JP6997529B2

JP6997529B2 - 中性子捕捉療法装置

Info

Publication number: JP6997529B2
Application number: JP2017070932A
Authority: JP
Inventors: 暁矢島
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2017-03-31
Publication date: 2022-02-04
Anticipated expiration: 2037-03-31
Also published as: JP2018171241A

Description

本発明は、中性子捕捉療法装置に関する。

中性子線を用いて治療を行う中性子捕捉療法装置として特許文献１に記載の技術がある。特許文献１に係る中性子捕捉療法装置は、荷電粒子線が照射されることで中性子線を発生させるターゲットを備えている。また、当該ターゲットを冷却するために、冷却水を用いてターゲットを冷却する冷却部が設けられている。冷却部は、ターゲットの裏面側に冷却水の流路を形成する部材である。

特開２００９－１９３９３４号公報

しかしながら、上述の中性子捕捉療法装置では、ターゲットは、裏面側において冷却流体からの圧力を受けるため、ターゲットの寿命を延ばすためには、当該圧力に耐えるための構造が必要となる。ここで、ターゲットの厚みを厚くすることで圧力に耐えようとする場合、荷電粒子線（陽子線）の水素がターゲット内に溜まり易くなることで、水素の影響によりターゲットがダメージを受けるブリスタリングが発生し易くなる。

従って、本発明は、ターゲットの寿命を延ばすことができる中性子捕捉療法装置を提供することを目的とする。

本発明に係る中性子捕捉療法装置は、荷電粒子線が照射されることで中性子線を発生させるターゲットと、ターゲットの裏面側に冷却流体を接触させる第１の流路を有し、ターゲットを冷却する第１の冷却部と、ターゲットの表面側に冷却流体を接触させる第２の流路を有し、ターゲットを冷却する第２の冷却部と、を備える。

この中性子捕捉療法装置は、ターゲットを冷却流体によって裏面側から冷却する第１の冷却部と、ターゲットを表面側から冷却する第２の冷却部と、を備えている。従って、ターゲットは、裏面側からは第１の冷却部の冷却流体からの圧力を受け、表面側からは第２の冷却部の冷却流体からの圧力を受ける。このような構成によれば、ターゲットは両側の面から圧力を受けるため、表面側の圧力と裏面側の圧力との圧力差を緩和・低減することができる。これにより、当該ターゲットに作用する応力を低減することができる。従って、圧力に耐えるためにターゲットの厚みを厚くする必要性を低減することができるため、ブリスタリングの発生も抑制することができる。以上により、ターゲットの寿命を延ばすことができる。

中性子捕捉療法装置において、第１の冷却部の第１の流路と、第２の冷却部の第２の流路とは、ターゲットを基準として面対称、または回転対称をなしていてよい。このような構成によれば、ターゲットの裏面側の第１の流路の形状と、表面側の第２の流路の形状を略同等とすることができるため、ターゲットが裏面側から受ける圧力と表面側から受ける圧力とを略同等とすることができる。これによって、ターゲットに作用する応力を低減することができる。

本発明によれば、ターゲットの寿命を延ばすことができる中性子捕捉療法装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る中性子捕捉療法装置を示す概略図である。図１に示すターゲット周辺の構成を示す側面図である。図２に示すＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿った断面図である。図３に示すＩＶ－ＩＶ線に沿った断面図である。図２に示すＶ－Ｖ線に沿った断面図である。変形例に係る第２の冷却部を示す断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示される中性子捕捉療法装置１は、ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ：Boron Neutron Capture Therapy）を用いたがん治療を行う装置である。中性子捕捉療法装置１では、例えばホウ素（^１０Ｂ）が投与された患者（被照射体）５０の腫瘍に中性子線Ｎを照射する。

中性子捕捉療法装置１は、加速器２を備えている。加速器２は、陰イオン等の荷電粒子を加速して、荷電粒子線Ｒを出射する。加速器２は、例えばサイクロトロンによって構成される。本実施形態において、荷電粒子線Ｒは陰イオンから電荷を剥ぎ取って生成した陽子ビームである。この加速器２は、例えば、ビーム半径４０ｍｍ、６０ｋＷ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）の荷電粒子線Ｒを生成する。なお、加速器は、サイクロトロンに限られず、シンクロトロンやシンクロサイクロトロン、ライナック、静電加速器などであってもよい。

加速器２から出射された荷電粒子線Ｒは、中性子線生成部Ｍへ送られる。中性子線生成部Ｍは、ビームダクト９とターゲット１０とからなる。加速器２から出射された荷電粒子線Ｒは、ビームダクト９を通り、ビームダクト９の端部に配置されたターゲット１０へ向かって進行する。このビームダクト９に沿って複数の四極電磁石４、電流モニタ５、及び走査電磁石６が設けられている。複数の四極電磁石４は、例えば電磁石を用いて荷電粒子線Ｒのビーム軸調整を行うものである。

