JP2013062193A

JP2013062193A - 中性子線照射装置

Info

Publication number: JP2013062193A
Application number: JP2011201028A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Mitsumoto; 俊典密本; Yoshinori Sakurai; 良憲櫻井; Hiroki Tanaka; 浩基田中
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd; Kyoto University NUC
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd; Kyoto University NUC
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-04-04

Abstract

【課題】治療における中性子線の照射時間を短く抑えることができる中性子線照射装置を提供する。
【解決手段】中性子線治療装置１は、荷電粒子を加速し荷電粒子線Ｐを出射する加速器と、加速器からの荷電粒子線Ｐが入射され中性子線を生成するターゲットＴと、ターゲットＴからの中性子線を減速させ出射するモデレータ５０と、を備え、モデレータ５０から出射される中性子線Ｎを水ファントム６０の入射面６０ａから入射させた場合に、照射中心軸線Ｃ上で水ファントム６０の入射面６０ａから２０ｍｍの深さの基準位置Ｑ１における中性子束が５．０×１０⁸ neutrons/cm²/sec以上になるように加速器及びターゲットＴが設定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、中性子線照射装置に関するものである。

がん治療等における放射線治療の１つとして、中性子線の照射によりがん治療を行うホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：BoronNCT）がある。従来、このホウ素中性子捕捉療法を行うための中性子線治療装置（ＢＮＣＴ装置）が開発されており、例えば特許文献１には、サイクロトロン等の加速器で陽子線（荷電粒子線）を生成し、タンタルやタングステン等のターゲットに陽子線を照射することにより中性子線を生成し、生成した中性子線を対象へ照射するものが開示されている。

特開２００７−２４０３３０号公報

この種の治療装置では、治療効果を生じさせるための所定の線量の中性子線を被照射体に照射することが必要であるので、中性子線の照射を一定の時間継続する必要がある。被照射体（患者等）の負担軽減、装置の稼動効率の向上、がん細胞中のホウ素の濃度低下の防止等の観点から照射時間は短いことが好ましいので、治療効果を犠牲にすることなく中性子線の照射時間を短くすることが望まれる。ところが、上記特許文献１の装置においては、治療時間・照射時間について何ら考慮されていない。

このような事情に鑑み、本発明は、治療における中性子線の照射時間を短く抑えることができる中性子線照射装置を提供することを目的とする。

本発明の中性子線照射装置は、中性子線を被照射体へ照射する中性子線照射装置であって、荷電粒子を加速し荷電粒子線を出射する加速器と、加速器からの荷電粒子線が入射され中性子線を生成する中性子線生成部と、中性子線生成部からの中性子線を減速させ出射する減速部と、を備え、減速部から出射される中性子線を水ファントムの入射面から当該水ファントム中に入射させた場合に、中性子線の照射野の中心軸線上で入射面から２０ｍｍの深さの位置における熱中性子束が５．０×１０⁸ neutrons/cm²/sec 以上になるように加速器及び中性子線生成部が設定されていることを特徴とする。

上記の条件を満たす中性子線によれば、治療効果を生じさせるために必要とされる中性子線の等価線量が、被照射体に対する約２時間以下の照射で実現される。よって、治療における中性子線の照射時間を、約２時間以下といった短い時間に抑えることができる。

本発明の中性子線照射装置によれば、治療における中性子線の照射時間を短く抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る中性子線治療装置の構成を示す図である。図１の中性子線治療装置における中性子線出力部の近傍を示す概略断面である。図１の中性子線治療装置の出射方向前方に水ファントムを設置した状態を示す概略断面図である。図３の水ファントム中に中性子線を入射した場合、熱中性子線の中性子束の分布を等値線で示す図である。図３の水ファントム中で、照射中心軸線Ｃ上における熱中性子線の中性子束（フラックス）の分布を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、「上流」「下流」の語は、出射する荷電粒子線及び中性子線の上流（加速器側）、下流（患者側）をそれぞれ意味している。

