JP4076869B2 - Radiation therapy equipment - Google Patents
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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]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a radiotherapy apparatus for a tumor or the like using gamma rays.
[0002]
[Prior art]
X-rays and gamma rays are used for the treatment of tumors (cancer) by radiation, and among them, gamma rays are widely used.
[0003]
Tumor radiation therapy utilizes the loss of energy as radiation passes through the body, causing biological damage (hereinafter simply referred to as damage) to the tumor tissue. As shown in the upper part of FIG. 17,
[0004]
Since the effects of radiation are not limited to tumors but also to normal tissues, the basis of radiation therapy is to maximize the dose in tumors and minimize the dose in normal tissues. 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]
Known techniques include
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-151310 (publication date: June 8, 1999)
[0007]
[Patent Document 2]
JP 2000-331799 A (publication date November 30, 2000)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Although gamma rays can be easily obtained, as shown in FIG. 18, normal tissues are also damaged. In FIG. 18, the horizontal axis represents the depth as described above, and the vertical axis represents the degree of damage as described above.
[0009]
For this reason, as shown in FIG. 19, a method (gamma knife) in which
[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 tissue.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the radiotherapy apparatus according to the present invention emits an electron-positron pair to emit an electromagnetic shower when irradiated with gamma rays, and irradiates the affected part in the treatment target body with an electron-positron pair emitting part, And a gamma ray irradiation unit that irradiates gamma rays from the outside of the treatment target and hits the electron-positron pair emission unit.
[0013]
With the above configuration, the gamma ray irradiation unit irradiates gamma rays from the outside of the treatment object (human body or the like) and hits the electron-positron pair emission unit. Then, an electron positron pair is emitted from the electron positron pair emitting part, which develops into an electromagnetic shower and is irradiated to the affected part (tumor or the like).
[0014]
Therefore, by arranging the electron-positron pair emitting part 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 treated with radiation. When the affected part exists inside the treatment object, 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 therefrom decreases as it travels a predetermined distance. Therefore, the influence on the normal tissue around the affected part can be suppressed.
[0015]
Therefore, it is possible to irradiate a large amount of radiation to the affected area such as a tumor while suppressing damage to normal tissue as much as possible, and to perform radiotherapy efficiently.
[0016]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention includes an electron positron pair emission part position detection unit that detects the position of the electron positron pair emission part in the treatment object, and a gamma ray in the treatment object. Detected by the gamma-ray irradiation position detector for detecting the irradiated position, the position of the electron-positron pair emitter in the treatment object detected by the electron-positron pair emitter position detector and the gamma-ray irradiation position detector. A position control unit that returns the position of the electron-positron pair emission unit to the position irradiated with gamma rays when information indicating that the position irradiated with gamma rays is shifted in the treatment target is input. And a gamma ray irradiation control unit for controlling the gamma ray irradiation unit so that the gamma ray irradiation is turned off while the position of the electron-positron pair emission unit is shifted from the position where the gamma ray is irradiated. It is characterized.
[0017]
With the above configuration, the generation of gamma rays is turned off while the position of the gamma ray irradiation unit in the treatment object is shifted from the position where the gamma ray is irradiated in the treatment object.
[0018]
Therefore, in addition to the effect of the above configuration, gamma rays can be irradiated without waste.
[0019]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention includes a gamma ray emitting unit that emits gamma rays by bremsstrahlung when an electron beam hits, and a gamma ray emitted from the gamma ray emitting unit. Among them, the collimator having a hole through which only one having a predetermined radiation angle or less passes, and the gamma ray emitting unit and the collimator are placed between the gamma ray emitting unit and the gamma ray emitted from the gamma ray emitting unit has an energy of a predetermined value or less. It is characterized by having a low-energy gamma ray absorber that absorbs things.
