# 悪性腫瘍の最先端
## （3）高精度放射線治療の現状

東京女子医科大学医学部放射線腫瘍学講座

橋本你手哴・西尾 禎治・唐澤久美寻

（受理 平成 30 年 4 月 12 日）

Malignant Tumor

(3) Current Status of High Precision Radiotherapy

Yaichiro HASHIMOTO, Teiji NISHIO and Kumiko KARASAWA

Department of Radiation Oncology, School of Medicine, Tokyo Women's Medical University

In recent years, technological innovations in radiotherapy have been remarkable, thanks to progress in computer technology and therapeutic equipment, and various high precision radiotherapy have been established.

Intensity-modulated radiation therapy (IMRT) can conduct complicated dose calculations by computer control and inverse planning and allows sufficient target dose applications while keeping the risk organs within the tolerance dose. Volumetric-modulated arc therapy (VMAT) is an irradiation technique that adds intensitymodulation to conformal radiotherapy, which shortens the treatment time. Image-guided radiotherapy (IGRT) is an irradiation technique that reproduces the irradiation position, which is determined by the treatment plan, by three-dimensional measurements.

Particle therapy is a form of high-precision radiotherapy that uses protons and heavy-particles (carbon-ion), which are obtained from large accelerators, such as cyclotrons and synchrotrons. Since the particle does not advance beyond a certain depth, called Bragg peak, it is possible to concentrate the dose onto the lesion. Particle therapy has the advantage of providing a low radiation dose to risk organs; thus, the risk of adverse events is low.

High-precision radiotherapy is expected to improve treatment outcomes and reduce side effects.

Key Words: intensity-modulated radiation therapy (IMRT), volumetric-modulated arc therapy (VMAT), imageguided radiotherapy (IGRT), particle therapy

## はじめに

悪性腫瘍に対する治療として，手術(外科治療),化学療法, 放射線治療の 3 本柱が標準とされている.近年, 放射線治療の領域では，コンピュータ技術,治療機器の進歩による技術革新が著しく, これらに 放射線物理学や放射線生物学の知見も加えられ, 高精度 X 線治療や粒子線治療など, さまざまな高精度放射線治療が確立してきた。

本稿では，放射線治療領域における「悪性腫瘍に 対する最先端」として, 高精度 X 線治療の中で, 強度変調放射線治療, 強度変調回転放射線治療, 画像誘導放射線治療について, 粒子線治療の中で，陽子線治療, 重粒子線治療（炭素イオン線）について詳説する.
}$ 162-8666 東京都新宿区河田町 8-1 東京女子医科大学医学部放射線腫瘍学講座

E-mail: hashimoto.yaichiro@twmu.ac.jp

doi: 10.24488/jtwmu.88.3_73

Copyright (C) 2018 Society of Tokyo Women’s Medical University
}

## 高精度 X 線治療 \\ 1. 強度変調放射線治療（intensity-modulated radiation therapy : IMRT)

1) IMRT とは

IMRT は, 1990 年代に欧米で考案された高エネル ギー X 線による高精度放射線治療のひとつであり，従来の放射線治療である 3 次元原体照射 (threedimensional radiation therapy : 3D-CRT）から発展 した治療技術である。本邦では, 2006 年に先進医療 として承認され, 2008 年に「中枢神経腫瘍」,「頭頸部腫瘍」,「前立腺腫瘍」の 3 部位の腫瘍に対して健康保険適応になった。その後, 2009 年に先進医療として 認められ，2010 年 4 月から「限局性の固形悪性腫瘍」 に対して健康保険適応になった. 2017 年時点で, 全国の約 260 施設において保険診療による IMRT が 実施されている。

IMRT 物理技術ガイドライン ${ }^{1}$ では, IMRT の定義 は「リスク臟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を避けな がら標的形状と一致した最適な 3 次元線量分布を作成し治療する照射法」とされている。

IMRT は, 従来の放射線治療に大きな変革をもた らした. 3D-CRT では成し得なかったリスク臓器を 避けながら腫瘍に根治線量を投与することが可能に なった. IMRTの治療技術は, 治療計画装置の最適化技術の高度化と, 多分割絞り (マルチリーフコリ メータ, multi-leaf collimator : MLC, Fig.1)等の強

Fig. 1 A multileaf collimator (MLC) The MLC contains a large number of highly absorbent tungsten leaves that can be positioned individually to create field openings with complex shapes. (Photo is courtesy of Varian Medical Systems).度変調器の進歩により発展した。

2）治療計画装置の最適化技術の高度化

従来の放射線治療では，ひとつの照射野内にある 線量分布は均一であることが前提とされた. $3 \mathrm{D}-$ CRT では線量評価点 (ICRU 基準点)）を設定し， そ の基準点を中心とした同心円上から標的を俯瞰しな がら各方向から標的にあわせた照射野の形を設定す る. その後, 各方向から線量を処方し, 線量分布図 を作成した後, 出来上がった線量分布図を確認する 作業を行っていた. これら従来の放射線治療計画を 順方向計画 (forward planning) と呼ぶ.

