Development of a biological dose calculation system for spot-scanning proton therapy

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K09984
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 松浦 妙子 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (90590266)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 放射線生物効果 / 医学物理

Outline of Annual Research Achievements

近年世界的に普及を始めたスポットスキャニング陽子線治療法は、標的への線量集中性を特長とした、原理的に優れた治療法である。この特長を最大限に生かすために、動体追跡などのゲーティングを用いた呼吸同期照射技術が開発されたが、一方で、線量集中性向上と引き換えに照射時間が延長し、治療効果減少を引き起こす可能性が指摘されてきた。本研究では、スキャニング照射法に対応した、線量率・線エネルギー付与の時間構造を同時に取り入れた生物モデル構築のための初期検討を行った。まず、体内の各位置における線量率を測定するため、スポットごとの照射時刻、照射位置を正確に把握するシステムの構築を目標とし、システムの概念設計を行った。このシステムは、同時期に行われた別プロジェクトを用いて具現化された。次に、体内の各位置における、線エネルギー付与算出方法の検討を行った。これまで提案された方法では、モンテカルロ法のように、精度は良いが大幅な時間を要するか、あるいは、解析手法（1次元LETカーネルモデル）のように、短時間で算出できても精度が不十分といった課題があった。そこで我々は、短時間で高精度に線エネルギー付与を算出するアルゴリズムを新たに開発した（デュアルLETカーネルモデル）。このモデルを用いて複数の症例で精度検証を行った。その結果、計算は１つの門当たり数分程度で完了し、また、臓器の平均線エネルギー付与も、0.1 keV/μm以下の十分な精度で算出可能であることが分かった。将来的に、この研究で構築したアルゴリズムや計測システムを用いて、上述の生物モデル構築を進めるのに、十分な基盤が完成した。

Research Products

• [Journal Article] An Analytical Dose-Averaged LET-Calculation Algorithm Considering the Off-Axis LET Enhancement by Secondary Protons for Spot-Scanning Proton Therapy (2018)
  • Author(s): S. Hirayama, T. Matsuura, U. Hideaki, Y. Fujii, T. Fujii, S. Takao, N. Miyamoto, S. Shimizu, R. Fujimoto, K. Umegaki, H. Shirato
  • Journal Title: Med. Phys. Volume: 掲載決定 Pages: 掲載決定
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact of Real-Time Image Gating on Spot Scanning Proton Therapy for Lung Tumors: A Simulation Study (2017)
  • Author(s): T. Kanehira, T. Matsuura, S. Takao, Y. Matsuzaki, Y. Fujii, T. Fujii, YM. Ito, N. Miyamoto, T. Inoue, N. Katoh, S. Shimizu, K. Umegaki, H. Shirato
  • Journal Title: Int J Radiat Oncol Biol Phys. Volume: 97 Pages: 173-181
  • DOI: j.ijrobp.2016.09.027
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A simulation study on the dosimetric benefit of real-time motion compensation in spot-scanning proton therapy for prostate (2017)
  • Author(s): Y. Fujii, T. Matsuura, S. Takao, Y. Matsuzaki, T. Fujii, N. Miyamoto, K. Umegaki, K. Nishioka, S. Shimizu, H. Shirato
  • Journal Title: J Radiat Res Volume: 58 Pages: 591-597
  • DOI: 10.1093/jrr/rrx020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Development of a System for Evaluating the Actual Dose Distribution in Respiratory-Gated Spot-Scanning Proton Therapy Using Real-Time Image Guidance (2017)
  • Author(s): T. Matsuura, S. Hirayama, H. Koyano, S. Takao, T. Fujii, T. Yamada, Y. Fujii, H. Nihongi, S. Shimizu, K. Umegaki, H. Shirato
  • Organizer: AAPM 59th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An initial study on the increase in physical dose and dose averaged LET through collimator scattered protons was performed in spot-scanning (2017)
  • Author(s): T. Matsuura, S. Takao, T. Fujii, S. Hirayama, K. Maeda, K. Ueno, H. Ueda, H. Koyano, K. Umegaki, H. Shirato
  • Organizer: PTCOG56
  • Int'l Joint Research