[0020]
With the above configuration, when a high energy electron beam is applied to the gamma ray emission part in order to obtain a high energy gamma ray, a high energy gamma ray is emitted over a wide range (large radiation angle). High energy gamma rays can be emitted only in a desired narrow range. As a result, it is possible to prevent high-energy gamma rays from being irradiated to an irrelevant part of the patient without entering the electron-positron pair emission part. Even if the emission range is narrowed in this way, the efficiency is poor if low-energy gamma rays are mixed, 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 accelerators at the giga level. The affected area can be sufficiently treated with an electromagnetic shower.
[0022]
The radiotherapy apparatus according to the present invention is characterized in that, 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.
[0023]
With the above configuration, an unnecessary gamma ray absorbing portion that absorbs gamma rays emitted from the gamma ray emitting portion and not passing through the hole of the collimator is provided.
[0024]
Therefore, in addition to the effects of the above configuration, unnecessary gamma rays can be absorbed.
[0025]
The radiotherapy apparatus according to the present invention is characterized in that, in addition to the above-described configuration, a neutron absorber that absorbs neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitter is provided around the gamma ray emitter. Yes.
[0026]
With the above configuration, a neutron absorber that absorbs neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitter is provided around the gamma ray emitter.
[0027]
Therefore, in addition to the effects of the above configuration, unnecessary neutrons can be absorbed.
[0028]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention further includes a neutron moderating unit that decelerates neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitting unit between the gamma ray emitting unit and the neutron absorbing unit. It is characterized by having prepared.
[0029]
With the above configuration, a neutron moderating unit that decelerates neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitting unit is provided between the gamma ray emitting unit and the neutron absorbing unit.
[0030]
Therefore, unnecessary neutrons can be decelerated in addition to the effects of the above configuration.
[0031]
In addition to the above configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention has a property that the neutron absorber emits gamma rays when it absorbs neutrons, and a neutron absorber around the neutron absorber A secondary gamma ray absorbing portion that absorbs gamma rays emitted from the device is provided.
[0032]
With the above configuration, the neutron absorber has a property of emitting gamma rays when absorbing neutrons, and a secondary gamma ray absorber that absorbs gamma rays emitted from the neutron absorber around the neutron absorber. Is provided.
[0033]
Therefore, in addition to the effects of the above configuration, unnecessary gamma rays can be absorbed.
[0034]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention may be configured such that the collimator is a cylindrical object having a congruent outer shape, and is a cylindrical gamma ray path penetrating about an axis. A plurality of collimator pieces having different diameters are arranged on the same axis 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 collimator diameter changes stepwise and discontinuously, and is a separate member for each changing position. As a result, if the collimator pieces are combined in various ways, the inclination of the collimator can be easily changed. For example, the diameter of the collimator can be reduced by combining many different hole diameters. Conversely, if a combination of large hole diameters is combined, the diameter of the collimator increases abruptly as it progresses, so the diameter of the collimator can be increased.
[0036]
Therefore, the gamma ray emission angle range can be easily changed by simply changing the combination of the collimator pieces. Therefore, in addition to the effects of the above configuration, the necessary gamma ray intensity can be obtained more easily.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0038]
First, the basic concept in this embodiment will be described.
[0039]
Gamma rays with high energy above a certain level have a low interaction with water and living bodies such as human bodies and animals, and pass through with little influence on water and living bodies. That is, there is little energy loss in the living body. Here, the interaction refers to an effect that causes a result of destroying a tumor tissue in the case of a tumor, and more generally refers to an effect that results in giving high energy to an object. This embodiment pays attention to this, and effectively performs minimally invasive radiation therapy on a living body using gamma rays.
[0040]
The energy value of gamma rays to be used is determined by, for example, the ability of the gamma rays of that energy value to inherently cause interactions and other equipment and devices to prevent interaction with the living body. It can be determined in consideration of the presence or absence and the effects thereof. For example, those of 5 MeV or more and 50 MeV or less have a low interaction with water or a living body as described above, and are considered to pass through with little influence on water or the living body. In addition, those having 5 MeV or more mainly generate electron-positron pairs as a result of the interaction. Therefore, it is also possible to employ a value having such a value.
[0041]
The energy value of the gamma ray to be used can also be determined in consideration of the characteristics of the radiation material that emits an electron-positron pair described later.
