学位論文 Doctoral Thesis 強度変調放射線治療におけるフラットパネル検出器を用いた多断面線量分布測定法の開発 (Development of multi-planar dose verification using a flat panel EPID for intensity-mod

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1 熊本大学学術リポジトリ Kumamoto University Repositor Title 強度変調放射線治療におけるフラットパネル検出器を用 いた多断面線量分布測定法の開発 Author(s) 中口, 裕二 Citation Issue date Type URL Thesis or Dissertation Right

2 学位論文 Doctoral Thesis 強度変調放射線治療におけるフラットパネル検出器を用いた多断面線量分布測定法の開発 (Development of multi-planar dose verification using a flat panel EPID for intensity-modulated radiation therapy) 中口裕二 Yuji Nakaguchi 指導教員 荒木不次男教授 熊本大学大学院保健学教育部博士後期課程保健学専攻 2014 年 3 月

3 甲中表紙 学位論文 Doctoral Thesis 論文題名 : 強度変調放射線治療におけるフラットパネル検出器を用いた多断面線量分布測定法の開発 (Development of multi-planar dose verification using a flat panel EPID for intensity-modulated radiation therapy) 著者名 : 中口裕二 ( 単名 ) Yuji Nakaguchi 指導教員名 : 熊本大学大学院保健学教育部博士後期課程保健学専攻荒木不次男教授 審査委員名 : 主査教授村上龍次 副査教授白石順二 副査教授荒木不次男 ( 署名の必要なし ) 2014 年 3 月

4 目次 要旨 博士後期課程在籍中の論文一覧...2 謝辞 略語一覧... 7 第 1 章序論 1.1 本研究の背景 がん治療と強度変調放射線治療 強度変調放射線治療と品質保証 求められる線量検証機器 本研究の概要 本研究の構成 第 2 章 IMRT 線量検証における 2 次元検出器間の精度比較 2.1 緒言 線量検証機器 電離箱線量計とフィルム測定 次元検出器 比較方法 次元検出器の物理特性 次元検出器を用いた IMRT 臨床例による線量検証比較 結果 次元検出器の物理特性 次元検出器を用いた IMRT 臨床例による線量検証比較 考察 次元検出器の物理特性 次元検出器を用いた IMRT 臨床例による線量検証比較 まとめ. 42 第 3 章透過型線量測定器を用いた IMRT 線量検証における精度 3.1 緒言 比較方法 COMPASS のモデリング精度比較...44

5 3.2.2 COMPASS を用いた MLC テストパターン, IMRT 臨床例による線量検証比較 結果および考察 COMPASS のモデリング精度比較 COMPASS を用いた MLC テストパターン, IMRT 臨床例による線量検証比較 まとめ 第 4 章強度変調放射線治療におけるフラットパネル検出器を用いた多断面線量分布測定法の開発 4.1 緒言 EPID での画像取得 EPID 画像からの多断面の線量分布の取得 比較方法 MLC テストパターンによる線量検証 IMRT 臨床例による線量検証比較 結果 MLC テストパターンによる線量検証 IMRT 臨床例による線量検証比較 考察 まとめ 第 5 章結論 5.1 研究成果の概要と結論 IMRT 線量検証における 2 次元検出器間の精度比較 透過型線量測定器を用いた IMRT 線量検証における精度 フラットパネル検出器を用いた多断面線量分布測定法の開発 今後の課題..,..72 参考文献

6 要旨 背景と目的 近年, 線量分布の有意性から強度変調放射治療 (intensity-modulated radiation therapy; IMRT) が普及している.IMRT では計画線量の検証が必要不可欠であり, 一般的に電離箱線量計とフィルムによる測定が用いられる. しかし, 線量検証に多大な労力と時間を要し,IMRT 普及の障害になっている. このような状況で, 様々な 2 次元検出器が使用されているが, 各 2 次元検出器固有の特性をよく理解して使用する必要がある. また, IMRT の普及には簡便で精度の高い線量検証システムが不可欠である. 本研究では, 効率的で測定精度の高い多断面の線量分布測定法の開発を行い, 臨床での有用性を示した. 方法 最初に, 半導体, 電離箱,electric portal imaging device(epid) を用いた 2 次元検出器の線量特性として, 線量直線性, 線量率依存性, 出力線量比の比較を行い, 頭頸部 IMRT の臨床例 10 例を用いて線量検証の精度を比較した. 次に, ビーム入射口に着脱可能な透過型 2 次元電離箱検出器の詳細な線量特性を調べた. 電離箱は検出器サイズが大きく解像度が問題となるため, 格子上の multileaf collimator(mlc) テストパターンや頭頸部 IMRT の臨床例を用いて, 解像度の線量分布への影響を他の 2 次元検出器やモンテカルロシミュレーション (MC) との比較から評価した. さらに, 効率的な線量検証法を目指し,EPID を用いて測定したフルエンスに幾何学的情報, 出力線量比, 散乱カーネル, 絶対線量校正などの物理モデリングを加えることで, 多断面の線量分布を取得する方法を開発し, その線量特性を調べた. また,MLC テストパターンや頭頸部 IMRT の臨床例を用いて, 線量検証の精度を他の 2 次元検出器や MC と比較した. 結果と考察 各 2 次元検出器による線量特性の比較では, 出力線量比で EPID は電離箱線量計に比べて最大約 7% の過大評価となった. 他の 2 次元検出器は 2% 以内で一致した. 臨床例ではガンマ評価で若干差が生じた. これは, 各 2 次元検出器の構造的な特徴に起因する. 透過型 2 次元電離箱検出器では, 検出器の物理的な解像度はフィルムや EPID より低いが,MLC テストパターンや臨床例の線量分布の結果はフィルムや EPID と同等であった. 次に,EPID を用いた多断面線量分布は,MLC テストパターンと臨床例を用いた他の 2 次元検出器や MC との比較において 3% 以内で一致した. 臨床例では, ガンマ評価 (3 mm/3%, 閾値 30%) で 90% 以上のパス率であった. 結論 本研究では,2 次元検出器の特性を明らかにし,EPID で測定したフルエンスを物理モデリングによって吸収線量に変換し,EPID による線量分布測定を可能とした. また, 多断面の線量分布を取得する手法を開発し,EPID による多断面線量測定法を実現した. EPID を用いた IMRT の線量検証は, 多大な労力と時間の低減が期待できる. 1

7 博士後期課程在籍中の論文一覧 筆頭論文計 7 編 6 軸カウチの線量補正に関する検討 中口裕二, 村上龍次, 丸山雅人, 筧清孝, 永末望, 荒木不次男. 日本放射線技術学会雑誌. 2011;67(12): Dose verification of IMRT by use of a COMPASS transmission detector. Nakaguchi Y, Araki F, Maruyama M, Saiga S. Radiol Phys Technol Jan;5(1): IMRT 線量検証における二次元検出器間の精度比較中口裕二, 荒木不次男, 雑賀俊二, 河野友宏, 丸山雅人, 筧清孝, 永末望, 橋田昌弘. 日本放射線技術学会雑誌. 2012;68(4): Image Guided Radiation Therapy における 6 軸位置補正法の検討 中口裕二, 荒木不次男, 河野友宏, 丸山雅人. 日本放射線技術学会雑誌. 2012;68(11): Real-time Position Management System を用いた呼吸同期による肺の体幹部定位放射線治療の品質保証中口裕二, 荒木不次男, 河野友宏, 丸山雅人. 日本放射線技術学会雑誌. 2012;68(11): Development of multi-planar dose verification by use of a flat panel EPID for intensity-modulated radiation therapy. Nakaguchi Y, Araki F, Kouno T, Ono T, Hioki K. Radiol Phys Technol Jan;6(1): 最新の 80 対マルチリーフコリメータの物理特性 中口裕二, 大野剛, 荒木不次男, 丸山雅人. 日本放射線技術学会雑誌 Jul;69(7):

8 共著論文計 10 編 Longitudinal changes over 2 years in parotid glands of patients treated with preoperative 30-Gy irradiation for oral cancer. Tomitaka E, Murakami R, Teshima K, Nomura T, Nakaguchi Y, Nakayama H, Kitajima M, Hirai T, Araki Y, Shinohara M, Yamashita Y. Jpn J Clin Oncol Apr;41(4): Recurrence patterns of glioblastoma treated with postoperative radiation therapy: relationship between extent of resection and progression-free interval. Murakami R, Hirai T, Nakamura H, Furusawa M, Nakaguchi Y, Uetani H, Kitajima M, Yamashita Y. Jpn J Radiol Dec 20. 通常照射法におけるセットアップエラーおよび体型変化が線量分布に及ぼす影響についての検討日本放射線技術学会雑誌辻田直子, 山口沙希, 村上龍次, 服部隆史, 丸山雅人, 中口裕二, 筧清孝, 斉藤哲雄, 手島慶子. 日本放射線技術学会雑誌. 2011;67(12): FDG-PET/CT-based Gross Tumor Volume Contouring for Radiation Therapy Planning: An Experimental Phantom Study. Toya R, Murakami R, Tashiro K, Yoshida M, Sakamoto F, Kawanaka K, Shiraishi S, Nakaguchi Y, Tsujita N, Oya N, Tomiguchi S, Yamashita Y. J Radiat Res (Tokyo) Mar 4. 位置照合用 Cone-beam CT を応用した適応放射線治療の検討丸山雅人, 村上龍次, 中口裕二, 筧清孝, 竹永枝里子, 辻田直子, 大村祐貴, 高田橋司, 横尾崇幸, 斉藤哲雄, 松山知彦. 日本放射線技術学会雑誌. 2012;68(2): Histopathological Changes in Parotid and Submandibular Glands of Patients Treated with Preoperative Chemoradiation Therapy for Oral Cancer. Teshima K, Murakami R, Yoshida R, Nakayama H, Hiraki A, Hirai T, Nakaguchi Y, Tsujita N, Tomitaka E, Furusawa M, Yamashita Y, Shinohara M. J Radiat Res Apr 9. 3

9 Image Guided Radiation Therapy(IGRT) における位置補正精度と患者スループットの装置間比較竹永枝里子, 中口裕二, 丸山雅人, 永末望, 筧清孝, 甲斐祐大, 河野友宏, 佐々木幹治, 橋田昌弘. 日本放射線技術学会雑誌. 2012;68(10): 画像誘導放射線治療における kv-cone beam CT の被ばく線量の評価 河野友宏, 荒木不次男, 中口裕二, 大野剛. 日本放射線技術学会雑誌 Jul;69(7): 複数の治療計画装置を用いた前立腺 IMRT 計画の比較検討佐々木幹治, 生島仁史, 中口裕二, 岸太郎, 木村雅司, 坂東良太, 笈田将皇. 日本放射線技術学会雑誌 Jul;69(7): D evaluation of 3DVH program using BANG3 polymer gel dosimeter. Watanabe Y, Nakaguchi Y. Med Phys Aug;40(8): doi: /

10 本論文の主な内容を構成する論文 IMRT 線量検証における二次元検出器間の精度比較中口裕二, 荒木不次男, 雑賀俊二, 河野友宏, 丸山雅人, 筧清孝, 永末望, 橋田昌弘. 日本放射線技術学会雑誌. 2012;68(4): Dose verification of IMRT by use of a COMPASS transmission detector. Nakaguchi Y, Araki F, Maruyama M, Saiga S. Radiol Phys Technol Jan;5(1): Development of multi-planar dose verification by use of a flat panel EPID for intensity-modulated radiation therapy. Nakaguchi Y, Araki F, Kouno T, Ono T, Hioki K. Radiol Phys Technol Jan;6(1):

11 謝辞本研究を行うにあたり, 終始熱心なるご指導とご鞭撻を賜りました熊本大学医学部保健学科荒木不次男教授に心から御礼申し上げます. また, 今回の実験を行わせていただいき, 小生の博士号取得を援助していただいた熊本大学医学部附属病院のスタッフの方々をはじめ, 本研究に協力いただいたすべての皆様に深謝いたします. 6

