JP2004049884A - Radiation therapy apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガンマ線を用いた腫瘍等に対する放射線治療装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
放射線による腫瘍(癌)の治療には、X線やガンマ線等が用いられており、なかでもガンマ線は広く利用されている。
【0003】
腫瘍の放射線治療は、放射線が体内を通過するときにエネルギー損失が行われ、腫瘍の組織に生物学的損傷(以下、単に損傷と称する)を与えることを利用している。図17中、上部に示すように、人や動物等の患者21中の腫瘍22に対し、外部から放射線41が照射される。図17では、腫瘍22の患者21内の位置(深さ)と損傷の程度との関係も示している。
【0004】
上記放射線による影響は腫瘍に限らず正常組織にも与えられるので、放射線治療の基本は、腫瘍での線量を最大に、正常組織での線量を最小にすることである。すなわち、図17中、下部に示すように、腫瘍22の存在する深さでのみ顕著に損傷し、それ以外の深さでは損傷が起きないかごくわずかであることが求められる。
【0005】
公知技術としては、特許文献1、2がある。
【0006】
【特許文献1】
特開平11−151310号公報(公開日平成11年6月8日)
【0007】
【特許文献2】
特開2000−331799号公報(公開日平成12年11月30日)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ガンマ線は手軽に入手できるが、図18に示すように、正常組織にも損傷を与えてしまう。図18において、横軸は上記同様深さであり、縦軸は上記同様損傷の程度である。
【0009】
このため、図19に示すように、ガンマ線12を四方から照射し、腫瘍22に集中させる方法(ガンマナイフ)が開発されている。しかしながら、腫瘍22を十分に損傷させようとすると、やはり正常組織に積分された線量が大きくなってしまう。
【0010】
最近では、特許文献1や2に開示されているように、高エネルギーの荷電粒子ビームを用い、ブラッグピークを利用した方法がこの点で期待されている。ブラッグピークとは、放射線が停止する直前に最大の放射エネルギーを放出することをいう。しかし、重イオン、陽子等の荷電粒子では高エネルギーの加速器が必要であり、現実的には、専用のビームラインが必要となる。また、有効範囲が小さいため、大きな患部ではメリットが少ない。
【0011】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、正常組織の損傷を抑えながら効率的に治療を行える放射線治療装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る放射線治療装置は、ガンマ線が当たると電子陽電子対を放出して電磁シャワーを発生させて治療対象体中の患部に照射する電子陽電子対放出部と、治療対象体の外部からガンマ線を照射して上記電子陽電子対放出部に当てるガンマ線照射部とを備えたことを特徴としている。
【0013】
上記の構成により、ガンマ線照射部によって治療対象体(人体等)の外部からガンマ線を照射し、上記電子陽電子対放出部に当てる。すると、電子陽電子対放出部から電子陽電子対が放出され、それが電磁シャワーに発展して患部(腫瘍等)に照射される。
【0014】
したがって、電子陽電子対放出部を、患部近傍、すなわち電子陽電子対が十分な治療効果(損傷効果)となる強度を持って患部に当たることができるような距離範囲内に配置することで、この電子陽電子対により患部を放射線治療することができる。患部が治療対象体の内部に存在する場合は、電子陽電子対放出部を患部の中心に埋め込めばよい。一方、電子陽電子対およびそれから発展した電磁シャワーは所定距離進むと強度が減少する。そのため、患部周囲の正常組織への影響を抑えることができる。
【0015】
それゆえ、正常組織の損傷を極力抑えながら腫瘍等の患部に多くの放射線を照射することができ、効率的に放射線治療を行うことができる。
【0016】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、治療対象体中の電子陽電子対放出部の位置を検出する電子陽電子対放出部位置検出部と、治療対象体中でガンマ線が照射されている位置を検出するガンマ線照射位置検出部と、上記電子陽電子対放出部位置検出部により検出された治療対象体中の電子陽電子対放出部の位置と上記ガンマ線照射位置検出部により検出された治療対象体中でガンマ線が照射されている位置とがずれている旨の情報が入力されると、上記電子陽電子対放出部の位置を、ガンマ線が照射されている位置に戻す位置制御部と、電子陽電子対放出部の位置とガンマ線が照射されている位置とがずれている間、ガンマ線照射をオフにするように上記ガンマ線照射部を制御するガンマ線照射制御部とを備えたことを特徴としている。
【0017】
上記の構成により、治療対象体中のガンマ線照射部の位置と、治療対象体中でガンマ線が照射されている位置とがずれている間、ガンマ線の発生をオフにする。
【0018】
それゆえ、上記の構成による効果に加えて、無駄なくガンマ線を照射することができる。
【0019】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記ガンマ線照射部が、電子線が当たると制動輻射でガンマ線を放出するガンマ線放出部と、上記ガンマ線放出部から放出されるガンマ線のうち、所定の放射角以下のもののみを通す穴を有するコリメータと、上記ガンマ線放出部とコリメータとの間に置かれ、上記ガンマ線放出部から放出されるガンマ線のうちでエネルギーが所定値以下のものを吸収する低エネルギーガンマ線吸収部とを備えたことを特徴としている。
【0020】
上記の構成により、高エネルギーのガンマ線を得ようとして高エネルギーの電子線をガンマ線放出部に当てると、広範囲(大きな放射角)に高エネルギーのガンマ線が放出されるが、コリメータを設けたことで、高エネルギーのガンマ線は所望の狭い範囲のみ出射させることができる。その結果、電子陽電子対放出部に入らずに患者の無関係の部位に高エネルギーのガンマ線が照射されるのを防ぐことができる。また、このように出射範囲を狭くしても、低いエネルギーのガンマ線が混じると効率が悪いので、それを取り除く。
【0021】
したがって、上記の構成による効果に加えて、ギガレベルの高価な加速器を使わずに、癌治療などですでに利用可能な既存の加速器を利用して安全かつ効率よく高エネルギーのガンマ線を得ることができ、患部を電磁シャワーで十分に治療することができる。
【0022】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記ガンマ線放出部から放出されてコリメータの穴を通らないガンマ線を吸収する不要ガンマ線吸収部を備えたことを特徴としている。
【0023】
上記の構成により、上記ガンマ線放出部から放出されてコリメータの穴を通らないガンマ線を吸収する不要ガンマ線吸収部が備えられている。
【0024】
したがって、上記の構成による効果に加えて、不要なガンマ線を吸収することができる。
【0025】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記ガンマ線放出部の周囲に、上記ガンマ線放出部からガンマ線とともに放出される中性子を吸収する中性子吸収部を備えたことを特徴としている。
【0026】
上記の構成により、上記ガンマ線放出部の周囲に、上記ガンマ線放出部からガンマ線とともに放出される中性子を吸収する中性子吸収部が備えられている。
【0027】
したがって、上記の構成による効果に加えて、不要な中性子を吸収することができる。
【0028】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記ガンマ線放出部と上記中性子吸収部との間に、上記ガンマ線放出部からガンマ線とともに放出される中性子を減速する中性子減速部を備えたことを特徴としている。
【0029】
上記の構成により、上記ガンマ線放出部と上記中性子吸収部との間に、上記ガンマ線放出部からガンマ線とともに放出される中性子を減速する中性子減速部が備えられている。
【0030】
したがって、上記の構成による効果に加えて、不要な中性子を減速することができる。
【0031】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記中性子吸収部が、中性子を吸収するとガンマ線を放出する性質を有しており、上記中性子吸収部の周囲に、中性子吸収部から放出されるガンマ線を吸収する副次ガンマ線吸収部を備えたことを特徴としている。
【0032】
上記の構成により、上記中性子吸収部が、中性子を吸収するとガンマ線を放出する性質を有しており、上記中性子吸収部の周囲に、中性子吸収部から放出されるガンマ線を吸収する副次ガンマ線吸収部が備えられている。
【0033】
したがって、上記の構成による効果に加えて、不要なガンマ線を吸収することができる。
【0034】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記コリメータが、外形が合同な円柱形状物であって、軸を中心として貫通している円柱状のガンマ線経路となる穴の径が異なる複数のコリメータ片が、ガンマ線放出部から離れるに従って穴径が大きくなるような順序で同軸上に隙間無く並んで成ることを特徴としている。
【0035】
上記の構成により、コリメータ径が、段階的・不連続に変化し、変化する位置ごとに別々の部材となっている。その結果、各コリメータ片を種々組み合わせれば、コリメータの傾斜を簡単に変えることができる。例えば、少しずつ穴径の異なるものを多く組み合わせれば、コリメータの径を細くできる。逆に、大きく穴径の異なるものを組み合わせれば、進むにつれて急激に穴径が大きくなるということであるので、コリメータの径を太くできる。
【0036】
したがって、各コリメータ片の組み合わせを変えるだけで、ガンマ線の出射角度範囲を簡単に変えることができる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、より容易に、必要なガンマ線強度を得ることができる。
【0037】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図1ないし図16に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【0038】
まず、本実施形態における基本的な考え方について述べる。
【0039】
ある程度以上の高エネルギーを持ったガンマ線は、水や、人体・動物等の生体との相互作用が低く、水や生体にほとんど影響を与えないですり抜ける。すなわち、生体内でエネルギー損失が少ない。ここで、相互作用とは、腫瘍であれば腫瘍組織を破壊するような結果を生じる作用を指し、より一般的には、対象物に高エネルギーを与える結果となる作用を指す。本実施形態は、このことに着目し、ガンマ線を用いて生体に低侵襲性の放射線治療を効果的に行うものである。
【0040】
どのようなエネルギー値のガンマ線を採用するかは、ひとつには、そのエネルギー値のガンマ線が本来持っている、相互作用を引き起こす能力や、生体との相互作用を防ぐための別の装備や工夫の有無やそれらの効果等をも考慮して決定することができる。例えば、5MeV以上、50MeV以下のものは、上述のように水や生体との相互作用が低く、水や生体にほとんど影響を与えないですり抜けると考えられる。また、5MeV以上のものは、相互作用の結果、主に電子陽電子対を発生する。よって、このような値のものを採用することもできる。
【0041】
どのようなエネルギー値のガンマ線を採用するかは、また、後述の電子陽電子対を放出する放射材の特性をも考慮して決定することができる。
【0042】
図1に示すように、人体・動物等の生体に該当する水11の内部に、放射材(電子陽電子対放出部)13を置く。そして、水11の外部からガンマ線12を照射する。このようにすることにより、放射材13は電子陽電子対を放出する。
【0043】
すなわち、図1および図2に示すように、細くコリメートされた高エネルギーのガンマ線12を、柱状重金属の放射材13の底面(線状に形成し、長さ方向に垂直な面で切断したときの断面)に照射すると、放射材13は、電子陽電子対を生成し、主として径方向(図中、上下方向)の面(側面)より電子陽電子対およびそれが発展した電磁シャワー14を放出する。この電子陽電子対およびそれが発展した電磁シャワー14が患部に照射され、治療が行われることになる。
【0044】
放射材13は、ガンマ線の照射を受けると電子陽電子対を放出し、それが電磁シャワー14(図2参照)に発展する。電磁シャワーとは、対象物(ここでは放射材13)から放出される、ガンマ線、電子および陽電子を含んだ放射線である。放射材の放射長LRは短いほど、患部のみに電磁シャワーを照射できるので好ましく、5mm以下が好ましい。放射長は、ガンマ線を一定の変換率で電子陽電子対に変換するために必要な物質固有の長さを表す。放射長は原子番号の2乗と密度とに反比例する。人体の主成分である水の放射長は360mmであり、白金の放射長は3.05mmである。白金の単位長さあたりの電子陽電子対生成率は水のほぼ100倍であるので、白金の置かれた位置に集中的に電子陽電子対を生成することができる。十分な治療効果を上げるには、患部の大きさ程度でガンマ線のほとんどが電子陽電子対に変換されることが好ましい。ガンマ線が放射材中で3LR程度の距離を通過すると、ほとんどのガンマ線が電子陽電子対に変換されるといえる。したがって、放射材としては、放射材中でガンマ線が通過する距離が3LR程度の長さであって、かつ、放射材が患部の大きさ程度になる(患部内に放射材を配置する場合は、患部の内部に放射材全体を埋め込むことができるような大きさとなる)物質が好ましい。放射材13の例として、重金属は放射長が短い点で有利である。重金属として例えば白金、金、タングステン、鉛、水銀などを挙げることができる。人体に入れることを考慮すると、鉛、水銀は好ましくなく、白金が好ましい。
