標的の非均質性と動きを考慮したロバストな陽子線スキャニング治療技術の開発

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H05235
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 梅垣 菊男 北海道大学, 工学研究院, 教授 (40643193)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 清水 伸一 北海道大学, 医学研究院, 教授 (50463724) ; 松浦 妙子 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (90590266) ; 宮本 直樹 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00552879) ; 高尾 聖心 北海道大学, 大学病院, 助教 (10614216)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 医学物理学 / 粒子線治療 / 放射線治療計画

Outline of Annual Research Achievements

平成28、29年度の研究成果に基づき、実際の臨床における標的マーカの呼吸性移動データを用い、陽子線照射スポット位置誤差の統計的/確率的評価に基づく線量分布解析、ロバスト性評価技術を開発した。また、標的移動と陽子線ビーム照射方向との相関を考慮し、一方向、多方向照射に対応した照射ゲーティングの方法、4次元線量分布最適化方法を開発した。線量誤差を考慮したがん病巣と重要臓器(Critical Organ)のロバストな線量分布評価方法を開発し、標的がん病巣線量・正常臓器線量ならびに照射効率（治療時間）のトレードオフスタディの方法を検討した。
(1)スポットスキャニングの特徴を活かした標的目標線量分布の設定と照射方法 ：実際の臨床における標的マーカの呼吸性移動データを用い、ゲーティングで生じるスポット位置誤差の確率的/統計的評価を実施した。その結果に基づき、線量分布誤差低減と照射効率向上の観点でロバストなスキャニング線量分布形成方法を提案した。また、生物学的効果等を考慮した一方向、多方向照射陽子線線量分布形成法に基づくロバストな治療計画策定方法を検討した。
(2)動く標的の空間移動方向とビーム照射方向を考慮した線量分布最適化方法 ：実際の臨床における標的マーカの呼吸性移動をモデル化し、移動方向と照射ビームの方向の相関に基づいて、4次元線量分布誤差を統計的に評価し、線量分布誤差を低減する陽子線特有の照射ゲーティング法による線量分布最適化方法を提案した。
(3) 臨床的観点からの治療計画最適化とトレードオフスタディの実現：位置誤差の確率的/統計的評価に基づき、線量誤差と照射効率（治療時間）をパラメータとしたトレードオフスタディの方法を開発した、臨床データを用いて比較検討した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究課題に対する研究計画に対応する平成30年度の進捗状況を以下に要約するが、いずれも当初の年度研究計画に沿って目標の研究結果が得られており、順調に進展している。
・位置決め誤差、呼吸等で移動する動きの誤差等、種々の要因による位置誤差と、粒子線照射装置の持つ特有な非等方線量誤差等を統計的に評価する方法を開発し、線量分布誤差低減と照射効率向上の観点でロバストなスキャニング線量分布形成方法を提案すると共に、IMPTの考え方をもとに生物学的効果も考慮した線量分布最適化も実施している。
・動く標的の動きに対して、移動方向をビーム照射方向とスキャ ニング平面方向に分解した新たなモデルに基づき、統計的/確率的誤差評価、照射効率を推定する方法を提案した。
・これらの検討結果に基づいて、呼吸等で移動するがん病巣と隣接臓器の線 量分布、照射効率（治療時間）に対するトレードオフスタディの方法を提案した。