12 略語一覧 MC monte carlo simulation モンテカルロシミュレーション IMRT intensity modulated radiation therapy 強度変調放射線治療 MLC multileaf collimator マルチリーフコリメータ TPS treatment planning system 放射線治療計画装置 3D-CRT three-dimensional conformal radiation therapy 3 次元原体放射線治療 QA quality assurance 品質保証 QC quality control 品質管理 SRS stereotactic radiosurgery 定位放射線手術 SRT stereotactic radiation therapy 定位放射線治療 SBRT stereotactic body radiation therapy 体幹部定位放射線治療 IGRT image guided radiation therapy 画像誘導放射線治療 AAPM American association of physicists in medicine 米国医学物理学会 CT computed tomography コンピュータ横断面撮像 DVH dose volume histogram 線量 - 体積ヒストグラム EPID electric portal imaging device MU monitor unit モニターユニット DTA distance to agreement 距離差 asi amorphous silicon アモルファスシリコン CU calibration unit DD dose difference 線量差 Th threshold 閾値 TMR tissue maximum ratio 組織最大線量比 VMAT volumetric modulated arc therapy 回転強度変調放射線治療 SID source-imager-distance 線源検出器間距離 SSD source-surface-distance 線源表面間距離 SAD source-axis-distance 線源回転軸間距離 7

13 第 1 章序論 1.1 本研究の背景 がん治療と強度変調放射線治療 (IMRT) 悪性新生物は,1981 年を境に我が国の死亡原因の第 1 位を占めており, 厚生労働省 人口動態統計月報年計 (1), 図 1-1 によれば,3 大死因とよばれる心疾患や脳血管疾患と比較しても 2 倍以上の死亡数であり,2010 年には 35 万人に達し, 総死亡数の約 30% を占めている. この悪性新生物に対する治療法には手術療法, 放射線治療, 化学療法などがあり, 放射線治療は, がん治療の大きな柱となっている. わが国における放射線治療患者数の推移は急激に増加する傾向にあり, 日本放射線腫瘍学会構造調査 2009(2), 図 1-2 によれば, この 10 年間で, 全国の放射線治療施行症例数は, 実患者数にして, 年間 12 万人から 24 万人への増倍が報告されている. 図 1-1 主な死因の死亡数 死亡率 ( 人口 10 万対 ). 8

14 図 1-2 日本における放射線治療施行患者数の現状と将来推定. また, 患者数の増倍の背景には, 下記の要因が考えられる. (1) 高齢化によるがんの罹患患者数自体の増加 (2) がんの予後向上に伴う複数回治療患者の増加 (3) がん診断の向上による放射線治療の対象となりやすい早期がんの増加 (4) 高齢化による手術不適応がん患者の増加 (5) がん治療法の選択肢増加に対する患者自身による要求 (6) 集学治療の普及 (7) がん治療後の機能形態温存の重視 (8) がん治療の低侵襲性の重視 (9) 医療経済への関心の高まり以上の因子が複合的に寄与して, 爆発的な放射線治療患者の増加が起こっていると考えられている. この増大する放射線治療患者に対応して, 直線加速器 ( リニアック ), マルチリーフ 9

15 コリメータ (multileaf collimator; MLC), 放射線治療計画装置 (treatment planning system; TPS) の線量計算精度, 最適化計算精度などの向上により, 高精度放射線治療といわれる強度変調放射線治療法 (intensity modulated radiation therapy; IMRT) が普及してきている.IMRT では, 一般的な TPS を用いた 3 次元放射線治療 (three-dimensional conformal radiation therapy; 3D-CRT) と比較し, 病巣に対する線量分布の集中性を確保しつつ, リスク臓器の保護が可能であり, 従来の照射法に比べ, 理想的な線量分布での治療が可能である (3-8), 図 1-3,1-4 にそれぞれ示すように, ターゲットの形状が不整形で複雑な場合, 従来法の放射線照射法では, 腫瘍周囲の正常組織や臓器にも腫瘍と同じ線量が照射されてしまい, 腫瘍制御率を高率に維持しながら合併症を低く抑えることが困難であった.IMRT は, 腫瘍のみに放射線を集中して照射できる革新的な照射技術であり, これにより合併症を軽減しながら根治性を高めるといった従来では実現不可能であった放射線治療を可能とした. 治療線量域 従来の放射線治療 (3D-CRT) 強度変調放射線治療 (IMRT) 図 1-3 従来の放射線治療と IMRT. IMRT では, 各ビームにおいて同一ビーム内で線量強度の変調を行っている. 各門の合 算では, ターゲットの形に合わせた線量分布が形成可能である. 10

16 3D-CRT IMRT 図 1-4 前立腺がんに対する従来の放射線治療 (3D-CRT) と IMRT( 臨床例 ). 標的以外の部位の線量, とくにリスク臓器の直腸線量が IMRT で 3D-CRT より低くなる. IMRT は, 強度変調放射線治療における物理 技術的ガイドライン 2011(9) では下記のように定義されている. IMRT とは, リスク臓器等に近接する標的への限局的な照射において, 空間的 時間的に強度変調を施した線束を利用し, 逆方向治療計画にてリスク臓器等を避けながら標的形状と一致した最適な三次元線量分布を作成し治療する照射療法 と定義する. ただし,IMRT 照射技術の多様化に対応し, 以下の照射方法を用いて照射した場合とする. (1)3 種以上の強度変調を施した線束を利用し,3 方向以上の照射角度から照射する. (2) 強度変調を施した線束を利用し, 運動しながら照射する. (3) 照射中心を持たない多数のナロービームを利用して, 強度変調を行い集光的に照射する また,IMRT の種類には (1) 物理的補償フィルターを用いた方法 (2)MLC を用いた方法 (3) バイナリーコリメータを用いた方法 (4) ロボット型治療装置を用いた方法などがあり, 治療成績の向上が多数報告 (3-8) されている. 本邦では,(2)MLC を用いた方法が多くの施設で行われており, 本論文で取り扱う IMRT も全て,(2)MLC を用いた方法での IMRT である. 11

17 1.1.2 強度変調放射線治療と品質保証放射線治療には, 品質保証, 管理 (quality assurance, quality control; QA/QC) が必須である. 適正な線量を適正な照射位置に投与するには, 治療機器, 治療手順の適正な QA/QC が必要となる. 放射線治療は,90 年代からコンピュータの発展とともに技術革新が進み,IMRT, 定位放射線治療 (stereotactic radiosurgery,stereotactic body radiation therapy;srs/sbrt), 画像誘導放射線治療 (image guided radiation therapy; IGRT) を代表とする高精度放射線治療が可能となってきた. 一方で, 放射線治療は, コンピュータ制御の依存度が高まり, 各過程のブラックボックス化 複雑化が顕著な状況である. このような高精度放射線治療を取り巻く状況の中で安全を担保するために, 精度管理に課せられる責務は大きい. 新しい技術に対するリスク対策, 複雑化する医療の中でチーム医療としての連携, 常に変化する放射線治療に対しての柔軟な対応と論理的な考察が求められる 年に, 米国医学物理学会 (American Association of Physicists in Medicine; AAPM) から, 包括的な放射線治療装置の精度管理に関するガイドライン,Task Group 40(TG-40) が刊行された (10). しかし,TG-40 発刊当時は,IMRT SBRT IGRT などの技術は存在せず対応していない. 長年, 新しく開発される IMRT SBRT IGRT などの新技術の精度管理は, 施設独自で対応するしかない状態であった.2009 年には TG-142(11) が刊行され, 精度管理項目と許容値が照射技術別に整理され, より詳細で具体的なガイドラインとなった. しかし,TG-142 も体系的にまとめられたガイドラインであるため, 各施設の状況に対応した具体的な精度管理法については記載されていない. そのため, 品質管理担当者を中心としたスタッフの尽力により, 各施設において, 各施設の責任のもと精度管理法が構築されているのが現状で,IMRT の QA のみならず, 一般的な外部放射線治療の QA/QC でさえ, 時間的, 技術的, 人員配置の問題で十分に遂行できていないのが現状である. IMRT に関しては, これらのガイドラインをもとに QA を行ったとしても不十分で, IMRT 用に QA を行うことが推奨されている.IMRT の QA は多岐にわたり, 実施すべき項目として, 強度変調放射線治療における物理 技術的ガイドライン 2011(9) では下記の項目, 内容を示している. 新規に放射線治療器を導入する施設の場合 1 納入業者との IMRT システムの受け入れ試験の実施 2 治療装置, 治療計画装置の通常治療のためのコミッショニング (QA/QC のための基準値の取得, 基本ビームデータの取得, 治療計画装置への登録, ビームモデリング, 線量検証 ) 3 MLC などの強度変調を施す機器に関する治療計画装置に登録すべきデータの取得と検証 12

18 既に IMRT 実施可能なシステムを導入している施設で実施すべき事項 1 治療装置の機器的特性の再コミッショニング 2 治療計画装置に登録してある基本ビームデータ,MLC に関する登録データの再コミッショニング 3 MLC などの強度変調を施す機器に関する治療計画装置に登録すべきデータの取得と検証 さらに, 技術面で下記の項目の整備が必要としている. 1 IMRT 治療計画の習得 2 IMRT 線量検証法の確立 3 IMRT 実施のための QA/QC 体制の構築 ( 役割, 責任分担の確認, 実施頻度の設定 ) 4 IMRT 実施のための施設独自の QA ガイドラインや QC マニュアル等の整備 特に2IMRT 線量検証法の確立は重要で, 患者毎に行う必要がある. 患者に対し最適化した線量分布を直接測定することは不可能であるために, 物理ファントムなどを用いて間接的な線量検証を行う (12). 測定方法としては, 電離箱線量計によるポイント測定とフィルムによる 2 次元測定を組み合わせて, 投与線量と線量分布の妥当性を評価する. IMRT の線量検証とは,IMRT 治療計画の計算線量と測定線量が許容範囲内で一致することを確認, 検証する行為である. 線量検証は, 評価点線量検証と線量分布検証に分類される (3, 5). 評価点線量検証では, 絶対線量での評価可能な検出器を用いて評価点の吸収線量が許容範囲内で一致していることを確認する. 評価点とは照射される領域内の任意の点を指し, 実際に検証, 測定を行う点である. 線量分布検証では, 相対線量 ( 可能であれば絶対線量 ) を評価可能な検出器を用いて, 任意の評価面の吸収線量が許容範囲内で一致することを 3 次元的に確認する. また, 線量検証は照射方法の違いで全門検証と各門検証に分類される (5). 全門検証では, 実際に患者に照射する状態で実施する. 各門検証では, 患者照射条件のガントリ角度 ( コリメータ角度も含む場合もある ) を 0 度として, 各門毎に実施する. 全門検証は, 標的やリスク臓器の線量評価が可能であり, ホットスポット, コールドスポットの有無の確認ができるが, 総合的な評価であるため, 誤差が確認された場合, その原因の特定が難しい. 各門検証は, ファントム表面に対して線束が垂直入射するため計算精度, 測定精度ともに向上するが, ガントリ角度に依存して生じる線量誤差を検出できないなどの欠点がある. 推奨される線量検証は, 電離箱線量計を用いた評価点線量検証とフィルムを用いた線 13