[0042]
As shown in FIG. 1, a radiation material (electron positron pair emitting part) 13 is placed inside
[0043]
That is, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, a thin collimated high
[0044]
When irradiated with gamma rays, the radiating
[0045]
Heavy metals are usually used as radiation shielding materials. In the present embodiment, the treatment is performed by extracting the attenuated radiation (electron positron pair) and irradiating the affected area by using the property in reverse.
[0046]
As the
[0047]
[0048]
When the radiating
[0049]
As shown in FIG. 10, the longitudinal direction of the columnar (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, the energy value of the gamma ray to be selected (how much the beam diameter of the gamma ray is to be adopted) It depends on what you want to do. The energy value of the gamma ray to be selected depends on how safe the energy value is for the patient, in other words, how much interaction can be allowed.
[0053]
If the beam diameter of the gamma rays is too large, if the radiating
[0054]
Next, an example of the simulation assuming the above configuration and the result thereof will be shown.
[0055]
Here, as a method of generating gamma rays, a carbon dioxide gas laser having a wavelength of 10.2 μV and a wavelength of 10.6 μm was collided with an electron beam of 2.8 GeV to obtain 15 MeV gamma rays. In this case, gamma rays with energy higher than 7 MeV exist within 0.2 m radians.
[0056]
A platinum wire having a length of 10 mm and a diameter of 1 mm on the bottom surface was used as the
[0057]
The simulation was performed by changing the energy E of the
[0058]
3 to 5 show the relationship between the depth and the accumulated amount of radiation dose (emitted dose distribution). 6 to 8, the relationship between the radiation dose accumulation amount and the radius is represented by the absorbed dose Gy (for 10 to the 10th power photons) at the deepest depth.
[0059]
As shown in FIGS. 3 to 5, energy accumulation by the electromagnetic shower is concentrated in the vicinity of the platinum wire. Considering the length where the dose becomes one-tenth as the range in which the electron-positron pair is effectively irradiated, as shown in FIGS. 6 to 8, it is 0.8 cm in the case of 10 MeV, and 1 in the case of 20 MeV. In the case of 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 made from high-energy gamma rays. Therefore, the penetrating power is strong and a dose can be given to a wider area. FIGS. 3 to 5 and FIGS. 6 to 8 first show that the dose distribution is concentrated around the
[0061]
FIG. 9 shows an example in which the above configuration is applied to a
[0062]
FIG. 11 shows a more specific device example. The
[0063]
Further, a gamma
[0064]
A controller (gamma ray irradiation control unit) 38 receives position information from the high-
[0065]
The high-
[0066]
In the above method, high energy (10 to 50 MeV) gamma rays that are finely collimated and easily turned on and off are used. As an example for this purpose, a laser beam collides with a giga-level electron beam to obtain a desired gamma ray by the inverse Compton effect. In order to obtain a giga-level electron beam, a large-scale accelerator is required. On the other hand, a method for obtaining effective gamma rays with an electron beam of several tens MeV level will be described below.
[0067]
In the above radiotherapy apparatus, as a gamma ray generation source, a heavy metal target and graphite are installed in a heavy metal pore, a high energy electron beam is irradiated to the heavy metal target, and a gamma ray containing energy of 10 MeV or more is emitted as an electron beam. Is generated from the opposite side, the gamma rays are passed through the graphite to absorb low energy components of the gamma rays, and the generated gamma rays are collimated by passing through the heavy metal pores. Heavy metal pores act as a collimator.
[0068]
The heavy metal that irradiates the electron beam is platinum or gold. It has a minute shape and has a diameter of 1 mm or less and a length of 2 mm or less. Use heavy metals with large atomic numbers (short emission length). Tungsten is also possible. These are installed in the hole of the heavy metal which has a pore.
[0069]
The incident electron beam is preferably 10 to 50 MeV, and more preferably 20 to 30 MeV.
[0070]
Graphite is the best low energy gamma ray absorber. Aluminum is also acceptable.
[0071]
The heavy metal having pores is best in terms of cost, and gold, platinum, and tungsten are also acceptable.
