放射線計画と配信モデルとして前立腺癌を用いた陽子線治療のための基礎が掲載されています。選択した病気の他のサイトへのこれらの原則の適用は、陽子線治療は、がん患者の臨床転帰を高めることができる方法を示しています。
放射線療法は、固形癌の治療のための頻繁に使用されるモダリティです。細胞死のメカニズムが放射のすべての形態に類似している光子・陽子ビームの体内プロパティは異なる臨床転帰を最適化するために大きく、たぶん悪用。特に、体を通過するとき、プロトン粒子が予測可能な方法でエネルギーを失います。このプロパティは、陽子ビームを終了とターゲット領域を超えて制限線量の深さを制御する臨床的に使用します。この戦略は、腫瘍ターゲットを超えて位置して正常組織への放射線量を大幅に減らしての許可できます。ただし、体のプロトン エネルギーの低下は組織の密度に非常に敏感。結果として、治療の過程で組織密度の変更では、プロトンの線量も大幅に変更します。このような変更は体重、呼吸や腸充填/ガスの変化を介して発生する可能性し、不利な投与法があります。本稿では、我々 は受動的散布と鉛筆ビーム走査前立腺癌のための技術を使用して陽子線治療の配達のための詳細な方法を提供します。記述されていたプロシージャの前立腺がん患者に直接関係しているそのメソッドは適応し、事実上すべての固形腫瘍の治療のために適用される可能性があります。私たちの目的は、ガン治療中にこの療法の適切な統合を促進するためにプロトン療法配信、結果のよりよい理解の読者を装備することです。
それは、アメリカ合衆国で 170 万個人と診断されるがんの 2018 年に 600,000 以上の病気1に屈することが推定されます。現在の治療法の選択肢を伴うモノ modality 療法手術、放射線療法 (RT)、全身トリートメントを使用します。RT に関してこの新規診断患者の四分の一を初期がん治療とほぼ半分の部分が最終的に彼らの病気のコース2,の3の中にそれを必要と表示されます。
1895 ブラウン管4ドイツのヴュルツブルク大学で彼の研究室での作業中、ウィリアムコンラッドのレントゲンが x 線を発見するときに戻って RT 日付の出現。それから間もなく、ループスや癌などさまざまな疾患の患者は、ラジウム放射線を用いた治療を受け取っていた。早期合併症はすぐに実現したし、も彼のノーベル賞受賞講演5でピエール ・ キュリーによって議論されました。放射常態および腫瘍組織に影響するので慎重に制御された放射線量は受け入れられない毒性の確率対腫瘍制御の確率として定義されて、治療率を最大限に利用しなければなりません。放射線生物学と物理学のよりよい理解と同様、技術の漸進的な進歩は、この治療の比率が大幅に時間と改善します。RT の使用では、癌治療6,7,8,9の要領で包含によって反映いくつかのがんの成果を大きく強化しました。いくつかのケースで RT 使える唯一のモダリティとして療法10、に対して、他の病気でそれが複数の集学的治療の一環としての使用ローカル病気制御または病理11の撲滅。多くの RT 患者が痛みや腫瘍による圧縮、侵略、またはロコ地域設定で正常組織の破壊から開発その他の症状の緩和の治療、転移性または広範囲にわたる多くの場合治癒目的で使用、病気。
RT の背後にある基本的な原則は、簡単です。放射光の応用、エネルギーは原子のイオン化を介して細胞に沈着します。このエネルギーによってそれ・のみ、数マイクロをケルビン ・、照射領域の温度を上げるかもしれないが、直接 DNA 損傷12,13を経由して露出損傷細胞のフリーラジカルが生成されます。高エネルギー粒子線と物質との相互作用の私達の理解の多くは宇宙線と大気の初期の 20th世紀14で実施の相互作用の理論的・実験的研究から来る。高エネルギー (GeV に MeV) 荷電粒子は電磁力で主に問題と対話: これらの粒子は、物質または組織を通過、軌道電子との非弾性衝突イオン化と対象物質の励起につながると原子核との弾性衝突は、散布やパーティクルのパスの変形に します。さらに、原子核衝突と電子ではハード ディスクの衝突は粒子放射線の電離の効果を追加する二次放射の連鎖に します。こうして問題を通過する高エネルギー粒子はこれらの電離のフィールドにさらされている生物にイオン化された原子、分子、および自由な電子が化学的に反応性と潜在的生物学的変化を誘発したり損傷をきっかけを残します。
