JP7210491B2 - 粒子線計測装置及び中性子線照射装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、粒子線のビームプロファイルを計測する技術及び粒子線により中性子を発生させる技術に関する。

放射線治療の一つに中性子線を用いるホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ；Boron Neutron Capture Therapy）がある。このＢＮＣＴは、癌腫瘍等と親和性を持つ薬剤が化学修飾されたホウ素を集積させた腫瘍に、中性子線を照射する治療法である。

ホウ素の同位体のうち特にホウ素１０は、¹⁰Ｂ（ｎ，α）⁷Ｌｉ反応の吸収断面積が大きい。腫瘍に集積したホウ素は、中性子線が照射されると、核反応してアルファ線を発生する。このアルファ線は、１０ミクロン程度しか飛翔しないため、正常細胞を傷つけることなく腫瘍細胞のみを選択的に死滅させることができる。

ＢＮＣＴにおいては、ホウ素の集積する腫瘍に、中性子を集中的に照射する必要がある。さらに、体表面からある程度深い位置にある腫瘍に照射する場合があり、正常細胞に対する影響を抑制する必要がある。このために、１×１０⁹ｎ／ｃｍ²／ｓｅｃ以上の中性子束を持ち０．５ｅＶ～１０ｋｅＶの間にエネルギー最頻値を持つ熱外中性子であることが、仕様として求められる。

このような仕様の熱外中性子を発生させる線源として原子炉や加速器が知られている。ここで原子炉は、煩雑な取扱いや規制法の制約が多いという理由で、医療装置の中性子線源としての適正さを欠くと判断される。現在、開発がすすめられているＢＮＣＴ用途の中性子線源は、陽子線（荷電粒子線）を加速する加速器と、この荷電粒子線の照射で核反応し熱外中性子を発生させるターゲットと、を構成に持つ。

この荷電粒子線のエネルギーは、ターゲット周辺機器の放射化抑制と熱外中性子の効率生成との両立の観点から、８ＭｅＶ程度に設定されている。また、ターゲットの材質としては、リチウムやベリリウム等があるが、高融点で運転の安定性が望めるベリリウムが採用されている。

ところで、高エネルギーの放射線を発生するシステムでは、放射線の照射線量あるいは施設区域内の放射線量の管理が要請される。上述した加速器を線源とする中性子線照射装置においては、ターゲットに照射する荷電粒子線の照射線量に基づいて、発生する中性子の照射線量を管理する技術が公知である。このように放射線発生システムでは、放射線の照射線量の積算値が管理され、これに基づいた照射制御が行われている。

一方において、高エネルギーの荷電粒子線のビームプロファイルを計測する方法として、ワイヤーモニタリング手法が、従来から用いられてきた。また荷電粒子線の進行方向と直交するように配置した遮蔽膜の表面温度を赤外線カメラで計測し、荷電粒子線のビームプロファイルを計測する技術も提案されている。

特許第５４１０６０８号公報 特許第６４３８６４６号公報

上述したワイヤーモニタリング手法では、荷電粒子線の電流密度が高くなった箇所のワイヤーが焼き切れてしまい、ビームプロファイルを正確に計測できない課題があった。また上述した赤外線カメラで表面温度を計測する方法も、ターゲットから発生する放射線による放射化の影響が避けられない課題があった。このため中性子線照射装置では、ターゲットに照射される荷電粒子線のビームプロファイルの連続的な計測が不能となり、局所加熱によりターゲット損傷に至る懸念があった。さらにこのビームプロファイルに基づく照射線量あるいは施設区域内の放射線量の管理が不正確になる課題があった。

本発明の実施形態はこのような事情を考慮してなされたもので、ターゲットに入射させる粒子線のビームプロファイルを正確にかつ連続的に計測することが可能となる粒子線計測装置及び中性子線照射装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る粒子線計測装置において、第１粒子線を第１面に入射させ原子核反応させて反対側の第２面から第２粒子線を照射させるターゲットと、前記第２面に沿って配置される複数の温度センサと、を備える。

本発明の実施形態により、ターゲットに入射させる粒子線のビームプロファイルを正確にかつ連続的に計測することが可能となる粒子線計測装置及び中性子線照射装置が提供される。

