X線三次元照射による（深部）線量分布計算とその医療応用 - …2010/06/25 · PMRC colloquium 18. June 2010 H. Iwase, Radiation science center KEK 200 MeV protons

Ｘ線三次元照射による（深部）線量分布計算とその医療応用　　

　　　　　　　　　　　　　KEK放射線　岩瀬広

KEK加速器セミナー2010/6/25 於KEK 小林ホール

KEK加速器セミナー　2010/6/25 KEK放射線　岩瀬広

粒子線治療R. R. Wilson, " Radiological Use of Fast Protons" (Radiology 1946:47:487-91)


放射線治療と線量分布

http://www.gsi.de

X線炭素線

http://www.gsi.de

http://www.gsi.de


治療に必要な物理的条件

・内部に放射線が到達する事・線量に分布があること（がんに線量集中させること）

線量分布の差が大きい　→　正常細胞ひばく小、がん細胞致死大　　　　　　

切れの悪い集中線量　→　広い範囲の正常細胞に線量付与切れの良い集中線量　→　理想の放射線治療


陽子の物理線量分布

　z方向分布（ブラッグカーブ）

横方向分布（広がり）

p

陽子の線量分布　・HeやCと比べて、直進性が低い　・ビームの横方法への広がり

粒子・重粒子輸送計算コードPHITSによる計算

イオン種による線量分布の違い

飛程25cm～体内ほぼ最深部、一番差の分かる例


4Heの物理線量分布

4He

4Heの線量分布　・pと比べて直進性、プラッグピークの鋭さ　　ともに優れる　



12Cの物理線量分布

12Cの線量分布　・直進性、プラッグピークの鋭さともに優れる　・フラグメントがピークを越えて線量を与える

12C


High energy accelerator research organization

KEK

H. Iwase, Radiation science center KEK

for n, p, Υ below 20 MeV

MCNP the world standard MC code

projectile

fragments

–ln(r) D = λ⋅ -ln(r) = ––––– Σt

r: random dumberΣt: total cross section: Shen, Tripathi

collision distance D

Energy loss & straggling: ATIMA, SPAR

nuclear collisions: JQMD, JAM, Bertini

deexcitation: GEM(evaporation & fission)

energy conservation after XS data use: Event-generator

粒子・重粒子輸送計算コードPHITSのモデル

magnetic fieldgravity

matter

PHITS (particle and heavy ion transport code system)

PHITSJQMD

simulates Nucleus-Nucleus collisions

with the Molecular Dynamics multi-body

calculation

K. Niiita et.al. Phys. Rev. C52 (1995) 2620

- Jaeri Quantum Molecular Dynamics

Fragmentation calculations by PHITS


KEK

PMRC colloquium 18. June 2010 H. Iwase, Radiation science center KEK

200 MeV protons into water (5cm φ, incident 10,000 protons)

tracks of primary and fragments

energy loss of primary and fragments

PHITS calculation


KEK

PMRC colloquium 18. June 2010 H. Iwase, Radiation science center KEK

400 MeV 12C into water (5cm φ, incident 10,000 12C)

tracks of primary and fragments

energy loss of primary and fragments

PHITS calculation

２００８年７月３０日デジタル加速器研究会、KEK つくば

12C 破砕片測定 K. Gunzert-Marx, GSI3.1 Experimentelle Technik 77

Abbildung 3.2: Skizze der Experimentanordung der Detektoren in Aufsicht. Der 12C–Strahl passierte den Start–Detektor (Start) und die Ionisationskammer (IC), bevor erim dicken Wassertarget abgestoppt wurde. Nach einer Flugstrecke von rund 3 m wurdendie Fragmente in dem aus Veto– und BaF2–Detektor bestehenden ∆E–E–Teleskop nach-gewiesen. Die Flugzeit der Fragmente zwischen Start– und BaF2–Szintillator wurde zurBestimmung der Teilchenenergie aufgezeichnet.