放射線療法の主要な長期的な目標は、効果的に人間の病気を治療する方法でフィールドを電離これらを活用する最善の方法を学ぶしています。放射 (光子、陽子、電子、重イオンなど) の理想的な形が周囲の普通の最小限電離の同じ時間の原因が治療の抗腫瘍効果を提供する疾患ターゲットに十分なイオン化を誘発する臨床的に有害な影響を最小限に抑えるために、組織。RT の放射線の種類が選択されている治療を受けている疾患に依存します。体内深くにある、また手術操作できない場合があります腫瘍、メガボルト光子、陽子、重イオンは最適な15,16と見なされます。などを含む皮膚の表在癌の電子療法が最適な整容手術することに望ましいかもしれない。一方、メガボルト光子を利用は皮膚への損傷を制限しながら、組織に深く浸透する能力にあります。電子、陽子、重イオンなどの荷電粒子の場合の主な利点は、彼ら ‘停止’ の特性;つまり、荷電粒子は、上記で説明した非弾性衝突を介して継続的にエネルギーを失う、このエネルギー損失は非常にミリ波規模で予測。したがって、必要とする深さに正確なエネルギーを持つ荷電粒子ビームが患者に配信されます。さらに、荷電粒子は、ほとんど出口線量17を生成しません。対照的に、光子のような非荷電粒子は、しばしばターゲットに遠位健全な組織を危険にさらす可能性があります重要な出口線量につながる深さの増加とともに指数関数的減衰 (減衰) を展示します。図 1、放射線各種臨床的に使用される放射線の線量 (イオン化) のプロパティが表示されます、これらの概念を説明します。深い腫瘍ターゲットの光子の代わりに陽子や炭素イオンを使用するための中央刺激は最小量のエントリの線量をがあると、ターゲット組織を超えてゼロの出口の線量に近い。表 1は、光子とプロトンのビームの臨床的に関連する特性のいくつかをまとめたものです。
陽子線治療を含む放射線治療の分野での進歩は 2 つの主要な面で発生した: 1) の効率的な粒子加速器シンクロトロンやサイクロトロン加速器のような高エネルギー (MeV) 放射を作り出すことができる建物と 2)疾患イメージング データとコンピュータ シミュレーションを許可する放射線輸送計算を組み合わせた洗練された計算方法の開発”治療計画.”治療計画は、患者は通常、コンピューター断層撮影 (CT) 画像を受けます。CT 画像には、組織密度の患者として正確な定量化に関する 3 次元の解剖学的情報が含まれています。CT 画像と密度マップ、コンピューター シミュレーションで計画に用いられる放射線治療: エネルギーと放射場の強さは患者ごとに最適化数学的に。陽電子放出断層レントゲン写真撮影 (ペット) スキャンや磁気共鳴画像 (MRI) スキャンは、CT データを補完するために使用する可能性があります。
陽子線治療特定の腫瘍のタイプの例に続いて、放射線治療のコースを通して患者をナビゲートする方法のステップバイ ステップの概要をご紹介いたします。
放射線治療計画と癌のための配達は、パーソナライズ、個々 の患者と彼/彼女の特定の癌に非常にカスタマイズされたプロセスです。モダンな放射線治療、画像誘導カスタマイズされた放射線治療計画シミュレーションの時の介入に基づく CT 画像が得られます。線量計算に必要な体内の別の場所で組織密度の患者として正確な定量化に関する 3 次元 (3 D) 解剖学的情報が含まれているので、ct は必須です。Ct 中に患者はモーターを備えられたテーブルの上に配置されます。いくつかの機械的に固定デバイスは、イメージング中とその後の RT 配信中に患者の動きを制限する通常使用されます。剛体頭蓋デバイスなどの複数の侵襲的なデバイスに要求される精度、単純なモールド型クッションと患者の表面に適合し、動きを制限を強化し、プラスチック メッシュからこれらのデバイス範囲に応じて、場所で掘削されています。多くの場合、固定具の必要な精度、腫瘍の近くに重要な構造への近さによって決まります。例として、最も侵襲的な固定具、掘削ヘッドのヘイローを配置、1 ミリメートル精度が目や視神経失明患者の移動から生じる可能性を最小限に抑えるための近くの腫瘍を治療するために必要なとき時々 使用治療中に不適切な位置。
