陽子線治療における中性子線量測定：妊娠中の対象者への影響と計測の課題

10月 17, 2026 · 論文解説

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解説対象論文: Practical considerations in measuring out-of-field neutron dose for pulsed and gantry-mounted proton therapy machines
Physics in Medicine and Biology｜被引用数: 0（2026年10月17日時点）

陽子線治療は、がん治療において周辺臓器への線量を抑える点で優位性がありますが、治療中に二次的に発生する中性子線量への懸念があります。特に、妊娠中の対象者が陽子線治療を受ける場合、胎児への影響を正確に評価することが極めて重要です。本記事では、この重要な課題に対し、最新の研究論文に基づき、体外中性子線量の測定における実用的な考察と、その低減策について深掘りします。

研究サマリー（FINER & PICO）

Feasible実施可能性	市販のレムメーターを使用し、人体ファントムと実際の陽子線治療システムで体外中性子線量測定を行うことは実施可能である。
Ethical倫理面	妊娠中の対象者における胎児への二次中性子線量評価は、放射線被ばく低減のALARA原則に基づき倫理的に重要である。
Interesting面白さ	シンクロサイクロトロンのパルスビーム下での中性子線量測定における検出器の信頼性と、体位による線量変化の発見は興味深い。
Novel新規性	ガントリー搭載型シンクロサイクロトロンにおける体外中性子線量の測定と、中性子発生の非対称性に関する知見は新規性がある。
Relevant切実さ	陽子線治療の安全性向上、特に妊娠中の対象者の胎児保護において極めて実用的な知見を提供する。
Measurable測定可能性	体外中性子線量当量をレムメーターで測定し、治療計画や距離、カウチ角度による線量変化を定量的に評価できる。
Modifiable派生・改善	開口部の適切な使用や特定のカウチ角度の回避により、中性子線量を低減する運用上の変更が可能である。
Structured文章構造	目的、アプローチ、主要な結果、意義が明確に記述され、論理的かつ体系的に研究が進められている。
PICO / PECO対象・介入・比較・結果	P: 妊娠中の対象者 O: 体外中性子線量当量の評価 C: 治療計画や測定器の違いによる影響 I: 陽子線治療

はじめに：陽子線治療の進歩と二次中性子線量の課題

どうも、Beyond the Pixelです。陽子線治療は、ターゲットとする病変に線量を集中させ、周囲の健康な臓器への線量を最小限に抑えるという点で、従来の光子線治療に比べて非常に有利な治療法です。特に、その「低い積分線量」と「リスク臓器（OARs）を温存する優れた能力」は大きな魅力です。しかし、陽子線が組織や治療装置の構成要素と相互作用する際に、二次的な中性子が発生するという課題があります。これらの二次中性子は、ターゲット病変の近傍だけでなく、治療範囲外（アウトオブフィールド）にも広がり、その線量は治療計画システム（TPS）では考慮されていません。また、中性子はその広いエネルギー範囲により、生物学的効果比（RBE）が大きく変動するという特性も持っています。このような中性子による線量は、陽子線治療における重要な懸念事項の一つです。体外線量の測定は、陽子線治療において非常に重要であり、特に妊娠中の対象者にがんが診断され、放射線治療が必要となる稀なケース（約1000件の妊娠につき1件、米国では年間約4000人の妊娠中の女性が放射線治療を必要とすると推定されています）においては、胎児への影響を正確に評価することが極めて重要となります。電離放射線は、線量や妊娠期間によって、胎児に死亡、器官の異常形成、成長遅延といった深刻な影響を及ぼす可能性があります。そのため、治療前に胎児への線量を正確に推定することが不可欠です。米国医学物理士協会（AAPM）タスクグループ36（TG-36）は、1995年に光子線治療における妊娠中の対象者の治療に関する指針を発表しましたが、陽子線治療に関する具体的なガイダンスは提供していません。陽子線治療における中性子のフルエンスと線量当量を正確にモデル化することは、スペクトルに依存するRBE因子を組み込んだ高度な計算なしには困難です。さらに、「合理的に達成可能な限り低く」（ALARA）という原則と、電離放射線に伴う確率的リスクを考慮すると、治療範囲外の放射線線量の正確な評価が求められます。特にパルス状放射線場における体外中性子線量測定では、放射線場の時間構造に対する検出器の飽和という課題があり、検出器の選定には細心の注意が必要です。近年、鉛筆ビームスキャニング（PBS）陽子線治療の時代において、妊娠中の対象者に対する陽子線治療の選択肢について、活発な議論が展開されています。WENDIレムメーターは、高線量率のパルス陽子線によって飽和問題を引き起こすことが知られており、その信頼性について懸念が示されていました。本研究の目的は、ガントリー搭載型シンクロサイクロトロン陽子線治療システムを用いたIMPT脳治療時に発生する体外中性子アンビエント線量当量（H*(10)）を測定し、それを二次中性子による胎児線量を評価するための保守的な運用代替指標とすることです。本研究では、動的アパーチャ（DA）、静的アパーチャ（SA）、およびアパーチャなし（NA）の各照射条件における中性子線量を評価しました。

