WO2017073683A1 - 中性子捕捉療法システム - Google Patents

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WO2017073683A1
WO2017073683A1 PCT/JP2016/081913 JP2016081913W WO2017073683A1 WO 2017073683 A1 WO2017073683 A1 WO 2017073683A1 JP 2016081913 W JP2016081913 W JP 2016081913W WO 2017073683 A1 WO2017073683 A1 WO 2017073683A1
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neutron
distribution
unit
irradiation
neutron flux
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PCT/JP2016/081913
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哲也 武川
滝　和也
浩基 田中
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住友重機械工業株式会社
国立大学法人京都大学
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    • A61N2005/109—Neutrons

Definitions

  • the present invention relates to a neutron capture therapy system.
  • Patent Document 1 a method described in Patent Document 1 is known as a method for measuring neutrons in a neutron capture therapy system.
  • a gold wire or the like is arranged on the surface of an irradiation object, and neutrons are measured afterwards based on activation data of the gold wire.
  • the measurement can be performed only after the fact, and the gold wire is arranged only on the surface of the irradiation object. It is not possible to measure neutrons inside the irradiated object. Also, the method of measuring neutrons with a neutron monitor can only measure neutrons near the surface of the irradiation object. As described above, since the neutron flux inside the irradiation target cannot be measured in real time, there is a problem that it is not possible to grasp whether the neutron beam is irradiated inside the irradiation target according to the treatment plan.
  • the present invention has been made to solve such problems, and provides a neutron capture therapy system capable of grasping whether or not a neutron beam is being irradiated into an irradiation object according to a treatment plan. With the goal.
  • a neutron capture therapy system includes a neutron beam irradiation unit that irradiates a neutron beam, a treatment table on which an irradiation target irradiated with a neutron beam is placed, and an irradiation target of the irradiation target
  • a storage unit that stores distribution data indicating the distribution of hydrogen atoms or nitrogen atoms
  • a gamma ray detection unit that detects gamma rays generated from an irradiation object when irradiated with a neutron beam, and distribution data stored in the storage unit
  • a neutron flux distribution calculation unit that calculates the distribution of neutron flux in the irradiation object based on the gamma ray distribution data detected by the gamma ray detection unit.
  • the neutron flux distribution calculation unit includes distribution data indicating the distribution of hydrogen atoms or nitrogen atoms in the irradiated portion of the irradiation object stored in the storage unit, and a gamma ray detection unit.
  • the distribution of neutron flux in the irradiation object can be calculated based on the gamma ray distribution data detected by the above.
  • the neutron flux distribution calculation unit can calculate the distribution of neutron flux in real time. Thereby, by comparing the calculation result with the distribution of the neutron flux related to the treatment plan, it is possible to grasp whether the neutron beam is irradiated into the irradiation target as the treatment plan.
  • the gamma ray detection unit may be composed of a plurality of cameras, and the axes of the plurality of cameras may intersect each other. In this case, the gamma ray detection unit can three-dimensionally detect gamma rays generated in the irradiation object.
  • the neutron irradiation unit May stop neutron irradiation. In this case, if the actual neutron beam irradiation is different from the treatment plan, the treatment can be stopped.
  • the neutron capture therapy system may further include a display unit that displays the distribution of the neutron flux calculated by the neutron flux distribution calculation unit. In this case, the user of the system can visually grasp the distribution of the neutron flux in the irradiation object in real time.
  • FIGS. 1 and 2 a neutron capture therapy system 1 for cancer treatment with boron neutron capture therapy, a boron (10 B) patients administered (irradiation target) boron S is accumulated
  • a neutron capture therapy system 1 for cancer treatment with boron neutron capture therapy, a boron (10 B) patients administered (irradiation target) boron S is accumulated
  • the neutron capture therapy system 1 includes an irradiation chamber 2 that irradiates a patient S restrained by a treatment table 3 with a neutron beam N to treat the patient S with cancer.
  • the neutron capture therapy system 1 includes a neutron beam generator 10 that generates a neutron beam N for treatment, and a neutron beam irradiator that irradiates the patient S restrained by the treatment table 3 in the irradiation chamber 2 with the neutron beam N. 20.
  • the neutron beam generator 10 includes an accelerator 11 that generates a charged particle beam L, a beam transport path 12 that transports the charged particle beam L generated by the accelerator 11, and a charged particle beam L for the target 8 by scanning the charged particle beam L.
  • a charged particle beam scanning unit 13 that controls irradiation of the current, a current monitor 16 that measures the current of the charged particle beam L, and a target 8 that is irradiated with the charged particle beam L.
  • the accelerator 11 and the beam transport path 12 are arranged in a charged particle beam generation chamber 14 having a substantially rectangular shape.
  • the charged particle beam generation chamber 14 is a closed space covered with a concrete shielding wall W. is there.
  • the charged particle beam scanning unit 13 controls the irradiation position of the charged particle beam L with respect to the target 8, for example, and the current monitor 16 measures the current of the charged particle beam L irradiated to the target 8.
  • the charged particle beam scanning unit 13 and the current monitor 16 may be omitted.
  • the accelerator 11 generates charged particle beams L such as proton beams by accelerating charged particles such as hydrogen ions.
  • a cyclotron is employed as the accelerator 11.
  • the accelerator 11 may be another accelerator such as a synchrotron, a synchrocyclotron, or a linac instead of the cyclotron.
  • the beam transport path 12 includes a beam adjusting unit 15 that adjusts the charged particle beam L.
  • the beam adjusting unit 15 includes a horizontal steering electromagnet and a horizontal vertical electromagnet that adjust the axis of the charged particle beam L, a quadrupole electromagnet that suppresses the divergence of the charged particle beam L, and a four-way that shapes the charged particle beam L. Has slits and the like.
  • the beam transport path 12 only needs to have a function of transporting the charged particle beam L, and the beam adjustment unit 15 may not be provided.
  • the charged particle beam L transported by the beam transport path 12 is irradiated to the target 8 by controlling the irradiation position by the charged particle beam scanning unit 13.
  • the charged particle beam scanning unit 13 may be omitted, and the charged particle beam L may always be irradiated to the same portion of the target 8.
  • the target 8 generates a neutron beam N when irradiated with the charged particle beam L.
