放射線手術

放射線手術
放射線手術システムが設置されている様子を示す術中の写真。写真の患者は直腸がんの治療を受けている。
専門	腫瘍学/脳神経外科
メドラインプラス	007577
電子医療	1423298
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放射線手術は放射線を用いた手術であり^[1]、刃物で切除するのではなく、電離放射線を用いて正確に選択された組織の領域を破壊する。他の形態の放射線療法（放射線療法とも呼ばれる）と同様に、通常は癌の治療に用いられる。放射線手術はもともとスウェーデンの脳神経外科医ラース・レクセルによって「頭蓋内の関心領域に定位的に向けられた単一の高線量放射線」と定義された^{[2] 。}

定位放射線手術（SRS ）における「定位」という言葉は、患者の診断画像に見られる仮想ターゲットと患者の実際のターゲット位置との正確な相関関係を可能にする3次元座標系を指します。定位放射線手術は、中枢神経系（CNS）の外部で使用される場合、定位放射線治療（SBRT）または定位アブレーション放射線治療（SABR）と呼ばれることもあります。^[3]

定位放射線手術は、従来の手術では対応できない脳内の小さな標的を治療するために、1949年にスウェーデンの脳神経外科医ラース・レクセルによって初めて開発された。彼が考案した最初の定位放射線手術装置は、プローブと電極を使用していた。[ ^4]電極を放射線に置き換える最初の試みは、1950年代初頭にX線で行われた。 ^[5]この装置の原理は、頭蓋内の標的を複数の方向から細い放射線ビームで攻撃することだった。ビーム経路は標的体積で収束し、そこに致死量の放射線を照射しながら、隣接する健康な組織への放射線量を制限した。10年後、物理学者クルト・リデンとボルジェ・ラーソンの貢献により、大きな進歩が遂げられた。^[6] この頃、定位陽子線がX線に取って代わっていた。^[7]重粒子線は外科用メスの優れた代替品として提示されたが、シンクロサイクロトロンは扱いにくかった。レクセルは、外科医自身が扱える、実用的でコンパクト、精密でシンプルな器具の開発を進めた。1968年に、この成果がガンマナイフとなり、カロリンスカ研究所に設置された。ガンマナイフは、ガンマ線を照射するための中央チャネルを備えたヘルメットのような形をした複数のコバルト60 放射性物質で構成されていた。 ^[8]このプロトタイプは、従来の治療では効果がない痛み、運動障害、行動障害を治療するための機能的神経外科手術で、スリット状の放射線病変を作るように設計された。この最初のユニットの成功により、179個のコバルト60源を含む2番目の装置が製作された。この2番目のガンマナイフユニットは、脳腫瘍や頭蓋内動静脈奇形（AVM）を治療するための球状病変を作るように設計された。^[9] 1980年代には、すべて201個のコバルト60源を備えた追加のユニットが設置された。^[10]

これらの開発と並行して、線形粒子加速器（Linac）用の同様のアプローチが設計されました。最初の4MeV 臨床線形加速器の設置は、1952年6月にロンドンのハマースミス病院の医学研究会議（MRC）放射線治療研究ユニットで始まりました。^[11]システムは1953年2月に物理およびその他のテストのために引き渡され、その年の9月7日に患者の治療を開始しました。一方、スタンフォードマイクロ波研究所での作業は6MeVの加速器の開発につながり、1956年にカリフォルニア州スタンフォード大学病院に設置されました。^{[12] Linacユニットはすぐに従来の分割}放射線治療用の好ましい装置になりましたが、専用のLinac放射線手術が現実になる1980年代まで続きました。 1982年、スペインの脳神経外科医J. Barcia-Salorioは、コバルト生成、そしてその後リニアックベースの光子放射線手術が動静脈奇形やてんかんの治療に果たす役割を評価し始めました。^[13] 1984年、BettiとDerechinskyはリニアックベースの放射線手術システムについて説明しました。^[14] WinstonとLutzは、改良された定位位置決め装置とさまざまなコンポーネントの精度を測定する方法を組み込むことで、リニアックベースの放射線手術プロトタイプ技術をさらに進化させました。^[15]改良されたリニアックを使用して、 1986年2月にボストンブリガムアンドウィメンズ病院で米国初の患者が治療されました。^[要出典]

