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論文

Validation of the physical and RBE-weighted dose estimator based on PHITS coupled with a microdosimetric kinetic model for proton therapy

高田 健太*; 佐藤 達彦; 熊田 博明*; 纐纈 純一*; 武居 秀行*; 櫻井 英幸*; 榮 武二*

Journal of Radiation Research, 59(1), p.91 - 99, 2018/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:25.56(Biology)

陽子線や炭素線治療などの治療計画では、物理線量のみならず生物学的効果比(RBE)を考慮したRBE加重線量を評価する必要がある。本研究では、粒子・重イオン輸送計算コードPHITSとマイクロドジメトリ運動学モデル(MKM)を組み合わせたRBE加重線量計算手法の精度検証を陽子線治療に対して実施した。その目的のため、筑波大学陽子線治療センターのビームラインを詳細に模擬した幾何形状をPHITS内で構築し、155MeV陽子の単色ビームと拡大ブラッグピーク(SOBP)ビームに対する物理線量及びRBE加重線量を計算した。計算値と過去における測定値を比較した結果、物理線量及びRBE加重線量に対して最大でそれぞれ3.2%及び15%程度の過大評価が見られるものの、両者は概ねよく一致することが分かった。この成果により、PHITSとMKMを組み合わせたRBE加重線量計算手法が陽子線治療に対しても十分な精度を有することが実証され、様々な放射線治療法の治療計画において本手法が有用となることが示された。

論文

Multistep lattice-voxel method utilizing lattice function for Monte-Carlo treatment planning with pixel based voxel model

熊田 博明*; 斎藤 公明; 中村 剛実; 榮 武二*; 櫻井 英幸*; 松村 明*; 小野 公二*

Proceedings of 14th International Congress on Neutron Capture Therapy (ICNCT-14) (CD-ROM), p.238 - 241, 2010/10

In treatment planning for BNCT, Monte-Carlo method for the dose calculation is being generally applied. For JCDS-FX as a new treatment planning system, PHITS, a multi-purpose Monte-Carlo code has been employed to dose calculation. For the dose calculation for a human body, JCDS-FX can make a precise voxel model consisting of pixel based voxel cells like 0.4$$times$$0.4$$times$$2.0 mm$$^{3}$$ voxel in order to perform high-accuracy dose estimation. However, the miniaturization of the voxel size causes calculation time to increase. The aim of this study is to investigate sophisticated modeling method which can perform Monte-Carlo calculation for human geometry efficiently. Thus, we devised a new voxel modeling method "Multistep lattice-voxel method" which can configure a voxel model that combines different voxel sizes by utilizing the lattice function over and over. To verify the performance of the calculation with the modeling method, several calculations for human geometry were carried out. The verification results demonstrated that the Multistep lattice-voxel method enabled the precise voxel model to reduce calculation time substantially while keeping the high-accuracy dose estimation.

論文

Basic characteristics of a newly developed Si/CdTe Compton camera for medical imaging

河地 有木; 渡邉 茂樹; 佐藤 隆博; 荒川 和夫; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 青野 博之*; 渡辺 伸*; 山口 充孝*; 高橋 忠幸*; et al.

2008 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record (CD-ROM), p.1540 - 1543, 2008/10

The Compton camera is a very promising medical imaging system when we consider multiple radionuclide imaging and its sensitivity, portability and compactness. We have developed a Compton camera by using Si and CdTe semiconductors for medical imaging. The prototype Compton camera head consists of a double-sided Si strip detector (DSSD) module as the scatter detector and four layered 16 CdTe pixel detector modules as the absorber detector. The DSSD has an area of 2.56$$times$$2.56 cm, a thickness of 500 $$mu$$m and a strip pitch of 400 $$mu$$m. The CdTe pixel detector has an area of 1.35$$times$$1.35 cm, a thickness of 500 $$mu$$m and a pixel size of 1.35 mm$$^{2}$$. The high-energy resolution detectors (DSSD: $$Delta$$E/E$$sim$$2.5%, CdTe: $$Delta$$E/E$$sim$$1%) enable detect the Compton scatter events of the incident $$gamma$$-rays, in consequence image radioactive multi-nuclide tracer. We evaluated distributions of sensitivity and spatial resolution, and rat study was performed with three tracers ($$^{111}$$In, $$^{131}$$I, $$^{64}$$Cu) concurrently-administered. As results, lines of point-source data indicated 4 mm spatial resolution in the center of field of view (FOV) in this experimental design, and a characteristic manner of the distributions in the Compton camera FOV was shown. The nuclides in the rat body were distinguished by the $$gamma$$-ray energies, each tracer imaged separately in vivo, and the difference in distribution among the nuclide was visualized successfully.

