放射線手術
放射線手術
放射線治療システムが設置されている様子を示す術中写真。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

放射線手術とは、放射線を用いた手術であり[ 1 ] 、刃物による切除ではなく、電離放射線を用いて正確に選択された組織領域を破壊するものです。他の放射線療法（放射線療法とも呼ばれます）と同様に、通常は癌の治療に用いられます。放射線手術は、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照射される高線量放射線の単回照射」と定義されました[ 2 ] 。

定位放射線手術（SRS ）において、「定位的」とは、患者の診断画像に映る仮想標的と患者の実際の標的位置を正確に相関させることを可能にする三次元座標系を指します。定位放射線手術は、中枢神経系（CNS）外で使用される場合、定位体部放射線治療（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 ]

歴史

定位放射線手術は、従来の手術が不可能な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治療装置は、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線によって行われた。[ 5 ]この装置の原理は、頭蓋内の標的に複数の方向から細い放射線ビームを照射することだった。放射線の経路は標的体積内で収束し、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線量を制限した。10年後、物理学者クルト・リーデンとボルジェ・ラーソンの貢献により、大きな進歩が遂げられた。[ 6 ] この頃には、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かつコンパクトで精密で簡単なツールの開発を進めた。 1968 年にこれはガンマナイフへとつながり、カロリンスカ研究所に設置された。これはガンマ線を照射するための中央チャネルを備えた一種のヘルメットに配置された複数のコバルト 60放射性源から構成されていた。 [ 8 ]このプロトタイプは、従来の治療に反応しない疼痛、運動障害、または行動障害を治療するための機能的神経外科手術用のスリット状の放射線病変を作成するように設計された。 この最初の装置の成功により、179 個のコバルト 60 源を含む 2 番目の装置が構築された。この 2 番目のガンマナイフ装置は、脳腫瘍や頭蓋内動静脈奇形(AVM) を治療するための球状の病変を作成するように設計された。[ 9 ] 1980年代にはコバルト60源201基を備えた追加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）向け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、同年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の研究は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 ]線形加速器ユニットはすぐに従来の分割放射線治療用の好まれる装置になりましたが、専用の線形加速器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、次いで線形加速器ベースの光子放射線手術の動静脈奇形（AVM）およびてんかんの治療に対する役割を評価し始めました。[ 13 ] 1984年、BettiとDerechinskyは線形加速器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により、線形加速器ベースの放射線手術のプロトタイプ技術をさらに進化させました。[ 15 ]改良された線形加速器を使用して、米国で最初の患者が1986年2月にボストンブリガムアンドウィメンズ病院で治療されました。

21世紀

医用画像とコンピューティングの技術的向上により、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精密度は、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・パスティーア・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分割照射からなる治療を含むように拡張され、定位放射線手術は、体外で発生した電離放射線を利用して、通常は頭部または脊椎内の特定の標的を外科的切開を必要とせずに不活化または根絶する、独立した神経外科分野として再定義された。 [ 20 ]定位放射線手術と分割放射線治療の概念の類似性にかかわらず、治療を達成するメカニズムは微妙に異なるが、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る。[ 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る。従来の放射線治療でも同じ原則が踏襲されているが、より広い領域に渡ってより低い線量率を使用する可能性が高い（例えば、VMAT治療など）。分割放射線治療は、標的組織と周囲の正常組織の放射線感受性の差が、総蓄積放射線量に及ぼす影響に大きく依存する。[ 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伴う定位放射線手術という元々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でも放射線手術によく反応する場合があり、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でも分割放射線治療には適している可能性があるため、両方の治療技術は補完的である。[ 21 ]

今日では、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治療用に作られており、専用の放射線手術ツールになる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一例として、サイバーナイフがあります。これは、患者の周りを移動して、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小型リニアックで、ガンマナイフの概念を模倣しています。

作用機序

左小脳橋角部前庭神経鞘腫患者における静脈内造影CTスキャンの計画

放射線手術の基本原理は、高エネルギーの放射線ビームを用いて組織を選択的に電離させることです。電離とは、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。細胞内の水分や生体物質から生成され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、細胞死をもたらします。したがって、治療対象となる組織体積に対して生物学的不活性化が行われ、正確な破壊効果が得られます。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量です）。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に入れた単位がシーベルトで、これは付与されたエネルギー量と生物学的効果の両方を表す単位です。

臨床応用

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 ]

脳と脊椎

放射線手術は、脳神経外科医、放射線腫瘍医、医療物理学者からなる多職種チームによって行われ、医療用直線加速装置、ガンマナイフ装置、サイバーナイフ装置など、高度に高度で精密かつ複雑な機器の操作と保守を行います。脳と脊椎内の標的への高精度な放射線照射は、コンピュータ断層撮影（CT）、磁気共鳴画像（MRI）、血管造影検査（Agnition Angiography ）によって得られる医療画像の情報を用いて計画されます。

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。この技術を用いる場合には、重要な臨床判断を下さなければならず、病変の種類、病理（判明している場合）、大きさ、場所、年齢、患者の全般的な健康状態などを考慮する必要があります。放射線手術の一般的な禁忌としては、標的病変が非常に大きい場合、または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）の平均入院日数は約 15 日です。放射線手術の結果は、治療後数ヶ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%において疼痛管理に有効であり、症例の95%において画像評価による腫瘍の安定性が保証されます。また、脊椎転移が1～2つの脊椎区域に及ぶ場合により効果的です。一方、従来の外照射放射線治療は、複数の脊椎転移に対してより適しています。[ 26 ]

