画像誘導下前臨床研究に向けた小動物照射システムの計画的実装

サマリー

本プロトコルでは、画像誘導下での前臨床放射線研究に使用する2種類の小動物照射システムのメソッドの実装について説明します。再現性があり、臨床的意義の高い小動物実験を支援するため、システムの構成、イメージングワークフロー、治療計画の手順、および照射実施における留意点について概説します。

要約

前臨床放射線生物学研究は、放射線の照射特性の違いが生体反応にどのような影響を与えるかを理解し、多様な標的部位における治療戦略を最適化するために不可欠です。これらの研究における精度、再現性、およびトランスレーショナルな関連性は、臨床の放射線治療ワークフローを正確にモデル化した、画像誘導小動物照射プラットフォームを適切に導入できるかどうかにかかっています。本記事では、高精度な小動物照射に用いられる、広く普及している2つの画像誘導前臨床放射線治療システムの実際的な操作について解説します。どちらのプラットフォームも画像誘導によるコンフォーマル照射を行うように設計されていますが、X線管の仕様、線源軸間距離（SAD）、ビームコリメーション、遮蔽機構、機械的ジオメトリ、および治療計画ソフトウェアなどの主要な工学的特徴において異なります。これらの相違点は、システムのセットアップ、照射ワークフロー、および治療の実施に影響します。両プラットフォームにおける手法上の検討事項と操作手順を概説することで、本プロトコルは、トランスレーショナルな関連性を持つ前臨床放射線実験を設計、実施、および再現するための実践的なガイドを研究者に提供します。

概要

がんは世界における主要な死因の一つです¹。放射線治療、手術、および化学療法ががんの主な治療法となります²。全がん患者の約半数が治療に放射線療法を必要とすると推定されています³。通常、治療法の安全性、生物学的メカニズム、および治療効果を評価するために設計される動物モデルを用いた前臨床研究は、新しい治療戦略を最終的に臨床へ移行させるための臨床試験開発の基礎となります。画像誘導小動物放射線照射装置は、臨床的な放射線照射および治療計画に近似させた形状とワークフローを用いて、腫瘍およびリスク臓器（OARs）への適合的かつ局所的な照射を可能にするため、前臨床放射線治療において不可欠なツールとなっています^4,5,6。最近のレビュー⁷によると、小動物画像誘導放射線治療に関する論文数は、2007年から2010年の年間10本未満から、2020年にはほぼ80本まで増加しました。物理学および生物学に関する論文は、線量測定や治療計画から、腫瘍および正常組織の反応まで幅広いトピックにわたっています⁷。本プロトコルの全体的な目的は、広く使用されている2つの小動物照射プラットフォームを比較するための物理的根拠に基づいた枠組みを提供し、再現性があり臨床的に関連した前臨床放射線研究をサポートする、十分な情報に基づいたプラットフォーム選択を促進することです。システム1はSmall Animal Radiation Research Platform（SARRP）であり、システム2はPrecision Small-Animal Radiation Therapy（SmART+）プラットフォームです。これらのシステムを採用する根拠は、放射線生物学研究において、再現性のあるターゲティング、コンピュータ断層撮影（CT）に基づく定位^8,9、および優れた計画適合性を提供する照射野形成への需要が高まっており、同時に少分割照射、部分体積照射、臓器温存戦略などの臨床的に関連したパラダイムを可能にする必要があるためです。放射線治療では、治療標的への線量とOARsへの線量の間で繊細なバランスを維持しなければならず、そのためには関与する放射線生物学的メカニズムの包括的な理解が必要です^10,11。放射線に対するがん組織および健康組織の反応への理解を向上させ続けるためには、前臨床研究で小動物照射装置を使用する際に、線量照射の高い正確性、再現性、および精密さが不可欠です。

どちらのシステムも最大225 kVpのキロボルトX線ビームで動作しますが、そのセットアップには重要な違いがあり（図1参照）、特定の実験では特別な考慮が必要になる場合があります。システム1は、線源軸間距離（SAD）が35 cmであり、ステージ中心のコーンビームCT方式を採用しているため、スキャン中に被写体を回転させる必要があります。システム2は、SADが30 cmとより短く、ガントリーベースの照射システムを採用しているため、スキャン時にビームを被写体の周囲で回転させる必要があります。現在まで、システム1はマウスおよびラットの照射に使用されており、システム2（旧バージョンを含む）はマウス、ラット、およびカナリアの照射に使用されています^12,13,14。これらのシステムでは、完全なイメージング、治療計画、および治療照射プロトコルに、1個体あたり約30分かかります。ただし、ワークフローは採用するプロトコルによって短縮される場合があります。例えば、特定のプロトコルでは、バッチ内のすべての動物に1つの汎用計画を使用することが認められており、その場合は治療計画ステップを省略できるため、実験全体の時間を短縮できます。照射装置の違いが線量率、照射野の定義、幾何学的クリアランス、およびワークフローの制約にどのように影響するかを理解することは、技術的および実験的なニーズに最適なシステムを選択するための基礎となります。システム1およびシステム2の主要な物理的・運用的仕様の要約は、表1に示されています。

