肺機能画像を用いた肺癌に対する高精度放射線治療計画法の開発
広島大学大学院医歯薬学総合研究科
放射線腫瘍学木村 智樹【背景】
慢性閉塞性肺疾患（以下、COPD；chronic obstructive pulmonary disease）の存在は放射線肺臓炎の危険因子であるとともに、肺癌患者の多くに合併しており、放射線肺臓炎のリスク増加の一因となっている。肺気腫は COPD の一種であるが、CT 上低吸収域（LAA；low attenuation areas）として描出され、COPD の画像診断における代表的な所見である。我々は、この LAA の分布を基準とした肺気腫の重症度と放射線肺臓炎の頻度が相関することを報告し、LAA が分布しない正常肺野に対する照射線量の低減が放射線肺臓炎の抑制につながるのではないかという仮説を立てた。
そこで、COPD を合併する肺癌患者における放射線肺臓炎の低減を目的として、4 次元 CT（以下、4D-CT）による LAA 描出をベースとした肺機能画像を放射線治療計画に用いる試みを考案した。
本研究では、本法の有用性と呼吸同期を用いた IMRT 及び VMAT；volumetric modulated arc therapy）への応用について検討した。
【方法】
本研究では、4D-CT を用いて根治的放射線治療を行った肺癌患者 8 例を対象とした。まず、呼吸性移動監視システム（Varian Medical Systems, Real-time Position Management；RPM）を用いて
16 列 multi detector-row CT（MDCT; LightSpeed, GE Medical systems）による 4D-CT 撮影を施行し、CT 画像をワークステーション（AdvantageSim, GE Healthcare）上で 1 呼吸サイクルあたり 10 相に並べ替え、10%毎に 0-90%と表示した。0 または 90%が終末吸気相、50%が終末呼気相に相当する。
全 10 相の CT データを放射線治療計画装置（Eclipse、Varian Medical Systems）へ転送し、CT 閾値を-860 Hounsfield units （HU）以下として LAA を描出させて肺機能画像を作成した。治療計画には呼吸同期法を併用し、終末呼気相（40-60%）を同期する呼吸相として選択した。Fig.1 に肺機能画像作成における 3 つの段階を示す。
本研究では、以下の 2 つの呼吸同期放射線治療計画を作成し、各患者間の比較を行った。
１）Plan A（anatomical plan）：全肺野をベースとした解剖学的 IMRT/VMAT の計画
２）Plan F（functional plan）：機能肺をベースとした機能的 IMRT/VMAT の計画
IMRT は 5 門固定照射、VMAT （RapidArc；Varian Medical Systems）は 2 門の回転照射を組み合わせで、正常肺を避ける方向で 220 度回転とした。6MV X 線を用い、Plan A 及び F ともに同様の計画を行った。処方線量は不均質補正のアルゴリズムを用いて PTV の 95%に 70Gy/35 回と設定した。Plan A では全肺野に、Plan F では機能肺にそれぞれ線量制約を設定し、V20（20Gy 以上照射される肺体積の割合）及び fV20 を症例毎に 10-30%とした。

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【結果】Fig. 2A と B に IMRT と VMAT の肺 V5-30 と機能肺の fV5-30 を示す。Plan A と比較して Plan F
では、肺 V20、V30、fV20 の有意な減少を認めた。一方、IMRT と比較して VMAT では、肺 V5、fV5 などの低線量域での有意な増加を認めた。
Table. 1A に IMRT 及び VMAT における Plan A 及び F の PTV、リスク臓器の線量分布パラメー
タ及び MU 値を示した。PTV の平均線量、HI、CI、リスク臓器の平均、最大線量そして MU 値もPlan A 及び F で有意差は認めなかった。
Table.1B に Plan A 及び F における IMRT 及び VMAT の PTV、リスク臓器の線量分布パラメータ及び MU 値を示した。IMRT と比較して、VMAT では PTV の平均線量を変化させることなく、PTVの HI 及び CI が特に Plan F で有意に改善した IMRT では VMAT と比較して Plan A、F ともに MU値が有意に増加した（p=0.008、0.003）。
症例 4 の VMAT における Plan A と F の線量分布図を Fig. 3 に示す（青；20Gy 領域以上、緑：機能肺）。Plan F では機能肺における線量低下を認める（赤矢印）。

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【考察】本研究では、4D-CT による LAA 描出をベースとした肺機能画像を用いた放射線治療計画は PTVの線量低下やリスク臓器の線量増加をきたすことなく、全肺及び機能肺の線量を改善できることを示した。他にも放射線治療計画に機能的画像を用いる試みが報告されており、4D-CT を用いた肺換気画像や肺血流 SPECT を用いた方法が挙げられる。これらの方法による利点は、肺機能の程度に応じた領域を描出可能な点であるが、肺換気画像においては画像変換アルゴリズムや放射線治療中の呼吸状態の変化などによる生理学的精度が、肺血流 SPECT には治療計画において画像融合を行う必要がある上、肺血流 SPECT と治療計画 CT では撮影時の呼吸状態が異なる点がそれぞれ問題となる。
一方、本研究の肺機能画像は非機能肺を描出するのみで、肺機能の程度に応じた描出に限界がある。しかし、LAA を用いた CT での定量評価は COPD の診断においては既に確立された方法であり、呼吸機能との相関も報告されている。MDCT での LAA 測定において、吸気より呼気のほうが呼吸機能をより反映していたとの報告や、呼気での良好な呼吸性移動の再現性を考慮し、本研究では 4D-CT における呼気相を選択した。問題点として 4D-CT によるデータ収集は呼吸性移動に影響されるため、本法による LAA の定量評価の際には、適切な CT 閾値と呼吸機能との相関について改めて評価が必要である。しかしながら、呼吸同期併用による利点は呼吸性移動の影響を極力少なくすることが可能であるだけでなく、肺線量を低減できることである。
4D-CT による LAA 描出をベースとした肺機能画像の呼吸同期併用 IMRT 及び VMAT 治療計画への応用は、COPD を有する肺癌患者の機能肺の温存に有効である可能性がある。技術的な問題点の改善や前向き臨床試験の実施も含めた更なる検証が必要である。
【業績】
１） Tomoki Kimura, Taro Togami, Hitoshi Takashima, Yoshihiro Nishiyama, Motoomi Ohkawa, Yasushi
Nagata. Radiation Pneumonitis in Patients with Lung and Mediastinal Tumors: A retrospective studyof risk factors focused on pulmonary emphysema. British J. Radiol. In press .
２） Tomoki Kimura, Ikuno Nishibuchi, Yuji Murakami, Masahiro Kenjo, Yuko Kaneyasu, Yasushi
Nagata. Functional Image-guided Radiotherapy Planning in Respiratory-gated Intensity
Modulated Radiation Therapy (IMRT) for Lung Cancer Patients with Pulmonary Emphysema.
Proceedings of the 52th annual ASTRO Meeting, Novenber, 2010. (San Diego)
３） 木村智樹、西淵いくの、村上祐司、権丈雅浩、 兼安祐子、永田 靖 ：COPD を有する
肺癌における 肺機能画像を用いた IMRT の試み. 癌の臨床、In press.

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