JP5403605B2

JP5403605B2 - 放射線照射装置

Info

Publication number: JP5403605B2
Application number: JP2009153749A
Authority: JP
Inventors: 悦男石塚; 良知稲葉; 克嘉蓼沼
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2009-06-29
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: JP2011007733A

Description

本発明は、放射線照射装置に関し、特に医療用放射線照射装置として有用な中性子照射した放射性同位元素含有溶液を照射用線源として直接利用する放射線照射装置に関する。

放射性同位元素（ラジオアイソトープ、以下「ＲＩ」とも称する）は、工業的用途、医療用途、研究開発などの幅広い分野で使われており、これらのうち、コバルト６０（^６０Ｃｏ）やイリジウム１９２（^１９２Ｉｒ）などの比較的長寿命のＲＩは、固体ターゲット（金属ペレット）を原子炉で照射して製造されている（非特許文献１）。これら原子炉照射によるＲＩ製造は、ターゲット金属ペレット数個毎に個別に行われており、多数のターゲット金属ペレットを１回の原子炉照射で製造することはできなかった。また、原子炉内でターゲット金属ペレットに中性子を照射する際には、できるだけ均一な放射能を有するＲＩを製造するため、中性子束が高い垂直方向の炉心位置の一部しか利用できなかった。

このため、製造したＲＩを使って所望の放射線フラックス分布を実現するためには、複数回に分けて個別に原子炉内で中性子照射した異なる放射能を有するＲＩを１個ずつ密封容器に封入した後、基板上に配列する必要があり、取り扱いが煩雑で、作業時間が長くなり、作業者の被曝量が増えるという問題があった。また、個別に密封容器に封入する作業は、小さなペレット状の個別のＲＩを取り扱うために、管理が煩雑で紛失の危険性があった。

たとえば、頭部がん治療に使われているガンマナイフでは、２０１個のＲＩ（^６０Ｃｏ：たとえば円柱状８ｍｍ径、長さ２７ｍｍ）が半球状ヘルメットに装着されている。２０１個のＲＩの放射能を均等にするためには、Ｃｏ金属ターゲットに対する中性子照射条件を同一としなければならない。従来の原子炉照射による方法で同一の中性子照射条件を実現するためには、炉心位置の限定された一部だけを利用しなければならなかったため、一度の中性子照射で２０１個のＲＩを製造することはできず、数個のＣｏ金属ターゲットを照射容器に封入して、個別または複数回に分けて原子炉内で中性子照射を行っていた。この場合、中性子照射により得られた^６０Ｃｏ［（１．１１ＴＢｑ（３０Ｃｉ）／個）］２０１個を個別に密封容器に封入し、ガンマナイフのヘルメットに１個ずつ配列していた。このため、作業が繁雑な上、作業者の被曝量コントロールが問題であった。

また、非破壊検査用ＲＩなどに広く使われている^１９２Ｉｒの製造手順を下記に示す。
１）たとえば、２ｍｍ径、長さ２ｍｍの円柱状のＩｒ金属及びアルミニウムスペーサを交互に試料ホルダーに封入した後、インナーキャプセルにセットする。
２）インナーキャプセルをアルミバスケットキャプセルに入れて、原子炉内に導入し、中性子照射に供する。このとき、目的の線量を得るために、インナーキャプセルへの中性子照射は１度に１個程度である。
３）アルミバスケットキャプセルを原子炉から取り出し、同キャプセルの機械的ロックを外して、インナーキャプセルを取り出す。
４）ＲＩ製造施設にインナーキャプセルを輸送した後、インナーキャプセルを解体し、Ｉｒ金属の放射能を測定する。
５）特殊な装置を使ってＩｒ金属を個々に密封容器に封入して、品質のチェックを行う。

ＲＩは、ほとんどが点状や棒状の固定線源として利用されている。移動線源の利用としては、ＲＩ線源を高精度のロボットアーム等で移動させながら病巣に集中的に照射し、正常組織への照射を極力減らす医療照射等がある。しかし、面線源として利用できるようなＲＩを単一の操作で製造することはなされていない。