  • the target 8 is made of, for example, beryllium (Be), lithium (Li), tantalum (Ta), or tungsten (W), and has a plate shape.
  • the target 8 is not limited to a plate shape, but may have another shape (for example, liquid).
  • the neutron beam N generated by the target 8 is irradiated toward the patient S in the irradiation chamber 2 by the neutron beam irradiation unit 20.
  • the neutron beam irradiation unit 20 includes a moderator 21 that decelerates the neutron beam N emitted from the target 8 and a shield 22 that shields radiation such as neutron beam N and gamma rays from being emitted to the outside.
  • the moderator 21 and the shield 22 constitute a moderator.
  • the moderator 21 has a laminated structure made of a plurality of different materials, for example, and the material of the moderator 21 is appropriately selected according to various conditions such as the energy of the charged particle beam L. Specifically, for example, when the output from the accelerator 11 is a proton beam of 30 MeV and a beryllium target is used as the target 8, the material of the moderator 21 can be lead, iron, aluminum, or calcium fluoride.
  • the shield 22 is provided so as to surround the moderator 21, and has a function of shielding the neutron beam N and radiation such as gamma rays generated with the generation of the neutron beam N from being emitted to the outside of the shield 22.
  • the shield 22 is at least partially embedded in a wall W1 separating the charged particle beam generation chamber 14 and the irradiation chamber 2.
  • the shield 22 may not be embedded in the wall W1.
  • a wall body 23 that forms a part of the side wall surface of the irradiation chamber 2 is provided between the irradiation chamber 2 and the shield 22.
  • the wall body 23 is provided with a collimator mounting portion 23a serving as an output port of the neutron beam N.
  • a collimator 31 for defining an irradiation field of the neutron beam N is fixed to the collimator mounting portion 23a.
  • the target 8 is irradiated with the charged particle beam L, and the target 8 generates the neutron beam N along with this.
  • the neutron beam N generated by the target 8 is decelerated while passing through the moderator 21, and the neutron beam N emitted from the moderator 21 passes through the collimator 31 to the patient S on the treatment table 3. Irradiated.
  • the neutron beam N a thermal neutron beam or an epithermal neutron beam having relatively low energy can be used.
  • the treatment table 3 functions as a mounting table used in neutron capture therapy, and can be moved from the preparation room (not shown) to the irradiation room 2 with the patient S mounted thereon.
  • the treatment table 3 includes a base portion 32 that constitutes the base of the treatment table 3, a caster 33 that enables the base portion 32 to move on the floor surface, a top plate 34 on which the patient S is placed, and a top plate 34. And a drive unit 35 for moving the base plate 32 relative to the base unit 32. Note that the base portion 32 may be fixed to the floor without using the casters 33.
  • the neutron capture therapy system 1 includes a storage unit 64, a gamma ray detection unit 50, a control unit 60, and a display unit 66.
  • the storage unit 64 stores distribution data indicating the distribution of hydrogen atoms or nitrogen atoms in the affected area of the patient S.
  • the storage unit 64 may include both hydrogen atom distribution data and nitrogen atom distribution data.
  • the distribution data is stored at the time of the treatment plan in the previous stage in which the neutron capture therapy system 1 according to the present embodiment performs irradiation with the neutron beam.
  • Distribution data can be acquired based on a CT (Computed Tomography) image of the patient S using the hydrogen atom density or nitrogen atom density of each region inside the patient S. Alternatively, when based on an MRI (Magnetic Resonance Imaging) image, the distribution of hydrogen atoms can be obtained directly.
  • the storage unit 64 outputs the stored distribution data to the control unit 60 at a necessary timing.
  • the storage unit 64 may store various data.
  • the gamma ray detection unit 50 detects gamma rays G generated from the patient S when the neutron beam N is irradiated.
  • Hydrogen and nitrogen which are widely distributed in the human body, emit a high-energy gamma ray due to the reaction because the reaction cross section of neutrons is high. Therefore, the gamma ray detection unit 50 can detect the gamma rays G generated from the inside of the patient S by the irradiation of the neutron rays N.
  • Hydrogen atoms emit gamma rays G of 2.2 MeV by reacting with neutrons.
  • Nitrogen atoms react with neutrons to emit gamma rays G of 10.8 MeV.
  • FIG. 6 shows an example of the energy distribution of the gamma ray G at a predetermined location detected by the gamma ray detection unit 50. As shown in FIG. 6, the peak at 2.2 MeV becomes large at a location where many hydrogen atoms are contained.
  • the gamma ray detection unit 50 includes a plurality of cameras 51.
  • the axes CL of the plurality of cameras 51 intersect each other.
  • the “axis” here means a virtual axis that passes through the center of the range that can be detected by the camera 51.
  • the intersection angle is set to 90 °, but may be set to other angles (for example, 60 °, 150 °, etc.).
  • the orientation of each camera 51 is set so that a portion where the respective axes CL intersect (or a portion closest to each other) is arranged inside the affected part of the patient S placed on the treatment table 3.
  • the state in which the axes CL of the plurality of cameras 51 intersect with each other includes a state in which the axes CL are in a twisted position relationship.
  • Each camera 51 is arranged at a peripheral portion of the treatment table 3, at a predetermined distance from the exit portion of the collimator 31, and at a position away from the affected part of the patient S placed on the treatment table 3.
  • the axis CL of each camera 51 is directed to the affected part (here, the head) of the patient S placed on the treatment table 3.
  • Each camera 51 may be fixed at a predetermined position, but may be moved around the patient S by being connected to a moving mechanism.
  • the camera 51 may be attached to the treatment table 3, may be attached to the wall body 23, or may be attached to a stand dedicated to the camera 51 provided separately. In the present embodiment, two cameras 51 are installed, but three or more cameras or one camera 51 may be used.
  • Each camera 51 outputs a detection result to the control unit 60.
  • the control unit 60 has a function of controlling the operation of the neutron capture therapy system 1 as a whole, and includes, for example, a CPU, a ROM, a RAM, and the like.
  • the control unit 60 includes a neutron flux distribution calculation unit 61, a determination unit 62, and an irradiation control unit 63.
  • the control part 60 can perform the control at the time of the treatment plan which is the stage before performing the treatment by a neutron beam, and the control during the treatment by a neutron beam.
