複雑系放射線治療効果シミュレーションシステムの開発

2005 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 15390353
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 放射線科学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 白土 博樹 北海道大学, 病院, 助教授 (20187537)
• 研究分担者: 大内 東 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50002308) ; 但野 茂 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (50175444)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• キーワード: 放射線治療 / 複雑系 / シミュレーション / 有限要素法 / 腫瘍縮小

研究概要

当研究は、2つの要素からなる。
そのひとつは、放射線治療を受ける腫瘍細胞ひとつひとつが相互作用しながら、癌全体を複雑系としてとらえ、これが放射線によりどう変化するか、ということを2次元セルオートマトンシミュレーションである。研究分担者大内がまず腫瘍細胞の細胞免疫に関して解析し、腫瘍細胞と細胞毒性Tリンパ球(CTL)の接触は腫瘍細胞を免疫的に排除するために重要であることが示された。研究代表者は放射線治療効果の系として、同腫瘍免疫系モデルを利用した発展を考え、免疫系の細胞間反応と放射線治療後の反応系の違いに対するロジックとパラメーターの検討が必要であると結論した。
もうひとつは、実際の患者の放射線治療前後の腫瘍部位の3次元CTとMRI画像上の計時的変化を追い、そのデータベースを作成し、これに基づき、有限要素法を用いて腫瘍の縮小率を3次元的に予想し、グラフィックに可視化した。放射線生物学で確立しているLinear-quadratic modelや細胞turnoverに必要な時間を加えたモデルを構築し、単に腫瘍体積の縮小率を予測するだけでなく、対応する各点の3次元座標を持たせることで、実際の放射線治療において縮小中の腫瘍の形態に合わせた放射線治療を可能とした。子宮頚癌では、放射線治療途中のMRIの腫瘍体積からその後の腫瘍体積の減少を、3名の実際の患者データをもとに予測し、理論値と実測値のかなりの一致を見た。これらの方法は、特許申請中で、最終結果を論文投稿中である。それらのデータを実際の治療に利用するには、腫瘍の呼吸性の動きなど"速い"動きに対する検討が必要であるため、動体追跡装置を用いた多くの研究を行い、新たな知見を発表した。今後、複雑系としての腫瘍細胞の振る舞いと、腫瘍全体の振る舞いの間にあるギャップを如何に埋めるか、という問題が残されているが、分子イメージング法の発展により、その融合が期待される。