小動物照射を伴う典型的な研究の全体的なワークフローの概要を示す（図2を参照）。本プロトコルでは、画像誘導下前臨床放射線研究に向けたシステム1およびシステム2の手法的な実装について述べる。再現性があり、臨床的に意義のある小動物実験を支援するため、システムの構成、イメージングのワークフロー、治療計画の手順、および照射実施における検討事項の概説を行う。

プロトコル

すべての動物実験は、施設動物ケアおよび使用委員会（IACUC）の承認を得て実施されました。使用した試薬および設備は、材料表に記載されています。

1 システム 1

1. ウォーミングアップ（17.5～72分）
   注意：設置および試運転の際、施設の放射線安全管理責任者（RSO）は放射線量調査を実施し、キャビネット外部への放射線漏洩が、1時間あたりの線量および1週間あたりの線量の閾値を下回っていることを確認してください。システムの電源を入れる前に、利用者は施設のRSOが提供する放射線安全指示に従ってください。
   1. ～から始めてください モジュールプロセッサー (MP1) キーを0時（9時）の位置に合わせます。System 1機で、以下のボタンを押します。 グリーンスタート ボタンを押します。キャビネットライトとレーザーのノブをオンにします。MP1キーをスタンバイ（12時）の位置に回します。
   2. MP1データログコントローラーには、ユニットの最終使用時期に応じて、810（17.5分）または811（72分）が表示される場合があります。ウォームアッププログラムが表示されない場合は、以下を選択してください。 セット および入力してください 810押す 入力.
   3. 0.15 mmの銅フィルターを挿入します（参照 図3）をガントリーヘッドのフィルタースロットに挿入します。0.5 mmコリメータをホルダーに挿入し、ネジを締めて固定します。
   4. MP1キーを高エネルギー（3時）の位置に回します。グリーンを選択してください。 X線照射中 ウォームアップを開始するためのボタン。
2. ホーミングシーケンスおよび検出器のキャリブレーション（5分）
   1. 開く ソフトウェア 1 （参照 表1).
   2. 回転ステージを調整するよう求めるポップアップウィンドウが表示されます。「Press」を押してください。 了解いたしました。翻訳対象のテキストをご提示ください。 ステージが原点に移動するまで待機します。
   3. Software 1において、「Motors Enabled」のチェックボックスがオンになっていることを確認してください。
   4. 「Homing Complete」というメッセージが表示されるまで待機します。
   5. イメージングおよび ロボティクス制御, 型 90 ガントリー需要ボックスに入力し、押下します。 移動.
   6. System 1キャビネットのドアを開けます。CTウィンドウカバーを上にスライドさせ、CTユニットをロックされるまで前方に引き出します。プラットフォームからすべてのカウチが取り除かれていることを確認してください。コリメータとホルダーをガントリーヘッドからスライドさせて取り外します。撮像用の1 mmアルミニウムフィルタを挿入します。
   7. ソフトウェア1の以下にある 手法プリセット、選択 マウスCTイメージング そして、押してください。 適用.
   8. ツールバーから、以下を選択します。 検出器 および 検出器の校正 校正を開始します。
3. マウス用コーンビームCTイメージング（麻酔を含む10分）
   1. 承認済みの研究プロトコルに従い、マウスをエンクロージャーに入れ、麻酔をかけます。
   2. キャビネットの扉を開けます。プラットフォームの上にカウチを置き、ネジを締めて固定します。カウチの上に齧歯類用ベッドを載せ、テープで固定します。ベッドのヘッド部分にイソフルランチューブを取り付け、ガスをONにします。
   3. 実験プロトコルに従い、マウスを腹臥位または仰臥位にしてベッドに配置します。
   4. ソフトウェア1の以下にある イメージングおよびロボティクス制御研究責任者および研究のフォルダーを選択します。選択してください。 CBCT撮影.
   5. スキャン名を指定します。希望する再構成プロトコル、2D投影数（デフォルトは360）、およびカウチ速度（デフォルトは1.5 deg/s）を選択します。選択して 翻訳を開始します。ソーステキストをご提示ください。ソフトウェア画面上のウェブカメラを確認し、衝突が起きないようにしてください。衝突しそうな場合は、[ ]を押してください。 停止 ガントリーを停止させるため。
4. 処理（10分）
   1. イメージングが完了したら、Software 2のウィンドウを閉じます。次に、 ソフトウェア 3下で 実験主研究者のフォルダーを選択します。その下の スキャンマウス番号を選択し、プレスしてください。 負荷再構成.
