JP5399299B2 - ターゲット装置およびこれを備えた中性子捕捉療法装置 - Google Patents

Description

本発明は、陽子等の加速粒子の照射を受けて中性子を発生するターゲット装置およびこれを備えた中性子捕捉療法装置に関する。

がん治療等において、放射線治療は高い評価を受けている。特に、中性子捕捉療法（ＮＣＴ：Neutron Capture Therapy）は、原理的に細胞レベルの選択的な治療の可能性があり、注目されている。ＮＣＴでは、中性子を照射したときに飛程が短く高ＬＥＴ（Linear Energy Transfer）の重荷電粒子などを発生する安定同位元素を、あらかじめ治療すべきがん細胞に取り込ませておく。その後、中性子を照射し、重荷電粒子の飛散によってがん細胞だけを選択的に破壊する。ＮＣＴに用いられる安定同位元素は、中性子と反応して高ＬＥＴの重荷電粒子を発生する^１０Ｂや^６Ｌｉなどであり、中性子はこれらに対して大きな反応断面積を持つ低エネルギー中性子である。現在では、ＮＣＴとして、^１０Ｂ及び熱中性子や熱外中性子が用いられており硼素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron NCT）と呼ばれることもある。

ＮＣＴなどに用いられる中性子を発生させる装置では、タングステン製の基板上にリチウムなどからなるフィルム状のターゲットを形成し、そのターゲットに加速粒子を照射して中性子を発生させている。中性子を発生させる際に、ターゲット及び基板では、非常に大きいエネルギーレベルの加速粒子の照射を受けるため、温度の上昇を抑える必要がある。そのため、この装置では、基板に冷却水の流路となる溝を形成し、その溝内を流動する冷却水によってターゲットの冷却を行っていた。

また、ターゲットに加速粒子を照射して放射性同位元素を発生させる装置として、特開２００６−２８４３３７号公報に記載の放射性同位元素製造装置がある。この放射性同位元素製造装置では、冷媒を流動させる流路がターゲットの背面側に設けられ、この流路内を流動する冷媒によってターゲットの冷却を行っていた。

特開２００６−２８４３３７号公報

しかしながら、上記従来の技術では、ターゲットのうち加速粒子の照射を受ける側の面は加熱により膨張し、ターゲットのうち冷媒に接する側の面は冷却により収縮する。そして、このような温度差による熱歪みが生じることにより、ターゲットには、加速粒子の照射を受ける側への変形が発生していた。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、ターゲットにおける加速粒子の照射方向への変形を抑制することが可能なターゲット装置およびこれを備えた中性子捕捉療法装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のターゲット装置は、加速粒子の照射を受けて中性子を発生する物質からなる板状のターゲットと、ターゲットに対して加速粒子の照射側とは反対側に位置するターゲットの冷却部とを備えたターゲット装置において、ターゲットの照射方向への変形を抑制する固定部を備えることを特徴としている。

また、本発明の中性子捕捉療法装置では、上述のターゲット装置を備えていることを特徴としている。

このような発明では、ターゲットと他の部材とを固定する固定部は、上述した熱によって発生するターゲットの加速粒子の照射側への変位を拘束するので、加速粒子の照射方向におけるターゲットの変形を抑制することが可能となる。

また、本発明のターゲット装置では、ターゲットの面内方向への変形を許容可能な状態で、ターゲットを保持する保持部を更に備えていてもよい。これにより、ターゲットを他の部材に保持する保持部は、上述した熱によって発生するターゲットの変形をターゲットの面内方向に逃がすので、ターゲットに発生する応力を抑制することが可能となる。

また、本発明のターゲット装置は、固定部がターゲットの中央部に配置され、保持部がターゲットの周縁部に配置されていることが好ましい。これにより、加速粒子の照射方向において変形が大きくなるターゲットの中央部分が固定部によって固定される。また、面内方向への変形がターゲットにおいて大きくなる部分である周縁部が保持部によって面内方向への変形が許容された状態で保持される。この結果、ターゲットにおける加速粒子の照射方向への変形と、ターゲットにおいて発生する応力とを抑制する効果を高めることができる。