これに対し, IMRTではコンピュータ制御による 逆方向計画 (inverse planning, Fig. 2) と呼ばれる治療計画を行う. IMRT 治療計画における最も重要な 点は, 事前に線量設定と線量制約による線量容積ヒ ストグラム (dose-volume histogram：DVH) を用い ることである. IMRT では DVH を用いた線量処方 と記録が推奖されている ${ }^{3}$. 一般的に標的の $95 \%$ 容積が照射される線量 $\left(\mathrm{D}_{95}\right)$ もしくは 50 \%容積が照射 される線量 $\left(\mathrm{D}_{50}=\mathrm{D}_{\text {median }}\right)$ を線量設定とし, 各リスク 臓器の体積あたりの許容可能な線量を線量制約とす る. 従来記録されていたリスク臓器の最大線量はあ る点の線量により決定され, その数値の信頼性が低 いため, 新たに標的の $2 \%$ 照射される最大線量 $\left(\mathrm{D}_{2 \%}=\mathrm{D}_{\text {near-max }}\right)$ を記録することが推奨されている．体積の小さい視神経や水晶体などは, 従来通り最大線量も考慮する必要がある. これらの線量設定と線量制約をあらかじめ治療計画装置に指示することで,

Fig. 2 Left, Forward planning of 3D-CRT; Right, Inverse planning of IMRT

Forward planning: The dose in each irradiation field shows a uniform distribution. Inverse planning: The dose in each irradiation field shows an intensity modulated distribution, which can make concave outlines, such as seen in the rectum. (This figure is courtesy of Yuichiro NARITA at Aomori Shintoshi Hospital).

Fig. 3 VMAT plan for prostate cancer

This figure shows a typical prostate VMAT plan, which would be impossible to achieve with conventional uniform beams. The machine continuously reshapes and changes the intensity of the radiation beam, as it moves around the body. The height of the bar graph on the circumference shows the intensity of the radiation.

複雑な線量計算を行い，標的に十分な線量を投与し ながらリスク臟器を耐容線量内におさえることが可能になった. 言い換えると, 結果を指示することで, コンピュータが放射線照射の強度を最適化し，その 結果に合わせた線量分布図を作成してくれる。従来 の放射線治療計画とはまさに逆転の発想であった.

3） MLC 等の強度変調器の進歩

医療用リニアック（直線加速器）の照射口には，

MLC と呼ばれる遮蔽装置が設置されている．MLC はコンピュータ制御で動くことが可能であり，照射野を標的の形に整形し, リスク臓器への照射を避け た治療を行うことができる.

MLC を用いたIMRT には大きく 2 つ方法があ る. 複数の照射野の形状を組み合わせて照射する 「step-and-shoot 法」と，MLC を連続的に移動させな がら照射しMLCの開放面積とその時間で線量強度 を変調する「slicing window 法」である。前者は X 線照射時に MLC が静止しているため「static MLC 法」, 後者は MLC が動いているため「dynamic MLC 法」とも呼ばれる。

これらの技術により同一平面内の放射線の強度を 変調することで従来の外部照射より細かく線量分布 の形状を設定することが可能である．今まで実現で きなかった凹型の線量分布も可能になり, 全体とし
てより理想に近い線量分布が作成できるようになっ た.

2. 強度変調回転放射線治療（volumetricmodulated arc therapy : VMAT)

VMAT はIMRT の応用型であり, 本邦で従来行 われていた回転原体照射に強度変調の機能を加えた 照射法である. したがって, VMAT は広義の IMRT である. 今までのIMRT は, 固定多門照射と呼ばれ, あらかじめ決められた直線加速器の角度から照射を 行っていた. 一方で, VMAT は, 直線加速器の回転速度と線量率を変化させ, 回転しながら強度変調を 行うことで, より至適な線量分布図の作成が可能と なり, 治療時間の短縮も図ることが出来るように なった. Fig. 3 は, 前立腺癌に対するVMATの 1 例であり，各方向からの放射線の強さを棒グラフで 示している. Fig. 4 は, 原発性脳腫瘍術後に対して, VMAT を用いて同時に異なる量の放射線を照射す る同時部分追加照射 (simultaneous integrated boost：SIB）の 1 例である. 腫瘍床領域に $60 \mathrm{~Gy} / 30$ $\mathrm{fx} の$ 照射, 浮腫領域に $50 \mathrm{~Gy} / 30 \mathrm{fx}$ の照射を同時に 行っている. 本症例の計画設定は, 計画標的体積 (planning target volume：PTV)の $\mathrm{D}_{50}$ である. 各リ スク臟器の線量制約を Table 1 に示す.