[0072]
Neutron moderator is a substance containing hydrogen, which can be water. Paraffin is good for ease of use.
[0073]
The best neutron absorber is cadmium, and shelf elements and lithium are also acceptable. Cadmium can be thinnest. The paraffin / cadmium combination is the best.
[0074]
When an electron beam is irradiated onto a radiation material, the generated gamma rays are generally broad and have many low energy components. The present invention is a method of narrowing generated gamma rays and extracting high energy as a main component.
[0075]
When an electron beam is irradiated, gamma rays with a wide energy distribution are generated as shown in FIG. Passes through the graphite and absorbs gamma rays with an energy of 10 MeV or less.
[0076]
The degree of absorption is shown in FIG. In particular, 1 MeV or less can be lowered to an extent that is not perfect but does not affect the human body. Further, gamma rays that leak laterally are absorbed by heavy metal. In addition, since the energy of the electron beam is high, a neutron beam (neutron) which is undesirable for the human body is emitted. For this reason, the neutron is decelerated with paraffin and absorbed with cadmium.
[0077]
There are two types of cancer treatment using radiation: a method using particle beams and a method using gamma rays (including electrons). In general, particle beams, particularly those called heavy ions, are thought to be able to treat cancer tissue efficiently and safely because they can concentrate doses on cancer tissues.
[0078]
As described above, by combining high-energy gamma rays and a radiation material, it is possible to realize a device that gives a dose to a tumor site with an efficiency equal to or higher than that of particle beams. The characteristics of the radiation material are (1) a substance with a short radiation length and (2) a thin shape.
[0079]
On the other hand, it is efficient to use gamma rays that are thin and high in collimated energy, and there are several possibilities for the device to actually generate them. However, the gamma rays obtained by laser inverse Compton scattering sufficiently satisfy the conditions. Yes. However, this method has a practical problem that the apparatus becomes too large. Therefore, here, as a supplement to this method, a method for obtaining a target gamma ray 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 radiation material include the following three points.
(1) A high energy gamma ray of 5 MeV or more (more preferably 10 MeV or more) and several tens MeV or less.
(2) It should be collimated as thin as millimeters.
(3) Do not generate extra radiation
These conditions are for reducing the irradiation dose to other parts of the human body while increasing the dose in the vicinity of the radiation material placed on the tumor part.
[0081]
When a high-energy electron beam is applied to a material, gamma rays are generated by Bremsstrahlung. Braking radiation has been used not only for research purposes but also in many cases as a method of generating gamma rays and X-rays. If a gamma ray meeting the purpose can be generated by this very common method, a simple system should be constructed.
[0082]
Gamma rays are obtained by applying accelerated electrons to a radiation material (heavy metal such as gold or platinum) to cause bremsstrahlung. The characteristics of the gamma ray energy distribution and angular distribution are described below.
[0083]
It is known that the energy distribution of gamma rays obtained by the bremsstrahlung of a sufficiently thin radiation material is given by the following equation.
[0084]
[Expression 1]
[0085]
Because the spectrum is inversely proportional to energy, bremsstrahlung has particularly high levels of low energy gamma rays. Since the low energy component has a large interaction with the substance, when used for radiotherapy, the absorption is inevitably large on the surface and has a great influence on the skin tissue.
[0086]
On the other hand, gamma rays emitted by bremsstrahlung are radiated in the front as much as the incident direction of the electron beam, but there is a spread by a certain angle, which is given by the following equation.
[0087]
[Expression 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 rays emitted within a certain angle θ to the total angle is assumed to be m / p << 1 because the energy of the electrons is sufficiently larger than its mass m, and the distribution is concentrated forward. Therefore, sin θ can be set to θ. Therefore, it becomes as follows.
[0089]
[Equation 3]
[0090]
The amount integrated over all angles is π · p2/ M2So gamma rays are m2/ P2Half will be gathered within the angle represented by. Typically, for an electron of 30 MeV, the spread is 1/60 rad.