本発明者らは、原子炉内でＭｏ水溶液に中性子照射して^９８Ｍｏを放射化して^９９Ｍｏに変換させた後、^９９Ｍｏを含むＭｏ水溶液を回収する方法を提案した（特許文献１）。しかし、中性子照射した液体を直接、医療用線源として利用する方法及び装置は未だ提案されていない。

また、医療用放射線照射装置としては、ガンマナイフや重粒子・陽子線治療装置などがある。

ガンマナイフは、Ｃｏ金属などを原子炉内で中性子照射して得られる^６０Ｃｏ（１．１１ＴＢｑ（３０Ｃｉ）／個）を多数個、照射線源部に配置してなる。特に頭部照射用ガンマナイフはヘルメット型であり、^６０Ｃｏを１個ずつ、総数で２０１個の^６０Ｃｏをヘルメット内側に取り付けてなり、ヘルメットの中心位置で約２００Ｓｖ／ｈの照射量が得られる。しかし、多量の^６０Ｃｏの放射化量を等しく製造するためには、同じ照射条件で製造することが必要であり、限定された炉心位置での照射が必要であった。また、患部への積算照射量を十分な量（４０〜７０Ｇｙ）とするためには、約２０分と長い患部への照射時間が必要であるが、長時間の放射線照射は患者にとって負担となる。また、照射位置精度を上げるために、患者に麻酔をかけてヘルメットを固定する特殊な治具をボルトで頭部に固定する必要があり、患者に負担となっていた。

重粒子・陽子線治療装置は、炭素等の重粒子線や陽子線のブラックピークを利用して体内深層部の患部にまで大きな線量での照射を可能とする。しかし、患部の形状に合わせてボーラス（ビームの成形を行う治具）を製作する必要があること、ビームを複数に分割して３人程度の照射ができるが、それ以上分割すると強度が下がってしまい、より多くの患者を同時治療できないこと、体表面近傍部には適応しにくい等の問題がある。また、重粒子・陽子線治療装置の建設費は数百億円規模と非常に高価であり、結果的に治療費も高価になっている。

特開２００８−１０２０７８号公報

「アイソトープ製造３５年誌」アイソトープ製造３５年誌編集委員会編、日本原子力研究所東海研究所アイソトープ部発行、平成７年３月３１日新エネルギー・産業技術総合開発機構（委託先財団法人化学物質評価研究機構、委託先独立行政法人製品評価技術基盤機構）、マンガン及びその化合物、有害性評価書Ver.1.0,No.116、化学物質排出把握管理促進法政令号番号：1-311

本発明は、取り扱いが容易で、作業性に優れ、所望の放射線照射速度を実現できる医療用γ線・中性子線照射装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解消すべく鋭意検討した結果、原子炉内で中性子照射したＲＩ溶液を医療用線源として直接利用する装置構成とすることで上記目的を達成しうることを知見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明によれば、原子炉内で中性子照射したＲＩ溶液を放射線源として直接利用する放射線照射装置が提供される。

本発明による放射線照射装置は、
被照射体に放射線を照射する照射線源部と、
原子炉と、
当該原子炉内に設置した中性子照射キャプセルと、
当該照射線源部と当該中性子照射キャプセルとを流体連通状態に連結し、放射性同位元素含有溶液を当該中性子照射キャプセルに導入する導入配管と、
当該照射線源部と当該中性子照射キャプセルとを流体連通状態に連結し、当該中性子照射キャプセルから、中性子照射後の当該放射性同位元素含有溶液を導出する導出配管と、
を具備し、
当該導入配管及び当該導出配管を介して、当該原子炉内で中性子照射された放射性同位元素含有溶液を当該照射線源部まで搬送し、当該放射性同位元素含有溶液を被照射体に放射線照射する照射線源として使用し、その後、当該放射性同位元素含有溶液を当該照射線源部から再び当該中性子キャプセル内に戻して中性子照射することを特徴とする。

前記照射線源部は、シャッター付遮蔽体の間に、前記中性子照射された放射性同位元素含有溶液が流通する配管を配置し、当該シャッター付遮蔽体のシャッター開閉によって被照射体への放射線照射を制御することが好ましい。