併用療法

SRSは単独で、または他の治療法と併用して実施されます。脳転移の場合、これらの治療選択肢には全脳放射線療法（WBRT）、手術、全身療法が含まれます。しかし、最近のシステマティックレビューでは、SRS単独治療とSRS＋WBRT治療、あるいはWBRT単独治療を比較した場合、全生存率や脳転移による死亡率への影響に差は見られませんでした。[ 27 ] [ 28 ]

その他の臓器

定位放射線治療の適応病変は肝臓がん、肺がん、膵臓がんなどにも拡大しつつあります。

リスク

ニューヨークタイムズは2010年12月に、直線加速器法による放射線手術で放射線の過剰被曝が発生しており、その主な原因は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だと報じた。 [ 29 ]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唆する証拠である。 [ 30 ]

放射線源の種類

適切な放射線の種類と機器の選択は、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。データは、様々な治療法すべてにおいて同様の臨床結果が得られる可能性があることを示唆しています。使用する機器よりも重要なのは、治療の適応、照射される総線量、分割照射スケジュール、そして治療計画の適合性に関する問題です。

ガンマナイフ

ガンマナイフ放射線手術を行う医師
レクセル ガンマ ナイフのNRCグラフィック

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用い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ます。この装置は1967年、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、そして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ました。

ガンマナイフには通常、約30 キュリー（1.1 テラベクレル）のコバルト60線源が201個、強力に遮蔽された装置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内の標的部位に照射します。患者は頭蓋骨に外科的に固定された特殊なヘルメットを装着し、脳腫瘍がガンマ線の標的部位に静止した状態を保ちます。これにより、1回の治療で腫瘍にアブレーション線量の放射線が照射され、周囲の脳組織への影響は比較的小さくなります。

ガンマナイフ療法は、他の放射線手術と同様に、健康な脳組織への損傷を避けるため、放射線を正確に照射することでがん細胞を死滅させ、腫瘍を縮小させます。ガンマナイフ放射線手術は、多数のガンマ線ビームを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への影響がほとんどなく、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。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] 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、[ 35 ]合併症は治療されている病状に関連している。[ 36 ] [ 37 ]

直線加速器を用いた治療

線形加速器（リニアック）は、加速された電子を高Zターゲット（通常はタングステン）に衝突させることでX線を発生させます。この方法は「X線治療」または「光子治療」とも呼ばれます。照射ヘッド（ガントリー）は、患者の周囲を機械的に一周または部分的に回転します。患者が横たわる台（カウチ）も、小さな直線または角度で移動させることができます。ガントリーとカウチの動きを組み合わせることで、照射する組織の体積をコンピュータで計画することができます。脳治療では、標的の深さが深いため、6MeVの高エネルギー装置が一般的に使用されます。照射ヘッドから放出されるエネルギービームの直径は、コリメータを用いて病変の大きさに合わせて調整できます。これらは、通常5mmから40mmまで5mm刻みで変化する異なる直径を持つ交換可能なオリフィス、または治療中に動的に移動可能な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る場合があり、これにより、アブレーション対象の腫瘤に合わせて放射線ビームを成形することができます。2017年現在、リニアックは0.15～0.3mmといった極めて狭いビーム形状を実現できるようになりました。そのため、三叉神経痛など、これまで開腹手術や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、リニアックは高周波アブレーションと同等の効果がありますが、痛みの再発防止に関しては外科手術に劣ることが示されています。

このようなシステムの最初のものは、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およびピーター・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。

陽子線治療

陽子は、陽子線治療（PBT）または陽子線治療と呼ばれる放射線手術にも利用されます。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、強力な磁石によって軌道が制御されながら、真空の円形導管または空洞を連続的に通過することで加速され、人体を横切るのに必要なエネルギー（通常約200MeV）に達します。その後、陽子は患者の体内の治療部位、すなわち照射標的に向けて放出されます。特定のエネルギーの陽子のみを照射する装置の中には、ビーム源と患者の間にプラスチック製の専用マスクを配置し、適切な透過率が得られるようにビームエネルギーを調整するものもあります。放出された陽子のブラッグピーク現象は、陽子線治療が他の放射線治療に比べて優れている点です。これは、陽子のエネルギーの大部分が限られた距離内に蓄積されるため、この距離を超える組織（そしてある程度はこの距離内にある組織も）は放射線の影響を受けないからです。陽子のこの特性は、対潜水艦戦で使用される爆発兵器に例えて「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等角線状の線量分布を作り出すことができます。また、視交叉や脳幹といった放射線感受性の高い組織に囲まれた標的や背後に遮られた標的に対しては、より高い線量を照射することができます。「強度変調」技術の開発により、直線加速器を用いた放射線手術においても同様の等角線状線量分布を実現できるようになりました。

2013年時点では、「ごく少数の稀な小児がん」を除き、ほとんどの症例において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存在しませんでした。批評家たちは、非常に高額な陽子線治療の導入が進む現状に反発し、「医療における軍拡競争」や「狂気の医療と持続不可能な公共政策」を非難しました。[ 38 ]

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