[0091]
A method of accelerating an electron beam to about 10 MeV and irradiating a radiation material and generating gamma rays by bremsstrahlung is generally used in cancer treatment. As the accelerator, a linac (linear accelerator) is generally used as described above. This is because if the energy is about 10 MeV, sufficient transmission power can be obtained and generation of unnecessary neutrons can be suppressed.
[0092]
Now, gamma rays of about 10 to 50 MeV are suitable for treatment using a radiation material. Higher energy is more efficient for obtaining finely collimated gamma rays. For this purpose, an electron beam with high energy is required. When the electron beam energy starts to exceed 10 MeV, the generation of neutrons cannot be ignored. Therefore, higher energy is better, but in reality, about 20 to 30 MeV would be appropriate.
[0093]
Since the gamma rays are narrowed down, it is necessary to search for conditions necessary to obtain sufficient intensity. The thickness of the radiation material that causes braking radiation to electrons is 0.3LRThe degree is appropriate. At this thickness, the conversion efficiency to gamma rays is about 30%, and the probability that the generated gamma rays interact and be lost is about 15%, so 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]
It is necessary to make the distance as short as possible in order to extract a thin gamma ray beam so as to correspond to the size of the radiation material placed in the body. Considering the distance through the collimator and the body, it would be sufficient to consider 40 cm as the distance from the radiating material causing the bremsstrahlung to the radiating material in the body. When the diameter of the radiation material in the body is 1 mm, the spread of the angle is 1.2 mrad. The gamma rays that fall within this angle are (0.0012 × 60) for 30 MeV.2= 5 × 10-3It is. As a result, if the current of the electron beam of 30 MeV is 1 μA, 2 × 109/ Sec gamma rays can be obtained. The required dose is typically obtained in seconds to tens of seconds. When this is 10 MeV (0.0012 × 20)2= 6 × 10-FourWhen the energy is reduced, the amount of gamma rays that can be irradiated to the thin material in front is relatively reduced, and the efficiency is reduced by almost an order of magnitude compared to the case of 30 MeV. In practical use, it can be covered by increasing the current or taking time, so it would be meaningful to enable treatment with an accelerator that is relatively easy to obtain.
[0095]
In order to obtain the optimal gamma ray for the treatment using the radiation material in this method, the following apparatus can be used. A collimator is installed to reduce the gamma rays generated by the bremsstrahlung to a small beam size. Since gamma rays spread with the flight distance, shortening the distance from the collimator to the irradiation site allows efficient use of gamma rays. Therefore, a material having a short radiation length is suitable as a material. Platinum or gold is optimal, but considering the cost, heavy metal based on tungsten is the most realistic. Since the radiation length of heavy metal is about 3.7 mm, it has a sufficient shielding effect against gamma rays at several centimeters.
[0096]
The gamma rays produced by bremsstrahlung are higher at lower energies, but this gives unwanted doses to the body, especially the surface. In order to remove this, carbon is filled in the path of gamma rays and the holes in the collimator. FIG. 12 shows an energy spectrum of gamma rays obtained by braking radiation. When there is no absorber, it can be seen that the spectrum inversely proportional to the energy expressed by Equation (1) decreases from the low energy region as the carbon thickness is increased. 30 g / cm along the path2If the thickness is enough, gamma rays of 1 MeV or less that affect the surface of the human body are reduced by almost an order of magnitude, so that the level can be made almost harmless. Since graphite has a density of 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. The center is a collimator that draws out thin gamma rays made of heavy metal. It also plays a role in stopping gamma rays that leak around. Outside that is a neutron moderator. Substances rich in 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. The thickness of the layer is typically about 10 cm, but it can be made small and compact when the original amount of neutron generation is small.
[0098]
A cadmium metal sheet is wound around the moderator. If the thickness is about 0.5 to 1 mm, most of the decelerated neutrons can be absorbed. Since cadmium that has absorbed neutrons emits gamma rays, lead shielding is placed outside the cadmium. The gamma rays generated at this time are relatively low in energy, and can be sufficiently shielded with about 5 cm of lead.