19 量分布検証である. これらの測定器を用いた場合の線量検証項目を表 1-1 に示す. 理想的には全ての測定を行うが, 人員, 時間的制約等により, 検証項目を省略する場合は施設の IMRT 品質管理担当者 ( 医学物理士や放射線治療品質管理士など ) を中心に放射線治療部門内での議論の上, 承認された場合のみ容認される. 表 1-1 IMRT 線量検証項目 ガイドライン推奨 (9) 十分な検討のもと省略可 (9) 線量検証時の一般的注意事項としては,IMRT の治療計画は照射条件 (monitor unit: MU 値, 線量率, 幾何学的条件など ) が変わることにより低 MU 値の照射精度,MLC 動作精度, 幾何学的位置精度へ影響があるため (6-8), 線量検証は実際に患者に照射する条件で検証する必要がある. また, 治療計画時と同様に線量検証においても治療寝台による放射線の減弱に注意する必要がある. 次に, 各測定における注意事項を記す. 1 電離箱線量計によるポイント測定評価点線量検証では, 複数の評価点を測定することが望ましい. 評価点は臨床的に線量を確認すべき標的やリスク臓器に対応する点, 治療計画装置の線量計算精度を確認すべき点などを選択する. 評価点線量検証の測定器は電離箱線量計が推奨される. 評価点は可能な限り線量が平坦な領域に設定した上で標準測定法 12(13) に準じて電離電荷から水吸収線量を算出する. 水吸収線量校正定数が与えられていない電離箱線量計やその他の測定器を用いる場合は, 校正された電離箱線量計と比較校正 ( クロスキャリブレーション ) して使用する. 測定器の設置位置精度は,±1 mm 以内であることが求められている. 電離箱線量計は, 電離体積によってファーマ型 ( 約 0.6 cm 3 ), ミニ型 ( 約 0.1 cm 3 ), マイクロ型 ( 約 0.01 cm 3 ) に分類される. ファーマ型では指示値は安定しているが, 電離体積が大きいため線量が平坦な領域を選択することが困難な場合がある. マイクロ型は小型のため平坦領域を選択することが容易であるが, 指示値が小さく, また漏洩電荷の影響が大きい 14

20 ため (14) 取り扱いに注意が必要である. 評価点線量検証では, ファントムに線量計を挿入した状態で撮像した CT 画像を利用する方法を推奨している. 使用するファントムの水等価性を考慮し, ファントムに対する不均質補正を CT 値 - 相対電子濃度変換テーブルを利用して行うか,CT 値を利用せず, ファントムの相対電子濃度を直接入力して行う方法がある. 計算線量の評価は, 電離箱の電離空洞体積を輪郭として抽出し, その平均線量を用いる (15-16). マイクロ型電離箱線量計のように,TPS の計算グリッドと同じようなサイズの場合はこの限りではない. 各電離体積別の電離箱線量計を図 1-5 に示す. (a) (b) 図 1-5 各電離箱線量計 (a) ファーマ形 ( 約 0.6 cm 3 ), (b) ミニ型 ( 約 0.1 cm 3 ) (c) マイクロ型 ( 約 0.01 cm 3 ) (c) 2 フィルムによる 2 次元測定フィルムによる線量分布検証では, 特性曲線を用いてフィルム濃度を線量に変換する. 解析時にフィルム上のアイソセンタ位置を同定できるように, 測定時にフィルムへマーキングを行うなどの処置が推奨される. フィルムとファントム間の空気層が検証結果に 15

21 大きな影響を与えるため, フィルムとファントムは密着させる工夫が必要である (17). 線量分布検証は, フィルムの特性, 現像条件, スキャナの不確かさなどの様々な影響を受けるため, 相対線量による評価が一般的である. 評価の際のノーマライズ点は, 電離箱測定であらかじめ絶対線量の偏差を明らかにしておく必要があり, 高線量領域で, かつ線量勾配が小さい点とする. 担当者間での測定 解析結果のばらつきを小さくするため, 施設ごとにフィルム測定の精度を明確にし, プロトコルを作成する. 現在, フィルムに代わる検出器として多くの 2 次元検出器 ( 電離箱, 半導体など ) が販売されているが, 簡便な半面, 検出器に特有の問題点を持っている. 3 ファントムの選択理想的には, 患者本人での測定であるが, 実際には線量計を人体内に挿入することが難しく, 線量計が挿入可能な物理ファントムで行われている.MLC を用いた IMRT では,MLC の動作の QA が重要であり,MLC の動作による線量分布の変化を精度よく捕えるため, 他の不確定度を無くす必要がある. このため一般的に, 均質ファントムが用いられる.TPS を用いて, 患者の線量分布を測定可能なファントムに移し, そのファントム上で線量分布を再計算させる. この時に, 線量分布の変化も患者のものと比べて尐ない必要があり, 患者に近い形状のファントムが求められる. 測定後に, 線量が TPS と一致しない場合に, 部位を同定し実際の患者への影響をついて検討する際に重要である. 各 IMRT ファントムを図 1-6 に示す. 図 1-6 各 IMRT 用ファントム 16

22 1.1.3 求められる線量検証機器 2008 年に IMRT の保険収載が可能となり, 従来法での照射に比べ高い保険点数が認められた. さらに,2009 年には IMRT の保険適応が拡大され, どの部位であっても固形がんに対して保険適応が認められた. これに伴って,2004 年の段階では,IMRT 実施施設は十数施設であったが, 現在では数十施設に拡大している. 施行部位も, 当初頭頸部, 前立腺に限られていたが, 現在ではその線量分布の有意性から, あらゆる部位で施行されている. 放射線治療患者の増大と重なり,IMRT 患者はさらに増加している. また, 本邦における IMRT も発展し, 導入段階から普及の段階に入ってきて, より厳しい線量制約で計画を行うようになってきた. これに伴い, より厳しい精度での IMRT の線量検証による QA が求められている. このような状況下で, 従来法である電離箱線量計とフィルムによる線量検証法では対応が難しくなっており,2 次元検出器の開発, 普及が進んでいるものの,2 次元検出器も検出器毎に特性を持っており, 解像度や線量特性の面でフィルムに代わる 2 次元検出器が存在しない. 本邦で求められる線量検証機器の条件を次に示す. 1 患者の線量検証時間の短縮電離箱線量計とフィルムでの線量検証は, 線量測定時間が長くかかり,IMRT 普及の障害となっている. 特に, フィルムによる測定は現像処理, 読取り, 解析と過程が複雑で線量検証時間を長くしている. さらに, 本邦では, フィルムレス化が進んでおりフィルムを使用することが困難になっている. 図 1-7 にフィルム測定の過程を示す. また, 図 1-8 にフィルム測定と他の検出器との線量検証時間の比較を示す. 2 正確な線量測定フィルム測定はエネルギー, 測定深, 入射角度, 線量率などに対する感度依存性を持っており (18), 正確な測定には経験が必要である. また, 各 2 次元検出器も検出器の種類によって, エネルギー, 線量率, 入射角度に感度依存性がある. したがって, 簡便かつ正確な測定が可能な検出器が望まれる. 3 高解像度検出器 IMRT の線量分布は, 急峻 ( 図 1-9) で複雑なため解像度の高い検出器が必要である. 簡便性を考えると, 従来のフィルム法に代わる同等の高解像度を持った 2 次元検出器の開発が必要である. 4 3 次元線量分布測定治療線量は 3 次元分布 ( 図 1-10) であるが, フィルムや 2 次元検出器では 2 次元の線量分布しか取得できない. 現状では, 多断面での測定や測定断面の方向 ( 横断面, 矢状断面, 冠状断面 ) を組み合わせることで,3 次元線量分布の線量検証を行っている. 理想的には 3 次元測定が可能な検出器が望まれる. 17

23 Hour 図 1-7 フィルムによる線量測定. 照射後, 現像処理, 読取り, 解析と多くの過程を経て測定結果が得られる. 図 1-8 フィルム測定と ArcCHECK との線量検証時間の比較. (ArcCHECK は IMRT 用の 3 次元の半導体検出器である.) 18

24 図 1-9 IMRT の線量プロファイル. 線量の変化が急峻である. この変化を測定できる検出器が必要となる. 図 1-10 IMRT の線量分布の例. 線量分布は本来,3 次元の分布を持っている. 理想的には 3 次元での評価が求められる. 19

25 5 structure 別の線量評価現在の線量検証機器は, 測定範囲全体での線量評価である. 実際には, ターゲット内は高線量, 正常組織は照射を可能な限り避けるため,structure 別に線量の精度を比較することが重要となる.structure 別に評価可能なシステムが望まれる. 6 dose volume histogram(dvh) の評価 DVH( 図 1-11) は, 関心領域 (structure) における線量と体積の関係を示した線量評価法である.TPS では DVH によって投与線量を決定している.IMRT の線量検証の測定結果を DVH で評価出来れば, 計画線量分布と直接な比較 評価が可能である. 図 1-11 IMRT の DVH. 横軸が線量, 縦軸が体積である. Structure 別の体積に対する線量が評価できる. 7 in vivo( モニタリング, 人体 ) での評価現在の線量検証は, ファントムでの評価であり, 実際の治療中に治療ビームを用いた線量検証が出来れば理想的である. そのような機器が開発されれば, モニタリングといった新しい確実な線量検証法が確立される. 20

26 上記の項目が満たされる検出器が開発されれば, 臨床における有用性は高く, 多くの患者が IMRT の恩恵を受けることが可能となる. 現在のフィルムや電離箱線量計を用いた測定では, 上記の条件を満たすのに限界があり, 新たな線量検証機器が次々に開発されている ( 図 1-12). しかしながら, 未だにフィルムや電離箱線量計での測定を行っている施設が多い. これは, いずれの線量検証機器も特性を持っており, 上記の条件を全て満たす検出器が存在しないためである. いずれの線量検証機器も何らかの欠点を持っているのが現状である. 理想の線量検証機器の開発が,IMRT の普及には不可欠である. 図 1-12 線量検証機器の進化. 電離箱測定器とフィルムによる測定から, 正確な測定, 簡便性を求めて 2 次元検出器が開発され, 更に,3 次元測定が可能な 3 次元測定器が登場した. 高精度化する放射線治療は, より正確な線量評価, 評価法を要求し, 各種解析機器, 解析方法が提案されている. 21

27 1.2 本研究の概要近年, 放射線治療においては, 多くの治療部位で高精度放射線治療である IMRT が行われるようになってきた.IMRT では MLC による複雑な照射野の組み合わせで線量投与が行われるために, 計画線量分布の線量検証が必要である. 一般には, 電離箱線量計による絶対線量とフィルムによる線量分布の測定を組み合わせた線量検証が行われている. しかし, 近年の放射線治療患者の増加に伴い, 電離箱線量計とフィルムによる線量検証は, 多大な労力と時間が必要であり, 短時間で効率的な線量検証システムが望まれている. また, フィルム測定では多くの不確定要素が存在 (17, 18) し, 測定精度が問題となる. さらに, わが国では多くの治療施設でフィルムレス化が進んでおり (19), フィルムに代わる線量分布検出器が必要となっている. このような状況において, 近年, 簡便にしかも精度良く測定可能な 2 次元検出器が多く開発され, 普及しつつある.2 次元検出器には, 電離箱, 半導体, フラットパネル型半導体等を用いたものがあり, それぞれの有用性とその特徴が報告されている. しかし, 2 次元検出器による線量測定では, 検出器特有の線量特性が存在するため, 使用する際は検出器の物理特性及び測定精度を検証した上で, 自施設の求める線量検証の方法と精度に最適なものを選択する必要がある. これまで, いろいろな 2 次元検出器を用いた同一治療計画および条件での比較報告がなく, 直接的な比較が出来ていない状況である. そこで, 本研究では,1 現在使用可能な 2 次元検出器の同一治療計画および条件での比較,2 透過型 2 次元検出器を用いた IMRT 線量検証の詳細な検証精度の比較, を行った. さらに, 簡便で線量検証時間の短縮のために効率的な測定法を目指し, リニアックに付属した electronic portal imaging device(epid) を用いて, 測定したフルエンスに幾何学的情報, 出力線量比, 散乱カーネル, 絶対線量校正などの物理モデリングを加えることで,3 多断面の線量分布を取得する方法を開発し, その線量特性を調べ, 臨床使用での有用性を示した. 22

