作成： 1996/09/14 井上 信
データ番号 ：040013
陽子線治療用サイクロトロン
目的 ：陽子線治療用小型サイクロトロン建設の現状
放射線の種別 ：陽子
放射線源 ：陽子サイクロトロン(230MeV, 100nA)
線量（率） ：2Gy in <1min
利用施設名 ：ハーバード大学サイクロトロン、マサチューセッツ総合病院(MGH)サイクロトロン
照射条件 ：大気中
応用分野 ：ガン治療、放射線物理
概要 ：
ガンの陽子線ビームによる治療はハーバード大学のシンクロサイクロトロンで長い歴史があり、この成果に基づいて各地で陽子線治療専用機が建設されつつある。加速器の機種は多様であるが、ベルギーのIBA社が開発し住友重機械工業が協力提携している小型のサイクロトロンは治療専用の極めてコンパクトなものである。現在ハーバード大学での治療実績をもつマサチューセッツ総合病院(MGH)でその1号機が建設されている。
詳細説明 ：
陽子線の生体組織に与える生物学的効果はほぼX線やガンマー線と同様であるが、陽子線はブラッグピークをもつ。つまり体内でガンマー線は次第に減衰するが、陽子線はそのエネルギーに対応したある点で止まる。その止まる場所において生体組織へのエネルギー付与が集中している。特に止まった点より先にはほとんど影響を与えない。したがって重要な臓器に近いところのガンでも集中的に照射治療を行うことができる。この特徴を活かして1954年から1994年までに14000人の患者が陽子線の治療を受けた。特にハーバード大学サイクロトロン実験室(HCL)の160MeVのシンクロサイクロトロンはもともと原子核物理学の研究に使われたがその後もっぱらマサチューセッツ総合病院(MGH)と共同してガン治療に用いられ、もっとも長くかつ多くの臨床経験をもつ。
その後各地で陽子線治療の専用機の計画が進められたが、最近になってMGHではそのボストンの病院内に専用のサイクロトロンを建設することになった。このサイクロトロンはベルギーのIBA社が設計したもので、開発建設には住友重機械工業も協力している。最近の原子核研究用の可変エネルギーのサイクロトロンとは異なり、小型化のためにエネルギーは固定で230MeVとし、維持運転の容易さを考慮して超電導は用いず、しかし常電導の磁石としては2.9Tというかなり高い磁場を出して小型化をはかっている。それにもかかわらず、消費電力を下げるため最外周のギャップは約6mmという狭さにしている。
このサイクロトロンの主な部品の仕様は表1のようになっている。
表1 The main characteristics of the machine. （原論文1より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., B79 p.885 (1993), Y.Jongen, A.Laisne, W.Beeckman, J.P.Dufer, H.Marie, R.Verbruggen, H.Wollnik, N.Takahashi, S.Satoh, M.Sano and T.Takayama, Progress report on the IBA-SHI small cyclotron for cancer therapy, Table 1 (Data source 1, pp.885), Copyright (1993), with permission from Elsevier Science NL, Amsterdam, The Netherlands.）
Magnet system ---------------------------------
Number of sectors 4
Sector angle at the center 36°
Sector angle at extraction 57°
Maximum gap height 48mm
Maximum hill field 2.9T
Minimum valley field 0.9T
Average field at extraction 2.165T
Average field at center 1.74T
Spiral angle at the center 0°
Spiral angle at extraction radius 60°
Total current 5.324x105At
Apparent current density in coils 155A/cm2
Actual current density in coils 200A/cm2
Power per coil 87.5kW
Weight of one coil 20.8ton
Weight of the iron 190ton
Rf system--------------------------------------
Resonating system 2dees in opppsite valleys
Harmonic mode H=4
Dee voltage 100kV
Frequency 106.11MHz
Length of resonator 60cm
Capacitive loading estimated
(each resonator) 58pF
Total rf power estimated
for 100 kV 65kW
Miscellaneous----------------------------------
Operation vacuum 5x10-6mbar
Source type hot filament PIG
Source turn on/off time 15 μs
Extracted intensity 1-100nA
Output vertical emittance 1-2π mm mrad
Output horizontal emittance 1-2π mm mrad
------------------------------------------------
サイクロトロン室および治療室のガントリーの平面図は図1のようになっている。
図1 Preliminary layout of beam line equipment for the Northeast Proton Therapy Center including subsystem names.（原論文2より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., B99 p.830 (1995), J. Franz, S. Durlacher, M. Goitein, A. Levine, P. Reardon, A. Smith: Overview of the MGH-Northeast Proton Therapy Center plans and progress, Figure 1 (Data source 2, pp.832), Copyright (1995), with permission from Elsevier Science NL, Amsterdam, The Netherlands.）
さらに、このサイクロトロン施設(北東陽子治療センター：NPTC)の全体の建物の様子は図2に示すように計画されている。
図2 Preliminary layout of NPTC building including the lower level which includes the accelerator equipment and the ground level.（原論文2より引用。 Reproduced from Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res., B99 p.830 (1995), J. Franz, S. Durlacher, M. Goitein, A. Levine, P. Reardon, A. Smith: Overview of the MGH-Northeast Proton Therapy Center plans and progress, Figure 2 (Data source 2, pp.833), Copyright (1995), with permission from Elsevier Science NL, Amsterdam, The Netherlands.）
このシステムは加速器のエネルギーが230MeVと固定なのでより低いエネルギーのビームを必要とするときにはエネルギー選別システム(ESS)を利用する。これはエネルギー吸収体であるデグレーダーとそれを通過したビームのエネルギーを分析する磁石系からなっている。治療室のガントリーはビームが患者のどの方向からも照射できるように360度回転する。その先端にはビームをガンの組織の大きさに広げて照射するためにビームの散乱体またはウオブラーと呼ばれるビームの方向を変化させて均一な照射分布にできるシステムを取り付ける。なお同様なサイクロトロンは国立がんセンターの東病院に設置が認められており、筑波大学でも計画が進みつつある。
コメント ：
小型で操作も容易といわれる。反面エネルギーが固定なので最高エネルギーを使うことはあまりないことを考えると常時デグレーダーで中性子を発生させることになり、放射線発生量は多い。IBAではスポットスキャンについても検討中でこれがうまく行けば興味深い。
原論文１ Data source 1：
Progress report on the IBA-SHI small cyclotron for cancer therapy
Y.Jongen, A.Laisne, W.Beeckman, J.P.Dufer, H.Marie, R.Verbruggen, H.Wollnik, N.Takahashi, S.Satoh, M.Sano and T.Takayama
Ion Beam Applications s.a., Chemin du Cyclotron, 2. B-1348 Louvain-la-neuve, Belgium, II.Physikalisches Institut Universitat Giessen, Heinrich-Buff-Ring 16, D-6300 Giessen, Germany, Sumitomo Heavy Industries, Niihama-City, Japan
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B79 p.885 (1993)
原論文２ Data source 2：
Overview of the MGH-Northeast Proton Therapy Center plans and progress
Jacob Franz, Stanley Durlacher, Michael Goitein, Anne Levine, Paul Reardon, Al Smith
Massachuhsetts General Hospital, Northeast Proton Therapy Center, Boston, MA02114, USA
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B99 p.830 (1995)
原論文３ Data source 3：
Proton radiation therapy: a summary of the world wide experience
Janet M. Sistereson
Cyclotron Laboratory, Harvard University, Cambridge Massachusetts, USA
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B99 p.827 (1995)
キーワード：サイクロトロン、ガン治療、
Cyclotron, Cancer Therapy
分類コード：030202,030402,040101