Die mittlere Intensitat des Ionenstrahls lag zwischen 104

und 106

Ionen pro Se-

kunde, abhangig von der jeweiligen Detektorposition. Hohere Intensitaten hatten

gerade bei kleinen Winkeln des ∆E–E–Teleskops zur Strahlachse große Totzeit-

korrekturen zur Folge gehabt. Außerdem wurde durch eine lange Spilldauer von

7,5 s eine gleichmaßige Intensitatsverteilung und damit eine weitere Reduktion der

Totzeit erreicht.

Die Fokussierung des Strahls konnte durch Quadrupolmagnete entlang der

Strahlfuhrung optimiert werden. Das in guter Naherung gaussformige Strahlpro-

fil wurde hinter dem Austrittsfenster und an der Position des ∆E–E–Teleskops mit

einer Vieldrahtkammer gemessen. Die Halbwertsbreiten des Primarstrahls betrugen

7 mm am Ende des Strahlrohrs und 16 mm nach der Aufweitung des Strahls in 3m

Luft. Zusatzlich konnte aus diesen Messungen der Mittelpunkt des Strahls, d. h. die

Strahlachse, bestimmt werden (siehe Abbildung 3.3).

Der 1mm dicke Start–Szintillator aus NE102 befand sich 4,7 cm hinter dem Aus-

trittsfenster. Seine quadratische Flache hat eine Kantenlange von 10 cm und er wird

uber einen an eine Seitenflache gekoppelten Lichtleiter ausgelesen. Das Szintillati-

onslicht wurde in einem Photovervielfacher des Typs XP 2972 verstarkt. Seine an

der GSI entwickelte Spannungsversorgung wurde mit einer Spannung von –1800 V

betrieben. Wegen der kurzen Signalanstiegszeiten von nur einigen Zehntel Nano-

sekunden war er gut zum Starten der Flugzeitmessung geeignet — daher auch

die Bezeichnung”Start–Detektor“. Außerdem wurden mit dem Start–Detektor die

3.2 Datenanalyse 85

Abbildung 3.7: Korrelierte, zweidimensionale Darstellung der Impulshohen des Veto– unddes BaF2–Detektors, d. h. des Energieverlusts ∆E und der Gesamtenergie E der erzeugtenFragmente. Anhand dieser ∆E–E–Spektren werden die Isotope graphisch getrennt undseparat analysiert.

3.3 Resultate 107

nachgewiesenen Fragmente beruhen aber nicht nur auf der eigentlichen Fragmen-

tierung, auch die Vielfachstreuung der erzeugten Fragmente und deren Absorption

im Target beeinflussen die Winkelverteilungen. Gemeinsam haben die Winkelver-

teilungen auch eine starke Vorwartsfokussierung. Besonders schmal sind die Win-

kelverteilungen der Heliumfragmente (σ3He=3,77◦, σ4He=2,46

◦). Wie andere aus

mehreren Nukleonen bestehende Cluster werden Heliumionen meist durch Projek-

tilabrasion gebildet. Aus der Projektilabrasion entstehende Kerne sind verglichen

mit Evaporationsprodukten stark vorwarts fokussiert. Hinzu kommt, daß Heliumio-

nen aufgrund ihrer großen Masse verhaltnismaßig wenig durch Vielfachstreuung im

Target abgelenkt werden. Daß beim Aufbrechen der12

C–Projektile als Folge nu-

klearer Kollisionen mit großer Wahrscheinlichkeit magische Kerne entstehen — wie

im Schalenmodell angenommen wird — und daß4He der leichteste dieser Kerne

ist, kann den großen Beitrag der Heliumionen zum emittierten Fragmentfeld er-

klaren. Die Winkelverteilungen der Heliumionen, der Wasserstofffragmente und der

Neutronen sind in Abbildung 3.23 dargestellt.

Abbildung 3.23: Winkelverteilungen der Neutronen, Wasserstoff- und Heliumfragmente.

