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量子医科学研究所

照射システム開発グループ

掲載日：2024年5月24日更新
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照射システムの維持管理および高度化に関する研究開発

治療室に入ると治療台と重粒子が出射するノズルが見えます。しかし、そのノズルの上流側には治療に必要なビームを生成する様々な照射機器が存在し、また、それらを制御する計算機なども存在します。加速器を除くこれらの機器、制御装置などを照射システムと呼んでいます。照射システム開発グループでは、治療を円滑かつ安全に運用するための維持管理の中心的役割を担い、臨床運用に寄与しています。そして、この維持管理を遂行する中で見えてくる課題の克服や将来に向けた照射システムの高度化、さらにはビームの品質管理に関する高度化に関する研究開発などに取り組んでいます。いくつかの取組を以下で紹介します。

マルチイオン治療の臨床運用に向けた取り組み

QSTでは、2023年11-12月に世界初となるマルチイオンを用いた重粒子線がん治療を開始しました。（https://www.qst.go.jp/site/press/20240315.html）QSTではこれまで炭素線のみを治療に用いていましたが、マルチイオン治療ではこれまで治療に用いなかった粒子（ヘリウム、酸素、ネオン）も使用し、最適な治療ビームを照射します。本治療の実現のため、物理工学部の他のグループやQST病院と協力、連携し、品質保証のためのLET検出器の開発やQAの効率化に取り組んでいます。

マイクロサージェリー実現に向けた研究

重粒子線治療の適応拡大を図るため、QSTでは様々な研究開発に取り組んでいます。次世代重粒子線治療研究プロジェクト（https://www.qst.go.jp/site/qst-kakushin/39695.html）では、良性腫瘍や網膜の加齢黄斑変性症、脳動脈瘤などの血管性疾患、てんかんなどの神経疾患への適応拡大を目指しており、それらの治療に必要な極小ビーム（直径数mm以下）を形成する手法やその品質管理方法などに関連する研究開発を進めています。

マイクロサージェリー・ポートのイメージ

マイクロサージェリー照射ポートの概念図

通常の照射法ではスキャニング電磁石を用いて照射ターゲット（腫瘍）に合わせた照射野を形成しますが、マイクロサージェリーでは微小ターゲットへの照射を行うため、収束電磁石やコリメータを用いてビームサイズを絞ります。

粒子線治療で発生する二次中性子、放射化に関する研究

陽子線や重粒子線を用いた放射線治療（粒子線治療）では、高速に加速した荷電粒子を治療に用いるため、照射機器や患者と荷電粒子の原子核反応で生成される二次中性子による患者の被ばくや機器の放射化が懸念されていました。放射線診療で受ける患者の被ばく（医療被ばく）は、被ばくによる「リスク」と医療による「便益」のバランスを考えること非常に重要です。照射システム開発グループでは、その検討を行うために必要な基礎データを実験やシミュレーション計算によって、明らかにすると共に、他の放射線治療との被ばく線量、二次がんリスクの比較をすることにより、重粒子線治療の普及拡大に貢献してきました。これらの取組は、照射システム開発には関連しないようにも思いますが、医療機器開発において安全性担保は必須の項目であり、また、治療運用中や使用終了後に発生する廃棄物の評価は治療装置の導入検討に大きく影響します。

炭素線とX線を用いた強度変調放射線治療とで比較した患者被ばく線量のグラフ

炭素線治療中で生成する二次中性子を含む患者の被ばく線量とX線を用いた強度変調放射線治療（IMRT）で発生する被ばく線量の比較

米国医学物理学会から報告されているIMRTの下限値に比べ、重粒子線治療の患者の被ばく線量は低いことを明らかにしています。重粒子線治療は、治療効果が高いだけではなく、被ばく線量も低い治療法であるということができます。QST病院で実施されたレトロスペクティヴな調査においても、重粒子線治療後の二次がん発生リスクはX線治療より低いと報告しています。（https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/30885458/）