  • the control unit 60 can perform a process of setting a ROI (Region of Interest) based on an image of CT or MRI and determine the composition of each ROI.
  • a ROI Region of Interest
  • the control unit 60 can acquire distribution data of hydrogen atoms or nitrogen atoms of each ROI.
  • the control unit 60 can acquire the distribution of the neutron flux with respect to the affected part of the patient S by performing a treatment simulation using, for example, a Monte Carlo simulation.
  • the control unit 60 may perform the simulation from a plurality of irradiation directions.
  • the control unit 60 determines an irradiation direction optimal for the treatment from the plurality of simulation results. Note that the processing at the time of treatment planning may be performed by a processing unit other than the control unit 60.
  • the treatment simulation is not limited to the Monte Carlo simulation, and a simulation other than the method may be performed.
  • the neutron flux distribution calculation unit 61 calculates the distribution of neutron flux in the patient S based on the distribution data of hydrogen atoms or nitrogen atoms stored in the storage unit 64 and the gamma ray distribution data detected by the gamma ray detection unit 50. To do. Specifically, the neutron flux distribution calculation unit 61 calculates the neutron flux distribution using the following equations (1), (2), and (3). In the following equations, “r” indicates the detection efficiency of the gamma ray detector 50, “ ⁇ ” indicates the thermal neutron flux, “ ⁇ ” indicates the nuclear reaction cross section, and “N” indicates the atomic number density. . Note that the detection efficiency and the nuclear reaction cross-sectional area are preset values.
  • Equations (1), (2), and (3) are examples of equations for calculating the distribution of neutron flux based on hydrogen atoms, and the same expression is used when calculating based on nitrogen atoms. be able to.
  • Equation (1) indicates the distribution of gamma rays at each location in the xyz coordinates of the affected area of the patient S, and can be obtained from the detection result of the gamma ray detection unit 50.
  • P (x, y, z) is a value that fluctuates in real time during neutron irradiation.
  • Expression (2) indicates the distribution of hydrogen atoms at each location in the xyz coordinates of the affected part of the patient S, and can be obtained from the distribution data acquired from the storage unit 64.
  • Expression (3) for calculating ⁇ (x, y, z) indicating the distribution of neutrons at each location in the xyz coordinates of the affected part of the patient S is obtained. It is done. By substituting each value for the right side of the formula (3), ⁇ (x, y, z) can be calculated in real time.
  • the determination unit 62 determines whether or not the neutron flux distribution calculated by the neutron flux distribution calculation unit 61 fluctuates beyond a predetermined range based on the neutron flux distribution determined in the treatment plan. To do.
  • the irradiation control unit 63 performs neutron beam irradiation control by the neutron beam irradiation unit 20. Further, the irradiation control unit 63 performs control such that the neutron beam irradiation unit 20 stops the irradiation of the neutron beam based on the determination by the determination unit 62.
  • the determination unit 62 varies the neutron flux distribution calculated by the neutron flux distribution calculation unit 61 beyond a predetermined range based on the neutron flux distribution determined in the treatment plan. If it is determined that there is, the irradiation control unit 63 stops the irradiation of the neutron beam. For example, when the distribution of the neutron flux calculated by the neutron flux distribution calculation unit 61 differs from the neutron flux distribution set at the time of treatment planning by a certain amount or more due to the position shift of the patient S or the shape change of the neutron beam, Neutron irradiation is stopped. When stopping the neutron beam irradiation, the accelerator 11 stops the emission of the charged particle beam L.
  • the “predetermined range” indicates an allowable range of deviation between the distribution of the neutron flux calculated by the neutron flux distribution calculation unit 61 and the distribution of the neutron flux set at the time of treatment planning, The range to be set is not particularly limited.
  • the display unit 66 displays the neutron flux distribution calculated by the neutron flux distribution calculating unit 61.
  • the display unit 66 receives the calculation result output from the neutron flux distribution calculation unit 61 of the control unit 60 and displays it in real time.
  • the display unit 66 is configured by a monitor or the like.
  • S10 to S40 in this flowchart correspond to the treatment plan process before the actual irradiation of the patient S with neutrons
  • S50 to S90 are the processes of actually irradiating and treating the patient S with neutrons. It corresponds to.
  • the processing of S10 to S40 is described as being executed by the control unit 60, but may be executed by a processing device other than the control unit 60.
  • control unit 60 sets the ROI based on the CT image of the affected part of the patient S (step S10).
  • control unit 60 determines the composition of each ROI set in S10 (step S20).
  • control unit 60 acquires distribution data indicating the distribution of hydrogen atoms or nitrogen atoms in each ROI.
  • the control unit 60 stores the acquired data in the storage unit 64.
  • the control unit 60 performs a treatment simulation of neutron irradiation on the affected part of the patient S (step S30). Specifically, the control unit 60 may perform a Monte Carlo simulation as an example of a treatment simulation. Thereby, for example, data indicating the distribution of neutron flux as shown in FIG. 5 is obtained. Moreover, the control part 60 performs the said simulation about a some irradiation direction. Therefore, a plurality of data indicating the distribution of neutron flux (hereinafter, the data will be referred to as “treatment plan data” for explanation) are obtained. The control unit 60 determines an optimal irradiation direction for treatment based on a plurality of treatment plan data indicating the distribution of neutron flux obtained in S30 (step S40).
  • control unit 60 selects treatment plan data that can most appropriately treat the affected part of the patient S from among a plurality of treatment plan data indicating the distribution of neutron flux, and adopts an irradiation direction in the selected treatment plan data. To do.
  • the irradiation control unit 63 of the control unit 60 starts the treatment of the affected part of the patient S by irradiating the neutron beam N from the irradiation direction determined in S40 (step S50).
  • the gamma ray detection unit 50 detects gamma rays G generated from the inside of the patient S by irradiation with the neutron beam N in real time, and the control unit 60 acquires the detection result (step S60).
  • the neutron flux distribution calculation unit 61 of the control unit 60 calculates the neutron flux in the patient S based on the distribution data of hydrogen atoms or nitrogen atoms stored in the storage unit 64 and the gamma ray distribution data acquired in S60. A distribution is calculated (step S70). At this time, the neutron flux distribution calculating unit 61 of the control unit 60 displays the calculated neutron flux distribution on the display unit 66.
