JP5156548B2 - 重粒子線ビームの生物効果の線質及び計算方法と計算プログラム - Google Patents
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すなわち重粒子線治療においては、物理線量に加えて、線質を考慮した生物線量が投与線量の評価基準となる。重粒子線は物質中で核破砕を起こしより小さな粒子に分裂し、ビームはエネルギー付与や散乱特性の異なる様々な粒子の混合となる。従って、線質評価方法としては、粒子の種類やエネルギーに依存しない方法が望ましい。
しかし特許文献1〜3では、例えば腫瘍等の標的に対する電磁放射線や微粒子放射線の線量分布を計算しているが、線質および生物効果の評価はなされていなかった。
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した2次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第2モンテカルロコードと、
第1モンテカルロコードの粒子データを第2モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとをインストールし、
重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力し、
コンピュータにより、重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第1モンテカルロコードで行い、
前記コード切替位置において第1モンテカルロコードの粒子データを第2モンテカルロコードの粒子データに変換し、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第2モンテカルロコードで行い、
前記対象物が受ける重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力する、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算方法が提供される。
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した2次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第2モンテカルロコードと、
第1モンテカルロコードの粒子データを第2モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとを有し、
コンピュータに、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力させ、
重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第1モンテカルロコードで実行させ、
前記コード切替位置において第1モンテカルロコードの粒子データを第2モンテカルロコードの粒子データに変換させ、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第2モンテカルロコードで実行させ、
前記対象物が受ける線エネルギー、重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力させる、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算プログラムが提供される。
一方、モンテカルロ法により輸送計算を行うコンピュータプログラム(モンテカルロコード)は複数公開されているが、各々のモンテカルロコードに一長一短があり、特定の条件では計算精度が低下する、または計算時間がかかるという問題があった。
すなわち各々のモンテカルロコードが計算精度または計算速度に優れた領域で計算を行うことにより、比較的少ない計算時間で、精度の良い線量および線質の評価が可能となった。これにより、粒子線が人体に与える影響(生物線量)の詳細評価が可能となった。
この図に示すように、光子線や中性子線のように電荷を持たない非荷電粒子では、粒子数が体内で深さと共に指数関数的に減衰する。これに対して高エネルギーの荷電粒子は体内に照射されるとクーロン散乱によって徐々にエネルギーを失いながら進んでいき、飛程付近で急激にエネルギーを失う。このため深部線量分布において飛程付近にブラッグピークと呼ばれる高い線量を与える部分を持つ。この部分を腫瘍の位置に合わせることで、腫瘍に線量を集中させることができる。
高エネルギーの荷電粒子としては、炭素、ネオン、シリコン、アルゴン等が知られている。
この図に示すように、細胞生存率Sが同一(例えば0.1)の場合、X線の吸収線量D0よりも重粒子線の吸収線量Dは小さい値となる。言い換えれば、腫瘍にX線と重粒子線を照射して細胞を死滅させる場合、重粒子線の方がX線よりも低い線量で同一の細胞生存率Sを達成することができる。
S=exp(−α・D−β・D2)・・・(1)
この図において、物理線量は、図1の重粒子線の吸収線量に相当するが、放射線治療においては、上述した生物効果(RBE)を加味した生物線量で、治療用の投与線量を評価する必要がある。
これに対して、荷電粒子が単位長さを通るときに失う平均エネルギーを「阻止能」と呼ぶ。生体組織やガス中を荷電粒子が通過する際の線エネルギー(LET)は阻止能にほぼ等しい。
また、式(1)におけるパラメータαは、線エネルギーyの関数として与えることができることが知られている。
