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WO2024116891A1 - 線量評価方法、照射計画方法、線量評価装置、制御プログラム、および記録媒体 - Google Patents

線量評価方法、照射計画方法、線量評価装置、制御プログラム、および記録媒体 Download PDF

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Publication number
WO2024116891A1
WO2024116891A1 PCT/JP2023/041401 JP2023041401W WO2024116891A1 WO 2024116891 A1 WO2024116891 A1 WO 2024116891A1 JP 2023041401 W JP2023041401 W JP 2023041401W WO 2024116891 A1 WO2024116891 A1 WO 2024116891A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
dose
radiation
type
information
cell
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/041401
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
雅史 八木
和賢 皆巳
伸一 清水
Original Assignee
国立大学法人大阪大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人大阪大学 filed Critical 国立大学法人大阪大学
Publication of WO2024116891A1 publication Critical patent/WO2024116891A1/ja

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00—Radiation therapy
    • A61N5/10—X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy

Definitions

  • the present invention relates to a dose evaluation method for evaluating clinical doses in radiation irradiation, an irradiation planning method, a dose evaluation device, a control program, and a recording medium.
  • a treatment plan is created by estimating the dose distribution within the body in order to predict the effects on irradiated targets, such as a tumor that has developed in an organ and the surrounding normal organs.
  • the clinical dose is calculated using the method described in Patent Document 1 or Patent Document 2, the dose distribution in the subject's body is estimated based on the clinical dose, and a treatment plan is created based on the dose distribution.
  • the dose evaluation method includes a calculation information acquisition step of acquiring calculation target information including information on the radiation, including the dose or dose rate of the radiation irradiated to the irradiation target, and information on the type of cells constituting the irradiation target that are irradiated with the radiation, an absorbed dose acquisition step of acquiring, for each type of cell constituting the irradiation target, absorbed dose information indicating the absorbed dose, which is the energy of the radiation absorbed by the cell type, and a calculation step of calculating the clinical dose to be irradiated to the irradiation target for each type of cell based on the calculation target information and the absorbed dose information.
  • the irradiation planning method according to aspect 2 of the present invention creates a radiation irradiation plan for the irradiation control based on the clinical dose calculated by the dose evaluation method described in aspect 1 above.
  • the dose evaluation device includes a calculation information acquisition unit that acquires calculation target information including information on the radiation, including the dose or dose rate of the radiation irradiated to the irradiation target, and information on the type of cells constituting the irradiation target that are irradiated with the radiation, an absorbed dose acquisition unit that acquires, for each type of cell constituting the irradiation target, absorbed dose information indicating the absorbed dose, which is the energy of the radiation absorbed by the cell type, and a calculation unit that calculates the clinical dose to be irradiated to the irradiation target for each type of cell based on the calculation target information and the absorbed dose information.
  • the dose evaluation device may be realized by a computer.
  • the control program for the dose evaluation device which causes the computer to operate as each unit (software element) of the dose evaluation device to realize the dose evaluation device, and the computer-readable recording medium on which the control program is recorded, also fall within the scope of the present invention.
  • the dose assessment method of the present invention allows clinical doses to be assessed more accurately than conventional methods.
  • 1 is an example of a graph showing the relationship between the survival rate of human submandibular gland-derived adenocarcinoma cells (HSG cells) and the dose of radiation irradiated in an ultra-high dose rate heavy ion beam irradiation experiment.
  • 1 is an example of a graph showing the relationship between the survival rate of bronchial epithelial cells (Nuli-1 cells) and the dose of radiation irradiated in an ultra-high dose rate heavy ion beam irradiation experiment.
  • 1 is an example of a graph showing the relationship between the survival rate of human dermal fibroblasts (HDF cells) and the dose of radiation irradiated in an ultra-high dose rate heavy particle beam irradiation experiment.
  • 1 is an example of a graph showing the relationship between the survival rate of a type of cell X other than HSG cells, Nuli-1 cells, and HDF cells and the dose of radiation applied in an ultra-high dose rate heavy particle beam irradiation experiment.
  • 1 is a graph showing an example of the measurement results obtained by a heavy ion beam irradiation experiment with respect to the radiation dose of a heavy ion beam and the cell survival rate, and the results calculated according to the present invention so as to match the measurement results.
  • 1 is a block diagram showing an example of a configuration of a dose evaluation device. 4 is a flowchart showing an example of a flow of processing performed in the dose evaluation apparatus.
  • FIG. 1 is a graph showing an example of the relationship between an absorbed dose, which indicates the amount of radiation energy absorbed by an irradiated object when the object is irradiated with radiation, and a depth from the body surface of the irradiated object.
  • 1 is a graph showing the relationship between the absorbed dose, which indicates the amount of radiation energy absorbed by the target, and the depth from the body surface of the target when multiple energy beams are irradiated in radiation therapy.
  • FIG. 1 is a relationship diagram showing the relationship between absorbed dose, biological dose, and clinical dose.
  • 1 is an example of a dose distribution map showing a result of estimating a dose distribution in heavy ion radiotherapy using a conventional dose distribution calculation method.
  • Heavy ion radiotherapy is a type of radiotherapy that uses heavy ion beams (e.g., carbon ion beams) as a type of cancer treatment. Heavy ion beams have a higher ability to kill cancer cells in a tumor area than radiation (e.g., photon beams (e.g., X-rays), electron beams, or proton beams) that have been used in conventional radiotherapy. Therefore, heavy ion radiotherapy is a radiotherapy suitable for cancer treatment.
  • heavy ion beams e.g., carbon ion beams
  • radiation e.g., photon beams (e.g., X-rays), electron beams, or proton beams
  • Figure 8 is a graph showing an example of the relationship between the absorbed dose, which indicates the amount of radiation energy absorbed by the subject when irradiated with radiation, and the depth from the body surface of the subject.
  • the relationship between the absorbed dose and the depth from the body surface of the subject is shown for a proton beam, which is a type of particle beam.
  • some radiation has the property that when irradiated to the human body, which is the subject of irradiation, it shows its maximum effect deep within the body of the person, and particle beams such as carbon beams have this property.
  • Figure 9 is a graph showing the relationship between the absorbed dose, which indicates the amount of radiation energy absorbed by the target, and the depth from the body surface of the target when multiple energy beams are superimposed and irradiated in radiation therapy.
  • radiation therapy employs a method in which multiple energy beams are superimposed and irradiated to the tumor area (area indicated by arrow Y in Figure 9).
  • Particle beams have the property that when irradiated to a target such as the human body, they are most effective deep within the target's body. Utilizing this property, particle beam therapy uses overlapping beams of multiple energies to irradiate the tumor area, making it possible to concentrate radiation on the tumor area and less likely to damage the area of normal cells surrounding the tumor area (the area indicated by the arrow X in Figure 9). For this reason, heavy ion beam therapy has a shorter treatment period than conventional radiation therapy, and can achieve a high quality of life (QOL) for patients undergoing treatment.
  • QOL quality of life
  • the dose distribution of heavy ion beams within the body is estimated in advance. Based on the estimated dose distribution, the amount of radiation to be irradiated to the tumor during treatment is determined and a treatment plan is formulated.
  • Absorbed dose is the amount of energy absorbed by a substance per unit mass due to radiation irradiation. It is known that the degree of the effect of heavy particles such as carbon particles on irradiated cells cannot be evaluated by absorbed dose alone, and the dose distribution in heavy ion radiotherapy cannot be estimated based only on the physical absorbed dose (also called physical dose) as in general photon radiotherapy and proton radiotherapy. In order to estimate the dose distribution, it is necessary to consider the biological dose, which is the dose that takes into account the biological effect, and the clinical dose, which is the dose that takes into account the clinical effect.
  • the relationship between absorbed dose, biological dose, and clinical dose is shown in Figure 10.
  • the biological dose is the absorbed dose multiplied by the relative biological effectiveness (RBE).
  • RBE is an index used to indicate that the strength of biological effects varies depending on the type and depth of radiation.
  • RBE is the ratio of the absorbed dose of radiation (reference X-rays) required to achieve a certain effect to the absorbed dose of radiation (radiation irradiated to the subject) required to achieve the same effect.
  • the value of RBE varies depending on the type of radiation, etc.
  • RBE is a value obtained by conducting an experiment (cell irradiation experiment) in which a cultured cell line is irradiated with heavy ion beams and a biological evaluation based on the cell irradiation experiment in advance.
  • the clinical dose is the amount of radiation actually irradiated to a target such as a tumor, and is usually determined by multiplying the calculated biological dose by an empirical coefficient (e.g., 1.46).
  • the value of the RBE that should be applied depending on the type and quality of radiation is experimentally determined, so when estimating the dose distribution in heavy ion radiotherapy, the biological dose is calculated using the RBE that should be applied to the absorbed dose, and the radiation dose (clinical dose) to be irradiated to the tumor during treatment is determined from the calculated biological dose.
  • FIG. 11 is an example of a dose distribution map showing the results of estimating the dose distribution in heavy ion radiotherapy using a conventional dose distribution calculation method (described later). As shown in Figure 11, the dose distribution map is created by drawing contour lines (dashed lines in Figure 11) on a medical image of the irradiated target (solid lines in Figure 11).
  • d i is the absorbed dose in the standard cell.
  • HSG cell human submandibular gland-derived adenocarcinoma cell line
  • the coefficients ⁇ and ⁇ are values based on a function created from a survival rate curve obtained from an experiment in which cells were irradiated with radiation, with the linear energy transfer (LET) being the variable.
  • the biological dose d bio,i at the position of interest i is calculated by the following equation (2), which is a conventional estimation equation, and the clinical dose is calculated based on the biological dose.
  • irradiation may be performed at a dose rate significantly higher than normal (e.g., 400 times or more than the dose rate used in normal radiation therapy). It has been found that when radiation is irradiated at this ultra-high dose rate, the effect of suppressing damage to normal tissues while maintaining the local control rate of the tumor is observed. This effect is called the FLASH effect. Note that while the dose is the strength of the radiation, the "dose rate" means the dose irradiated per unit time within a certain area.
  • the "dose rate used in normal radiation therapy” means, for example, a dose rate of 0.03 Gy/sec (when a physical dose of 2 Gy is irradiated to an irradiation volume of 1 liter (10 cm x 10 cm x 10 cm) with a range of 20 g/cm2).
  • the "ultra-high dose rate” means, for example, a dose rate of 40 Gy/sec or more.
  • Figures 1 to 4 are examples of graphs showing the relationship between the survival rate of irradiated cells and the dose of irradiated radiation in ultra-high dose rate heavy particle beam irradiation experiments.
  • the cells to be irradiated in Figures 1 to 4 are as follows.
  • Figure 1 Human submandibular gland adenocarcinoma cells (HSG cells).
  • Figure 2 Bronchial epithelial cells (Nuli-1 cells).