  • the determination unit 62 of the control unit 60 determines whether or not the neutron flux distribution calculated in S70 varies beyond a predetermined range based on the treatment plan data indicating the neutron flux distribution obtained in S30. Is determined (step S80). In S80, the determination unit 62 also determines whether or not the treatment has ended. In S80, when the determination unit 62 determines that the distribution of the neutron flux calculated in S70 has not fluctuated beyond a predetermined range based on the treatment plan data, and the treatment has not ended. The process is repeated again from S60.
  • step S80 when the determination unit 62 determines that the distribution of the neutron flux calculated in S70 fluctuates beyond a predetermined range based on the treatment plan data, and / or the treatment is completed.
  • the determination unit 62 determines that the distribution of the neutron flux calculated in S70 fluctuates beyond a predetermined range based on the treatment plan data, and / or the treatment is completed.
  • irradiation control part 63 irradiation of the neutron beam N is stopped (step S90). After the stop, the process shown in the flowchart of FIG. 4 ends.
  • the neutron flux distribution calculation unit 61 includes distribution data indicating the distribution of hydrogen atoms or nitrogen atoms in the affected area of the patient S stored in the storage unit 64, and gamma ray detection. Based on the gamma ray distribution data detected by the unit 50, the distribution of neutron flux in the patient S can be calculated.
  • the neutron flux distribution calculation unit 61 can calculate the distribution of neutron flux in real time. Thereby, by comparing the calculation result with the distribution of neutron flux related to the treatment plan, it is possible to grasp whether the neutron beam is irradiated inside the patient according to the treatment plan.
  • the gamma ray detection unit 50 includes a plurality of cameras 51, and the axes CL of the plurality of cameras 51 intersect each other.
  • the gamma ray detection unit 50 can three-dimensionally detect the gamma rays G generated in the patient S without rotating the camera 51 around the patient S. Note that when the camera 51 is rotated (or rotated) around the patient S, a mechanism for the operation is required. There is not enough space between the patient and the moderator and treatment table 3, which may make it difficult to install the mechanism. In addition, neutron disturbance caused by rotating the camera 51 near the patient may cause the neutron beam distribution around the patient not to follow the treatment plan.
  • the neutron flux distribution in the patient may not be as planned. Therefore, by configuring the gamma ray detection unit 50 with a plurality of cameras 51, it is possible to detect the gamma rays G three-dimensionally without causing the above-described problems by not rotating the camera 51. However, a mechanism for rotating (or rotating) the camera 51 around the patient S may be provided.
  • the distribution of the neutron flux calculated by the neutron flux distribution calculation unit 61 fluctuates beyond a predetermined range based on the distribution of neutron flux determined in the treatment plan.