28 1.3 本研究の構成本論文は全 5 章より構成されている. 第 1 章では, 本研究の背景, 本研究の概要, 本論文の構成について述べた. 第 2~4 章では, 著者がこれまで研究してきた内容とその成果をまとめた. 第 2 章では, 現在, 使用可能な各 2 次元検出器の物理特性を測定し, 臨床例を用いて精度を比較した.2 次元検出器は,MapCHECK(Sunnuclear 社製 ),EPID(Varian 社製 ), EPIDose(Sunnuclear 社製 ),COMPASS(IBA 社製 ) を使用し,EDR2 film(kodak 社製 ), Exradin A-14SL ion chamber(0.016 cc, Standard Imaging 社製 ) による測定と比較した. 各 2 次元検出器の種類に応じた特徴を明らかにし, 臨床における精度を示した. 第 3 章では, ビーム入射口に着脱可能な透過型 2 次元電離箱検出器である,COMPASS (IBA 社製 ) の詳細な線量特性を調べた. 電離箱は検出器サイズが大きく解像度が問題となるため, 格子上の MLC テストパターンや頭頸部 IMRT の臨床例を用いて, 解像度の線量分布への影響を他の 2 次元検出器やモンテカルロシミュレーション (MC) との比較から評価した.COMPASS の臨床における線量検証精度を物理的評価と臨床例における評価から詳細に検証した. 第 4 章では, 線量検証時間の短縮, 高解像度の検出器の観点から 2 次元検出器である EPID を用いた線量測定の方法を開発した.EPID での問題点は, フルエンス測定であり, 線量測定ではないことである. そこで,EPID で得たデータをモデリングし, 線量に変換し, さらにモデリングのアルゴリズムを改良することで多断面の線量測定を可能とした. 開発した方法で, 物理評価と臨床例での評価を行った. 第 5 章では, 本研究のまとめと今後の課題について述べる. 23

29 第 2 章 IMRT 線量検証における 2 次元検出器間の精度比較 2.1 緒言近年, 放射線治療においては, 病巣に対する線量分布の集中性とリスク臓器の保護 (20, 21) から, 多くの治療部位で高精度放射線治療である IMRT が行われるようになってきた.IMRT には MLC や補償フィルターを用いた方法があるが, 本邦では MLC を用いた IMRT が多くの施設で行われている.MLC による複雑な照射野の組み合わせで線量投与が行われるために, 計画線量分布の線量検証が必要 (21) である. 一般には, 電離箱線量計による絶対線量とフィルムによる線量分布の測定を組み合わせた線量検証 (21) が行われている. しかし, 近年の放射線治療患者の増加に伴い, 電離箱線量計とフィルムによる線量検証は, 多大な労力と時間が必要であり (21), 短時間で効率的な線量検証システムが望まれている. また, フィルム測定では多くの不確定要素が存在し (22), 測定精度が問題となる. さらに, わが国では多くの治療施設でフィルムレス化が進んでおり (19), フィルムに代わる線量分布測定器が必要となっている. このような状況において, 近年, 簡便にしかも精度良く測定可能な 2 次元検出器が多く開発され, 普及しつつある.2 次元検出器には, 検出器として電離箱 (23, 24), 半導体 (25, 26), フラットパネル型半導体 (27, 28) 等を用いたものがあり, それぞれの有用性とその特徴が報告されている. 2 次元検出器による線量測定では, 検出器特有の線量特性が存在するため (29), 使用する際は検出器の物理特性及び測定精度を検証した上で, 自施設の求める線量検証の方法と精度に最適なものを選択する必要がある. 一般的に,2 次元検出器の測定精度の検証は, 電離箱線量計とフィルムとの比較測定によって行われるが (12),2 次元検出器間の線量検証の精度比較を行った報告は尐なく, 十分な比較が行われていないのが現状である. 実際の使用においては, それぞれの 2 次元検出器の線量特性を考慮して適応する必要がある. これらの 2 次元検出器の線量検証の精度を正確に検証するには, 同一治療計画装置による線量分布について, 同一測定条件で比較する必要がある. 本研究は, 電離箱, 半導体及びフラットパネルからそれぞれ構成された 2 次元検出器について, 従来法である電離箱線量計とフィルムとの比較測定から基本的な線量特性と臨床的な線量評価を行い,IMRT の線量検証における各 2 次元検出器の特徴を明確にすることを目的とした. 24

30 2.2 線量検証機器 電離箱線量計とフィルム測定 1 電離箱線量計による投与線量の検証電離箱による線量測定では, 電離放射線によって生成した電離箱空洞の電荷をブラッグレイの原理 (30) に基づいて吸収線量に変換され, 簡便かつ精度の高い測定を提供する. 構造は,2 つの電極となる金属板によって挟まれ, 空気 ( ガス ) によって満たされた容器からなる. 電極間には電圧が印加されてはいるが, 通常時に電流は流れない. 電離放射線がこの容器内に入ることでガスが電離され, 電子が陽極に, 陽イオンは陰極に移動して電流が流れる. この電流は電位計によって測定される. 今回の検討では,0.016 cm 3 の容量のマイクロ型,A-14SL(Standard Imaging 社製 )( 図 2-1) 電離箱線量計とファーマ型 (0.6 cm 3 ) を用いた. このマイクロ型電離箱は, 当院のリファレンス線量計である PTW cc(ptw 社製 ) と相互校正を行っている. また, 当院のリファレンス線量計は, 本邦の線量標準器と毎年校正されており, 線量トレーサビリティーが確立されている. 図 2-1 電離箱線量計 ( 左 ) と電離箱線量計を配置したファントム ( 右 ). 2フィルムによる測定フィルム測定には EDR2(Kodak 社製 ) を用いた. 測定はアイソセンタ面で行い, 測定深と同じ深さで校正用のフィルム濃度と線量の特性曲線を取得した. 校正用の照射野は 6 6 cm 2 で, 吸収線量は電離箱線量計で測定した.0~500 MU まで 10 ステップで行 25

31 った. フィルムは,DD- システム (R-tech 社製 ) で解析を行った. 測定の際は, フィ ルムを solid water に密着し, ファントム間の隙間が生じないようにした ( 図 2-2). (a) (b) (c) 26

32 (d) (e) 図 2-2 (a) フィルム, (b, c) 照射後に現像したフィルム, (d, e) フィルムを配置し たファントム 次元検出器 2 次元検出器には, 検出器として電離箱 (23, 24), 半導体 (25, 26), フラットパネル型半導体 (27, 28) 等を用いたものがあり, それぞれの有用性とその特徴が報告されている. 下記に今回の検討で用いた 2 次元検出器を示す. 1 透過型 2 次元電離箱検出器 電離箱を用いた 2 次元検出器には COMPASS(IBA 社製 ) を用いた.COMPASS の仕 様を次に示す. 図 2-3 は COMAPSS をリニアックに装着した様子である. COMPASS 検出器 : 透過型平行平板型電離箱検出器サイズ :3.8 mmφ 2 mm 検出器間隔 :6.5 mm( アイソセンタで 1 cm) 検出器数 :1600 個固有ビルドアップ :3.1 mm 水等価 COMPASS を用いた線量検証は, リニアックの照射口に COMPASS を装着して測定し 27

33 た IMRT フルエンス分布を用いて, フルエンス間での比較が可能である. さらに, フルエンスから線量分布を計算することができる. 線量分布計算には, フルエンス分布からファントム内の線量分布計算過程で,COMPASS のビームモデリングが必要となる.TPS とのフルエンス分布や線量分布の比較, ガンマ評価,DVH 解析等を行うことが出来る. COMPASS のワークフォローを図 2-4 に示す. 図 2-3 COMPASS(IBA 社製 ) をリニアック照射口に取り付けた様子. リニアックの照射口のフルエンスを測定することによって線量検証を行う. フルエンス 間での比較, 線量での比較が行える. 28

34 図 2-4 COMPASS のワークフォロー. TPS から DICOM で CT,PLAN,STRUCTURE,DOSE の情報を COMPASS に転送する. COMPASS で照射口のフルエンスが測定される. 2 半導体検出器を用いた 2 次元検出器半導体検出器を用いた 2 次元検出器としては,MapCHECK(Sunnuclear 社製 ) を用いた MapCHECK での測定の様子を図 2-5 に示す. また, 図 2-6 に MapCHECK での線量評価の様子を示す. MapCHECK 検出器 :n 型半導体検出器検出器サイズ :0.8 cm 3 検出器間隔 :1 cm 検出器数 :445 個固有ビルドアップ :2 cm 水等価 29

35 多点測定を行うことによって 2 次元の線量分布測定を行う. 検出器は中心部 cm 2 の領域は 1 cm 間隔で, それ以外は 2 cm 間隔で配置されている. 最大 cm 2 までの照射野が測定可能である. 検出器の上部は水等価厚で 2 cm で構成されており, Solid water を追加することで, 任意の深さの線量が測定可能である. 線量評価は, ガンマ評価と distance to agreement(dta) 評価が可能である. 線量校正は, 基準検出器に対して絶対線量の値を持っており, その基準検出器と他の検出器は相対的な校正値を持っている. 絶対線量での評価が可能である. 図 2-5 MapCHECK(Sunnuclear 社製 ). 445 個の半導体が 2 次元に配置されていて, 多点測定を行うことによって, 線量分布を 測定する. 30

36 図 2-6 MapCHECK での線量分布比較. 上段左が測定値, 右が TPS, 中段がガンマ評価, 下段が線量プロファイルである. 3 フラットパネル型半導体検出器を用いた 2 次元検出器 フラットパネル型半導体検出器として electronic portal imaging device(epid, Varian 社 製 ) を用いた. 検出器 :a-si フォトダイオード検出器サイズ :0.392 mm( マトリックスサイズ ) 検出器数 : 個 ( マトリック数 ) 固有ビルドアップ : 銅板 1 mm EPID は, 銅板 (1 mm), 蛍光体 (0.4 mm),asi(amorphous silicon, 1.5 μm) フォトダイオード, ガラス基板 (1 mm) から構成されている.EPID に入射した MeV-X 線によって銅板から散乱されたコンプトン電子が, 蛍光体を発光させ, その光が a-si フォトダイオードで電気信号に変換されて画像データとして取得される.EPID 検出器の分解 31

37 能は, マトリックスサイズに相当する mm で, 検出器数はマトリックス数の である.EPID の構造を図 2-7 に示す. EPID は, 高い解像度と広いダイナミックレンジを有している. しかも, リニアックに装備されている機器であり, 簡便にセットアップが可能である. データは線量データではなく, 画像データであるため, 線量では評価できない. この画像データは, フルエンスと呼ばれ, ビームの強弱を表し吸収線量とは異なる事が報告されている (27, 28). EPID で測定されたフルエンス分布は,TPS で計算された患者治療計画のフルエンス分布と比較 検証される.EPID での測定の様子を図 2-8 に示す. 図 2-7 EPID の構造. 図 2-8 EPID(Varian 社製 ). EPID はリニアック付属の装置で, セットアップが容易 である. 4 線量変換ソフト EPIDose は MapCHECK に組み込まれているソフトウエアであり,EPID の画像データ ( フルエンス分布 ) は, 測定された幾何学的情報, ビームデータ情報,MapCHECK による線量測定情報をもとに作成した散乱カーネルを用いて吸収線量に変換される. 図 2-9 に,EPIDose によるフルエンスから吸収線量変換の概念図とその変換過程をそれぞれ図 2-10 と図 2-11 に示す. 32

