JP5490608B2 - 中性子捕捉療法用中性子発生装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、陽子などの荷電粒子の照射を受けて中性子を発生するターゲットに対して、当該荷電粒子の照射制御を行う照射制御装置及び照射制御方法に関するものである。

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：NeutronCapture 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（LinearEnergy Trasfer）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：BoronNCT）と呼ばれることもある。

特許文献１には、ＮＣＴなどに用いられる中性子を発生させる装置が開示されている。この種の装置では、ターゲットに荷電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、ターゲットでは、非常に高いエネルギーレベルの荷電粒子の照射を受けるので、この入熱により熱応力が発生してしまう。そこで、特許文献１には、ターゲットに近接して、冷却水を用いた冷却機構を配置することが開示されている。

特開２００９−１９３９３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の冷却機構を用いる場合、冷却水を流すための設備を設けたり、冷却水を流す工程を設けたりしなければならなかった。そこで、本願発明者らは、このような冷却機構を用いることなく、ターゲットにおける熱応力の発生を抑制する手法を鋭意検討した。

そこで、本発明は、ターゲットにおける熱応力の発生を抑制することが可能な荷電粒子の照射制御装置及び照射制御方法を提供することを目的とする。

本発明の荷電粒子の照射制御装置は、荷電粒子の照射を受けて中性子を発生する物質からなるターゲットに対して、当該荷電粒子の照射制御を行う照射制御装置において、荷電粒子を偏向させる偏向手段と、偏向手段を制御して、荷電粒子のビームをターゲットの照射面上で周回移動させる制御手段と、を備える。

本発明の荷電粒子の照射制御方法は、荷電粒子の照射を受けて中性子を発生する物質からなるターゲットに対して、荷電粒子の照射制御を行う照射制御方法において、荷電粒子のビームをターゲットの照射面上で周回移動させる。

この荷電粒子の照射制御装置及び照射制御方法によれば、荷電粒子のビームをターゲットの照射面上で周回移動させるので、高いエネルギーレベルの荷電粒子によるターゲットの入熱密度を軽減することができる。したがって、ターゲットの一部分に入熱が集中し、熱応力が発生することを抑制することができる。

上記した制御手段は、偏向手段を制御して、荷電粒子のビーム径を拡大させることが好ましい。これによれば、荷電粒子のビーム径を拡大させるので、荷電粒子によるターゲットの入熱密度をより軽減することができ、ターゲットにおける熱応力の発生をより抑制することができる。

また、上記した制御手段は、荷電粒子のビームをターゲットの照射面上で円形状に周回移動させることが好ましい。これによれば、荷電粒子のビームの周回移動の制御が容易である。

また、上記した制御手段は、荷電粒子のビーム径を、ターゲットの照射面上でターゲットの最小外形幅の１／２に拡大させ、荷電粒子のビームの中心が、ターゲットの中心を中心とし、ターゲットの最小外形幅の１／４を半径とする円形軌道を通るように、荷電粒子のビームをターゲットの照射面上で周回移動させることが好ましい。

これによれば、ターゲットの照射面上での荷電粒子のビームの重なりを低減することができる。したがって、荷電粒子によるターゲットの入熱密度をより軽減することができ、ターゲットにおける熱応力の発生をより抑制することができる。

本発明によれば、荷電粒子の照射を受けて中性子を発生するターゲットにおいて、熱応力の発生を抑制することができる。

本発明の実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置を備える中性子発生装置の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置の構成を示す図である。 ターゲットの照射面に対する荷電粒子の照射制御方法を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置を備える中性子発生装置の構成を示す図であり、図２は、本発明の実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置の構成を示す図である。また、図３は、ターゲットの照射面に対する荷電粒子の照射制御方法を示す図である。

図１に示す中性子発生装置１は、例えば、中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：BoronNeutron Capture Therapy）を用いたがん治療などを行うために用いられる装置である。

中性子発生装置１は、サイクロトロン１０を備え、このサイクロトロン１０は、陽子などの荷電粒子を加速して、陽子線を作り出す。サイクロトロン１０は、例えば、ビーム径４０ｍｍ、６０ｋｗ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）の陽子線を生成する能力を有している。