  • the neutron beam irradiation unit 20 may stop the irradiation with the neutron beam N. In this case, if the actual irradiation with the neutron beam N is different from the treatment plan, the treatment can be stopped.
  • the neutron capture therapy system 1 may further include a display unit 66 that displays the distribution of the neutron flux calculated by the neutron flux distribution calculation unit 61. In this case, the user of the system can visually grasp the distribution of the neutron flux in the patient S in real time.
  • the present invention is not limited to the embodiment described above.
  • system configuration shown in FIG. 3 and the procedure of the treatment method shown in FIG. 4 are merely examples, and any configuration and procedure may be adopted within the scope of the present invention.
  • a device such as the control unit 60 determines whether or not the calculated neutron beam distribution is in accordance with the treatment plan (whether it is within a predetermined range). Instead of this, a doctor or the like may make the determination.
  • a mechanism using the accelerator 11 and the target 8 is employed as a mechanism for generating neutron beams.
  • a configuration in which a neutron beam is directly generated using a nuclear reactor may be employed.
  • SYMBOLS 1 Neutron capture therapy system, 20 ... Neutron beam irradiation part, 50 ... Gamma ray detection part, 51 ... Camera, 61 ... Neutron flux distribution calculation part, 64 ... Memory

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Abstract

中性子捕捉療法システムは、中性子線を照射する中性子線照射部と、中性子線が照射される照射対象物が載置される治療台と、照射対象物の被照射部の水素原子、又は窒素原子の分布を示す分布データを記憶する記憶部と、中性子線が照射されることによって照射対象物から発生するガンマ線を検出するガンマ線検出部と、記憶部に記憶された分布データ及びガンマ線検出部によって検出されたガンマ線分布データに基づいて、照射対象物内の中性子束の分布を算出する中性子束分布算出部と、を備える。

Description

中性子捕捉療法システム
　本発明は、中性子捕捉療法システムに関する。
　従来、中性子捕捉療法システムにおいて、中性子を測定するための方法として、特許文献１に記載されているものが知られている。特許文献１に示す中性子捕捉療法システムにおいては、照射対象物の表面に金線などを配置し、当該金線の放射化データに基づいて事後的に中性子を測定する。また、中性子モニタで中性子を直接測定する方法もある。
特開２００４－２３３１６８号公報
　ここで、上述の特許文献１に示すように、金線を用いて中性子を測定する方法では、事後的にしか測定を行うことができず、且つ、照射対象物の表面にしか金線を配置できないため、照射対象物の内部の中性子を測定することはできない。また、中性子モニタで中性子を測定する方法も、照射対象物の表面付近の中性子しか測定できない。このように、照射対象物の内部の中性子束をリアルタイムに測定することができないため、治療計画通りに照射対象物の内部へ中性子線が照射されているかを把握することができないという問題がある。
　本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、治療計画通りに照射対象物の内部へ中性子線が照射されているかを把握することができる中性子捕捉療法システムを提供することを目的とする。
　本発明の一側面に係る中性子捕捉療法システムは、中性子線を照射する中性子線照射部と、中性子線が照射される照射対象物が載置される治療台と、照射対象物の被照射部の水素原子、又は窒素原子の分布を示す分布データを記憶する記憶部と、中性子線が照射されることによって照射対象物から発生するガンマ線を検出するガンマ線検出部と、記憶部に記憶された分布データ及びガンマ線検出部によって検出されたガンマ線分布データに基づいて、照射対象物内の中性子束の分布を算出する中性子束分布算出部と、を備える。
　ここで、照射対象物中の水素原子、又は窒素原子は中性子と反応することによって、照射対象物の内部からガンマ線を発生させる。すなわち、検出したガンマ線と、照射対象物中の水素原子、又は窒素原子を把握することで、被対象物内の中性子束を把握することができる。そこで、本発明に係る中性子捕捉療法システムでは、中性子束分布算出部が、記憶部に記憶された照射対象物の被照射部の水素原子、又は窒素原子の分布を示す分布データと、ガンマ線検出部によって検出されたガンマ線分布データとに基づいて、照射対象物内の中性子束の分布を算出することができる。また、ガンマ線検出部はリアルタイムでガンマ線を検出することができるため、中性子束分布算出部は、中性子束の分布をリアルタイムに算出することができる。これによって、当該算出結果と治療計画に係る中性子束の分布とを比較することで、治療計画通りに照射対象物の内部へ中性子線が照射されているかを把握することができる。
　中性子捕捉療法システムにおいて、ガンマ線検出部は、複数のカメラによって構成され、複数のカメラの軸は、互いに交差してよい。この場合、ガンマ線検出部は、照射対象物内で発生するガンマ線を三次元的に検出することができる。
　中性子捕捉療法システムにおいて、中性子束分布算出部によって算出された中性子束の分布が、治療計画において定められた中性子束の分布に基づいて予め定められた範囲を超えて変動した場合、中性子線照射部は、中性子線の照射を中止してよい。この場合、実際の中性子線の照射が治療計画と異なるものとなった場合、治療を停止することができる。
　中性子捕捉療法システムにおいて、中性子束分布算出部によって算出された中性子束の分布を表示する表示部を更に備えてよい。この場合、システムの利用者が、照射対象物内の中性子束の分布をリアルタイムで視覚的に把握することができる。