研究方法：精密な線量評価へのアプローチ

本研究では、鉛筆ビームスキャニング（PBS）方式のガントリー搭載型陽子線治療システムであるHyperscan（Mevion Medical Systems社製）を用いて陽子線を照射しました。線量測定のために、人体を模したファントム（Alderson RANDO Phantom）をCTスキャナーで撮影し、これを治療対象としました。臨床標的体積（CTV）として、脳の左側に直径6cmの球状標的を設定し、総線量66Gy（放射線生物学的効果 [RBE] 1.1で加重）を33回に分割して照射する計画を作成しました。Hyperscanシステムでは、ビームの側面をコリメートするためのアパーチャ（開口部）を使用するオプションがあり、これはノズル内に設置された7対のニッケル製コリメーターで構成されています。計画には、アパーチャなし（NA）、静的アパーチャ（SA）、動的アパーチャ（DA）の3つのケースが考慮されました。SAモードでは、最適化されたアパーチャがフィールド内のすべてのエネルギー層に適用されますが、DAモードでは、各エネルギー層のアパーチャは異なる形状を持ちます。治療計画はRayStationバージョン12A（RaySearch Laboratories社製）の治療計画システム（TPS）を使用して作成され、陽子によって沈着する線量を計算するためにモンテカルロモデルが採用されています。IMPT治療計画は、臨床シナリオを模倣するために、左側面、後方-前方（PA）、および頂点の3つのフィールドで構成されています。各計画は単一フィールド均一線量技術を用いて最適化されました。

**Figure 1.** Figure 1. Dose distribution in (a) axial, (b) coronal, and (c) sagittal planes for the plan with static aperture. The dashed circle shows the clinical target volume (CTV) contour, a sphere with 6 cm diameter. (d) Dose-volume histograms (DVHs) for 3 plans with no aperture (NA), static aperture (SA), and dynamic aperture (DA). Measurement geometry with (e) LUPIN at 43 cm and (f) WENDI at 71 cm distance from the isocenter. The distance was measured from the isocenter which was located at the mid- dle of the CTV. (g) Geometry of the measurement with LUPIN and acrylic disks at 180◦gantry angle and 270◦couch angle. (h) Schematic illustration of various couch angles: A single spot at 0◦or 180◦gantry angle goes through the middle of the acrylic disks and measurement is performed at various couch angles. The red arrows and dashed lines show the direction of the couch. The proton beam emanates perpendicular to the plane of the paper towards (away from) the viewer for the 180◦(0◦) gantry angle.解説: (a)軸方向、(b)冠状面、(c)矢状面における静的アパーチャ計画の線量分布を示す。破線円は直径6cmの臨床標的体積（CTV）を示す。(d)アパーチャなし（NA）、静的アパーチャ（SA）、動的アパーチャ（DA）の3つの計画における線量体積ヒストグラム（DVH）を示す。(e)アイソセンターから43cmの距離にLUPIN、(f)71cmの距離にWENDIを配置した測定幾何学配置を示す。(g)180°ガントリー角度と270°カウチ角度でのLUPINとアクリルディスクを用いた測定の幾何学配置を示す。(h)様々なカウチ角度の模式図を示す。