  • Figure 3 Human dermal fibroblasts (HDF cells).
  • Figure 4 Other types of cells X other than HSG cells, Nuli-1 cells and HDF cells.
  • Figure 1 is a graph showing the results when standard cells (HSG cells) were irradiated with heavy ion beams at normal dose rates and ultra-high dose rates.
  • the dashed line is a survival rate curve showing the relationship between the dose of heavy ion beam irradiated and the survival rate when irradiated with heavy ion beams at normal dose rates
  • the solid line is a survival rate curve showing the relationship between the dose of heavy ion beam irradiated and the survival rate when irradiated with heavy ion beams at ultra-high dose rates.
  • Figures 2 and 3 show the results when Nuli-1 cells and HDF cells were irradiated with normal dose rates and ultra-high dose rates, respectively.
  • Figures 2 and 3 show survival rate curves when Nuli-1 cells and HDF cells are irradiated with heavy ion beams under normal dose rate conditions and ultra-high dose rate conditions, respectively.
  • the dashed lines are survival rate curves showing the relationship between the dose of irradiated heavy ion beams and survival rate when irradiating with heavy ion beams under normal dose rate conditions
  • the solid lines are survival rate curves showing the relationship between the dose of irradiated heavy ion beams and survival rate when irradiating with heavy ion beams under ultra-high dose rate conditions.
  • the inventors conducted a detailed study of the FLASH effect when irradiating cells with ultra-high dose rate heavy ion beams, and as shown in Figures 2 and 3, it was clearly confirmed that when cells are irradiated with heavy ion beams, there is a difference in cell survival rate in the high dose range between normal dose rates and ultra-high dose rates. Specifically, when irradiation was performed at an ultra-high dose rate, the survival rate was higher than when irradiation was performed at a normal dose rate. Furthermore, the degree to which the survival rate in irradiation with an ultra-high dose rate is higher than that in irradiation with a normal dose rate increases with increasing dose.
  • Figure 4 shows a survival rate curve showing the relationship between the dose of irradiated heavy ion beams and the survival rate when a type of cell X other than HSG cells, Nuli-1 cells, and HDF cells is irradiated with heavy ion beams under normal dose rate conditions and ultra-high dose rate conditions.
  • the survival rate curve under high dose rate conditions would not be the thin solid line (402) that is an approximation to the normal dose rate condition (thin dashed line: 401), but would be similar to the thick solid line (403) that is significantly different from the thin solid line. Note that the dashed and solid lines in Figure 4 were calculated based on conventional methods for calculating biological dose and cell survival rate.
  • the survival rate of cells irradiated with radiation is as follows: ⁇ Cell type - Radiation type (ion) ⁇ Radiation quality (energy) It was found that the survival rate of cells exposed to radiation depends on Radiation dose Or, the radiation dose rate (dose_rate) calculated by converting the dose irradiated in a certain area into a unit time It was also found to depend on
  • cell types refer to cells that differ in location and role within the body of the irradiated subject.
  • “different types of cells” refer to cells that make up different organs of the subject (e.g., liver, skin).
  • Specific examples of cell types include cancer cells of lung cancer, liver cancer, and pancreatic cancer, which are often the targets of radiation therapy.
  • specific examples of cell types include normal cells of the skin, intestines, and lungs.
  • the dose distribution in the body is estimated by substituting the survival rate S i calculated by applying the absorbed dose in HSG cells, which are standard cells, to equation (1) into equation (2) to estimate the biological dose d bio,i .
  • d i is the absorbed dose for each type of cell
  • coefficient ⁇ new , coefficient ⁇ new and correction term C are as follows:
  • the survival rate of cells irradiated with radiation depends on the type of cell (cell), the type of radiation (ion), and the radiation quality (energy), and also on the radiation dose (dose) or radiation dose rate (dose_rate). This knowledge is expressed as a relational equation in the above equation (3).
  • equation (3) calculates a value indicating the survival rate S′ i , which depends on the cell type, the radiation type, the radiation quality and the radiation dose (or dose rate).
  • the coefficients ⁇ new and ⁇ new are values determined by performing an experiment (cell irradiation experiment) in which a cultured cell line (a type of cell for which dose calculation is to be performed) is irradiated with radiation, in the same manner as when the coefficients ⁇ and ⁇ for the standard cell are determined in the formula (1) in the conventional method.
  • a survival rate curve showing the relationship between the dose and the survival rate in the cell is obtained by the cell irradiation experiment, and the values of the coefficients ⁇ new and ⁇ new are determined so that the data matches well with the calculation results based on the formula (3).
  • the correction term C is a value that corrects the survival rate obtained using the coefficients ⁇ new and ⁇ new so that it matches the results of the irradiation experiment under the ultra-high dose rate condition.
  • d i is the absorbed dose for each type of cell
  • coefficients ⁇ new , ⁇ new , ⁇ , and ⁇ are as follows:
  • formula (4) is derived from the knowledge that the survival rate of cells irradiated with radiation depends on the type of cell (cell), the type of radiation (ion), and the radiation quality (energy), and further depends on the radiation dose (dose) or the radiation dose rate (dose_rate).
  • Formula (4) which includes coefficients ⁇ new , ⁇ new , ⁇ , and ⁇ , calculates a value indicating the survival rate S′ i that depends on the type of cell, the type of radiation, the radiation quality, and the radiation dose (or dose rate).
  • a survival rate curve showing the relationship between the dose and the survival rate in the cells is obtained by a cell irradiation experiment, and the values of the coefficients ⁇ new , ⁇ new , ⁇ and ⁇ are determined so that the data closely matches the calculation results based on formula (4).
  • Formula (4) makes it possible to calculate a value showing a more accurate survival rate S' i that reflects the difference in survival rate between normal dose rate conditions and ultra-high dose rate conditions, and the difference in survival rate due to cell type. Furthermore, formula (4) is excellent in that it can accurately calculate the survival rate in the high dose range.
  • the biological dose d bio, i at the position of interest i can be calculated based on the following formula (5) obtained by applying the survival rate S' i calculated using formula (3) or formula (4) to the conventional formula (2). Unlike the conventional formula (2), the calculation using formula (5) is performed using the survival rate S' i for each type of cell calculated using formula (3) or formula (4).
  • the clinical dose can be calculated by multiplying the biological dose d bio,i calculated using formula (5) by an empirical coefficient (as mentioned above, 1.46 is often used) for converting the response from cells to tissues and rescaling it.
  • the clinical dose calculated in this way corresponds to a value that depends on the survival rate S' i for each type of cell calculated using formula (3) or formula (4).
  • the coefficient ⁇ new , the coefficient ⁇ new and the correction term C corresponding to the type of cells to be treated are applied to formula (3), and the obtained survival rate S' i is applied to formula (5) to calculate the biological dose d bio,i , and the calculated biological dose d bio,i is multiplied by the above-mentioned predetermined coefficient to calculate the clinical dose.
  • the coefficient ⁇ new , the coefficient ⁇ new , the coefficient ⁇ and the coefficient ⁇ corresponding to the type of cells to be treated are applied to formula (4), and the obtained survival rate S' i is applied to formula (5) to calculate the biological dose d bio,i , and the calculated biological dose d bio,i is multiplied by the above-mentioned predetermined coefficient to calculate the clinical dose.
  • formula (3) or formula (4) is applied to the normal cells to be evaluated. Then, based on the calculated clinical dose, the dose distribution when the radiation is irradiated to the irradiation target is estimated, and a treatment plan for the patient is created.
  • the preparation of the treatment plan may include a step of preparing a radiation irradiation plan for the irradiation target based on the calculated clinical dose.
  • the subject of radiation irradiation is typically a human, but is not limited to this and may be an animal such as a dog or a cat.
  • Specific targets for radiation irradiation include organs and other organs including tumor areas.
  • the conventional formula calculated the dose only depending on the absorbed dose and LET in the standard cells, without considering factors such as the type of cell, the type of radiation, and the radiation dose (or dose rate). Therefore, when performing ultra-high dose irradiation that produces the FLASH effect, the dose distribution calculated by the conventional method may deviate from the radiation dose distribution that actually acts on the cells to be irradiated.
  • the conventional formula did not take into account that when heavy ion beams are irradiated to cells other than standard cells, the dose that actually acts on the cells to be irradiated will differ depending on the type of cell. Therefore, the conventional formula could not accurately estimate the dose distribution when heavy ion beams are irradiated to an irradiation target that contains cells that respond differently from standard cells.
  • the improved formula (3) and formula (4) and the formula (5) reflecting these formulas take into consideration that the response differs depending on the type of cell.
  • the coefficient ⁇ new , the coefficient ⁇ new , and the correction term C in formula (3) and the coefficient ⁇ new , the coefficient ⁇ new , the coefficient ⁇ , and the coefficient ⁇ in formula (4) are all values that depend on the type of cell.
  • these formulas (3) and (4) and the formula (5) reflecting these formulas take into consideration the effect on the subject when performing ultra-high dose irradiation.
  • the correction term C in formula (3) and the coefficient ⁇ and the coefficient ⁇ in formula (4) are values that also depend on dose (or dose rate).
  • the dose estimation method of the present invention can also be used to optimize dose distribution and dose rate distribution in ultra-high dose rate heavy ion beam therapy.
  • ultra-high dose rate heavy ion beam therapy a higher tumor control rate and a lower incidence of side effects can be expected than ever before due to the synergistic effect of the physical characteristic of heavy ion beams, which is the high dose concentration on tumors, and the biological effect of reducing damage to normal tissues due to the FLASH effect. This is expected to increase the opportunities for cancer treatment in an aging society and further improve quality of life.
  • the above describes the method for calculating the clinical dose according to the present invention using an example in which cells are irradiated with a heavy particle beam, but the method for calculating the clinical dose according to the present invention can also be applied when cells are irradiated with a photon beam, an electron beam, or a proton beam.
  • FIG. 5 shows a survival rate curve obtained according to formula (4) for HSG cells, which are often considered standard cells in heavy ion radiotherapy.
  • the open circles ( ⁇ ) and filled circles ( ⁇ ) in Figure 5 represent data measured in heavy ion beam irradiation experiments.
  • the open circles ( ⁇ ) represent the results when heavy ion beams were irradiated under normal dose rates (0.1 Gy/s), and the filled circles ( ⁇ ) represent the results when heavy ion beams were irradiated under ultra-high dose rates (100 Gy/s).
  • the coefficients ⁇ new , ⁇ new , ⁇ and ⁇ in formula (4) were determined so as to best match the measurement results of heavy particle irradiation experiments at normal dose rates and ultra-high dose rates, respectively.
  • the survival rate curve obtained using formula (4) is shown in Figure 5.
  • the thick solid line (reference number 501) in Figure 5 is the survival rate curve under ultra-high dose rate conditions calculated according to formula (4).