Zwischen 0◦

und 5◦

wird das Teilchenfeld wegen der Scharfe der Winkelverteilung und der

großen Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Heliumionen dominiert, ab 10◦

uberwiegen

hingegen Neutronen und Wasserstofffragmente.

Die Winkelverteilungen der Neutronen und der nach Isotopen getrennten Wasser-

stofffragmente sind in Abbildung 3.24 dargestellt. Die Verteilungen des Wasserstoffhaben ahnliche Halbwertsbreiten (σp=6,74

◦, σd=6,50

◦, σt=6,47

◦), die Verteilung der

Neutronen ist etwas schmaler (σn=4,42◦) und ihr Maximum liegt etwa 70 % hoher

als das der Protonen. Dieser Unterschied — der aus der Fragmentierung selbst nicht


治療中の12C 破砕片測定

4.4 Resultate 137

Abbildung 4.13: Winkelverteilungen der bei den Bestrahlungen der Patienten Anton, Ber-

ta und Clara nachgewiesenen Neutronen, Protonen, Wasserstoff– und Heliumfragmente.

Bei Anton konnten auch Deuterium– und Tritiumfragmente separiert werden.

118 Kapitel 4 Fragmentemission bei der Patientenbestrahlung

drei Richtungen, bestrahlt. Dies ermoglicht, die Dosis, die im Eintrittsbereich des12

C–Strahls vor dem Tumorvolumen deponiert wird, auf verschiedene Bereiche des

gesunden Gewebes zu verteilen und damit dort Schaden zu minimieren. Praktisch

bedeutet das, daß der Korper des auf dem Rucken liegenden Patienten nur sehr

selten parallel zur Strahlachse ausgerichtet wird, namlich nur dann, wenn der Tu-

mor nahe unter der Schadeldecke lokalisiert ist. In den meisten Fallen, gerade wenn

der Tumor in der Schadelbasisregion liegt, wird der Patient von beiden Seiten,

nahezu im rechten Winkel zur Strahlachse, bestrahlt. Fragmente, die entlang der

Reichweite der12

C–Ionen im Gewebe entstehen, durchdringen in Vorwartsrichtung

folglich nur den Kopf des Patienten. Leichte Fragmente (Neutronen, Wasserstoff–,

Helium– und einige Lithiumfragmente) verlassen aufgrund ihrer großen Reichwei-

ten den Kopf des Patienten auf der strahlabgewandten Seite und wurden in 3,7m

Entfernung mit dem in Kapitel 2 beschriebenen ∆E–E–Teleskop nachgewiesen. Die

Anordung des Versuchsaufbaus im Bestrahlungsraum der GSI (Cave M) ist in Ab-

bildung 4.1 skizziert.

Abbildung 4.1: Anordnung des Versuchsaufbaus wahrend der Patientenbestrahlungen inAufsicht (nicht maßstablich). Das aus Veto– und BaF2–Szintillator bestehende Detek-torteleskop war 3,7 m vom Patienten entfernt und wurde zwischen ϑlab=0◦ und 90◦ zurStrahlachse positioniert.

Das aus einem als Veto–Detektor verwendeten Plastik– und einem BaF2–Szintillator

bestehende Teleskop erlaubt die Detektion der Teilchen, die aus dem Patienten

austreten, sowie die Identifikation der Neutronen und der geladenen Fragmente.

Daraus ergeben sich die an der jeweiligen Detektorposition auftretenden Teilchen-

fluenzen. Da die Patienten an 20 aufeinanderfolgenden Tagen in derselben Position

zur Strahlachse mit demselben Bestrahlungsplan behandelt werden, konnten auch

die Winkelverteilungen der emittierten Fragmente untersucht werden, die von der

individuellen Anatomie der Patienten und von den exakt an das Tumorvolumen an-

gepaßten Bestrahlungsplanen abhangen. Das Detektorteleskop wurde dazu bei Win-

GSIで治療中の患者の頭部から飛来する12Cの破砕片を０度から３０度まで測定　

☞ 物理実験同様に相当量のHeを観測

K. Gunzert-Marx, GSI

患者 A

患者 B

患者 C

He

n

p

横軸：角度 θ


12C 破砕片測定その二 E. Haettner, GSI

At 200 MeV u!1 still 70% of the primary 12C ions arepresent at Bragg peak position, while this fractiondecreases to 30% at 400 MeV u!1.