   2. CBCTは3つのパネルでロードされます。［プレス］を押して ウィンドウの調整マウスの左ボタンをクリックしたまま画像上でホバリングし、斜め左下にスライドさせてCTのウィンドウを調整します。
   3. 密度を調整した後、マウスの右ボタンを使用して下方向にドラッグし、画像を拡大します。スクロールボタンを押しながらドラッグしてパン（平行移動）します。画質を評価し、ターゲット付近にアーチファクトがないこと、およびターゲットを周囲のリスク臓器（OAR）から区分けできることを確認してください。問題がなければ、[ ]を押します。 登録.
   4. 既製のプランを使用する場合は、～の下で リファレンスプランを選択してください、プランを検索してロードし、その後、～を押します 作成新しいプランを作成する場合は、そのままにしておいてください。 リファレンスプランを選択してください ～としての分野 翻訳する原文が提供されていません。翻訳対象のテキストをご提示ください。.
   5. 選択 輪郭の定義〜の下で セグメンテーション閾値空気、肺、脂肪、組織、および骨のセグメンテーション閾値を調整します。「Edit Contours」の下で、対象となる各臓器に対して「Add」を選択し、「Paint」ツールを用いて臓器の外形を描きます。ブラシの直径は必要に応じて調整してください。臓器の輪郭作成は、スライスごとに描いた後に補間する方法か、またはスフィアブラシツールを使用する方法のいずれかで行うことができます。
   6. 選択 治療計画作成済みのプランを使用する場合は、各アイソセンターを標的臓器の中心までスライドさせ、3つのビューすべてで調整してください。新しいプランを作成する場合は、「」の下で ターゲット、～を押します。 グリーンプラス 希望する各アイソセンタを指定し、アイソセンタをターゲットまで移動させます。
   7. 各ターゲットについて、～をダブルクリックして用量を設定します。 投与量 領域。以下に ビーム、〜を押してください グリーンプラス aで署名する B 静止ビームまたは（以下）を追加するために グリーンプラス 〜を伴う徴候 A アークを追加します。各ビームについて、ビームウェイト、コリメータ、およびガントリ角度を設定してください。別のアイソセンタにビームを追加する場合は、それを選択します。 アイソセンター ～の下に ターゲット 紫色にハイライトさせ、その後ビームを追加します。
   8. ～の下で 投与量、希望のものを選択します 線量エンジン (重ね合わせ畳み込みまたはモンテカルロ法）。選択してください 投与量の算出.
   9. 選択 検証選択 等量線計算 および DVHの算出計画と...を確認してください。
      ​DVHにより、ターゲットおよびリスク臓器（OAR）に所望の線量が投与されます（参照 図4).
   10. キャビネットのドアを開けます。アルミニウムフィルタを取り外し、銅フィルタを挿入します。コリメータをホルダーに挿入し、ユニットをガントリーヘッドにスライドさせて戻します。CTウィンドウカバーを下に引き下げ、ロックされるまで押し戻します。
   11. 選択 翻訳対象のテキストをご提示ください。 および ビーム実行.
   12. Software 1から、ターゲットとなる治療台およびガントリの位置を示すポップアップウィンドウが表示されます。治療台の回転角度が以下の状態であることを確認してください。 0 衝突と圧迫を避けるため 翻訳を開始します。ソーステキストをご提示ください。別のウィンドウにコリメータのサイズとフィルターの種類が表示されます。「Press」を押して 翻訳するソーステキストをご提示ください。研究者、臨床医、教育者、大学生向けに、学術的に適切で自然な日本語に翻訳いたします。 そして、ビームが自動的に照射されます。
   13. Software 1のウェブカメラを確認し、衝突が起こっていないことを確かめてください。
   14. ビームが複数ある場合は、前のビームの照射が完了した後、選択してください。 ビームの実行 そして、ステップ1.4.11を繰り返します。
   15. キャビネットのドアを開け、ベッドから現在のマウスを取り出してケージに戻します。
   16. 次の動物に進むには、ステップ1.3と1.4を繰り返します。
5. 後処理（3分）
   1. 最後の動物への処置が完了したら、 イメージングおよびロボティクス制御 パネルで、ガントリ角度を～に設定します。 90° その他のすべてのモーションフィールドを次の値に設定します。 0選択 移動動作が完了したら、System 1ソフトウェアを終了します。プラットフォームを原点に戻すよう指示が表示されたら、以下を選択します。 はい.
   2. キャビネットからベッド、コリメータ、およびフィルターを取り外します。CTウィンドウカバーが閉じられ、収納位置まで押し戻されていることを確認してください。
   3. MP1キーを0（9時）の位置に戻します。赤色のボタンを押し、 停止 System 1のボタン。