【0045】
重金属は通常、放射線遮蔽材として用いられるものである。本実施の形態では、その性質を逆に利用して、減衰された放射線(電子陽電子対)を引き出して患部に照射することで治療を行う。
【0046】
上記放射材13は、例えば柱(針)状形状をしたものを用いることができる。またその場合、例えば直径(図1中、上下方向)が2mm以下、長さ(図1中、左右方向)5mm以上のものを用いることができる。例えば、放射材13が白金の場合、図2に示すように直径1mm、長さ10mmのものを用いることができる。
【0047】
ガンマ線12を、放射材13に照射する。例えば、ガンマ線12を、放射材13の柱(または針)の長さ方向に垂直な面(底面)に照射することができる。
【0048】
放射材13は、ガンマ線12の照射を受けると、ガンマ線12が通過する放射材13内部の各部位において、ガンマ線12の通過方向、すなわち柱(針)状の放射材13の場合は長さ方向(図1や図2では左右方向)に沿っている表面(図2のように柱(針)状の場合は側面)から、電子陽電子対およびそれが発展した電磁シャワー14が放射材13の外部へと放出される。したがって、このような電子陽電子対の放出を効率的に行えるようにするという観点からは、放射材13の形状としては、図2のように、ガンマ線12の通過方向に長く、ガンマ線12の通過方向に垂直な方向の、ガンマ線12と放射材13表面との距離すなわち柱(針)状の放射材13の場合は厚み方向(図1や図2では上下方向)が短い形状が好ましい。
【0049】
図10に示すように、柱(針)状の放射材13の長さ方向をガンマ線12の入射方向と垂直とし、放射材13の長さ方向(図10では上下方向)に沿った面、すなわち柱(針)状の放射材13の側面にガンマ線12を照射した場合には、ガンマ線12が放射材13中を通過したときに電子陽電子対に変換される割合(変換率)が極端に下がり、また、放射材13の各ガンマ線通過部位から電子陽電子対が生成されても、それが放射材13中を通ってその外部、すなわち腫瘍などの患部に到達するまでに通過する放射材13の距離が長いため、減衰が顕著になり、患部へ十分な量の電子陽電子対が到達しなくなる恐れがある。そのため、このような柱(針)状の放射材13を用いた場合には、ガンマ線12は底面に照射するのが好ましい。
【0050】
ガンマ線12が入射する、人体の皮膚に対応する水11の表面から、腫瘍部の位置に対応する放射材13の中心までの距離(深さ)は、例えば図1に示すように100mmとすることができる。
【0051】
ガンマ線12は、上述した通り生体との相互作用を低くするために、高エネルギーのものを用いることができ、例えば、5MeV以上とし、50MeV以下、また例えば30MeV以下のものを用いることができる。また例えば、非常に細くコリメートされたものを用いることができる。非常に細くコリメートされた高エネルギーのガンマ線を生成するには、ギガレベル(1GeV以上)の電子ビームを加速器(図示せず)により作り、その電子ビームにレーザ光を衝突させて、逆コンプトン効果により高エネルギーのガンマ線を得る。このようにして得られる高エネルギーのガンマ線(光子ビーム)は、前方(進行方向)に集中しており、エネルギーが角度に依存している。すなわち、進行方向からある角度以内の範囲に、高エネルギーのガンマ線が局在している。そのため、細いコリメータを用いることで、高エネルギーのガンマ線のみを選択的に取り出すことが可能である。
【0052】
上記のようにエネルギーが角度に依存している場合には、どの程度まで細くコリメートされたガンマ線を採用するか(ガンマ線のビーム径をいくらにするか)は、どのようなエネルギー値のガンマ線を選択したいかによって左右されることになる。どのようなエネルギー値のガンマ線を選択するかは、すでに述べた通り、そのエネルギー値が患者にとってどの程度安全か、言い換えればどの程度の相互作用まで許容できるかによっても左右される。
【0053】
また、ガンマ線のビーム径があまり大きいと、放射材13が小さい場合には、ビーム径の周辺部のガンマ線は放射材13に入射しなくなり、効率が悪い。そのため、放射材13の大きさによっても、選択すべきガンマ線のビーム径は変わってくる。例えば、ガンマ線のビーム径は、放射材13の、ガンマ線12が入射する面の断面と略同一径に絞ることが考えられる。
【0054】
次に、上記のような構成を想定したシミュレーションおよびその結果の一例を示す。
【0055】
ここでは、ガンマ線の生成方法として、2.8GeVの電子ビームに0.12eV、波長10.6μmの炭酸ガスレーザを衝突させて、15MeVのガンマ線を得た。この場合、0.2mラジアン内に7MeVより高いエネルギーのガンマ線が存在する。
【0056】
放射材13として長さ10mm、上記底面の直径1mmの白金線を用い、上記深さは10cmに設定した。すなわち、表皮より95mmのところから105mmの間に白金線を置いた。陽電子は、物質中の電子と相互作用を行い、511keVのガンマ線を出す。これはPET(ポジトロン断層撮影)に用いられているものと同じなので、このPETを使って照射位置を確認できる。
【0057】
ガンマ線12のエネルギーEは10MeV(図3、図6)、20MeV(図4、図7)、40MeV(図5、図8)に変化させてシミュレーションした。曲線の形状は、E=10MeV、20MeV、40MeVのいずれの場合も白金線近傍に線量の集中がある点では同じであるが、エネルギーが高いほど、広い領域を照射できる。よって、エネルギーを調整することで、より有効な治療が可能となる。
【0058】
図3ないし図5は、上記深さと、放射線線量の蓄積量との関係(放出された線量分布)を示す。図6ないし図8では、放射線線量の蓄積量と半径との関係が、いちばん線量の多い深さでの吸収線量Gy(10の10乗個の光子に対する)で表されている。
【0059】
図3ないし図5に示すように、電磁シャワーによるエネルギーの蓄積は、白金線が存在する付近に集中している。線量が10分の1になる長さを電子陽電子対が有効に照射される範囲と考えると、図6ないし図8に示すように、10MeVの場合には0.8cm、20MeVの場合には1.2cm、40MeVの場合には1.6cmとなった。
【0060】
電子陽電子対とそれが発展した電磁シャワーの平均エネルギーは、エネルギーの高いガンマ線から作られた場合は高くなる。よって、透過力が強く、より広い領域に線量を与えることができる。図3ないし図5、図6ないし図8は、まず、線量分布が放射材13の周りに集中することを示している。図3ないし図5は深さ方向でどこに線量分布の集中があるかを示し、これらの結果を組み合わせると、エネルギーが高くなると線量分布が深さ方向に広がるということがいえる。また、図6ないし図8は、径方向の広がりを示している。つまり、エネルギーを調整することで線量分布を患部の大きさに調整することができることになり、重イオンの場合と比較して、線量分布の広がりの調整を容易に行うことができる。
【0061】
図9に、人体・動物等の患者(治療対象体)21中の腫瘍22に対して上記のような構成を適用した場合の例を示す。放射材13は、患部すなわち腫瘍22の近傍に配置されている。例えば、腫瘍22の内部に放射材13を埋め込む。この状態で患者21の外部からガンマ線12が照射され、それが放射材13に当たると放射材13から電子陽電子対およびそれが発展した電磁シャワーが放出される。この電子陽電子対およびそれが発展した電磁シャワーが放射材13内部を通り、放射材13の近傍の腫瘍22に当たり、腫瘍22に損傷を与える。これによって腫瘍22が破壊され、患部を放射線治療することができる。電子陽電子対およびそれが発展した電磁シャワーは所定距離進むと強度が減少する。そのため、腫瘍22の大きさ等を考慮して、電子陽電子対およびそれが発展した電磁シャワーが腫瘍22を出るまでに十分強度が減少するように、ガンマ線12の強度や放射材13の素材、形状、大きさ等を設定することによって、電子陽電子対およびそれが発展した電磁シャワーの、腫瘍22の周囲の正常組織への影響を抑えることができる。
【0062】
図11に、より具体的な装置例を示す。高精度位置制御装置(位置制御部)33上に患者21を横たえるなどして載置する。高精度位置制御装置33は、患者21の位置を制御し、それによって放射材13の位置を制御するものであり、水平、垂直方向の平行移動、また水平な直線や垂直な直線を軸にした回転移動が可能なものとすることができる。患者21の患部には放射材13を埋め込んでおく。金属探知器を用いた、三次元の高精度位置検出器(電子陽電子対放出部位置検出部)31は、患者21内の放射材13(ここでは重金属)の位置を検出するものである。照射位置確認装置(ガンマ線照射位置検出部)32は、例えば511keVを検知するポジトロン(PET)を用いることができ、患者21内の、ガンマ線12の入射位置を検出するものである。
【0063】
また、ガンマ線ビーム生成装置36が設けられ、ここから発射したガンマ線12は、鉛などを用いたコリメータ37で細くコリメートされて患者21へ入射するようになっている。ガンマ線ビーム生成装置36は、例えば、電子線形加速器と収束レンズからなる、1GeV以上のエネルギーを出す電子線源と、レーザ光源(いずれも図示せず)を用いることができる。この電子線源からの電子線とレーザ光源からのレーザとが衝突し、逆コンプトン効果による散乱光としてガンマ線12を引き出す。ガンマ線ビーム生成装置36とコリメータ37とによってガンマ線照射部が構成されている。
【0064】
コントローラー(ガンマ線照射制御部)38は、高精度位置検出器31および照射位置確認装置32からの位置情報が入力され、放射材13の位置とガンマ線12の入射位置とが一致しているかを判断し、一致していなければ、ガンマ線ビーム生成装置36に作用して、ガンマ線12の出射をオフさせ、一致していれば、ガンマ線ビーム生成装置36に作用して、ガンマ線12の出射をオンさせる。ガンマ線ビーム生成装置36は、コントローラー38から、ガンマ線12の出射をオフする旨の指令を受けると、上記レーザ光源のレーザをオフすることによってガンマ線12の出射をオフする。これによって、患者21が動くことでガンマ線12の入射位置が放射材13の位置からずれると、ガンマ線12をオフすることができる。
【0065】
高精度位置制御装置33は、高精度位置検出器31および照射位置確認装置32から放射材13の位置とガンマ線12の入射位置の位置情報がそれぞれ入力され、放射材13の位置とガンマ線12の入射位置とが一致しているかを判断し、一致していなければ、一致する方向へ平行または回転移動し、一致すると移動を停止するように動作することが可能になっている。
【0066】
上記の方法において、細くコリメートされ、且つON−OFF容易な高エネルギー(10〜50MeV)のガンマ線を用いている。このための一例として、ギガレベルの電子ビームにレーザ光を衝突させ逆コンプトン効果により所望のガンマ線を得ている。ギガレベルの電子ビームを得るためには、大がかりな加速器が必要である。これに対し、以下では、細くコリメートされた高エネルギーのガンマ線を、数十MeVレベルの電子線で有効なガンマ線を得る方法について述べる。
【0067】
上記の放射線治療装置において、ガンマ線発生源として、重金属の細孔の中に、重金属ターゲットとグラファイトが設置され、高エネルギーの電子線を重金属ターゲットに照射し、エネルギーが10MeV以上を含むガンマ線を電子ビームとは反対側から発生させ、そのガンマ線をグラファイト中を通過させてガンマ線の低エネルギー成分を吸収させ、且つ発生したガンマ線を重金属の細孔を通過させることでコリメートする。重金属の細孔がコリメータの役割をする。
【0068】
電子線を照射する重金属は白金又は金である。微小な形状で、直径1mm以下、長さ2mm以下とする。原子番号が大きい(放射長が短い)重金属を用いる。タングステンも可である。これらは、細孔を有する重金属の孔の中に設置されている。
【0069】
入射電子線は10〜50MeV、更に絞れば20〜30MeVが良い。
【0070】
低エネルギーガンマ線の吸収材はグラファイトが最も良い。アルミニウムも可である。
【0071】
細孔を有する重金属はコスト的に鉛がベストであり、金、白金、タングステンも可である。
【0072】
中性子の減速材は水素を含む物質で、水でも可である。使いやすさからパラフィンが良い。
【0073】
中性子の吸収材はカドミウムがベストであり、棚素、リチウムも可である。カドミウムが最も薄く出来る。パラフィン/カドミウムの組み合わせが最も良い。
【0074】
電子線を放射材に照射すると、発生するガンマ線は一般的に広がりを持ち、且つ低エネルギー成分が多い。本発明は、発生するガンマ線を細くすること、及び高いエネルギーを主成分として取り出す方法である。
【0075】
電子線を照射すると、図12に示すように、エネルギー分布の幅広いガンマ線が発生する。グラファイトを通過させて、エネルギーが10MeV以下のガンマ線を吸収させる。
【0076】
吸収度合いは図12に示される。特に、1MeV以下を、完全ではないが、人体に影響を及ぼさない程度まで下げられる。更に横方向に漏れていくガンマ線をヘビーメタルで吸収させる。また、電子線のエネルギーが高いため、人体に好ましくない中性子線(ニュートロン)が出る。このため、ニュートロンをパラフィンで減速させてカドミウムで吸収させる。
