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超高線量率陽子線治療に適したリアルタイム飛程検出法の開発

研究課題

研究課題/領域番号 21K19434
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分52:内科学一般およびその関連分野
研究機関北海道大学

研究代表者

松浦 妙子  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (90590266)

研究分担者 田中 創大  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 物理工学部, 主任研究員 (00826092)
富岡 智  北海道大学, 工学研究院, 教授 (40237110)
橋本 孝之  北海道大学, 医学研究院, 准教授 (60400678)
栗山 靖敏  京都大学, 複合原子力科学研究所, 助教 (60423125)
研究期間 (年度) 2021-07-09 – 2024-03-31
研究課題ステータス 交付 (2022年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2021年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
キーワード陽子線飛程検証 / FLASH / 適応型陽子線治療 / 音響計測
研究開始時の研究の概要

FLASH放射線治療は,通常の放射線治療の線量率の数百倍から数千倍高い線量率を用いる超高線量率照射法である.抗腫瘍効果を変えずに正常組織の障害発生を顕著に抑制できることが知られており,治療様式を大きく変えるインパクトがある.本研究では,近い未来に臨床利用が期待される超高線量率陽子線治療に適用するリアルタイム飛程検出法の実用化に向けた基盤技術開発を行う.現在,陽子線飛程を照射中に正確に検出し,予測と違う場合には即座に補正を加える方法が提案されている.我々はその一つとして,超高線量率で威力を発揮する音響技術に着目し,GPSで実績のあるMultilateration法を組み合わせた手法を開発する.

研究実績の概要

FLASH放射線治療は,通常の放射線治療の線量率の数百倍から数千倍高い線量率(40 Gy/s程度以上)を用いる超高線量率照射法である。抗腫瘍効果を変えずに正常組織の障害発生を顕著に抑制できることが知られており,これまでの治療様式を大きく変えるインパクトがある.本研究では,数年以内に臨床利用が期待される超高線量率陽子線治療に適用する心電図検査式リアルタイム飛程検出法の実用化に向けた基盤技術開発を行うことを目標とした研究開発を行っている.
本年度は,昨年度に検討した寒天ファントムに対して,京大複合研のFFA加速器を用いて陽子線照射実験を行った.超音波ジェルを用いて超音波検出器を直接ファントムに結合させると計測が安定しなかったため(恐らく時々刻々検出器の周辺温度が変化することの影響),寒天を成形して検出器を包含させ,温度遷移の影響をできるだけ抑えた状態で計測を行った.また,本実験においては,検出器の位置精度が非常に重要になるため,ガイドやストッパー付の容器を3Dプリンターで作製し,上述の寒天で包含した検出器全体を入れることにした.
本研究は,複数地点で検出した超音波波形を同時に用いて飛程を特定するが,当初想定した手法(Multilateration法)は,特定の計測位置以外ではブラッグピーク以外の線量分布からの音波が混入するため,精度が不十分となる可能性があることが分かった.そこで,感度行列を用いる手法を別途開発して解析を行ったところ,ブラッグピーク位置をほぼサブミリで捉えることに成功したため,引き続き本手法を用いて解析を行っていく予定である.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

当初想定した飛程同定のアルゴリズムが、特定の計測位置以外では精度不十分となる可能性が高いことが判明したため、新たな手法を開発する必要があった。新たな手法は寒天ファントムにおいては成功しており、今後人体ファントムにおいてもシミュレーションを用いて有用性を確認し、遅れを取り戻していく予定である。

今後の研究の推進方策

次年度は本年度に引き続き,寒天ファントムに対する複数地点の音波計測に基づいた飛程解析を行う.感度行列を用いる手法の有効性を寒天ファントムに対して確立した後,同じ手法がR3年度に検討した人体ファントムにも成立することを実証していく.また,上述の検出器を包含する寒天容器は耐久性が無いため,実臨床使用に耐えない.より安定な材料を用いたケーシングの検討をメーカーと開始しており,この検討をさらに進める予定である.

報告書

(2件)
  • 2022 実施状況報告書
  • 2021 実施状況報告書
  • 研究成果

    (8件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 2件、 査読あり 2件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 3件、 招待講演 3件)

  • [国際共同研究] Bogazici University(トルコ)

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [雑誌論文] Ionoacoustic application of an optical hydrophone to detect proton beam range in water.2022

    • 著者名/発表者名
      Shota Sueyasu, Taisuke Takayanagi, Koichi Miyazaki, Yasutoshi Kuriyama, Yoshihiro Ishi, Tomonori Uesugi, Mehmet Burcin Unlu, Nobuki Kudo, Ye Chen, Koki Kasamatsu, Masayuki Fujii, Masanori Kobayashi, Wolfgang Rohringer, Taeko Matsuura
    • 雑誌名

      medical physics

      巻: - 号: 4 ページ: 1-12

    • DOI

      10.1002/mp.16189

    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] Technical Note: Range verification of pulsed proton beams from fixed‐field alternating gradient accelerator by means of time‐of‐flight measurement of ionoacoustic waves2021

    • 著者名/発表者名
      Nakamura Yuta、Takayanagi Taisuke、Uesaka Tomoki、Unlu Mehmet Burcin、Kuriyama Yasutoshi、Ishi Yoshihiro、Uesugi Tomonori、Kobayashi Masanori、Kudo Nobuki、Tanaka Sodai、Umegaki Kikuo、Tomioka Satoshi、Matsuura Taeko
    • 雑誌名

      Medical Physics

      巻: 48 号: 9 ページ: 5490-5500

    • DOI

      10.1002/mp.15060

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Miniature Optical Hydrophone for Detecting Proton Beam Range at Clinical Dose: An Initial Study2022

    • 著者名/発表者名
      Shota Sueyasu, Yuhei Sakuyama, Koichi Miyazaki, Mehmet Burcin Unlu, Yasutoshi Kuriyama, Yoshihiro Ishi, Tomonori Uesugi, Masayuki Fujii, Masanori Kobayashi, Nobuki Kudo, Ye Chen, Taeko Matsuura
    • 学会等名
      AAPM
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Reduction of Detector Misalignment Errors in Ionoacoustic Range Detection by Using a Miniature Laser Interferometer Hydrophone2022

    • 著者名/発表者名
      S. Sueyasu, Y. Nakamura, Y. Sakuyama, T. Takayanagi, K, Miyazaki M. Kobayashi, Y. Yamauchi, N. Koshizaki, S. Tomioka, T. Matsuura
    • 学会等名
      医学物理学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
  • [学会発表] 陽子線治療における医学物理研究の現状と今後の展望2022

    • 著者名/発表者名
      松浦妙子
    • 学会等名
      医学物理学会
    • 関連する報告書
      2022 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Range verification of pulsed proton beams using ionoacoustics2022

    • 著者名/発表者名
      Taeko Matsuura
    • 学会等名
      The 8th GCB Biomedical Science and Engineering Symposium
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultrasonic waves to verify proton beam ranges in radiotherapy2021

    • 著者名/発表者名
      Taeko Matsuura
    • 学会等名
      ブラジル物理学会
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演

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公開日: 2021-07-13   更新日: 2023-12-25  

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