図１に示す中性子線治療装置（中性子線照射装置）１は、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：BoronNCT）を用いたがん治療を行う装置であり、ホウ素１０（^１０Ｂ）が投与された患者（被照射体）４０に対し中性子線Ｎを照射する。中性子線治療装置１は、加速器１０（例えば、サイクロトロン）を備え、加速器１０は、荷電粒子（例えば、陽子）を加速して、荷電粒子線Ｐ（例えば、陽子線）を作り出し、出射する。ここでの加速器１０は、例えば、ビーム半径４０ｍｍ、６０ｋＷ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）の荷電粒子線Ｐを生成する能力を有している。

加速器１０から出射された荷電粒子線Ｐは、水平型ステアリング１２、４方向スリット１４、水平垂直型ステアリング１６、四重極電磁石１８，１９，２０、９０度偏向電磁石２２、四重極電磁石２４、水平垂直型ステアリング２６、四重極電磁石２８、４方向スリット３０、電流モニタ３２、荷電粒子線走査部３４を順次に通過し、中性子線出力部３６に導かれる。中性子線出力部３６では荷電粒子線ＰがターゲットＴに照射されることで生成された中性子線Ｎを出射（出力）し、当該中性子線Ｎが治療台３８上の患者４０に照射される。

水平型ステアリング１２、水平垂直型ステアリング１６，２６は、例えば電磁石を用いて荷電粒子線Ｐのビーム軸調整を行うものである。同様に、四重極電磁石１８，１９，２０，２４，２８は、例えば電磁石を用いて荷電粒子線Ｐのビームの発散を抑制するものである。４方向スリット１４，３０は、端のビームを切ることにより、荷電粒子線Ｐのビーム整形を行うものである。

９０度偏向電磁石２２は、荷電粒子線Ｐの進行方向を９０度偏向するものである。なお、９０度偏向電磁石２２には、切替部４２が設けられており、切替部４２によって荷電粒子線Ｐを正規の軌道から外してビームダンプ４４に導くことが可能になっている。ビームダンプ４４は、治療前などにおいて荷電粒子線Ｐの出力確認を行うことができる。

電流モニタ３２は、中性子線出力部３６のターゲットＴに照射される荷電粒子線Ｐの電流値（つまり、電荷，照射線量率）をリアルタイムで測定するものである。電流モニタ３２は、荷電粒子線Ｐに影響を与えずに電流測定可能な非破壊型のＤＣＣＴ（DC Current Transformer）が用いられている。この電流モニタ３２には、所定のコントローラが接続されている。なお、「線量率」とは、単位時間当たりの線量を意味する（以下、同じ）。

荷電粒子線走査部３４は、荷電粒子線Ｐを走査し、ターゲットＴに対する荷電粒子線Ｐの照射制御を行うものである。ここでの荷電粒子線走査部３４は、例えば、荷電粒子線ＰのターゲットＴに対する照射位置や、荷電粒子線Ｐのビーム径等を制御する。

図２に示すように、中性子線出力部３６は、荷電粒子線Ｐを通すビームダクト４８の下流端部に配設されたターゲット（中性子線生成部）Ｔと、ターゲットＴで発生した中性子線Ｎを減速させるモデレータ（減速部）５０と、これらを覆うように設けられた遮蔽体５２と、遮蔽体５２の下流端に取り付けられたコリメータ４６と、を含んで構成されている。

ターゲットＴは、荷電粒子線Ｐの照射を受けて中性子線Ｎを発生させるものである。ここでのターゲットＴは、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）により形成され、直径１６０ｍｍの円板状を成している。モデレータ５０は、ターゲットＴから出射される中性子線Ｎを減速させ、エネルギーが低減された治療用中性子線Ｎとするものである。モデレータ５０は、例えば異なる複数の材料から成る積層構造とされている。

モデレータ５０の材料は、荷電粒子線Ｐのエネルギー等の諸条件によって適宜選択される。例えば、加速器１０からの出力が３０MeVの陽子線であり、ターゲットＴとしてベリリウムターゲットを用いる場合には、モデレータ５０の材料は、鉛、鉄、アルミニウム、又はフッ化カルシウムとする。また、加速器１０からの出力が１１MeVの陽子線であり、ターゲットＴとしてベリリウムターゲットを用いる場合には、モデレータ５０の材料は、重水（D2O）又はフッ化鉛とする。また、加速器１０からの出力が２．８MeVの陽子線であり、ターゲットＴとしてリチウムターゲットを用いる場合には、モデレータ５０の材料は、フルエンタール（商品名；アルミニウム、フッ化アルミ、フッ化リチウムの混合物）とする。また、加速器１０からの出力が５０MeVの陽子線であり、ターゲットＴとしてタングステンターゲットを用いる場合には、モデレータ５０の材料は、鉄又はフルエンタールとする。