  • the thin solid line (reference number 502) and thin dashed line (reference number 503) in Figure 5 are the survival rate curves under normal dose rate conditions and ultra-high dose rate conditions, respectively, calculated according to the conventional formula (1) for comparison.
  • Fig. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of the dose evaluation device 1 according to one embodiment of the present invention.
  • the dose evaluation device 1 is a device to which a dose calculation method using formulas (3) and (5) or formulas (4) and (5) created by the inventors as described above is applied, and is capable of calculating a dose using input information and an improved formula, and outputting information indicating a dose distribution based on the calculated value.
  • the dose evaluation device 1 includes a control unit 11, a storage unit 12, and an output unit 13.
  • the control unit 11 controls the operation of each unit of the dose evaluation device 1 and performs calculation processing.
  • the control unit 11 includes a calculation information acquisition unit 111, an absorbed dose acquisition unit 112, a calculation unit 113, and an evaluation information generation unit 114.
  • the calculation information acquisition unit 111 acquires calculation target information, which is information necessary for calculation, and outputs the acquired information to the calculation unit 113.
  • the calculation target information includes information about the radiation irradiated to the irradiation target, and information about the type of cells constituting the irradiation target that are irradiated with the radiation. Furthermore, the information about the radiation includes information about the radiation dose or dose rate.
  • the dose evaluation device 1 may be equipped with an input unit (not shown), and the calculation information acquisition unit 111 may acquire the calculation target information by inputting various information to the input unit by a user of the dose evaluation device 1.
  • the absorbed dose acquisition unit 112 acquires absorbed dose information, which is information necessary for calculation, for each type of cell constituting the irradiation target, and outputs the acquired information to the calculation unit 113.
  • the absorbed dose information is information indicating, for each type of cell constituting the irradiation target, the absorbed dose, which is the radiation energy absorbed by that type of cell.
  • the dose evaluation device 1 may be equipped with an input unit (not shown), and the absorbed dose acquisition unit 112 may acquire the absorbed dose information by inputting various information to the input unit by a user of the dose evaluation device 1.
  • the calculation unit 113 calculates the clinical dose for each cell type based on the calculation target information and absorbed dose information acquired from the calculation information acquisition unit 111 and absorbed dose acquisition unit 112. Alternatively, the calculation unit 113 calculates the clinical dose according to the radiation irradiated to the target based on the calculation target information and absorbed dose information acquired from the calculation information acquisition unit 111 and absorbed dose acquisition unit 112.
  • the calculation unit 113 when the calculation unit 113 acquires the calculation target information and absorbed dose information required for the calculation from the calculation information acquisition unit 111 and the absorbed dose acquisition unit 112, the calculation unit 113 refers to the storage unit 12 and acquires the formula data 121 used for the calculation.
  • the formula data 121 is for the above-mentioned formula (3) and formula (5) or formula (4) and formula (5)
  • the calculation unit 113 calculates the survival rate S' i for each type of cell based on the acquired information and formula (3) or formula (4).
  • the calculation unit 113 calculates the survival rate S' i that depends on the type of cell, the type of radiation, the radiation quality, and the radiation dose (or dose rate) based on formula (3) or formula (4).
  • the calculation unit 113 calculates the biological dose d bio,i based on the calculated survival rate S' i for each type of cell and formula (5). Furthermore, the calculation unit 113 calculates the clinical dose based on the biological dose d bio,i . Since the survival rate S'i and the biological dose d bio,i depend on the type of cell, the calculation unit 113 can calculate the clinical dose for each type of cell.
  • the calculation unit 113 may be configured to calculate the absorbed dose, clinical dose, etc., based on the survival rate S'i for each type of cell, using the method described in Japanese Patent No. 5454989.
  • the evaluation information generating unit 114 generates evaluation information indicating a dose distribution for each type of cell based on the calculated clinical dose.
  • the evaluation information generating unit 114 also controls the output unit 13 to output the evaluation information.
  • the evaluation information is information indicating an evaluation regarding the irradiated radiation, and may be, for example, a survival rate S' i or a biological dose d bio,i for each type of cell calculated by the calculation unit 113.
  • the evaluation information generating unit 114 may further process the calculated value and output information indicating the processed result from the output unit 13 as evaluation information. For example, the evaluation information generating unit 114 may calculate a clinical dose from the biological dose d bio,i calculated by the calculation unit 113, and output the result from the output unit 13 as evaluation information.
  • the evaluation information generating unit 114 may process the survival rate S′ i or the biological dose d bio,i for each cell type calculated by the calculating unit 113, and output it from the output unit 13 in a format such as DVH (dose volume histogram) or DRVH (dose rate volume histogram).
  • the evaluation information generating unit 114 may also create a dose distribution diagram showing the dose distribution in the body of the subject based on the clinical dose for each type of cell, and output evaluation information including the dose distribution diagram from the output unit 13. For example, when the calculation unit 113 calculates the biological dose d bio,i in cells (for example, organs) at multiple locations in the body of the subject, the evaluation information generating unit 114 may create a dose distribution diagram in which contour lines corresponding to the biological dose or the clinical dose calculated from the biological dose are drawn on image data obtained by capturing an image of the inside of the body of the subject.
  • the image data may be an X-ray CT (computed tomography) image, an MRI (magnetic resonance imaging) image, or the like.
  • the image data may also be a virtual CT image constructed from an estimation model using Dual Energy CT or AI.
  • the storage unit 12 is a storage device that stores various computer programs read by the control unit 11 and data used in various processes executed by the control unit 11. For example, the storage unit 12 stores formula data 121 for formulas (3) and (5) or formulas (4) and (5) used by the calculation unit 113 in the calculation. The storage unit 12 may also store tables or the like for converting various data acquired by the calculation information acquisition unit 111 and the absorbed dose acquisition unit 112 into parameters applicable to the calculation performed by the calculation unit 113. In addition, when the evaluation information generation unit 114 processes data for further calculations, etc., the storage unit 12 stores data such as formulas or tables used for the calculations, etc. When other calculations are performed, the storage unit 12 also stores data for the formulas for those calculations.
  • the output unit 13 is, for example, a display capable of displaying data, and outputs evaluation information such as values calculated by the calculation unit 113 or data processed by the evaluation information generation unit 114 in a format that can be confirmed by the user of the dose evaluation device 1, in accordance with the control of the evaluation information generation unit 114.
  • the dose evaluation device 1 can perform calculations using a new formula to estimate the biological dose in heavy ion radiotherapy, visualize the dose distribution inside the body, and provide this to users such as medical professionals.
  • Fig. 7 is a flowchart showing an example of the flow of processing (estimation method) executed by the dose evaluation device 1.
  • the calculation information acquisition unit 111 acquires calculation target information, which is each piece of information necessary for the calculation performed by the calculation unit 113 (S1: calculation information acquisition step), and outputs it to the calculation unit 113.
  • the calculation information acquisition unit 111 acquires the calculation target information by inputting it to an input device by a user or by communicating with an external device that stores each piece of information.
  • the absorbed dose acquisition unit 112 acquires absorbed dose information indicating the absorbed dose, which is the radiation energy absorbed by each type of cell constituting the irradiation target, for each type of cell (S2: absorbed dose acquisition step), and outputs this to the calculation unit 113.
  • the absorbed dose acquisition unit 112 acquires the absorbed dose information by inputting the information into an input device by a user or by communicating with an external device that stores each piece of information.
  • the calculation unit 113 acquires the calculation target information and absorbed dose information from the calculation information acquisition unit 111 and the absorbed dose acquisition unit 112, it refers to the storage unit 12 and acquires mathematical formula data 131 to be used for calculation.
  • the calculation unit uses formula (3) or (4) among the mathematical formulas to calculate the survival rate S'i for each cell type based on the acquired evaluation target information and absorbed dose information (S3).
  • the calculation unit 113 calculates the biological dose d bio,i for each type of cell based on the survival rate S'i using formula (5).
  • the calculation unit 113 outputs information indicating the calculated biological dose d bio,i to the evaluation information generation unit 114.
  • the calculation unit 113 also calculates the clinical dose for each type of cell using the biological dose d bio,i calculated based on the calculation target information.
  • the calculation unit 113 calculates the clinical dose to be irradiated to the irradiation target for each type of cell based on the calculation target information and the absorbed dose information (S4: calculation step).
  • the calculation unit 113 rescales the calculated biological dose d bio,i by multiplying it by an empirical coefficient (e.g., 1.46) that converts from cells to tissue response, and calculates the clinical dose.
  • an empirical coefficient e.g., 1.46
  • the evaluation information generating unit 114 performs further calculations and data processing on the calculated biological dose d bio,i or clinical dose to generate a dose distribution map, etc. Thereafter, the evaluation information generating unit 114 controls the output unit 13 to output the dose calculated by the calculation unit 113 or evaluation information generated based on the dose, such as a clinical dose (S5).
  • the dose evaluation device 1 according to the present invention uses the above-mentioned formula (3) and formula (5) or the dose calculation method according to formula (3) and formula (5). This makes it possible to more accurately formulate a treatment plan for treatment using heavy particle beams at ultra-high dose rates. Furthermore, the dose evaluation device according to the present invention can visualize the dose distribution based on the calculated dose and provide it to medical personnel.
  • the functions of the dose evaluation device 1 can be realized by a program for causing a computer to function as the device, and by a program for causing a computer to function as each control block of the dose evaluation device (particularly each part included in the control unit 11).
  • the dose evaluation device includes a computer having at least one control device (e.g., a processor) and at least one storage device (e.g., a memory) as hardware for executing the program.
  • control device e.g., a processor
  • storage device e.g., a memory
  • the program may be recorded on one or more computer-readable recording media, not on a temporary basis.
  • the recording media may or may not be included in the dose evaluation device. In the latter case, the program may be supplied to the dose evaluation device via any wired or wireless transmission medium.
  • each of the above control blocks can be realized by a logic circuit.
  • a logic circuit for example, an integrated circuit in which a logic circuit that functions as each of the above control blocks is formed is also included in the scope of the present invention.
  • each process described in each of the above embodiments may be executed by AI (Artificial Intelligence).
  • AI Artificial Intelligence
  • the AI may run on the control device, or may run on another device (such as an edge computer or a cloud server).
  • the dose evaluation method includes a calculation information acquisition step of acquiring calculation target information including information on radiation, including a dose or dose rate of the radiation irradiated to an irradiation target, and information on the type of cells constituting the irradiation target that are irradiated with the radiation, an absorbed dose acquisition step of acquiring, for each type of cell constituting the irradiation target, absorbed dose information indicating an absorbed dose, which is the energy of the radiation absorbed by each type of cell, and a calculation step of calculating a clinical dose to be irradiated to the irradiation target, for each type of cell, based on the calculation target information and the absorbed dose information.
  • the absorbed dose which is the energy of the radiation absorbed by the target, may differ for each type of cell.
  • the absorbed dose may also differ depending on the dose rate at which the target is irradiated.