Fragment characteristics at 400 MeV u!1

At six different depths of the water absorber beforeand behind the Bragg peak, the energy distributionsand angular distributions of the emitted secondaryfragments were investigated. At a depth of 31.2 cm(i.e. 4 cm behind the Bragg peak) the fragment

Linear drive

Fragments57 cm

3,58 m

Start detector

Plastic

BaF2

Telecope detector

Carbon beam

water absorber

Plastic/Stop detector

Figure 1. Scheme of the experimental setup used for fragmentation measurements at GSI. Nuclear fragments producedby primary 12C ions in a water target are identified by their energy loss, total energy and time-of-flight measured with

various scintillation detectors.

Figure 2. Attenuation of primary 12C beams andcorresponding Bragg curves. The surviving fraction ofcarbon nuclei as a function of depth was measured with aDE–E telescope. The lines are shown to guide the eyes.

Figure 3. Build-up of secondary fragments produced by400 MeV u!1 carbon ion beam in a water phantom. The

lines are shown to guide the eyes.

E. HAETTNER ET AL.

2 of 3

5.3. DATA ANALYSIS 39

Figure 5.4: Fragments with di!erent nuclear charges were selected in a two dimensional graphicalrepresentation and counted by defining corresponding gate conditions. The data originate from a400 MeV/u 12C beam fully stopped in a 28.8 cm thick water target. The data were collected atan angle of 2! to the beam axis.

5.4. ANGULAR DISTRIBUTIONS 45

Figure 5.9: Angular distributions behind a 15.9 cm and 31.2 cm water target. The vertical axisshows the number of fragments, NF , per steradian normalized to the number of incident particles,N0. Filled symbols are used for data measured in July and open symbols are used for measurementsin February.

was too large compared to the narrow carbon beam to provide a good spatial resolution.The solid angle covered by the H1 detector was slightly smaller in July than in February,but the carbon beam was narrow enough to be almost completely detected both times.Thus, when the numbers of particles were normalized to the solid angle covered by the H1detector, a higher value was obtained for the July measurement.

The width of the carbon beam was measured to be about 1! for the 5.9 cm target, 1.5!

for the 15.9 cm and 2! for the 25.8 cm target. In millimeter this would mean about 50 mm,75 mm and 100 mm at a distance of three meters. The angular width was also calculatedwith ATIMA, to estimate the reasonableness. The beam was assumed to be parallel as itenters the experimental hall and the various materials (Start detector, air, Plexiglas, waterPlexiglas, more air) were taken into account. The calculations gave an angular width of0.6!, 1.2! and 2.2! for the three target thicknesses. For the thicker targets, the width isin good agreement with the experimental data, but for the thinnest target, 5.9 cm, themeasured width is broader. This inconsistence is believed to be a result of the limitedspatial resolution of the H1 detector.

E!ects of a potential misalignment of the H1 detector

In the analysis it should be considered what e!ect a potential misalignment of the H1detector would have on the results. It was assumed that the beam can be described by aGaussian function with a FWHM depending on the target thickness. From figure 5.2 itcan be seen that the beam width at the H1 position was about 10 mm without any target.The beam width for thick targets are known from section 5.4.2 and was found to be about100 mm at the H1 position behind a 25.8 cm thick water target. It was calculated how

5.6. ENERGY SPECTRA 61

Figure 5.19: High energy hydrogen fragments created in a 28.8 cm thick water target. The verticalaxis shows the number of hydrogen fragments, NH , per steradian and MeV/u normalized to thenumber of incident particles, N0.

Figure 5.20: Energy spectra of charged fragments behind a 27.9 cm thick water absorber. Theprimary beam energy was 400 MeV/u. The vertical axis shows the number of fragments, NF , persteradian and MeV/u normalized to the number of incident particles, N0.