2 システム 2

1. ウォームアップ (35 min)
   1. 設置および試運転の際、施設の放射線安全責任者（RSO）は放射線サーベイを行い、キャビネット外の放射線漏洩が1時間あたりの線量および1週間あたりの線量の閾値を下回っていることを確認する必要があります。システムをオンにする前に、ユーザーは施設のRSOが提供する放射線安全指示に従ってください。
   2. キャビネットのドアを開け、プラットフォーム上にカウチがなく、ガントリヘッドにコリメータが固定されていないことを確認します。
   3. System 2装置で、システム電源および照明・レーザーのキーをオンにします。
   4. コンソール電源のキーをオンにします。
   5. ガントリヘッドのフィルタースロットのラッチを開け、0.3 mm銅フィルターまたは2 mmアルミニウムフィルターのいずれかを、フィルターがカチッとはまるまで挿入します（Figure 3を参照）。
   6. Software 4とWebcamを開きます。
   7. プライマリX線（20 min）およびマイクロフォーカスX線（15 min）の両方について、X-Ray、Not treatment、およびBegin warmupを選択します。
2. マウスのコーンビームCT撮像 (麻酔を含む10 min)
   1. 承認された研究プロトコルに従い、マウスをエンクロージャーに入れて麻酔をかけます。
   2. キャビネットのドアを開けます。2 mmアルミニウムフィルターがまだ挿入されていない場合は、フィルタースロットに挿入します。
   3. クイックリリースピンを押し下げ、ピンをプラットフォーム中央の穴に合わせて、カウチをプラットフォームに固定します。
   4. テープでベッドをカウチに固定します。イソフルランチューブをテープでベッドの頭部に固定し、ガスをオンにします。
   5. 実験プロトコルに従い、マウスを腹臥位または仰臥位でベッドに置きます。
   6. Software 5を開きます。Radiation deliveryカテゴリで、手動または治療プロトコルのいずれかを用いてCT targetingを選択します。
   7. 動物選択ページで、主任研究者および研究のフォルダを選択し、その動物の新しいファイルを作成します。Nextをクリックします。
   8. Animal setupで、Nextをクリックします。Scout typeについては、Skipをクリックします。
   9. 標的組織の種類に応じてPreset selectionを選択し、Nextをクリックします（軟部組織のデフォルトは 40 kV 2mA 60 s）。
   10. 計画されたビーム品質に適したフィルターが挿入されていることを確認し、表示されているフィルターステータスが緑色であることを確認します。
   11. Startを選択してCTスキャンを開始します。シャッターは自動的に開閉します。
   12. Webcamを使用して、ガントリが360°回転する際にカウチや動物と衝突しないことを確認します。衝突の恐れがある場合は、コンソールの赤色の緊急停止ボタンを押すと、ガントリが停止します。
   13. CTスキャンが完了したら、Nextをクリックします。取得されたCTスキャンが、冠状断、矢状断、軸位断の3つのパネルに表示されます。各パネルで取得されたスライスを拡大し、スクロールして必要に応じて調整します。
   14. マウスを使用して、十字線を標的アイソセンターまでドラッグします。Move Stageを選択します。必要に応じてScan Againを選択し、標的位置を確認します。Nextをクリックします。
   15. Export ページで、GoをクリックしてDICOMファイルをエクスポートします。
   16. 新しい治療計画を作成する場合は、ステップ4に進みます。既存の計画または手動計画を使用する場合は、ステップ5に進みます。
3. 高度治療計画 (10 min)
   1. Software 6を開きます。DICOMファイルを含むフォルダを選択し、Import Selected Dataを選択します。
   2. DICOMがロードされたら、CT2MDタブをクリックします。
   3. 齧歯類の組織が見えるまで密度バーをスライドさせます。