  • a dose evaluation method is the method according to Aspect 1, wherein the information on the radiation includes information on a radiation type and a radiation quality of the radiation, and the calculation step may calculate a survival rate S′ i for each of the cell types by the following formula (I), and calculate the clinical dose for each of the cell types constituting the irradiated subject based on the calculated survival rate S′ i :
  • d i is the absorbed dose for each cell type
  • the coefficients ⁇ and ⁇ are values obtained for each type of cell from a survival rate curve that indicates the relationship between the dose of radiation irradiated to an irradiation target and the survival rate for the radiation type and radiation quality
  • the correction term C may be a value that corrects the survival rate obtained using the coefficients ⁇ new and ⁇ new in accordance with the radiation dose or dose rate.
  • a dose evaluation method is the method according to Aspect 1, wherein the information on the radiation includes information on a radiation type and a radiation quality of the radiation, and the calculation step may calculate a survival rate S′ i for each of the cell types by the following formula (II), and calculate the clinical dose for each of the cell types constituting the irradiation target based on the calculated survival rate S′ i :
  • d i is the absorbed dose for each cell type
  • the coefficients ⁇ new , ⁇ new , ⁇ and ⁇ are values obtained for each type of cell from a survival rate curve showing the relationship between the dose of radiation irradiated to the irradiated subject and the survival rate for the radiation line type and radiation quality, and the coefficients ⁇ and ⁇ may be values that depend on the dose or dose rate of the radiation.
  • the dose evaluation method according to aspect 4 of the present invention is any one of aspects 1 to 3 above, in which the radiation may be any one of a heavy particle beam, a photon beam, an electron beam, or a proton beam.
  • the above configuration allows for more accurate calculation of clinical dose, and therefore allows for more accurate calculation of clinical dose in radiation therapy using heavy particle beams, electron beams, proton beams, etc. Therefore, by using this dose evaluation method, it is possible to create an appropriate and safe treatment plan for radiation irradiation therapy.
  • the dose evaluation method according to aspect 5 of the present invention may be any one of aspects 1 to 3 above, in which the radiation is a heavy particle beam and the dose rate of the radiation is in the ultra-high dose rate range.
  • the above configuration allows for more accurate calculation of clinical doses than ever before, making it possible to more accurately formulate treatment plans for treatments using heavy ion beams at ultra-high dose rates.
  • the dose evaluation method according to aspect 6 of the present invention may be the above-mentioned aspect 5, in which the dose rate of the radiation is 40 Gy/sec or more.
  • the irradiation planning method according to aspect 7 of the present invention creates a radiation irradiation plan for the irradiation target based on the clinical dose calculated by the dose evaluation method according to any one of aspects 1 to 3 above.
  • an irradiation plan is created based on a more accurate clinical dose that takes into account the cell type and dose rate, making it possible to create a more appropriate and safer irradiation plan for radiation therapy.
  • the dose evaluation device includes a calculation information acquisition unit that acquires calculation target information including information on the radiation, including the dose or dose rate of the radiation irradiated to the irradiation target, and information on the type of cells constituting the irradiation target that are irradiated with the radiation, an absorbed dose acquisition unit that acquires, for each type of cell constituting the irradiation target, absorbed dose information indicating the absorbed dose, which is the energy of the radiation absorbed by the cell type, and a calculation unit that calculates the clinical dose to be irradiated to the irradiation target for each type of cell based on the calculation target information and the absorbed dose information.
  • the control program according to aspect 9 of the present invention is a control program for causing a computer to function as the dose evaluation device described in aspect 8 above, and causes the computer to function as the calculation unit.
  • the recording medium according to aspect 10 of the present invention is a computer-readable recording medium on which the control program according to aspect 9 is recorded.

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Abstract

臨床線量を正確に評価する。線量評価方法は、照射対象に照射される放射線の線量または線量率を含む前記放射線に関する情報、および該放射線の照射を受ける前記照射対象を構成する細胞の種類に関する情報を含む算出対象情報を取得する算出情報取得ステップ（Ｓ１）と、前記照射対象を構成する細胞の種類毎に、当該種類の細胞が吸収する前記放射線のエネルギーを示す吸収線量を取得する吸収線量取得ステップ（Ｓ２）と、前記照射対象に照射する臨床線量を、前記算出対象情報および前記吸収線量情報に基づいて、前記細胞の種類毎に算出する算出ステップ（Ｓ４）と、を含む。

Description

線量評価方法、照射計画方法、線量評価装置、制御プログラム、および記録媒体
　本発明は放射線照射における臨床線量を評価する線量評価方法、照射計画方法、線量評価装置、制御プログラム、および記録媒体に関する。
　従来、放射線治療を行う場合、臓器に発生した腫瘍およびその周囲の正常な臓器等の照射対象への影響を予測するため、体内での線量分布を推定して治療計画が作成される。例えば、特許文献１または特許文献２に記載の方法によって臨床線量が算出され、当該臨床線量に基づき対象の身体における線量分布を推定し、当該線量分布に基づき治療計画が作成される。
特許第５４５４９８９号公報 特開２０１９－１８０９０８号公報
　従来の臨床線量推定法には、臨床線量の推定結果の正確性を向上させる余地がある。
　上記の課題を解決するために、本発明の態様１に係る線量評価方法は、照射対象に照射される放射線の線量または線量率を含む前記放射線に関する情報、および該放射線の照射を受ける前記照射対象を構成する細胞の種類に関する情報を含む算出対象情報を取得する算出情報取得ステップと、前記照射対象を構成する細胞の種類毎に、当該種類の細胞が吸収する前記放射線のエネルギーである吸収線量を示す吸収線量情報を取得する吸収線量取得ステップと、前記照射対象に照射する臨床線量を、前記算出対象情報および前記吸収線量情報に基づいて、前記細胞の種類毎に算出する算出ステップと、を含む。