遮蔽体５２は、中性子線Ｎ、及び当該中性子線Ｎの発生に伴って生じたガンマ線等が外部へ放出されないよう遮蔽するものであり、治療室の床に取り付けられている。コリメータ４６は、治療用中性子線Ｎの出力口となる円形の開口４６ａを備え、治療用中性子線Ｎの照射野を規定する。以下、コリメータ４６で規定される照射野の中心（開口４６ａの中心）を通り治療用中性子線Ｎの上下流方向に延在する仮想の軸線を「照射中心軸線」と称し、符号「Ｃ」を付して示す。なお、照射中心軸線Ｃは、コリメータ４６の開口４６ａの下流端面に直交している。

中性子線出力部３６においては、荷電粒子線走査部３４で走査された荷電粒子線Ｐがターゲット（中性子線生成部）Ｔに照射され、これにより中性子線が発生する。発生した中性子線は、モデレータ５０で減速されて治療用中性子線Ｎとなる。そして、モデレータ５０から出射された治療用中性子線Ｎが、コリメータ４６の開口４６ａを通過して治療台３８上の患者４０へ照射される。治療用中性子線Ｎのビームには、ガンマ線、速中性子線、熱外中性子線、及び熱中性子線が含まれている。このうちの熱中性子線が、主に、患者４０体内の腫瘍中に取り込まれたホウ素１０と核反応し、有効な治療効果を発揮する。なお、治療用中性子線Ｎのビームに含まれる熱外中性子線の一部も、患者４０の体内で減速されて上記治療効果を発揮する熱中性子線となる。熱中性子線は、０．５eV以下のエネルギーの中性子線である。

続いて、中性子線治療装置１から出力される治療用中性子線Ｎの強度の設定について説明する。

治療用中性子線Ｎの強度設定では、患者４０に対する治療の等価線量率を適切に調整する必要がある。ここで、治療の等価線量率に影響を与える項目としては、主に、(ア)熱中性子線とホウ素１０との反応、(イ)熱中性子線と生体構成元素である窒素との反応、(ウ)速中性子線と生体構成元素である水素との反応、及び(エ)ガンマ線と生体との反応がある。すなわち、治療用中性子線Ｎによる治療の等価線量率は、下式(A)のように表される。
(治療の等価線量率)＝
(熱中性子束)・a1+(熱中性子束)・a2+(速中性子束)・b+(ガンマ線束)・1.0 …（A)
但し、式(A)中のa1,a2,bは、既知の係数である。
そして、式(A)の右辺のうち熱中性子束に関係する第１項が、治療の等価線量率の９０〜９５％を占める。従って、中性子線治療装置１においては、熱中性子束を調整することによって、治療用中性子線Ｎによる治療の等価線量率を調整するものとする。以下、治療用中性子線Ｎにおける熱中性子束の調整について説明する。

図３に示すように、コリメータ４６の下流側に水ファントム６０を設置し、治療用中性子線Ｎを水ファントム６０の入射面６０ａから入射させた場合を考える。このとき、水ファントム６０の入射面６０ａをコリメータ４６の開口４６ａに当接させた状態とする。コリメータ４６の開口４６ａの径は、直径１００〜２５０ｍｍとする。

ここで、上記のような水ファントム６０中に中性子線を入射した場合、熱中性子線の中性子束は図４のような分布を示す。なお、図４は、照射中心軸線Ｃを含む平面内における、熱中性子線の中性子束の等値線を示すものである。図４においては、水平位置＝０ｍｍの直線が照射中心軸線Ｃに対応しており、縦軸（水平位置）は照射中心軸線Ｃからの距離を表し、横軸（深さ）は入射面６０ａから照射中心軸線Ｃ方向に測った深さを表す。図４中の各等値線に付された各値は、ピークの中性子束値（１．０）に対する各箇所の中性子束値の比を表している。また、水ファントム６０中で、照射中心軸線Ｃ上における熱中性子線の中性子束（フラックス）は、図５のような分布を示す。