本発明の第１実施形態に係る粒子線計測装置の断面図。 粒子線計測装置を構成するターゲットの第２面側を示す平面図。 （Ａ）ターゲットの中心線を含む断面における温度分布を示す図、（Ｂ）第１粒子線の入射軸に沿ったターゲットの温度勾配を示す図。 本発明の第２実施形態に係る中性子線照射装置の概要図。 中性子線照射装置に付属する治療室の縦断面図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る粒子線計測装置１０の断面図である。このように粒子線計測装置１０は、第１粒子線２１を第１面１１に入射させ原子核反応２８させて反対側の第２面１２から第２粒子線２２を照射させるターゲット１５と、この第２面１２に沿って配置される複数の温度センサ１６と、を備えている。

図１に示すようにベリリウムＢｅで形成される第１面１１に、８ＭｅＶのエネルギーを持つ陽子線（第１粒子線２１）を入射させると、原子核反応２８により中性子線が第２粒子線２２として照射される。この原子核反応２８に伴い発生する熱は、ターゲット１５に設けられた流路２６を流れる冷却材２５により、系外に排出される。そしてターゲット１５の両端に位置する流路２６の入力部２６ａ及び出力部２６ｂには、それぞれ一対の温度計３６（３６ａ，３６ｂ）、流量計３７（３７ａ，３７ｂ）及び圧力計３８（３８ａ，３８ｂ）が配置されている。

また原子核反応２８に付随して発生する水素は、蓄積して空隙を形成するブリスタリング現象を発生させ、ターゲット１５を損傷させる懸念がある。そこで、水素の吸蔵性に優れるパラジウムＰｄ板を、Ｂｅ板の反対面に隣接配置させる。そして、このＢｅ板の反対面には熱伝導性に優れる銅Ｃｕブロックが隣接配置され、冷却材２５の流路２６がＣｕブロックに設けられている。そして、Ｃｕブロックの反対面には、ターゲット１５の第２面１２が形成されている。

ここで、上記Ｐｄ板をＢｅ板の反対面に隣接配置させる旨説明したが、高温等方性加圧接合（ＨＩＰ：Hot Isostatic Pressing)法または銀ろうづけ等によって一体に形成しても良いのは勿論である。また、水素吸蔵材としてパラジウムＰｄ板を使用したが、バナジウムＶ板またはタンタルＴａ板を使用しても良く、場合によってはパラジウムＰｄ板を削除してＢｅ板にＣｕブロックを隣接配置させる場合もある。

図２は、ターゲット１５の第２面１２の側を示す平面図である。それぞれの温度センサ１６からは、第２面１２の接触箇所における計測値１６ａが出力される。このように複数の接触式の温度センサ１６が面状に配置されることで、第２面１２の温度並びに二次元温度分布を知ることができる。なお、実施形態においては面状に配置した例で説明したが二次元状に適宜（例えば十字状、分散状等）配置し、その温度特性によって温度分布を推定してもよい。

図３（Ａ）はターゲット１５の中心線を含む断面における温度分布を示す図である。このように、第１粒子線２１の入射位置から熱は、同心状に拡散しながら伝導していく。この発熱量は、原子核反応２８による第２粒子線２２の発生量に比例する。このため、第２面１２の温度及び二次元温度分布を知ることにより、第２粒子線２２の線量及び線量密度分布を知ることができる。

図３（Ｂ）は第１粒子線２１の入射軸に沿ったターゲット１５の温度勾配を示す図である。このように原子核反応２８で第１面１１が大きく発熱しても、進行方向に沿って減衰しさらに冷却材の流路２６で系外に排熱されるため、第２面１２は一般的な温度センサ１６の仕様に収まる温度範囲に保たれる。

図１に戻って説明を続ける。粒子線計測装置１０の信号処理部４７は、温度センサ１６から計測値１６ａを受信する受信部４５と、この計測値１６ａに基づいて第２粒子線２２の第２線量値４２ａを導出する第２導出部４２と、を備えている。そして、信号処理部４７から出力された第２線量値４２ａは、表示部４８に表示されるか、もしくは後述する中性子線照射装置３０やその他制御装置におけるフィードバック信号として使用される。

第２導出部４２では、温度センサ１６の計測値１６ａと第２粒子線２２の第２線量値４２ａとの相関関係が、予め求められ登録されている。より具体的には、第２面１２の二次元温度分布のデータと第２粒子線２２の線量密度分布との相関関係が、実験的又は解析的に求められている。そして、受信部４５から送信された温度センサ１６の計測値１６ａに基づいて、対応する第２粒子線２２の第２線量値４２ａが導出されるようになっている。