　本発明によれば、治療計画通りに照射対象物の内部へ中性子線が照射されているかを把握することができる。
本発明の実施形態に係る中性子捕捉療法システムの配置を示す図である。 図１の中性子捕捉療法システムにおける中性子線照射部近傍を示す図である。 本発明の実施形態に係る中性子捕捉療法システムの要部を示す図である。 本発明の実施形態に係る中性子捕捉療法システムを用いた治療方法の手順を示すフローチャートである。 治療計画時に取得される中性子束の分布を示すデータである。 ガンマ線検出部によって検出される所定箇所におけるガンマ線のエネルギー分布の一例を示すグラフである。
　以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　まず、図１及び図２を用いて、第１実施形態に係る中性子捕捉療法システムの概要を説明する。図１及び図２に示すように、ホウ素中性子捕捉療法を用いたがん治療を行う中性子捕捉療法システム１は、ホウ素（１０Ｂ）が投与された患者（照射対象物）Ｓのホウ素が集積した部位（被照射部）に中性子線を照射してがん治療を行うシステムである。中性子捕捉療法システム１は、治療台３に拘束された患者Ｓに中性子線Ｎを照射して患者Ｓのがん治療を行う照射室２を有している。
　患者Ｓを治療台３に拘束する等の準備作業は、照射室２外の準備室（不図示）で実施され、患者Ｓが拘束された治療台３が準備室から照射室２に移動される。また、中性子捕捉療法システム１は、治療用の中性子線Ｎを発生させる中性子線発生部１０と、照射室２内で治療台３に拘束された患者Ｓに中性子線Ｎを照射させる中性子線照射部２０とを備えている。
　中性子線発生部１０は、荷電粒子線Ｌを作り出す加速器１１と、加速器１１が作り出した荷電粒子線Ｌを輸送するビーム輸送路１２と、荷電粒子線Ｌを走査してターゲット８に対する荷電粒子線Ｌの照射制御を行う荷電粒子線走査部１３と、荷電粒子線Ｌの電流を測定する電流モニタ１６と、荷電粒子線Ｌが照射されるターゲット８と、を備えている。加速器１１及びビーム輸送路１２は、略長方形状を成す荷電粒子線生成室１４の室内に配置されており、この荷電粒子線生成室１４は、コンクリート製の遮蔽壁Ｗで覆われた閉鎖空間である。また、荷電粒子線走査部１３は例えば荷電粒子線Ｌのターゲット８に対する照射位置を制御し、電流モニタ１６はターゲット８に照射される荷電粒子線Ｌの電流を測定する。なお、荷電粒子線走査部１３及び電流モニタ１６は省略されてもよい。
　加速器１１は、水素イオン等の荷電粒子を加速して陽子線等の荷電粒子線Ｌを生成するものである。本実施形態では、加速器１１としてサイクロトロンが採用されている。サイクロトロンは、例えば、６０ｋＷ（＝３０ＭｅＶ×２ｍＡ）の荷電粒子線Ｌを生成する能力を有している。なお、加速器１１として、サイクロトロンに代えて、シンクロトロン、シンクロサイクロトロン又はライナック等の他の加速器を用いてもよい。
　ビーム輸送路１２の一端は、加速器１１に接続されている。ビーム輸送路１２は、荷電粒子線Ｌを調整するビーム調整部１５を備えている。ビーム調整部１５は、荷電粒子線Ｌの軸を調整する水平型ステアリング電磁石及び水平垂直型ステアリング電磁石と、荷電粒子線Ｌの発散を抑制する四重極電磁石と、荷電粒子線Ｌを整形する四方スリット等を有している。なお、ビーム輸送路１２は荷電粒子線Ｌを輸送する機能を有していればよく、ビーム調整部１５は無くてもよい。
　ビーム輸送路１２によって輸送された荷電粒子線Ｌは、荷電粒子線走査部１３によって照射位置を制御されてターゲット８に照射される。なお、荷電粒子線走査部１３を省略して、常にターゲット８の同じ箇所に荷電粒子線Ｌを照射するようにしてもよい。
　ターゲット８は、荷電粒子線Ｌが照射されることによって中性子線Ｎを発生させる。ターゲット８は、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、リチウム（Ｌｉ）、タンタル（Ｔａ）又はタングステン（Ｗ）で構成されており、板状を成している。なお、ターゲット８は、板状に限らず、他の形状（例えば、液状）のものを用いてもよい。ターゲット８が発生させた中性子線Ｎは、中性子線照射部２０によって照射室２内の患者Ｓに向かって照射される。
　中性子線照射部２０は、ターゲット８から出射された中性子線Ｎを減速する減速材２１と、中性子線Ｎ及びガンマ線等の放射線が外部に放出されないように遮蔽する遮蔽体２２とを備えており、この減速材２１と遮蔽体２２とでモデレータが構成されている。
　減速材２１は例えば異なる複数の材料から成る積層構造とされており、減速材２１の材料は荷電粒子線Ｌのエネルギー等の諸条件によって適宜選択される。具体的には、例えば加速器１１からの出力が３０ＭｅＶの陽子線でありターゲット８としてベリリウムターゲットを用いる場合には、減速材２１の材料は鉛、鉄、アルミニウム又はフッ化カルシウムとすることができる。
　遮蔽体２２は、減速材２１を囲むように設けられており、中性子線Ｎ、及び中性子線Ｎの発生に伴って生じたガンマ線等の放射線が遮蔽体２２の外部に放出されないように遮蔽する機能を有する。遮蔽体２２は、荷電粒子線生成室１４と照射室２とを隔てる壁Ｗ１に少なくともその一部が埋め込まれている。なお、遮蔽体２２は壁Ｗ１に埋め込まれていなくてもよい。また、照射室２と遮蔽体２２との間には、照射室２の側壁面の一部を成す壁体２３が設けられている。壁体２３には、中性子線Ｎの出力口となるコリメータ取付部２３ａが設けられている。このコリメータ取付部２３ａには、中性子線Ｎの照射野を規定するためのコリメータ３１が固定されている。
　以上の中性子線照射部２０では、荷電粒子線Ｌがターゲット８に照射され、これに伴いターゲット８が中性子線Ｎを発生させる。ターゲット８によって発生した中性子線Ｎは、減速材２１内を通過している際に減速され、減速材２１から出射された中性子線Ｎは、コリメータ３１を通過して治療台３上の患者Ｓに照射される。ここで、中性子線Ｎとしては、比較的エネルギーが低い熱中性子線又は熱外中性子線を用いることができる。
　治療台３は、中性子捕捉療法で用いられる載置台として機能し、患者Ｓを載置したまま準備室（不図示）から照射室２へ移動可能となっている。治療台３は、治療台３の土台を構成する土台部３２と、土台部３２を床面上で移動可能とするキャスタ３３と、患者Ｓを載置するための天板３４と、天板３４を土台部３２に対して相対的に移動させるための駆動部３５とを備えている。なお、キャスタ３３を用いず、土台部３２を床に固定しても良い。
　次に、図３を参照して、本実施形態に係る中性子捕捉療法システム１の要部について説明する。図３に示すように、中性子捕捉療法システム１は、記憶部６４と、ガンマ線検出部５０と、制御部６０と、表示部６６と、を備えている。
　記憶部６４は、患者Ｓの患部の水素原子、又は窒素原子の分布を示す分布データを記憶する。記憶部６４は、水素原子の分布データ及び窒素原子の分布データを両方備えていてもよい。当該分布データは、本実施形態に係る中性子捕捉療法システム１による中性子線の照射を行う前段階の治療計画時に記憶される。分布データは、患者ＳのＣＴ（Ｃｏｍｐｕｔｅｄ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）画像に基づいて、当該患者Ｓの内部における各領域の水素原子密度、又は窒素原子密度を用いて取得することができる。あるいは、ＭＲＩ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ）画像に基づく場合は、水素原子の分布を直接的に取得することができる。記憶部６４は、記憶した分布データを必要なタイミングで制御部６０に出力する。なお、記憶部６４は、各種データを記憶してよい。
