Technical Note: Validation of a material assignment method for a retrospective study of carbon-ion radiotherapy using Monte Carlo simulation

炭素線治療における遡及的研究のための物質識別手法の検証

Chang, W.*; 古場 裕介*; 古田 琢哉   ; 米内 俊祐*; 橋本 慎太郎  ; 松本 真之介*; 佐藤 達彦   

Chang, W.*; Koba, Yusuke*; Furuta, Takuya; Yonai, Shunsuke*; Hashimoto, Shintaro; Matsumoto, Shinnosuke*; Sato, Tatsuhiko

炭素線治療の治療計画をモンテカルロシミュレーションによって再評価するためのツール開発の一環として二つの重要な手法を考案した。一つは治療計画装置に含まれる校正済みのCT-水阻止能表を反映しつつ、患者CT画像から物質識別を行う手法である。もう一つの手法は、粒子およびエネルギー毎に生体物質と水との阻止能比を考慮し、水等価線量を導出することを目的としたものである。これらの手法の有効性を確認するため、生体物質および水で構成される均質および不均質ファントムに対し、SOBPサイズ8cmの炭素線を400MeV/uで照射するシミュレーションをPHITSで計算し、得られた線量深さ分布を従来の治療計画装置による結果と比較した。その結果、従来の治療計画装置で採用されている生体物質を全て水に置換する手法では、異なる物質において二次粒子の発生率が一次粒子の阻止能に単純に比例するため、二次粒子による線量寄与を評価する上で不適切であることが分かった。一方、各物質の二次粒子の発生率を適切に考慮した新しい手法は炭素線治療の再評価において、重要な役割を果たすことが期待できることが分かった。

With the aim of developing a revaluation tool of treatment plan in carbon-ion radiotherapy using Monte Carlo (MC) simulation, we propose two methods; one is dedicated to identify realistic-tissue materials from a CT image with satisfying the well-calibrated relationship between CT numbers and stopping power ratio (SPR) provided by TPS, and the other is to estimate dose to water considering the particle- and energy-dependent SPR between realistic tissue materials and water. We validated these proposed methods by computing depth dose distribution in homogeneous and heterogeneous phantoms composed of human tissue materials and water irradiated by a 400 MeV/u carbon beam with 8 cm SOBP using a MC simulation code PHITS and comparing with results of conventional treatment planning system (TPS). Our result suggested that use of water as a surrogate of real tissue materials, which is adopted in conventional TPS, is inadequate for dose estimation from secondary particles because their production rates cannot be scaled by SPR of the primary particle in water. We therefore concluded that the proposed methods can play important roles in the reevaluation of the treatment plans in carbon-ion radiotherapy.