なお温度センサ１６の計測値１６ａと第２粒子線２２の第２線量値４２ａとの関係は、流路２６を流れる冷却材２５の冷却性能の影響を受ける。このため第２導出部４２は、流路２６上に設けられた温度計３６、流量計３７及び圧力計３８のうち少なくとも一つの計測値も入力し、計測値１６ａと第２線量値４２ａとを関係付ける条件とする場合もある。つまり第２導出部４２は、温度センサ１６の計測値１６ａに加えて、冷却水２５の流路２６における入力部２６ａと出力部２６ｂとの差圧ΔＰ又は温度差ΔＴにも基づいて第２線量値４２ａを導出してもよい。

さらに信号処理部４７は、第２面１２の二次元温度分布に基づいて第１面１１の二次元温度分布を推定する推定部４６と、推定された第１面１１の二次元温度分布に基づいてターゲット１５に入射する第１粒子線の第１線量値４１ａを導出する第１導出部４１と、を備えている。そして、信号処理部４７から出力された第１線量値４１ａは、表示部４８に表示されるか、もしくは後述する中性子線照射装置３０やその他制御装置におけるフィードバック信号として使用される。

推定部４６では、第２面１２に配置された温度センサ１６の計測値１６ａと第１面１１の温度との相関関係が、予め求められ登録されている。より具体的には、第２面１２の二次元温度分布のデータと第１面１１の二次元温度分布との相関関係が、予め実験的又は解析的に求められ登録されている。そして、受信部４５から送信された計測値１６ａに基づいて、対応する第１面１１の温度が推定されるようになっている。

なお第２面１２に設置された温度センサ１６の計測値１６ａと第１面１１の温度との関係は、流路２６を流れる冷却材２５の冷却性能の影響を受ける。このため推定部４６は、流路２６上に設けられた温度計３６、流量計３７及び圧力計３８のうち少なくとも一つの計測値も入力し、計測値１６ａと第１線量値４１ａとを関係付ける条件とする場合もある。つまり推定部４６は、温度センサ１６の計測値１６ａに加えて、冷却水２５の流路２６における入力部２６ａと出力部２６ｂとの差圧ΔＰ又は温度差ΔＴにも基づいて第１面１１の温度を推定してもよい。

第１導出部４１では、推定された第１面１１の温度と推定される第１粒子線２１の第１線量値４１ａとの相関関係が、予め求められ登録されている。より具体的には、推定される第１面１１の二次元温度分布のデータと推定される第１粒子線２１の線量密度分布との相関関係が、予め実験的又は解析的に求められ登録されている。そして、推定部４６から送信された第１面１１の温度に基づいて、対応する第１粒子線２１の第１線量値４１ａが導出されるようになっている。

（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態に係る中性子線照射装置３０の概要図である。中性子線照射装置３０は、第１粒子線２１は荷電粒子線であり第２粒子線２２は中性子線であり、第１実施形態の粒子線計測装置１０と、第１粒子線２１の軌道５４に形成される加速器５０と、温度センサ１６の計測値１６ａに基づいて加速器５０を制御する制御部４０と、を備えている。

図５は中性子線照射装置３０に付属する治療室４９の縦断面図である。ホウ素中性子捕捉療法（ＢＮＣＴ；Boron Neutron Capture Therapy）は、中性子と核反応してアルファ線を発生するホウ素等を含む化合物を、患者２７の腫瘍細胞に予めとりこませる。そして、中性子の治療ビーム（第２粒子線２２）を患者２７の患部に向けて照射し、核反応により発生したアルファ線により、ホウ素を多く取り込んだ腫瘍細胞のみが破壊される。このアルファ線は、１０ミクロンしか飛ばないため、正常細胞を傷つけることなく腫瘍細胞のみを選択的に死滅させることができる。

なお、第１粒子線２１は、光子、電子、陽子、重イオン等の荷電粒子線であり、第２粒子線２２は、中性子に限定されることはなく、これら荷電粒子線が入射してターゲット１５から放出するものであれば該当する。なお拡散電磁石５９は、加速器５０で加速された荷電粒子ビームを拡散させ、第１粒子線２１をターゲット１５の入射面に電流密度が均一となるように照射させるものである。

図４に戻って説明を続ける。加速器５０は、イオン源５１と、イオンの引出電極５２と、高周波四重極線形加速器（ＲＦＱ）５３と、ドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）５５と、ステアリング電磁石５６と、偏向電磁石５７と、電流測定部５８と、拡散電磁石５９と、から構成され、真空ダクト内の軌道５４に沿って荷電粒子を加速して第１粒子線２１として出力する。なお、上記の加速器５０の構成は一例であって、中性子線照射装置３０に適用される加速器５０の構成に限定はされず、例えばＤＴＬ５５を削除した小エネルギーの加速器で構成することも可能である。