また、本発明のターゲット装置では、保持部は、ターゲットに形成されたターゲットの径方向に長い孔である挿通孔と、挿通孔に挿通された締結部とを含んで形成されていることが好ましい。これにより、締結部によってターゲットを他の部材に締結した場合であっても、ターゲットは、ターゲットの径方向における挿通孔の長さの範囲において径方向への変形が許容される。この結果、ターゲットに発生する応力の抑制を簡易な構造によって実現することができる。

本発明によれば、加速粒子の照射方向におけるターゲットの変形を抑制することが可能となる。

本実施形態に係るターゲット装置を装着したＢＮＣＴ装置を示す側面図である。 本実施形態に係るターゲット装置を示す断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 ターゲット装置に取り付けられたターゲットの中央部を拡大して示す断面図である。 ターゲット装置に取り付けられたターゲットの上部を拡大して示す断面図である。 図２のターゲットを背面側から見たときの斜視図である。

本発明に係るターゲット装置の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、ＢＮＣＴ装置（中性子捕捉療法装置）１は、中性子捕捉療法（ＮＣＴ：Neutron Capture Therapy）によってがん治療等を行うための装置である。ＢＮＣＴ装置１は、患者が治療を受けるために座る治療台３と、サイクロトロンでつくられる高速の陽子（以下、「陽子線」という）Ｌ（図２参照）を受けて中性子を発生させるターゲット装置５と、ターゲット装置５で発生した中性子Ｎを減速させ、低エネルギーの中性子として患者に照射する中性子減速装置（「モデレータ」ともいう）７と、を備えている。陽子線Ｌは、加速粒子に相当する。

図２に示されるように、ターゲット装置５は、サイクロトロンに繋がるように敷設されたビームダクト９の端部に、着脱自在に取り付けられている。ターゲット装置５は、陽子線Ｌの照射を受けて中性子Ｎを発生するターゲット１０と、ターゲット１０を保持するターゲットホルダー１１とからなる。ターゲットホルダー１１は、ターゲット１０を挟み付けて保持するフランジ付き短管１３と冷却板（冷却部）１５とを有する。

ターゲット１０は、図７に示すように、円板状に形成されている。また、ターゲット１０は、図２及び図６に示すように、固定部５０によって冷却板１５に固定され、保持部６０によって冷却板１５に保持されている。なお、固定部５０と保持部６０とについては、後段にて詳述する。ターゲット１０は、陽子線Ｌの照射を受けると中性子Ｎを発生し、その中性子Ｎは、ターゲット１０の背面Ｓ２、すなわち冷却板１５に接する他方の端面側から放出される。ターゲット１０の背面側中央部には、後述するボルト５１を螺合させるためのねじ穴１０ａが形成されている。また、ターゲット１０の背面Ｓ２には、防蝕のための陽極酸化処理が施されている。

フランジ付き短管１３は、ビームダクト９に固定されている。フランジ付き短管１３を通過した陽子線Ｌは、ターゲット１０の一方の端面Ｓ１に照射される。

冷却板１５は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム合金またはグラファイトによって形成される。冷却板１５には、ターゲット１０に接する一方の端面１５ａ側に冷却水Ｗが通過する複数の螺旋溝１７（図４参照）が形成されている。さらに、冷却板１５には、一方の端面１５ａの裏側、すなわち他方の端面１５ｂ側に、冷却水Ｗ（図６参照）を導入するための導入孔１９と冷却水を排出するための排出孔２１とが形成されている。図５に示すように、冷却板１５の中央部には、後述するボルト５１を挿通するための挿通孔１５ｄが形成されている。また、冷却板１５には、挿通孔１５ｄを囲むように、冷却水Ｗが挿通孔１５ｄに浸入するのを防止する気密シール材１６ａを装着するための環状溝１６ｂが形成されている。環状溝１６ｂには、気密シール材１６ａが配置されている。冷却板１５の周縁部には、後述するボルト４３を螺合させるためのねじ穴１５ｃが形成されている。