口頭

大気マイクロPIXEを用いたヒト肺癌細胞内シスプラチンの可視化・定量化の試み

櫻井 英幸*; 岡本 雅彦*; 新 雅子*; 竹内 愛子*; 長谷川 正俊*; 佐藤 隆博; 及川 将一*; 神谷 富裕; 荒川 和夫; 中野 隆史*

no journal, , 

シスプラチンは現在さまざまな種類の癌化学療法においてkey drugとなる薬剤である。癌細胞に取り込まれたシスプラチンを細胞内で可視化,定量化できれば、薬剤の取り込みや核への移行機構、また薬剤耐性などの研究に役立つものと思われる。大気マイクロPIXE(Particle Induced X-Ray Emission)は数MeVに加速したプロトンを試料に照射し、放出される特性X線を検出することにより、試料中に含まれる多くの元素を1$$mu$$mの分解能で解析できる技術である。この技術を用い、ヒト肺癌細胞内のシスプラチンの可視化・定量化を行った結果、標準試料を用いた解析では、試料内のシスプラチン濃度と測定されたPtカウント数の間に直線性が認められた。一方、培養細胞試料ではP, K, Clなどの細胞の局在を示す元素のほか、BrdUでラベルした核内Br及び細胞に取り込まれたPtの検出が可能で、シスプラチン接触時間の延長とともに細胞内Pt及び核内Ptのカウント数増加が観察された。これにより、同技術による細胞内におけるPtの可視化及び定量化が可能であることを確認できたが、生物・医学的に重要な意味を持つ極微量領域でのPt検出には、検出感度の向上が必要であることも明らかとなった。

口頭

医用Si/CdTeコンプトンカメラ試作機による複数元素同時撮イメージング

河地 有木; 渡邉 茂樹; 佐藤 隆博; 松橋 信平; 荒川 和夫; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 青野 博文*; 渡辺 伸*; 高橋 忠幸*; et al.

no journal, , 

生体内のさまざまな元素動態を同時に非侵襲的かつ定量的にイメージングする手法は、生命科学に新たな知見を与えることができる。競合する複数分子の同一個体内生理反応システムを多次元的に可視化する、粒子線治療時に照射部位から発生する微量な即発$$gamma$$線などを多角的かつ効率的にモニタリングする、などさまざまな応用研究が期待できる。原子力機構・宇宙航空研究開発機構・群馬大学では、この複数元素同時イメージングを目的とし、高エネルギー分解能を持つ半導体検出器を用いたコンプトンカメラの開発を行っている。今回の試作機は400$$mu$$mピッチのDouble-sided Si Strip Detector(DSSD)と4層の1.35mm$$^{2}$$のピクセルサイズを持つCdTe Detectorに低ノイズアナログASICを組合せて構築した、Si/CdTeコンプトンカメラである。この試作機を用いて、ファントム撮像によるコンプトンカメラ基礎特性評価データを取得し、エネルギーの異なる3核種(511keV: $$^{64}$$Cu, 364keV: $$^{131}$$I, 254keV: $$^{111}$$In)を用いたイメージング実験を行った。その結果、生体内複数核種トレーサの同時イメージングに成功し、またコンプトンカメラの特性である独特な感度分布及び分解能分布、120度以上という広視野角が明確になった。これは装置・RI・画像解析といった実験条件の最適化を容易にし、今後予定している次世代医用コンプトンカメラの開発に向けた基本設計に非常に有用な基礎データである。

口頭

大気マイクロPIXEを用いた肺組織内微量元素の解析

岡本 雅彦*; 櫻井 英幸*; 新 雅子*; 長谷川 正俊*; 及川 将一*; 佐藤 隆博; 神谷 富裕; 荒川 和夫; 中野 隆史*

no journal, , 

炭化タングステンとコバルトを混合して焼結した超硬金属粉末の吸入による慢性間質性肺炎(超硬金属肺と呼ばれている)の診断を確定するために、大気マイクロPIXEで原発性肺癌患者の組織を調べた。その結果、Ti, Al, Fe, Ni, Cr, Wなどの吸入超硬金属由来の各種金属粉が肺内に残存している状況を元素の2次元分布として測定することに成功した。

口頭

大気マイクロPIXEによる腫瘍細胞死の検討

長谷川 正俊*; 櫻井 英幸*; 新 雅子*; 岡本 雅彦*; 石内 勝吾*; 浅川 勇雄*; 玉本 哲郎*; 大野 達也*; 及川 将一*; 神谷 富裕; et al.