この関係式をα=f(y)・・・(2)とする。
すなわち、式(1)のパラメータβは、細胞、線質が同一であれば一定値である。従って、ある線エネルギーy(LET)が解析又は実験で得られた場合、式(2)からαが求まり、式(1)から同一の細胞生存率S(例えば0.1)に対する重粒子線の吸収線量Dが定まる。
さらに、X線の吸収線量D0は既知であるから、D0/Dとして生物効果(RBE)を得ることができる。
この例では、荷電粒子1の入射方向をz軸とし、z軸に垂直な一方向(例えば水平方向)をx軸とする。x軸とz軸の原点をターゲット2の入射面上にとり、荷電粒子1はz=−125cmから入射し、対象物(例えば生体)はz=200cmの位置にあるものとする。
なおターゲット2は、例えば、アルミニウムの平板や水である。
また、本発明は上述した系に限定されず、その他の任意の系にも同様に適用することができる。
以下、荷電粒子1と分散粒子3を合わせて粒子線4と呼ぶ。
図5(A)に示すように、粒子線4が媒質5を通過するとき、その進路に沿って媒質5にエネルギー付与6を与える(黒丸)。また図5(B)は、2次電子7(δ線)が進路に沿って多数発生し、同様に媒質5にエネルギー8を与える(白丸)。2次電子線7の影響のおよぶ範囲は、例えばエネルギーが290MeV/nの炭素線の場合、粒子線4の軌道から1mm以下である。
PHITSコード
(1)計算速度はδ線の輸送計算を行わないので、計算速度が速い。
(2)微小領域での計算精度は、δ線の影響の及ぶ領域よりも小さい領域では、エネルギー付与の計算精度は落ちる。δ線の輸送計算を行わないので、領域外でエネルギー付与するδ線の影響も領域内のエネルギー付与として計算してしまうためである。
(3)計算精度は、エネルギー付与を考慮しない輸送計算または比較的大きい領域でのエネルギー付与の計算では、計算プロセスがシンプルなため計算精度は高い。
(1)計算速度が遅い。
(2)小領域でも計算精度は落ちない。
(3)多くの計算プロセス、モデルを含むため、やや計算精度は劣る。単に粒子の失ったエネルギーの評価は比較的容易で実験的検証も可能であるが、発生するδ線のエネルギーなどは検証が難しく、計算モデルの誤差が蓄積するおそれがあるからである。
ここで、「コード切替位置z1」は、重粒子線ビーム4がターゲットに衝突し分散されて対象物に入射する位置(例えば、体の表面)、あるいはこれより上流側の近傍に設定するのがよい。
例えば原子核の場合、PHITSコードではZ×106+A、GEANT4コードでは109+Z×104+A×10と表記される。ここでAは質量数、Zは原子番号である。
例えば12Cであれば、PHITSコードでは6000012、GEANT4コードでは10000060120となる。
また、PHITSコードでは、この表記法から原子番号Zと質量数Aを読み取っているが、GEANT4コードでは、さらに質量Mを[MeV]の単位で入力する必要がある。このため、下記の式(4)により変換する。
M=931.494・A [MeV]・・・(4)
また各図において、横軸は解析対象位置のx座標、図中の細線AはPHITSコードのみによる解析結果、図中の黒丸C(●印)は本発明による解析結果、図中の黒角D(■印)は、組織等価比例計数管(ロッシカウンタ)で計測した実測値である。
すなわち、線質が、微小領域におけるエネルギー付与のばらつきに依存するという仮定に基づき、本発明では、直径12.7mmの球形カウンタ内に、組織等価ガスを人体等価厚が1μmとなるようにガス圧を調整して封入し、微小領域でのエネルギー付与を模擬した。また、評価対象は、12Cペンシルビームの側方散乱特性とした。ビームをAlまたは水のターゲットに入射させ、散乱や核破砕による物理線量、および線質の空間分布をモンテカルロ計算により評価し、実験値との比較により精度検証を行った。モンテカルロコードは、PHITSおよびGEANT4を使用し,各々に線質評価のためのルーチンを組み入れた。
これに対して、本発明による解析結果Cは、実測値Dと比較して、線エネルギーの相対誤差は約20%であり、生物効果の相対誤差は約4%であり、実測値Dとよく一致していることがわかる。
また図8(A)において、横軸は解析対象位置のx座標、図中の逆三角A(▼印)はPHITSコード(コード1)のみによる解析結果、菱形B(◆印)はGEANT4コード(コード2)のみによる解析結果、黒丸C(●印)は本発明による解析結果、黒角D(■印)は、組織等価比例計数管(ロッシカウンタ)で計測した実測値である。
また、図8(B)の表からわかるように、本発明の解析時間は、GEANT4コード(コード2)のみによる解析時間(52時間)に比較して、PHITSコード(コード1)のみによる解析時間に近い14時間に過ぎず、解析時間が大幅に短縮されていることがわかる。
本発明の計算プログラムは、上述した第1モンテカルロコードと第2モンテカルロコードとデータ変換コードとを含んでいる。
またこの計算プログラムは、コンピュータに、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力させ、
重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第1モンテカルロコードで実行させ、
前記コード切替位置において第1モンテカルロコードの粒子データを第2モンテカルロコードの粒子データに変換させ、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第2モンテカルロコードで実行させ、