また、前記照射線源部は、前記中性子照射された放射性同位元素含有溶液が流通する配管を複数の小径短長の配管とし、各配管の一端部が被照射体に面するように直列に配列してなる構成とすることが好ましい。具体的には、たとえば直径２ｍｍ高さ１０ｃｍの小径短長の配管を複数本直列に配列し、当該配管の端部とシャッターとの位置を合わせる。被照射体への放射線量は、シャッターの開閉によって調節することができる。放射性同位元素含有溶液を流通させる配管が長すぎるとγ線が減衰して被照射体に到達する照射量が少なくなり、一方、配管が短すぎると流通させる溶液量が少なくなりγ線照射量が少なくなる。

さらに、前記中性子照射された放射性同位元素含有溶液が流通する配管と、前記シャッター付遮蔽体のシャッターとの間に、ベリリウムからなるコリメータ窓部を具備し、前記中性子照射された放射性同位元素含有溶液から放射されるγ線を中性子線に変換する構成でもよい。

本発明の放射線照射装置において使用する前記放射性同位元素含有溶液は、Ｍｎ、Ｎａ、Ａｌ、Ｋ、Ｍｏから選択される短半減期放射性同位元素を含むことが好ましい。たとえば、ＭｎＣｌ_２水溶液、ＮａＣｌ水溶液、Ｋ_２ＭｏＯ_４水溶液を好ましく利用することができる。これらの短半減期放射性同位元素を利用するため、原子炉内での中性子照射を短時間で行うことができると共に、短時間で減衰するので取り扱いが容易となる。

本発明の放射線照射装置において、照射線源量は、配管の配列及びシャッターの開閉の他に、放射性同位元素含有溶液中の放射性同位元素の濃度を調節することによっても制御可能である。照射時間を短くするためには、放射性同位元素の濃度は可能な限り高いことが好ましいが、沈殿などによる配管の目詰まりを回避するために、８０〜９０ｗｔ％程度の濃度であることがより好ましい。

本発明の放射線照射装置において使用する配管は、耐腐食性の高いステンレス鋼、チタン等の金属及びこれらを主成分とする合金などから製造されていることが好ましい。また、放射性溶液の漏洩を防止するために二重構造の配管を用いることがより好ましい。

また、原子炉１基に対して複数の照射線源部を連結する構成とすることもできる。この場合、多数の被照射体に同時に放射線照射を行うことができる。

さらに、原子炉内の中性子照射キャプセルに撹拌装置を設けてもよい。撹拌装置としては、中性子照射キャプセルの流路内に乱流を付与する邪魔板を設けることが好ましい。この場合、中性子照射キャプセル内で放射性同位元素溶液は撹拌しながら中性子照射されるので、均質な放射性同位元素含有溶液を得ることができる。

本発明の放射線照射装置によれば、原子炉内で中性子照射した放射性同位元素含有溶液を直接照射用線源として利用するので、従来の放射性同位元素を利用する場合のように原子炉外部に取り出す必要がないため、作業者が被曝する危険性を最小限にとどめることができ、取り扱いが容易である。また、放射性同位元素の生産と照射利用をほぼ同時に実現することができる。さらに、放射性同位元素含有溶液中の放射性同位元素の濃度を調節することによって、照射速度を容易に調節することができる。

照射線源部は、放射性同位元素含有溶液を流通させる配管と、当該配管と被照射体との間に設けられたシャッターと、の簡易な構造であるため、メンテナンスが容易である。また、このような構成の照射線源部であるから、配管の配置及びシャッターの開閉作業によって、所望の放射線フラックス分布形状を容易に実現可能で且つ容易に調節可能である。

放射性同位元素として短半減期元素を利用するため、短時間の中性子照射によって多量の短寿命放射性同位元素含有溶液を調製することができ、強力な照射用線源が利用できる。さらに、本装置で利用する放射性同位元素は短寿命であるために数日間で減衰するので、装置のメンテナンスが容易である。

原子炉１基に対して複数の照射線源部を連結する構成とすることによって、同時に多数の被照射体への放射線照射を行うことができる。従来の重粒子線照射を利用する重粒子加速医療照射装置等の場合には３被照射体への同時照射が限度であったが、本発明の装置によれば従来の重粒子加速医療照射装置等に用いられている加速器より格段に大きな照射体積を確保できる原子炉の特長を生かして１０〜２０被照射体への同時照射が可能となる。