[0099]
A configuration example of the gamma
[0100]
Tungsten (unnecessary gamma ray absorbing portion) 54 is a cylinder, and the inside thereof is cut out concentrically. Inside, from the left, tungsten (unnecessary gamma ray absorbing portion) 55, platinum plate (gamma ray emitting portion) 56,
[0101]
The
[0102]
The
[0103]
The inner diameter of the
[0104]
55 to 61 are packed in the
[0105]
The holes of the
[0106]
[0107]
The
[0108]
The
[0109]
The
[0110]
In FIG. 14, lead 51 is drawn as a separate member such as 51 a, 51 b, and 51 c, but may be separate members as described above, or these three may be integrated as
[0111]
The
[0112]
When the
[0113]
The collimator is made by stacking
[0114]
The gamma rays generated by bremsstrahlung are higher at lower energies, but this gives unnecessary doses especially to the surface of the living body. In order to remove this, an absorbing material (low energy gamma ray absorbing portion) is packed in the path through which the gamma ray passes and the hole in the collimator. If the length of the collimator hole is 10 cm, typically the first 5 cm is packed with graphite (carbon) 64, then the 1 mm thick platinum (or gold, tungsten)
[0115]
First, an electron beam is irradiated onto a platinum (or gold, tungsten) plate 56 (converter) (gamma ray emitting portion) having a thickness of about 1 mm to generate gamma rays. The origin is as small as possible, improving the efficiency of the collimator. Typically, it is desirable to be about 1 / mm or less. The gamma rays generated here are narrowed down by a collimator.
[0116]
At the point of the conversion material, electrons with reduced energy exist, but if the gamma ray emitting part is a heavy metal, new gamma rays are generated from the electrons. Many of these are unwanted low energy components that we want to remove. Therefore, an absorbing material is placed behind the place where the gamma rays are generated, and the low energy components are absorbed and removed while suppressing the decrease in the high energy components of the generated gamma rays. For this, carbon such as
[0117]
The energy loss of electrons in carbon is 2 MeV / (g / cm2) Is about 5cm (11g / cm)2) If it is around, electrons will almost stop.
[0118]
Next, a
[0119]
The platinum (or gold or tungsten)
[0120]
FIGS. 15 and 16 show the cross-sectional area (total absorption area) of interaction with gamma rays for carbon and platinum, respectively. It can be considered that it almost corresponds to the probability of absorption.
[0121]
In FIG. 15, the interaction cross section with gamma rays slowly decreases with the gamma ray absorption cross section energy of carbon.
[0122]
In FIG. 16, the interaction cross section with gamma rays decreases rapidly with the gamma ray absorption cross section energy of platinum. Also, it starts to increase when the energy is above several MeV. In addition, there is a point where the cross-sectional area decreases around 80 keV.
[0123]
The extent to which gamma rays decrease when passing through a substance with thickness t is determined using the absorption coefficient σ.
N (t) = N0Exp (-σt)
It is expressed. However, the number before passing through the substance is N0, Let N (t) be the number after passing, and express x to the power of the base e of the natural logarithm as exp (x).
[0124]
15 and 16, the vertical axis represents σ (unit: cm2/ G). The thickness of the material is g / cm considering the density of the material, not the unit of length.2It is convenient to decide in
[0125]
Considering platinum (specific gravity 21.45) as an example, from FIG.
When E = 0.1 MeV, σ = 6 cm2/ G
When E = 1 MeV σ = 0.06 cm2/ G
It can be seen that it is. Here, 1mm thick platinum
t = 22.45 × 0.1 = 2.245 g / cm2
It becomes the thickness of. 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 0.1 MeV gamma ray can be almost completely reduced, while the 1 MeV gamma ray remains almost completely.
[0126]
For
When E = 0.1 MeV, σ = 0.16 cm2/ G, N = 0.03N0
When E = 1 MeV σ = 0.06 cm2/ G, N = 0.27N0
When E = 10 MeV σ = 0.02 cm2/ G, N = 0.64N0
Thus, the energy dependence is not extreme, but it can be seen that the high energy side can be left.