研究成果

• [雑誌論文] Celluar automaton model of a tumor tissue consisting of tumor cells, cytotoxic T lymphocytes (CTLs), and cytokine produced by CTLs (2006)
  • 著者名/発表者名: Takayanagi T, Kawamura H, Ohuchi A
  • 雑誌名: IPSJ Transactions on mathematical modeling and its applications 47 ページ: 61-67
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Speed and amplitude of lung tumor motion precisely detected in four-dimensional setup and in real-time tumor-tracking radiotherapy. (2006)
  • 著者名/発表者名: Shirato H, Suzuki K, Sharp GC, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 64(4) ページ: 1229-36
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Cellular automaton model of a tumor tissue consisting of tumor cells, cytotoxic T lymphocytes (CTLs), and cytokine produced by CTLs. (2006)
  • 著者名/発表者名: Takananagi T, Kawamura H, Ohuchi A.
  • 雑誌名: IPSJ Transactions on Mathematical Modeling and Its Appilcations. 47 No.SIG1(TOM14) ページ: 61-67
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Speed and amplitude of lung tumor motion precisely detected in four-dimensional setup and in real-time tumor-tracking radiotherapy. (2006)
  • 著者名/発表者名: Shirato H, Suzuki K, Sharp GC, Fujita K, Onimaru R, Fujino M, Kato N, Osaka Y, Kinoshita R, Taguchi H, Onodera S, Miyasaka K.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 64(4) ページ: 1229-1236
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] How much margin reduction is possible through gating or breathhold? (2005)
  • 著者名/発表者名: Engelsman M, Sharp GC, Bortfeld T, Onimaru R, Shirato H
  • 雑誌名: Phys Med Biol. 50(3) ページ: 477-90
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Real-time monitoring of a digestive tract marker to reduce adverse effects of moving organs at risk (OAR) in radiotherapy for thoracic and abdominal tumors. (2005)
  • 著者名/発表者名: Hashimoto T, Shirato H, Kato M, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 61(5) ページ: 1559-64
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Comparison of imaging modalities for the accurate delineation of arteriovenousmalformation, with reference to stereotactic radiosurgery. (2005)
  • 著者名/発表者名: Aoyama H, Shirato H, Katoh N, Kudo K, Asano T, Kuroda S, Ishikawa T, Miyasaka K.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 62(4) ページ: 1232-8.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] The effect of tumor location and respiratory function on tumor movement estimate by Real-time Tracking RadioTherapy (RTRT) system. (2005)
  • 著者名/発表者名: Onimaru R, Shirato H, Fujino M, Suzuki K, Yamaguchi K, Nishimura M, Dosaka-Akita H, Miyasaka K.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 63(1) ページ: 164-9
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] ハイテク放射線治療 (2005)
  • 著者名/発表者名: 白土博樹, 鬼丸力也, 藤野賢治, 宮坂和男
  • 雑誌名: Mebio Oncology 2(2) ページ: 23-30
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Insertion and fixation of fiducial markers for setup and tiacking of lungtumors in radiotherapy. (2005)
  • 著者名/発表者名: Imura M, Yamazaki K, Shirato H, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 63(5) ページ: 1442-7
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Residual motion of lung tumours in gated radiotherapy with external resperatory surrogates. (2005)
  • 著者名/発表者名: Berbeco RI, Nishioka S, Shirato H, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 50(16) ページ: 3655-67.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] How much margin reduction is possible through gating or breath hold? (2005)
  • 著者名/発表者名: Engelsman M, Sharp GC, Bortfeld T, Onimaru R, Shirato H.
  • 雑誌名: Phys Med Biol. Feb 7;50(3) ページ: 477-490
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Comparison of imaging modalities for the accurate delineation of arteriovenous malformation, with reference to stereotactic radiosurgery. (2005)
  • 著者名/発表者名: Aoyama H, Shirato H, Katoh N, Kudo K, Asano T, Kuroda S, Ishikawa T, Miyasaka K.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 62(4) ページ: 1232-1238
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] The effect of tumor location and respiratory function on tumor movement estimated by Real-time Tracking RadioTherapy (RTRT) system. (2005)
  • 著者名/発表者名: Onimaru R, Shirato H, Fujino M, Suzuki K, Yamaguchi K, Nishimura M, Dosaka-Akita H, Miyasaka K.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 63(1) ページ: 164-169
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] High-Tech Radiotherapy. (2005)
  • 著者名/発表者名: Shirato, Onimaru R, Fujino M, Miyasaka K.
  • 雑誌名: Mebio Oncology 2(2) ページ: 3-30
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Insertion and fixation of fiducial markers for setup and tracking of lung tumors in radiotherapy. (2005)
  • 著者名/発表者名: Imura M, Yamazaki K, Shirato H, Onimaru R, Fujino M, Shimizu S, Harada T, Ogura S, Dosaka-Akita H, Miyasaka K, Nishimura M.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 63(5) ページ: 1442-1447
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Residual motion of lung tumours in gated radiotherapy with external respiratory surrogates (2005)
  • 著者名/発表者名: Berbeco RI, Nishioka S, Shirato H, Chen GT, Jiang SB.
  • 雑誌名: Phys Med Biol. 50(16) ページ: 3655-3667