螺旋溝１７は、冷却板１５の中央部に形成された円環状の溝１８から外側に向けて螺旋（「平面曲線」、（「渦巻き線」ともいう）を描くように形成されている。螺旋溝１７は、流路断面が略一様である。また、複数の螺旋溝１７は、互いに交差することなく冷却板１５の中央部に形成された円環状の溝１８で一つにまとまり、中央孔２３を介して裏側の導入孔１９に連通している。また、螺旋溝１７の外側の端部は、貫通孔２５を介して裏側の排出孔２１に連通している。冷却水Ｗは、導入孔１９内を通り、中央孔２３を抜けて円環状の溝１８に入り、四本の螺旋溝１７それぞれに分かれる。さらに、冷却水Ｗは、螺旋溝１７の外側の端部から貫通孔２５を通って合流し、裏側の排出孔２１を通って排出される。

隣接する螺旋溝１７は、カーブを描くように並んでいる。複数の螺旋溝１７によって冷却溝２６は形成されている。なお、本実施形態では、冷却溝２６を複数の螺旋溝１７によって形成するが、例えば、何重にも巻く一本の螺旋溝を冷却溝として形成してもよい。また、冷却溝として左右に蛇行する一本の蛇行溝を形成してもよい。また、導入孔１９を排出用の孔とし、排出孔２３を導入用の孔としてもよい。

冷却板１５は、図２及び図３に示すように、ターゲット１０の形状に対応した略円形の本体部２７と、本体部２７を挟むようにして上下の対向位置に設けられた張出し部２８，２９とを有する。本体部２７には、前述の螺旋溝１７、円環状の溝１８、挿通孔１５ｄ、ねじ穴１５ｃが形成されている。張出し部２８，２９のうち、下側の張出し部２８には、導入孔１９に連通する導入孔３１が形成されている。さらに、張出し部２８は、両フランジ管３２を介して、冷却水Ｗの導入のために敷設された上流管３３に接続されている。また、上側の張出し部２９には、排出孔２１に連通する排出孔３５が形成されている。張出し部２９は、両フランジ管３６を介して、冷却水Ｗの排出のために敷設された下流管３７に接続されている。

冷却板１５の背面には、冷却板１５の本体部２７及び両張出し部２８，２９の形状に対応する形状の蓋部３９がボルト留めされている。蓋部３９は、導入孔１９及び排出孔２１を塞ぐように取り付けられており、導入孔１９内に冷却水Ｗの導入路を形成し、排出孔２１内に冷却水Ｗの排出路を形成する。なお、冷却板１５と蓋部３９とを一体成形するようにしてもよい。

以下、ターゲット１０を冷却板１５に固定するための固定部５０及びターゲット１０を冷却板１５に保持するための保持部６０について詳述する。

固定部５０は、図２に示すように、ターゲット１０の中央部に配置されており、冷却板１５とターゲット１０とを固定する部分である。固定部５０は、図５に示すように、挿通孔１５ｄとねじ穴１０ａとボルト５１とを含んで構成されている。挿通孔１５ｄは、冷却板１５の中央部に形成されている。ねじ穴１０ａは、ターゲット１０の背面側中央部に形成されている。ボルト５１は、ターゲット１０に形成された挿通孔１５ｄに挿通され、ねじ穴１０ａに螺合されている。

保持部６０は、図６に示すように、ターゲット１０の周縁部１０ｂに配置されており、ターゲット１０における径方向（面内方向）への変形を許容可能な状態でターゲット１０を保持する部分である。保持部６０は、遊嵌孔（挿通孔）１０ｃと挿通孔４１ａとボルト４３とねじ穴１５ｃとを含んで構成されている。遊嵌孔１０ｃは、ターゲット１０の周縁部１０ｂに、外周に沿って等間隔に複数形成されている。遊嵌孔１０ｃは、ターゲット１０の円周方向にはボルト４３の径と略同一となるように形成されている。また、遊嵌孔１０ｃは、ターゲット１０の径方向にボルト４３の径よりも大きくなるように長穴状に形成されている。挿通孔４１ａは、後述するフランジ付き短管１３のフランジ部４１に形成されている。