　ガンマ線検出部５０は、中性子線Ｎが照射されることによって患者Ｓから発生するガンマ線Ｇを検出する。人体に多く分布している水素、窒素は中性子の反応断面積が高いため、反応によって高エネルギーのガンマ線を放出する。従って、ガンマ線検出部５０は、中性子線Ｎの照射によって患者Ｓの内部から発生するガンマ線Ｇを検出することができる。水素原子は、中性子と反応することで２．２ＭｅＶのガンマ線Ｇを放出する。窒素原子は、中性子と反応することで１０．８ＭｅＶのガンマ線Ｇを放出する。例えば、ガンマ線検出部５０によって検出される所定箇所におけるガンマ線Ｇのエネルギー分布の一例を図６に示す。図６に示すように、水素原子が多く含まれている箇所においては、２．２ＭｅＶでのピークが大きくなる。
　ガンマ線検出部５０は、複数のカメラ５１によって構成されている。また、複数のカメラ５１の軸ＣＬは、互いに交差している。なお、ここでの「軸」とは、カメラ５１が検出できる範囲の中心を通る仮想的な軸のことを意味する。本実施形態では、交差角度は９０°に設定されているが、他の角度（例えば、６０°や１５０°等）に設定されても良い。また、各軸ＣＬが交差する部分（あるいは互いに最も近接する部分）が、治療台３に載せられた患者Ｓの患部の内部に配置されるように、各カメラ５１の向きが設定される。なお、複数のカメラ５１の軸ＣＬが互いに交差している状態には、軸ＣＬ同士がねじれの位置の関係にある状態も含まれるものとする。各カメラ５１は、治療台３の周辺部であって、コリメータ３１の出口部から所定距離離間すると共に、当該治療台３に載せられた患者Ｓの患部から離間した位置に配置されている。各カメラ５１の軸ＣＬは、治療台３上に設置される患者Ｓの患部（ここでは頭部）へ向けられている。各カメラ５１は、定められた位置に固定されていてもよいが、移動機構と接続されることによって、患者Ｓの周りを移動してもよい。また、カメラ５１は、治療台３に取り付けられてもよく、壁体２３に取り付けられてもよく、別途設けられたカメラ５１専用の台に取り付けられてもよい。本実施形態では、カメラ５１は、二台設置されているが、三台以上であってもよく、一台であってもよい。各カメラ５１は、検出結果を制御部６０へ出力する。
　制御部６０は、中性子捕捉療法システム１全体の動作の制御を行う機能を有しており、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等により構成されている。制御部６０は、中性子束分布算出部６１と、判定部６２と、照射制御部６３と、を備えている。なお、制御部６０は、中性子線による治療を行う前段階である治療計画時における制御と、中性子線による治療中の制御を行うことができる。治療計画時では、制御部６０は、ＣＴやＭＲＩの画像に基づいてＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を設定する処理を行うと共に、各ＲＯＩの組成を決定することができる。制御部６０は、各ＲＯＩの水素原子又は窒素原子の分布データを取得することができる。制御部６０は、例えばモンテカルロシミュレーション等を用いた治療シミュレーションを実施することで、患者Ｓの患部に対する中性子束の分布を取得することができる。制御部６０は、当該シミュレーションを複数の照射方向から実施してよい。制御部６０は、これらの複数のシミュレーション結果から、治療に最適な照射方向を決定する。なお、これらの治療計画時における処理は、制御部６０以外の処理部が行ってもよい。また、治療シミュレーションは、モンテカルロシミュレーションに限定されず、当該手法以外のシミュレーションを行ってもよい。
　中性子束分布算出部６１は、記憶部６４に記憶された水素原子又は窒素原子の分布データ、及びガンマ線検出部５０によって検出されたガンマ線分布データに基づいて、患者Ｓ内の中性子束の分布を算出する。具体的には、中性子束分布算出部６１は、以下に示す式（１），（２），（３）を用いて中性子束の分布を算出する。以下の式のうち、「ｒ」はガンマ線検出部５０の検出効率を示し、「φ」は熱中性子束を示し、「σ」は核反応断面積を示し、「Ｎ」は原子個数密度を示す。なお、検出効率及び核反応断面積は、予め設定された値である。核反応断面積は、中性子１つあたりのガンマ線の発生量を示す。なお、式（１），（２），（３）は水素原子に基づいて中性子束の分布を算出する場合の式の例であり、窒素原子に基づいて演算する場合も同趣旨の式を用いることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　式（１）の左辺のＰ（ｘ，ｙ，ｚ）は、患者Ｓの患部のｘｙｚ座標中の各箇所におけるガンマ線の分布を示し、ガンマ線検出部５０の検出結果から得ることができる。なお、Ｐ（ｘ，ｙ，ｚ）は中性子線の照射中にリアルタイムに変動する値である。式（２）は患者Ｓの患部のｘｙｚ座標中の各箇所における水素原子の分布を示し、記憶部６４から取得した分布データから得ることができる。式（１）及び式（２）の連立方程式から、患者Ｓの患部のｘｙｚ座標中の各箇所における中性子の分布を示すφ（ｘ，ｙ，ｚ）を算出するための式（３）が得られる。当該式（３）の右辺に各値を代入することによって、φ（ｘ，ｙ，ｚ）をリアルタイムで算出することができる。
　判定部６２は、中性子束分布算出部６１によって算出された中性子束の分布が、治療計画において定められた中性子束の分布に基づいて予め定められた範囲を超えて変動しているか否かを判定する。照射制御部６３は、中性子線照射部２０による中性子線の照射制御を行う。また、照射制御部６３は、判定部６２に判定に基づいて、中性子線照射部２０が中性子線の照射を中止するような制御を行う。
　具体的には、判定部６２が、中性子束分布算出部６１によって算出された中性子束の分布が、治療計画において定められた中性子束の分布に基づいて予め定められた範囲を超えて変動していると判定した場合、照射制御部６３は、中性子線の照射を中止する。例えば、患者Ｓの位置ずれや中性子線の形状変化によって、中性子束分布算出部６１によって算出された中性子束の分布が、治療計画時に設定した中性子束の分布と一定以上異なるものとなった場合、中性子線の照射の中止が実行される。中性子線の照射を中止する場合、加速器１１は荷電粒子線Ｌの出射を停止する。なお、「予め定められた範囲」は、中性子束分布算出部６１によって算出された中性子束の分布と、治療計画時に設定した中性子束の分布との間のずれの許容範囲を示すものであり、どの程度の範囲に設定するかは特に限定されない。
　表示部６６は、中性子束分布算出部６１によって算出された中性子束の分布を表示する。表示部６６は、制御部６０の中性子束分布算出部６１から出力された算出結果を受信し、リアルタイムで表示する。表示部６６は、モニタ等によって構成されている。
　次に、図４に示すフローチャートを参照して、本実施形態に係る中性子捕捉療法システム１を用いた治療方法について説明する。なお、本フローチャートのＳ１０～Ｓ４０は、実際に患者Ｓに中性子線を照射する前段階の治療計画の工程に該当し、Ｓ５０～Ｓ９０は、実際に患者Ｓに中性子線を照射して治療する工程に該当する。なお、Ｓ１０～Ｓ４０の処理は制御部６０が実行するものとして説明を行うが、制御部６０以外の処理装置が実行してもよい。
　まず、制御部６０は、患者Ｓの患部のＣＴ画像に基づいてＲＯＩを設定する（ステップＳ１０）。次に、制御部６０は、Ｓ１０で設定した各ＲＯＩの組成を決定する（ステップＳ２０）。このとき、制御部６０は、各ＲＯＩにおける水素原子、又は窒素原子の分布を示す分布データを取得する。制御部６０は、取得したデータを記憶部６４に格納する。