医療用画像とコンピューティングの技術的進歩により、定位放射線手術の臨床採用が増加し、21世紀にはその範囲が広がりました。^{[16] [17]}「定位」という言葉に暗黙的に含まれる位置特定精度と正確さは、放射線手術介入にとって依然として最も重要であり、もともと定位手術用に開発されたNローカライザー^[18]やシュトゥルム・パスティア・ローカライザー^[19]などの画像誘導技術によって大幅に改善されています。

21 世紀には、放射線手術の当初の概念は、最大 5分割治療を含むように拡大され、定位放射線手術は、外科的切開を必要とせずに、体外で発生した電離放射線を使用して、通常は頭部または脊椎内の特定の標的を不活性化または根絶する、独自の脳神経外科分野として再定義されました。 ^[20]定位放射線手術と分割放射線治療の概念の類似性に関係なく、治療を達成するメカニズムは微妙に異なりますが、両方の治療法は特定の適応症に対して同一の結果をもたらすと報告されています。^[21]定位放射線手術では、隣接する正常組織を温存しながら標的組織を破壊するために、小さな領域に正確で高線量を照射することに重点を置いています。従来の放射線治療でも同じ原則が踏襲されていますが、より広い領域に広がる低線量率が使用される可能性が高くなります (たとえば、VMAT治療など)。分割放射線治療は、標的と周囲の正常組織の放射線感受性の差が、総蓄積放射線量に大きく依存している。^[20]歴史的に、分割放射線治療の分野は、修復、再集合、再増殖、再酸素化という放射線生物学の原理の発見に続く定位放射線手術という当初の概念から発展した。 ^[22]今日では、分割放射線治療に抵抗性のある腫瘍が放射線手術によく反応する可能性があり、また、安全に放射線手術を行うには大きすぎる腫瘍や重要な臓器に近すぎる腫瘍が分割放射線治療の適切な候補となる可能性があるため、両方の治療技術は補完的である。^[21]

現在、ガンマナイフとリニアックの両方の放射線手術プログラムが世界中で市販されています。ガンマナイフは放射線手術専用ですが、多くのリニアックは従来の分割放射線療法用に構築されており、専用の放射線手術ツールになるためには追加の技術と専門知識が必要です。これらの異なるアプローチの有効性に明確な違いはありません。^{[23] [24]}大手メーカーのバリアンとエレクタは、専用の放射線手術リニアックと、放射線手術機能を備えた従来の治療用に設計された機械を提供しています。従来のリニアックを補完して、ビーム成形技術、治療計画、および画像誘導ツールを提供するように設計されたシステム。^[25]専用の放射線手術リニアックの例としては、サイバーナイフがあります。これは、患者の周りを移動し、多数の固定位置から腫瘍を照射するロボットアームに取り付けられたコンパクトなリニアックで、ガンマナイフの概念を模倣しています。

放射線手術の基本原理は、高エネルギーの放射線ビームによる組織の選択的イオン化です。イオン化とは、細胞に損傷を与えるイオンとフリーラジカルの生成です。細胞内の水分または生物学的物質から形成される可能性のあるこれらのイオンとラジカルは、DNA、タンパク質、脂質に修復不可能な損傷を与え、細胞を死滅させます。したがって、生物学的不活性化は、治療する組織の体積内で正確な破壊効果で行われます。放射線量は通常、グレイで測定されます（1グレイ（Gy）は、質量1キログラムあたり1ジュールのエネルギーの吸収です）。照射されるさまざまな臓器と放射線の種類の両方を考慮しようとする単位はシーベルトで、これは蓄積されたエネルギーの量と生物学的効果の両方を表す単位です。^[要出典]

中枢神経系以外で使用される場合は、定位放射線治療（SBRT）または定位アブレーション放射線治療（SABR）と呼ばれることもあります。^[3]

放射線手術は、医療用線形加速器、ガンマナイフユニット、サイバーナイフユニットなど、高度に洗練され、高精度で複雑な機器の操作と保守を行う、脳神経外科医、放射線腫瘍医、医療物理学者からなる学際的なチームによって行われます。脳と脊椎内のターゲットに対する高精度の放射線照射は、コンピューター断層撮影、磁気共鳴画像法、血管造影法で得られた医療画像の情報を使用して計画されます。^[要出典]