フランジ付き短管１３の両端にはフランジ部４１があり、一方のフランジ部４１には、ターゲット１０の遊嵌孔１０ｃに対応して複数の挿通孔４１ａが形成されている。また、冷却板１５には、ターゲット１０の遊嵌孔１０ｃに対応して複数のねじ穴１５ｃが形成されている。フランジ部４１の挿通孔４１ａから挿通されたボルト４３は、ターゲット１０の遊嵌孔１０ｃに挿通され、冷却板１５のねじ穴１５ｃに螺合されている。複数のボルト４３の締め付けにより、フランジ部４１はターゲット１０を冷却板１５側に押圧し、ターゲット１０は、フランジ部４１と冷却板１５との間で、挟み付けられた状態で保持される。

なお、フランジ部４１には、フランジ付き短管１３内を気密するシール材４５を装着するための環状溝４７ａが形成されている。また、冷却板１５には、冷却水Ｗの漏洩を防止するために気密するシール材４９を装着するための環状溝４７ｂが形成されている。

このようなターゲット装置５においては、陽子線Ｌの照射によって、ターゲット１０のうち陽子線Ｌの照射を受ける側の面（端面Ｓ１）は加熱により膨張し、ターゲット１０のうち冷却水Ｗに接する側の面（背面Ｓ２）は冷却により収縮する。さらに、冷却水Ｗの沸騰を防止するために、冷却水Ｗは０．７ＭＰａ程度の圧力が負荷された状態（すなわち、沸点が上昇された状態）で流路内を循環している。そのため、ターゲット１０には、冷却側（背面Ｓ２側）から陽子線Ｌの照射側（端面Ｓ１側）に向けて圧力（水圧）がかかっている。

本実施形態のターゲット装置５では、ターゲット１０の中央部に配置された上述したような構成の固定部５０によってターゲット１０が固定され、上述したような保持部６０によってターゲット１０が保持されている。これにより、上述の熱及び圧力によって発生するターゲット１０の陽子線Ｌの照射側への変位を拘束するのでターゲット１０の陽子線Ｌの照射側への変形を抑制することが可能となる。

また、ターゲット１０は、陽子線Ｌの照射によって高温になるため熱膨張する。特にターゲット１０は板状であるため、面が広がる方向への膨張の方が、ターゲット１０の板厚が厚くなる方向への膨張よりも大きくなる。

本実施形態のターゲット装置５では、ボルト４３が、ターゲット１０に形成されたターゲット１０の径方向に長い遊嵌孔１０ｃ（図７参照）に挿通されている。これにより、ターゲット１０は、ボルト４３の締め付けによって、陽子線Ｌの照射側方向に拘束されてはいるが、ターゲット１０の径方向（面内方向）へは、ボルト４３によって拘束されていない状態となる。この結果、上述した熱及び圧力によって発生するターゲット１０の径方向への変形をターゲット１０の外周方向に逃がすことができるので、ターゲット１０に発生する応力を抑制することが可能となる。

また、本発明のターゲット装置５では、固定部５０がターゲット１０の中央部に配置され、保持部６０がターゲット１０の周縁部１０ｂに配置されている。これにより、陽子線Ｌの照射方向における変位が他の部分と比べて大きくなるターゲット１０の中央部が、固定部５０によって固定される。また、ターゲット１０の径方向への変形がターゲット１０の内側に比べて大きくなる部分である周縁部１０ｂが、ターゲット１０の径方向への変形が許容された状態で保持される。この結果、ターゲット１０における陽子線Ｌの照射方向への変形と、ターゲット１０に発生する応力との両方を抑制する効果を高めることができる。また、陽子線Ｌの照射領域を広く形成することができる。

また、本発明のターゲット装置５では、保持部６０は、ターゲット１０の径方向に長い孔である遊嵌孔１０ｃと挿通孔４１ａとボルト４３とねじ穴１５ｃとを含んで構成されている。そして、挿通孔４１ａから挿通されたボルト４３は、ターゲット１０の遊嵌孔１０ｃに挿通され、ねじ穴１５ｃに螺合されている。これにより、ボルト４３をねじ穴１５ｃに螺合して、ターゲット１０を冷却板１５に締結した場合であっても、ターゲット１０は、ターゲット１０の径方向における遊嵌孔１０ｃの長さの範囲において径方向への変形が許容される。この結果、ターゲット１０に発生する応力の抑制を簡易な構造によって実現することができる。