Fig. 4 VMAT plan for postoperative brain tumor

This patient is treated with a simultaneous integrated boost using VMAT. VMAT of 60 $\mathrm{Gy} / 30 \mathrm{fx}$ to the tumor bed area and $50 \mathrm{~Gy} / 30 \mathrm{fx}$ to the edematous area are simultaneously applied. The dark purple color indicates the tumor bed area, while the light purple color indicates the edematous area.

Table 1 OAR dose-volume clinical constraints of Figure 4

OAR, organ at risk; PRV, planning organ at risk volume.

3. 画像誘導放射線治療 (image-guided radiotherapy : IGRT)

IGRT ガイドライン゙では，IGRT は,「治療時に取得する 2 方向以上の 2 次元照合画像，または 3 次元照合画像を用いて, 治療計画時の基準位置からの患者位置変位量を三次元的に計測し位置補正すること
で, 治療計画で決定した照射位置を可能な限り再現 する照射技術」と定義されている。

従来は放射線治療時に骨構造を 2 次元的に照合 し, 照射位置を補正する IGRT が主流であった. 最近では, 超音波検査もしくは定電圧 CT などのイ メージングデバイスを用いて，実際の腫瘍やリスク 臟器の偏りを 3 次元的に確認することが可能にな り, より高精度の照射が可能になった。近年, MRI をイメージングデバイスとして用いた IGRT も開発 され，臨床応用されている。

$
\text { 粒子線治療（particle therapy） }
$

## 1. 粒子線治療とは

通常の放射線治療に用いられているのは高エネル ギー X 線であるが，その他にもさまざまな放射線 (Fig. 5)が使われている.多くの病院に設置されてい る直線加速器では, 電子線を X 線に変換して照射し ている。直線加速器が開発される前は，コバルト 60 遠隔照射装置からの $\gamma$ 線を用いていたが, 現在, 先進国で $\gamma$ 線を遠隔照射で用いているのはガンマナイ フ と MRI ガイドの照射装置 (メリディアン $\left.{ }^{\circledR}\right)$ くら いである.
粒子線とは，高エネルギー粒子の流れのことであ り，原子を構成している原子核を指す。一般に陽子 より重い原子核を使った粒子線を重粒子線と呼ぶ. サイクロトロンやシンクロトロンなどの大型加速器 から得られる陽子や, 重粒子（炭素イオン線）など の粒子線を用いた放射線治療を粒子線治療という.

粒子線は，一定の深さ以上には進まずある深さで 最も強く作用するブラッグピークを形成するため,病巣に線量を集中させることができる (Fig. 6, 7). IMRT などの高精度 $\mathrm{X}$ 線治療の開発に伴い, $\mathrm{X}$ 線の 線量集中性は向上しているが，リスク臟器への低線量領域の広がりは回避できない。粒子線治療ではリ スク藏器への線量付与が少なく, その点では有害事

Fig. 5 Types of radiotherapy象のリスクが低くなる。陽子線治療においては，髄芽腫, 前立腺癌, 肝細胞癌の治療後の二次癌の発生 が X 線治療と比べて少なくなったという報告5)もあ る.

陽子線治療が初めて臨床で行われたのは 1961 年 で，米国・ハーバード・サイクロトロン研究所とマ サチューセッツ総合病院においてであった。本邦で は 1979 年に放射線医学総合研究所 (放医研) が陽子線の臨床研究を開始している。その 4 年後の 1983 年には筑波大学が陽子線治療を開始し, 1998 年には 国立がんセンター東病院が開始した. 2018 年 3 月現在, わが国の陽子線治療施設は 13 施設において運転中であり 4 施設で建設中, 重粒子線治療施設は 5 施設において運転中であり 2 施設が建設中である (Fig. 8).世界では, 73 施設が運転中であり, 45 施設 が建設中である ${ }^{6}$.