サイクロトロン１０から取り出された陽子線（以下、荷電粒子という。）Ｐは、例えば、水平型ステアリング１２、４方向スリット１４、水平垂直型ステアリング１６、ＱＭ２００マグネット１８，１９，２０、９０度偏向電磁石２２、ＱＭ２００マグネット２４、水平垂直型ステアリング２６、ＱＭ２００マグネット２８、４方向スリット３０、ＣＴモニタ３２、照射制御装置１００、ビームダクト３４を順次に通過し、中性子発生部３６に導かれる。

水平型ステアリング１２、水平垂直型ステアリング１６，２６は、例えば電磁石を用いて荷電粒子Ｐのビーム軸調整を行うものである。同様に、ＱＭ２００マグネット１８，１９，２０，２４，２８は、例えば電磁石を用いて荷電粒子Ｐのビーム軸調整を行うものである。４方向スリット１４，３０は、端のビームを切ることにより、荷電粒子Ｐのビーム整形を行うものである。９０度偏向電磁石２２は、荷電粒子Ｐの進行方向を９０度偏向するものである。ＣＴモニタ３２は、荷電粒子Ｐのビーム電流値をモニタするためのものである。

中性子発生部３６は、図２に示すように、荷電粒子Ｐが照射面３８ａに照射されて、中性子ｎを出射面３８ｂから発生するターゲット３８を有する。ターゲット３８は、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）からなり、直径１６０ｍｍの円板状を成している。中性子発生部３６で発生させた中性子ｎは、患者に照射されることとなる。

また、９０度偏向電磁石２２には切替部４０が設けられており、切替部４０によって荷電粒子Ｐを正規の軌道から外してビームダンプ４２に導くことが可能になっている。ビームダンプ４２は、治療前などにおいて荷電粒子Ｐの出力確認を行うものである。

次に、図２及び図３を参照して、本実施形態に係る荷電粒子の照射制御装置１００及び照射制御方法について説明する。照射制御装置１００は、ターゲット３８に対して荷電粒子Ｐの照射制御を行う装置であり、Ｘ方向偏向部１１０と、Ｙ方向偏向部１２０と、制御部１３０とを備える。

Ｘ方向偏向部１１０は、例えば電磁石を備え、入射する荷電粒子ＰをＸ方向に偏向させて出射する。同様に、Ｙ方向偏向部１２０は、例えば電磁石を備え、入射する荷電粒子ＰをＹ方向に偏向させて出射する。Ｘ方向偏向部１１０及びＹ方向偏向部１２０は、制御部１３０によって制御される。

制御部１３０は、荷電粒子ＰのビームＢｐの径を拡大させる。本実施形態では、図３に示すように、制御部１３０は、荷電粒子ＰのビームＢｐの直径Ｄｐを、ターゲット３８の照射面３８ａ上で、ターゲット３８の直径（最小外形幅）Ｄｔ＝１６０ｍｍの略１／２の８０ｍｍに拡大させる（すなわち、４０ｍｍから８０ｍｍへ拡大）。

また、制御部１３０は、Ｘ方向偏向部１１０及びＹ方向偏向部１２０を制御して、荷電粒子ＰのビームＢｐをターゲット３８の照射面３８ａ上で円形状に周回移動させる。例えば、図３に示すように、制御部１３０は、荷電粒子ＰのビームＢｐの中心Ｏｐを円形状の周回軌道Ｌに沿って周回させることができる。本実施形態では、この周回軌道Ｌの中心Ｏ_Ｌ、半径Ｒ_Ｌは、それぞれ、ターゲット３８の中心Ｏｔ、ターゲット３８の直径Ｄｔ＝１６０ｍｍの略１／４の４０ｍｍに設定されている。

ここで、ターゲット３８では、６０ｋｗ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）もの高いエネルギーレベルの荷電粒子Ｐの照射を受けるので、この入熱により熱応力が発生する虞がある。特に、ターゲット３８は板状であるため、熱応力により変形する虞がある。

しかしながら、本実施形態の荷電粒子の照射制御装置１００及び照射制御方法によれば、荷電粒子ＰのビームＢｐをターゲット３８の照射面上で周回移動させるので、高いエネルギーレベルの荷電粒子Ｐによるターゲット３８の入熱密度を軽減することができる。したがって、ターゲット３８の一部分に入熱が集中し、熱応力が発生することを抑制することができる。なお、本実施形態では、荷電粒子ＰのビームＢｐの周回移動を円形軌道Ｌにすることにより、周回移動の制御を容易にしている。