【0077】
放射線による癌治療には大きく分けて粒子線を用いる方法とガンマ線(電子を含む)を用いる方法がある。一般には粒子線特に重イオンと呼ばれているものが癌組織に集中的に線量を与えることが出来るので効率良く安全に治療が出来ると考えられている。
【0078】
すでに述べた通り、高エネルギーのガンマ線と放射材を組み合わせることで粒子線と同等或はそれ以上の効率で腫瘍部に線量を与える装置を実現することができる。放射材の特性としては(1)放射長の短い物質で、(2)細い形状のものといった特徴がある。
【0079】
一方、ガンマ線は細くコリメートされたエネルギーの高いものが効率的であり、実際発生させる装置としては、いくつかの可能性が考えられるが、レーザー逆コンプトン散乱によって得られるガンマ線がその条件を十分満たしている。しかしこの方法は、装置が大がかりになり過ぎるといった現実的な問題点がある。そこで、ここでは、この方法に補足する形で、医療用のガンマ線発生装置として一般に使われているライナック(線形加速器)等の電子線の加速器を用いて、目的とするガンマ線を得る方法を提示する。
【0080】
放射材を用いる治療に必要とされるガンマ線の特性は以下の3点が挙げられる。
(1)5MeV以上(より好ましくは10MeV以上)、数10MeV以下の高エネルギーガンマ線であること
(2)ミリメートル程度に細くコリメートされていること
(3)余分な放射線を発生させないこと
これらの条件は、腫瘍部におかれた放射材近傍での線量を大きくする一方で、人体の他部位への照射線量を減らすためである。
【0081】
高エネルギーの電子線を物質にあてると制動輻射(Bremsstrahlung)によってガンマ線が発生する。制動輻射は、ガンマ線やX線を発生させる方法として研究の目的に留まらず多くの場合に使われてきた。非常に一般的であるこの方法で目的に沿うガンマ線が発生できれば簡便なシステムが組めるはずである。
【0082】
ガンマ線は加速された電子を放射材(金や白金などの重い金属)にあてて制動輻射を起こさせて得られる。このガンマ線のエネルギー分布と角度分布の特徴について以下に述べる。
【0083】
十分薄い放射材の制動輻射で得られるガンマ線のエネルギー分布は以下の式で与えられることが知られている。
【0084】
【数1】
【0085】
スペクトルはエネルギーに逆比例するので、制動輻射では低エネルギーのガンマ線が特に多くなる。低エネルギー成分は物質との相互作用が大きいので、放射線治療に用いると、どうしても表面で吸収が大きく、皮膚組織への影響が大きい。
【0086】
一方、制動輻射で放出されるガンマ線は電子線の入射方向と同じく前方に多く放射されるが、一定の角度による広がりがあり、それは以下の式で与えられる。
【0087】
【数2】
【0088】
ここで、mは電子の質量、pは電子線のエネルギーでθはガンマ線の放出される角度である。ある角度θ内に放出されるガンマ線の全角度に対する割合は、ここで電子のエネルギーがその質量mより十分大きい場合を想定しているのでm/p≪1で、かつ分布は前方に集中しているのでsinθ〜θとできる。よって以下のようになる。
【0089】
【数3】
【0090】
全角度積分した量はπ・p2/m2なので、ガンマ線はm2/p2で表される角度内に半分が集まることになる。典型的に30MeVの電子であれば広がりは1/60radとなる。
【0091】
電子線を10MeV程度に加速して放射材に照射し、制動輻射によってガンマ線を生成する方法は癌治療で一般的に使われている。加速器としては上述の通りライナック(線形加速器)が一般的である。これは、エネルギーは10MeV程度であれば十分な透過力が得られるのと、不要な中性子の発生が抑えられることによっている。
【0092】
さて、放射材を用いる治療には10〜50MeV程度のガンマ線が適している。また細くコリメートされたガンマ線を得るにはエネルギーの高い方が効率的である。このためにはエネルギーの高い電子線が必要になる。電子線のエネルギーが10MeVを越え始めると中性子の発生が無視出来なくなる。よってエネルギーが高い方が良いが、現実的には20〜30MeV程度が適当であろう。
【0093】
ガンマ線を細く絞るので十分な強度を得る為に必要な条件を探す必要がある。電子に制動輻射を起こさせる放射材の厚さは0.3LR程度が適当である。この厚さではガンマ線への転換効率が30%程度で、かつ生成されたガンマ線が相互作用して失われる確率が15%程度なので、電子全エネルギーの25%程度がガンマ線に転換される。実際の物質としては金や白金またはタングステンなどで1mm程度の厚さのものを置くことになる。
【0094】
体内に置かれた放射材の大きさに当たるように細いガンマ線ビームを取り出すためには出来るだけ短い距離にする必要がある。コリメータと体内を通る距離を考えると、制動輻射を起こさせる放射材から体内の放射材までの距離として40cmを考えれば十分であろう。体内の放射材の直径を1mmとすると、角度の広がりは1.2mradである。この角度内に入ってくるガンマ線は、30MeVの場合は(0.0012×60)2=5×10−3である。この結果、30MeVの電子線の電流を1μアンペアとすると、2×109/secのガンマ線が得られる。典型的には数秒から数10秒で、必要な線量が得られる。これが10MeVの場合は(0.0012×20)2=6×10−4で、エネルギーが下がると前方の細い放射材に照射できるガンマ線の量が相対的に減少することで、30MeVの場合に比較すると1桁近く効率が落ちる。実用上は電流を増やしたり時間をかけたりすることでカバー出来るので、比較的簡単に手に入る加速器での治療が可能になる意味は大きいであろう。
【0095】
この方法で放射材を用いる治療に最適なガンマ線を得るために以下の装置を用いることができる。制動輻射により発生するガンマ線を小さなビームサイズに絞るためにコリメータを設置する。ガンマ線は飛行する距離と共に広がっていくので、コリメータから照射部位までの距離を短くするとガンマ線を効率良く使える。そのために材質として放射長の短い物質が適している。白金や金が最適ではあるが、コストを考えると、タングステンを主成分にするヘビーメタルが最も現実的である。ヘビーメタルの放射長は3.7mm程度であるので数センチメートルでガンマ線に対して十分な遮蔽効果がある。
【0096】
制動輻射で生成されるガンマ線は低エネルギー程多いが、これは生体の特に表面に不要な線量を与える。これを除去するためにガンマ線の通る道筋とコリメータの中の穴に炭素を詰める。図12に、制動輻射で得られるガンマ線のエネルギースペクトルを示す。吸収材が何もない時は式(1)で示されるエネルギーに反比例するスペクトルが、炭素の厚さを増やすに従って低エネルギー領域から減少して行くのが見える。道筋に沿って30g/cm2程度の厚みがあれば人体の表面に影響を与える1MeV以下のガンマ線は1桁近く減少するので、ほぼ実害のないレベルに出来る。グラファイトは密度が2.2程度なので15cm程度あればよい。工業用のダイヤモンドを使えば更に短く出来る。
【0097】
コリメータの形状は図13、図14のようなものである。中心部はヘビーメタルで出来ている細いガンマ線を引き出すコリメータである。周りに洩れていくガンマ線を止める役割も果たす。その外側には中性子の減速材が置かれている。パラフィンやポリエチレンなど水素を多く含む物質が優れている。減速材の層の厚さは中性子のフラックスをどの程度減少させたいかで決めることができる。典型的には10cm程度の層の厚さであるが、もともとの中性子の発生量が少ない時は小さくコンパクトに作ることが出来る。
【0098】
減速材の周りはカドミウムの金属シートがまかれている。0.5〜1mm程度の厚さがあれば減速された中性子のほとんどを吸収できる。尚、中性子を吸収したカドミウムはガンマ線を放出するので鉛の遮蔽をその外側におく。この時生成されるガンマ線は比較的エネルギーが低いので鉛5cm程度で十分遮蔽できる。
【0099】
図13、図14を用いて、ガンマ線照射部50の構成例を説明する。
【0100】
タングステン(不要ガンマ線吸収部)54は円柱であり、その内部が同心円状にくり抜かれている。この内部に、左から、タングステン(不要ガンマ線吸収部)55、白金板(ガンマ線放出部)56、コリメータ片57、コリメータ片58、白金板(低エネルギーガンマ線吸収部)61、コリメータ片59、コリメータ片60がはめ込まれている。コリメータ片57ないし60はタングステン製である。コリメータ片57ないし60によってコリメータが形成されており、ガンマ線放出部から放出されるガンマ線のうち、所定の放射角以下のもののみを通す穴を有している。なお、ここでは4個のコリメータ片を用いているが、これに限定されず、設定に応じて1個以上、例えば2個以上を使用可能である。
【0101】
白金板56・61は、直径がタングステン54の内径と同一である。
【0102】
タングステン57ないし60は外形が互いに合同な円柱形状であり、底面の直径がタングステン54の内径と同一である。タングステン57ないし60は、いずれも、軸を通る同心円形状に内部がくり抜かれて貫通した穴を有している。タングステン57ないし60のそれぞれについては穴の径は一定である。そして、この穴の径は、白金板56に近いほど小さく、
コリメータ片57<コリメータ片58<コリメータ片59<コリメータ片60となっている。
【0103】
タングステン55の内径は、穴の直径の最も小さい(白金板56に最も近い)コリメータ片57の穴の直径より大きく設定できる。
【0104】
55〜61は、タングステン54内に、タングステン54の底面から底面までの間に隙間が無いように詰まっている。
【0105】
コリメータ片57〜60の穴には、グラファイト(低エネルギーガンマ線吸収部)64が詰められている。
【0106】
タングステン54、55は、パラフィン(中性子減速部)53で覆われている。これは、ガンマ線放出部からガンマ線とともに放出される中性子を減速するものである。
【0107】
パラフィン53は、カドミウムシート(中性子吸収部)52で覆われている。これは、ガンマ線放出部からガンマ線とともに放出される中性子を吸収するものである。
【0108】
カドミウムシート52は、鉛(副次ガンマ線吸収部)51で覆われている。これは、中性子吸収部から放出されるガンマ線を吸収するものである。
【0109】
鉛51は円柱形状であり、ガンマ線照射部50全体としても円柱形状である。
【0110】
なお、図14では、鉛51を、51a、51b、51cのように分かれた部材として描いているが、このように別々の部材としてもよいし、これら3つを合わせて鉛51として一体化した部材としてもよい。カドミウムシート52(52a、52b、52c)、パラフィン53(53a、53b)についても同様である。
【0111】
白金板56には、図示しない電子線の発生源(照射源)から電子線62が当たる。電子線の発生源としては、すでに述べた通り、医療用のガンマ線発生装置として一般に使われているライナック(線形加速器)等を用いることが可能である。
【0112】
白金板56に電子線62が当たると、白金板56からガンマ線が発生する。このガンマ線のうち、低エネルギーのものは、グラファイト64や白金板61で吸収される。また、ガンマ線のうち、コリメータの穴を通らないものは、コリメータ片57〜60で吸収される。そのため、グラファイト64を抜けてガンマ線照射部50を出射するガンマ線63は、高エネルギー成分を多く含んだものとなる。
【0113】
コリメータは、内径の異なるコリメータ片57〜60を積み重ねることで出来ている。すなわち、この構成では、コリメータ径が、段階的・不連続に変化し、変化する位置ごとに別々の部材となっている。しかしながら、これ以外にも、例えば円錐形状の内径を持つ1個のタングステン製部材をコリメータとして用いてもよい。この場合はコリメータ径が連続的に変化することになる。
【0114】
制動輻射で生成されるガンマ線は低エネルギーほど多いが、これは、生体の特に表面に不要な線量を与える。これを除去するために、ガンマ線の通る道筋とコリメータの中の穴に吸収材(低エネルギーガンマ線吸収部)を詰める。コリメータの穴の長さを10cmとすると、典型的に、最初の5cmにグラファイト(炭素)64を詰め、次に、1mm厚の白金(または、金、タングステン)板61を詰め、次の5cmにグラファイト64を詰めるという構成が可能である。すなわちこの例は、2個所のグラファイト64の長さ(5cm)が互いに等しく、かつ、コリメータの穴の長さ(10cm)の半分となっている例である。
【0115】
最初に電子線ビームを約1mm厚の白金(または、金、タングステン)板56(converter、変換材)(ガンマ線放出部)に照射し、ガンマ線を発生させる。発生点はできるだけ小さいことが、コリメータの効率を向上させる。典型的には、数分の1mm程度以下が望ましい。ここで発生したガンマ線はコリメータで絞り込まれる。
【0116】
変換材の点においては、エネルギーの下がった電子が存在するが、ガンマ線放出部が重い金属であると、この電子から新たにガンマ線が発生する。これらの多くは、不要な低エネルギー成分であり、除去したい。そこで、ガンマ線が発生した場所の後ろに吸収材を置き、せっかく生成されたガンマ線の高エネルギー成分については減少を抑えながら、低エネルギー成分を吸収除去する。これには上記のようにグラファイト64のような炭素を用いる。
【0117】
炭素中での電子のエネルギー損失は2MeV/(g/cm2)程度なので、5cm(11g/cm2)程度あれば電子はほぼ止まる。
【0118】
