強度変調陽子線治療に対するActual線量分布に基づくNTCPモデルの構築

• Project/Area Number: 22K07760
• 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: National Cancer Center Japan
• Principal Investigator: 馬場 大海 国立研究開発法人国立がん研究センター, 東病院, 医学物理士 (70763572)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 堀田 健二 国立研究開発法人国立がん研究センター, 東病院, 医学物理士専門職 (60616134) ; 北條 秀博 国立研究開発法人国立がん研究センター, 東病院, 医員 (60638774)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000); Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 強度変調陽子線治療 / NTCPモデル / RBE / 照射ログ情報 / NTCP / 生物学的効果比

Outline of Research at the Start

強度変調陽子線治療の物理学的に優れた線量分布の期待値は高く、利点を最大化するためには正確な正常組織のリスク評価が求められる。しかし、従来X線と同等であると考えられてきた陽子線治療の生物学的効果は体内の位置によって変化することが報告されており、治療計画線量と実際の生物学的効果が異なる可能性がある。また、日々の治療時の装置状態、患者状態によっても治療計画線量と実際の投与線量は異なる。そこで、本研究では日々の患者構造および装置情報、さらに生物学的効果を考慮した線量計算システムを開発し、実際の投与線量に近い線量分布と患者の診療情報から強度変調陽子線治療の正常組織有害事象発生確率モデルを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、強度変調陽子線治療患者に対してより正確な有害事象発生予測を行うことを目的として、日々の患者構造情報および装置情報、さらに陽子線の深さごとに異なる生物学的効果を考慮した線量計算システムを開発し、より実際の投与線量に近い線量分布と有害事象発生情報をもとに強度変調陽子線治療のNTCPモデルの構築を行うことを目指している。
本研究は大きく分けて「Actual線量分布を計算可能なシステム開発」「開発システムで再計算された治療患者のActual線量情報及び診療情報のレトロスペクティブ解析」「NTCPモデルの構築」で構成されている。昨年度、任意の照射ログ情報＆CT画像から簡易モンテカルロ法(SMC)を用いて物理線量分布、線量平均LET分布を計算するシステム開発を完了している。令和５年度は、引き続きActual線量分布を計算可能なシステム開発を行い、開発システムの計算線量精度検証を実施した。Actual線量分布の計算には、日々の照射情報＆CT画像、物理線量分布、線量平均LET分布、細胞の生存率データそして可変RBEモデルが必要であるため、開発システムに可変RBEモデルを実装し、各種細胞のα,βの抽出およびモデルパラメータ登録を行った。今回実装した可変RBEモデルに関しては、先行研究にて検討したモデルをベースに実装した。また、文献ベースでX 線を用いた腫瘍細胞実験報告を収集し、それらのデータから統計手法を用いて算出したα,βを陽子線の細胞生存率を算出するためのモデルパラメータに変換及び登録を行った。これによって、Actual線量分布を計算可能なシステムの開発が完了した。さらに、開発システムの計算精度を検証するため均質及ファントム内での線量計算値と検出器を用いた測定値との比較を行った。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

令和５年度は、Actual線量分布を計算可能なシステム開発及び精度検証を予定していた。今回、RBEモデル及び各種細胞のα,βの抽出およびモデルパラメータ登録をシステムに実装したことで、治療計画情報ではなく照射した結果である日々の照射情報と患者CT 画像、さらに深さごとに変化するRBEを考慮した計算モデルを用いて、患者に照射された実際に近い線量分布(Actual線量分布)計算が可能なシステムの開発を完了した。一方で、開発システムの計算精度検証を一部実施したが、物理線量に関して実測値との乖離が見られた。そのため、実測に合わせたビームモデルの再調整が必要であり、当初の想定より時間を要している。

Strategy for Future Research Activity

本研究は大きく分けて「Actual線量分布を計算可能なシステム開発」「開発システムで再計算された治療患者のActual線量情報及び診療情報のレトロスペクティブ解析」「NTCPモデルの構築」で構成されている。
現在Actual線量分布を計算可能なシステム開発は完了している。今後の研究の方針としては、開発システムの精度検証及び検証結果に合わせた計算モデルの調整を行う予定である。また、検証後のレトロスペクティブ解析に向け陽子線治療を施行した患者の照射情報及び有害事象発生情報の収集を行う予定である。