前記対象物が受ける線エネルギー、重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力させるようになっている。
その結果、比較的少ない計算時間で、精度の良い線量および線質の評価が可能となった。
図9は、12Cの線エネルギー確率密度分布図である。この図において、AはPHITSコード、Cは本発明、Dは実測値である。この図から実際には,検出器が微小でありこの領域外へ飛び出すδ線も多数あると考えられるが、これを省いた結果、PHITSコードAでは高いエネルギー付与を示すイベントを多数カウントしている。
そこで、本発明では、トラック構造の計算モデルを有するGEANT4コードを用いて、検出器の部分のみ再度計算を行った。その結果,上述したようにほぼ実験結果を再現する線質分布が得られた。
入射粒子1は、2極磁石9,散乱体2(鉛など)で腫瘍患部のサイズに合わせてビームを空間的に拡大し、さらにコリメータ10,11で拡大されたビームが腫瘍の形になるようにビームを絞るようになっている。
なお、最近の照射方法では、散乱体やコリメータを使わずに,2極磁石のみでビームを2次元的にスキャンする方法もある。この場合,リッジフィルタも使わず,レンジシフタの厚さを変えて,様々なエネルギーの粒子を打ち込む。
図11において、横軸はレンジシフタの水等価厚さ、縦軸は線エネルギーの平均値であり、図中の菱形A(◆印)はPHITSコード(コード1)のみによる解析結果、黒丸C(●印)は本発明による解析結果、黒角D(■印)は、組織等価比例計数管(ロッシカウンタ)で計測した実測値である。
なお通常,カウンタを水中で動かして深さ方向の分布を得るが、この場合はレンジシフタの厚さを変えてこれを模擬した。
一方、ピーク付近では、PHITSの計算A(◆印)と実験値D(■印)との乖離が小さくなっている。これは、ここでは粒子線の運動エネルギーが小さく、発生する2次電子の運動エネルギーが低いため、カウンタの中で止まってしまう電子の割合が高くなり、2次電子を考慮しない場合との差が小さくなるものと考えられる。
このような解釈から,2次電子が線質へ影響を与えていることが裏づけられる。
2 ターゲット(散乱体)、
3 分散粒子、4 粒子線、
5 媒質、6 進路に沿った付与エネルギー、
7 2次電子線(δ線)、8 2次電子による付与エネルギー、
9 2極磁石、10 コリメータ、
11 マルチリーフコロメータ、12 レンジシフタ、
13 水ファントム、14 カウンタ
Claims (2)
- コンピュータに、粒子線が媒質を通過するとき、2次電子を考慮せず、その進路に沿ってのエネルギー付与のみを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第1モンテカルロコードと、
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した2次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第2モンテカルロコードと、
第1モンテカルロコードの粒子データを第2モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとをインストールし、
重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力し、
コンピュータにより、重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第1モンテカルロコードで行い、
前記コード切替位置において第1モンテカルロコードの粒子データを第2モンテカルロコードの粒子データに変換し、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第2モンテカルロコードで行い、
前記対象物が受ける重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力する、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算方法。 - 粒子線が媒質を通過するとき、2次電子を考慮せず、その進路に沿ってのエネルギー付与のみを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第1モンテカルロコードと、
前記進路に沿ってのエネルギー付与と、進路に沿って発生した2次電子が媒質に与えるエネルギーとを考慮してモンテカルロ法により輸送計算を行う第2モンテカルロコードと、
第1モンテカルロコードの粒子データを第2モンテカルロコードの粒子データに変換するデータ変換コードとを有し、
コンピュータに、重粒子線ビーム、ターゲット及び対象物の位置及び物性データと対象物の上流側近傍のコード切替位置をコンピュータに入力させ、
重粒子線ビームがターゲットに衝突し分散されてコード切替位置に入射するまでの輸送計算を前記第1モンテカルロコードで実行させ、
前記コード切替位置において第1モンテカルロコードの粒子データを第2モンテカルロコードの粒子データに変換させ、
前記コード切替位置から対象物内の輸送計算を前記第2モンテカルロコードで実行させ、
前記対象物が受ける線エネルギー、重粒子線の吸収線量及び生物効果を出力させる、ことを特徴とする重粒子線ビームの線質及び生物効果の計算プログラム。
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