　また、本発明の態様２に係る照射計画方法は、上記態様１に記載の線量評価方法により算出した臨床線量に基づいて、前記照射対照に対する放射線の照射計画を作成する。
　また、本発明の態様３に係る線量評価装置は、照射対象に照射される放射線の線量または線量率を含む前記放射線に関する情報、および該放射線の照射を受ける前記照射対象を構成する細胞の種類に関する情報を含む算出対象情報を取得する算出情報取得部と、前記照射対象を構成する細胞の種類毎に、当該種類の細胞が吸収する前記放射線のエネルギーである吸収線量を示す吸収線量情報を取得する吸収線量取得部と、前記照射対象に照射する臨床線量を、前記算出対象情報および前記吸収線量情報に基づいて、前記細胞の種類毎に算出する算出部と、を備える。
　本発明の各態様に係る線量評価装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを前記線量評価装置が備える各部（ソフトウェア要素）として動作させることにより前記線量評価装置をコンピュータにて実現させる線量評価装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
　本発明の線量評価方法等によれば、従来法よりも正確に臨床線量を評価することができる。
超高線量率重粒子線照射実験における、ヒト顎下腺由来腺癌細胞（ＨＳＧ細胞）の生残率と、照射した放射線の線量との関係を示すグラフの一例である。 超高線量率重粒子線照射実験における、気管支由来上皮細胞（Ｎｕｌｉ－１細胞）の生残率と、照射した放射線の線量との関係を示すグラフの一例である。 超高線量率重粒子線照射実験における、ヒト皮膚繊維芽細胞（ＨＤＦ細胞）の生残率と、照射した放射線の線量との関係を示すグラフの一例である。 超高線量率重粒子線照射実験における、ＨＳＧ細胞、Ｎｕｌｉ－１細胞およびＨＤＦ細胞以外の他の種類の細胞Ｘの生残率と、照射した放射線の線量との関係を示すグラフの一例である。 重粒子線を照射する放射線線量と細胞の生残率について、重粒子線照射実験によって得られた測定結果と、この測定結果と合致するように本発明に従って算出した結果の一例を示すグラフである。 線量評価装置の構成の一例を示すブロック図である。 線量評価装置において行われる処理の流れの一例を示すフローチャートである。 放射線を対象に照射した場合に、照射対象に吸収される放射線のエネルギーの量を示す吸収線量と、照射対象における体表からの深さとの関係の一例を示すグラフである。 放射線治療において、複数のエネルギーのビームを重ねて照射した場合に、照射対象に吸収される放射線のエネルギーの量を示す吸収線量と、照射対象における体表からの深さとの関係を示すグラフである。 吸収線量、生物線量および臨床線量の関係を示す関係図である。 従来の線量分布計算法を用いて、重粒子線治療における線量分布を推定した結果を示す線量分布図の例である。
　〔実施形態１〕
　＜重粒子線治療＞
　本発明に係る線量評価方法、照射計画方法等は、重粒子線治療に適用することができる。重粒子線治療はがん治療の１つである放射線治療のうち、重粒子線（例えば、炭素イオン線）を用いた放射線治療である。重粒子線は、従来の放射線治療に用いられていた放射線（例えば、光子線（Ｘ線等）、電子線、または陽子線）と比べて、腫瘍領域のがん細胞を殺傷する能力が高い。それゆえ、重粒子線治療は、がん治療に適した放射線治療である。
　図８は、放射線を照射した場合に、照射対象に吸収される放射線のエネルギーの量を示す吸収線量と、照射対象における体表からの深さとの関係の一例を示すグラフである。ここでは、一例として、粒子線の一つである陽子線における吸収線量と照射対象の体表からの深さとの関係を示している。放射線には、図８に示すように、照射対象である人の身体に照射した場合、当該人の身体等の深部で最大効果を示すという性質を有するものがあり、炭素線等の粒子線はその性質を有する。
　図９は、放射線治療において、複数のエネルギーのビームを重ねて照射した場合に、照射対象に吸収される放射線のエネルギーの量を示す吸収線量と、照射対象における体表からの深さとの関係を示すグラフである。放射線治療では、図９に示すように、複数のエネルギーのビームを重ねて腫瘍領域（図９の矢印Ｙで示す領域）に照射する方法が採用される。
　粒子線は、人体等の照射対象に照射した場合、当該照射対象の身体の深部で最大効果を示すという性質を有する。この性質を利用して、粒子線治療において複数のエネルギーのビームを重ねて腫瘍領域に照射することにより、腫瘍領域へ放射線を集中的に照射することが可能であり、腫瘍領域の周囲の正常な細胞の領域（図９の矢印Ｘで示す領域）を傷つけにくい。このため、重粒子線治療は、従来の放射線治療と比べて治療期間が短く、治療を受ける患者にとって高いＱＯＬ（Quality of Life）を実現し得る。重粒子線治療では体内での重粒子線の線量分布を予め推定する。線量分布の推定結果に基づき、治療時に腫瘍に照射する放射線量を決定して治療計画が策定される。
　＜重粒子線治療における従来の線量分布の推定方法＞
　吸収線量とは、放射線の照射によって単位質量あたりの物質が吸収するエネルギー量のことである。炭素粒子等の重粒子が照射された細胞に与える影響の度合いは吸収線量のみでは評価できないことが知られており、一般的な光子線治療および陽子線治療のように物理的な吸収線量（物理線量とも呼ばれる）のみに基づいて、重粒子線治療における線量分布を推定することはできない。線量分布の推定のためには、生物学的効果を考慮した線量である生物線量および臨床的効果を考慮した線量である臨床線量を考慮しなければならない。
　吸収線量、生物線量および臨床線量の関係を図１０に示す。生物線量は、吸収線量に生物学的効果比ＲＢＥ（Relative Biological Effectiveness）の値を乗じた値である。ＲＢＥは、放射線の種類および深さにより生物学的影響の強さが異なることを表すために用いられる指標である。ＲＢＥは、ある効果を得るのに必要な放射線（基準Ｘ線）の吸収線量と、同じ効果を得るのに必要な放射線（照射対象に照射する放射線）の吸収線量との比である。ＲＢＥは、放射線の線種等に応じてその値が異なる。ＲＢＥは、事前に、培養した細胞株に対して重粒子線を照射する実験（細胞照射実験）と、細胞照射実験による生物学的な評価とを行うことによって得られる値である。
　臨床線量は腫瘍等の照射対象に実際に照射される放射線量であり、通常、算出した生物線量に経験的な係数（例えば１．４６）を乗ずることで臨床線量とされている。
　放射線の線種および線質等に応じて適用すべきＲＢＥの値が実験的に求められているので、重粒子線治療における線量分布推定においては、吸収線量に対して適用すべきＲＢＥを用いて生物線量を算出し、さらに、算出した生物線量から、治療時に腫瘍に照射する放射線量（臨床線量）を決定する。
　重粒子線治療の治療計画を作成する場合には、吸収線量に加えて生物学的効果を考慮した線量（生物線量、臨床線量）に基づいて線量分布計算を行い、算出した臨床線量のとおりに重粒子線を照射したときに、腫瘍等の照射対象に付与されるエネルギーの分布を示す線量分布を推定する。図１１は、従来の線量分布計算法（後述）を用いて、重粒子線治療における線量分布を推定した結果を示す線量分布図の例である。図１１に示すように、線量分布図は、照射対象を撮像した医用画像（図１１の実線部分）上に、同じ線量が推定された位置を線（図１１の破線）で結んで成る等高線を描くことで作成される。
　＜重粒子線治療における生物線量の従来の算出方法＞
　従来の生物線量の算出方法としては、例えば特開２０１９－１８０９０８号公報に記載の方法等を用いることができる。以下、従来の生物線量の算出方法の一例を説明する。培養した細胞株に対して放射線を照射する実験（細胞照射実験）において得られる線量と生残率の関係を示すグラフが、以下の式（１）によるモデルと合致することから、以下の式（１）によって細胞生残率Ｓｉを算出する方法がよく用いられている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、ｄｉは、標準細胞における吸収線量である。重粒子線治療における臨床線量の推定では、標準細胞としてヒト顎下腺由来腺癌細胞株（ＨＳＧ細胞）が選択されることが多い。
　係数αおよび係数βは、線エネルギー付与(ＬＥＴ:Linear Energy Transfer)を変数とする、細胞への放射線照射実験から得られた生残率曲線から作成された関数に基づく値である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（１）により算出された細胞生残率Ｓｉに基づき、従来の推定式である以下の式（２）によって、着目位置ｉでの生物線量ｄｂｉｏ，ｉが算出され、当該生物線量に基づき臨床線量が算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　＜超高線量率重粒子線照射による新たな知見＞
　光子線（例えばＸ線）、電子線、または陽子線を用いた放射線治療において、通常よりも著しく高い（例えば、通常の放射線治療で用いられる線量率の４００倍以上）線量率での照射が行われることがある。この超高線量率での放射線照射を行った場合、腫瘍への局所制御率を維持しつつ、正常組織への障害が抑えられる効果が見られることがわかっている。この効果はＦＬＡＳＨ効果と称される。なお、線量が放射線の強さであるのに対し、「線量率」とは、ある領域内に単位時間当たりに照射される線量を意味する。また、「通常の放射線治療で用いられる線量率」（以下、「通常線量率」ということがある）とは、例えば線量率が０．０３Ｇｙ／秒（飛程２０ｇ／ｃｍ２で１リットル（１０ｃｍ×１０ｃｍ×１０ｃｍ）の照射体積に対して物理線量２Ｇｙ照射した場合）であることを意味する。また、「超高線量率」とは例えば線量率が４０Ｇｙ／秒以上であることを意味する。
　光子線（例えばＸ線）、電子線、または陽子線を用いた放射線照射を行ったときのＦＬＡＳＨ効果については報告されているものの、重粒子線を用いた照射を行ったときのＦＬＡＳＨ効果については報告されていなかった。また、現状においては重粒子線治療を行える施設は少なく、重粒子線を用いた照射実験を行うことが容易ではなかった。特に、超高線量率で照射可能な重粒子線照射装置が極めて限られているため、重粒子線におけるＦＬＡＳＨ効果について学術的な判断はなされていない。
　発明者らは鋭意研究することにより、超高線量率重粒子線照射を行った場合のＦＬＡＳＨ効果を明確に確認するに至った。図１～図４は、超高線量率重粒子線照射実験における、照射対象の細胞の生残率と、照射した放射線の線量との関係を示すグラフの例である。図１～図４における照射対象の細胞は、以下である。
・図１：ヒト顎下腺由来腺癌細胞（ＨＳＧ細胞）。
・図２：気管支由来上皮細胞（Ｎｕｌｉ－１細胞）。
・図３：ヒト皮膚繊維芽細胞（ＨＤＦ細胞）。
・図４：ＨＳＧ細胞、Ｎｕｌｉ－１細胞およびＨＤＦ細胞以外の他の種類の細胞Ｘ。
　図１は、標準細胞とされる（ＨＳＧ細胞に通常線量率および超高線量率の条件でそれぞれ重粒子線を照射したときの結果を示すグラフである。図１において、破線は通常線量率条件で重粒子線を照射したときの照射した重粒子線の線量と生残率との関係を示す生残率曲線であり、実線は超高線量率の条件で重粒子線を照射したときの照射した重粒子線の線量と生残率との関係を示す生残率曲線である。図２および図３はそれぞれ、Ｎｕｌｉ－１細胞およびＨＤＦ細胞に通常線量率および超高線量率の条件でそれぞれ重粒子線を照射したときの結果を示すグラフである。図２および図３はそれぞれＮｕｌｉ－１細胞、ＨＤＦ細胞に通常線量率条件および超高線量率の条件で重粒子線を照射したときの生残率曲線である。図２および図３において、破線は通常線量率条件で重粒子線を照射したときの照射した重粒子線の線量と生残率との関係を示す生残率曲線であり、実線は超高線量率の条件で重粒子線を照射したときの照射した重粒子線の線量と生残率との関係を示す生残率曲線である。
　図２および図３に示すように、通常線量率の条件（グラフの破線）で放射線が細胞に照射される場合、細胞の生残率は線量が高くなると共に低下していく。これに対して、高線量率条件（グラフの実線）で放射線が細胞に照射される場合、線量がある程度以上に高くなると、通常の線量率条件で放射線が照射される場合よりも細胞の生残率が高くなることがある（ＦＬＡＳＨ効果）。
　超高線量率重粒子線照射を行った場合のＦＬＡＳＨ効果について、本発明者らが詳細に検討することによって、図２および図３に示すように、重粒子線を細胞に照射した場合、高線量域において、通常線量率と超高線量率とでは、細胞の生残率に差があることが明確に確認された。具体的には、超高線量率で照射を行った場合は、通常線量率で照射を行った場合よりも生残率が高い結果となった。そして、超高線量率での照射における生残率が通常線量率での照射における生残率よりも高くなる程度は、線量が高くなると共に大きくなるという結果になった。