1991 年, 放医研はさらに効果が高い粒子線治療を 目指し, 重粒子線による臨床研究を開始した。重粒子とは質量の大きな粒子の総称であるが, 放医研で の基礎研究の結果で最も適していると判断された質量数 12 の炭素イオン線(軌道電子を剝ぎ取った炭素 の原子核を加速したもの）が現在は専ら用いられて いる. 1994 年, 放医研は世界で初めて炭素イオン線治療の臨床研究を開始7) し, 現在までに 10,000 例以上の治療実績がある世界をリードする施設である. 2001 年には兵庫県立粒子線医療センターが世界初 の陽子線と重粒子線の双方が行える施設として開院

Proton beam

Proton
Heavy particle therapy

(Carbon ion)

Fig. 6 Comparison of X-ray and particle beam dose concentrations This figure shows a schematic diagram of the dose distribution across the human body. Darker colors indicate high radiation intensity.

した。2017 年 4 月時点で世界の重粒子線施設 11 か 所のうち 5 施設が日本にあり，他の 6 か所は欧州と 中国，建設中の 5 施設は日本，中国，韓国にあり，北米大陸には 1 か所もない. 重粒子線治療では日本 が研究開発と臨床応用をリードしている。

Fig. 7 Comparison of depth-dose plots from X-ray and particle beams

SOBP refers to the sum of several individual Bragg peaks of mono-energetic particle beams at staggered depths. SOBP 50, spread-out Bragg peak of $50 \mathrm{~mm}$; MONO, mono-energetic beam.
2016 年 4 月より小览腫瘍の陽子線治療と切除非適応の骨軟部腫瘍の重粒子線治療が健康保険の適応 になり, 2018 年 4 月からは前立腺癌などの希少がん 以外にも適応が拡大された。健康保険適応以外の疾患では先進医療が A と B で継続されている. 先進医療 A は, 日本放射線腫瘍学会 (Japanese Society for Radiation Oncology：JASTRO）主導による統一さ れた治療方針に規定された適応症について学会から 提案された新たな施設基準に従って実施している.

また, 先進医療 B は, 有効性・安全性等の観点から 重点的な評価が必要な適応症についてプロトコール を作成して実施されている．統一治療方針に関わる 適応症については JASTRO のホームページタに揭載 されている.

本邦における粒子線治療患者数を日本粒子線治療臨床研究会 (Japanese Clinical Study Group of Particle Therapy：JCRT)の集計データ9)で見ると， 1979 年から 2014 年までに陽子線治療 17,858 人, 重粒子線治療 12,992 人, 合計 30,850 人の患者が粒子線治療 を受けている．年間患者数は, 施設数の増加と共に 増加し, 現在では年間 5,000 人近い患者が粒子線治療を受けている。

世界で見ると，陽子線治療は，既にアメリカ，イ ギリス，オランダ，フランス，カナダ，スイス，韓国で健康保険適応になっており，一部の病態にせよ 健康保険適応となったことは，その恩恵を受ける患者にとって喜ばしいことであるが，通常の放射線治

Fig. 8 Proton therapy/Carbon-ion therapy facility in Japan
療との臨床的な優位性が明らかになるかは今後の課題である。

## 2. 陽子線治療と炭素イオン線治療の差異

陽子線治療と炭素イオン線治療のもっとも大きな 差は, 生物学的効果の差である．X線を 1 とした場合の相対的生物学的効果 (relative biological effectiveness：RBE) は, 陽子線で 1.1, 炭素イオン線で約 3 とされている.これら $\mathrm{RBE}$ の算定は細胞や動物臟器を用いたものであるが，粒子線は同じ線量におけ る生物学的効果がX 線より高い. 陽子線の RBE は $\mathrm{X}$ 線とほとんど変わらないため, 従来の $\mathrm{X}$ 線治療に よる治療結果から得られた知識の流用が可能であ る. 炭素イオン線治療は $\mathrm{X}$ 線の 3 倍の生物学的効果 が期待され，放射線による DNA 損傷が回復しにく く, 組織内酸素濃度や細胞周期の影響を受けにくい とされている.いわゆる X 線感受性が低いとされる 骨肉腫, 軟部肉腫など肉腫系の腫瘍に対しても臨床的に明らかな治療効果を示している．重粒子線治療 (炭素イオン線)が切除非適応の骨軟部腫痬で最初に 健康保険適応となったのは，今までの治療成績によ り臨床的有用性が証明されたからである。陽子線治療と炭素イオン線治療の装置としては,加速する粒子の質量から考えても分かるように, 質量数 1 の陽子線と質量数 12 の炭素イオンでは, 技術的な困難さ，装置の大きさ，価格，維持コストが大 きく異なる。陽子線治療装置は, 安価なタイプであ れば 20～30 億円で市販されているが, 重粒子線治療装置は高度な技術を要するため市販されておらず，各施設で設計して建設している状況である。最も安価に建設しても 150 億円程度はかかり，陽子線治療装置と比較して電気代などの運転維持費も非常に高額である.