no journal, , 

本研究は、組織レベルを基準にして、種々の方法による腫瘍細胞死の検索結果とPIXE法を比較したもので、ヌードマウスに移植した可移植性ヒト腫瘍とマウス正常細胞を用いて調べた。その結果、主要成分については、他の方法との優位性は認められなかったが、大気マイクロPIXE測定ではアポトーシスの高率な試料では元素分布が不均一になること、及び細胞の壊死に一致してP, K, Cl, Sなどの優位な低下を認めた。

口頭

Performance characterization of a prototype Si/CdTe Compton camera

河地 有木; 渡邉 茂樹; 藤巻 秀; 石岡 典子; 佐藤 隆博; 神谷 富裕; 荒川 和夫; 渡辺 伸*; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; et al.

no journal, , 

The Compton camera is a next-generation in vivo imaging system. In order to achieve accurate Compton imaging, it is necessary to develop technologies that can be used to detect the Compton scattering in the camera and estimate the direction of a incoming $$gamma$$-ray produced by a radiation source. These techniques will be different from the methods used in PET and SPECT to detect the $$gamma$$-ray with the coincidence of two points and with the physical collimation. We have developed a prototype Compton camera for in vivo imaging by using semiconductor imaging devices, which has been proved to be successful techniques for the an observation of high-energy astrophysical phenomena. In this camera, double-sided Si strip detectors (DSSDs) serve as scatterers and CdTe pixel detectors serve as absorbers. In this paper, we present some images acquired with the Compton camera; we have also acquired images of radioisotopes in a phantom, which reveal certain characteristic distributions of efficiencies and spatial resolutions.

口頭

Development of Si/CdTe Compton camera for medical imaging

山口 充孝*; 荒川 和夫; 青野 博之*; 石川 真之介*; 神谷 富裕; 河地 有木; 小高 裕和*; 櫻井 英幸*; 佐藤 隆博; 島田 博文*; et al.

no journal, , 

We have developed a prototype of Compton camera using Si/CdTe semiconductors for medical imaging. In a Compton camera, employing the imaging semiconductors as the component of the Compton camera, with their good energy and position resolution, improves angular resolution and hence sensitivity. Moreover, for the supposed energy range of $$gamma$$ rays, from several tens keV to a few MeV, silicon is suitable for the scatter of Compton camera since the photo absorption cross section of Si is small and the Compton cross-section is relatively large because of the small atomic number. On the other hand, CdTe is suitable for the absorbers because of its high photo-absorption efficiency for $$gamma$$ rays of this energy region, due to the large atomic numbers. In this presentation we will summarize the basic principle and performance of the Si/CdTe Compton camera for medical imaging.

口頭

In vivo study of Si/CdTe Compton imaging device

吉田 由香里*; 島田 博文*; 河地 有木; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 青野 博之*; 鈴木 義行*; 櫻井 英幸*; 渡辺 伸*; 山口 充孝*; et al.

no journal, , 

We have developed a prototype Compton camera for medical imaging by using Si/CdTe semiconductor imaging devices. The high detection efficiency for $$gamma$$-rays produced by radiation source in the medical imaging devices will improve quality of diagnostic radiological images using radiopharmaceuticals. The Si/CdTe Compton camera is a next-generation medical imaging device because it has good energy and position resolution, and high detection efficiency for $$gamma$$-rays. Moreover, it can be used not only to detect the $$gamma$$-rays produced by single radiation source, but also to detect the $$gamma$$-rays produced by multiple radiation sources. To evaluate the performance of the Si/CdTe Compton camera for medical imaging, we made an experiment of in vivo by using rat and plural radiopharmaceutical.

口頭

Clinical application of Si/CdTe Compton imaging device

鈴木 義行*; 吉田 由香里*; 島田 博文*; 加藤 弘之*; 櫻井 英幸*; 河地 有木; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 青野 博之*; 渡辺 伸*; et al.

no journal, , 

本研究は、現在開発を進めているSi/CdTeコンプトンカメラの医療への応用について検討したものである。本報告では、これまで開発を進めてきたプロトタイプ機を用い、ラットに投与した3核種($$^{111}$$In, $$^{131}$$I, $$^{64}$$Cu)のイメージング及びファントム実験結果について述べる。さらに、多核種同時イメージングによる新たな診断法及び微小な病変部位の精密診断法について述べるとともに、照射した重粒子イオンの体内位置のリアルタイムモニターによるがん治療の高精度化への期待と今後の臨床利用までの研究計画について述べる。

