The FLASH effect in carbon-ion beam

• Project/Area Number: 22K07695
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: 八木 雅史 大阪大学, 大学院医学系研究科, 寄附講座助教 (40737491)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高階 正彰 大阪大学, 大学院医学系研究科, 招へい教員 (10392010) ; 金井 達明 大阪大学, 大学院医学系研究科, 招へい教授 (80161149) ; 皆巳 和賢 大阪大学, 大学院医学系研究科, 助教 (90634593)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: FLASH / 超高線量率 / 炭素線治療 / 粒子線治療 / 医学物理（学）

Outline of Research at the Start

腫瘍の周りにある正常組織への線量限度によって、腫瘍への投与線量を妥協しなければならない症例や炭素線治療を断念せざるを得ない症例がある。正常組織への線量を更に低減させる照射技術の開発が喫緊の課題となっている。短時間に大線量を照射する超高線量率照射場ではFLASH効果が起こり正常組織への障害が減らせる。電子線などではFLASH効果が確認されているが、炭素線ではFLASH効果が生じるのか明らかになっていない。本研究の目的は、炭素線を用いた超高線量率照射法の確立と炭素線においてFLASH効果が存在するかを確認することである。本研究によりFLASH炭素線治療というこれまでなかった新治療法の開拓に繋がる。

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、炭素線を用いた超高線量率照射法の確立と炭素線においてFLASH効果が存在するかを確認することである。本研究では炭素線におけるFLASH効果を評価するための基盤となる研究を行った。研究期間内には以下のことを行った【①炭素線を用いた超高線量率照射装置の開発、②炭素線におけるFLASH効果の確認】。本研究成果に関して国際学会発表ではBest E-Poster Awardを受賞した。また学術論文の発表や特許出願を行った。
令和4年度は既存の炭素線照射装置の機能として備わっていない、炭素線を超高線量率で標的に正確に照射する実験系の確立を行った。以下の2段階（加速器系、照射系）に分けて研究を進めた。
（ⅰ）超高線量率照射モードの作成
加速器運転パラメータの調整を行い、既存の炭素線照射装置にて超高線量率照射モード（monochromatic beamモード）の開発を行い、複数のエネルギーにおいて超高線量率照射をできるようにした。
（ⅱ）超高線量率照射場の線量測定法と照射野形成法の開発
超高線量率照射では制御上の理由から装置既存の計器類が使用できない。超高線量率照射に対応するモニタ線量計、照射野形成法、線量測定法の開発を行った。モニタ線量計は電離量を調整するために気圧が調整できる密封型を採用した。照射野形成にはスキャニング法を用いた。線量測定には電離箱型線量計を使用し、照射野の形状や大きさを評価した。開発したモニタ線量計を用いることで、照射量とスポット移動を制御することが可能になった。次に控える生物実験に必要な照射野サイズを満たすことを確認した。また低線量から高線量に渡って線量を調整した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実施計画通りに進んでいる。

Strategy for Future Research Activity

研究実施計画通り、炭素線におけるFLASH効果の確認に向けた取り組みを行う。

Research Products

• [Journal Article] Ultra-high Dose-rate Carbon-ion Scanning Beam With a Compact Medical Synchrotron Contributing to Further Development of FLASH Irradiation (2023)
  • Author(s): YAGI MASASHI、SHIMIZU SHINICHI、MINAMI KAZUMASA、HAMATANI NORIAKI、TSUBOUCHI TOSHIRO、TAKASHINA MASAAKI、UMEZAWA MASUMI、NOMURA TAKUYA、MUKOYOSHI WATARU、NISHIO TEIJI、KOIZUMI MASAHIKO、OGAWA KAZUHIKO、KANAI TATSUAKI
  • Journal Title: Anticancer Research Volume: 43 Issue: 2 Pages: 581-589
  • DOI: 10.21873/anticanres.16194
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] THE ABILITY OF A COMPACT-TYPE MEDICAL SYNCHROTRON ON ULTRA-HIGH DOSE-RATE SCANNED CARBON-ION BEAM FOR FLASH RESEARCH (2022)
  • Author(s): Masashi Yagi, Shinichi Shimizu, Kazumasa Minami, Noriaki Hamatani, Toshiro Tsubouchi, Masaaki Takashina, Masumi Umezawa, Takuya Nomura, Wataru Mukoyoshi, Takuto Miyoshi, Yasuo Okabe, Teiji Nishio, Masahiko Koizumi, Kazuhiko Ogawa, Tatsuaki Kanai
  • Organizer: 2nd Flash Radiotherapy and Particle Therapy Conference (FRPT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] BEAM-DELIVERY TUNING OF HITACHI’S SYNCHROTRON-BASED SCANNING-TREATMENT SYSTEMS FOR PROTON/CARBON-ION ULTRA-HIGH-DOSE RATE (FLASH) IRRADIATION (2022)
  • Author(s): T. Miyoshi, T. Nomura, K. Matsuda, H. Ogino, H. Iwata, T. Toshito, C. Omachi, M. Yagi, S. Shimizu, N. Hamatani, T. Tsubouchi, M. Takashina, K. Ogawa, T. Kanai, M. Umezawa
  • Organizer: 2nd Flash Radiotherapy and Particle Therapy Conference (FRPT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Comparison of Cellular Damage Responses between Tumor and Normal cell lines in ultra-High Dose Rate irradiation on Carbon ion beam (2022)
  • Author(s): K. Minami, M. Yagi, S. Shimizu, W. Takenaka, N. Saruwatari, S. Fukuda, K. Fujita, K. Nagata, J. Yoshida, N. Hamatani, T. Tsubouchi, M. Takashina, M. Umezawa, T. Nomura, W. Mukoyoshi, T. Miyoshi, Y. Okabe, T. Kanai, K. Ogawa, M. Koizumi
  • Organizer: 2nd Flash Radiotherapy and Particle Therapy Conference (FRPT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Confirmation of recombination effect on ionization chambers with ultra-high dose rate carbon ion beam (2022)
  • Author(s): Noriaki Hamatani, Masashi Yagi, Toshiro Tsubouchi, Masaaki Takashina, Shinichi Shimizu, Kazumasa Minami, Masumi Umezawa, Takuya Nomura, Wataru Mukoyoshi, Takuto Miyoshi, Yasuo Okabe, Teiji Nishio, Masahiko Koizumi, Kazuhiko Ogawa, and Tatsuaki Kanai
  • Organizer: 2nd Flash Radiotherapy and Particle Therapy Conference (FRPT 2022)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultra-High Dose-Rate Carbon-Ion Scanning Irradiation with a Compact Type Medical Synchrotron toward FLASH Research (2022)
  • Author(s): M. Yagi, N. Hamatani, T. Tsubouchi, K. Minami, M. Takashina, M. Umezawa, T. Nomura, W. Mukoyoshi, Y. Okabe, T. Nishio, M. Koizumi, S. Shimizu, T. Kanai, K. Ogawa
  • Organizer: American Society for Radiation Oncology (ASTRO) 64th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 超高線量率（FLASH）照射
  • URL: http://www.radonc.med.osaka-u.ac.jp/fc_research.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 線量評価方法、線量評価装置、制御プログラム、および記録媒体 (2022)
  • Inventor(s): 八木雅史、皆巳和賢、清水伸一
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人大阪大学
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2022-189539
  • Filing Date: 2022