電流測定部５８は、第１粒子線２１の電流値５８ａを測定するものである。この測定された電流値５８ａは、ターゲット１５に入射される第１線量値４１ｂに相当する。そして、補正部３５は、測定された第１線量値４１ｂに基づいて第２線量値４２ａを補正する。

制御部４０は、加速器５０の制御を、測定された第１線量値４１ｂ及び導出された第２線量値４２ａの少なくとも一方に基づいて行っている。また制御部４０は、温度センサ１６の計測値１６ａで、加速器５０を直接制御することもできる。このように加速器５０を制御することで、第１粒子線２１の入射位置、入射口径、電流値及び電流密度分布等といったビームプロファイルを調節することができる。さらに制御部４０には、温度センサ１６の計測値１６ａが閾値を超過した時点で、加速器５０を緊急停止して機器破損を防止するインターロック機構が設けられている。

以上述べた少なくともひとつの実施形態の粒子線計測装置１０によれば、ターゲット１５に複数の温度センサ１６を面状に配置することにより、ターゲット１５に入射させる粒子線２１のビームプロファイルを正確にかつ連続的に計測することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…粒子線計測装置、１１…第１面、１２…第２面、１５…ターゲット、１６…温度センサ、１６ａ…計測値、２１…第１粒子線、２２…第２粒子線、２５…冷却水、２６…流路、２６ａ…入力部、２６ｂ…出力部、２７…患者、２８…原子核反応、３０…中性子線照射装置、３５…補正部、３６…温度計、３７…流量計、３８…圧力計、４０…制御部、４１…第１導出部、４１ａ…第１線量値（導出値）、４１ｂ…第１線量値（測定値）、４２…第２導出部、４２ａ…第２線量値、４５…受信部、４６…推定部、４７…信号処理部、４８…表示部、４９…治療室、５０…加速器、５１…イオン源、５２…引出電極、５３…高周波四重極線形加速器（ＲＦＱ）、５４…軌道、５５…ドリフトチューブ線形加速器（ＤＴＬ）、５６…ステアリング電磁石、５７…偏向電磁石、５８…電流測定部、５８ａ…電流値、５９…拡散電磁石。

Claims (10)

1. 第１粒子線を第１面に入射させ原子核反応させて反対側の第２面から第２粒子線を照射させるターゲットと、
   前記第２面に沿って配置される複数の温度センサと、を備える粒子線計測装置。
2. 請求項１に記載の粒子線計測装置において、
   前記温度センサの計測値に基づいて前記第２粒子線の第２線量値を導出する第２導出部を備える粒子線計測装置。
3. 請求項２に記載の粒子線計測装置において、
   前記第２導出部は、複数の前記温度センサの計測値による前記第２面の二次元温度分布に基づいて前記第２線量値を導出する粒子線計測装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の粒子線計測装置において、
   前記第２導出部は、前記ターゲットの冷却水の流路における入力部と出力部との差圧又は温度差にも基づいて前記第２線量値を導出する粒子線計測装置。
5. 請求項３に記載の粒子線計測装置において、
   前記第２面の二次元温度分布に基づいて前記第１面の二次元温度分布を推定する推定部を備える粒子線計測装置。
6. 請求項５に記載の粒子線計測装置おいて、
   推定された前記第１面の二次元温度分布に基づいて前記ターゲットに入射する前記第１粒子線の第１線量値を導出する第１導出部、を備える粒子線計測装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の粒子線計測装置と、
   前記第１粒子線の軌道に形成される加速器と、
   前記温度センサの計測値に基づいて前記加速器を制御する制御部と、を備え、
   前記第１粒子線は荷電粒子線であり前記第２粒子線は中性子線である中性子線照射装置。
8. 少なくとも請求項２を引用する請求項７に記載の中性子線照射装置において、
   前記第１粒子線の電流値を、前記ターゲットに入射する前記第１粒子線の第１線量値として測定する電流測定部と、
   測定された前記第１線量値に基づいて前記第２線量値を補正する補正部と、を備える中性子線照射装置。
9. 請求項８に記載の中性子線照射装置において、
   前記制御部は、前記第１線量値及び前記第２線量値の少なくとも一方に基づいて前記加速器を制御する中性子線照射装置。
10. 請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の中性子線照射装置において、
    前記温度センサの計測値が閾値を超過した時点で、緊急停止のためのインターロックが発動される中性子線照射装置。

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