図４及び図５から理解されるように、熱中性子線の中性子束のピークは、当該治療用中性子線Ｎを照射した水ファントム６０中において、照射中心軸線Ｃ上の深さ約２０ｍｍの位置にある。

この知見に鑑み、本実施形態においては、水ファントム６０中で照射中心軸線Ｃ上の深さ２０ｍｍの位置を治療用中性子線Ｎの強度設定のための基準位置Ｑ１とする。そして、治療用中性子線Ｎを水ファントム６０に入射させた場合に、上記基準位置Ｑ１における熱中性子束が５．０×１０⁸ neutrons/cm²/sec 以上となるように、中性子線治療装置１を設定するものとする。この条件は、水ファントム６０中における基準位置Ｑ１の等価線量率が１２．５mGy-Eq/min以上になるような照射に対応する。治療用中性子線Ｎを水ファントム６０に入射させた場合に、基準位置Ｑ１における熱中性子束が５．０×１０⁸ neutrons/cm²/sec 以上になるとの上記条件を、以下、「基準照射条件」という。上記の基準照射条件を満足するような等価線量率は、主に、ターゲットＴの種類を適切に選択すると共に加速器１０からターゲットＴに入射するイオン（荷電粒子線Ｐ）の電流量を調整することにより実現される。

水ファントム６０中の基準位置Ｑ１における熱中性子束は、次の方法で測定される。水ファントム６０中に金の試料（例えば金線）を入れておき、図３に示されるように水ファントム６０を設置した状態で、中性子線治療装置１からの治療用中性子線Ｎを水ファントム６０に照射する。金は熱中性子を吸収して放射化する性質を有するので、水ファントム６０中の金試料は治療用中性子線Ｎによって放射化される。その照射の終了後、金試料を回収し、金試料から放射される特定のガンマ線を測定して金試料の放射化量を測定する。更に、上記と同様の照射及び測定を、カドミウムで覆った金試料を用いて行い、当該試料の放射化量を測定する。

これらの試料の放射化量と熱中性子束との間には既知の相関関係があるので、金試料の放射化量から、カドミウムで覆った金試料の放射化量を減算することで、上記相関関係に基づき熱中性子束を算出することができる。金試料及びカドミウムで覆った金試料のうち基準位置Ｑ１に位置していた部位について上記の分析を行うことで、基準位置Ｑ１における熱中性子束が求められる。

なお、治療用中性子線Ｎの速中性子束も、上記の金試料に代えてインジウム試料又はアルミニウム試料を用いることで、試料の放射化量から算出することができる。また、治療用中性子線Ｎのガンマ線束も、ＴＬＤ（熱ルミネッセンス測定子）を用いて測定することができる。

基準照射条件を満足するためには、例えば、加速器１０から出力される荷電粒子線Ｐのエネルギーが１核子あたり１MeV以上で、荷電粒子線Ｐの電流が０．５mA以上になるように設定される。基準照射条件を満足するための加速器１０及びターゲットＴの組み合わせについて、更に具体的な設定の例を、以下の設定例１〜３として挙げる。

（設定例１）
加速器１０として、静電加速器又は線形加速器を使用する。加速器１０から出力される荷電粒子線は陽子線であり、陽子線の陽子エネルギーは１．９〜１０MeVとする。例えば、加速器１０から、２．８MeVの陽子線を２０mA以上で出力すればよい。ターゲットＴとしては、リチウムターゲットを使用する。この場合、金属リチウム（固体）をターゲットＴとしてもよく、液体リチウムを循環させてターゲットＴとして用いてもよい。

（設定例２）
加速器１０として、線形加速器、サイクロトロン、又はFFAG（固定磁場強収束型加速器）を使用する。加速器１０から出力される荷電粒子線は陽子線であり、陽子エネルギーは８〜４０MeVで０．６mA以上とする。ターゲットＴとしては、ヘリウムターゲット又はベリリウムターゲットを使用する。

（設定例３）
加速器１０として、サイクロトロン、シンクロトロン、又はFFAGを使用する。加速器１０から出力される荷電粒子線は陽子線であり、陽子エネルギーは３０MeV以上とする。ターゲットＴとしては、タンタル、タングステン、又は水銀などの重金属のターゲットを使用する。