に示すように、静的アパーチャを用いた計画における軸方向、冠状面、矢状面での線量分布と、3つの計画（NA、SA、DA）の線量体積ヒストグラム（DVH）を確認できます。予想通り、脳の積分線量はNA計画で最も高く、次にSA計画、DA計画の順でした。NA、SA、DA計画の総MUはそれぞれ1720、1558、1454でした。測定セットアップは図1(e)および(f)に示されています。ビームはファントムに照射され、中性子H*(10)はLUPINおよびWENDI中性子レムメーターを使用して測定されました。これらは胎児への距離を模倣するために、アイソセンターから43、53、61、71cmの様々な距離に配置され、各距離で2回測定が行われました。WENDIレムメーターは、熱中性子から5GeVまで幅広いエネルギー範囲をカバーするように設計されており、その核には2気圧の3He比例計数管があり、円筒形ポリエチレン減速材アセンブリの中心に埋め込まれています。一方、LUPINレムメーターはパルス中性子場での効率的な動作に特化して設計されており、BF3比例計数管が円筒形ポリエチレン減速材（鉛とカドミウムのインサートを含む）内に収められています。カウチ角度が中性子線量に与える影響を調査するため、回転対称の実験設定が考慮されました。直径15cm、総厚35cmのアクリルディスクに単一の鉛筆ビーム（スポット）を照射しました。エネルギー227MeV（到達距離32.2cm）と6.4MeV（到達距離0.06cm）の単一陽子スポットを、APおよびPAフィールドを模倣する0°と180°のガントリー角度でそれぞれ照射しました。LUPINを用いて、145°、180°、225°、270°、315°、360°（0°と同等）、395°（35°と同等）など、複数のカウチ角度で測定を行いました（図1(g)および(h)参照）。

主要な結果：中性子線量の実態と測定器の性能

WENDIとLUPINを用いて測定された中性子線量（2Gy RBE加重の陽子線量で正規化）を、アイソセンターからの距離の関数として

**Figure 2.** Figure 2. Measured neutron dose, normalized by the proton dose, using LUPIN (L) and WENDI (W) as a function of distance from the isocenter for plans with static aperture (SA), dynamic aperture (DA), and with no aperture (NA). Error bars represent- ing standard deviation are within the symbols.解説: 静的アパーチャ（SA）、動的アパーチャ（DA）、アパーチャなし（NA）の計画について、LUPIN（L）とWENDI（W）を用いて測定された中性子線量（陽子線線量で正規化）をアイソセンターからの距離の関数として示す。エラーバーは標準偏差を表し、シンボル内に含まれる。

に示します。ご覧の通り、WENDIはLUPINと比較して約1.7〜2.7倍の線量を過小評価していました。二次中性子のフルエンス率が高い短い距離では、過小評価の度合いがより顕著でした。そのため、WENDIでの測定は他の距離（53cmおよび61cm）では実施されませんでした。本研究の結果は、中性子線量がアイソセンターからの距離に強く依存することを示しています。3つの計画の中で、DA計画が最も低い線量を示し、次にSA計画が続きました。NA計画は最も高い線量を示しましたが、これらの計画におけるH(10)の減少は、TPSから得られたMU（陽子フルエンス）の傾向と密接に一致していました。開口部を使用することで、フィールド周辺の高エネルギー陽子がファントムに入るのを防ぎ、内部中性子を減少させる可能性があります。同時に、開口部材と一次陽子の相互作用により外部中性子の生成が増加する可能性もありますが、測定点での総中性子線量への正味の効果は、中性子線量の主要な発生源がどこにあるかによって異なります。66Gy相当の陽子線量に対する総H(10)は、SA使用時でアイソセンターから43cmの距離で10.7mSv（DA使用時では9.7mSv）、71cmの距離で4.9mSv（DA使用時では4.5mSv）と推定されました。アパーチャなしの場合、対応する値はそれぞれ11.8mSvと5.3mSvでした。通常、臨床では、PAフィールドは治療時間の効率を最大化するために、他のフィールドに応じて270°、0°（360°）、または180°のカウチ角度で照射されます。単一PAフィールドの計画は通常270°で照射されます。カウチ角度が中性子線量に影響を与えるかどうかを調査するため、いくつかのカウチ角度で測定を行いました。