38 図 2-9 EPIDose によるフルエンスから吸収線量変換の概念図. EPID でのフルエンス分布を線量に変換し,TPS の線量と比較する. 図 2-10 EPID フルエンスを吸収線量に変換する過程. 幾何学的情報, 出力線量比, カーネル, 絶対線量情報を用いて変換する. 33

39 表 2-1 に今回使用した 2 次元検出器の物理特性を示す. 各 2 次元検出器間の解像度や検出器数等で違いがある. フィルムに代わる 2 次元検出器としては, 高解像度が必要である.MapCHECK や COMPASS 等の半導体や電離箱線量計では, 解像度や検出器数に限界がある.EPID はフィルムと同等の高解像度である. しかし,EPID はフルエンス測定なので吸収線量に変換する必要がある.EPIDose は EPID のフルエンスを吸収線量に変換するソフトウェアである. 表 2-2 に各 2 次元検出器の特徴を示す. 検証時間は, フィルムが他の検出器に比べて大幅に時間がかかり,EPID が最も簡便に行える. 電離箱線量計と半導体検出器では, 検出器数に限界があり, フィルム,EPID の解像度には及ばない.EPID は吸収線量への変換が必要なのを除けば, 最も理想的な検出器である. 表 次元検出器の物理特性 表 2-2 各 2 次元検出器の特徴. Method Efficiency Detector resolution Detector density Measures dose Film Ion chamber array Diode array EPID 34

40 2.3 比較方法 2 次元検出器の物理特性と臨床例における IMRT の線量検証精度について,Clinac ix(varian 社製 ) リニアックを用いて比較を行った.MLC は Millennium 120 (Varian 社製 ), 使用エネルギーは 6 MV,15 MV,IMRT 照射法は sliding window 法で行った 次元検出器の物理特性物理特性として, 線量直線性, 線量率依存性, 出力係数の測定を行った. 線量直線性は, 照射野 cm 2 で 1~300 MU の範囲で測定を行った.10 MU までは 1 MU ごとに,100 MU までは 10 MU ごとに,100 MU 以降は 50 MU ごとに測定を行った. 線量率依存性では照射野 cm 2 で 200 MU に設定した. 基準検出器には,PTW30013-Farmer 型電離箱 0.6 cc(ptw 社製 ) を使用した. 出力係数の測定では, 照射野 1 1~30 30 cm 2 で行い,5 5 cm 2 未満では Exradin A-14SL 円筒形電離箱 cm(standard 3 Imaging 社製 ) を, それ以上の照射野では PTW30013-Farmer 型電離箱 0.6 cm 3 をそれぞれ使用した. 電位計は,RAMTEC-1000Plus( 東洋メディック社製 ) を用いた. すべての測定は標準測定法 01 (13) にしたがって行った. 測定深は,EPID 以外は 10 cm 深で測定し,tissue maximum ratio(tmr) で最大深線量に変換した.MapCHECK では検出器上部の水等価厚 2 cm に Solid Water RMI-457 ファントム ( 物理密度 ρ=1.046 g/cm 3, 相対電子濃度 ρe=1.018,gammex 社製 ) を 8 cm 厚付加して測定を行った.EPIDose と COMPASS では 10 cm 深の線量を,EPIDose は EPID のデータから COMPASS ではリニアック照射口のフルエンス測定からそれぞれビームモデリングを行って算出した. EPID はファントムなどの散乱体は付加せず, 検出器本体 ( 水等価厚 2 cm) で測定した. EPID では測定単位が calibration unit(cu) であり,1 CU を 1 MU として測定した 次元検出器を用いた IMRT 臨床例による線量検証比較頭頸部領域における IMRT 7 門照射の 10 例について,2 次元検出器の線量検証精度の比較を行った.TPS は Eclipse version 7.5(Varian 社製 ) を用いた.MapCHECK は, 散乱線による基板部の照射を最小限に抑えるために, 付加的に固体ファントムは使用せずに測定した.EPID では, 測定フルエンス分布と TPS 計算フルエンス分布で比較した. EPIDose では,EPID のフルエンス分布を固体ファントム内の線量分布に変換して TPS と比較した. また,COMPASS は通常, 患者の体内の線量分布を評価する目的で使用されるが, 他の検出器と比較条件を同一にするために固体ファントム内で線量分布を計算した. ファントムには Solid Water RMI-457 を使用した.COMPASS では,6 MV でビームモデリングを行い, 照射野は cm 2 の全頸部照射から, cm 2 の局所への追加照射の計画で検証した. 各門での線量検証は合計 70 門であった. 線量分布評価は, アイソセンタ面でのガンマ評価によるパス率で行った. 線量勾配を考慮し, 比較 35

41 的線量勾配の尐ないアイソセンタを評価点とした. また, ガンマ評価の判定基準は distance to agreement(dta): 3 mm, dose difference(dd): 3% で行った. しきい値 (Threshold; Th) は, フィルムの低線量域での不確定性 (17, 18) を考慮し 40% とした. ガンマ解析には, 各 2 次元検出器の付属のソフトウエアを用いた. さらに, 各 2 次元検出器の線量分布は,Exradin A-14SL 円筒形電離箱 cm 3 (standard imaging 社製 ) とフィルム EDR2(Kodak 社製 ) で比較した. なお, 治療計画は診療の過程で過去に得られたデータであり, 個人情報の保護や利益相反の管理を考慮し, 倫理委員会の承認を得て臨床的検討を実施した. 2.4 結果 次元検出器の物理特性図 2-11 に線量直線性を示す. 各検出器は 6 MV,15 M ともに,5 MU 以上で 1% 以内, 5 MU 未満では 2% 以内で電離箱線量計の結果と一致した. 図 2-11 線量直線性,6 MV( 左側 ) と 15 MV( 右側 ). 図 2-12 に線量率依存性を示す. 線量率 100 MU/min で最も大きく,EPID で 1.35%, MapCHECK で 1.2% であった.COMPASS では 0.5%, ファーマ型電離箱線量計では線量 率依存性ほとんどなかった. 36

42 Out put factor Out put factor 図 2-12 線量率依存性,6 MV( 左側 ) と 15 MV( 右側 ). 図 2-13 に出力係数を示す.EPID を除く検出器では, 照射野 1 1 cm 2 以外で 1% 以 内で一致した.EPID は cm 2 の照射野で, 他の検出器に対して約 10% の線量差で あった Ion chamber MapCHECK EPIDose EPID COMPASS Ion chamber MapCHECK EPIDose EPID Size of square field (cm) Size of square field (cm) 図 2-13 出力係数,6 MV( 左側 ) と 15 MV( 右側 ) 37

43 次元検出器を用いた IMRT 臨床例による線量検証比較図 2-14 に IMRT 症例におけるアイソセンタ線量の TPS との差を示す.MapCHECK は中央値で 1.2% の差で TPS と最も一致し, バラツキも小さかった. 電離箱線量計と COMPASS,EPID のバラツキは大きかった. しかし, すべての 2 次元検出器は,EPIDose の 1 例を除き 5% 以内で TPS と一致した. 図 2-15 に臨床例におけるガンマ評価によるパス率を示す. ガンマ評価では,EPIDose のパス率が中央値 99.6% で最もよく, 次いで EPID, COMPASS, MapCHECK の順であった.EDR2 は他の検出器と比べ中央値が低く, バラツキが大きかった. すべての 2 次元検出器のパス率は 97% 以上であった 図 2-14 アイソセンタにおける TPS と各 2 次元検出器の線量差. 38

44 図 2-15 各 2 次元検出器のガンマ評価におけるパス率. ガンマ評価のパス率では, 線量誤差の場所は同定できないため, 図 2-16,2-17 に IMRT 症例におけるガンマ評価マップを示す. 図 2-16 は照射野が cm 2 の臨床例で, TPS に対するすべての 2 次元検出器のパス率は 98% 以上であった. しかし,EPID では MLC リーフ間で過大評価である. 図 2-17 には照射野が cm 2 の臨床例を示す.MapCHECK と EPIDose はよい一致であった.COMPASS は照射野辺縁領域で誤差が大きくなった.EDR2 は低線量域で誤差が見られ,EPID では各門で MLC リーフ間において過大評価であった. 39

45 図 2-16 頸部 IMRT のガンマ評価 ( 照射野 ; cm 2 ). 矢印はエラーを示す. 図 2-17 頸部 IMRT のガンマ評価 ( 照射野 ; cm 2 ). 矢印はエラーを示す. 40

46 2.5 考察 次元検出器の物理特性本研究では, さまざまな種類の検出器で構成された 2 次元検出器の比較検討を行った. 物理特性において,EPID は線量率依存性と出力係数で電離箱線量計と差が生じた ( 図 2-12, 図 2-13). しかし, 臨床例による比較では, 各検出器において, 強度変調放射線治療における物理 物理的ガイドラ 2011(9) に示されている許容値を超えるような差は生じなかった. 線量直線性, 線量率依存性, 出力係数では, これまでの報告 (25, 28, 29) とほぼ一致した. 線量直線性は検出器間の差はなく, 線量率依存性は 15 MV, 100 MU/min,EPID で最大 1.35% であった.100 MU/min の使用頻度, ガイドライン (9) の許容値から臨床上問題となる差ではないが, 検出器の校正を 300 MU/min で行うことによって, 線量率が低線量率側, 高線量率側どちらに変化しても, 最大 0.7% の最小限の差にすることができる. また,COMPASS は電離箱線量計であるため, 各項目で依存性は最も尐なかった. 出力係数は EPID を除いてよく一致した.EPID はフルエンス測定であるため線量評価には適していない 次元検出器を用いた IMRT 臨床例による線量検証比較図 2-14 に示す臨床例における各門のアイソセンタ線量の比較では, 電離箱線量計 (A-14SL) と COMPASS,EPID でバラツキが大きかった. この原因は,COMPASS, 電離箱線量計 (A-14SL) では電離箱の体積効果 (12) が考えられる. この効果を尐なくするために電離体積の小さい電離箱を使用することが奨められている (12). また, EPID はフルエンス測定であるため TPS とのフルエンスでの比較であり, 他の検出器との直接的な線量比較はできない.MapCHECK は, 半導体で検出器サイズが mm 2 と小さく, 体積効果の線量影響がほとんどないのでアイソセンタ線量の評価に適している. しかし, エネルギー, 照射野, 測定深などの測定条件の違いによる依存性には注意が必要である. 図 2-15 におけるパス率の比較では,EDR2 はエネルギー, 照射野, 測定深などの測定条件の違いによる依存性 (22) のためバラツキが大きかった.EPIDose は EPID のフルエンスデータが線量に変換されているので, フィルムに近い分解能で,MapCHECK とほぼ同等な測定精度であった. 図 2-16, 図 2-17 にガンマ評価のマップを示す.MapCHECK は TPS とよく一致するが, 検出器間隔が 1 cm と粗く, 詳細な線量分布測定には適していない. また,COMPASS は大きな照射野の辺縁で誤差が大きく, 電離箱の体積効果によって, 線量変化が大きな場所では誤差が大きくなる.EPIDose は分解能が高く, ダイナミックレンジも大きいことからフィルム以上に低線量から高線量まで精度よく評価でき, 高いパス率が得られた. EPID は MLC リーフ間で TPS とのフルエンス分布の相違が見られるが, これは EPID の 41

