| 研究課題/領域番号 |
23H00553
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分90:人間医工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
西尾 禎治 大阪大学, 大学院 医学系研究科, 教授 (40415526)
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| 研究分担者 |
秋元 哲夫 東京慈恵会医科大学, 医学部, 教授 (10261851)
稲庭 拓 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, グループリーダー (10446536)
阿蘇 司 富山高等専門学校, その他部局等, 教授 (30290737)
歳藤 利行 名古屋市立大学, 医薬学総合研究院(医学), 研究員 (30377965)
清水 伸一 大阪大学, 大学院医学系研究科, 寄附講座教授 (50463724)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2026年度)
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| 配分額 *注記 |
46,800千円 (直接経費: 36,000千円、間接経費: 10,800千円)
2026年度: 11,570千円 (直接経費: 8,900千円、間接経費: 2,670千円)
2025年度: 10,140千円 (直接経費: 7,800千円、間接経費: 2,340千円)
2024年度: 12,480千円 (直接経費: 9,600千円、間接経費: 2,880千円)
2023年度: 12,610千円 (直接経費: 9,700千円、間接経費: 2,910千円)
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| キーワード | 体内線量観える化 / 陽子線治療 / 標的原子核破砕反応 / 生成陽電子放出核 / PET画像 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、体内でのリアルタイム陽子線照射線量分布可視化技術の確立による、患者個別に対する腫瘍への最適且つ正確な線量投与及び線量応答性に伴う最適処方線量を決定可能とする新たなテーラーメイド陽子線治療を実現し、我が国から本技術及び治療法を世界へ発信することを目指す。これまでの我々の研究開発成果である世界で唯一の陽子線照射領域可視化システム：BOLPsを中核として、患者ごとの腫瘍へ正確・最適な線量投与をリアルタイム観測できる患者体内リアルタイム陽子線線量分布可視化システムとして、BOLPs-RDDIsの研究開発及び構築を目的とする。
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| 研究実績の概要 |
本研究における、患者ごとの腫瘍へ正確・最適な線量投与をリアルタイムで観測可能な患者体内リアルタイム陽子線線量分布可視化システム：BOLPs-RDDIsの構築には、短半減期陽電子放出核Activity分布画像導出技術、少ないActivity量から照射領域可視化画像の高品質化を図る統計ノイズ低減処理深層機械学習技術、変換用リップル関数重畳加算計算処理を高速化した線量分布高速推定技術、腫瘍応答画像化技術の確立と機能開発を行う必要がある。
継続して、プロトタイプBOLPs-RDDIsの搭載機能向上化では、既存研究用BOLPsによる人体模擬ファントムへの陽子線照射実験による取得データを機能開発へフィードバックした。数Gy/分の通常線量率での陽子線照射実験に加え、100 Gy/秒以上の超高線量率での陽子線照射実験を実施することで、短半減期陽電子放出核Activity分布画像導出技術を検証した。人体模擬ファントムへの超高線量率陽子線照射実験より、半減期が1秒未満の短半減期陽電子放出核のActivity分布計測及び画像化を実現した。統計ノイズ低減処理深層機械学習技術においては、陽子線照射実験よる実測Activity分布画像結果と粒子輸送モンテカルロシミュレーション結果による教師用学習用データセットを整備することで、深層機械学習U-Netをベースとしたde-noising技術の構築を行った。線量分布高速推定技術では、患者体内での生成陽電子放出核のActivity分布画像データを線量分布データへ変換可能な線量分布推定技術を確立し、変換機能を開発及び性能の初期検証を行った。腫瘍線量応答画像化技術では、国立がん研究センター東病院の陽子線治療装置に搭載された臨床用BOLPsより取得された陽子線照射領域可視化画像データセットを精査し、治療計画線量分布画像と実測Activity分布画像の比較検証を行った。
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| 現在までの達成度 |
現在までの達成度
1: 当初の計画以上に進展している
理由
高品質ながんの高精度陽子線治療の患者提供を実現可能な、腫瘍への正確・最適な線量投与をリアルタイムで観測可能な患者体内リアルタイム陽子線線量分布可視化システム：BOLPs-RDDIsの基盤創成を目指している。
BOLPs-RDDIsで要求及び搭載する様々な機能の仕様策定、要求技術を確立してきた。BOLPs-RDDIsの中核となる、構築済みの研究用BOLPsを陽子線治療施設のビームライン上に設置し、人体模擬ファントム等への陽子線照射実験結果に基づく機能開発及び性能向上化を図ってきた。搭載機能開発における研究の進捗としては、短半減期の生成陽電子放出核のActivity分布画像化を実現出来たことなど、予定より早く研究を進めることができている。超高線量率陽子線照射実験で得られた新たな知見として、人体構成要素の一つであるカルシウム40Ca核から生成されるミリ秒オーダーの半減期を持つ39Ca、38Ca等の短半減期陽電子放出核のActivity分布画像化に加え、陽子線照射物質表面での発光現象を活用することで、本研究目的の可視化精度を向上する手法を確立した。陽子線照射物質表面での発光現象の基礎研究内容は論文化され、大阪大学医学部保健学専攻最優秀論文賞を受賞した。また、体表面発光現象と組み合わせた陽子線照射による体内生成陽電子放出核のActivity分布画像の可視化精度の向上化手法は特願2024-206276「線量予測システム、線量予測方法及び線量予測プログラム」の知財として特許申請した。人体模擬ファントム等への陽子線照射実験の実施によって、各開発機能の統合化と実装によるプロトタイプBOLPs-RDDIsの構築及び性能評価を継続的に実施してきた。
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| 今後の研究の推進方策 |
令和7年度以降もこれまでと同様に、通常線量率及び超高線量率陽子線照射実験によりプロトタイプBOLPs-RDDIsへ搭載した開発機能の性能評価及び画像表示・解析システム（GRIP）の開発を進める。
開発したプロトタイプBOLPs-RDDIsを用いた人体模擬ファントムへの陽子線照射実験により、人体構成要素の一つである40Ca核から生成されるミリ秒オーダーの半減期を持つ39Ca、38Ca等の短半減期陽電子放出核のリアルタイムActivity分布画像化を世界で初めて実現させた。これらの短半減期陽電子放出核の反応チャンネル及び生成確率の原子核反応データはBNL国立核データセンター（NNDC）においても全く整備されていないデータである。そのため、BOLPsによる陽子線照射実験を引き続き実施することで、原子核反応データを自ら整備することも実施する。尚、陽子線照射による患者体内リアルタイム陽子線線量分布可視化において、陽子線照射による入射陽子と人体構成要素である炭素核、酸素核及びカルシウム核との標的原子核破砕反応より生成される陽電子放出核の陽子線エネルギーごとの生成反応確率が非常に重要である。その一方、その反応チャンネルは多岐に渡るため、チャンネルごとの生成反応確率の決定は非常に難しい状況にある。そこで、多岐に渡る反応チャンネルを人体構成要素の炭素核、酸素核及びカルシウム核由来ごとにまとめた複数の半減期成分を持つ一つの仮想的な陽電子放出核（仮想陽電子放出核）として生成反応確率と扱う概念で研究を実施する。国立がん研究センター東病院でIRB承認済みの陽子線治療患者の取得済み薬事承認機器臨床用BOLPsによる陽子線照射領域可視化画像データの解析において、患者への陽子線治療で取得した2次元プロジェクションのActivity分布画像データから3次元へ拡張する機能の開発を行う。
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