電流モニタ５は、ターゲット１０に照射される荷電粒子線Ｒの電流値（つまり、電荷，照射線量率）をリアルタイムで検出するものである。電流モニタ５は、荷電粒子線Ｒに影響を与えずに電流測定可能な非破壊型のＤＣＣＴ（DC Current Transformer）が用いられている。電流モニタ５は、検出結果を後述する制御部（不図示）に出力する。なお、「線量率」とは、単位時間当たりの線量を意味する。

具体的には、電流モニタ５は、ターゲット１０に照射される荷電粒子線Ｒの電流値を精度よく検出するため、四極電磁石４による影響を排除すべく、四極電磁石４より下流側（荷電粒子線Ｒの下流側）で走査電磁石６の直前に設けられている。すなわち、走査電磁石６はターゲット１０に対して常時同じところに荷電粒子線Ｒが照射されないように走査するため、電流モニタ５を走査電磁石６よりも下流側に配設するには大型の電流モニタ５が必要となる。これに対し、電流モニタ５を走査電磁石６よりも上流側に設けることで、電流モニタ５を小型化することができる。

走査電磁石６は、荷電粒子線Ｒを走査し、ターゲット１０に対する荷電粒子線Ｒの照射制御を行うものである。この走査電磁石６は、荷電粒子線Ｒのターゲット１０に対する照射位置を制御する。

中性子捕捉療法装置１は、荷電粒子線Ｒをターゲット１０に照射することにより中性子線Ｎを発生させ、患者５０に向かって中性子線Ｎを出射する。中性子捕捉療法装置１は、ターゲット１０、遮蔽体３９、減速材８、コリメータ２０、ガンマ線検出部４１を備えている。

ターゲット１０は、荷電粒子線Ｒの照射を受けて中性子線Ｎを生成するものである。ここでのターゲット１０は、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）やリチウム（Ｌｉ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）により形成され、例えば直径１６０ｍｍの円板状を成している。なお、ターゲット１０は、円板状に限らず、他の形状であってもよい。本実施形態では、ターゲット１０は、ターゲットホルダー１１によって保持される。ターゲットホルダー１１は、第１の冷却部１５Ａと第２の冷却部１５Ｂとを備えている。冷却部１５Ａ，１５Ｂの詳細な構成については後述する。

減速材８は、ターゲット１０で生成された中性子線Ｎを減速させる（中性子線Ｎのエネルギーを低下させる）ものである。減速材８は、中性子線Ｎに含まれる速中性子を主に減速させる層と、中性子線Ｎに含まれる熱外中性子を主に減速させる層と、からなる積層構造を有している。

遮蔽体３９は、発生させた中性子線Ｎ、及び当該中性子線Ｎの発生に伴って生じたガンマ線等を外部へ放出されないよう遮蔽するものである。遮蔽体３９は、減速材８を囲むように設けられている。遮蔽体３９の上部及び下部は、減速材８より荷電粒子線Ｒの上流側に延在している。

コリメータ２０は、中性子線Ｎの照射野を整形するものであり、中性子線Ｎが通過する開口２０ａを有する。コリメータ２０は、例えば中央に開口２０ａを有するブロック状の部材である。

次に、本実施形態に係る中性子捕捉療法装置１のターゲット装置６０の構成について、図２～図４を参照して説明する。ターゲット装置６０は、加速器２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６０は、荷電粒子線Ｒの照射を受けて中性子線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。本実施形態において、ターゲット１０は、円板状に成形されており、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第１の冷却部１５Ａと、第２の冷却部１５Ｂとを有する。

第１の冷却部１５Ａは、ターゲット１０の裏面１０ａ側に冷却流体を接触させる第１の流路２６Ａを有することで（図４参照）、ターゲット１０を裏面１０ａ側から冷却する部材である。第２の冷却部１５Ｂは、ターゲット１０の表面１０ｂ側に冷却流体を接触させる第２の流路２６Ｂを有することで（図４参照）、ターゲット１０を表面１０ｂから冷却する部材である。第１の冷却部１５Ａ及び第２の冷却部１５Ｂはビームダクト９に固定されている。なお、冷却流体は、ターゲットの冷却に用いることができる流体であれば特に限定されないが、例えば、冷却水、窒素（液体、ガス）や二酸化炭素（ガス）などを適用してよい。