また、従来の重粒子線照射の場合には、照射が望ましくない体表面部分の線量を低く抑制することができなかったが、本発明の装置では、体内の任意の場所に存在する患部のみに照射し、正常組織部の線量を低減することができる（図３参照）。

また、コリメータの窓部にベリリウム又はベリリウムを含む合金を取り付けることによって、（γ、ｎ）反応によってγ線から中性子線への放射線種の変更もできる。中性子線に放射線種を変更することで、ホウ素中性子捕捉量法への適用が可能となる。すなわち、ホウ素を含む腫瘍マーカーを用いることで、腫瘍部分にデリバリされたホウ素に中性子線を照射することができ、α線により癌細胞のみ死滅させることができる。

本発明は、種々用途に用いることができるが、特に医療用ガンマ線・中性子線照射装置などの医療用用途などに有用である。

図１は、本発明の放射線照射装置の概略構成を示す構成図である。図２は、本発明の放射線照射装置の線源部の構造を示す構成図である。図３は、各放射線種の身体表面からの深度と相対線量との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

本発明の放射線照射装置を医療用治療装置に応用した例の装置構成を図１に示す。本実施形態の医療用放射線照射装置１は、原子炉１０と、原子炉１０内に設けられている中性子照射キャプセル２０と、被照射体（本実施形態においては患者）１０８に放射線を照射する照射線源部３０と、を具備する。当該照射線源部３０と当該中性子照射キャプセル２０との間には、両者を流体連通状態に連結し、放射性同位元素含有溶液を当該中性子照射キャプセル２０に導入する導入配管４０、及び当該中性子照射キャプセル２０から中性子照射後の当該放射性同位元素含有溶液を導出する導出配管５０が設けられている。照射線源部３０は、シャッター開口部１０７ａを具備するシャッター付遮蔽体１０７、及び当該シャッター付遮蔽体１０７の間に配置されている配管１０６を具備する。当該配管１０６には、導入配管４０及び導出配管５０が連結されている。照射線源部３０は、γカメラやＭＲＩ、Ｘ線ＣＴ等の病理部位の位置確認用手段１０５をさらに具備する。

図１上段は集中型照射装置の例であり、図１下段は均一型照射装置の例である。図１上段に示す集中型照射装置の例は、患者１０８を乗せる載置台１１０と、載置台１１０をＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に移動させる移動台１１１と、載置台１１０の所定位置において載置台１１０の下側及び上側を覆うように配置され、患者が通過できるように貫通穴が設けられた放射線照射ユニットである。照射線源部３０は、患者１０８の照射患部に集中して照射できるように構成されている。図１下段に示す均一型照射装置の例は、照射線源部３０が載置台１１０内に埋め込まれ、患者１０８の下方向から全身に照射できるように構成されている。

本実施形態において、原子炉１０は、熱中性子束２×１０^１８ｎ／ｍ^２・ｓ、高速中性子束１×１０^１８ｎ／ｍ^２・ｓで照射できる原子炉（ＪＭＴＲ）であり、Ｊ−１２の照射位置を使用する。１ｇのＭｎを含有する放射性同位元素含有溶液（ＭｎＣｌ_２飽和水溶液）を中性子照射キャプセル２０に導入して、^５６Ｍｎの半減期（２．５７９時間）より十分長い１日間照射した後、中性子照射キャプセル２０から導出配管５０を介して照射線源部３０に送る。本実施形態では、中性子照射キャプセル２０から照射線源部３０までの搬送時間を６分に設定した。この条件で、２８．１ＴＢｑ／ｇ（７５９Ｃｉ／ｇ）の^５６Ｍｎを含む放射性同位元素含有溶液（ＭｎＣｌ_２飽和水溶液；ＭｎＣｌ_２７７３ｇ／水１ｋｇ）が調製できる。照射線源部３０から０．６ｍ離れた被照射体（患者）１０８へのこの放射性同位元素含有溶液の線量当量率は１８Ｓｖ／ｈ（ＲＡＳＣコードによる計算）となる。本実施形態では、図２（ａ）に示すように、照射線源部３０に、直径２ｍｍ、高さ１０ｃｍの小径短長の配管１０６を直列に配置し、照射線源部３０全体での照射面積を３．０１４４ｍ^２とし、約１００ｍｇＭｎに相当する量のＭｎＣｌ_２水溶液を流したので、３０１４４×０．１＝３０１４ｇのＭｎに相当する量の放射性同位元素からの線量当量１８Ｓｖ／ｈ×３０１４となる。この値は、従来のガンマナイフ装置と比較して２８９倍である。また、従来のガンマナイフ装置では照射時間が２０分であったところ、本発明の装置では約４秒という非常に短時間で照射が完了した。照射後の放射性同位元素含有溶液は、導入配管４０を介して再び中性子照射キャプセル２０内に戻され、原子炉１０内で中性子照射に供される。