[0127]
【The invention's effect】
As described above, the radiotherapy apparatus according to the present invention emits an electron-positron pair to generate an electromagnetic shower when irradiated with gamma rays, and irradiates the affected area in the treatment object, and the treatment object. And a gamma ray irradiation unit that irradiates the electron positron pair emission unit by irradiating gamma rays from the outside.
[0128]
Thereby, the gamma ray emitted from the gamma ray irradiation part hits the electron positron pair emission part, and the electron positron pair emission part is emitted. This electron-positron pair is developed into an electromagnetic shower, and can be irradiated to the affected area in the vicinity of the gamma ray irradiating section to treat the affected area with radiation.
[0129]
Therefore, it is possible to irradiate a diseased part such as a tumor with a lot of radiation while suppressing damage to normal tissue as much as possible, and there is an effect that radiation therapy can be performed efficiently.
[0130]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention includes an electron positron pair emission part position detection unit that detects the position of the electron positron pair emission part in the treatment object, and a gamma ray in the treatment object. Detected by the gamma-ray irradiation position detector for detecting the irradiated position, the position of the electron-positron pair emitter in the treatment object detected by the electron-positron pair emitter position detector and the gamma-ray irradiation position detector. A position control unit that returns the position of the electron-positron pair emission unit to the position irradiated with gamma rays when information indicating that the position irradiated with gamma rays is shifted in the treatment target is input. A configuration including a gamma ray irradiation control unit that controls the gamma ray irradiation unit so that the gamma ray irradiation is turned off while the position of the electron-positron pair emission unit is shifted from the position where the gamma ray is irradiated. A.
[0131]
Thereby, in addition to the effect by said structure, there exists an effect that a gamma ray can be irradiated without waste.
[0132]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention includes a gamma ray emitting unit that emits gamma rays by bremsstrahlung when an electron beam hits, and a gamma ray emitted from the gamma ray emitting unit. Among them, the collimator having a hole through which only one having a predetermined radiation angle or less passes, and the gamma ray emitting unit and the collimator are placed between the gamma ray emitting unit and the gamma ray emitted from the gamma ray emitting unit has an energy of a predetermined value or less. It is the structure provided with the low energy gamma ray absorption part which absorbs things.
[0133]
As a result, 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, without using expensive accelerators at the giga level. It is possible to produce an effect that the affected area can be sufficiently treated with an electromagnetic shower.
[0134]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention includes 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.
[0135]
Thereby, in addition to the effect by said structure, there exists an effect that an unnecessary gamma ray can be absorbed.
[0136]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention includes a neutron absorbing unit that absorbs neutrons emitted from the gamma ray emitting unit together with gamma rays around the gamma ray emitting unit.
[0137]
Thereby, in addition to the effect by said structure, there exists an effect that an unnecessary neutron can be absorbed.
[0138]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention further includes a neutron moderating unit that decelerates neutrons emitted together with gamma rays from the gamma ray emitting unit between the gamma ray emitting unit and the neutron absorbing unit. This is a configuration provided.
[0139]
Thereby, in addition to the effect by said structure, there exists an effect that an unnecessary neutron can be decelerated.
[0140]
In addition to the above configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention has a property that the neutron absorber emits gamma rays when it absorbs neutrons, and a neutron absorber around the neutron absorber It is the structure provided with the secondary gamma ray absorption part which absorbs the gamma ray emitted from.
[0141]
Thereby, in addition to the effect by said structure, there exists an effect that an unnecessary gamma ray can be absorbed.
[0142]
In addition to the above-described configuration, the radiotherapy apparatus according to the present invention may be configured such that the collimator is a cylindrical object having a congruent outer shape, and is a cylindrical gamma ray path penetrating about an axis. A plurality of collimator pieces having different diameters are arranged on the same axis without gaps in such an order that the hole diameter increases with increasing distance from the gamma ray emitting portion.
[0143]
Thus, the gamma ray emission angle range can be easily changed by simply changing the combination of the collimator pieces. Therefore, in addition to the effect of the above-described configuration, there is an effect that a necessary gamma ray intensity can be obtained more easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the concept of radiation therapy according to the present invention.