Strategy for Future Research Activity

本研究は、北海道大学病院陽子線治療センターを主な研究実施場所として、関連する北大病院医学物理部、工学研究院量子理工学部門、医学研究院放射線医学分野が協力し、医工連携体制で実施している。また、陽子線治療におけるIMPT治療計画、陽子線治療特有の動体追跡ゲーティング照射法を開発するため、すでにX線治療でIMRT、動体追跡を実施している北大病院放射線部とも連携して研究を推進している。今後もこれらの密接な連携を通じて 課題を解決し、実用化していく。また、国内はもとより、米国医学物理学会、米国/欧州放射線腫瘍学会、スタンフォード大学との共同研究等において、さらなる海外の研究者との交流、情報交換を実施し、研究内容を推敲すると共に、北大の陽子線治療装置の最大の特徴である、呼吸などによる標的の移動を計測してゲーティング照射する動体追跡装置を活用し、特徴的な研究を推進すると共に、その結果を世界に発信していく予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Stanford University(米国)
  • Country Name: U.S.A.
  • Counterpart Institution: Stanford University
• [Journal Article] A Literature Review of Proton Beam Therapy for Prostate Cancer in Japan (2019)
  • Author(s): Hoshina R M, Matsuura T, Umegaki K, Shimizu S
  • Journal Title: Journal of Clinical Medicine Volume: 8 Pages: E48
  • DOI: 10.3390/jcm8010048
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] A novel range-verification method using ionoacoustic wave generated from spherical gold markers for particle-beam therapy: a simulation study (2019)
  • Author(s): Takayanagi T, Uesaka T, Kitaoka M, Unlu M B, Umegaki K, Shirato H, Xing L, Matsuura T
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Pages: 4011
  • DOI: 10.1038/s41598-019-38889-w
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [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): Hirayama S, Matsuura T, Ueda H, Fujii Y, Fujii T, Takao S, Miyamoto N, Shimizu S, Fujimoto R, Umegaki K, Shirato H
  • Journal Title: Medical Physics Volume: 45 Pages: 3404-3416
  • DOI: 10.1002/mp.12991
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of Energy Absorption by Clustered Gold Nanoparticles (2018)
  • Author(s): Kwon J, Sutherland K, Makarova A, Matsuura T, Hashimoto T, Peng H, Toshito T, Umegaki K, Shirato H, Shimizu S
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B Volume: 429 Pages: 34-41
  • DOI: 10.1016/j.nimb.2018.05.033
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Motion management in particle therapy (2018)
  • Author(s): Mori S, Knopf A C, Umegaki K
  • Journal Title: Medical Physics Volume: 45 Pages: e994-e1010
  • DOI: 10.1002/mp.12679
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Prostate position deviation during real-time-image gated spot-scanning proton therapy (RGPT) for prostate cancer (2018)
  • Author(s): Tamura H, Shimizu S, Nishioka K, Hashimoto T, Yoshimura T, Matsuo Y, Matsuura T, Takao S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: 115th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Yokohama, Japan
• [Presentation] A study on the influence of changing the motion recognition rate on the dose accuracy of spot-scanning proton therapy (2018)
  • Author(s): Sodeta T, Matsuura T, Takao S, Hirayama S, Kanehira, T, Miyamoto N, Shimizu S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: 115th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Yokohama, Japan
• [Presentation] Development of the DVH prediction method considering dose distribution in proton therapy (2018)
  • Author(s): Hiyama Y, Takao S, Matsuura T, Hirayama S, Shimizu S, Shirato H, Umegaki K
  • Organizer: 115th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Yokohama, Japan
• [Presentation] An investigation of biological impact caused by using a collimator in pencil beam scanning proton therapy (2018)
  • Author(s): Ueno K, Matsuura T, Takao S, Hirayama S, Ueda H, Yoshimura T, Matsuo Y, Umegaki K
  • Organizer: 115th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Yokohama, Japan
• [Presentation] Development of an analytical dose-averaged LET calculation method using a dual-LET-kernel model for spot-scanning proton therapy (2018)
  • Author(s): Hirayama S, Matsuura T, Ueda H, Fujii Y, Fujii T, Takao S, Miyamoto N, Shimizu S, Fujimoto R, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: 115th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Yokohama, Japan
• [Presentation] Time-dependent weighted reconstruction method with insufficient projection data for mobile target (2018)
  • Author(s): Motoi S, Tomioka S, Umegaki K, Miyamoto N
  • Organizer: 115th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Yokohama, Japan
• [Presentation] Development of Time Saving Daily QA Measurement Tool for Spot scanning system (2018)
  • Author(s): Yamada T, Takayanagi T, Takao S, Matsuura T, Hirayama S, Fujii T, Umegaki K
  • Organizer: Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG) 57th Annual Conference, Cincinnati, USA (2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of analytical dose-averaged LET calculation algorithm for spot-scanning proton therapy (2018)
  • Author(s): Hirayama S, Matsuura T, Ueda H, Fujii Y, Fujii T, Takao S, Shimizu S, Fujimoto R, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: Particle Therapy Co-Operative Group (PTCOG) 57th Annual Conference, Cincinnati, USA (2018)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of a Prediction Method for Dose-Volume Histogram of Organ at Risks for Treatment Planning in Proton Beam Therapy (2018)