**Figure 3.** Figure 3. Measured relative neutron dose from the PA field at (a) 43 cm and (b) 71 cm distance using LUPIN as a function of couch angle for plans with static aperture (SA), dynamic aperture (DA), and with no aperture (NA). (c) Measured neutron dose at 43 cm distance from all fields as a function of couch angle. The neutron dose in each panel was normalized to the maxi- mum at the corresponding panel. Insets show schematic of the measurement geometry for the PA field in which the proton beam emanates perpendicular to the plane of the paper towards the viewer. The target was located at the isocenter in each case.解説: 静的アパーチャ（SA）、動的アパーチャ（DA）、アパーチャなし（NA）の計画について、PAフィールドからの中性子線量（LUPIN使用）を、(a)アイソセンターから43cmの距離、および(b)71cmの距離でカウチ角度の関数として相対的に示す。(c)全フィールド（頂点、側面、PA）からの測定された中性子線量を43cmの距離でカウチ角度の関数として示す。各パネルの中性子線量は、対応するパネルの最大値で正規化されている。挿入図は、PAフィールドの測定幾何学配置の模式図を示しており、陽子線ビームは紙面に垂直に観察者に向かって放出される。

は、PAフィールドからの中性子線量測定結果を、2つの距離（43cmと71cm）におけるカウチ角度の関数として示しています。直感的には、測定幾何学配置（ファントムとLUPIN）が回転対称であるため、中性子線量に角度依存性はないと予想されます。しかし、興味深いことに、結果は対称ではありませんでした。両方の距離で、270°カウチ角度が最も高い中性子線量を示しました。PAフィールドの相対的な結果は、43cmで270°カウチ角度が0°カウチ角度と比較して15%高く、71cmでは25%高いことを示しました。ただし、他の2つのフィールド（頂点と側面）が照射された場合、270°カウチ角度は0°カウチ角度と比較して約5%高い線量を示しました。このような余分な中性子線量（約0.01mSv/Gy）は、確定的放射線影響に関連する線量レベルを大幅に下回っていますが、ALARA原則に基づき不必要な放射線被ばくは最小限に抑えるべきです。227MeVおよび6.4MeVのエネルギーで単一スポットを0°（AP）および180°（PA）ガントリー角度で照射した際の測定結果を

**Figure 4.** Figure 4. Measured neutron dose from a single spot with 300 MU and (a) 227 MeV and (b) 6.4 MeV energy delivered at 0◦(red symbols) and 180◦(black symbols) gantry angle at various couch angles. (c) Schematic explanation of the local minimum (max- imum) at 270◦couch angle for 0◦(180◦) gantry angle based on the directionality of the stray neutrons emanating from the accelerator. The red arrows indicate the direction of majority of stray neutrons from the nozzle.解説: 0°（赤シンボル）および180°（黒シンボル）のガントリー角度で照射された300MUの単一スポットからの中性子線量を、(a)227 MeVおよび(b)6.4 MeVのエネルギーで様々なカウチ角度の関数として示す。(c)加速器から放出される迷走中性子の方向性に基づいた、0°（180°）ガントリー角度での270°カウチ角度における局所的な最小値（最大値）の模式的説明を示す。赤色の矢印は、ノズルから放出される迷走中性子の大部分の方向を示す。

に示します。カウチ角度270°は、PA陽子スポットでは最大、AP陽子スポットでは最小の読み取り値に対応することがわかります。これらの結果は、治療室における中性子場の空間分布における非対称性をさらに示唆しています。著者らは、APフィールドとPAフィールドの挙動の逆の傾向が、この非対称性が主に加速器（およびノズル）から発生する迷走中性子の方向性に由来することを示していると仮説を立てています。