   4. Contouringタブをクリックします。輪郭を追加するには、Addを選択します。輪郭に名前を付け、Type ドロップダウンメニューでその種類を指定します。
   5. 希望するツール（ブラシまたはライン）を選択し、Automaticを選択します。目的の臓器をブラシで塗るか、または輪郭を描きます。スクロールバーを使用してフレームを移動し、臓器の輪郭描きを続けます。より多くのフレームの輪郭を描くことで、補間精度を高めることができます。臓器の最後のフレームの輪郭描きが完了したら、Interpolateを選択します。
   6. 再度フレームを移動し、補間によって臓器が期待通りに輪郭描画されているか確認し、逸脱しているフレームを修正します。
   7. Planningタブをクリックします。Add をクリックして、計画にアイソセンターを追加します。このアイソセンターを冠状面および軸位面で目的の標的に合わせ、アイソセンターへの予想線量 (Gy) を入力します。
   8. ビームを追加するには、BeamsでAdd を選択します。スタティック（静的）またはダイナミック（動的）のいずれかを選択し、必要に応じて角度を調整します。必要に応じてカウチ角度を選択します。計画パラメータに従ってコリメータを選択します。
   9. Calculationで、Start Calculationsを選択します。histories/areaを増やすと、アルゴリズムの精度が向上します。その他のモンテカルロパラメータは必要に応じて調整可能ですが、これは本プロトコルの範囲外です。完了すると、画面にVolume Sliceが表示されます。タブを選択して、線量体積ヒストグラム (DVH) および線量体積指標 (DVM) を表示します（Figure 5を参照）。
   10. Planningに戻り、必要に応じて変更を行います。
   11. Evaluationで、ビーム照射時間、アイソセンター線量、DVH、およびDVMを確認します。
   12. Export dataを選択します。ファイル名を指定し、Export to fileを選択して.iniファイルを生成します。
4. 治療 (10 min)
   1. キャビネットのドアを開け、2 mmアルミニウムフィルターを取り除き、実験プロトコルに従って0.3 mm銅フィルターとコリメータを挿入します。
   2. System 2 Programに戻ります。
   3. 手動プロトコルの場合は、治療作成画面で、spot size（smallまたはlarge）、フィルター（0.3 mm Cu）、希望の電圧 (kVp)、電流 (mA)、および治療時間 (s) を選択します。コリメータのサイズと形状（円形、正方形、長方形、または電動）を選択します。ガントリ角度を選択します。必要に応じて、パラレルオポーズドビームを追加します。
   4. 治療プロトコルの場合は、Protocol SelectionタブでLoad Protocolをクリックし、ステップ4の.iniファイルを選択します。Show protocol detailsボックスを選択して、プラン名とパラメータを確認します。Nextをクリックします。
   5. Start Treatmentを選択し、Start Beamを選択します。ビームが複数ある場合は、前のビームの照射が完了した後、Start Beamを選択して次のビームを開始します。Webcamを確認し、衝突がないことを確認してください。
   6. キャビネットのドアを開け、現在のマウスをベッドから取り除き、ケージに戻します。
   7. 次の動物に進むには、ステップ2.2～2.4を繰り返します。
5. 治療後 (3 min)
   1. 最後の動物の治療が完了したら、ベッドとカウチをプラットフォームから取り除きます。ガントリからフィルターとコリメータを取り除きます。
   2. Software 4を使用して、ガントリを0°に、プラットフォーム位置を(0 mm, 0 mm, 0 mm)に戻します。キャビネットのドアを閉めます。Software 5を閉じます。
   3. コンソール電源キーをオフにします。System 2装置で、照明・レーザーのキーを切り、システム電源をoff positionにします。