　さらに、同じ超高線量率条件の照射を複数種類の細胞に対して行ったところ、重粒子線に対する応答（生残率）は細胞の種類毎に異なることが明らかとなった。すなわち、ＨＳＧ細胞の生残率曲線（図１のグラフ）は、ＨＳＧ細胞とは異なる他の種類の細胞の生残率曲線（図２のグラフおよび図３のグラフ）とは一致しないこと、および、細胞の種類毎に生残率曲線は異なる可能性があることが判明した。図４は、ＨＳＧ細胞、Ｎｕｌｉ－１細胞およびＨＤＦ細胞以外の他の種類の細胞Ｘに通常線量率条件および超高線量率の条件で重粒子線を照射したときの照射した重粒子線の線量と生残率との関係を示す生残率曲線である。ＨＳＧ細胞、Ｎｕｌｉ－１細胞およびＨＤＦ細胞以外の他の種類の細胞Ｘにおいても、図４のグラフに示すように、高線量率条件の生残率曲線は、通常線量率条件（グラフの細破線：符号４０１）と近似した曲線であるグラフの細実線（符号４０２）ではなく、これとは大きく異なるグラフの太実線（符号４０３）のようになることが示唆された。なお、図４の破線のグラフおよび実線のグラフは、従来の生物線量および細胞生残率の算出方法に基づいて求めたものである。
　また、重粒子線を照射した場合に、細胞の種類によって応答（生残率）が異なる現象が観察されたことから、放射線が照射される細胞の生残率は、重粒子線、光子線、電子線および陽子線のいずれであるかといった照射される放射線の線種、および放射線が照射されたときに照射対象に付与されるエネルギーである線質によっても影響を受けることが確認された。
　以上述べた通り、超高線量率重粒子線照射を行った場合のＦＬＡＳＨ効果を検討することによって、放射線が照射される細胞の生残率は、
・細胞の種類（ｃｅｌｌ）
・放射線の線種（ｉｏｎ）
・線質（ｅｎｅｒｇｙ）
に依存することが判明した。放射線が照射される細胞の生残率は、さらに、
・放射線の線量（ｄｏｓｅ）
あるいは、ある領域内に照射される線量を単位時間当たりに換算した
・放射線の線量率（ｄｏｓｅ＿ｒａｔｅ）
にも依存することが判明した。
　ここで、細胞の種類とは、照射対象の体内における位置および役割等が異なる細胞であることを意味する。例えば、「異なる種類の細胞」とは、対象の異なる臓器等（例えば、肝臓、皮膚）を構成する細胞を意味する。例えば、細胞の種類として、放射線治療の対象となることの多い、肺がん、肝臓がんおよびすい臓がんのがん細胞が具体的に挙げられる。また、正常細胞への影響度合いを評価するために、細胞の種類として、皮膚、腸管および肺の正常細胞も細胞の種類として具体的に挙げられる。
　＜本発明に係る生物線量の算出方法＞
　従来の推定法では、体内の線量分布は、照射対象の細胞の種類に関わらず、標準細胞であるＨＳＧ細胞における吸収線量を式（１）に適用して算出された生残率Ｓｉを、式（２）に代入することによって生物線量ｄｂｉｏ，ｉを推定している。
　既に述べたように、従来用いられていたこれらの推定式を超高線量率重粒子線における線量分布計算に適用した場合、算出される生残率の値が実際の生残率の値とは乖離する可能性があることが判明した。
　発明者らはこれらの新たに得られた知見に基づき、上述の式（１）を改良した以下の式（３）が実際の生残率に合致することを見出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、ｄｉは細胞の種類毎の吸収線量であり、係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗおよび補正項Ｃはそれぞれ下記のとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　先に説明したとおり、放射線が照射される細胞の生残率は、細胞の種類（ｃｅｌｌ）、放射線の線種（ｉｏｎ）、および線質（ｅｎｅｒｇｙ）に依存し、さらに、放射線の線量（ｄｏｓｅ）または放射線の線量率（ｄｏｓｅ＿ｒａｔｅ）にも依存する。かかる知見を関係式として表したものが上記の式（３）である。
　係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗおよび補正項Ｃにより、式（３）からは、細胞の種類、放射線の線種、放射線の線質、放射線の線量（または線量率）に依存する生残率Ｓ’ｉを示す値が算出される。
　係数αｎｅｗおよび係数βｎｅｗは、従来の方法における式（１）において標準細胞に対する係数αおよび係数βを定めるときと同様に、培養した細胞株（線量算出を行おうとする種類の細胞）に対して放射線を照射する実験（細胞照射実験）を行うことによって定められる値である。細胞照射実験により、当該細胞における線量と生残率の関係を示す生残率曲線を取得し、当該データと式（３）に基づく計算結果とがよく合致するように、係数αｎｅｗおよび係数βｎｅｗの値が定められる。また、補正項Ｃは、係数αｎｅｗおよび係数βｎｅｗを用いて得られる生残率を、超高線量率条件での照射実験の結果に適合するよう補正する値である。係数αｎｅｗおよび係数βｎｅｗを用いて得られる生残率を補正項Ｃで補正することによって、通常の線量率条件と超高線量率条件との間における生残率の差、および細胞の種類による生残率の差が反映されたより正確な生残率Ｓ’ｉを示す値を算出することができる。
　さらに、発明者らは、以下の式（４）によれば、式（３）よりもさらに実際の生残率に合致することを見出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ここで、式（３）と同様に、ｄｉは細胞の種類毎の吸収線量である。また、係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗ、係数γおよび係数δはそれぞれ下記のとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　放射線が照射される細胞の生残率が、細胞の種類（ｃｅｌｌ）、放射線の線種（ｉｏｎ）、および線質（ｅｎｅｒｇｙ）に依存し、さらに、放射線の線量（ｄｏｓｅ）または放射線の線量率（ｄｏｓｅ＿ｒａｔｅ）にも依存するという知見から式（４）を導き出している点は式（３）を導くときと同様である。係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗ、係数γおよび係数δを含む式（４）により、細胞の種類、放射線の線種、放射線の線質、および放射線の線量（または線量率）に依存する生残率Ｓ’ｉを示す値が算出される。
　細胞照射実験により、当該細胞における線量と生残率の関係を示す生残率曲線を取得し、当該データと式（４）に基づく計算結果とがよく合致するように、係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗ、係数γおよび係数δの値が定められる。式（４）によって、通常の線量率条件と超高線量率条件との間における生残率の差、および細胞の種類による生残率の差が反映されたより正確な生残率Ｓ’ｉを示す値を算出することができる。さらに式（４）は高線量域における生残率を正確に算出することができる点で優れている。
　式（３）または式（４）を用いて算出された生残率Ｓ’ｉを、従来の式（２）に適用した以下の式（５）に基づき着目位置ｉにおける生物線量ｄｂｉｏ，ｉを算出することができる。式（５）では、従来の式（２）と異なり式（３）または式（４）によって算出された、細胞の種類毎の生残率Ｓ’ｉを用いて計算が行われる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　さらに、式（５）を用いて算出された生物線量ｄｂｉｏ，ｉに、細胞から組織の応答に変換する経験的な係数（前述の通り、１．４６を用いることが多い）を乗じて再スケールすることで、臨床線量を算出することができる。このようにして算出された臨床線量は、式（３）または式（４）を用いて算出された細胞の種類毎の生残率Ｓ’ｉに依存する値に応じた値となる。
　治療計画の策定にあたっては、治療対象となる細胞の種類に対応する係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗおよび補正項Ｃの値を式（３）に適用し、得られた生残率Ｓ’ｉを式（５）に適用することによって生物線量ｄｂｉｏ，ｉを算出し、算出された生物線量ｄｂｉｏ，ｉに上記の所定の係数を乗じて臨床線量を算出する。あるいは、治療対象となる細胞の種類に対応する係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗ、係数γおよび係数δを式（４）に適用し、得られた生残率Ｓ’ｉを式（５）に適用することによって生物線量ｄｂｉｏ，ｉを算出し、算出された生物線量ｄｂｉｏ，ｉに上記の所定の係数を乗じて臨床線量を算出する。治療計画の策定にあたり、正常細胞への影響度合いを評価する際には、評価対象の正常細胞について式（３）あるいは式（４）を適用する。そして、算出された臨床線量に基づき、放射線を照射対象に照射した場合の線量分布を推定し、患者の治療計画を作成する。治療計画の作成には、算出した臨床線量に基づいて、前記照射対象に対する放射線の照射計画を作成する工程が含まれていてもよい。
　なお、放射線の照射対象は、典型的にはヒトであるが、これに限定されず、犬および猫等の動物であってもよい。具体的に放射線を照射する標的となるものは、例えば腫瘍領域を含む臓器および器官等である。
　従来の式では、細胞の種類、放射線の線種、および放射線の線量（または線量率）といった要素を考慮せず、標準細胞における吸収線量とＬＥＴのみに依存して線量を算出していた。そのため、ＦＬＡＳＨ効果が生じるような超高線量照射を行う場合には、従来の方法で算出される線量分布が、実際に照射対象の細胞に作用する放射線の線量分布と乖離する可能性がある。特に、従来の式は重粒子線を標準細胞以外の細胞に照射する場合に、細胞の種類の違いによっては、実際に照射対象の細胞に作用する線量が異なるものとなることを考慮していなかった。そのため、従来の式では標準細胞とは応答が異なる細胞が含まれる照射対象に重粒子線を照射したときの線量分布を正確に推定することができなかった。
　これに対して、今回改良された式（３）および式（４）とこれらの式を反映した式（５）とでは、細胞の種類によって応答が異なることが考慮されている。具体的には、式（３）における、係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗ、および補正項Ｃ、式（４）における係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗ、係数γおよび係数δは、いずれも細胞の種類に依存する値である。さらに、これらの式（３）および式（４）とこれらの式を反映した式（５）とでは、超高線量照射を行う場合の対象への効果が考慮されている。具体的には、式（３）における、補正項Ｃ、式（４）における係数γおよび係数δは線量（または線量率）にも依存する値である。
　以上のように、改良された式（３）および式（４）を用いた線量推定方法を採用することで、超高線量率での重粒子線を用いた治療における治療計画をより正確に策定することが可能となる。
　本発明に係る線量推定方法は、超高線量率での重粒子線治療における線量分布および線量率分布を最適化する為にも使用できる。超高線量率重粒子線治療では、重粒子線の腫瘍への高い線量集中性という物理学的特徴、およびＦＬＡＳＨ効果による正常組織への障害の軽減という生物学的効果の相乗効果により、今まで以上に高い腫瘍の制御率と低い副作用発生率が期待できる。これにより、高齢化社会におけるがん治療の機会増加、およびさらなるＱＯＬの向上が期待される。
　また、副作用・後遺障害を少なくすることは、より身体の負担が少ないがん・疾病治療への道をより確かにすることに繋がる。副作用・後遺障害が発生した場合にそれに対応して要する患者の時間的、経済的負担、および医療資源に対する負荷が発生するが、本発明に係る線量推定方法によって超高線量率重粒子線治療が開拓されることで、これらの負担が低減されることによる経済的効果も期待することができる。
　以上、重粒子線を細胞に照射する場合を例に、本発明に係る臨床線量の算出方法を説明したが、本発明に係る臨床線量の算出方法は光子線、電子線、または陽子線を細胞に照射する場合でも適用することができる。
　（本発明に基づく生残率の算出の具体例）
　図５は重粒子線治療における標準細胞とされることが多いＨＳＧ細胞について、式（４）に従って求められた生残率曲線である。
　図５中の白中抜きの丸（〇）および黒丸（●）は重粒子線照射実験によって測定されたデータである。白中抜きの丸（〇）は通常線量率（０．１Ｇｙ／ｓ）、黒丸（●）は超高線量率（１００Ｇｙ／ｓ）の条件でそれぞれ重粒子線を照射したときの結果を示している。
