変形ベクトル場（DVF）駆動CT画像を用いたモンテカルロ計算による乳房放射線療法における皮膚線量評価

Core Concepts

乳房の変形を考慮した乳房放射線療法における皮膚線量計算のための、3Dスキャナー画像を用いたモンテカルロ計算に基づくフレームワークを開発し、その有効性を検証した。

Abstract

乳房放射線療法における皮膚線量計算フレームワークの開発と評価

本論文は、乳房放射線療法における皮膚線量計算のための新しいフレームワークを提案し、その有効性を検証した研究について報告している。

背景と目的

乳房がんは女性において最も一般的な癌であり、放射線療法は主要な治療法の一つである。しかし、放射線療法においては、皮膚や皮下組織への線量が高くなり、急性毒性（熱傷）を引き起こす可能性がある。皮膚への正確な線量を推定することは、これらの副作用を軽減するために重要となる。しかし、皮膚への線量計算は、空気と組織の界面における治療計画システム（TPS）の精度不足、計算時間の制約による計算グリッドサイズの妥協、治療中および治療期間中の呼吸や乳房の腫脹による乳房形状の変化など、多くの課題が存在する。

フレームワークの概要

本研究では、これらの課題を克服するために、モンテカルロ線量計算ツールと、治療セッション中に記録された3D表面データを用いた乳房変形アルゴリズムを組み合わせた計算フレームワークを開発した。このフレームワークは、以下の2つの主要な機能を提供する。

1. 乳房形状の経時的変化を再現した変形CT画像の作成に基づいて、治療計画の再計算の必要性を評価する。
2. モンテカルロ計算の精度を活用して、皮膚の最初の1mmに送達される線量を推定する。

材料と方法

本研究では、2019年から2020年にかけてICANSで実施された臨床試験に参加した60人の患者から取得したデータセット（MorphoBreast3D）を使用した。これらのデータには、治療計画に使用された患者のCT画像（皮膚を含む臓器の輪郭を含む）、TPSによって計算された線量マップ、およびArtec Eva 3Dハンドヘルドスキャナーを使用して異なる治療セッションで取得された患者胸部の3Dサーフェスメッシュのセットが含まれている。

まず、CTスキャンから取得した3Dサーフェス（Minit）と、治療セッション中に取得した3Dサーフェス（Ms）の間で、頂点ごとの対応付けを行った。次に、2つのサーフェスを整列させて対応する頂点を接続することにより、変形ベクトル場を計算した。次に、サーフェスMinitとCT画像を剛体的に位置合わせすることで、変位ベクトル場をCT画像に転送した。最後に、放射基底関数（RBF）を用いて変形CT画像を取得した。

変形された乳房形状を含むCT画像は、TPSグローバル線量計算とGATEモンテカルロ皮膚線量計算の両方に入力される。治療セッション中の乳房の正確な形状でTPSを使用して線量マップを再計算することで、初期線量計画からの逸脱を調べることで、治療の再計画が必要かどうかを医師が推定できるようになる。モンテカルロツールによる皮膚への線量計算は、最初の1mmの組織に対するTPS計算に追加情報を提供し、過小評価や過剰評価、ホットスポットなど、変形が皮膚への線量分布に与える影響を正確に調査するために使用される。

結果

本研究では、2人の患者に対して開発したフレームワークを適用した。これらの患者では、平均約5mmの乳房変形場の長さが得られた。各患者について、5つの変形CT画像（D+5、D+10、D+15、D+20、D+25）に対してAcuros TPSおよびGATE MCツールを用いて線量マップを計算し、元の治療計画の線量マップと比較した。

考察

本研究で得られた結果は、開発したフレームワークが乳房放射線療法における皮膚線量計算のための有望なツールであることを示唆している。本フレームワークは、以下の点で従来の方法よりも優れている。

• 3Dスキャナー画像を使用することで、追加のX線画像を必要とせず、患者の被曝線量を抑制できる。
• SGRT（Surface Guided Radiation Therapy）システムによって提供される画像を利用できる。