ターゲット１０は、ベリリウム（Ｂｅ）から形成され、２（ｍＡ）、３０（ＭｅＶ）の陽子線Ｌの照射を受けると６０ｋＷ程度の排熱が必要となり、効率よく排熱できなければ溶けてしまう虞がある。本実施形態に係るターゲット１０は、冷却板１５のすべての螺旋溝１７を実質的に塞ぐように配置され、螺旋溝１７内に冷却水Ｗの流路を形成するようになっているので、ターゲット１０に接するように冷却水Ｗの流路が形成される。その結果として、ターゲット１０を冷却水Ｗによって直接冷却できるようになり、ターゲット１０の排熱効率を向上できる。

また、陽子線Ｌをターゲット１０に照射する際には、予めビームダクト９及びフランジ付き短管１３内の空気は除去され、真空領域Ｖ（図２参照）が形成される。本実施形態では、フランジ付き短管１３と冷却板１５とは、ターゲット１０を挟むようにして配置されているため、フランジ付き短管１３内の真空領域Ｖと冷却板１５に形成された冷却水Ｗの流路とはターゲット１０によって完全に縁切りされている。従って、フランジ付き短管１３内に冷却水Ｗが漏れてしまうことはなく、真空領域Ｖでの真空度の低下を防止できる。

また、中性子減速装置７には、図１に示されるように、ターゲット装置５を受け入れるために開放された円筒状のターゲット収容部７ａが設けられている。中性子減速装置７は、前後方向に移動可能であり、ビームダクト９に固定されたターゲット装置５をターゲット収容部７ａ内に収容する。中性子減速装置７は、ターゲット装置５を冷却板１５側から受け入れる。冷却板１５の螺旋溝１７に冷却水Ｗを導入、排出するための流路は、冷却板１５に形成された導入孔１９及び排出孔２１によって形成されている。従って、冷却板１５の周りには、冷却水Ｗの導入用または排出用の配管は無く、障害物は少ない。中性子減速装置７が移動してターゲット装置５をターゲット収容部７ａ内に受け入れる際には、障害物が無い分、ターゲット１０を中性子減速装置７に近づけることができる。その結果として、ターゲット１０から発生した中性子を中性子減速装置７で減速させて低エネルギーの中性子として患者に照射する際のロスが低減する。

ターゲット１０に照射する陽子線Ｌは３０（ＭｅＶ）程度のエネルギーレベルである。陽子線Ｌは、ターゲット１０内に留まると、水素（Ｈ２）ガスに変換され、ブリスタリングという現象を引き起こす。しかしながら、ターゲット１０の板厚Ｄは、必要な中性子発生量を損なうことなく陽子線Ｌが透過可能な厚さであるため、ターゲット１０内でのブリスタリングの発生は抑えられる。陽子線Ｌが透過可能な厚さは、ターゲット１０の材質、照射される陽子線Ｌのエネルギーレベルによって異なるが、本実施形態での陽子線Ｌは、その飛程距離である５．８（ｍｍ）以下の板厚であれば透過可能である。飛程距離は、±０．３ｍｍ程度のばらつきがあるため、このばらつきを考慮すると、本実施形態での陽子線Ｌの透過可能な厚さは、ばらつき範囲内の下限値以下、すなわち、５．８−０．３＝５．５（ｍｍ）以下となる。一方で、ターゲット１０の板厚Ｄが薄くなればなるほど、中性子発生に伴うエネルギーロスが大きくなる。そこで、本実施形態では、ターゲット１０の板厚Ｄとして５．５ｍｍを採用した。ターゲット１０の板厚Ｄを５．５ｍｍとすることで、３％程度のロスが生じる。これは、例えば、２０分程度の正規の治療時間に対して３％程度のロス、すなわち０．６分程度の僅かな治療時間の延長に相当し、微差であると判断できる。