次に、上記のように、1mm厚程度の薄い白金板61を置く。これによって低エネルギーのガンマ線を有効に落とせる。さらにその後ろに5cm程度の炭素で吸収材とする。重い金属はK吸収端(80keV程度)以下のエネルギーでは吸収効率がかえって落ちる性質があるので、その部分を再び炭素で吸収させる。
【0119】
白金(または、金やタングステン)板61は、低エネルギー成分を吸収する(厚いと、高エネルギー成分まで吸収する)ものであり、グラファイト64は、主として低エネルギー成分を吸収するとともに、電子を、ガンマ線の生成なく減速させることができる。
【0120】
図15、図16に、それぞれ、炭素、白金について、ガンマ線との相互作用断面積(全吸収面積)を示す。ほぼ、吸収の確率に対応すると考えることができる。
【0121】
図15では、ガンマ線との相互作用断面積は、炭素のガンマ線吸収断面積エネルギーとともにゆっくり減少している。
【0122】
図16では、ガンマ線との相互作用断面積は、白金のガンマ線吸収断面積エネルギーとともに急激に減少している。また、エネルギーが数MeVより上になると増加を始める。また、80keV程度あたりに断面積の減少する点がある。
【0123】
ガンマ線が厚さtのある物質を通ったときどの程度に減少するかは、吸収係数σを用いて
N(t)=N0・exp(−σt)
と表される。ただし、物質を通る前の個数をN0、通った後の個数をN(t)とし、自然対数の底eのx乗をexp(x)と表す。
【0124】
図15、図16には、縦軸にσ(単位:cm2/g)が表されている。物質の厚さは、長さの単位ではなく物質の密度まで考慮したg/cm2で決めておくと便利である。
【0125】
白金(比重21.45)を例に考えると、図16より
E=0.1MeVのときσ=6cm2/g
E=1MeVのとき σ=0.06cm2/g
であることがわかる。ここで、1mm厚の白金は
t=22.45×0.1=2.245g/cm2
の厚さとなる。よって
N(0.1MeV)=exp(−6×2.245)N0=1.4×10−6N0
N(1MeV)=exp(−0.06×2.245)N0=0.87N0
となって、0.1MeVのガンマ線はほぼ完全に落とせるが、一方で、1MeVのガンマ線はほとんど残ることになる。
【0126】
炭素10cm(グラファイトの比重は2.2程度である)については、t=22g/cm2で、図15より
E=0.1MeVのときσ=0.16cm2/g、N=0.03N0
E=1MeVのとき σ=0.06cm2/g、N=0.27N0
E=10MeVのとき σ=0.02cm2/g、N=0.64N0
となり、エネルギー依存性は極端ではないが、高エネルギー側を残せることがわかる。
【0127】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る放射線治療装置は、ガンマ線が当たると電子陽電子対を放出して電磁シャワーを発生させて治療対象体中の患部に照射する電子陽電子対放出部と、治療対象体の外部からガンマ線を照射して上記電子陽電子対放出部に当てるガンマ線照射部とを備えた構成である。
【0128】
これにより、ガンマ線照射部から出たガンマ線が電子陽電子対放出部に当たり、電子陽電子対放出部から電子陽電子対が放出される。この電子陽電子対は、それが電磁シャワーに発展して、ガンマ線照射部の近傍の患部に照射されて患部を放射線治療することができる。
【0129】
それゆえ、正常組織の損傷を極力抑えながら腫瘍等の患部に多くの放射線を照射することができ、効率的に放射線治療を行うことができるという効果を奏する。
【0130】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、治療対象体中の電子陽電子対放出部の位置を検出する電子陽電子対放出部位置検出部と、治療対象体中でガンマ線が照射されている位置を検出するガンマ線照射位置検出部と、上記電子陽電子対放出部位置検出部により検出された治療対象体中の電子陽電子対放出部の位置と上記ガンマ線照射位置検出部により検出された治療対象体中でガンマ線が照射されている位置とがずれている旨の情報が入力されると、上記電子陽電子対放出部の位置を、ガンマ線が照射されている位置に戻す位置制御部と、電子陽電子対放出部の位置とガンマ線が照射されている位置とがずれている間、ガンマ線照射をオフにするように上記ガンマ線照射部を制御するガンマ線照射制御部とを備えた構成である。
【0131】
これにより、上記の構成による効果に加えて、無駄なくガンマ線を照射することができるという効果を奏する。
【0132】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記ガンマ線照射部が、電子線が当たると制動輻射でガンマ線を放出するガンマ線放出部と、上記ガンマ線放出部から放出されるガンマ線のうち、所定の放射角以下のもののみを通す穴を有するコリメータと、上記ガンマ線放出部とコリメータとの間に置かれ、上記ガンマ線放出部から放出されるガンマ線のうちでエネルギーが所定値以下のものを吸収する低エネルギーガンマ線吸収部とを備えた構成である。
【0133】
これにより、上記の構成による効果に加えて、ギガレベルの高価な加速器を使わずに、癌治療などですでに利用可能な既存の加速器を利用して安全かつ効率よく高エネルギーのガンマ線を得ることができ、患部を電磁シャワーで十分に治療することができるという効果を奏する。
【0134】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記ガンマ線放出部から放出されてコリメータの穴を通らないガンマ線を吸収する不要ガンマ線吸収部を備えた構成である。
【0135】
これにより、上記の構成による効果に加えて、不要なガンマ線を吸収することができるという効果を奏する。
【0136】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記ガンマ線放出部の周囲に、上記ガンマ線放出部からガンマ線とともに放出される中性子を吸収する中性子吸収部を備えた構成である。
【0137】
これにより、上記の構成による効果に加えて、不要な中性子を吸収することができるという効果を奏する。
【0138】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記ガンマ線放出部と上記中性子吸収部との間に、上記ガンマ線放出部からガンマ線とともに放出される中性子を減速する中性子減速部を備えた構成である。
【0139】
これにより、上記の構成による効果に加えて、不要な中性子を減速することができるという効果を奏する。
【0140】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記中性子吸収部が、中性子を吸収するとガンマ線を放出する性質を有しており、上記中性子吸収部の周囲に、中性子吸収部から放出されるガンマ線を吸収する副次ガンマ線吸収部を備えた構成である。
【0141】
これにより、上記の構成による効果に加えて、不要なガンマ線を吸収することができるという効果を奏する。
【0142】
また、本発明に係る放射線治療装置は、上記の構成に加えて、上記コリメータが、外形が合同な円柱形状物であって、軸を中心として貫通している円柱状のガンマ線経路となる穴の径が異なる複数のコリメータ片が、ガンマ線放出部から離れるに従って穴径が大きくなるような順序で同軸上に隙間無く並んで成る構成である。
【0143】
これにより、各コリメータ片の組み合わせを変えるだけで、ガンマ線の出射角度範囲を簡単に変えることができる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、より容易に、必要なガンマ線強度を得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る放射線治療の概念を示す図である。
【図2】ガンマ線の入射位置と放射材の配置との関係を示す平面図である。
【図3】ガンマ線を放射材に照射したときの放射材の深さと放射線線量の蓄積量との関係を示すグラフである。
【図4】ガンマ線を放射材に照射したときの放射材の深さと放射線線量の蓄積量との関係を示すグラフである。
【図5】ガンマ線を放射材に照射したときの放射材の深さと放射線線量の蓄積量との関係を示すグラフである。
【図6】ガンマ線を放射材に照射したときの線量の最も多い深さにおける半径と放射線線量の蓄積量との関係を示すグラフである。
【図7】ガンマ線を放射材に照射したときの線量の最も多い深さにおける半径と放射線線量の蓄積量との関係を示すグラフである。
【図8】ガンマ線を放射材に照射したときの線量の最も多い深さにおける半径と放射線線量の蓄積量との関係を示すグラフである。
【図9】本発明に係る放射線治療の概念を示す図である。
【図10】ガンマ線の入射位置と放射材の配置との関係を示す平面図である。
【図11】本発明に係る放射線治療装置の一構成例を示す平面図である。
【図12】ガンマ線のエネルギースペクトルを示すグラフである。
【図13】ガンマ線照射部を示す断面図である。
【図14】ガンマ線照射部を構成する各部材を示す斜視図である。
【図15】炭素におけるガンマ線のエネルギーと、ガンマ線との相互作用断面積との関係を示すグラフである。
【図16】白金におけるガンマ線のエネルギーと、ガンマ線との相互作用断面積との関係を示すグラフである。
【図17】放射線治療の概念を示す図である。
【図18】放射線治療におけるガンマ線による損傷の変化を示すグラフである。
【図19】ガンマ線を用いた放射線治療の例を示す図である。
【符号の説明】
11 水
12 ガンマ線
13 放射材(電子陽電子対放出部)
14 電磁シャワー
21 患者(治療対象体)
22 腫瘍
31 高精度位置検出器(電子陽電子対放出部位置検出部)
32 照射位置確認装置(ガンマ線照射位置検出部)
33 高精度位置制御装置(位置制御部)
36 ガンマ線ビーム生成装置(ガンマ線照射部)
37 コリメータ(ガンマ線照射部)
38 コントローラー(ガンマ線照射制御部)
50 ガンマ線照射部
51、51a、51b、51c 鉛(副次ガンマ線吸収部)
52、52a、52b、52c カドミウムシート(中性子吸収部)
53、53a、53b パラフィン(中性子減速部)
54 タングステン(不要ガンマ線吸収部)
55 タングステン(不要ガンマ線吸収部)
56 白金板(ガンマ線放出部)
57、58、59、60 タングステン(コリメータ)
61 白金板(低エネルギーガンマ線吸収部)
62 電子線
63 ガンマ線
64 グラファイト(低エネルギーガンマ線吸収部)[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a radiotherapy device for tumors and the like using gamma rays.
[0002]
[Prior art]
X-rays, gamma rays, and the like are used for treatment of tumors (cancer) by radiation, and gamma rays are widely used.
[0003]
Radiation therapy for tumors utilizes the loss of energy as radiation passes through the body, causing biological damage (hereinafter simply referred to as damage) to tumor tissue. As shown in the upper part of FIG. 17,
[0004]
Since the influence of the above-mentioned radiation is exerted not only on the tumor but also on normal tissues, the basis of radiotherapy is to maximize the dose at the tumor and minimize the dose at the normal tissue. That is, as shown in the lower part of FIG. 17, it is required that the damage is remarkable only at the depth where the
[0005]
There are
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-153310 (published on June 8, 1999)
[0007]
[Patent Document 2]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-331799 (Published November 30, 2000)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Gamma rays are readily available, but also damage normal tissues, as shown in FIG. In FIG. 18, the horizontal axis is the same depth as above, and the vertical axis is the degree of damage as above.
[0009]
For this reason, as shown in FIG. 19, a method (gamma knife) of
[0010]