陽子線と炭素イオン線は物理学的特性も異なる。

Fig. 6, 7 に示したように, 陽子線および炭素イオン 線が持つブラッグピーク深部線量分布の物理特性に より，腫痬に対して高い線量集中性を活かした治療 が可能である．体内に入るに従い線量強度が放物線状に減少する X 線とは対照的に，標的に線量を集中 させることが可能である. 陽子線と炭素イオン線を 比較すると, 質量が陽子より 12 倍重い炭素イオン線 の方が側方のぶれが少なく, 側方線量分布がシャー プになる. さらにブラッグピークは炭素線の方が陽子線よりも鋭い分布形状を持ち, 腫瘍への線量集中性が高い。一方で，炭素イオン線では，体内原子核 との原子核反応によりブラッグピークより遠位の
ビーム終端でフラグメントテールと呼ばれる余分な 線量付与が生じてしまう。

歴史的に $\gamma$ 線治療が高エネルギー $\mathrm{X}$ 線治療に とって代わられたように, 将来的に陽子線治療は,

高エネルギー $\mathrm{X}$ 線治療にとって代わることが期待 されている。現在, 陽子線治療装置が高価格である こと, $\mathrm{X}$ 線治療装置の数十倍の大きさであることが 陽子線治療の普及を妨げる大きな要因となってい る. 陽子線治療装置のさらなる低価格化と小型化が 必要である.

## おわりに

高精度放射線治療である強度変調放射線治療，強度変調回転放射線治療, 画像誘導放射線治療, 陽子線治療, 重粒子線治療（炭素イオン線）の現状につ いて詳説した. 本邦では高齢化社会を迎え, 患者数 の増加が見达まれる。高精度放射線治療を用いるこ とで, さらなる治療成績の向上と副作用の軽減が期待される。

東京女子医科大学大学院医学物理学分野では, 他学や関連企業との連携で超小型陽子線治療装置の研究開発を進めている。

開示すべき利益相反状態はない.

## 文 献

1）「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 (略称：IMRT 物理技術ガイドライン)」 (IMRT 物理 QAガイドライン専門小委員会, 日本放射線腫瘍学会 QA 委員会作成). 日本放射線腫湟学会, 東京 (2011) https://www.jastro.or.jp/ customer/guideline/2016/10/IMRT2011.pdf（参照 2018 年 4 月)

2) Landberg T, Chavaudra J, Dobbs J et al: ICRU report 50; Prescribing, recording, and reporting photon beam therapy. J ICRU 26 (1): 1-72, 1993. https:// academic.oup.com/jicru/issue/os26/1\#745192923873 (accessed on April 2018)

3) International Commission on Radiation Units \& Measurements: 3. Special considerations regarding absorbed-dose and dose-volume in IMRT. ICRU Report 83; Prescribing, Recording and Reporting Intensity-Modulated Photon-Beam Therapy (IMRT). J ICRU 10 (1): 27-40, 2010. https://doi.org/ 10.1093/jicru/ndq008 (accessed on April 2018)

4）大西 洋，熊崎 祐，黒岡将彦ほか：画像唀導放射線治療臨床導入のためのガイドライン (略称： IGRT ガイドライン). 医物理 $30(2): 49-53,2010$

5) Newhauser WD, Durante M: Assessing the risk of second malignancies after modern radiotherapy. Nat Rev Cancer 11: 438-448, 2011

6) Particle Therapy Co-Operative Group: Particle therapy facilities in Operation. https://www.ptcog. ch/index.php/facilities-in-operation ( accessed on

April 2018)

7) Tsujii H, Mizoe JE, Kamada T et al: Overview of clinical experiences on carbon ion radiotherapy at NIRS. Radiother Oncol 73 (Suppl 2): S41-S49, 2004

8）日本放射線腫瘍学会：粒子線治療について. 粒子線治療（陽子線治療，重粒子線治療）の疾患別統一治療方針. https://www.jastro.or.jp/particle_beam/ detail.php?eid $=00002 （$ 参照 2018 年 4 月）
9）日本粒子線治療臨床研究会：日本国内の粒子線治療施設の治療デー夕集計結果 (1979 年〜2014 年). http://jcpt.kenkyuukai.jp/images/sys\%5 Cinformation\%5C20150916140220-DCEE96BB7112 E49A13ABBD030A7D8FAD9E99D35BF14CA2E 5894BDF1E444A1B47.pdf（参照 2018 年 4 月）

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