47 解像度 mm と TPS の計算グリッド 2.5 mm の違いに起因すると考えられる. しかし,EPIDose では, フルエンスを線量に変換するため, この現象は軽減される. また, 図 2-17 に示す照射野では,EPID の支持体であるアームからの散乱線によって過大評価となる (31).EDR2 での TPS との相違は, 前述の測定条件の違いによる依存性 (22) の影響が考えられる. 各 2 次元測定器では使用前に種々の測定パラメータを設定する必要があり, この設定次第で測定精度が変化する.MapCHECK では, 電気的な不確かさを補正する項目や, TPS と測定値の誤差を正規化する際に, 正規化する場所を決定する基準である VanDyk の基準 (32) の項目などがあり, 各施設で決定する必要がある.COMPASS では, フルエンスを線量変換する過程におけるビームモデリングの精度が重要で, そのためには十分なコミッショニングが必要である (33).EPID においてはエネルギー, 照射野依存性があり (34), 照射野, エネルギーごとに測定による校正および補正が行われている. EPIDose も線量変換の際にビームモデリングが必要で, その精度が線量検証の精度に影響する (28). 各検出器とも, 線量校正やビームモデリングが適正であるかの確認のためにも電離箱線量計とフィルムによる線量比較が必要である. また, 本研究では IMRT の線量検証にガンマ評価のパス率を用いたが, 重要なのは目的とする標的内が正確に照射されていることであり, 単にパス率では表せない. 今回は比較のためパス率を用いたが, 実際の検証に当たっては 2 次元検出器の空間分解能を考慮して, 線量プロファイルの評価などと組み合わせて検討する必要がある 2.6 まとめ本研究では, 臨床で使用可能な 2 次元検出器の測定精度を, 同一治療計画による同一測定条件で比較を行った.2 次元検出器による線量検証精度は, 臨床使用上問題となる相違はなかった. しかし,MapCHECK は検出器容量が小さく, 検出器分解能が優れておりポイント線量の測定に有利であった.IMRT の線量検証以外のプロファイル測定などの検証にも利用可能である. また,COMPASS は電離箱検出器を使用しているため, 線量率, 照射野依存性がなく, 絶対線量の評価に優れている. さらに, 実際の治療中のビームを用いて患者の CT 画像による線量検証が可能であり, 次世代の検証ツールとしても有望である.EPID はリニアック付属の機器で最も効率的な検証が可能であり, 解像度も高く, フィルムに代わる検出器として複雑なプロファイルの測定に利用可能である. ただし, フルエンス分布であり, 線量測定には利用できない.EPIDose は,EPID のフルエンスデータを線量変換することで, 高解像度でダイナミックレンジの大きい線量領域の測定が可能で, 複雑な照射野の IMRT 線量検証に期待できる. 現在, 臨床使用可能な 2 次元検出器は, 各々検出器で特徴を持っており, 全ての要求を満足する機器は存在しない, 目的別に使い分ける必要がある. 42

48 第 3 章透過型線量測定器を用いた IMRT 線量検証における精度 3.1 緒言放射線治療の主な目的は, 適正な線量を標的に確実に投与することである. その一方で, 近隣の正常な組織に与える線量を最小化することである. そのためには,TPS の精度管理は, 放射線治療において重要な項目である. 特に,IMRT や複雑な 3 次元 (3D) 放射線治療において重要である従来から,IMRT における TPS の精度管理は, 電離箱線量計を用いたポイント測定とフィルムを用いた線量分布測定で行われてきた. これらの測定は多くのエビデンスを提供する反面, 測定時間が長く, 多くのエネルギーや線量率に対する依存性が知られており, 時間的なコストと精度の面で, 近年の放射線治療患者の増大と共なり, 問題となっている. これらの問題を解決するため, 多くの 2 次元検出器が開発され, 使用されている. しかし, 各 2 次元検出器は, 検出器特有の特性を持っており, 我々の要求を全て完璧に満たす検出器は存在しない. 新しい 2 次元検出器である COMPASS(IBA 社製 ) は, 電離箱線量計から成る 2 次元検出器で, 電離箱検出器の弱点である解像度, 体積効果 (15) をビームモデリングの手法を用いて改善されている. 測定データを直接使用せず, 測定データをアルゴリズムによって線量分布に変換し, 線量検証に用いる. 直接測定データを用いない点で新しい測定器である. しかも, 患者に用いる治療ビームを用いて, 直接的に線量検証が可能である.Boggular ら (35) は COMPASS の基礎特性を評価しているが, 臨床例における電離箱線量計の解像度, 体積効果の評価は不十分である. 本研究の目的は,MLC テストパターンと臨床例を用いて COMPASS の基礎的な特性を評価し, さらに他の 2 次元検出器,MC での線量計算結果と比較することである. なお,COMPASS, 各 2 次元検出器についての詳細は前章で説明済みであるため省略する. 43

49 3.2 比較方法 2 次元検出器の物理特性と臨床例における IMRT の線量検証の精度を Clinac ix(varian 社製 ) リニアックを用いて比較した.MLC は Millennium 120(Varian 社製 ), 使用エネルギーは 6 MV,IMRT は sliding window 法で行った. 測定深は,EPID が含まれる測定は 2 cm とし, それ以外は 10 cm 深で測定し,TMR で最大深線量に変換した.MapCHECK では検出器上部の水等価厚 2 cm に Solid Water RMI-457 ファントム ( 物理密度 ρ=1.046 g/cm 3, 相対電子濃度 ρe=1.018,gammex 社製 ) を 8 cm 厚付加して測定を行った.EPID はファントムなどの散乱体は付加せず, 検出器本体 ( 水等価厚 2 cm) で測定を行った.EPID は測定単位が calibration unit(cu) であり,1 CU を 1 MU として測定を行った COMPASS のモデリング精度比較 COMPASS のモデリング精度を比較するため, 矩形の照射野 cm 2 の深さ 2 cm における線量プロファイルを比較した COMPASS を用いた MLC テストパターン,IMRT 臨床例による線量検証比較図 3-1 に示すテストパターンを用いて検証を行った.a-c のテストパターンは線量プロファイルで評価した.a が照射野 (Gap) の幅が 20 mm で b, c が 10 mm, 5 mm である. d,e がステップ型とピラミッド型のテストパターンで, 線量プロファイルとガンマ評価で評価した. 更に臨床例による比較も行った. 測定は, 各 2 次元検出器と MC で行った.MC の詳細を下記に示す. MC( モンテカルロシミュレーション ) の詳細 MC Cord EGSnrc(36-38), DOSXYZnrc(39) Cut off energy AE=ECUT=0.7 MeV, AP=PCUT=0.01 MeV Uncertainty ±0.5% 以内 臨床例は, 頭頸部領域における IMRT の 7 門照射の 10 例について,COMPASS の線量検証精度の比較を行った.TPS は Eclipse version 7.5(Varian 社製 ) を用いた. 測定は, Solid water を用いて深さ 10 cm で測定した. また,COMPASS は通常, 患者の体内の線量分布を評価する目的で使用されるが, 他の検出器と比較条件を同一にするために固体ファントム内で線量分布を計算した. 照射野は cm 2 の全頸部照射から, cm 2 の局所への追加照射の計画で行った. 各門で線量検証を行い, 合計 70 門の検証総数であった. 線量評価は, ガンマ評価によるパス率で行った. ガンマ評価の判定基準は DTA : 3 mm, DD : 3% で行った.Th については, フィルムの低線量域での不確 44

50 定性 (17,18) を考慮し 40% で行った. 解析には, 各 2 次元検出器の付属のソフトウエアを用いた. 更に, 各 2 次元検出器の線量分布は,EDR2(Kodak 社製 ) とも比較を行った. なお, 治療計画は診療の過程で過去に得られたデータであり, 個人情報の保護や利益相反の管理を考慮し, 倫理委員会の承認を得て臨床的検討を実施した. 図 3-1 MLC テストパターン (a)20 mm ギャップパターン,(b)10 mm ギャップパターン,(c)5 mm ギャップパタ ーン,(d) ステップパターン,(e) ピラミッドパターン. 45

51 3.3 結果および考察 COMPASS のモデリング精度比較図 3-2 に矩形照射野の 2 2 ~20 20 cm 2 における結果を示す.COMPASS は EPID 以外の検出器,MC と 2% 以内で一致した.EPID は照射野辺縁で, 各検出器と差が生じ, 半導体検出器に近い特性を示した. 図 3-2 各照射野における COMPASS のモデリング精度 COMPASS を用いた MLC テストパターン,IMRT 臨床例による線量検証比較図 3-3 に MLC テストパターンの線量プロファイルを示す.(a) の 20 mm 幅のパターンは概ね全ての検出器で良く合っている. 低線量域で EDR2 が MC に対して 5% の差となった. これは, フィルム測定でのエネルギーなどの各依存性が影響している.(b) の 10 mm パターンも (a) と同様の傾向である.(c) の 5 mm 幅のパターンに関しては, EPID が照射野の辺縁で MC と差が生じた. 電離箱線量計からなる COMPASS だが, フ 46

52 ィルムと同等の精度を示した. 図 3-3 ギャップパターンの線量プロファイル.(a),20 mm ギャップ (b),10 mm ギ ャップ (c)5 mm ギャップ. 図 3-4 にステップパターンとピラミッドパターンの線量プロファイルを示す. COMPASS は 3% 以内で MC および MapCHECK と一致した. ステップパターンでは, EDR2 が低線量域で差が大きくなった. これは, フィルムの低線量域における感度依存性を示している. ピラミッドパターンはステップパターンと同等の結果となった. 図 3-5 にステップパターンのガンマ評価マップを示す. すべての検出器で 97% 以上のパス率を示すが, フィルムは低線量域でその感度依存性からエラーを示している. 47

53 図 3-4 ステップパターン (a) とピラミッドパターン (b) の線量プロファイル. 図 3-5 ステップパターン (a) とピラミッドパターン (b) のガンママップ. 矢印は エラーを示す. 48

54 次に臨床例を示す. 図 3-6 は cm 2 の照射野の臨床例である. パス率 98% 以 上でよく一致した. 図 3-6 COMPASS と各検出器との比較. 照射野 cm 2 の臨床例. 矢印はエラ ーを示す. 次は, 照射野 cm 2 の例である ( 図 3-7). 各検出器間で, 照射野 cm 2 に比べてエラーが若干大きくなった.COMPASS はモデリングの改善によって, パス率が向上する可能性がある.MapCHECK は測定照射に制限があり, 照射野辺縁では測定できていない. 図 3-8 は臨床例 10 例におけるガンマ評価パス率を示す. すべての検出器でパス率が 93% 以上で差がない. 49

55 図 3-7 COMPASS と各検出器との比較. 照射野 cm 2 の臨床例. 矢印はエラ ーを示す. 50

56 図 3-8 臨床例 10 例におけるガンマ評価パス率. 3.4 まとめ本研究において,MLC テストパターンと IMRT 頸部臨床例を用いて COMPASS によるモデリングによって作られた線量分布の精度を評価した.COMPASS の物理的な解像度はフィルムと EPID の解像度より低い. しかし,MLC テストパターンの結果は, フィルムおよび EPID と同等である. 臨床例においても MapCHECK や従来法であるフィルムと同等以上の精度を示した. 大きな照射野で差が生じたのは,COMPASS のビームモデリングの精度と考えられる. モデリングの精度を向上することによって, 改善が期待できる. 51

