3次元スキャニング照射法と拡大ビーム照射法の違い

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

拡大ビーム照射法と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」