　制御部６０は、患者Ｓの患部に対する中性子線の照射の治療シミュレーションを行う（ステップＳ３０）。具体的には、制御部６０は、治療シミュレーションの一例として、モンテカルロシミュレーションを行ってよい。これによって、例えば、図５に示すような中性子束の分布を示すデータが得られる。また、制御部６０は、当該シミュレーションを複数の照射方向について実行する。従って、中性子束の分布を示すデータ（以下、説明のために当該データを「治療計画データ」と称する）が、複数得られる。制御部６０は、Ｓ３０で得られた中性子束の分布を示す複数の治療計画データに基づいて、治療に最適な照射方向を決定する（ステップＳ４０）。Ｓ４０において、制御部６０は、中性子束の分布を示す複数の治療計画データのうち、患者Ｓの患部を最も適切に治療できる治療計画データを選択し、当該選択した治療計画データにおける照射方向を採用する。
　次に、制御部６０の照射制御部６３は、Ｓ４０で決定した照射方向から中性子線Ｎを照射して、患者Ｓの患部の治療を開始する（ステップＳ５０）。治療中、ガンマ線検出部５０は、中性子線Ｎの照射によって患者Ｓの内部から発生するガンマ線Ｇをリアルタイムで検出し、制御部６０は、当該検出結果を取得する（ステップＳ６０）。また、制御部６０の中性子束分布算出部６１は、記憶部６４に記憶された水素原子又は窒素原子の分布データ、及びＳ６０で取得されたガンマ線分布データに基づいて、患者Ｓ内の中性子束の分布を算出する（ステップＳ７０）。このとき、制御部６０の中性子束分布算出部６１は、算出した中性子束の分布を表示部６６で表示する。
　制御部６０の判定部６２は、Ｓ７０で算出された中性子束の分布が、Ｓ３０で得られた中性子束の分布を示す治療計画データに基づいて予め定められた範囲を超えて変動しているか否かを判定する（ステップＳ８０）。また、Ｓ８０において、判定部６２は、治療が終了したか否かも判定する。Ｓ８０において、判定部６２が、Ｓ７０で算出された中性子束の分布が治療計画データに基づいて予め定められた範囲を超えて変動しておらず、且つ、治療も終了していないと判定した場合、再びＳ６０から処理を繰り返す。
　一方、Ｓ８０において、判定部６２が、Ｓ７０で算出された中性子束の分布が治療計画データに基づいて予め定められた範囲を超えて変動していると判定した場合、及び/又は治療が終了したと判定した場合、照射制御部６３は、中性子線Ｎの照射を停止する（ステップＳ９０）。停止後、図４のフローチャートに示す処理が終了する。
　次に、本実施形態に係る中性子捕捉療法システム１の作用・効果について説明する。
　ここで、患者Ｓ中の水素原子、又は窒素原子は中性子と反応することによって、患者Ｓの内部からガンマ線を発生させる。すなわち、検出したガンマ線と、患者Ｓの中の水素原子、又は窒素原子を把握することで、患者Ｓの中の中性子束を把握することができる。そこで、本実施形態に係る中性子捕捉療法システム１では、中性子束分布算出部６１が、記憶部６４に記憶された患者Ｓの患部の水素原子、又は窒素原子の分布を示す分布データと、ガンマ線検出部５０によって検出されたガンマ線分布データとに基づいて、患者Ｓ内の中性子束の分布を算出することができる。また、ガンマ線検出部５０はリアルタイムでガンマ線Ｇを検出することができるため、中性子束分布算出部６１は、中性子束の分布をリアルタイムに算出することができる。これによって、当該算出結果と治療計画に係る中性子束の分布とを比較することで、治療計画通りに患者の内部へ中性子線が照射されているかを把握することができる。
　本実施形態に係る中性子捕捉療法システム１において、ガンマ線検出部５０は、複数のカメラ５１によって構成され、複数のカメラ５１の軸ＣＬは、互いに交差している。この場合、ガンマ線検出部５０は、カメラ５１を患者Ｓを中心に回転させることなく、患者Ｓ内で発生するガンマ線Ｇを三次元的に検出することができる。なお、カメラ５１を患者Ｓを中心に回転（又は回動）させた場合、当該動作のための機構が必要となる。患者とモデレータ及び治療台３との間には十分なスペースが無く、当該機構を設置することが困難となる可能性がある。また、患者の近くでカメラ５１を回転させることによる中性子の乱れにより、患者周辺の中性子線分布が治療計画通りとならない可能性がある。すなわち、患者体内における中性子束分布も治療計画通りとならない可能性がある。従って、ガンマ線検出部５０が複数のカメラ５１で構成することで、カメラ５１を回転させないことにより上述の問題を生じることなく、ガンマ線Ｇの三次元的な検出が可能となる。ただし、カメラ５１を患者Ｓを中心に回転（又は回動）させる機構を設けてもよい。
　本実施形態に係る中性子捕捉療法システム１において、中性子束分布算出部６１によって算出された中性子束の分布が、治療計画において定められた中性子束の分布に基づいて予め定められた範囲を超えて変動した場合、中性子線照射部２０は、中性子線Ｎの照射を中止してよい。この場合、実際の中性子線Ｎの照射が治療計画と異なるものとなった場合、治療を停止することができる。
　本実施形態に係る中性子捕捉療法システム１において、中性子束分布算出部６１によって算出された中性子束の分布を表示する表示部６６を更に備えてよい。この場合、システムの利用者が、患者Ｓ内の中性子束の分布をリアルタイムで視覚的に把握することができる。
　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に示すシステム構成や図４に示す治療方法の手順は一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲内においてあらゆる構成及び手順を採用してもよい。
　例えば、上述の実施形態では、制御部６０のような機器が、算出した中性子線分布が治療計画通りであるか否か（所定の範囲内であるか否か）の判断を行っていた。これに代えて、医師等が当該判断を行ってもよい。
　また、上述の実施形態では、中性子線を生成するための機構として、加速器１１及びターゲット８を用いる機構が採用されていた。これに代えて、原子炉を用いて中性子線を直接生成する構成を採用してもよい。
　１…中性子捕捉療法システム、２０…中性子線照射部、５０…ガンマ線検出部、５１…カメラ、６１…中性子束分布算出部、６４…記憶部、６６…表示部。

Claims (4)

  1. 　中性子線を照射する中性子線照射部と、
    　前記中性子線が照射される照射対象物が載置される治療台と、
    　前記照射対象物の被照射部の水素原子、又は窒素原子の分布を示す分布データを記憶する記憶部と、
    　前記中性子線が照射されることによって前記照射対象物から発生するガンマ線を検出するガンマ線検出部と、
    　前記記憶部に記憶された前記分布データ及び前記ガンマ線検出部によって検出されたガンマ線分布データに基づいて、前記照射対象物内の中性子束の分布を算出する中性子束分布算出部と、を備える、中性子捕捉療法システム。
  2. 　前記ガンマ線検出部は、複数のカメラによって構成され、
    　前記複数のカメラの軸は、互いに交差する、請求項１に記載の中性子捕捉療法システム。
  3. 　前記中性子束分布算出部によって算出された中性子束の分布が、治療計画において定められた中性子束の分布に基づいて予め定められた範囲を超えて変動した場合、前記中性子線照射部は、前記中性子線の照射を中止する、請求項１又は２に記載の中性子捕捉療法システム。
  4. 　前記中性子束分布算出部によって算出された中性子束の分布を表示する表示部を更に備える、請求項１～３の何れか一項に記載の中性子捕捉療法システム。
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