結論

本研究では、3Dスキャナー画像から得られた乳房の変形を考慮して、各セッションで皮膚線量を体系的に再計算できるようにするフレームワークを開発した。このフレームワークは、変形ベクトル場（DVF）駆動CT画像に基づいてモンテカルロ皮膚線量計算を可能にする。最初の患者における結果とSGRT画像の利用可能性は、治療中の再計画の決定において放射線療法士や医学物理士を支援し、治療の精度を向上させ、副作用の誘発をよりよく理解するための有用なデータを作成するための、この非電離放射線法の将来的な臨床使用を示唆している。

Stats

乳房がんはフランスでは女性に最も多く見られる癌であり、年間約60,000人の新規患者と10,000人以上の死亡者が報告されている。
乳がん患者の約85%が現在、放射線療法を受けている。
国際放射線防護委員会（ICRP）と国際放射線単位・測定委員会（ICRU）は、皮膚への線量の実用的な研究のために、0.07mmの厚さを推奨している。
モンテカルロ計算は、構成によっては皮膚に照射される線量の最大50%近くを占める可能性のある汚染電子の影響を考慮に入れている。
臨床試験には60人の患者が参加し、平均で約5mmの乳房変形場の長さが観察された。

Quotes

皮膚への線量は、加速器ヘッドからの低エネルギー光子の散乱、媒体に後方散乱された光子、および加速器ヘッドとヘッドと患者の界面（空気、付属品）で生成された汚染電子によるものである。

Key Insights Distilled From

Skin dose in breast radiation therapy: Monte Carlo calculations from deformed vector fields (DVF)-driven CT images

by Nicolas Arbo... at arxiv.org 10-30-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.21823.pdf

Deeper Inquiries

乳房の形状変化が大きい患者に対しても本フレームワークは有効であるか？

本フレームワークは、3Dスキャナーを用いて乳房の形状変化を捉え、その変化に基づいて線量計算を行うため、形状変化が大きい患者に対しても有効である可能性があります。論文中では、平均5mm程度の変形に対して適用した結果が示されています。しかし、変形の大きさや範囲によっては、精度が低下する可能性も考えられます。特に、非常に大きな変形の場合、初期CT画像からの変形ベクトル場の算出や、変形後のCT画像の生成において、誤差が生じる可能性があります。このような場合には、精度を維持するために、より高精度な変形アルゴリズムの適用や、複数回の3Dスキャンデータの利用などを検討する必要があるかもしれません。

モンテカルロ計算の計算コストは、臨床現場での実用性を損なうものではないか？

モンテカルロ計算は、従来の線量計算アルゴリズムに比べて計算コストが高いことが知られています。しかし、近年では計算機の性能向上やアルゴリズムの改良により、計算時間は大幅に短縮されています。本フレームワークでは、GPUなどを用いた高速化は明記されていませんが、実用的な時間内で計算が完了することが期待されます。論文中では、計算時間に関する具体的な言及はありませんが、60名の患者データに対して解析を行っていることから、臨床現場での利用を想定した計算時間であると考えられます。ただし、日常的な臨床業務に組み込むためには、計算時間や必要な計算資源などを考慮する必要があります。

本研究で開発された技術は、乳房以外の部位の放射線療法にも応用できるか？

本研究で開発された技術は、3Dスキャンデータを用いて体表面の形状変化を捉え、その変化に基づいて線量計算を行うという点で、乳房以外の部位の放射線療法にも応用できる可能性があります。例えば、頭頸部や腹部など、呼吸や体位による形状変化が大きい部位においても、本技術の応用が期待されます。ただし、部位によっては、以下のような課題を克服する必要があります。

臓器の動き: 乳房と比較して、臓器の動きが大きい部位 (例: 肺) に対しては、呼吸同期技術などと組み合わせる必要があるかもしれません。
形状の複雑さ: より複雑な形状の部位 (例: 頭頸部) に対しては、高精度な3Dスキャンデータの取得や、変形アルゴリズムの改良が必要となる可能性があります。
組織の不均一性: 組織の不均一性が大きい部位 (例: 骨盤部) に対しては、モンテカルロ計算における組織定義の精度向上が求められます。
これらの課題を克服することで、本研究で開発された技術は、様々な部位の放射線療法において、より正確な線量計算と治療効果の向上に貢献することが期待されます。