考察：測定の課題と線量低減への示唆

陽子線治療による中性子線量の評価は、過去数十年にわたり多くの研究の対象となってきました。基本的なレベルでは、中性子線量の量は、一次陽子のエネルギーと数（すなわち、ターゲットの深さと体積）に依存します。また、装置設計、対象者に近接するビーム調整要素（例：レンジシフター、照射野整形アパーチャなど）、ビーム角度、ターゲットと測定点間の距離など、様々な機器および対象者固有のパラメータにも依存します。

**Table 1.** Table 1. Comparison between various studies on out-of-field dose measurement associated with proton therapy. The TG36 indicated low risk at total dose of smaller than 50 mGy.解説: 陽子線治療に関連する体外線量測定に関する様々な研究の比較を示す。

に、臨床例における中性子線量測定に関する最近の文献の比較を示します。ターゲット体積、測定幾何学、治療計画、ビームエネルギー、照射システムの違いにより、これらの研究間の直接的な定量的比較には注意が必要です。それにもかかわらず、光子線治療計画（散乱光子による体外線量）とPBS陽子線治療計画（中性子による体外線量）の間では、体外線量に桁違いの差が報告されています。例えば、Dupereらは、PBS陽子線治療システムによる計画で40-62cmの距離で約0.02-0.007mSv/Gyの中性子線量を報告していますが、臨床用リニアックによるVMAT計画では散乱X線から0.4-0.05mSv/Gyを報告しています。本研究では、43-61cmの距離で約0.18-0.09mSv/Gyを測定しました。本研究の測定値は、DupereらのPBS測定値と比較して約1桁大きいですが、彼らの光子線治療計画と比較すると約半分から2倍の範囲でした。本研究の陽子線計画と彼らの研究との間に大きな違いがあるのは、コンパクトなガントリー搭載型システムのエネルギー変調装置において、レンジシフタープレートがアイソセンターに近接しているためです。以前の研究では、WENDI検出器が高線量率のパルス場においてデッドタイムおよびチャージ飽和の問題を抱えていることが示されています。具体的には、シンクロサイクロトロンビーム下でWENDIが線量を約3倍過小報告することが示されました。本研究では、人体ファントムに照射された臨床計画におけるWENDIとLUPINの測定値を比較することで、この観察結果を再確認しました。Hopfenspergerらは、ガントリー搭載型（Hyperscan）シンクロサイクロトロンの治療室でWENDI検出器を用いて、アイソセンターから43.5-58cmの距離で0.03-0.023mSv/Gyを報告しました。LUPINを用いた本研究の対応する測定値は0.18-0.09mSv/Gyであり、これら2つの研究間で約4-6倍の差を示しています。WENDIがLUPINと比較して約2.7倍の過小評価を示すことを観察したため、Hopfenspergerらの研究との残りの約2.2倍の差は、治療計画が同一でなかったこと（例：異なるマージン、異なるMUなど）による可能性があります。ファントム材料、機器構成、室設計における何らかの相違も、H(10)の観察された差の一因であるかもしれません。43cmの距離における最大中性子線量/パルスは、機械のログファイルから約120nSv/pulseと推定されました。この値はLUPINの飽和しきい値である500nSv/pulseよりも小さく、LUPINを用いた本研究の測定が正確であることを示しています。また、WENDIの飽和値である10-20nSv/pulseよりも大きいため、WENDIの応答の飽和を示唆しており、これらの検出器から得られた測定結果における観察された挙動を説明しています。本研究では、H(10)における中性子の寄与を測定することに焦点を当てました。陽子の非弾性相互作用によって生じる散乱光子もアンビエント線量に寄与しますが、光子の寄与は中性子のH*(10)の数パーセントに過ぎないと予想されます。加えて、散乱イメージングX線による寄与も考慮する必要があります。WENDIとLUPINの全体的な不確かさは15%以下と推定されます。ガントリー搭載型装置における特有の考慮事項は、加速器（数メートル）とレンジシフタープレート（約35cm）が対象者に近接していることです。後者は、加速器が別の部屋にあり、エネルギー選択システムが使用される他の陽子線治療システムと比較して、より高い中性子線量をもたらします。加速器が対象者の周りを180°回転することも、総中性子線量に寄与します。本研究は、加速器から発生する中性子が特定の方向性を持ち、PA（AP）フィールドで270°のカウチ角度に対して最大（最小）の読み取り値につながることを示しました。その方向性の性質を解明するためには、さらなる研究が必要です。本研究の限界としては、単一の陽子線治療システム、1つの人体ファントム、1つの治療部位と標的サイズの使用、モンテカルロシミュレーションの欠如、内部および外部中性子寄与の分離不能が挙げられます。複数の治療室およびファントム設計、ならびにいくつかの治療部位と標的サイズを調査する今後の研究は、陽子線治療対象者における中性子線量評価のためのより完全な全体像を提供するでしょう。そのようなデータは、中性子線量評価のルックアップテーブルとして、またモンテカルロシミュレーションツールのベンチマーキングのためにも役立つ可能性があります。