ターゲット１０を透過した陽子は、主として螺旋溝１７内を通過する冷却水Ｗによって捕捉される。冷却水Ｗに陽子線Ｌが捕捉されても、ブリスタリングという現象は生じない。従って、ターゲット１０を透過した陽子線Ｌが、今度は他の金属部材などにブリスタリングを生じさせるという問題も引き起こし難い。その結果として、ターゲット１０を陽子の透過可能な厚さ以下に抑え易くなり、ターゲット１０内のブリスタリングの発生を低減できる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で以下のような様々な変形が可能である。

上記実施形態のターゲット装置５では、固定部５０がターゲット１０の中央部に配置され、保持部６０がターゲット１０の周縁部１０ｂに配置された例を挙げて説明したがこれに限定されるものではない。例えば、ターゲット１０の中央部から少し離れた箇所に固定部５０を配置し、ターゲットの径方向において固定部５０の配置位置よりも外側であって、周縁部１０ｂより内側に保持部６０を配置してもよい。

また、上記実施形態のターゲット装置５では、ターゲット１０が、１つの固定部５０によって固定され、ターゲット１０の外周に沿って等間隔に配置された複数の保持部６０によって保持されている例を挙げて説明したが、これら各固定部の数、各保持部の数、各固定位置を限定するものではない。例えば、ターゲット１０の中央部近傍に配置された２つの固定部５０によってターゲット１０が固定され、ターゲット１０の径方向において固定部５０の配置位置よりも外側に配置された、８つの保持部によってターゲット１０が保持されていてもよい。

また、上記実施形態のターゲット装置５では、ターゲット１０が円形に形成さあれている例を挙げて説明したがこれに限定されるものではなく、例えば、矩形、楕円等であってもよい。

また、上記実施形態のターゲット装置５では、螺旋溝１７は、冷却板１５の中央部に形成された円環状の溝１８から外側に向けて螺旋を描くように形成されている例を挙げて説明したがこれに限定されるものではない。例えば、何重にも巻く一本の螺旋溝や左右に蛇行する一本の蛇行溝を冷却溝として形成してもよい。この場合、冷却板１５に形成された螺旋溝１７を避けるように、固定部５０及び保持部６０を配置する。

また、上記実施形態のターゲット装置５では、ターゲット１０が、ボルト４３によって保持されている例を挙げて説明したがこれに限定されるものではなく、例えば、クランプ部材等によって保持してもよい。

また、上記実施形態のターゲット装置５では、ＢＮＣＴ装置１に適用される例を挙げて説明したがこれに限定されるものではなく、例えば、ＰＥＴ検査に使用される放射性同位元素製造装置等に適用されるターゲット装置５としても実現が可能である。

１…ＢＮＣＴ装置、５…ターゲット装置、７…中性子減速装置、７ａ…ターゲット収容部、９…ビームダクト、１０…ターゲット、１０ａ…ねじ穴、１０ｂ…周縁部、１０ｃ…遊嵌孔、１１…ターゲットホルダー、１３…フランジ付き短管、１５…冷却板、１５ｃ…ねじ穴、１５ｄ…挿通孔、１７…螺旋溝、２６…冷却溝、３９…蓋部、４１…フランジ部、４１ａ…挿通孔、４３…ボルト、５０…固定部、５１…ボルト、６０…保持部、Ｌ…陽子線、Ｎ…中性子、Ｓ１…端面、Ｓ２…背面、Ｖ…真空領域、Ｗ…冷却水。

Claims (4)

1. 加速粒子の照射を受けて中性子を発生する物質からなる板状のターゲットと、前記ターゲットに対して前記加速粒子の照射側とは反対側に位置する前記ターゲットの冷却部とを備えたターゲット装置において、
   前記ターゲットの前記照射方向への変形を抑制する固定部と、
   前記ターゲットの面内方向への変形を許容可能な状態で、前記ターゲットを保持する保持部と、
   を備えていることを特徴とするターゲット装置。
2. 前記固定部が前記ターゲットの中央部に配置され、前記保持部が前記ターゲットの周縁部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のターゲット装置。
3. 前記保持部は、前記ターゲットに形成された前記ターゲットの径方向に長い孔である挿通孔と、前記挿通孔に挿通された締結部と、を含んで形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のターゲット装置。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載のターゲット装置を備えていることを特徴とする中性子捕捉療法装置。

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