メンバー

白衣を着た男性

米内 俊祐 グループリーダー

  • 熊谷 忠房 主幹技術員
  • 武居 秀行 主任研究員
  • 青木 勝海 博士研究員

併任メンバー

  • 福田 茂一 室長（QST病院 放射線品質管理室）
  • 水野 秀之 上席研究員（QST病院 放射線品質管理室）

主要論文

  1. T. Furuta, Y.Koba, S. Hashimoto, W. Chang, S. Yonai, S. Matsumoto, A. Ishikawa, T. Sato, “Development of the DICOM-based Monte Carlo dose reconstruction system for a retrospective study on the secondary cancer risk in carbon ion radiotherapy,” Physics in Medicine and Biology, 67(14), 1-15 (2022).
  2. S. Lee, K. Mizushima, S. Yonai, S. Matsumoto, H. Mizuno, T. Nakaji, R. kohno, Y. Iwata, T. Shirai, V. Pan, A. Kok, M. Povoli, L. Tran, A. Rosenfeld, M. Suzuki, and T. Inaniwa, “Predicting the Biological Effects of Human Salivary Gland Tumour Cells for Scanned 4He-, 12C-, 16O-, and 20Ne-Ion Beams Using an SOI Microdosimeter,” Applied Sciences, 12(12), 6148 (2022).
  3. W. Chang, Y. Koba, T. Furuta, S. Yonai, S. Hashimoto, S Matsumoto, T. Sato, “Technical Note: Validation of a material assignment method for a retrospective study of carbon-ion radiotherapy using Monte Carlo simulation,” Journal of Radiation Research, 62(5), 846–855 (2021). 
  4. S. Matsumoto and S. Yonai, Evaluation of neutron ambient dose equivalent in intensity-modulated composite particle therapy, Radiat Prot Dosimetry.193(2), 90-95, 2021. 
  5. S. Yonai and S. Matsumoto, Secondary Neutron Dose in Carbon-ion Radiotherapy: Investigations in QST–NIRS. Journal of Radiation Protection and Research, 46(2), 39–47, 2021. (review)
  6. S. H. Lee, K. Mizushima, R. Kohno, Y. Iwata, S. Yonai, T. Shirai, V. A Pan, D. Bolst, L. T. Tran, A. B. Rosenfeld, M. Suzuki and T. Inaniwa, “Estimating the biological effects of helium, carbon, oxygen, and neon ion beams using 3D silicon microdosimeters,” Physics in Medicine and Biology 66.4 (2021): 045017.
  7. S. Matsumoto, S. H. Lee, R. Imai, T. Inaniwa, N. Matsufuji, M. Fukahori, R. Kohno, S. Yonai, N. Okonogi, S. Yamada, N. Kanematsu, “Unresectable Chondrosarcomas Treated With Carbon Ion Radiotherapy: Relationship Between Dose-averaged Linear Energy Transfer and Local Recurrence,” Anticancer research, 40(11), 6429 – 6435 (2020).
  8. S. Matsumoto, S. Yonai, “Evaluation of neutron ambient dose equivalent in carbon-ion radiotherapy with energy scanning,” Radiation Protection Dosimetry, 191(3), 310－318 (2020).
  9. S. Yonai, S. Matsumoto, “Monte Carlo study toward the development of a radiation field to simulate secondary neutrons produced in carbon-ion radiotherapy,” Radiation Physics and Chemistry, 172, 108787, (2020).
  10. S. Matsumoto, S. Yonai, W. E. Bolch, “Monte Carlo study of out-of-field exposure in carbon-ion radiotherapy: Organ doses in pediatric brain tumor treatment,” Medical physics, 46(12), 5824 - 5832, (2019).
  11. S. Yonai, N. Matsufuji, K. Akahane, “Monte Carlo study of out-of-field exposure in carbon-ion radiotherapy with a passive beam: organ doses in prostate cancer treatment,” Physica Medica, 51, 48-55 (2018)
  12. S. Yonai, C. Arai, K. Shimoyama, N. Fournier-Bidoz, “Experimental evaluation of dosimetric characterization of gafchromic ebt3 and ebt-xd films for clinical carbon ion beams,” Radiation Protection Dosimetry, 170(1-4), 314-318 (2018)
  13. S. Yonai and V. Spano, "Dose to radiological technologists from induced radionuclides in carbon ion radiotherapy,” Radiation Protection Dosimetry, 170(1-4), 322-325 (2016) 
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