CT についてはまた内部の正常組織解剖学を最適化するために使用されます。たとえば、膀胱の膨満感は膀胱や小腸プロトコルを上で述べたように、前立腺の照射から被曝を最小限に抑えるためしばしば利用されています。同様に、胃が特に上腹部照射 (例えば、胃、肝臓、食道) のシミュレーションの間に食糧と膨張する場合、患者は再模擬胃や腸管を通過する食品を可能にした後.これは胃を縮小し、上部の腹部腫瘍の放射線療法中に放射線被曝のチャンスを減らします。場合、胃や膀胱自身は放射線のターゲットが、意図的に膨張または線量分布を最適化するために空になる可能性があります。
いくつかのインスタンスでは、腫瘍は CT で十分に、または確実にも視覚化はされませんが、MRI や PET スキャンによってより正確に識別することがあります。このような場合は、PET や MRI スキャンは後者の線量計算が必要ですので、CT データを補完するためにされます。これは、治療計画用 CT 画像、MRI や PET 画像を登録することによって達成されます。MRI スキャンは、しばしば多くの大きい視覚的なコントラストと CT は、脳や肝臓など腫瘍の薄い、軟部組織の境界を識別するために有益であるかもしれないより高い解像度を提供します。ペットは、患者に注入される放射性標識トレーサー分子分布の機能ビューを提供します。
それらは呼吸と共に大幅移動可能性があります胸部または腹部の分野でいくつかの腫瘍が発生します。放射線精度を保証するこの動きにするために、呼吸時に時間をかけて変更される 3 D 患者解剖学をキャプチャする 4 次元 CT、「ムービー モード」ct の種類を使えます。いくつかの胸部および腹部のターゲットの圧縮ベルトまたは動きの軽減の他の手段の動きを制限し腫瘍の場所45に関する不確実性を制限治療中に使用することがあります。
癌、腫瘍の場所、および放射線ビーム、粒子の種類、エネルギーの最適な構成に影響を及ぼす、解剖学的特徴を考慮した個別の治療計画を開発した治療のため患者がシミュレートされ、一度個々 の患者の用量レベル。各患者のための基本的な質問の数が最適な治療計画を開発する臨床チームによってと見なされます最初があります。開始点として放射線の最も適切なフォームを選択してください。オプションには、光子、電子、または陽子が含まれます。これは通常、梁 angle(s) 放射の配達のための選択が続いた。RT のほとんどのマシンには、事実上任意の角度によって位置決めテーブル、RT 梁患者に指示することができる回転ガントリー ロボット患者が含まれます。最も効果的に RT とターゲットを打つパスを見つけないと決定と最高回避非ターゲット選択した梁のパスで表示される可能性があります。いくつかの場合、ビームの角度、腫瘍と正常組織の放射線目標で入力後の計画システム自体によって決まります。このプロセスは「逆計画」と呼ばれる複数強度を調節することを含む IMRT の場合、しばしば行われます統一目標用量を提供するが、高不均等投与につながる可能性があります時間依存的に着信の放射ビームターゲット外。光子またはプロトン療法の強度変調、逆の計画、主に利用されている可能性がありますが、光子はのみ IMRT を基づいています。固体放射線ビームを使用する場合は、カスタム金属コリメータは腫瘍の形の放射ビームの形状に合わせて作製した可能性があります。