　通常線量率および超高線量率における重粒子線照射実験の測定結果にそれぞれ最も合致するように、式（４）の係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗ、係数γおよび係数δを定めた。式（４）を用いて得られた生残率曲線を図５に示す。図５中の太実線（符号５０１）が、式（４）に従って求めた超高線量率条件における生残率曲線である。図５中の細実線（符号５０２）および細破線（符号５０３）は、それぞれ比較のために従来の式（１）に従って算出した通常線量率条件および超高線量率条件における生残率曲線である。
　図５に示すように、本発明の式（４）によって算出した生残率Ｓ’ｉの推定データは、超高線量率条件においても低線量域から高線量域までの広い範囲で、測定された生残率の結果とよく一致していることが明白である。前述のとおり、生残率Ｓ’ｉから生物線量、さらに臨床線量が算出可能であるから、本発明によれば、従来法よりも正確に臨床線量を推定することができることが明らかである。
　（線量評価装置１の構成）
　次に、本発明に係る線量評価方法を採用して臨床線量を算出する線量評価装置１の構成について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の一態様に係る線量評価装置１の構成の一例を示すブロック図である。以下、図６を用いて本発明の一態様に係る線量評価装置１の構成について説明する。線量評価装置１は、上述のように発明者らによって作成された式（３）および式（５）あるいは式（４）および式（５）を用いた線量の算出方法が適用された装置であり、入力された情報および改良された式を用いて線量を算出し、算出した値に基づく線量分布を示す情報を出力することが可能である。
　図６に示すように、線量評価装置１は制御部１１、記憶部１２、および出力部１３を備える。制御部１１は、線量評価装置１の各部の動作の制御および演算処理を行う。制御部１１は、算出情報取得部１１１、吸収線量取得部１１２、算出部１１３、および評価情報生成部１１４を備える。
　算出情報取得部１１１は、演算に必要な情報である算出対象情報を取得し、取得した情報を算出部１１３に出力する。算出対象情報は、照射対象に照射される放射線に関する情報と、該放射線の照射を受ける該照射対象を構成する細胞の種類に関する情報と、を含む。また、放射線に関する情報には、放射線の線量または線量率の情報を含む。線量評価装置１は、不図示の入力部を備えていてもよく、当該入力部に対して線量評価装置１の利用者により各種情報が入力されることで、算出情報取得部１１１は算出対象情報を取得してもよい。
　吸収線量取得部１１２は、演算に必要な情報である吸収線量情報を、照射対象を構成する細胞の種類毎に取得し、取得した情報を算出部１１３に出力する。吸収線量情報は、照射対象を構成する細胞の種類毎に、当該種類の細胞が吸収する放射線のエネルギーである吸収線量を示す情報である。線量評価装置１は、不図示の入力部を備えていてもよく、当該入力部に対して線量評価装置１の利用者により各種情報が入力されることで、吸収線量取得部１１２は吸収線量情報を取得してもよい。
　算出部１１３は、算出情報取得部１１１および吸収線量取得部１１２から取得した算出対象情報および吸収線量情報に基づき、臨床線量を細胞の種類毎に算出する。または、算出部１１３は、算出情報取得部１１１および吸収線量取得部１１２から取得した算出対象情報および吸収線量情報に基づき、対象に照射される放射線に応じた臨床線量を算出する。
　具体的には、算出部１１３は、算出情報取得部１１１および吸収線量取得部１１２から演算に必要な算出対象情報および吸収線量情報を取得すると、記憶部１２を参照し、演算に用いる数式データ１２１を取得する。数式データ１２１が上述の式（３）および式（５）あるいは式（４）および式（５）に対するものである場合、算出部１１３は、取得した情報および式（３）または式（４）に基づき、細胞の種類毎の生残率Ｓ’ｉを算出する。例えば、算出部１１３は、式（３）または式（４）に基づき、細胞の種類、放射線の線種、放射線の線質、および放射線の線量（または線量率）に依存する生残率Ｓ’ｉを算出する。また、算出部１１３は、算出した細胞の種類毎の生残率Ｓ’ｉと式（５）と、に基づき生物線量ｄｂｉｏ，ｉを算出する。さらに算出部１１３は生物線量ｄｂｉｏ，ｉに基づき、臨床線量を算出する。生残率Ｓ’ｉおよび生物線量ｄｂｉｏ，ｉは、細胞の種類に依存するため、算出部１１３は、臨床線量を細胞の種類毎に算出することができる。なお、算出部１１３は、細胞の種類毎の生残率Ｓ’ｉに基づき、特許第５４５４９８９号公報に記載の方法を用いて、吸収線量、臨床線量等を算出する構成であってもよい。
　評価情報生成部１１４は、算出された臨床線量に基づき、細胞の種類毎に線量分布を示す評価情報を生成する。また、評価情報生成部１１４は、出力部１３を制御し、評価情報を出力させる。評価情報は、照射される放射線に関する評価を示す情報であり、例えば、算出部１１３によって算出された、細胞の種類毎の生残率Ｓ’ｉまたは生物線量ｄｂｉｏ，ｉであってもよい。また、評価情報生成部１１４は、算出された値をさらに加工し、加工した結果を示す情報を評価情報として出力部１３から出力させてもよい。例えば、評価情報生成部１１４は、算出部１１３によって算出された生物線量ｄｂｉｏ，ｉから臨床線量を算出し、評価情報として出力部１３から出力させてもよい。また、評価情報生成部１１４は、算出部１１３によって算出された、細胞の種類毎の生残率Ｓ’ｉまたは生物線量ｄｂｉｏ，ｉを加工し、さらにＤＶＨ（ｄｏｓｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｈｉｓｔｇｒａｍ）またはＤＲＶＨ（ｄｏｓｅ　ｒａｔｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｈｉｓｔｇｒａｍ）等の形式として出力部１３から出力させてもよい。
　また、評価情報生成部１１４は、細胞の種類毎の臨床線量に基づき、例えば、対象の体内における線量分布を示す線量分布図を作成し、当該線量分布図を含む評価情報を出力部１３から出力させてもよい。例えば、算出部１１３が対象の体内の複数個所の細胞（例えば、臓器）における生物線量ｄｂｉｏ，ｉを算出する場合、評価情報生成部１１４は、対象の体内を撮像した画像データに当該生物線量または生物線量から算出した臨床線量の高低に応じた等高線を引いた線量分布図を作成してもよい。画像データとしては、Ｘ線ＣＴ（computed tomography）画像、およびＭＲＩ（magnetic resonance imaging）画像等であってもよい。また、画像データは、Ｄｕａｌ　Ｅｎｅｒｇｙ　ＣＴまたはＡＩを用いた推定モデルから構築される仮想ＣＴ画像であってもよい。
　記憶部１２は、制御部１１によって読み出される各種コンピュータプログラム、および、制御部１１が実行する各種処理において利用されるデータ等が格納されている記憶装置である。例えば、記憶部１２は、算出部１１３が演算に用いる式（３）および式（５）あるいは式（４）および式（５）に対する数式データ１２１を記憶している。また、記憶部１２は、算出情報取得部１１１および吸収線量取得部１１２が取得した各種データを算出部１１３が行う演算に適用可能なパラメータに変換するためのテーブル等を記憶していてもよい。その他、評価情報生成部１１４が更なる演算等のデータの加工を行う場合、記憶部１２は、当該演算等に用いる数式またはテーブル等のデータを記憶している。その他の演算が行われる場合、その演算のための式のデータも格納している。
　出力部１３は、例えばデータを表示可能なディスプレイ等であり、評価情報生成部１１４の制御に従い、算出部１１３が算出した値または評価情報生成部１１４において加工されたデータ等の評価情報を、線量評価装置１を用いるユーザが確認可能な形式で出力する。
　以上のように、本発明に係る線量評価装置１は、重粒子線治療における生物線量を推定する際の演算として、新たな式を用いた演算を行い体内の線量分布を可視化し医療者等のユーザに提供することが可能である。
　（線量評価装置１が実行する処理の流れ）
　続いて、線量評価装置１が実行する処理の流れについて、図７を用いて説明する。図７は、線量評価装置１において行われる処理の流れ（推定方法）の一例を示すフローチャートである。
　まず、算出情報取得部１１１は、算出部１１３において行われる演算に必要な各情報である算出対象情報を取得し（Ｓ１：算出情報取得ステップ）、算出部１１３に出力する。例えば、算出情報取得部１１１は、ユーザによる入力装置への入力または各情報を記憶する外部装置との通信によって算出対象情報を取得する。
　次に、吸収線量取得部１１２は、照射対象を構成する細胞の種類毎に、当該種類の細胞が吸収する放射線のエネルギーである吸収線量を示す吸収線量情報を取得し（Ｓ２：吸収線量取得ステップ）、算出部１１３に出力する。例えば、吸収線量取得部１１２は、ユーザによる入力装置への入力または各情報を記憶する外部装置との通信によって吸収線量情報を取得する。
　算出部１１３は、算出情報取得部１１１および吸収線量取得部１１２から算出対象情報および吸収線量情報を取得すると、記憶部１２を参照し、演算に用いる数式データ１３１を取得する。算出部は、数式のうち、式（３）または式（４）を用い、取得した評価対象情報および吸収線量情報に基づき、細胞の種類毎の生残率Ｓ’ｉを算出する（Ｓ３）。
　算出部１１３は、生残率Ｓ’ｉを算出すると、式（５）を用い、当該生残率Ｓ’ｉに基づき、細胞の種類毎の生物線量ｄｂｉｏ，ｉを算出する。算出部１１３は、算出した生物線量ｄｂｉｏ，ｉを示す情報を評価情報生成部１１４に出力する。また、算出部１１３は、算出対象情報に基づき算出した生物線量ｄｂｉｏ，ｉを用いて、細胞の種類毎の臨床線量を細胞の種類毎に算出する。換言すると、算出部１１３は、算出対象情報および吸収線量情報に基づいて、細胞の種類毎に、照射対象に照射する臨床線量を算出する（Ｓ４：算出ステップ）。具体的には、算出部１１３は、算出した生物線量ｄｂｉｏ，ｉに、細胞から組織の応答に変換する経験的な係数（例えば１．４６）を乗じて再スケールし、臨床線量を算出する。
　評価情報生成部１１４は、算出された生物線量ｄｂｉｏ，ｉまたは臨床線量に対して更なる演算およびデータ加工処理を行い、線量分布図等を作成する。その後、評価情報生成部１１４は、出力部１３を制御し、算出部１１３によって算出された線量または当該線量に基づき作成した評価情報、例えば臨床線量を出力する（Ｓ５）。
　（効果）
　本発明に係る線量評価装置１では、上述の式（３）および式（５）あるいは式（３）および式（５）による線量の算出方法を用いている。これにより、超高線量率での重粒子線を用いた治療における治療計画をより正確に策定することが可能となる。また、本発明に係る線量評価装置によれば、算出した線量に基づき線量分布を可視化し、医療従事者に提供することができる。
　〔実施形態２〕
　線量評価装置１の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該線量評価装置の各制御ブロック（特に制御部１１に含まれる各部）としてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。
　この場合、上記線量評価装置は、上記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つの制御装置（例えばプロセッサ）と少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により上記プログラムを実行することにより、上記各実施形態で説明した各機能が実現される。
　上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記線量評価装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記線量評価装置に供給されてもよい。
　また、上記各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。この他にも、例えば量子コンピュータにより上記各制御ブロックの機能を実現することも可能である。
　また、上記各実施形態で説明した各処理は、ＡＩ（Artificial Intelligence：人工知能）に実行させてもよい。この場合、ＡＩは上記制御装置で動作するものであってもよいし、他の装置（例えばエッジコンピュータまたはクラウドサーバ等）で動作するものであってもよい。
　〔まとめ〕
　以上のように、本発明の態様１に係る線量評価方法は、照射対象に照射される放射線の線量または線量率を含む前記放射線に関する情報、および該放射線の照射を受ける前記照射対象を構成する細胞の種類に関する情報を含む算出対象情報を取得する算出情報取得ステップと、前記照射対象を構成する細胞の種類毎に、当該種類の細胞が吸収する前記放射線のエネルギーである吸収線量を示す吸収線量情報を取得する吸収線量取得ステップと、前記照射対象に照射する臨床線量を、前記算出対象情報および前記吸収線量情報に基づいて、前記細胞の種類毎に算出する算出ステップと、を含む。