FIG. 2 is a plan view showing the relationship between the incident position of gamma rays and the arrangement of radiation materials.
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 radiation material and the accumulated dose of radiation when the radiation material is irradiated with gamma rays.
FIG. 5 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. 6 is a graph showing the relationship between the radius at the depth with the highest dose and the accumulated dose of radiation dose when the radiation material is irradiated with gamma rays.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the radius and the accumulated dose of radiation dose at the depth with the highest dose when the radiation material is irradiated with gamma rays.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the radius at the depth with the highest dose and the accumulated dose of radiation dose when the radiation material is irradiated with gamma rays.
FIG. 9 is a diagram showing the concept of radiotherapy according to the present invention.
FIG. 10 is a plan view showing the relationship between the incident position of gamma rays and the arrangement of radiation materials.
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 gamma rays.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a gamma ray irradiation unit.
FIG. 14 is a perspective view showing each member constituting the 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 radiotherapy.
FIG. 19 is a diagram showing an example of radiation therapy using gamma rays.
[Explanation of symbols]
11 Water
12 Gamma rays
13 Emissive material (electron positron emission part)
14 Electromagnetic shower
21 patients (subjects to be treated)
22 Tumor
31 High-accuracy position detector (electron positron emission position detector)
32 Irradiation position confirmation device (gamma ray irradiation position detector)
33 High-precision position control device (position control unit)
36 Gamma-ray beam generator (gamma-ray irradiation unit)
37 Collimator (gamma irradiation unit)
38 Controller (Gamma irradiation control unit)
50 Gamma irradiation unit
51, 51a, 51b, 51c Lead (secondary gamma ray absorption part)
52, 52a, 52b, 52c Cadmium sheet (neutron absorber)
53, 53a, 53b Paraffin (neutron moderator)
54 Tungsten (unnecessary gamma ray absorption part)
55 Tungsten (unnecessary gamma ray absorption part)
56 Platinum plate (gamma emission part)
57, 58, 59, 60 Tungsten (collimator)
61 Platinum plate (low energy gamma ray absorber)
62 electron beam
63 Gamma rays
64 Graphite (low energy gamma ray absorber)
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 part that emits an electron positron pair when it hits a gamma ray to generate an electromagnetic shower and irradiates the affected part in the treatment object,
A radiotherapy apparatus comprising: a gamma ray irradiation unit configured to irradiate gamma rays from the outside of a treatment target and hit the electron positron pair emission 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 part position detector for detecting the position of the electron positron pair emission part in the treatment object;
A gamma ray irradiation position detection unit for detecting a position where gamma rays are irradiated in the treatment object;
The position of the electron-positron pair emission part in the treatment object detected by the electron-positron pair emission part position detection part and the position where the gamma ray is irradiated in the treatment object detected by the gamma-ray irradiation position detection part. When the information indicating that there is a shift is input, a position control unit that returns the position of the electron-positron pair emission unit to the position irradiated with gamma rays,
A gamma ray irradiation control unit for controlling 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. The radiotherapy apparatus 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 irradiation unit is
A gamma ray emitting part that emits gamma rays by bremsstrahlung when hit by an electron beam,
A collimator having a hole through which only a gamma ray emitted from the gamma-ray emitting portion passes 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 that have an energy of a predetermined value or less. 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 absorber has the property of emitting gamma rays when it absorbs neutrons,
The radiotherapy apparatus according to claim 5 or 6, further comprising a secondary gamma ray absorbing portion that absorbs gamma rays emitted from the neutron absorbing portion around the neutron absorbing portion.
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
Cylindrical objects with congruent outer shapes, and a plurality of collimator pieces with different hole diameters that become cylindrical gamma ray paths penetrating around the axis, the hole diameters increase as they move away from the gamma ray emitting portion The radiotherapy apparatus according to any one of claims 3 to 7, wherein the radiotherapy apparatuses are arranged in order on the same axis without gaps.
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