粒子線がん治療センター(佐賀県鳥栖市)

施設見学会

平成24年11月13日

慈泉会相澤病院陽子線治療センター(長野県松本市)

施設見学会

平成24年02月17日

名古屋市立西部医療センター(愛知県名古屋市)

施設見学会

平成23年12月04日

財団法人 メディポリス医学研究財団 がん粒子線治療研究センター
(鹿児島県指宿市)

講演会

平成23年11月07日
日本消防会館

「国立がん研究センター東病院の陽子線治療施設運用について」
(独立行政法人 国立がん研究センター東病院 西尾禎冶 氏)
「兵庫県粒子線医療センターの陽子線・炭素線施設運用について」
(兵庫県粒子線医療センター 須賀大作 氏)

講演会

平成23年07月25日
日本消防会館

「PTCOGの歴史」(財団法人 原子力安全技術センター 河内清光 氏)
「粒子線治療と歩んだ30年と今後の展望について」
(元 独立行政法人放射線医学総合研究所 辻井博彦氏)

研究会

平成23年03月03日

放射線医学総合研究所重粒子医科学センター新治療研究棟の視察
講演 「粒子線治療施設の放射線安全管理システム―インターロックシステム、モニタリングシステムについて-」

講演会

平成22年08月23日
日本消防会館

「2025年における日本の高齢者肺癌の診療戦略 -放射線と外科の役割変化-」
(放射線医学総合研究所 宮本忠昭 氏)
(放射線医学総合研究所 飯沼  武 氏)
「重粒子線がん治療等の先進医療の医療経済的評価」
(東京医科歯科大学 川渕孝一 氏)

施設研究会

平成22年05月07日

福井県陽子線治療センター(福井県福井市)

講演会

平成21年11月19日
日本航空会館

「重粒子線がん治療の現状」
(独立行政法人 放射線医学総合研究所 鎌田正 氏)
「PTCOG(ハイデルベルク開催)への参加報告」
(独立行政法人 放射線医学総合研究所 北川敦志 氏)
「医療用加速器へのエネルギー貯蔵装置の適用について」
(国立大学法人 筑波技術大学 佐藤晧 氏)

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