研究紹介 ~粒子線シミュレーション~

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1 粒子線治療にかかわる シミュレーション計算 高階正彰 ( 阪大医 )

2 がんの主な治療法 手術 日本で一番多い 化学療法 放射線治療 (X 線 ( 光子 ) がほとんど ) ml

3 Advantages of Radiotherapy Non-invasive ( 非侵襲 ) Functional preservation ( 機能温存 ) Promising treatment for high QOL Promising treatment for permanent cure. 陽子

4 Relative dose Survival fraction 光子 (X 線 ) による治療と比較した粒子線治療の利点 がん細胞を効率的に殺すことが できる dose heavy-ion x-ray 粒子線ビームは正常組織を避けて がんに集中 して照射することができる (Bragg peak) x-ray heavy-ion depth

5 不利な点 放射化 線量測定法がまだ確立していない シミュレーション計算の精度がまだ良くない 粒子線シミュレーションを用いた研究 粒子線治療中の患者体内の放射化 モンテカルロシミュレーションを用いた粒子線ビームに対する擾乱補正係数の導出

6 粒子線シミュレーション粒子輸送シミュレーションコード C 言語で書かれている ツールキット 自分でコード化 自由度は高い 敷居も高い 主にQMD BICを用いる Fortran で書かれている 低エネルギーの中性子入射反応が得意 QMDを用いる

7 導入 粒子線治療中の患者体内の放射化 ( 壽賀 et al.) 照射直後, 医療従事者は患者のもとへ近づき 固定具を外すなどする ( 照射後約 25 秒 ). 患者体内が放射化し 近づいた医療従事者が被ばくするのではないかということが指摘されている Particle beam Patient Medical staff Activation Radiation Exposed to radiation

8 目的 PHITS と崩壊の方程式を用いて 陽子線治療中における患者 体内の放射化をシミュレートする 患者体内から放出される放射線から医療従事者を守るために 必要な冷却時間を見積もる

9 方法 1 RI 生成のシミュレーション Irradiation : Proton, 150 MeV, 300 na, 5 sec. サイクロトロンの場合 ( シンクロトロンの場合も結果はほぼ同じ ) Water phantom 50 cm Proton beam φ5 cm 水ファントム中で生成される RI の量を PHITS によって計算する

10 方法 2 PHITS 計算で得られたそれぞれの RI に対する崩壊方程式を解き 放射能を計算する 崩壊方程式 During irradiation After irradiation T : stopping time of irradiation : decay constant a : production ratio for one proton I : beam current e : elementary charge 放射能の時間依存性が得られる

11 方法 3 実効線量の計算 RI の位置分布 = PHITS 果の結 Beam spot 30 cm β + annihilation γ de-excitation γ Geant4 Detector (water) 10cm x 10cm x 10cm 検出器中の吸収線量の計算 実効線量

12 Result of PHITS それぞれの核の 入射陽子 1 個に対する生成比 Z N F O N C x x x x x x x x x x x x x x x x10-6 (τ=5,700y) Stable nucleus

13 Decay mode β + annihilation γ by Geant4 De-excitation γ Not included here.

14 μ Result(effective dose/hour) 10 min. :life time dh E dt 20 min. 70 sec. 2 min. Irradiation starts time 15 O の放射能は照射後約 10 分間支配的 その後 全体的な放射能は緩やかに減尐していく

15 結論 陽子線治療中の患者体内の放射化 実効線量を半分にまで下げるためには 150 秒待つ 必要がある

16 研究テーマ 放射化 線量測定法がまだ確立していない モンテカルロシミュレーションを用いた粒子線ビームに対する擾乱補正係数の導出 (Oda et al.)

17 導入 モンテカルロシミュレーションを用いた粒子線ビームに対する擾乱補正係数の導出 ( 小田 et al.) 擾乱補正係数 : P Q 線量校正に必要 D w,q = M Q N D,W,Q0 k Q,Q0 k Q,Q0 = [W air (L / ρ) w P Q ] Q air [W air (L / ρ) w P Q ] Q0 air k Q,Q0 : beam quality conversion factor Q : radiation quality ( 線質 ) 壁と空洞があることによる影響を補正する Cavity ionization chamber Water phantom

18 Introduction 粒子線ビームに対する補正係数はまだ確立されていない P Q は 1.0 と仮定されることがほとんど IAEA, TECHNICAL REPORTS SERIES No. 398V.11b, 2004 正確な線量計算には 精密な P Q の値が必要

19 本研究の目的 Geant4 を用いて 粒子線ビームに対する 擾乱補正係数 P Q を導出する 本研究では陽子線のみを考える

20 方法 平行平板電離箱 Roos (PTW 34001) を考える P Q = P wall P cav : 平行平板型の場合 壁による擾乱 空洞による擾乱 Roos ionization chamber

21 方法 P wall の計算 (wall correction factor) [D air ] w [D air] Roos P wall = [D air ] w / [D air ] Roos [D air ] w : 空洞内での吸収線量 water air wall material [D air ] Roos : 壁に囲まれた空洞内での吸収線量

22 方法 P cav 計算 (cavity correction factor) D w [D air] w P cav = D w / [D air ] w (L / ρ) w air D w : 水の中での吸収線量 [D air ] w : 空洞内での吸収線量 water air (L / ρ) w : 水と空気の制限衝突質量阻止能比 air

23 陽子線ビームの場合の結果 200 MeV pencil beam Bragg peak P Q P cav P wall averaged value(~23cm depth) P wall P cav P Q

24 結論 モンテカルロシミュレーションを用いた粒子線ビームに対する擾乱補正係数の導出 陽子線ビームに対しては P Q = % のエラーは 放射線治療にとっては結構 大きな値である この結果をどう扱うか 慎重に考える必要がある ( そもそも核反応計算 核データ自体に 3 パーセント以上の誤差があるので 誤差込みで線量の評価をしなければならない 今進めているところ )

25 Collaborators Hiroshi Toki RCNP, Osaka Univ. Koji Niita Research Organization for Information Science & Technology Takuma Horaguchi Graduate School of Pure and Applied Sciences, Tsukuba Univ. Masaki Suga & Michio Oda Graduate School of Medicine, Osaka Univ.

26 Thank you for your attention

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