3次元スキャニング照射法と拡大ビーム照射法の違い

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粒子線治療では、以前は「拡大ビーム照射法」が採用されていました。

現在では、「3次元スキャニング照射法」が主流となってきています。

3次元スキャニング照射法」の開発により、治療時間の短縮化につながりました。

そこで、今回は「拡大ビーム照射法」と「3次元スキャニング照射法」の違いに注目してみます。

まずはざっくりイメージ

拡大ビーム照射法3次元スキャニング照射法をとてもシンプルに考えてみると、こんなイメージになると思います。

次の図では、照射に使用された全体量に着目しています。

拡大ビーム照射法のイメージ

まずビームを拡大し、
余分なビームをカット(水色)。

残ったビーム(黄色)を腫瘍に照射します。

 

3次元スキャニング照射法のイメージ

ビームを拡大せず、縦・横、深さ方向に動かして照射します。

カットされる部分がないため、ビームをほぼ100%使用できるようになり、利用効率が向上しました。

 

もう少し詳しく見ていきます。

拡大ビーム照射法

拡大ビーム照射法では、次のように、加速器からのビームを腫瘍よりも大きなサイズに広げ

コリメーターで腫瘍断面の形状に合わせてカットし、
ボーラスで、腫瘍の最も深い部分の形状をつくり、
患者さんに照射していました。

出典:QST

 

これをもう少しわかりやすく図解してみました。

①でビームを拡大し、腫瘍サイズより大きくしています。

次に、コリメータで腫瘍断面と同じ形状にカット、

さらに、ボーラスで深さ方向に腫瘍と同じ大きさになるようにビームをカットしています。

これからわかるように、拡大照射法では、治療の度に、患者さん毎にコリメータとボーラスを作らなければなりませんでした。

治療の経過とともに、腫瘍が小さくなる場合も同様で、日々変化する腫瘍の形や位置に対応するには、コストと時間がかかりました。

 

このほか、患部を覆うように照射されるため、

上の図の赤色部分のように正常組織への照射が避けられず複雑な形状の腫瘍への照射は難しい、という問題もありました。

そこで開発されたのが、「3次元スキャニング照射法」です。

 

3次元スキャニング照射法

3次元スキャニング照射法は、細いビームのまま、患部を塗りつぶすように照射する方法です。

腫瘍をスライスし、スライス平面上を塗りつぶした後、

手前のスライス平面を塗りつぶす工程を繰り返します。

 

出典:QST

こちらもわかりやすく図解してみました。

「3次元」からわかるように、X軸、Y軸、Z軸が登場します。

まず、上のように、腫瘍をスライスした後、

スキャニング電磁石がX軸、Y軸方向にビームを走査することで、スライス平面を塗りつぶしていきます。この時、ビームはXY軸に対して垂直になっています。

上の図では、赤丸がビームが照射された部分、白丸はまだ照射されていないことを示しています。

 

下のように、1つのスライス平面の照射が終わると、手前に移動し、次のスライス平面を照射していきます。

1つのスライス平面の照射が終わると、手前のスライス平面へ移りますが、この時、レンジシフタ(緑色)というアクリル製のエネルギー吸収材を使って深さ方向を調節します。

この繰り返しで、腫瘍を塗りつぶすように照射していきます。

もう少し立体的に図解したのがこちら。

 

動画はこちらから。

 

腫瘍の形に合わせて照射するため、拡大ビーム照射法では難しかった、複雑な形の病巣も照射できるようになり、

正常組織への照射を減らすことで、副作用軽減にもつながりました。

また、ビームを一旦拡大させて、必要な大きさにカットする工程がなくなったため、

コリメータとボーラスが不要になりました。

このため、日々変化する腫瘍の形や位置に対応可能となり、治療時間が短縮されました。

 

3次元スキャニング照射法のまとめ

3次元スキャニング照射法の特徴をまとめてみました。

  • 複雑な形状の腫瘍に対応できるようになった
  • 正常組織への被ばくが軽減した
  • 治療時間が短縮化された
  • コストが削減した(ボーラス、コリメータが不要)
  • ビームの利用効率が向上した

しかし、呼吸によって動く臓器に照射すると、ビーム照射中に標的部位が移動し、異なる位置を照射してしまうという問題があり、呼吸により動く臓器は治療できないのが課題でした。現在では動く臓器への照射も可能となっています。こちらについてはまた別の機会に触れたいと思います。

<参考>

Isotope News 2018.2 「重粒子線がん治療装置の小型化研究ー普及への展望ー」古川卓司
医学のあゆみ Vol.252 No.3 2015.1.17 p245
放医研ニュースNo.124 「次世代重粒子線照射システムの開発研究」

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