結果

System 1 X線管は、10 × 10 mm²の照射野で、水等価厚材料ファントムの深さ1 cmにおいて、線量率2.6 Gy/minで20–225 kVpを発生させることができます。線源皮膚間距離（SSD）は33 cmです。ビームの半価層（HVL）は、220 kVpで0.73 mm Cu、60 kVpで2.15 mm Alです¹⁵。コリメーションには、半影を減少させるために複数の真鍮製ステージが用いられています。電流の生成および安定化の間、出力を遮断するために2つのスライド式真鍮ブロックが使用されます。照射には交換可能なコリメーションノズルが使用されます。フィルターは0.15 mmの銅および1 mmのアルミニウムです。

一般的に処置される被験体にはマウスやラットが含まれ、処置部位には心臓、肝臓、側腹部、肺、膵臓、脚、脳、および十二指腸が含まれます^16,17。これまでの線量は、静止ビームとアークビームを組み合わせて1〜6本のビームを用い、0.2–60 Gyの範囲でした。マウスの全脳に2 Gyを処方する治療計画の例を示します（図4参照）。この治療計画では、ガントリ角度0°で1本のビームを使用し、10 × 10 mm²のコリメータを用いています。上部脊髄をOARとして手動で輪郭形成しており、DVHではOARの約20%が0.5 Gyの照射を受けていることがわかります。

System 1のキャビネットドアには、視認用の鉛等価ウィンドウが備わっています。System 1の線源-軸間距離（SAD）は35 cmであり、線源-検出器間距離（SDD）は53 cmです。CBCT撮像中、System 1の治療台は360°回転します。これにより、約0.2 mm¹⁸の位置決め精度を持つCBCT画像が作成されます。治療後、System 1は、ビーム数、治療台およびガントリの位置、SSD、ビームウェイト、およびビームオン時間を含むビーム構成を報告するログファイルを生成します（図6を参照）。また、アイソセンター座標、処方線量、プラン識別子、および輪郭名やセグメンテーション閾値などの関連するプランニングメタデータも記録されます。

System 2 X線管は、10 × 10 mm²の照射野およびSSD 29 cmにおいて、水等価厚材料ファントムの深さ1 cmで2.7 Gy/minの線量率で10–225 kVpを発生させることができます。ビームのHVLは、225 kVpで0.95 mm Cu、100 kVpで2.8 mm Alです。コリメーションのため、System 2はX線管に取り付けられたモジュール式コリメータとフィルタマウントで構成されています。コリメータには、真鍮と鉛で構成されるコーンを備え、半影を減少させるためのセカンダリトリマーが含まれています。コリメータから軸までのクリアランスは7 cmです。フィルタは0.3 mmの銅および2 mmのアルミニウムです。

一般的に処置される対象にはマウスやラットが含まれ、処置部位には頭頸部¹⁹、心臓、側腹部、脳、膵臓、腎臓、および唾液腺が含まれます。これまでの投与線量は2–60 Gyの範囲であり、1–2本のビームを用い、固定ビーム型とアークビーム型を組み合わせて使用しています。マウスの全脳に2 Gyを処方する治療計画の例を以下に示します（図5を参照）。この治療計画では、ガントリー角度90°と270°の2本のビームを使用し、コリメータサイズは10 × 10 mm²としています。上部脊髄をOAR（リスク臓器）として手動で輪郭描出しており、DVH（線量体積ヒストグラム）では、OARの約20%が0.5 Gyの照射を受けていることがわかります。

System 2のSADは30 cmであり、SDDは62 cmです。System 2では、ガントリとCTウィンドウが治療台を中心に360°回転します。これにより、ベンダーによれば0.2 mmの位置合わせ精度を持つCBCT画像が作成されます。治療後、System 2は、ビーム数、ビームウェイト、ビームオン時間、ガントリ角度および回転方向、ビームエネルギー(kVp)、管電流(mA)、スポットサイズ、テーブル位置、フィルタ材質・厚さを含む照射パラメータを報告するログファイルを生成します。また、放射線種およびプランニングのメタデータも含まれています。

図 1: システム 1 およびシステム 2 のシステム構成。パネル (A–C) はシステム 1 を、パネル (D–F) はシステム 2 を示している。(A,D) 各プラットフォームの外観と注釈付きの寸法（高さ、幅、奥行き）。(B,E) 撮像時の内部構成であり、カウチの回転 (B) およびガントリーの回転 (E) を含む。システム 1 (B) では麻酔したマウスが、システム 2 (E) ではマウスファントムが示されている。(C,F) 治療照射時の内部構成であり、各システムにコリメーションハードウェアを配置した治療セットアップを強調している。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図2: フローチャートは、前処置、装置依存の手順、および処置後の評価にグループ化された、エンドツーエンドの実験ワークフローをまとめたものである。矢印はワークフローの手順上の順序を示す。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図 3: 治療セットアップに使用した器具。パネル (A–C) はシステム1の構成部品を、パネル (D–F) はシステム2の構成部品を示している。(A,D) 様々なサイズと形状のコリメータセット。(B,E) 画像診断および治療ポジショニングに使用する動物用支持カウチ/ベッド。(C,F) AlおよびCuフィルタ。こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図 4: システム1の計画評価ビュー。 (A) 全脳治療計画の線量-体積ヒストグラム (DVH)。ターゲット（緑線）は全脳、リスク臓器 (OAR)（黄線）は上部脊髄である。 (B) 画像データセットに重ね合わせた計算線量分布の軸方向（横断）ビュー。 (C) 計算線量分布の矢状面ビュー。 (D) 計算線量分布の冠状面ビュー。脳は緑色でコンツーリングされており、ビームエッジは紫色で概説されている (B–D)。 こちらのリンクをクリックして、この図の拡大版を表示してください。