また、図２（ｂ）に示すように、小径短長の配管１０６の一端部が面するシャッター開口１０７ａと配管１０６との間に、１０ｃｍ〜１５ｃｍ程度の厚みを有するベリリウム窓を設けて、γ線を中性子線に変換して照射することもできる。ベリリウム窓が薄すぎると中性子発生量が小さくなり、逆に厚すぎると被照射体を収容するスペースがなくなってしまう。

本発明の放射線照射装置は、従来のガンマナイフと異なり、原子炉内で中性子照射した放射性同位元素をそのまま直接照射線源として利用できるので、取り扱いが容易で、作業者の被曝の危険性が少ない。また、従来のガンマナイフよりＲＩ線源の数が桁違いに多く、短時間の照射時間で十分な放射線量を照射することができ、レントゲン撮影の所要時間と同程度であるので患者への負担も少ない。また、患部だけへの照射量を調節することができるので、従来の治療方法では非患部への被曝を考慮して使用できなかった照射量でも照射することができるので、従来法では死滅しなかった癌も死滅させることができる。さらに、従来のガンマナイフでは半球面状の照射であるのに対して、本発明の放射線照射装置では、全球面状に近い状態で照射できることから、体表面近くの正常組織への被曝線量を抑え、がん等の腫瘍に高い線量を与えることができる。また、従来のガンマナイフでは頭部に限定されていたが、人体のどの位置でも照射が可能となる。

Claims

被照射体に放射線を照射する照射線源部と、
原子炉と、
当該原子炉内に設置した中性子照射キャプセルと、
当該照射線源部と当該中性子照射キャプセルとを流体連通状態に連結し、放射性同位元素含有溶液を当該中性子照射キャプセルに導入する導入配管と、
当該照射線源部と当該中性子照射キャプセルとを流体連通状態に連結し、当該中性子照射キャプセルから、中性子照射後の当該放射性同位元素含有溶液を導出する導出配管と、
を具備し、
当該導入配管及び当該導出配管を介して、当該原子炉内で中性子照射された放射性同位元素含有溶液を当該照射線源部まで搬送し、当該放射性同位元素含有溶液を被照射体に放射線照射する照射線源として使用し、その後、当該放射性同位元素含有溶液を当該照射線源部から再び当該中性子キャプセル内に戻して中性子照射することを特徴とする、放射線照射装置。
前記照射線源部は、シャッター付遮蔽体の間に、前記中性子照射された放射性同位元素含有溶液が流通する配管を配置し、当該シャッター付遮蔽体のシャッター開閉によって被照射体への放射線照射を制御することを特徴とする、請求項１に記載の放射線照射装置。
前記照射線源部は、前記中性子照射された放射性同位元素含有溶液が流通する配管を複数の小径短長の配管とし、各配管の一端部が被照射体に面するように直列に配列してなることを特徴とする、請求項２に記載の放射線照射装置。
前記中性子照射された放射性同位元素含有溶液が流通する配管と、前記シャッター付遮蔽体のシャッターとの間に、ベリリウムからなるコリメータ窓部をさらに具備し、前記中性子照射された放射性同位元素含有溶液から放射されるγ線を中性子線に変換することを特徴とする、請求項２又は３に記載の放射線照射装置。
前記放射性同位元素含有溶液は、Ｍｎ、Ｎａ、Ａｌ、Ｋ、Ｍｏから選択される短半減期放射性同位元素を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の放射線照射装置。