口頭

医用Si/CdTeコンプトンカメラの空間分解能の評価

山口 充孝; 河地 有木; 渡邉 茂樹; 佐藤 隆博; 荒川 和夫; 小嶋 拓治; 神谷 富裕; 渡辺 伸*; 武田 伸一郎*; 小高 裕和*; et al.

no journal, , 

宇宙$$gamma$$線観測用に開発されたSi/CdTe半導体コンプトンカメラを重粒子線治療に応用するための技術開発を進めている。シリコン(Si)はコンプトン散乱断面積が比較的大きく、テルル化カドミウム(CdTe)は吸収断面積が大きいほか、半導体の中でも特に密度が高いため、コンプトンカメラとして高い検出効率を実現するための理想的な組合せである。エネルギー分解能が高い半導体検出器を用い、信号処理に低ノイズ電子回路を使用することで、高い位置分解能で複数の核種からの$$gamma$$線を同時にイメージングすることができるコンパクトなカメラとなる。今回JAXA/ISASにおいて製作されたSi/CdTeコンプトンカメラの試作機を用い、医学・生物学用に必要な撮像能力についての評価を行った。医学・生物学用途で求められる三次元イメージを取得する能力を評価するため、モンテカルロシミュレーションにより、奥行方向の空間分解能を求め、実際の撮像結果との比較を行った。さらに、マルチヘッド化により空間分解能が改善することをシミュレーションによって再現し、それと実データとを比較した結果についても報告する。

口頭

次世代RIイメージング装置; 半導体コンプトンカメラの開発

河地 有木; 山口 充孝; 佐藤 隆博; 神谷 富裕; 荒川 和夫*; 渡邉 茂樹; 石岡 典子; 武田 伸一郎*; 石川 真之介*; 青野 博之*; et al.

no journal, , 

コンプトンカメラはPET・SPECTに代わりうる次世代の生体内トレーサイメージング装置といえる。しかし、PETの2点間コインシデンス法やSPECTの物理的コリメータによる$$gamma$$線源同定法と異なり、コンプトン散乱事象を精確に検出することで$$gamma$$線の飛来方向を同定するコンプトンカメラ法には、数多くの技術的革新が必要であった。近年日本の研究グループでは、さまざまな工夫によりコンプトンカメラを世界に先駆けて実現してきている。中でもわれわれは群馬大学・宇宙航空研究開発機構とともに、宇宙線観測を可能にする最先端半導体検出器を用いたSi/CdTeコンプトンカメラを、生体内トレーサイメージング装置として利用することを目的とした研究開発を行ってきた。今回、開発したプロトタイプ機を用いて、Si/CdTeコンプトンカメラが持つ撮像性能を評価するための実験を行い、医学・生物学用途で必須となる性能(広い視野角度、連続的広がりを持つ線源の撮像能)を有することを確認できた。今後、取得画像の特性を把握し、画像再構成法や画像の定量化といった実用化に向けた研究開発が必須課題となる。

口頭

茨城BNCT施設用8MeV, 80kW陽子加速器の建設

小林 仁*; 栗原 俊一*; 松本 浩*; 吉岡 正和*; 松本 教之*; 熊田 博明*; 松村 明*; 櫻井 英幸*; 平賀 富士夫*; 鬼柳 善明*; et al.

no journal, , 

ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)装置の建設を進めている。施設名称は茨城中性子先端医療研究センター(仮称)で、茨城県のいばらき量子ビーム研究センターの敷地内(茨城県東海村)に設置される。建物はこの装置に合わせて現在改修が進められている。BNCTは原子炉からの中性子を利用して長年の治療実績が積み重ねられた。病院内に設置できる治療装置として医療側から加速器ベースのBNCT装置の開発が強く望まれている。われわれは"Hospital Friendly"のBNCT装置を目指し、具体的には極力残留放射能の低い施設を目指して加速器のパラメータを選定した。陽子ビームエネルーを8MeVとし、ターゲット材料はベリリウムを選択した。治療時間は短いほど良いが目安となる中性子強度がIAEAから提案されており、それを満たす陽子ビームのパワーは80kW(平均電流で10mA)である。加速器のビームダイナミクスはJ-PARCのフロントエンドをベースとしているがデューティサイクルはJ-PARCより1桁近く大きくなる。このため加速管の水冷、ターゲットの熱除去とブリスタリング対策が重要課題となる。本稿では装置の開発状況を報告する。

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