結論：正確な線量測定と最適化の重要性

陽子線治療装置の放射線出力の Temporal radiation output structure を慎重に考慮し、中性子線量評価に適したレムメーターを選択することが極めて重要です。シンクロサイクロトロンは、そのパルス状の性質により、WENDIなどの従来のレムメーターを飽和させ、線量を著しく過小評価させてしまいます。LUPINは、このようなシンクロサイクロトロンによって生成されるパルス場において、信頼性の高い測定のために特別に設計された検出器です。したがって、シンクロサイクロトロンの治療室内で測定を行う際には、極めて慎重な注意が必要です。ガントリー搭載型シンクロサイクロトロンシステムでは、レンジシフタープレートが対象者に近接しているため、中性子線量が他の陽子線治療システムよりも高くなります。また、ガントリー搭載型加速器からの中性子は非対称な方向性を持ち、カウチ角度によって中性子線量に非対称性が生じます。アパーチャシステムの適切な使用と、PAフィールドにおける270°カウチ角度の回避は、本研究で調査したガントリー搭載型システムにおける中性子線量を最小限に抑えることにつながります。

用語集

陽子線治療: がん細胞を破壊するために陽子ビームを用いる放射線治療の一種。
二次中性子: 陽子線が組織や機器に衝突する際に発生する、望ましくない放射線。
アウトオブフィールド線量: 治療範囲外に漏洩する放射線量。
シンクロサイクロトロン: パルス状に高線量率の放射線を発生させる陽子線治療装置の一種。
レムメーター: 中性子線量を測定するための検出器。
H*(10) (アンビエント線量当量): 放射線防護の目的で用いられる実用量の一つで、中性子線量の評価に用いられる。
IMPT (強度変調陽子線治療): 陽子線の強度や線量分布を細かく調整し、腫瘍の形状に合わせた精密な治療を行う技術。
動的アパーチャ (DA): 各エネルギー層ごとに形状が変化する照射野整形システム。
静的アパーチャ (SA): すべてのエネルギー層で一定の形状を持つ照射野整形システム。
ノアパーチャ (NA): 開口部を使用しない照射野整形。
アイソセンター: 放射線治療において、治療ビームの中心が交わる仮想点。
人体ファントム: 人体の形を模した模型で、放射線線量測定などに使用される。
RBE (相対的生物学的効果比): 異なる種類の放射線が同じ吸収線量で生じる生物学的効果を比較する尺度。
WENDI-II: 広範なエネルギー範囲の中性子を測定できるレムメーター。ただし、高線量率のパルス場では飽和しやすい。
LUPIN-BF3-NP: パルス状中性子場での測定に特化したレムメーターで、高線量率下でも飽和しにくい。
ALARA原則: 放射線被ばくを合理的に達成可能な限り低く抑えるという原則。
Temporal radiation output structure: 放射線治療装置からの放射線出力の時間的な構造やパターン。