Recently, as disclosed in
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a radiotherapy apparatus capable of performing treatment efficiently while suppressing damage to normal tissues.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the radiation therapy apparatus according to the present invention, an electron positron pair emission unit that emits an electron positron pair when a gamma ray hits, generates an electromagnetic shower, and irradiates the affected part in the treatment target body, A gamma ray irradiating unit for irradiating a gamma ray from the outside of the treatment target and hitting the electron-positron pair emitting unit.
[0013]
With the above configuration, gamma rays are irradiated from the outside of the treatment target (human body or the like) by the gamma ray irradiation unit, and the gamma rays are applied to the electron-positron pair emission unit. Then, an electron-positron pair is emitted from the electron-positron pair emission portion, and the electron-positron pair develops into an electromagnetic shower and irradiates an affected part (tumor or the like).
[0014]
Therefore, by disposing the electron-positron pair emitting portion in the vicinity of the affected part, that is, within a distance range in which the electron-positron pair can hit the affected part with sufficient strength to have a therapeutic effect (damage effect), The affected area can be radiation-treated in pairs. When the affected part is present inside the treatment target, the electron-positron pair emitting part may be embedded in the center of the affected part. On the other hand, the intensity of the electron-positron pair and the electromagnetic shower developed from the electron-positron pair decrease when they travel a predetermined distance. Therefore, the influence on the normal tissue around the affected part can be suppressed.
[0015]
Therefore, it is possible to irradiate an affected part such as a tumor with a large amount of radiation while minimizing damage to a normal tissue, and it is possible to efficiently perform radiation treatment.
[0016]
Further, in addition to the above configuration, the radiation therapy apparatus according to the present invention further includes an electron positron pair emission unit position detection unit that detects a position of the electron positron pair emission unit in the treatment target, and a gamma ray in the treatment target. A gamma ray irradiation position detecting unit that detects a position where irradiation is performed, a position of the electron positron pair emitting unit in the treatment target detected by the electron positron pair emitting unit position detecting unit, and a position detected by the gamma ray irradiation position detecting unit. When the information indicating that the position where the gamma ray is irradiated is shifted in the treatment target body is input, the position of the electron-positron pair emitting unit is returned to the position where the gamma ray is irradiated, and a position control unit is returned. A gamma-ray irradiation control unit that controls the gamma-ray irradiation unit so as to turn off the gamma-ray irradiation while the position of the electron-positron pair emitting unit and the position where the gamma ray is irradiated are shifted. It is characterized.
[0017]
According to the above configuration, the generation of the gamma ray is turned off while the position of the gamma ray irradiating unit in the treatment target is shifted from the position of the gamma ray irradiation in the treatment target.
[0018]
Therefore, in addition to the effect of the above configuration, gamma rays can be irradiated without waste.
[0019]
Further, in addition to the above configuration, the radiation therapy apparatus according to the present invention, wherein the gamma ray irradiating unit emits gamma rays by braking radiation when an electron beam hits, and a gamma ray emitted from the gamma ray emitting unit. Among them, a collimator having a hole through which only those having a predetermined emission angle or less, and placed between the gamma-ray emitting unit and the collimator, the energy of the gamma rays emitted from the gamma-ray emitting unit is less than or equal to a predetermined value. And a low-energy gamma-ray absorbing section for absorbing an object.
[0020]
According to the above configuration, when a high-energy electron beam is applied to the gamma-ray emission unit in order to obtain a high-energy gamma ray, a high-energy gamma ray is emitted over a wide range (large emission angle). High-energy gamma rays can be emitted only in a desired narrow range. As a result, it is possible to prevent an unrelated part of the patient from being irradiated with high-energy gamma rays without entering the electron-positron pair emission part. Even if the emission range is narrowed in this way, if gamma rays of low energy are mixed, the efficiency is poor, so that it is removed.
[0021]
Therefore, in addition to the effects of the above configuration, high-energy gamma rays can be obtained safely and efficiently using existing accelerators that are already available for cancer treatment, etc., without using expensive giga-level accelerators. In addition, the affected area can be sufficiently treated with an electromagnetic shower.
[0022]
Further, the radiotherapy apparatus according to the present invention is characterized in that, in addition to the above-described configuration, an unnecessary gamma ray absorbing section for absorbing gamma rays emitted from the gamma ray emitting section and not passing through the hole of the collimator is provided.
[0023]
With the above configuration, there is provided an unnecessary gamma ray absorbing section for absorbing gamma rays emitted from the gamma ray emitting section and not passing through the hole of the collimator.
[0024]
Therefore, unnecessary gamma rays can be absorbed in addition to the effects of the above configuration.