放射線手術は、主に腫瘍、血管病変、機能障害の治療に適応されます。この技術には重要な臨床判断が用いられなければならず、病変の種類、病理（ある場合）、大きさ、場所、年齢、患者の全般的な健康状態を考慮する必要があります。放射線手術の一般的な禁忌には、標的病変が大きすぎる場合や、病変が多すぎて実用的な治療ができない場合などがあります。患者は外来患者として 1 ～ 5 日以内に治療できます。比較すると、開頭手術（頭蓋骨を開く必要がある従来の脳神経外科手術）の平均入院期間は約 15 日です。放射線手術の結果は、治療後数か月経たないと明らかにならない場合があります。放射線手術は腫瘍を取り除くのではなく、生物学的に不活性化するため、病変の増殖がないことが通常は治療成功とみなされます。放射線手術の一般的な適応症には、聴神経腫瘍、胚細胞腫、髄膜腫、転移、三叉神経痛、動静脈奇形、頭蓋底腫瘍など、 多くの種類の脳腫瘍が含まれます。

脊椎転移に対する定位放射線手術は、症例の最大90％で疼痛の抑制に有効であり、症例の95％で画像評価による腫瘍の安定性を保証し、1つまたは2つのセグメントを含む脊椎転移に対してより効果的である。一方、従来の外部ビーム放射線療法は、複数の脊椎の関与により適している。^[26]

SRSは単独で、または他の治療法と組み合わせて投与される。脳転移の場合、これらの治療オプションには全脳放射線療法（WBRT）、手術、全身療法が含まれる。しかし、最近のシステマティックレビューでは、SRS治療のみとSRSとWBRT治療の併用、またはWBRT単独を比較した場合、全生存率や脳転移による死亡率への影響に違いは見られなかった。^[27]

定位放射線治療は肝臓がん、肺がん、膵臓がんなど他の病変にも拡大している。^[要出典]

ニューヨークタイムズは2010年12月、定位放射線手術用に改造された機器の安全対策が不十分だったことが主な原因で、直線加速器法による放射線手術で放射線の過剰摂取が発生したと報じた。 ^[28]米国では食品医薬品局（FDA）がこれらの機器を規制しているが、ガンマナイフは原子力規制委員会によって規制されている。

これは免疫療法が定位放射線治療後の放射線壊死の治療に有効である可能性を示す証拠である。^[29]

適切な種類の放射線と装置の選択は、病変の種類、大きさ、重要な構造物との関係など、多くの要因に依存します。データによると、さまざまな技術のすべてで同様の臨床結果が得られる可能性があります。使用する装置よりも重要なのは、治療の適応、投与される総線量、分割スケジュール、治療計画の適合性に関する問題です。^{[引用が必要]}

ガンマナイフ（レクセルガンマナイフとも呼ばれる）は、高強度ガンマ放射線療法を施して放射線を小さな体積に集中させることで脳腫瘍を治療するために使用される。この装置は、1967年にスウェーデンのストックホルムにあるカロリンスカ研究所で、ラース・レクセル、ルーマニア生まれの脳神経外科医ラディスラウ・シュタイナー、スウェーデンのウプサラ大学の放射線生物学者ボルジェ・ラーソンによって発明された。

ガンマナイフには通常、約 30 キュリー(1.1  TBq )のコバルト 60 線源が 201 個含まれており、厳重に遮蔽されたアセンブリ内に半球状に配列されています。この装置は、ガンマ線を患者の脳の標的点に照射します。患者は、脳腫瘍がガンマ線の標的点に静止したままになるように、頭蓋骨に外科的に固定された特殊なヘルメットをかぶります。これにより、1 回の治療セッションで腫瘍にアブレーション量の放射線が照射され、周囲の脳組織は比較的保護されます。

ガンマナイフ療法は、他の放射線手術と同様に、放射線を大量に照射してがん細胞を殺し、腫瘍を縮小させます。その際、健康な脳組織を傷つけないように正確に照射します。ガンマナイフ放射線手術では、多数のガンマ放射線ビームを 1 つまたは複数の腫瘍に正確に集中させることができます。個々のビームの強度は比較的低いため、放射線は介在する脳組織にほとんど影響を与えず、腫瘍自体にのみ集中します。