57 第 4 章強度変調放射線治療におけるフラットパネル検出器を用いた多断面線量分布測定法の開発 4.1 緒言近年の高精度放射線治療といわれる IMRT や volumetric modulated arc therapy (VMAT) では, 標的に目的の線量を投与し, 近隣の正常組織に限りなく線量を低くすることを可能とした (3, 4). しかし, このような高精度放射線治療では品質管理が重要で, 従来法である電離箱線量計とフィルムを組み合わせた線量検証では, フィルムのエネルギーなどに対する様々な依存性による不確定性と長い測定時間が問題となっている.(9) 一方, 様々なタイプの 2 次元 (2D) 検出器が,IMRT の線量検証のために開発され, 臨床で使用されている (23-28). さらに,DELTA4(ScandiDos 社製 ) や ArcCHECK(Sun nuclear 社製 ) のような 3 次元 (3D) 検出器 (40-42) が,VMAT の線量検証のために使われている. これらの 2D および 3D 検出器は,IMRT と VMAT の線量検証ではフィルムより効率的に測定可能であるが, 空間分解能や角度依存性の問題があり, 十分な線量検証の精度があるとは言えない (43). 一方, リニアックに装備されている EPID は,2 次元検出器として,IMRT の検証に使用される. 測定はフルエンスであり, 容易に使用可能である. 高い解像度を持っており, これまで EPID を用いた多くの研究が行われてきた (44). さらに 3 次元での線量分布測定の試みも行われてきた (45, 47). しかし, これらの測定は,in-house でのソフトウェアを使用しており, 商業販売されていないため, 容易には使用できない. また, フルエンスによる相対測定であり, 絶対線量測定ではない. また,EPID は基本的に画像を取得する機器であり, 線量測定機器ではなく,EPID での測定データはフルエンスである. したがって,TPS でフルエンスを計算し, フルエンス間での比較が必要である. 近年,EPIDose(Sunnuclear 社製 ) ソフトウェアが開発され,EPID でのフルエンス分布を線量分布に変換することが可能となり, 線量での評価が可能となった.EPIDose は線量変換アルゴリズムを用いて,EPID のフルエンスデータを線量に変換する.EPIDose も基本的に 2D の線量分布を各深さで作製することで, 多断面の線量分布取得を可能にする (44). これによって, 絶対線量の線量検証を多断面で行うことができる. 本研究における目的は,EPID によるフルエンス測定から多断面の線量分布を取得する測定法を開発し, 取得された多断面の線量分布の精度を評価することである. 評価には,MLC テストパターンと臨床例を用いて, 他の 2 次元検出器,EDR2(kodak 社製 ) と MC のそれらと比較した. 52

58 4.2 EPID での画像 ( フルエンス分布 ) 取得 Varian 社製 as1000 を用いて画像を取得した. リニアックは Varian 社製 Clinac ix で 6, 15 MV のエネルギーを用いた. 線量率 300 MU/min で行った.EPID のターゲットからの距離は 105 cm で画像を取得した. 以上の条件で,EPID の画像の調整と線量の校正を行った. 4.3 EPID 画像からの多断面の線量分布の取得線量分布は本来 3 次元的な広がりを持っている.2 次元検出器はその一断面を測定しているにすぎない.3 次元検出器も臨床使用されているが, 価格や測定時間, 精度の面で問題がある. 今回, 最も測定時間で有利な EPID を用いて, 多断面の線量分布の測定法を開発した. まず,EPID ではフルエンス測定であるため,EPIDose を用いて線量に変換した. さらに,EPIDose の線量変換アルゴリズム (beam modeling) をファントムの深さ毎に作成することによって, 深さ方向に変化させた線量分布を作成する. 吸収線量変換への概念図を図 4-1 に示す. 図 4-1 EPIDose を用いたフルエンスから線量への変換. EPIDose アルゴリズムを用いて線量に変換する. さらに, 線量変換の際の beam modeling を変更することによって多断面の線量分布を取得する. 53

59 EPIDose の線量変換アルゴリズム (beam modeling) について, 次の 4 段階 (4 step) で吸収線量へ変換した. 1 幾何学的情報の設定 (Step 1) EPID での測定とファントムでの測定での幾何学的な違いを調整する.EPID での測定は source-imager-distance ( SID ) 105 cm とした. ファントムでの線量計算は source-surface-distance(ssd)90cm,source-axis-distance (SAD)100 cm である. 図 4-2 において幾何学的情報を入力する. 入力項目は,MLC モデル, エネルギー,MLC 透過率, ファントムの測定深,EPID 測定の幾何学的情報である. ソフトウエアでは 5 と 10 cm 測定深でアイソセンタ面の設定しかないため, 設定にない測定深では 10 cm を選択した. 均質ファントムの 20 cm 厚の中心 10 cm をアイソセンタとし, 軸外の線量プロファイルをターゲット側に 5 cm, カウチ方向に 5 cm の 10 cm 幅で 1 cm 毎に線量分布を出力するように作成した. 放射線と物質の相互作用は複雑で, 単なる幾何学的な情報のみでは測定出来ない. したがって, その他の調整は Step3 で行った. 図 4-2 幾何学的情報,MLC タイプ,MLC 透過率の入力. 54

60 Output factor 2 出力線量比の入力 (Step 2) EIPD でのフルエンス測定と電離箱線量計の線量比では違いがあるため調整を行う. 図 4-3 に EIPD でのフルエンス測定と電離箱線量計での線量測定の違いを示す.EPID と電離箱線量計での値は, 照射野 10x10 cm 2 の値で正規化している. さらに今回は, 深さ方向別にモデリングを行うため,SAD 100 cm で深さ方向に測定点を変化させて, 出力線量比を測定し, その値でモデリングを行った. 各測定深さの出力線量比を図 4-4 に示す. 図 4-3 EPID と線量測定 ( 電離箱線量計 ) での出力線量比の違い Depth 6 cm Depth 8 cm 0.9 Depth 10 cm 0.8 Depth 12 cm Depth 14 cm 0.7 Depth 16 cm Depth 18 cm Field size (cm) 図 4-4 測定深を変化させて測定した出力線量比. アイソセンタは一定で, 線源 測定 面を変化させて測定. 55

61 3 カーネルの作成 (Step 3) 図 4-5 にカーネルを示す.1 次線が入射すると物質内で相互作用が起こり, 散乱線が発生する. この線量寄与をカーネルでモデリングする. カーネルの作成では, 実測の矩形照射野との比較から繰り返してモデリングを行った. 図 4-5 散乱カーネル. 4 絶対線量の校正 (Step4) MapCHECK での測定と EPID での測定値より絶対線量の調整を行った. MU 毎に測定を行った.25 MU から 200 MU の範囲で行った. 図 4-6 に校正の入力画面を示す. この値も測定深で変化するため, 測定深さ毎に測定を行った. 56

62 図 4-6 絶対線量の校正.25 MU から 200 MU の範囲で測定. 4.4 比較方法 Clinac ix(varian 社製 ) リニアックを用いて検証精度の比較を行った.MLC は Millennium 120(Varian 社製 ), 使用エネルギーは 6 MV,15 MV,IMRT では sliding window 法で行った MLC テストパターンによる線量検証図 4-7 に示すテストパターンを用いて多断面測定アルゴリズムの線量検証を行った. a-c のテストパターンは線量プロファイルで評価した.a が照射野 (Gap) の幅が 20 mm で b, c が 10 mm, 5 mm である.d,e がステップ型とピラミッド型のテストパターンで, 線量プロファイルとガンマ評価で評価した. さらに臨床例による比較も行った. 測定は, 各 2 次元検出器, 線量分布計算は MC で行った.MC の計算条件を次に示す. MC( モンテカルロシミュレーション ) の詳細 MC Cord EGSnrc(36-38), DOSXYZnrc(39) Cut off energy AE=ECUT=0.7 MeV, AP=PCUT=0.01 MeV Uncertainty ±0.5% 以内 57

63 図 4-7 MLC テストパターン (a)20 mm ギャップパターン,(b)10 mm ギャップパターン,(c)5 mm ギャップパタ ーン,(d) ステップパターン,(e) ピラミッドパターン IMRT 臨床例による線量検証比較頭頸部領域における IMRT の 7 門照射と前立腺 IMRT の 5 門照射で線量検証精度の比較を行った.TPS は Eclipse version 7.5(Varian 社製 ) を用いた.MapCHECK は, 散乱線による基板部の照射を最小限に抑えるために, 付加的に固体ファントムは使用せずに測定を行った.EPID では, 画像データ ( フルエンス分布 ) と TPS の計算フルエンス分布で比較した.EPIDose では,EPID のフルエンス分布を固体ファントム内の線量分布に変換して TPS と比較を行った. ファントムには Solid Water RMI-457 を使用した. 照射野は cm 2 の全頸部照射から, cm 2 の局所への追加照射の計画で行った. 各門で線量検証を行った. 線量評価は, アイソセンタにおける吸収線量とガンマ評価によるパス率で行った. 線量勾配を考慮し, 比較的線量勾配の尐ないアイソセンタを評価点とした. また, ガンマ評価の判定基準は DTA : 3 mm, DD : 3% で行った.Th については, フィルムの低線量域での不確定性 (17,18) を考慮し 30% で行った. 解析には, 各 2 次元検出器の付属のソフトウェアを用いた. 更に, 各 2 次元検出器の線量分 58

64 布は,Exradin A-14SL 円筒形電離箱 cc(standard Imaging 社製 ) とフィルム EDR2 (Kodak 社製 ) とも比較を行った. なお, 治療計画は診療の過程で過去に得られたデータであり, 個人情報の保護や利益相反の管理を考慮し, 倫理委員会の承認を得て臨床的検討を実施した. 4.5 結果 MLC テストパターンによる線量検証図 4-8 に MLC テストパターンの線量プロファイルを示す.(a) の 20 mm 幅のパターンは概ね全ての検出器で良く一致した. 低線量域では,EDR2 が MC に対して 6% の線量差となった.(b) の 10 mm パターンも (a) と同様の傾向であった.(c) の 5 mm 幅のパターンに関しては,EPID が照射野の辺縁で MC との差が生じた.EPIDose は MC と良く一致した. 59

65 図 4-8 MLC テストパターンの線量プロファイル. (a)20 mm ギャップ (b)10 mm ギャップ (c)5 mm ギャップ. 図 4-9 にステップパターン (a) とピラミッドパターン (b) の線量プロファイルを示す.EPIDose は MC および MapCHECK と 3% 以内で一致した. 低線量域では,EDR2 が MC と 5% の差であった. ピラミッドパターンはステップパターンと同等の結果であった. 図 4-9 ステップパターン (a) とピラミッドパターン (b) の線量プロファイル. 60

66 図 4-10 に深さ 5 cm から 15 cm までのピラミッドパターンのガンマ評価マップを示す. DTA3 mm/dd: 3%,Th: 30% で全ての深さでパス率が 95% 以上であった. 図 4-10 ピラミッドパターンにおける各深さのガンマ評価. 図 4-11 各深さにおける線量プロファイル. 図 4-11 に各深さにおけるピラミッドパターンの X 軸線量プロファイルと TPS のプロファイルの差を示す. 全ての深さにおいて 3% 以内で一致した. 61

67 4.5.2 IMRT 臨床例による線量検証比較図 4-12 に前立腺 5 ビームの 1 ビーム目の臨床例の EPIDose と EPID の違いを示す. ガンマ評価で比較すると両者に差が生じた.EPID ではエラー領域がほとんどない. 他の例でも同様の結果となった. EPIDose TPS Gamma Profile EPID Gamma TPS Profile 図 4-12 上段 EPIDose, 下段 EPID. 主なエラー領域を黒丸で示す. 62

68 図 4-13 に頸部 7 ビームの 1 ビーム目の EPIDose と EPID の違いを示す.EPID は EPIDose に比べて, 線状のエラー領域を示す. EPIDose TPS Gamma Profile EPID Gamma TPS Profile 図 4-13 上段 EPIDose, 下段 EPID. 主なエラー領域を黒丸で示す. 63

69 次に, 前立腺 IMRT 臨床例における深さ 5,10,15 cm の多断面測定の線量分布を図 4-14 から図 4-16 に示す. EPIDose TPS Gamma Profile 図 4-14 前立腺における深さ 5 cm の EPIDose. EPIDose TPS Gamma Profile 図 4-15 前立腺における深さ 10 cm の EPIDose. 64

70 EPIDose TPS Gamma Profile 図 4-16 前立腺における深さ 15 cm の EPIDose. 65

71 次に, 頸部 IMRT の臨床例における深さ 5,10,15 cm の多断面測定の線量分布を図 4-17 から図 4-19 に示す. EPIDose TPS Gamma Profile 図 4-17 頸部における深さ 5 cm の EPIDose. EPIDose TPS Gamma Profile 図 4-18 に頸部深さ 10 cm の EPIDose. 66