荷電粒子線Ｒは、第２の冷却部１５Ｂを介してターゲット１０の一方の表面１０ｂに照射される。ターゲット１０は、荷電粒子線Ｒの照射を受けると中性子線Ｎを発生し、その中性子線Ｎは、ターゲット１０の裏面１０ａから第１の冷却部１５Ａを介して放出される。なお、ターゲット１０の表面１０ｂ及び裏面１０ａには、防錆、防蝕のための陽極酸化処理が施されてよい。

図３を参照して、第１の冷却部１５Ａについて説明する。第１の冷却部１５Ａの材質の一例としては、銅（Ｃｕ）またはグラファイトなどが挙げられる。第１の冷却部１５Ａには、ターゲット１０に接する一方の端面側に冷却流体Ｗが通過する複数の螺旋溝１７（図４も参照）が形成されている。さらに、第１の冷却部１５Ａの裏側には、冷却流体Ｗを導入するための導入孔１９と冷却流体Ｗを排出するための排出孔２１とが形成されている。導入孔１９は、冷却流体Ｗを導入するために敷設された導入管２２（図２参照）に接続され、排出孔２１は、冷却流体Ｗを排出するために敷設された排出管２４（図２参照）に接続されている。

導入管２２（図２参照）は、第１の冷却部１５Ａのうち、第１の流路２６Ａが設けられる本体部３１の周縁部の一部から突出したフランジ部３２に連結される。フランジ部３２には導入孔１９と連通した貫通孔３３が形成される。導入管２２は、貫通孔３３を介して導入孔１９と連通する。導入孔１９は、フランジ部３２から本体部３１の中央側へ向かって延び、当該本体部３１の中央に形成された中央孔２３と連通している。排出管２４（図２参照）は、第１の冷却部１５Ａのうち、本体部３１の周縁部のフランジ部３２と異なる位置から突出したフランジ部３４に連結される。フランジ部３４には排出孔２１と連通した貫通孔３６が形成される。排出管２４は、貫通孔３６を介して排出孔２１と連通する。排出孔２１は、フランジ部３４から本体部３１へ向かって延び、且つ、当該本体部３１の裏側で広がることにより、本体部３１の複数箇所に形成された貫通孔２５と連通している。なお、導入孔１９及び排出孔２１は、第１の冷却部１５Ａの裏側に設けられた板部材３０（図２参照）によって封止されている。

螺旋溝１７は、冷却板１５の中央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。複数の螺旋溝１７は、互いに交差することなく冷却板１５の略中央で一つにまとまり、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。冷却流体Ｗは、導入孔１９内を通り、中央孔２３を抜けて四本の螺旋溝１７それぞれに分かれる。さらに、冷却流体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。

隣接する一対の螺旋溝１７は、カーブを描くように並んでいる。複数の螺旋溝１７によって第１の流路２６Ａが形成される。第１の冷却部１５Ａがターゲット１０の裏面１０ａと接触した状態では、各螺旋溝１７は、裏面１０ａと接触する隔壁部２８によって区画される（図４参照）。なお、本実施形態では、第１の流路２６Ａ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第１の流路２６Ａとして形成してもよい。また、第１の流路２６Ａとして左右に蛇行する一本の蛇行溝を形成してもよい。

以上より、ターゲット１０は、第１の冷却部１５Ａのすべての螺旋溝１７を塞ぐように配置され、螺旋溝１７内に冷却流体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の裏面１０ａに接するように冷却流体Ｗの流路が形成される。その結果として、ターゲット１０の裏面１０ａを冷却流体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。

図５に示すように、第２の冷却部１５Ｂは、第１の冷却部１５Ａと同趣旨の構成を有している。すなわち、第２の冷却部１５Ｂは、第１の冷却部１５Ａと同趣旨の螺旋溝１７と、導入孔１９と、排出孔２１と、を有している。ここで、第１の冷却部１５Ａの第１の流路２６Ａと、第２の冷却部１５Ｂの第２の流路２６Ｂとは、ターゲット１０を基準として面対称をなしている。なお、「ターゲット１０を基準として面対称」とは、ターゲット１０の厚み方向における中央位置に基準面ＳＰ（図２参照）を設定した場合に、当該基準面ＳＰを基準として面対称をなすことである。従って、図３と軸方向において逆向きの方向を見た断面を示す図５において、第２の流路２６Ｂは、螺旋溝１７が第１の流路２６Ａのものとは逆向きの螺旋を描くように形成されている。

以上より、ターゲット１０は、第２の冷却部１５Ｂのすべての螺旋溝１７を塞ぐように配置され、螺旋溝１７内に冷却流体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の表面１０ｂに接するように冷却流体Ｗの流路が形成される。その結果として、ターゲット１０の表面１０ｂを冷却流体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。