GSI 12C 破砕片測定　まとめ

12C 治療ビームの破砕片の実験的調査

　　　　　　☞　　He が多く生成される　　　　　　　　　B が相当量生成される

B が及ぼす線量は物理的・生物的ともに詳しく研究されていない


線量分布横方向（ビームの広がり）の比較

陽子の広がりの大きさ4Heは十分広がりが少ない



深度分布の比較

12Cは破砕反応のため深部ほど数が減る（→ブラッグピークが低くなる）pや4Heは数の減少は少ない



ブラッグカーブの比較

12Cのピーク値は、深部減衰により低くなる4Heのピークは、pより広がりが少ない分なまらずに残る（深いところでも鋭い）



X線３次元照射ではどうか？

　切れの良い集中線量　=　理想の放射線治療


単色X線三次元照射の利点

粒子線治療は粒子線一本が持つ線量分布特性を利用する。線量分布の差は数倍

単色X線三次元照射は、数(密度)の比を利用して線量分布を形成する。1000倍の差の線量分布を持たせる事も原理的に可能

数倍

1 (#/mm3)

1000 (#/mm3)

→　1000倍

コヒーレント単色Ｘ線による定位照射の模式図単色Ｘ線の３次元照射：新世代照射（イノベーション）

１０万本のＸ線束 (40keV)

生体組織の表面

１００ｍ

ｍ

２０ｍｍφ

１ｍｍφ５０µｍφ

生体組織

がん組織

１本のＸ線束

Ｘ線エネルギーと水の吸収係数

４０ｋｅＶ単色Ｘ線の水１０ｃｍを通過中にＸ線の９２％が吸収散乱

単色Ｘ線の３次元照射

佐藤勇氏

★線量評価X線強度 : I =X線束数(N)/断面積(S)断面半径 : r = (r0-rf) ((d-x)/d) + rf　　 d = x+y ⇒ y = d-x

断面積　 : 　S(x)=πr2 I(x) = N(x)/S(x)Ｘ線強度： I(x)= N0 e-µ(100-d+x)/πr2

線束数　 :　N(x)=N0e－µ(100-ｙ)

100≧y≧0N0 N

2r0=300mmφ

2rf=0.05mmφ

d

x y

100

生体組織 or水r

0

フレネルレンズラウエレンズ

2r2=1mmφ

d=1578mm

2r1=20mmφ-r

２００８／０８

佐藤勇氏

PHITSParticle and Heavy Ion Transport code System

Apr. 14 11th International Conference on Radiation Shielding (ICRS-11) H. Iwase et al.

— e+

— e-

— photonhttp://www2.slac.stanford.edu/vvc/egs/images/replace.gif

One of most accurate codes on electron/photon transport in matter

H. Hirayama, Y. Namito, A.F. Bielajew, S.J. Wilderman and W.R. Nelson

- the Electron Gamma ShowerEGS5

incident

X-ray

Pb targetMonochromator

Ge-detector

90-deg scattered X-ray measurement at KEK

40 keV

http://www2.slac.stanford.edu/vvc/egs/images/replace.gif

http://www2.slac.stanford.edu/vvc/egs/images/replace.gif

EGS研究会　毎年夏に開催　EGSの使い方などを覚える　学生の参加者が多い

４０ｋｅＶ　Ｘ線束数Ｎ＝１００，０００

単色Ｘ線の線量分布のシミュレーション（ＥＧＳ５）４０ｃｍ水槽中における単色Ｘ線軌跡分布の鳥瞰

Ｚ１次元的照射Ｘ線の分散

２００９／４


1 cm

2 cm

3 cm

4 cm

5 cm

6 cm

7 cm

8 cm

9 cm

10 cm

11 cm

12 cm

13 cm

14 cm

15 cm

異なる深さ毎に表示

27

ビームの横の広がり分布

解釈：ピーク部は無反応で直進するもの（だんだん減る、治療に使う）

　　　すそ部が散乱成分で不要な成分。その数はとても少なく、ピーク部の１％程度


深さによる減衰

指数関数で減少（40keV X線水中の平均自由行程～1mm)10 cm 透過後のX線数は、8,246/100,000 = 8.2%100,000の入力で8,000が治療に使われる。