陽子線治療を選択した場合、後続の決定はパッシブ散布図または PBS のテクニックの使用についてされる必要があります。PBS、場合は、MFO または単一フィールドの最適化/単一フィールド均一な線量 (SFO/SFUD) 戦略の使用に関する追加決定が必要です。MFO のトリートメント、複数のビームが各ビームのみターゲット ターゲットの部分以来すべての分数の間に腫瘍を治療するために必要です。対照的に、SFO の計画のすべてのビームはターゲット全体をカバーしています。MFO はしばしば重要な構造に近い腫瘍の支持 (e.g。、視神経付近の脳腫瘍) 様々 なビーム角度は線量を彫るに有利であるかもしれません。MFO 戦略も、すべて放射線ビーム/スポットはしないように”範囲”線量をブラッグ ピーク効果により予想外に高いことのできる同じエリアに。その一方で、SFO は差分膀胱と直腸の充填のために動くことができる前立腺などの解剖学的不確実性の領域の近くのターゲットに支持されます。SFO では、解剖学的な差異による線量変化に対する強化された堅牢性を提供します。
一度基本的な計画戦略を決定すると、治療計画の次の段階は通常の放射界の数理最適化を含まれます。エネルギー、強さ、および着信放射線の空間分布 (空間的変化する磁束) は、通常無料パラメーター最適化です。CT による患者の解剖学の大きな 3 D マトリックス表現とともにこれらの自由変数は非常に大規模な問題サイズと対応する大規模な最適化につながる行列 (例えばCT 値の何千と何千もの可能なビーム強度にする必要があります。見なす)。これらの行列は、治療計画の「目標」の数学的定式化である目的関数で囲まれています。前述のように、治療目標にまずターゲットに処方量を達成するために優先、第二に低用量の達成するために正常組織へ可能です。すぐに行列を設定する RT 輸送計算を実行する、この目的関数を最小化する高い計算力が必要なグラデーション検索アルゴリズムなどの数値最適化手法を使用してローカル ミニマムをすばやく検索関数。これらの解はユニークな患者ごとに最適な治療計画に対応しています。治療計画におけるコンピューターの役割を誇張することはできません。モダンな放射線治療、放射線診断過去 3 年間のコンピューターの進歩なしことができないでしょう。
最終段階として最適化された治療計画は (医師、士、物理学者) の医療チームによって審査されます。多くの場合、計画をさらに適応または全体的な品質を改善するために異なる目的に再最適化可能性があります。計画が最適なものが見つかったら、計画の技術的なパラメーターは、物理学者レビューや治療配信マシンに転送します。
多くの場合、患者は、複数治療分数 (セッション) の数週間平日頻繁を返します。複数日分別急性放射線による副作用を強めることができますが、単一分数治療12と比較して RT の後半より深刻な副作用の可能性を減らすことができます。多分数が急速に分裂する腫瘍に最適なルートから致死ダメージを修復できません。しかし、これは正確な治療部位と周辺の正常組織の感受性に依存します。放射線治療配信の目標は、各分画の中に同じ治療を管理することは、以来も数ミリの動きまたは患者の位置の不確実性の粒子療法の処置の計画の低下につながる可能性があります。この理由から、この目的のためのオンボード画像ガイダンス システムは、多ルート x 線イメージャ、円錐ビーム CT スキャン、または光学、レーザー スキャン表面撮像素子の間に重要に充実しています。これらのデバイスは、解剖学的ランドマーク、腫瘍ターゲット、または代理ラジオ不透明なマーカのイメージングによる画像誘導放射線治療 (治療) を許可します。治療のイメージは元のシミュレーション スキャンと比較して、放射線の各分画の前に必要に応じて調整。