[0025]
Further, in addition to the above configuration, the radiation therapy apparatus according to the present invention is characterized in that a neutron absorbing section that absorbs neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitting section is provided around the gamma ray emitting section. I have.
[0026]
According to the above configuration, a neutron absorbing unit that absorbs neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitting unit is provided around the gamma ray emitting unit.
[0027]
Therefore, unnecessary neutrons can be absorbed in addition to the effects of the above configuration.
[0028]
In addition, the radiotherapy apparatus according to the present invention, in addition to the above configuration, between the gamma ray emitting section and the neutron absorbing section, a neutron moderating section that slows down neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitting section. It is characterized by having.
[0029]
According to the above configuration, a neutron moderator is provided between the gamma ray emitter and the neutron absorber to reduce neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitter.
[0030]
Therefore, unnecessary neutrons can be decelerated in addition to the effect of the above configuration.
[0031]
Further, in addition to the above configuration, the radiation therapy apparatus according to the present invention has a property that the neutron absorbing section emits gamma rays when absorbing neutrons, and the neutron absorbing section is provided around the neutron absorbing section. And a secondary gamma ray absorbing section that absorbs gamma rays emitted from the device.
[0032]
With the above configuration, the neutron absorbing section has a property of emitting gamma rays when absorbing neutrons, and around the neutron absorbing section, a secondary gamma ray absorbing section that absorbs gamma rays emitted from the neutron absorbing section. Is provided.
[0033]
Therefore, unnecessary gamma rays can be absorbed in addition to the effects of the above configuration.
[0034]
In addition, in the radiotherapy apparatus according to the present invention, in addition to the above-described configuration, the collimator is a cylindrical object having a congruent outer shape, and a hole having a cylindrical gamma ray path penetrating around an axis. It is characterized in that a plurality of collimator pieces having different diameters are arranged coaxially and without gaps in such an order that the hole diameter increases as the distance from the gamma ray emitting portion increases.
[0035]
With the above configuration, the diameter of the collimator changes stepwise and discontinuously, and a separate member is provided for each change position. As a result, by variously combining the collimator pieces, the inclination of the collimator can be easily changed. For example, the diameter of the collimator can be reduced by combining many holes having different hole diameters little by little. Conversely, if a combination of holes having greatly different hole diameters is combined, the hole diameter increases rapidly as it advances, so that the diameter of the collimator can be increased.
[0036]
Therefore, the emission angle range of gamma rays can be easily changed only by changing the combination of the collimator pieces. Therefore, in addition to the effect of the above configuration, the required gamma ray intensity can be obtained more easily.
[0037]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
One embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0038]
First, the basic concept in the present embodiment will be described.
[0039]
Gamma rays having a certain level of high energy have low interaction with water and living organisms such as humans and animals, and can pass through with little effect on water and living organisms. That is, energy loss is small in a living body. Here, the interaction refers to an action that results in destroying a tumor tissue in the case of a tumor, and more generally refers to an action that results in applying high energy to an object. In the present embodiment, attention is paid to this fact, and radiation therapy that is minimally invasive to a living body using gamma rays is effectively performed.
[0040]
The energy value of the gamma ray to be adopted depends, in part, on the ability of the energy value of the gamma ray to have its own ability to cause interactions and other equipment and devices to prevent interaction with the living body. It can be determined in consideration of the presence / absence, their effects, and the like. For example, those having a value of 5 MeV or more and 50 MeV or less have low interaction with water or a living body as described above, and are considered to pass through with little effect on water or a living body. In addition, those having 5 MeV or more mainly generate electron-positron pairs as a result of the interaction. Therefore, such a value can be adopted.
[0041]
The energy value of the gamma ray to be employed can be determined in consideration of the characteristics of a radiating material that emits an electron-positron pair, which will be described later.
[0042]
As shown in FIG. 1, a radiating material (electron-positron pair emitting unit) 13 is placed in
[0043]
That is, as shown in FIGS. 1 and 2, a thin collimated high-
[0044]
The radiating
[0045]
Heavy metals are usually used as radiation shielding materials. In the present embodiment, the treatment is performed by taking out the attenuated radiation (electron positron pair) and irradiating the affected part with the attenuated radiation utilizing the property in reverse.
[0046]
As the radiating
[0047]
The radiating
[0048]
When the radiating
[0049]
As shown in FIG. 10, the length direction of the pillar-shaped (needle) -shaped
[0050]
The distance (depth) from the surface of the
[0051]
As described above, the
[0052]
If the energy depends on the angle as described above, how much thinner collimated gamma rays should be adopted (how much the beam diameter of the gamma rays) should be selected. It depends on what you want to do. The choice of gamma ray at which energy value, as already mentioned, also depends on how safe the energy value is for the patient, in other words, how much interaction is acceptable.
[0053]
If the beam diameter of the gamma ray is too large, when the radiating
[0054]
Next, an example of a simulation assuming the above configuration and a result thereof will be described.
[0055]
Here, as a method of generating gamma rays, a 2.8 GeV electron beam was bombarded with a carbon dioxide gas laser having a wavelength of 0.12 eV and a wavelength of 10.6 μm to obtain 15 MeV gamma rays. In this case, gamma rays having an energy higher than 7 MeV exist within 0.2 m radian.
[0056]
A platinum wire having a length of 10 mm and a diameter of 1 mm on the bottom surface was used as the radiating
[0057]
The simulation was performed by changing the energy E of the
[0058]
3 to 5 show the relationship (discharged dose distribution) between the above depth and the amount of accumulated radiation dose. 6 to 8, the relationship between the amount of accumulated radiation dose and the radius is represented by the absorbed dose Gy (for 10 to the 10th power photons) at the depth with the highest dose.
[0059]
As shown in FIGS. 3 to 5, the accumulation of energy by the electromagnetic shower is concentrated near the platinum wire. Assuming that the length at which the dose becomes 1/10 is the range where the electron-positron pair is effectively irradiated, as shown in FIGS. 6 to 8, 0.8 cm at 10 MeV and 1 cm at 20 MeV. In the case of 0.2 cm and 40 MeV, it was 1.6 cm.
[0060]
The average energy of the electron-positron pair and the electromagnetic shower it evolved is higher when produced from high-energy gamma rays. Therefore, the penetrating power is strong, and the dose can be given to a wider area. FIGS. 3 to 5 and 6 to 8 show that the dose distribution is concentrated around the radiating
[0061]
FIG. 9 shows an example in which the above-described configuration is applied to a
[0062]
FIG. 11 shows a more specific example of the apparatus. The
[0063]
In addition, a gamma ray
[0064]
The controller (gamma ray irradiation control unit) 38 receives position information from the high-
[0065]
The high-precision
[0066]
In the above method, a high-energy (10 to 50 MeV) gamma ray that is finely collimated and easy to turn on and off is used. As an example of this, a laser beam is made to collide with a giga-level electron beam to obtain a desired gamma ray by the inverse Compton effect. To obtain a giga-level electron beam, a large accelerator is required. On the other hand, a method of obtaining an effective gamma ray from a finely collimated high-energy gamma ray with an electron beam of several tens MeV level will be described below.
[0067]
In the above radiotherapy apparatus, as a gamma ray source, a heavy metal target and graphite are placed in the pores of a heavy metal, and a high energy electron beam is irradiated on the heavy metal target, and a gamma ray having an energy of 10 MeV or more is irradiated with an electron beam. The gamma rays pass through the graphite to absorb low energy components of the gamma rays, and the generated gamma rays are collimated by passing through heavy metal pores. Heavy metal pores act as collimators.
[0068]
The heavy metal irradiated with the electron beam is platinum or gold. It has a minute shape and a diameter of 1 mm or less and a length of 2 mm or less. Use a heavy metal with a large atomic number (short emission length). Tungsten is also possible. These are installed in the holes of heavy metal having pores.
[0069]
The incident electron beam is preferably 10 to 50 MeV, and more preferably 20 to 30 MeV.
[0070]
Graphite is the best absorber for low energy gamma rays. Aluminum is also possible.
[0071]
Lead is the best heavy metal having pores in terms of cost, and gold, platinum and tungsten are also possible.
[0072]
The neutron moderator is a substance containing hydrogen and can be water. Paraffin is good for ease of use.
[0073]
Cadmium is the best neutron absorber, shelf metals and lithium are also acceptable. Cadmium is the thinnest. The paraffin / cadmium combination is best.
[0074]
When an electron beam is irradiated on a radiating material, gamma rays generated generally have a wide spread and many low energy components. The present invention is a method for thinning a generated gamma ray and extracting high energy as a main component.
[0075]
Irradiation with an electron beam generates gamma rays having a wide energy distribution as shown in FIG. Gamma rays having an energy of 10 MeV or less are absorbed by passing through graphite.
[0076]
FIG. 12 shows the degree of absorption. In particular, 1 MeV or less can be reduced to a degree that is not perfect but does not affect the human body. Further, gamma rays leaking laterally are absorbed by heavy metal. Further, since the energy of the electron beam is high, a neutron beam (neutron) which is not preferable for the human body is emitted. Therefore, the neutron is decelerated with paraffin and absorbed with cadmium.
[0077]
Cancer treatment by radiation is roughly classified into a method using particle beams and a method using gamma rays (including electrons). In general, it is considered that a particle beam, particularly a heavy ion, can give a concentrated dose to a cancer tissue, so that treatment can be performed efficiently and safely.
[0078]
As described above, by combining a high-energy gamma ray and a radiating material, it is possible to realize a device for applying a dose to a tumor with an efficiency equal to or higher than that of a particle beam. The characteristics of the radiating material include (1) a substance having a short radiation length and (2) a thin shape.
[0079]
On the other hand, gamma rays are efficient if they are thin and collimated and have high energy.There are several possibilities for actually generating gamma rays.However, gamma rays obtained by laser inverse Compton scattering sufficiently satisfy the conditions. I have. However, this method has a practical problem that the device becomes too large. Therefore, here, as a supplement to this method, a method for obtaining a target gamma ray by using an electron beam accelerator such as a linac (linear accelerator) generally used as a medical gamma ray generator is presented. .
[0080]
The characteristics of gamma rays required for treatment using a radioactive material include the following three points.
(1) High energy gamma rays of 5 MeV or more (more preferably, 10 MeV or more) and several tens of MeV or less
(2) Collimated as thin as about millimeter
(3) Do not generate extra radiation
These conditions are for increasing the dose in the vicinity of the radiating material placed in the tumor part, while reducing the irradiation dose to other parts of the human body.
[0081]
When a high-energy electron beam is applied to a substance, gamma rays are generated by bremsstrahlung. Bremsstrahlung has been used in many cases as a method of generating gamma rays and X-rays, not only for research purposes. If a gamma ray according to the purpose can be generated by this very general method, a simple system should be able to be constructed.