40 keV X線の水中の減衰入射X線数 100,000


計算結果　X線3次元照射：粒子分布と線量分布

粒子分布

dE分布 (次頁詳細）

2cmφ入射、EGS5 on PHITS による計算 (2010.6.24)


計算結果　X線3次元照射：線量分布の詳細（X線が作る二次電子のdE分布）

xy分布yz分布

z分布 z分布 (log表示)

(dx,dy=0.01cm)

非常に鋭い線量集中性を確認

Ｃ（220MeV/u）Ｐ　（116.5MeV）Ｘ線　（40keV）

1 ×Ｃ（220MeV/u）29×Ｐ（116.5MeV）4.9×Ｘ線（40keV）

陽子線，炭素線，集束単色Ｘ線の線量損失分布の比較（ＰＨＩＴＳ＋ＥＧＳ５によるモンテカルロシミュレーション）

２００９／７

規格化線量損失分布直接線量損失分布


体積照射計算　(スキャンする）

・微小体積における鋭い線量集中は確認できた

・焦点位置をxyz方向に走査(スキャン)し、有限体積を照射（実際の治療）すると　線量分布はどうなるか。切れのある分布は維持されるか

実際の治療を模擬した線量分布評価

正常細胞がん細胞正常細胞

正常細胞

正常細胞

正常細胞


線源項 (=初期分布10cmφ + 1cm走査 + 機械的誤差)

xに±0.5cmyに±0.5cmzに±0.01cm直方体走査

機械的誤差は1mmの場合も確認したが結果に大きな変化は無かった


計算結果　X線三次元体積照射：粒子分布、線量分布

粒子分布線量分布 (次頁詳細）


計算結果　X線三次元体積照射：線量分布詳細

xy分布

yz分布

z方向分布

x方向分布 y方向分布 (z=10cm)(z=10cm)

(dx,dy=0.3cm)

(z=10cm)

体積照射でも線量集中性を維持


X線三次元体積照射最適設定

・線源項 (=初期分布5cmφ + 1cm走査 + 機械的誤差) の調整で最適設計を行う。10cmφの縛りは継続

(6/25 last minutes research)

・設定値　非公開

調整値調整値

無調整値無調整値

x方向分布 z方向分布

14

炭素線治療における物理・生物線量分布計算　

12C 290MeV/n SOBP beam physical and biological dose distribution

物理線量×RBE→生物線量（治療効果）

原子力機構　佐藤達彦

炭素線z方向分布

PHITS+内部関数

炭素線による治療線量分布

がん

正常組織


線量分布の比較

調整値z方向分布

本研究によるX線治療線量分布炭素線の治療線量分布

がん

正常組織

無調整値

がん

正常組織

　　　・小さい照射野であるが鋭い線量集中が得られた


まとめと展望・40 keV X線の物理特性　　　・深度分布は指数関数で減少、10 cm深部で 8 % が利用可能、残りは散乱

・３次元照射による焦点線量分布を EGS5 で計算　　　・微小体積への線量集中を確認した　　　・たいへん鋭い線量集中性　　　・粒子線治療との比較を行った。切れの鋭さは抜群

・体積照射（実際の治療を模擬した線量分布評価）　　　・焦点を3次元走査して体積照射した線量分布を評価。10cmφ、1×1×1 cm3照射　　　・横方向には鋭い線量集中性を維持　　　・z方向の集中性はにぶるものの、粒子線相当以上の線量集中性を確認　　　・小さい照射野であるが結果は非常に有望である　　　・最大照射野はレンズの寸法に依存　　　・さらなる線量集中性のための照射法最適化も研究対象

・放射線治療全体としての重要な技術開発　　　・他放射線転用への将来性


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