　放射線を対象に照射する場合、対象に吸収される放射線のエネルギーである吸収線量は細胞の種類毎に異なる場合がある。また、吸収線量は、対象に照射される線量率に応じて異なる場合がある。上記の構成によれば、放射線に関する情報、および細胞の種類に関する情報を含む算出対象情報と、照射対象を構成する細胞の種類毎の吸収線量情報と、に基づいて、細胞の種類毎に臨床線量を算出することができる。
　本発明の態様２に係る線量評価方法は、上記態様１において、前記放射線に関する情報は、前記放射線の線種および線質の情報を含み、前記算出ステップにおいて、前記細胞の種類毎に、下記式（Ｉ）によって生残率Ｓ’ｉを算出し、算出された前記生残率Ｓ’ｉに基づいて、前記照射対象を構成する細胞の種類毎に前記臨床線量を算出してもよい：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
　ここで、
ｄｉは、前記細胞の種類毎の吸収線量であり、
係数αｎｅｗおよび係数βｎｅｗは、放射線の前記線種および前記線質において、照射対象に照射される前記放射線の線量と生残率との関係性を示す生残率曲線から、前記細胞の種類毎に得られる値であり、
補正項Ｃは、係数αｎｅｗおよび係数βｎｅｗを用いて得られる生残率を、前記放射線の線量または線量率に応じて補正する値であってもよい。
　上記の構成によれば、従来用いられていた式よりも改良された式（Ｉ）に基づき、より正確に臨床線量を評価することが可能である。
　本発明の態様３に係る線量評価方法は、上記態様１において、前記放射線に関する情報は、前記放射線の線種および線質の情報を含み、前記算出ステップにおいて、前記細胞の種類毎に、下記式（ＩＩ）によって生残率Ｓ’ｉを算出し、算出された前記生残率Ｓ’ｉに基づいて、前記照射対象を構成する細胞の種類毎に前記臨床線量を算出してもよい：
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　ここで、
ｄｉは、前記細胞の種類毎の吸収線量であり、
係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗ、係数γおよび係数δは、放射線の前記線種および前記線質において、照射対象に照射される前記放射線の線量と生残率との関係を示す生残率曲線から、前記細胞の種類毎に得られる値であり、係数γおよび係数δは前記放射線の線量または線量率に依存する値であってもよい。
　上記の構成によれば、従来用いられていた式よりも改良された式（ＩＩ）に基づき、より正確に臨床線量を評価することが可能である。
　本発明の態様４に係る線量評価方法は、上記態様１から３のいずれかにおいて、前記放射線は、重粒子線、光子線、電子線、または陽子線のいずれかであってもよい。
　上記構成によると、より正確な臨床線量の算出が可能であるため、重粒子線、電子線、または陽子線等を用いた放射線治療における臨床線量の算出をより正確に行うことができる。従って、本線量評価方法を用いることで、放射線照射治療の適切かつ安全な治療計画を作成することが可能である。
　本発明の態様５に係る線量評価方法は、上記態様１から３のいずれかにおいて、前記放射線が重粒子線であり、前記放射線の線量率が超高線量率域であってもよい。
　上記構成によると、従来よりも正確な臨床線量が算出されるため、超高線量率での重粒子線を用いた治療における治療計画をより正確に策定することが可能となる。
　本発明の態様６に係る線量評価方法は、上記態様５において、前記放射線の線量率が、４０Ｇｙ／秒以上であってもよい。
　本発明の態様７に係る照射計画方法は、上記態様１から３のいずれかにおける線量評価方法により算出した臨床線量に基づいて、前記照射対象に対する放射線の照射計画を作成する。
　上記構成によると、細胞の種類および線量率を考慮した、より正確な臨床線量に基づき照射計画が作成されるため、放射線照射治療において、より適切かつ安全な照射計画を作成することが可能である。
　本発明の態様８に係る線量評価装置は、照射対象に照射される放射線の線量または線量率を含む前記放射線に関する情報、および該放射線の照射を受ける前記照射対象を構成する細胞の種類に関する情報を含む算出対象情報を取得する算出情報取得部と、前記照射対象を構成する細胞の種類毎に、当該種類の細胞が吸収する前記放射線のエネルギーである吸収線量を示す吸収線量情報を取得する吸収線量取得部と、前記照射対象に照射する臨床線量を、前記算出対象情報および前記吸収線量情報に基づいて、前記細胞の種類毎に算出する算出部と、を備える。
　上記構成によると、上記態様１と同様の効果を奏する。
　本発明の態様９に係る制御プログラムは、上記態様８に記載の線量評価装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラムであって、前記算出部としてコンピュータを機能させる。
　本発明の態様１０に係る記録媒体は、上記態様９に記載の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体である。
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　１　線量評価装置
　１１１　算出情報取得部
　１１２　吸収線量取得部
　１１３　算出部
　１１４　評価情報生成部
　Ｓ１　算出情報取得ステップ
　Ｓ２　吸収線量取得ステップ
　Ｓ４　算出ステップ

Claims (10)

  1. 　照射対象に照射される放射線の線量または線量率を含む前記放射線に関する情報、および該放射線の照射を受ける前記照射対象を構成する細胞の種類に関する情報を含む算出対象情報を取得する算出情報取得ステップと、
    　前記照射対象を構成する細胞の種類毎に、当該種類の細胞が吸収する前記放射線のエネルギーである吸収線量を示す吸収線量情報を取得する吸収線量取得ステップと、
    　前記照射対象に照射する臨床線量を、前記算出対象情報および前記吸収線量情報に基づいて、前記細胞の種類毎に算出する算出ステップと、を含む、線量評価方法。
  2. 　前記放射線に関する情報は、前記放射線の線種および線質の情報を含み、
    　前記算出ステップにおいて、前記細胞の種類毎に、下記式（Ｉ）によって生残率Ｓ’ｉを算出し、算出された前記生残率Ｓ’ｉに基づいて、前記照射対象を構成する細胞の種類毎に前記臨床線量を算出する、請求項１に記載の線量評価方法：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     ここで、
    ｄｉは、前記細胞の種類毎の吸収線量であり、
    係数αｎｅｗおよび係数βｎｅｗは、放射線の前記線種および前記線質において、照射対象に照射される前記放射線の線量と生残率との関係性を示す生残率曲線から、前記細胞の種類毎に得られる値であり、
    補正項Ｃは、係数αｎｅｗおよび係数βｎｅｗを用いて得られる生残率を、前記放射線の線量または線量率に応じて補正する値である。
  3. 　前記放射線に関する情報は、前記放射線の線種および線質の情報を含み、
    　前記算出ステップにおいて、前記細胞の種類毎に、下記式（ＩＩ）によって生残率Ｓ’ｉを算出し、算出された前記生残率Ｓ’ｉに基づいて、前記照射対象を構成する細胞の種類毎に前記臨床線量を算出する、請求項１に記載の線量評価方法：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     ここで、
    ｄｉは、前記細胞の種類毎の吸収線量であり、
    係数αｎｅｗ、係数βｎｅｗ、係数γおよび係数δは、放射線の前記線種および前記線質において、照射対象に照射される前記放射線の線量と生残率との関係を示す生残率曲線から、前記細胞の種類毎に得られる値であり、係数γおよび係数δは前記放射線の線量または線量率に依存する値である。
  4. 　前記放射線は、重粒子線、光子線、電子線、または陽子線のいずれかである、請求項１から３のいずれか一項に記載の線量評価方法。
  5. 　前記放射線が重粒子線であり、前記放射線の線量率が超高線量率域である、請求項１から３のいずれか一項に記載の線量評価方法。
  6. 　前記放射線の線量率が、４０Ｇｙ／秒以上である、請求項５に記載の線量評価方法。
  7. 　請求項１から３のいずれか一項に記載の線量評価方法により算出した臨床線量に基づいて、前記照射対象に対する放射線の照射計画を作成する照射計画方法。
  8. 　照射対象に照射される放射線の線量または線量率を含む前記放射線に関する情報、および該放射線の照射を受ける前記照射対象を構成する細胞の種類に関する情報を含む算出対象情報を取得する算出情報取得部と、
    　前記照射対象を構成する細胞の種類毎に、当該種類の細胞が吸収する前記放射線のエネルギーである吸収線量を示す吸収線量情報を取得する吸収線量取得部と、
    　前記照射対象に照射する臨床線量を、前記算出対象情報および前記吸収線量情報に基づいて、前記細胞の種類毎に算出する算出部と、を備える、線量評価装置。
  9. 　請求項８に記載の線量評価装置としてコンピュータを機能させるための制御プログラムであって、前記算出情報取得部、前記吸収線量取得部、および前記算出部としてコンピュータを機能させるための制御プログラム。
  10. 　請求項９に記載の制御プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
PCT/JP2023/041401 2022-11-28 2023-11-17 線量評価方法、照射計画方法、線量評価装置、制御プログラム、および記録媒体 WO2024116891A1 (ja)

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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003070921A (ja) * 2001-09-06 2003-03-11 Mitsubishi Electric Corp 放射線治療計画方法及び放射線治療システム
JP2009160308A (ja) * 2008-01-09 2009-07-23 Toshiba Corp 放射線治療システム、放射線治療支援装置及び放射線治療支援プログラム
JP2013248133A (ja) * 2012-05-31 2013-12-12 Japan Atomic Energy Agency 情報処理装置、情報処理方法及びプログラム
JP2018108284A (ja) * 2017-01-04 2018-07-12 株式会社東芝 情報処理装置、情報処理方法およびコンピュータプログラム
JP2019514510A (ja) * 2016-04-28 2019-06-06 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 治療計画評価ツール
JP2022154269A (ja) * 2021-03-30 2022-10-13 株式会社日立製作所 治療計画装置、治療計画生成方法及びコンピュータプログラム
JP2022166206A (ja) * 2017-12-06 2022-11-01 ビューレイ・テクノロジーズ・インコーポレイテッド 放射線治療のシステム、方法およびソフトウェア

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003070921A (ja) * 2001-09-06 2003-03-11 Mitsubishi Electric Corp 放射線治療計画方法及び放射線治療システム
JP2009160308A (ja) * 2008-01-09 2009-07-23 Toshiba Corp 放射線治療システム、放射線治療支援装置及び放射線治療支援プログラム
JP2013248133A (ja) * 2012-05-31 2013-12-12 Japan Atomic Energy Agency 情報処理装置、情報処理方法及びプログラム
JP2019514510A (ja) * 2016-04-28 2019-06-06 コーニンクレッカ フィリップス エヌ ヴェＫｏｎｉｎｋｌｉｊｋｅ Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｎ．Ｖ． 治療計画評価ツール
JP2018108284A (ja) * 2017-01-04 2018-07-12 株式会社東芝 情報処理装置、情報処理方法およびコンピュータプログラム
JP2022166206A (ja) * 2017-12-06 2022-11-01 ビューレイ・テクノロジーズ・インコーポレイテッド 放射線治療のシステム、方法およびソフトウェア
JP2022154269A (ja) * 2021-03-30 2022-10-13 株式会社日立製作所 治療計画装置、治療計画生成方法及びコンピュータプログラム

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