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Three-dimensional conformal setup (3D-CSU) of patients using the coordinate system provided by three internal fiducial markers and two orthogonal diagnostic X-ray systems in the treatment room. (2005)
  • 著者名/発表者名: Shirato H, Oita M, Fujita K, Shimizu S, Onimaru R, Uegaki S, Watanabe Y, Kato N, Miyasaka K.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 61(5) ページ: 1559-1564
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Three-dimensional conformal setup (3D-CSU) of patients using the coordinate system provided by three internal fiducial markers and two orthogonal diagnostic X-ray systems in the treatment room. (2004)
  • 著者名/発表者名: Shirato H, Oita M, Fujita K, Shimizu S, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 60(2) ページ: 607-12
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Feasibility of synchronization of real-time tumor-tracking radiotherapy and intensity-modulated radiotherapy viewpoint of excessive dose from fluoroscopy. (2004)
  • 著者名/発表者名: Shirato H, Oita M, Fujita K, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 60(1) ページ: 335-41
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Integrated radiotherapy imaging system (IRIS) design considerations of tumour tracking with linac gantry-mounted diagnostic x-ray systems with flat-panel detectors. (2004)
  • 著者名/発表者名: Berbeco RI, Jiang SB, Sharp GC, Chen GT, Mostafavi H, Shirato H
  • 雑誌名: Phys Med Biol. 49 ページ: 243-55
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Stereotactic irradiation for intracranial arteriovenous malformation using stereotactic radiosurgery or hypofractionated stereotactic radiotherapy. (2004)
  • 著者名/発表者名: Chang TC, Shirato H, Aoyama H, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 60(3) ページ: 861-70
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] High dose three-dimensional conformal boost (3DCB) using an orthogonal diagnostic X-ray set-up for patients with gynecological malignancy : a new application of real-time tumor-tracking system. (2004)
  • 著者名/発表者名: Yamamoto R, Yonesaka A, Nishioka S, Shirato H, et al.
  • 雑誌名: Radiother Oncol. 73(2) ページ: 219-22
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Tracking errors in a prototype real-time tumour tracking system. (2004)
  • 著者名/発表者名: Sharp GC, Jiang SB, Shimizu, S, Shirato H.
  • 雑誌名: Phys Med Biol. 49 ページ: 5347-56
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Integration of functional brain information into stereotactic irradiation treatment planning using magnetoencephalography and magnetic resonance axonography. (2004)
  • 著者名/発表者名: Aoyama H, Kamada K, Shirato H, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys 58 ページ: 1177-83
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Feasibility of synchronization of real-time tumor-tracking radiotherapy and intensity-modulated radiotherapy from viewpoint of excessive dose from fluoroscopy. (2004)
  • 著者名/発表者名: Shirato H, Oita M, Fujita K, Watanabe Y, Miyasaka K.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 60(2) ページ: 607-612
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Integrated radiotherapy imaging system (IRIS) : design considerations of tumour tracking with linac gantry-mounted diagnostic x-ray systems with flat-panel detectors. (2004)
  • 著者名/発表者名: Berbeco RI, Jiang SB, Sharp GC, Chen GT, Mostafavi H, Shirato H.
  • 雑誌名: Phys Med Biol. 49 ページ: 243-255
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Tracking errors in a prototype real-time tumour tracking system. (2004)
  • 著者名/発表者名: Sharp GC, Jiang SB, Shimizu S, Shirato H.
  • 雑誌名: Phys Med Biol. 49 ページ: 5347-5356
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Integration of functional brain information into stereotactic irradiation treatment planning using magnetoencephalography and magnetic resonance axonography. (2004)
  • 著者名/発表者名: Aoyama H, Kamada K, Shirato H, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 58 ページ: 1177-1183
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Clinical significance of 3D reconstruction of arteriovenous malformation using digital subtraction angiography and its modification with CT information in stereotactic radiosurgery. (2003)
  • 著者名/発表者名: Zhang XQ, Shirato H, Aoyama H, et al.
  • 雑誌名: Int J Radiat Oncol Biol Phys. 57(5)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] A finite state model for respiratory motion analysis in image guided radiation therapy. (2003)
  • 著者名/発表者名: Wu H, Sharp GC, Salzberg B, Kaeli D, Shirato H, et al.
  • 雑誌名: Phys Med Biol. 49(23) ページ: 5357-72
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] Future Strategies in Lung Cancer. Advances in Radiation Oncology in Lung Cancer (Ed. Jeremic B) in Medical Radiology : Radiation Oncology (Editors : Brady LW, Heilmann H-P, Mollos M) (2005)
  • 著者名/発表者名: Shirato H, Onimaru, R, Fujino M, Onishi H.
  • 総ページ数: 435-445
  • 出版者: Stereotactic radiotherapy and gated therapy.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 「研究成果報告書概要(和文)」より (2005)
  • 発明者名: 白土博樹, 但野 茂, 高尾 聖
  • 権利者名: 北海道大学
  • 産業財産権番号: 特許出願 2005-38772号
  • 出願年月日: 2005-02-16