陽子線治療終了の投与量を限るの有限の範囲の利点にもかかわらず治療計画で通常見られる範囲の予測の精度は、数ミリ程度です。さまざまな患者組織の正確なエネルギー損失である、まず、組織の厳密な分子部品はあいまいで、第二に、患者の解剖学が変わるので両方で短いタイム スケール (例えば呼吸) と長い時間スケール (例えば、体重減少、腫瘍縮小効果、正常解剖学変更)。この不確実性に対処するため「遠位端マージン」は、最大腫瘍深さを越えてちょうど正常なティッシュの追加マージンは、ターゲット ・ ボリュームに追加されます。このような余白範囲予測の不確実性でも全体の腫瘍の深さが高い自信を持って処理することを保証します。残念なことに、正常組織のマージンは、その組織における RT 副作用につながる可能性、完全な RT 用量に結果として公開できます。対照的に、光子は停止なくターゲットを終了ではなく、このような遠位端マージンは必要ありません範囲の不確実性を補うために。幾何マージンはまだターゲットのアドレス位置の不確実性に光子療法で使用が、光子はターゲットの忍耐強いティッシュ上流の正確なステータスに陽子よりもはるかに少ない敏感。したがって、必要なマージンは、光子の陽子よりも小さいことがあります。これは陽子が大きく光子は荷電および原子とまれを除いて、自分の軌道の間に空の空間で自由に旅行に対し、範囲の位置に影響を与える組織の連続的なエネルギー損失を受けることを考慮したが理解できます。電子や原子核と衝突。組織、例えば大きな密度差。、光子線量陽子線量だけでなく、しかし下の大きさに影響を与えるまだ金属オブジェクトまたは空気のキャビティ、ただし、します。
最後、重要な不確実性は放射の異なった形態の放射線効果 (比 RBE) に関係します。RBE 参照放射型と同じ生物学的作用を両方放射型に生成条件下でのテスト放射型からの線量の比では。高い RBE、組織におけるエネルギー付与の単位放射線の損傷より。RBE 比は、フォトン放射に関して定義されます。この簡単な説明は、にもかかわらず、荷電粒子の光子とは対照的に RBE 値に関して実際に大きな不確実性があります。巨視的線量が同じ場合でも、光子とマイクロ及びナノ単位のスケールでの荷電粒子の空間線量分布の違いは生物学的効果の違いに します。これは、異なる用量と異なる運動エネルギー荷電粒子への暴露後の DNA 損傷の空間パターンを調べることによって理解できます。別の運動エネルギーや炭素イオン (+6) と陽子 (+1) の別の料金は、患者の異なる深さでエネルギー転送の違いにつながる光子、エネルギー転送は比較的低いと全体もより均一なに対し患者。理論的に理解し、このような生物学的効果を正確に予測する能力に関する放射線がんのコミュニティで重要な議論があります。炭素イオン線治療の契約療法を提供するためにこのような効果をモデル化する必要があることがありますが、これらの生物学的効果をモデル化する最善の方法についてのコンセンサスの欠如があります。陽子、最も臨床センターは現在 RBE 効果、1.1 の定数補正係数を使用して除いての明示的なモデリングなし療法を計画、これは新しい商業治療計画システムを始めていると、近い将来に変更される可能性が生物は、陽子線治療の RBE をモデル化するソフトウェア ツールをモデリングします。
無作為化試験、RADCOMP、PARTIQoL、米国 1308 など完成し、どの放射線の形態優位である可能性、乳房、前立腺、肺癌、それぞれより具体的な回答が必要です。同様の研究は、これらの腫瘍のタイプのための最高の治療法を識別しやすくするため他の病気サイトの予定です。ただし、既にある小児人口の特に、特定の設定で陽子の優位性を示唆する十分なデータ、実質的な正常組織を温存大幅に削減できます罹患率など二次毒性から悪性腫瘍。
The authors have nothing to disclose.
レジスタは、NIH のローンの返済プログラムから助成を認めています。A. h. は、バイエル、クロービス、星座、Agensys、Sotio、セルリアン、および Calithera から資金を受けています。
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