ただし、図６に示すように、第１の冷却部１５Ａの第１の流路２６Ａと、第２の冷却部１５Ｂの第２の流路２６Ｂとは、ターゲット１０を基準として回転対称をなしてもよい。なお、「ターゲット１０を基準として回転対称」とは、ターゲット１０の厚み方向における中央位置にターゲット１０の中心を通過するように上下方向に延びる基準線ＳＬ（図２参照）を設定した場合に、当該基準線ＳＬを基準として回転対称をなすことである。従って、図３と軸方向において逆向きの方向を見た断面を示す図６において、第２の流路２６Ｂは、螺旋溝１７が第１の流路２６Ａのものと同じ向きの螺旋を描くように形成されている。

次に、本実施形態に係る中性子捕捉療法装置１の作用・効果について説明する。

本実施形態に係る中性子捕捉療法装置１は、ターゲット１０を冷却流体によって裏面１０ａ側から冷却する第１の冷却部１５Ａと、ターゲット１０を表面１０ｂ側から冷却する第２の冷却部１５Ｂと、を備えている。従って、ターゲット１０は、裏面１０ａ側からは第１の冷却部１５Ａの冷却流体からの圧力を受け、表面１０ｂ側からは第２の冷却部１５Ｂの冷却流体からの圧力を受ける。このような構成によれば、ターゲット１０は両側の面から圧力を受けるため、表面１０ｂ側の圧力と裏面１０ａ側の圧力との圧力差を緩和・低減することができる。これにより、当該ターゲット１０に作用する応力を低減することができる。従って、圧力に耐えるためにターゲット１０の厚みを厚くする必要性を低減することができるため、ブリスタリングの発生も抑制することができる。以上により、ターゲットの寿命を延ばすことができる。

また、第１の冷却部１５Ａ及び第２の冷却部１５Ｂによって、ターゲット１０を両面から冷却することができるので、ターゲット１０が高い熱負荷を受ける場合であっても、安定した運転を行うことができる。

中性子捕捉療法装置１において、第１の冷却部１５Ａの第１の流路２６Ａと、第２の冷却部１５Ｂの第２の流路２６Ｂとは、ターゲット１０を基準として面対称、または回転対称をなしている。このような構成によれば、ターゲット１０の裏面１０ａ側の第１の流路２６Ａの形状と、表面１０ｂ側の第２の流路２６Ｂの形状を略同等とすることができるため、ターゲット１０が裏面１０ａ側から受ける圧力と表面１０ｂ側から受ける圧力とを略同等とすることができる。これによって、ターゲット１０に作用する応力を低減することができる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。

例えば、図３、図５及び図６に示す各冷却部の流路の構成は一例に過ぎず、冷却流体によってターゲット１０を冷却可能性であれば、あらゆる流路の構成を採用してもよい。例えば、冷却部の流路は線状（細い流路が複数設けられる構造）に限らず、面状（１つの太い流路が設けられた構造）であってもよい。また、上述の実施形態では、第１の冷却部１５Ａの第１の流路２６Ａと、第２の冷却部１５Ｂの第２の流路２６Ｂとは、ターゲット１０を基準として面対称、または回転対称をなしていたが、このように面対称、または回転対称でなくともよい。

また、上述の実施形態では、ターゲットは平らな板状の構造を有していたが、表面と裏面さえ有していれば形状は特に限定されず、湾曲した形状や屈曲した形状などであってもよい。

また、中性子捕捉療法装置全体の構成も、ターゲット及び冷却部以外の部分については適宜変更可能である。

１…中性子捕捉療法装置、１０…ターゲット、１５Ａ…第１の冷却部、１５Ｂ…第２の冷却部、２６Ａ…第１の流路、２６Ｂ…第２の流路。

Claims

荷電粒子線が照射されることで中性子線を発生させるターゲットと、
前記ターゲットの裏面側に冷却流体を接触させる第１の流路を有し、前記ターゲットを冷却する第１の冷却部と、
前記ターゲットの表面側に冷却流体を接触させる第２の流路を有し、前記ターゲットを冷却する第２の冷却部と、を備え、
前記第１の流路は、前記第１の冷却部における前記ターゲットの前記裏面と接する端面に形成された溝によって形成され、
前記第２の流路は、前記第２の冷却部における前記ターゲットの前記表面と接する端面に形成された溝によって形成される、中性子捕捉療法装置。
前記第１の冷却部の前記第１の流路と、前記第２の冷却部の前記第２の流路とは、前記ターゲットを基準として面対称、または回転対称をなしている、請求項１に記載の中性子捕捉療法装置。