図5システム2計画評価ビュー. (A) 全脳照射治療計画の線量・体積ヒストグラム（DVH）。標的（赤線）は脳、リスク臓器（OAR、白線）は上部脊髄である。 (B）垂直方向の軸方向線量ビュー × 側平面（C垂直方向の矢状面線量分布図 × 縦断面（D側面の冠状断線量ビュー × 縦断面。ビームの軌跡を青色で示す（B–D). この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6システム2およびシステム1の治療ログファイル. (A）同様の治療およびビーム照射情報を報告するシステム1のログファイル。（B) 治療パラメータを記録したシステム2のログファイル。 こちらの図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

表1：システム1およびシステム2の主要な物理的および運用上の仕様の概要。こちらのリンクからこの表をダウンロードしてください。

ディスカッション

放射線治療の分野は急速に進化しており、数多くの臨床試験が進行中ですが、所望の最終目標をもたらす放射線生物学的メカニズムを理解するためには、再現性と精度の高い前臨床実験が不可欠です。固定線源を用いた小動物照射法や全身照射法では、不要な毒性が生じる可能性があります²⁰。画像誘導型小動物照射装置の登場により、再現性の高いターゲティングが可能となり、リスク臓器（OARs）への線量を低減できるようになりました。これにより、患者への治療に近いパラメータをシミュレートでき、治療レジメンの完了および所望のエンドポイント到達前に動物が毒性で死亡するリスクを大幅に抑えながら、生物学的メカニズムを探索することが可能になります。基礎研究および前臨床研究における小動物モデルの使用は、臨床応用の前段階として不可欠な研究モデルとなっています。視野および検出器サイズが小さいため、小動物照射装置システムは、治療用リニアックと同等かそれ以上のサブmmレベルの空間精度を達成できます²¹。さらに、腫瘍科クリニックの放射線治療装置は、診療時間中は患者の治療に優先的に使用されるため、前臨床動物研究に利用できる時間は限られています。このような背景から、小動物照射装置は、臨床ワークフローを妨げることなく放射線生物学的研究を実施するための専用プラットフォームを研究者に提供します。

システム1とシステム2のいずれにおいても、高精度かつサブmmレベルの精度で画像誘導小動物照射が可能です²²。両システムの全体的なワークフローには類似点がありますが、CBCTに使用される撮像技術、ビーム品質、および線量率において重要な相違点があります。 

どちらのシステムにおいても、計画前のイメージングはAlフィルターを使用し、ビームコリメーションハードウェアなしで行われますが、治療ビームの照射はCuフィルターを使用し、専用のビームシェーピングハードウェアを介して行われます。そのため、各タスクにおいて正しいビームコリメーションハードウェアとフィルターが使用されているか、細心の注意を払う必要があります。システム2のフィルターには、ソフトウェアと通信して装着されているフィルターを表示するセンサーが内蔵されています。この機能はシステム1には備わっておらず、誤ったフィルターが挿入されていても照射を停止させるインターロックはありません。

治療計画において、System 1ソフトウェアは、以前の計画をテンプレートとして利用し、新たに取得したCTスキャンに基づいて新しいビーム照射時間を算出する機能を備えています。System 2にはこの機能がなく、スキャンごとに新しい計画を策定するか、以前の計画のパラメータを使用する必要があるため、精度とスループットのバランスを考慮しなければなりません。どちらの装置においても、最も不確実性の大きいステップの一つが手動によるコンツーリング（輪郭描出）であり、目的領域への線量の空間的精度を確保するために慎重に行う必要があります。治療計画の線量計算は装置の整合性を前提としており、両装置ともに、出力の整合性を評価するために定期的な品質管理（QA）手順を実施する必要があります。出力が許容誤差を超えて逸脱した場合は、販売会社に連絡し、必要に応じて再校正を行う必要があります。品質管理は、販売会社 および施設 の推奨事項に基づいて実施されます。