続いて、上述のように基準照射条件を満足するように設定された中性子線治療装置１の作用効果について説明する。

中性子線治療装置１を用いて患者４０に対するホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ）を行う場合を考える。ＢＮＣＴにおける治療用中性子線Ｎの照射時間を決定するにあたり、典型的なＢＮＣＴ治療例として以下の値が採用される。
人体構成元素である窒素の濃度：２％
投入薬剤であるホウ素１０の人体中の濃度：２５ｐｐｍ
正常な皮膚のCBE値：２．５
正常な皮膚に対する最大線量：１１Gy-Eq
また、一般にＢＮＣＴの治療効果を得るためには、腫瘍に対して２０Gy-Eqの線量の照射が必要とされている。

上記の治療例に基づいて算出すれば、ＢＮＣＴにおいて中性子線治療装置１の治療用中性子線Ｎを患者４０に照射した場合、照射中心軸線Ｃ上の患者４０の身体内部の深さ２０ｍｍの位置で中性子線量率がピークになる。そして、照射を２時間継続した場合に、当該深さ２０ｍｍの位置における合計の等価線量は約６０Gy-Eq以上となり、患者４０の身体内部の深さ８０ｍｍの位置における合計の等価線量は約２０Gy-Eq以上となる。またこのとき、患者４０の皮膚表面における合計の等価線量を１１Gy-Eq以下に抑えることも可能である。なお、ＢＮＣＴにおける合計の等価線量は、熱中性子とホウ素の核反応による等価線量（ホウ素線量）と、熱中性子と窒素の核反応による等価線量（窒素線量）と、速中性子による反跳水素による等価線量（水素線量）と、ガンマ線による等価線量と、の和として表わされる。

従って、基準照射条件を満足する設定の中性子線治療装置１によれば、患者４０の腫瘍が身体内部の深さ２０〜８０ｍｍの位置に存在する場合に、２時間の治療用中性子線Ｎの照射で腫瘍に対する十分な治療効果を得ることができる。その結果、治療効果を得ながら、治療用中性子線Ｎの照射時間を２時間以下という短い時間に抑えることができる。治療用中性子線Ｎの照射中においては、患者４０は身体を動かすことが許されないなどの負担を強いられるが、上記の２時間以下という照射時間は、患者４０の負担の許容範囲内であると考えられる。また、中性子線治療装置１によれば、照射時間を短くし治療時間を短くすることにより、稼働率向上が図られるといった効果もある。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形したものであってもよい。

例えば、９０度偏向磁石２２を用いて荷電粒子線Ｐを９０度偏向する構成に限らず、９０度偏向磁石を設置せずに、加速器からターゲットまでを一直線上に配置してもよい。また、固定照射を行うタイプの治療装置に限らず、ターゲット及び中性子線出力部を患者の周りに回転させる回転照射を行うタイプの治療装置に本発明を適用してもよい。また、荷電粒子線走査部３４を設けずに、ターゲット上の定位置に荷電粒子線を照射するようにしてもよい。また、電流モニタ３２を設けずに、中性子線の線量を直接測定できる測定手段を設けてもよい。

１…中性子線治療装置（中性子線照射装置）、１０…加速器、４０…患者（被照射体）、５０…モデレータ（減速部）、６０…水ファントム、６０ａ…入射面、Ｃ…照射中心軸線（照射野の中心軸線）、Ｎ…治療用中性子線、Ｐ…荷電粒子線、Ｑ１…基準位置、Ｔ…ターゲット（中性子線生成部）。

Claims

中性子線を被照射体へ照射する中性子線照射装置であって、
荷電粒子を加速し荷電粒子線を出射する加速器と、
前記加速器からの前記荷電粒子線が入射され中性子線を生成する中性子線生成部と、
前記中性子線生成部からの前記中性子線を減速させ出射する減速部と、を備え、
前記減速部から出射される前記中性子線を水ファントムの入射面から当該水ファントム中に入射させた場合に、
前記中性子線の照射野の中心軸線上で前記入射面から２０ｍｍの深さの位置における熱中性子束が５．０×１０⁸ neutrons/cm²/sec 以上になるように前記加速器及び前記中性子線生成部が設定されていることを特徴とする中性子線照射装置。