ガンマナイフ放射線手術は、最大4cm（1.6インチ）の大きさの良性または悪性の脳腫瘍、動静脈奇形（AVM）などの血管奇形、痛み、その他の機能障害のある患者に効果があることが証明されています。^{[30] [31] [32] [33]} 三叉神経痛の治療では、この手順を患者に繰り返し使用することができます。

ガンマナイフ放射線手術後の急性合併症はまれであり、^[34]合併症は治療されている病状に関連している。^{[35] [36]}

線形加速器 (リニアック) は、加速された電子が高Zターゲット (通常はタングステン) に衝突して X 線を生成します。このプロセスは、「X 線治療」または「光子治療」とも呼ばれます。照射ヘッド、つまり「ガントリー」は、患者の周りを機械​​的に全周または部分周回します。患者が横たわるテーブル、つまり「寝台」も、小さな直線または角度ステップで移動できます。ガントリーと寝台の動きを組み合わせることで、照射される組織の体積をコンピューターで計画できます。ターゲットの深さのため、脳の治療には 6 MeV の高エネルギーの装置が一般的に使用されます。照射ヘッドから出るエネルギー ビームの直径は、コリメータを使用して病変のサイズに合わせて調整できます。これらは、通常 5 mm 刻みで 5 mm から 40 mm まで変化する異なる直径の交換可能なオリフィス、または治療中に動的に動かすことができる多数の金属リーフレットで構成されるマルチリーフ コリメータであり、これにより、アブレーションする塊に合わせて放射線ビームを成形できます。2017 年現在、^{[アップデート]}リニアックは 0.15 ～ 0.3 mm などの非常に狭いビーム形状を実現できます。そのため、三叉神経痛など、これまで開腹手術または内視鏡手術で行われていたいくつかの種類の手術に使用できます。長期追跡データでは、ラジオ波アブレーションと同等の効果があるが、痛みの再発防止に関しては手術より劣ることが示されている。^[要出典]

最初のこのようなシステムは、スタンフォード大学の脳神経外科および放射線腫瘍学の教授であるジョン・R・アドラーと、ショーンバーグ研究所のラッセルとピーター・ショーンバーグによって開発され、サイバーナイフというブランド名で商品化されました。

陽子は、陽子線治療(PBT) または陽子線療法と呼ばれる手順で放射線手術に使用されることもあります。陽子は、医療用シンクロトロンまたはサイクロトロンによって陽子供与体から抽出され、強力な磁石を使用して経路を形成しながら、円形の真空導管または空洞を連続的に通過して加速され、人体を横切るのに必要なエネルギー (通常約 200 MeV) に達します。次に、患者の体の治療対象領域、つまり照射ターゲットに向かって放出されます。特定のエネルギーのみの陽子を放出する一部の装置では、ビーム源と患者の間にプラスチック製のカスタム マスクが挿入され、ビーム エネルギーが適切な浸透度になるように調整されます。放出された陽子のブラッグ ピークの現象により、陽子線治療は他の形式の放射線よりも優れています。これは、陽子のエネルギーのほとんどが限られた距離内に蓄積されるため、この範囲を超える組織 (およびある程度はこの範囲内の組織も) が放射線の影響を受けないためです。陽子のこの特性は、対潜水艦戦で使用される爆発兵器に似せて「爆雷効果」と呼ばれており、非常に不規則な形状の標的の周囲にも適合した線量分布を作り出すことができ、視交叉や脳幹などの放射線に敏感な構造物に囲まれた標的や背後に隠れた標的にはより高い線量を照射することができる。「強度変調」技術の開発により、線形加速器放射線手術を使用して同様の適合性を実現できるようになった。^[要出典]

2013年時点では、^{[アップデート]}一部の「まれな小児がん」を除いて、ほとんどの場合、陽子線治療が他の治療法よりも優れているという証拠はなかった。批評家たちは、非常に高価なPBTの設置数の増加に反応して、「医療軍拡競争」や「狂った医療と持続不可能な公共政策」について語った。^[37]

• 呼吸とともに移動する腫瘍の治療 移動する標的に対する放射線手術に関する書籍 (2007 年 7 月)
• 多葉コリメーションを使用した LINAC ベースの放射線手術に関する整形ビーム放射線手術の本 (2011 年 3 月)