72 EPIDose TPS Gamma Profile 4-19 に頸部深さ 15 cm の EPIDose. 67

73 図 4-20 に, 多断面線量分布の EDR2 と MapCHECK との比較を示す. アイソセンタ面の 線量プロファイル (a), 各深さでの線量分布 (b) とも他の 2 次元検出器と差がない. 図 4-20 多断面線量分布の EDR2 と MapCHECK との比較. (a) アイソセンタ面の線量プロファイル,(b) 各深さでの線量分布. 68

74 4.6 考察図 4-8 では, 各検出器の検出解像度を評価した.MC に対して,EPIDose は全てのテストパターンにおいて 2% 以内で一致し,EPID の解像度の有意性が生かされている. EPID と EDR2 は解像度が高いが,EPID は照射野の辺縁で検出器の感度特性 (26) で MC と差が生じ,EDR2 は低線量域で感度依存性 (22) のために MC と差が大きくなった.MapCHECK は MC と良く一致したが, 検出器間隔が 1 cm と大きくポイント線量測定であり, 詳細な線量分布は測定できない. 図 4-9 は IMRT のテストパターンの結果である.IMRT でも, 図 4-8 と同様に EPIDose は MC と MapCHECK の結果と 3% 以内で一致した. 図 4-10, 図 4-11 は EPID のデータより EPIDose を用いて多断面の線量分布を出力した結果である. 深さが変化しても,TPS と良く一致している. 絶対線量と MU の評価が可能である. 図 4-12, 図 4-13 は, 前立腺および頸部の臨床例による深さ 10 cm の結果である. 全てのガンマ評価パス率で 95% 以上であった.EPID での評価では, 全ての例で,EPIDose より高いパス率となった. これはフルエンス分布の検証であるため, 治療ビームと物質との複雑な相互作用の検証が, 線量分布に比べて評価できていない可能性がある (44). 図 4-14 から図 4-19 は, 前立腺および頸部の臨床例による多断面の線量分布検証である. パス率は約 90% 以上で,TPS と良く一致している. しかし, 深さ 5 cm 付近で, パス率が他の深さに比べると若干低い. 深さが大きく変わると出力線量比, 散乱等の変化も大きくなり, より精度の高いビームモデリングが必要となるためである. 単純なテストパターンでモデリングの調整を行っており, さらに臨床例で再モデリングを行うことによって, パス率の向上が期待できる. 図 4-20 では,EPID を用いた多断面線量分布測定法の精度を示した. 深さがアイソセンタ面から離れるほど, 精度が低下する傾向にあることが図 4-14 から図 4-19 の結果から示唆されるが, 現在使用されている 2 次元検出器と同等の精度範囲である. 本研究における検討では, フルエンスの測定データをビームモデリングによって吸収線量に変換することで,EPID による線量分布測定を可能にした. 本研究は, 多断面の線量分布を求めたが, 今後はこの多断面での線量分布を 3 次元化することが求められる. 線量分布は本来,3 次元の広がりを持っており,3 次元での線量分布の評価が重要となってくる. また,Steciw ら (45) や van Elmpt ら (46) も EPID での 3 次元測定の研究を行っており,3 次元測定の重要性は高い. さらには, 回転型の IMRT(47) や高線量率の放射線治療 (48,49) のような新しい治療における線量検証にも対応する必要がある. 69

75 4.7 まとめ現在, 臨床使用可能な 2 次元検出器は, それぞれ検出器特有の線量特性を持っており, 全ての要求を満足する機器は存在しない, 目的別に使い分ける必要がある. 本研究では,EPID と EPIDose を用いて多断面線量測定法を開発した.EPID での測定は, 線量検証時間の短縮が可能であるが, フルエンス分布の測定であり線量の評価ではないため,EPIDose の線量変換アルゴリズム内の散乱カーネルを変更することによって, 多断面の線量測定を実現した. この多断面線量測定法は,MLC テストパターンと IMRT 臨床例を用いて, 他の検出器や MC と比較し,3% 以内で一致した. 照射野の辺縁でも EDR2 とよく一致した.IMRT 臨床例でもガンマ評価 (DTA3 mm/dd3%, Th30%) で 90% 以上のパス率で良く一致した.EPIDose を用いた多断面線量測定法は, フィルム測定に代わる測定法として, また 3 次元測定に寄与する技術として, 臨床で有用な線量検証法である. 70

76 第 5 章結論 本研究では, 著者が現在まで行ってきた MLC を用いた IMRT の事前線量検証についての研究の成果についてまとめた. 特に,2 次元検出器に関する研究を中心に, 現在使用可能な 2 次元検出器の問題点を明確にし, 適切な使用法について言及した. また, 現在臨床使用可能な 2 次元検出器では, 従来法であるフィルムと電離箱線量計による線量検証に, 完全に替わる 2 次元検出器は存在せず, 新たな検出器の開発が急務であり, 本研究において EPID を用いた多断面線量分布測定法を開発したことを中心に述べた. 以下に, 本研究の成果と結論をまとめ, 最後に今後の研究課題について言及する. 5.1 研究成果の概要と結論 IMRT 線量検証における 2 次元検出器間の精度比較現在使用可能な 2 次元検出器を用いて線量特性を測定し, 臨床例で線量検証の精度を比較した. 具体的には,MapCHECK(Sunnuclear 社製 ),EPID(Varian 社製 ),EPIDose (Sunnuclear 社製 ),COMPASS(IBA 社製 ) の 2 次元検出器を使用して,EDR2 フィルム (Kodak 社製 ) と Exradin A-14SL 電離箱 (0.016 cm 3, Standard Imaging 社製 ) による測定と比較した. 線量直線性は 1% 以内で一致した. 線量率依存性と出力係数は EPID を除いて 1.2% 以内であった.EPID はフルエンス分布測定であるため, 他の検出器と差を生じた. 全ての 2 次元検出器は, アイソセンタ線量で治療計画装置と 5% 以内で一致した. ガンマ評価のパス率 (DTA 3 mm/dd 3%) では, 全ての 2 次元検出器で 97% 以上であった. 特に EPIDose は高いパス率であった. 全ての検出器で臨床使用に許容できる精度であり, なかでも EPIDose は高解像度なために小照射野の線量検証に有用である. 各 2 次元検出器は, 検出器固有の線量特性があり, 臨床で要求される全ての項目を満たすのは困難である. 使用目的別に適宜, 使い分ける必要がある 透過型線量測定器を用いた IMRT 線量検証における精度 COMPASS(IBA 社製 ) は, リニアック照射口のフルエンス分布を測定し, フルエンス分布から線量分布を計算する新しいアイディアにもとづく測定器である.COMPASS の測定精度を MLC テストパターンと臨床例を用いて, フィルムと電離箱線量計による従来法と比較した. さらに,MC による線量分布とも比較した. 全ての計画で,COMPASS は MC に対して 3% 以内で一致した. また, フィルムとは低線量域を除いて 3% 以内の一致であった. ただし, 大きな照射野で誤差が大きくなる傾向にあった.COMPASS はビームモデリングを用いて, 測定値を線量に変換する過程で, 電離箱線量計の体積効果を低減している. ビームモデリングの精度向上によって, さらなる精度が期待できる. 71

77 5.1.3 フラットパネル検出器を用いた多断面線量分布測定法の開発 IMRT の線量検証では時間的なコストが問題となっており, 線量検証時間の短縮が可能で高分解能な検出器が求められている. さらに, 線量分布は 3 次元の広がりを持っており,3 次元の線量分布が取得できる検出器が求められている. 本研究で使用した EPID はリニアック付属の機器で, 検出器のセットアップが容易で, 測定時間も短時間に可能である. 本研究では,EPID で測定されたフルエンス分布を線量分布に変換し, さらにこれを多断面で行い, 多断面の線量分布を取得する測定法を開発し, その精度を検証した. 線量変換の過程での散乱カーネルを改良することで, 多断面の線量分布を取得することが可能になった.MC や他の検出器での測定と 3% 以内で一致し, 臨床使用に許容できる精度であった. 本線量検証法では, 線量検証時間の短縮, フィルムに代わる高解像度の測定法, 多断面での線量分布と, これまでにない線量検証が可能である. 5.2 今後の課題 IMRT の治療成績は, 従来法である 3D-CRT に比べ, 各報告 (3-8) で向上していることが示されている. 今後, 益々 IMRT での治療が増加していくことが予想される.IMRT は, 患者毎の線量検証が必須であり, この線量検証が IMRT 普及の障害となっている. 検証時間を短縮しながら, 従来法である電離箱線量計とフィルムでの測定と同程度もしくは, さらに精度の高い測定が求められている. 本研究では, 照射門毎の検証であるが, 最終的には総門での線量分布の検証が求められている. ガントリ角度を考慮した総門での検証が可能なシステムが必要である. また, 本研究では, 多断面の線量分布の取得は可能になったが, 最終的には 3 次元線量分布での評価が必要である. 多断面の線量分布を 3 次元に構築する技法の開発が必要である. さらに, 評価法に対しても今回はガンマ評価を用いたが, ガンマ評価は万能ではなく, ガンマ評価のみでは治療計画の正確な評価は出来ない.DVH,structure 別の評価など 3 次元で治療計画の正確な評価ができる評価法を構築することが重要な課題である. 72

78 参考文献 第 1 章 1) 厚生労働省大臣官房統計情報部. 平成 23 年人口動態統計月報年計 ( 概数 ) の概況 ) 日本放射線腫瘍学会データベース委員会.2009 年構造調査結果第 1 報. 日本腫会誌 )Huang D, Xia P, Akazawa P, et al. Comparison of treatment plans using intensity-modulated radiotherapy and three-dimensional conformal radiotherapy for paranasal sinus carcinoma. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2003; 56(1) : )Cheng JC, Wu JK, Huang CM, et al. Dosimetric analysis and comparison of three-dimensional conformal radiotherapy and intensity-modulated radiation therapy for patients with hepatocellular carcinoma and radiation-induced liver disease. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2003; 56(1) : )Odrazka K, Petera J, Zouhar M, et al. Clinical results of intensity-modulated radiation therapy (IMRT) for tumors of the head and neck region. Neoplasma 2005; 52(2) : )Mendenhall WM, Amdur RJ, Palta JR. Intensity-modulated radiotherapy in the standard management of head and neck cancer: promises and pitfalls. J Clin Oncol 2006; 24(17) : )Yovino S, Poppe M, Jabbour S, et al. Intensity-modulated radiation therapy significantly improves acute gastrointestinal toxicity in pancreatic and ampullary cancers. Int J Radiat Oncol Biol Phys 2011; 79(1) : )Yang B, Zhu L, Cheng H, et al. Dosimetric comparison of intensity modulated radiotherapy and three-dimensional conformal radiotherapy in patients with gynecologic malignancies: a systematic review and meta-analysis. Radiat Oncol 2012; 7(1) : ) 日本放射線腫瘍学会 QA 委員会編. 強度変調放射線治療における物理 物理的ガイドラ 日本腫会誌, )Kutcher GJ, Coia L, Gillin M, et al. Comprehensive QA for radiation oncology: report of AAPM Radiation Therapy Committee Task Group 40. Med Phys 1994; 21(4) : )Klein E, Hanley J, Bayouth F, et al. Task Group 142 report: Quality assurance of medical accelerators. Med Phys 2009; 36(9) : ) 河内徹, 遠山尚紀, 小島徹, 他. 強度変調放射線治療の線量検証法. 日本医学物理学会誌 2010; 30(6) : ) 日本医学物理学会編. 外部放射線治療における吸収線量の標準測定法 ( 標準測定法 01). 通商産業研究社, 東京, )Leybovich LB, Sethi A, and Dogan N: Comparison of ionization chambers of various 73

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