[0082]
Gamma rays are obtained by applying accelerated electrons to a radiating material (heavy metal such as gold or platinum) to cause bremsstrahlung. The characteristics of the gamma ray energy distribution and angle distribution will be described below.
[0083]
It is known that the energy distribution of gamma rays obtained by bremsstrahlung of a sufficiently thin radiating material is given by the following equation.
[0084]
(Equation 1)
[0085]
Because the spectrum is inversely proportional to energy, low energy gamma rays are particularly prevalent in bremsstrahlung radiation. Since low-energy components have a large interaction with substances, when used for radiotherapy, they are absolutely highly absorbed at the surface and have a large effect on skin tissues.
[0086]
On the other hand, gamma rays emitted by bremsstrahlung are radiated forward in the same direction as the incident direction of the electron beam, but spread by a certain angle, which is given by the following equation.
[0087]
(Equation 2)
[0088]
Here, m is the mass of the electron, p is the energy of the electron beam, and θ is the angle at which gamma rays are emitted. The ratio of the gamma ray emitted within a certain angle θ to the total angle is m / p≪1 since the case where the electron energy is sufficiently larger than its mass m is assumed, and the distribution is concentrated forward. Since it is, sin θ to θ can be obtained. Therefore, it becomes as follows.
[0089]
(Equation 3)
[0090]
The amount obtained by integrating all angles is π · p2/ M2So the gamma ray is m2/ P2Half will be collected within the angle represented by. Typically, for 30 MeV electrons, the spread is 1/60 rad.
[0091]
A method of irradiating a radiation material with an electron beam accelerated to about 10 MeV and generating gamma rays by bremsstrahlung is generally used in cancer treatment. As described above, a linac (linear accelerator) is generally used as the accelerator. This is because if the energy is about 10 MeV, a sufficient penetrating power can be obtained, and the generation of unnecessary neutrons is suppressed.
[0092]
By the way, a gamma ray of about 10 to 50 MeV is suitable for treatment using a radiation material. In order to obtain a thin collimated gamma ray, higher energy is more efficient. This requires an electron beam with high energy. When the energy of the electron beam begins to exceed 10 MeV, the generation of neutrons cannot be ignored. Therefore, higher energy is better, but about 20 to 30 MeV is practically appropriate.
[0093]
Since the gamma rays are narrowed down, it is necessary to find conditions necessary for obtaining sufficient intensity. The thickness of the radiating material that causes bremsstrahlung to electrons is 0.3LRThe degree is appropriate. At this thickness, the conversion efficiency to gamma rays is about 30%, and the probability of the generated gamma rays interacting and being lost is about 15%, so that about 25% of the total electron energy is converted to gamma rays. As an actual substance, gold, platinum, tungsten, or the like having a thickness of about 1 mm is placed.
[0094]
In order to extract a gamma-ray beam as thin as the size of the radiating material placed inside the body, the distance must be as short as possible. Considering the distance between the collimator and the body, a distance of 40 cm from the radiating material causing the bremsstrahlung to the radiating material in the body will suffice. Assuming that the diameter of the radiating material in the body is 1 mm, the angular spread is 1.2 mrad. The gamma ray entering this angle is (0.0012 × 60) at 30 MeV.2= 5 × 10-3It is. As a result, if the current of the 30 MeV electron beam is 1 μA, 2 × 109/ Sec gamma rays are obtained. The required dose is typically obtained in seconds to tens of seconds. If this is 10 MeV, (0.0012 × 20)2= 6 × 10-4Then, when the energy is reduced, the amount of gamma rays that can be irradiated to the thin forward radiating material is relatively reduced, and the efficiency is reduced by almost one digit compared to the case of 30 MeV. In practice, it can be covered by increasing the current or increasing the time, so it would be of great significance to be able to treat with an accelerator that is relatively easily available.
[0095]
The following apparatus can be used to obtain a gamma ray optimal for a treatment using a radiation material by this method. A collimator is installed to reduce the gamma rays generated by bremsstrahlung to a small beam size. Since gamma rays spread with the distance they fly, shortening the distance from the collimator to the irradiation site allows gamma rays to be used efficiently. Therefore, a material having a short radiation length is suitable as a material. Platinum and gold are optimal, but in view of cost, heavy metal containing tungsten as a main component is the most realistic. Since the radiation length of heavy metal is about 3.7 mm, a few centimeters has a sufficient shielding effect against gamma rays.
[0096]
Gamma rays generated by bremsstrahlung are more common at lower energies, but this gives unwanted doses, especially to the surface of living organisms. To eliminate this, carbon is filled in the gamma ray path and the hole in the collimator. FIG. 12 shows an energy spectrum of gamma rays obtained by bremsstrahlung radiation. When there is no absorbing material, it can be seen that the spectrum inversely proportional to the energy represented by the equation (1) decreases from the low energy region as the carbon thickness increases. 30g / cm along the way2If the thickness is about the same, gamma rays of 1 MeV or less that affect the surface of the human body are reduced by almost one digit, so that the level can be almost harmless. Since the density of graphite is about 2.2, it may be about 15 cm. Using industrial diamonds can make it even shorter.
[0097]
The shape of the collimator is as shown in FIGS. At the center is a collimator for extracting thin gamma rays made of heavy metal. It also plays a role in stopping gamma rays leaking around. Outside it is a neutron moderator. Materials containing much hydrogen, such as paraffin and polyethylene, are excellent. The thickness of the moderator layer can be determined by how much the neutron flux is desired to be reduced. Typically, the thickness of the layer is about 10 cm. However, when the amount of neutrons originally generated is small, the layer can be made small and compact.
[0098]
A cadmium metal sheet is spread around the moderator. If the thickness is about 0.5 to 1 mm, most of the decelerated neutrons can be absorbed. Note that cadmium that has absorbed neutrons emits gamma rays, so lead shielding should be placed outside of it. The gamma rays generated at this time have relatively low energy, so that about 5 cm of lead can be sufficiently shielded.
[0099]
A configuration example of the gamma
[0100]
The tungsten (unnecessary gamma ray absorbing portion) 54 is a column, and the inside thereof is hollowed out concentrically. Inside this, from the left, tungsten (unnecessary gamma ray absorbing portion) 55, platinum plate (gamma ray emitting portion) 56,
[0101]
The diameter of the
[0102]
[0103]
The inner diameter of the
[0104]
55 to 61 are filled in the
[0105]
The holes of the
[0106]
[0107]
The
[0108]
The
[0109]
The
[0110]
In FIG. 14, the
[0111]
The
[0112]
When the
[0113]
The collimator is formed by stacking
[0114]
Gamma rays produced by bremsstrahlung are more common at lower energies, but this gives unwanted doses, especially to the surface of living organisms. In order to eliminate this, an absorbing material (low-energy gamma ray absorbing part) is packed in a path through which the gamma ray passes and a hole in the collimator. Assuming that the length of the collimator hole is 10 cm, typically, the first 5 cm is filled with graphite (carbon) 64, and then a 1 mm thick platinum (or gold, tungsten)
[0115]
First, an electron beam is applied to a platinum (or gold, tungsten) plate 56 (converter, conversion material) (gamma ray emitting portion) having a thickness of about 1 mm to generate gamma rays. Having the point of origin as small as possible improves the efficiency of the collimator. Typically, it is desirable that the distance be about a fraction of a millimeter or less. The gamma rays generated here are narrowed down by a collimator.
[0116]
At the point of the conversion material, there are electrons with reduced energy, but if the gamma-ray emitting portion is a heavy metal, gamma rays are newly generated from these electrons. Many of these are unwanted low-energy components that we want to remove. Therefore, an absorber is placed behind the place where the gamma ray is generated, and the low energy component of the generated gamma ray is absorbed and removed while suppressing the decrease of the high energy component. For this, carbon such as
[0117]
The energy loss of electrons in carbon is 2 MeV / (g / cm2), So 5cm (11g / cm2) If it is around, the electrons almost stop.
[0118]
Next, as described above, a
[0119]
The platinum (or gold or tungsten)
[0120]
FIGS. 15 and 16 show the interaction cross-sections (total absorption areas) with gamma rays for carbon and platinum, respectively. It can be considered to correspond approximately to the probability of absorption.
[0121]
In FIG. 15, the interaction cross section with gamma rays decreases slowly with the gamma ray absorption cross section energy of carbon.
[0122]
In FIG. 16, the interaction cross section with the gamma ray sharply decreases with the gamma ray absorption cross section energy of platinum. Also, when the energy exceeds a few MeV, it starts increasing. Further, there is a point where the cross-sectional area decreases at about 80 keV.
[0123]
The extent to which gamma rays are reduced when passing through a substance with a thickness t is determined using the absorption coefficient σ.
N (t) = N0・ Exp (-σt)
It is expressed as Where the number before passing through the substance is N0, N (t), and the base x of the natural logarithm to the power x is expressed as exp (x).
[0124]
15 and 16, the vertical axis represents σ (unit: cm)2/ G). The thickness of the material is g / cm taking into account the density of the material, not the unit of length.2It is convenient to decide in.
[0125]
Taking platinum (specific gravity 21.45) as an example, from FIG.
Σ = 6cm when E = 0.1MeV2/ G
Σ = 0.06 cm when E = 1 MeV2/ G
It can be seen that it is. Here, 1mm thick platinum
t = 22.45 × 0.1 = 2.245 g / cm2
Of thickness. Therefore
N (0.1 MeV) = exp (−6 × 2.245) N0= 1.4 × 10-6N0
N (1MeV) = exp (−0.06 × 2.245) N0= 0.87N0
Thus, the gamma ray of 0.1 MeV can be almost completely dropped, while the gamma ray of 1 MeV almost remains.
[0126]
For
Σ = 0.16cm when E = 0.1MeV2/ G, N = 0.03N0
Σ = 0.06 cm when E = 1 MeV2/ G, N = 0.27N0
Σ = 0.02 cm when E = 10 MeV2/ G, N = 0.64N0
It can be seen that the energy dependence is not extreme, but the high energy side can be left.
[0127]
【The invention's effect】
As described above, the radiation therapy apparatus according to the present invention includes an electron positron pair emission unit that emits an electron positron pair when a gamma ray hits, generates an electromagnetic shower, and irradiates an affected part in the treatment target with an electron positron pair. And a gamma ray irradiating unit for irradiating a gamma ray from outside to the electron-positron pair emitting unit.
[0128]
As a result, the gamma rays emitted from the gamma ray irradiating section hit the electron positron pair emitting section, and the electron positron pair emitting section emits the electron positron pair. This electron-positron pair develops into an electromagnetic shower and irradiates the affected part near the gamma ray irradiating part, so that the affected part can be subjected to radiation treatment.
[0129]
Therefore, it is possible to irradiate an affected part such as a tumor with a large amount of radiation while minimizing damage to a normal tissue, thereby providing an effect that radiation treatment can be efficiently performed.