  • Author(s): Hiyama Y, Takao S, Matsuura T, Hirayama S, Fujii T, Shimizu S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: AAPM 60th Annual Meeting & Exhibition, Nashville, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Real-Time Volumetric Image Generation with CT Image Deformation Driven by Displacement of Internal Fiducial Markers (2018)
  • Author(s): Miyamoto N, Matsumoto N, Suzuki R, Takao S, Matsuura T, Fujii T, Hirayama S, Tomioka S, Shimizu S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: AAPM 60th Annual Meeting & Exhibition, Nashville, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Study On the Influence of Changing the Motion Recognition Rate On the Dose Accuracy of Spot-Scanning Proton Therapy (2018)
  • Author(s): Sodeta T, Matsuura T, Takao S, Hirayama S, Kanehira T, Miyamoto N, Nishioka K, Kato N, Shimizu S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: AAPM 60th Annual Meeting & Exhibition, Nashville, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] An Investigation of Biological Impact Caused by Edge-Scattered Protons in Pencil Beam Scanning Proton Therapy (2018)
  • Author(s): Ueno K, Matsuura T, Takao S, Hirayama S, Ueda H, Matsuo Y, Yoshimura T, Shimizu S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: AAPM 60th Annual Meeting & Exhibition, Nashville, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Real-Time Volumetric Image Generation with CT Image Deformation Driven by Displacement of Internal Fiducial Markers (2018)
  • Author(s): Miyamoto N, Matsumoto N, Suzuki R, Takao S, Matsuura T, Fujii T, Hirayama S, Tomioka S, Shimizu S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: 116th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Morioka, Japan
• [Presentation] 4D-CBCT technique with fiducial marker-position to reconstruct a volumetric image just before the treatment proton beam delivery in RGPT (2018)
  • Author(s): Fujii T, Takao S, Shimizu S, Matsuura T, Miyamoto N, Hirayama S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: 116th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Morioka, Japan
• [Presentation] Lateral profile validation procedure utilizing simplified Monte Carlo calculation based on log data for patient specific QA of proton beam therapy (2018)
  • Author(s): Yamada T, Takayanagi T, Fujimoto R, Takao S, Kobashi K, Shimizu S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: 116th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Morioka, Japan
• [Presentation] A study of checking method for Water-Equivalent Thickness change using CBCT in Proton Therapy (2018)
  • Author(s): Unno S, Fujii T, Ueda H, Fujita Y, Takao S, Umegaki K
  • Organizer: 116th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Morioka, Japan
• [Presentation] Evaluation of Dosimetric Error for Real-Time Motion Tracking Irradiation for Scanning Directions in Proton Beam Therapy (2018)
  • Author(s): Ishida K, Miyamoto N, Yokokawa K, Umegaki K
  • Organizer: 116th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Morioka, Japan
• [Presentation] Development of interactive image registration method between planning CT and CBCT for proton therapy (2018)
  • Author(s): Fujita Y, Takao S, Ueda H, Fujii T, Unno S, Yasuda K, Shimizu S, Umegaki K
  • Organizer: 116th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Morioka, Japan
• [Presentation] Clinical feasibility of target tumor localization algorithm using multiple fiducial markers for Real-time Tumor-tracking Proton Therapy (2018)
  • Author(s): Arai Y, Miyamoto N, Ueda H, Umegaki K
  • Organizer: 116th Scientific Meeting of JSMP (Japanese Society of Medical Physics), Morioka, Japan
• [Presentation] Big Data Analysis of Treatment Process Time for the Real-time-image Gated-spot-scanning Proton-beam Therapy (RGPT) System (2018)
  • Author(s): Yoshimura T, Shimizu S, Hashimoto T, Katoh N, Inoue T, Nishioka K, Matsuura T, Takao S, Tamumra M, Tamura H, Horita K, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: The 60th Annual meeting for American Society for Radiation Oncology (ASTRO), San Antonio, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Intensity-modulated Proton Therapy with Dose Painting based on Hypoxia Imaging for Nasopharyngeal Cancer (2018)
  • Author(s): Yasuda K, Takao S, Matsuo Y, Yoshimura T, Tamura M, Minatogawa H, Dekura Y, Matsuura T, Onimaru R, Shiga T, Shimizu S, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: The 60th Annual meeting for American Society for Radiation Oncology (ASTRO), San Antonio, USA
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of Beam Delivery Times and Dose Rates for the Treatment of Mobile Tumors Using Real Time Image Gated Spot-Scanning Proton Beam Therapy (2018)
  • Author(s): Shimizu S, Yoshimura T, Katoh N, Inoue T, Hashimoto T, Nishioka K, Takao S, Matsuura T, Miyamoto N, Ito M. Y, Umegaki K, Shirato H
  • Organizer: The 60th Annual meeting for American Society for Radiation Oncology (ASTRO), San Antonio, USA
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 北海道大学大学院工学研究院量子理工学部門量子ビーム応用医工学研究室
  • URL: http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/qsre/QSciEngjp/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 粒子線治療システム (2018)
  • Inventor(s): 梅垣菊男、藤井祐介、安藤竜弥、他4名
  • Industrial Property Rights Holder: 梅垣菊男、藤井祐介、安藤竜弥、他4名
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 特願2018-086846