各動物に対して必要となる手動操作には、撮像と照射の間にアルミニウムフィルターと銅フィルターを切り替えること、コリメータの追加または切り替え、動物のアライメント、照射、および動物の取り出しが含まれます。現在、上述の工程をこれらのシステムのいずれかで実行するための自動化ツールの使用に関する報告はありません。システム1では、撮像と照射の間でCBCTパネルの開閉および移動も行う必要があります。前述の通り、プロトコルでより大きな精度許容範囲が認められている場合は、効率化のために一部の手順を省略できる場合があります。以前の計画または汎用的な治療計画を使用する場合は、治療計画の策定を省略できます。どちらの装置においても、オペレーターは1名で十分ですが、人員を追加することでワークフローの効率を高めることができます。例えば、1名のユーザーが装置の制御およびフィルターとコリメータの切り替えに専念し、もう1名が麻酔状態の監視と被験体の入れ替えを行うといった方法が考えられます。

両方の装置において、潜在的な問題の一つはガントリーが治療台に衝突する可能性です。衝突が起こるとアイソセンタの整合性に影響を及ぼし、再コミッショニングが必要になるためです。そのため、両方の装置には、ガントリーが動作している間は常に監視すべきカメラが装備されています。ユーザーがガントリーと治療台の衝突の可能性があると判断した場合は、直ちにコントロールソフトウェアのX線オフボタンを押してください。システムが反応しない場合、またはオペレーターや被験者に危険がある場合は、物理的な赤色の緊急停止ボタンを押してください。これにより、システム全体の電源が遮断されます。その後、ユーザーはボタンをリセットし、システムを再起動してください。被験者が部分的に照射されているため、オペレーターは主任研究者に相談し、被験者にとって最善の対応を決定する必要があります。

もう一つの潜在的な問題は、不適切なフィルターやコリメータが挿入されたことによる誤照射です。理想的には、各被験者の照射前にセットアップを確認することでこれを回避しますが、フィルターとコリメータの装着は手動の手順であり、撮像と治療の間に行われなければならないため、誤照射が起こる可能性があります。被験者番号を記録し、モニタリングのために責任研究者に報告する必要があります。最後によくある問題は、治療計画中にOARが過剰な線量を受けることです。臨床計画と同様に、異なる角度でのビームの追加やダイナミックプランへの切り替えなど、ビームパラメータの修正を行う必要があります。また、カウチ上の被験者の位置を調整することも可能です。

どちらのシステムも同等のCBCT画像解像度を備えており、本プロトコルでは扱っていませんが、マイクロCT、透視、および生物発光イメージングが可能です。システム1には、コンフォーマル照射および非共面照射を可能にする特殊なコリメーションシステムである電動可変コリメータが搭載されており、システム2には、回転可能な矩形照射野を形成する自動調整コリメータが搭載されています。治療計画については、システム1ではSoftware 3、SmART-XPS、またはmicro-Raystationが使用でき、システム2ではSoftware 6またはmicro-Raystationに対応しています。

ここで述べるプロトコルは、空間的に均一な照射野を持つ従来の線量率を用いた、小動物照射装置による系統的な放射線生物学研究に適しています。本プロトコルでは、空間的分画放射線治療（SFRT）および超高線量率（UHDR）放射線治療は対象外としています。なぜなら、これら2台の装置はそのような研究用に設計されていないためです²³。System 1のベンダー企業は、前臨床FLASH研究専用のプラットフォームを開発しており、UHDR研究に向けたシステムの検証作業が現在進行中です²⁴。また、System 2のベンダー企業も、従来線量およびUHDR照射のための新しいキャビネットシステムを開発しました。一部の研究者は、SFRT用の新型コリメータの作製や、線量率を上げるためのSSDの変更に取り組んでいます^25,26,27。現行システムにおける今後の応用としては、SSDを短縮した際の最大線量率能力の評価や、同一の治療計画を用いた2台の装置間での線量測定比較などが挙げられます。さらに、ウサギなどの他の小動物モデルにおける物理的なシステム上の制約を評価する研究も考えられます。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
MuriPlan v3.0.0	ソフトウェア 3	Xstrahl	MuriPlan
MuriSlice v3.2.6	ソフトウェア 2	Xstrahl	MuriSlice
PilotXRadConsole v1.30.3.5	ソフトウェア 4	Precision X-Ray	PilotXRadConsole
SARRP Control Software v4.3.1	ソフトウェア 1	Xstrahl	SARRP CS
Small Animal Radiation Research Platform	システム 1	Xstrahl	SARRP
Small Animal Radiation Therapy Systems	システム 2	Precision X-Ray	SmART+
SmART+ v1.30.3.5	ソフトウェア 5	Precision X-Ray	SmART+
SmART-Advanced Treatment Planning v24.1.3.240826	ソフトウェア 6	Precision X-Ray	SmART-ATP