[0130]
Further, in addition to the above configuration, the radiation therapy apparatus according to the present invention further includes an electron positron pair emission unit position detection unit that detects a position of the electron positron pair emission unit in the treatment target, and a gamma ray in the treatment target. A gamma ray irradiation position detecting unit that detects a position where irradiation is performed, a position of the electron positron pair emitting unit in the treatment target detected by the electron positron pair emitting unit position detecting unit, and a position detected by the gamma ray irradiation position detecting unit. When the information indicating that the position where the gamma ray is irradiated is shifted in the treatment target body is input, the position of the electron-positron pair emitting unit is returned to the position where the gamma ray is irradiated, and a position control unit is returned. A configuration including a gamma-ray irradiation control unit that controls the gamma-ray irradiation unit so as to turn off the gamma-ray irradiation while the position of the electron-positron pair emission unit and the position where the gamma ray is irradiated are shifted. A.
[0131]
Accordingly, in addition to the effect of the above configuration, there is an effect that gamma rays can be irradiated without waste.
[0132]
Further, in addition to the above configuration, the radiation therapy apparatus according to the present invention, wherein the gamma ray irradiator, the gamma ray emitter that emits a gamma ray by bremsstrahlung when hit by an electron beam, and the gamma ray emitted from the gamma ray emitter. Among them, a collimator having a hole through which only those having a predetermined emission angle or less, and placed between the gamma-ray emitting unit and the collimator, the energy of the gamma rays emitted from the gamma-ray emitting unit is less than or equal to a predetermined value. And a low-energy gamma ray absorbing unit that absorbs light.
[0133]
Thereby, in addition to the effect of the above configuration, it is possible to safely and efficiently obtain high-energy gamma rays using an existing accelerator that is already available for cancer treatment or the like without using an expensive accelerator at the giga level. The effect is that the affected part can be sufficiently treated with the electromagnetic shower.
[0134]
Further, the radiotherapy apparatus according to the present invention has a configuration in which, in addition to the above-described configuration, an unnecessary gamma ray absorbing unit that absorbs gamma rays emitted from the gamma ray emitting unit and not passing through the hole of the collimator is provided.
[0135]
Thereby, in addition to the effect of the above configuration, there is an effect that unnecessary gamma rays can be absorbed.
[0136]
In addition, the radiotherapy apparatus according to the present invention has a configuration in which, in addition to the above configuration, a neutron absorbing unit that absorbs neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitting unit around the gamma ray emitting unit.
[0137]
Thereby, in addition to the effect of the above configuration, there is an effect that unnecessary neutrons can be absorbed.
[0138]
In addition, the radiotherapy apparatus according to the present invention, in addition to the above configuration, between the gamma ray emitting section and the neutron absorbing section, a neutron moderating section that slows down neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitting section. It is a configuration provided.
[0139]
Thereby, in addition to the effect of the above configuration, there is an effect that unnecessary neutrons can be decelerated.
[0140]
Further, in addition to the above configuration, the radiation therapy apparatus according to the present invention has a property that the neutron absorbing section emits gamma rays when absorbing neutrons, and the neutron absorbing section is provided around the neutron absorbing section. And a secondary gamma ray absorbing unit that absorbs gamma rays emitted from the device.
[0141]
Thereby, in addition to the effect of the above configuration, there is an effect that unnecessary gamma rays can be absorbed.
[0142]
In addition, in the radiotherapy apparatus according to the present invention, in addition to the above-described configuration, the collimator is a cylindrical object having a congruent outer shape, and a hole having a cylindrical gamma ray path penetrating around an axis. In this configuration, a plurality of collimator pieces having different diameters are coaxially arranged without gaps in such an order that the hole diameter increases as the distance from the gamma-ray emitting section increases.
[0143]
Thus, the emission angle range of gamma rays can be easily changed only by changing the combination of the collimator pieces. Therefore, in addition to the effect of the above configuration, there is an effect that the required gamma ray intensity can be more easily obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing the concept of radiation therapy according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing a relationship between an incident position of a gamma ray and an arrangement of a radiating material.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the depth of a radiation material and the amount of accumulated radiation dose when the radiation material is irradiated with gamma rays.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the depth of the radiating material and the amount of accumulated radiation dose when the radiating material is irradiated with gamma rays.
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the depth of the radiating material and the amount of accumulated radiation dose when the radiating material is irradiated with gamma rays.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the radius at the depth where the dose is the highest and the amount of accumulated radiation dose when the gamma ray is irradiated onto the radiation material.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the radius at the depth where the dose is highest and the amount of accumulated radiation dose when the gamma ray is irradiated onto the radiation material.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the radius at the depth where the dose is highest and the amount of accumulated radiation dose when the radiation material is irradiated with gamma rays.
FIG. 9 is a view showing the concept of radiation therapy according to the present invention.
FIG. 10 is a plan view showing a relationship between an incident position of a gamma ray and an arrangement of a radiating material.
FIG. 11 is a plan view showing a configuration example of a radiotherapy apparatus according to the present invention.
FIG. 12 is a graph showing an energy spectrum of a gamma ray.
FIG. 13 is a sectional view showing a gamma ray irradiation unit.
FIG. 14 is a perspective view showing members constituting a gamma ray irradiation unit.
FIG. 15 is a graph showing the relationship between the energy of gamma rays in carbon and the cross-sectional area of interaction with gamma rays.
FIG. 16 is a graph showing the relationship between the energy of gamma rays in platinum and the cross-sectional area of interaction with gamma rays.
FIG. 17 is a diagram showing the concept of radiation therapy.
FIG. 18 is a graph showing changes in damage caused by gamma rays in radiation therapy.
FIG. 19 is a diagram showing an example of radiation therapy using gamma rays.
[Explanation of symbols]
11 water
12 gamma ray
13 radiation material (electron positron pair emission part)
14 electromagnetic shower
21 patient (subject to be treated)
22 tumor
31 ° high-accuracy position detector (electron positron pair emission position detector)
32 ° irradiation position confirmation device (gamma ray irradiation position detection unit)
33 ° high-accuracy position controller (position controller)
36 gamma ray beam generator (gamma ray irradiation unit)
37 ° collimator (gamma ray irradiator)
38 controller (gamma ray irradiation controller)
50 ° gamma ray irradiation unit
51, 51a, 51b, 51c lead (secondary gamma ray absorbing part)
52, 52a, 52b, 52c cadmium sheet (neutron absorbing part)
53, 53a, 53b paraffin (neutron moderator)
54 ° tungsten (unnecessary gamma ray absorbing part)
55 ° tungsten (unnecessary gamma ray absorbing part)
56mm platinum plate (gamma ray emission part)
57, 58, 59, 60 Tungsten (collimator)
61% platinum plate (low energy gamma ray absorbing part)
62 electron beam
63 gamma rays
64% graphite (low energy gamma ray absorbing part)
Claims (8)
治療対象体の外部からガンマ線を照射して上記電子陽電子対放出部に当てるガンマ線照射部とを備えたことを特徴とする放射線治療装置。An electron positron pair emitting section that emits an electron positron pair when gamma rays hit and generates an electromagnetic shower to irradiate an affected part in a treatment target body,
A gamma ray irradiating unit for irradiating a gamma ray from the outside of the treatment target and applying the gamma ray to the electron-positron pair emitting unit.
治療対象体中でガンマ線が照射されている位置を検出するガンマ線照射位置検出部と、
上記電子陽電子対放出部位置検出部により検出された治療対象体中の電子陽電子対放出部の位置と上記ガンマ線照射位置検出部により検出された治療対象体中でガンマ線が照射されている位置とがずれている旨の情報が入力されると、上記電子陽電子対放出部の位置を、ガンマ線が照射されている位置に戻す位置制御部と、
電子陽電子対放出部の位置とガンマ線が照射されている位置とがずれている間、ガンマ線照射をオフにするように上記ガンマ線照射部を制御するガンマ線照射制御部とを備えたことを特徴とする請求項1に記載の放射線治療装置。An electron-positron pair emission unit position detection unit that detects the position of the electron-positron pair emission unit in the treatment target;
A gamma ray irradiation position detection unit that detects a position where gamma rays are irradiated in the treatment target,
The position of the electron positron pair emission unit in the treatment target detected by the electron positron pair emission unit position detection unit and the position irradiated with gamma rays in the treatment target detected by the gamma ray irradiation position detection unit are When the information indicating the shift is input, a position control unit that returns the position of the electron-positron pair emitting unit to the position where the gamma rays are irradiated,
A gamma-ray irradiation control unit that controls the gamma-ray irradiation unit so as to turn off the gamma-ray irradiation while the position of the electron-positron pair emitting unit and the position where the gamma rays are irradiated are shifted. The radiotherapy device according to claim 1.
電子線が当たると制動輻射でガンマ線を放出するガンマ線放出部と、
上記ガンマ線放出部から放出されるガンマ線のうち、所定の放射角以下のもののみを通す穴を有するコリメータと、
上記ガンマ線放出部とコリメータとの間に置かれ、上記ガンマ線放出部から放出されるガンマ線のうちでエネルギーが所定値以下のものを吸収する低エネルギーガンマ線吸収部とを備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の放射線治療装置。The gamma ray irradiation unit,
A gamma ray emitting unit that emits gamma rays by bremsstrahlung when the electron beam hits,
Among the gamma rays emitted from the gamma ray emitting unit, a collimator having a hole that passes only those having a predetermined radiation angle or less,
A low-energy gamma-ray absorbing unit that is disposed between the gamma-ray emitting unit and the collimator and absorbs gamma rays emitted from the gamma-ray emitting unit whose energy is equal to or less than a predetermined value. Item 3. The radiotherapy apparatus according to item 1 or 2.
上記中性子吸収部の周囲に、中性子吸収部から放出されるガンマ線を吸収する副次ガンマ線吸収部を備えたことを特徴とする請求項5または6に記載の放射線治療装置。The neutron absorbing portion has a property of emitting gamma rays when absorbing neutrons,
The radiation therapy apparatus according to claim 5, further comprising a secondary gamma ray absorbing section that absorbs gamma rays emitted from the neutron absorbing section around the neutron absorbing section.
外形が合同な円柱形状物であって、軸を中心として貫通している円柱状のガンマ線経路となる穴の径が異なる複数のコリメータ片が、ガンマ線放出部から離れるに従って穴径が大きくなるような順序で同軸上に隙間無く並んで成ることを特徴とする請求項3ないし7のいずれかに記載の放射線治療装置。The collimator is
A plurality of collimator pieces whose outer shapes are congruent cylindrical shapes and have different diameters of holes serving as cylindrical gamma ray paths penetrating around the axis, such that the hole diameter increases as the distance from the gamma ray emission part increases The radiotherapy apparatus according to any one of claims 3 to 7, wherein the radiotherapy apparatuses are coaxially arranged without any gap in the order.
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