また、本実施形態の荷電粒子の照射制御装置１００及び照射制御方法によれば、荷電粒子Ｐのビーム径Ｄｐを拡大させるので、荷電粒子Ｐによるターゲット３８の入熱密度をより軽減することができ、ターゲット３８における熱応力の発生をより抑制することができる。

また、本実施形態の荷電粒子の照射制御装置１００及び照射制御方法によれば、ターゲット３８の照射面３８ａ上での荷電粒子ＰのビームＢｐの径Ｄｐをターゲット３８の直径Ｄｔの略１／２に拡大し、荷電粒子ＰのビームＢｐの中心Ｏｐの周回軌道Ｌを、ターゲット３８の中心Ｏｔを中心Ｏ_Ｌとし、ターゲット３８の直径Ｄｔの略１／４を半径Ｒ_Ｌとする円形軌道とすることにより、ターゲット３８の照射面３８ａ上での荷電粒子ＰのビームＢｐの重なりを低減することができる。したがって、荷電粒子Ｐによるターゲット３８の入熱密度をより軽減することができ、ターゲット３８における熱応力の発生をより抑制することができる。

なお、他の実施形態として、荷電粒子ＰのビームＢｐの中心Ｏｐの周回軌道Ｌの半径Ｒ_Ｌを４０ｍｍから３５ｍｍに変更設定した。これは、ビームダクト３４への入熱を安全サイドで回避する目的で、荷電粒子ＰのビームＢｐの照射範囲Ａをターゲット３８の直径Ｄｔ＝１６０ｍｍより小さいφ＝１５０ｍｍに設定したことによる。これにより、ターゲット３８の中心Ｏｔ付近において荷電粒子ＰのビームＢｐが重なることとなるが、荷電粒子ＰのビームＢｐでは中心Ｏｐからビーム周辺へ向けてエネルギーが低くなるので、ビームＢｐの周辺部分が重なったとしてもターゲット３８の中心Ｏｔ付近に高い熱応力が発生することはない。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、荷電粒子のビームを円形状に拡大したが、円形状以外の様々な形状であってもよい。また、本実施形態では、荷電粒子の周回移動の軌道を円形状としたが、円形軌道以外の様々な周回軌道が適用可能である。

また、ターゲット３８としてはベリリウム（Ｂｅ）に限定されず、タンタル（Ｔａ）などを用いることもできる。この場合にも、本発明の荷電粒子の照射制御装置及び方法は効果を奏する。

１…中性子発生装置、１０…サイクロトロン、１２…水平型ステアリング、１４…方向スリット、１４，３０…４方向スリット、１６，２６…水平垂直型ステアリング、１８，１９，２０，２４，２８…ＱＭ２００マグネット、２２…９０度偏向電磁石、３２…ＣＴモニタ、３４…ビームダクト、３６…中性子発生部、３８…ターゲット、３８ａ…照射面、３８ｂ…出射面、４０…切替部、４２…ビームダンプ、１００…照射制御装置、１１０…Ｘ方向偏向部（偏向手段）、１２０…Ｙ方向偏向部（偏向手段）、１３０…制御部（制御手段）。

Claims (2)

1. 荷電粒子の照射を受けて中性子を発生する物質からなるターゲットに対して、前記荷電粒子を照射して中性子を発生させる中性子捕捉療法用中性子発生装置において、
   前記荷電粒子を偏向させる偏向手段と、
   前記偏向手段を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記荷電粒子のビーム径を、前記ターゲットの照射面上で前記ターゲットの最小外形幅の１／２に拡大させ、
   前記荷電粒子のビームの中心が、前記ターゲットの中心を中心とし、前記ターゲットの最小外形幅の１／４を半径とする円形軌道を通るように、前記荷電粒子のビームを前記ターゲットの照射面上で周回移動させる、
   中性子捕捉療法用中性子発生装置。
2. 荷電粒子の照射を受けて中性子を発生する物質からなるターゲットに対して、前記荷電粒子を照射して中性子を発生させる中性子捕捉療法用中性子発生装置の制御方法において、
   前記荷電粒子のビーム径を、前記ターゲットの照射面上で前記ターゲットの最小外形幅の１／２に拡大させ、
   前記荷電粒子のビームの中心が、前記ターゲットの中心を中心とし、前記ターゲットの最小外形幅の１／４を半径とする円形軌道を通るように、前記荷電粒子のビームを前記ターゲットの照射面上で周回移動させる、
   中性子捕捉療法用中性子発生装置の制御方法。

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