作成： 1999/11/11 足達 芳嗣
データ番号 ：040166
PET用小型加速器
目的 ：陽電子放出放射性薬剤を製造するための、小型加速器の利用
放射線の種別 ：ガンマ線,陽電子,陽子,軽イオン
放射線源 ：サイクロトロン(陽子 18MeV,100μA; 重陽子 10MeV,100μA); タンデム型バンデグラフ(陽子 16MeV,10μA; 重陽子 16MeV,10μA); 高周波四重極(RFQ)加速器(ヘリウム3 1MeV,15mA)
利用施設名 ：ペンシルバニア大学、マックギル大学、ワシントン大学、オルセイ病院、ブルックヘブン国立研究所； 放射線医学総合研究所、東北大学サイクロトロンRIセンター、京都大学病院、秋田脳血管研究センター、群馬大学病院、九州大学病院、千葉大学病院、東京大学病院、名古屋市総合リハビリテーションセンター、名古屋大学病院、東京都老人総合研究所、国立循環器病センター、仁科記念サイクロトロンセンター、大阪市立大学病院、生体機能研究所、兵庫県高齢者脳機能研究センター、国立精神神経センター、福井医科大学、長寿医療研究センター、大阪大学病院、国際医療センター、北海道大学病院、滋賀県立成人病センター
照射条件 ：窒素ガス、ネオンガス、水
応用分野 ：ガン診断、脳機能診断、心機能診断、薬理学的研究、放射化学
概要 ：
陽電子放出核種(11C, 13N, 15O, 18F)で標識された放射性医薬品による断層撮影は、生体内の代謝機能を画像化することができるので、腫瘍や脳疾患、心疾患の研究や診断に有用である。これらの核種は超短寿命(半減期が2分から110分)なので、加速器を含めた製造設備を医療機関内に設置しなければならない。従って、それに適した小型で運転の容易な加速器が、各地の施設で利用されている。
詳細説明 ：
1970年頃より陽電子(ポジトロン)放出核種を用いるPET診断が、核医学の分野で発展してきた。これは、11C、13N、15O、18Fといった陽電子放出核種で標識した化合物を被験者に投与し、核種から放出される消滅ガンマ線をポジトロンCT(PET)装置を用いて体外計測して、体内の様々な生化学過程を定量的に測定するものである。
X線CTやMRIが形態の変化を画像化するのに対して、PETは水、酸素、ブドウ糖、アミノ酸などの物質を直接標識するので、生体内の機能を画像化できるのが特徴である。また、単一光子放出核種(SPECT)と比べると、放出エネルギーが高い(511keV)ので感度が高く、同時計数を行うので空間分解能が優れている。
主に利用される標識化合物とその用途は、11C-メチオニン(アミノ酸代謝)、11C-メチルスピペロン(脳内レセプター)、13N-アンモニア(心筋血流量)、15O-酸素ガス(酸素代謝)、15O-一酸化炭素ガス(血液量)、15O-二酸化炭素ガス(血流量)、15O-水(血流量)、18F-フルオロデオキシグルコース(糖代謝)である。18F-フルオロデオキシグルコース(FDG)は、最も良く利用される化合物で、半減期が比較的長く(110分)、腫瘍や脳の機能検査などに使用される。
これらの4核種は半減期が短い(2分〜110分)ので、施設内に小型の加速器を設置して、化合物の合成・品質管理までを行わなければならない。そのために加速器自体を小型にする工夫がなされている。また、施設の遮蔽設備を最小限とするために、自己遮蔽を備えたものや、合成技術の進歩に伴って加速器のエネルギーを下げたものが増えてきている。
化合物の合成プロセスも、反応時間が短く、収率が安定していて自動化の容易な方法が研究され、実用化している。表1に、これらの4核種を生成するための核反応と半減期を示す。
表1 Nuclear reaction and half life of the positron emitting radioisotopes
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Radionuclide Nuclear Reaction Half Life
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Oxygen-15 14N(d,n)15O 2.05 min
15N(p,n)15O
Carbon-11 10B(d,n)11C 20.4 min
11B(p,n)11C
14N(p,α)11C
Nitrogen-13 12C(d,n)13N 10 min
16O(p,α)13N
Fluorine-18 20Ne(d,α)18F 112 min
20Ne(3He,αn)18Ne
→18F(1)
(1)16O(α,p)18F
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(1) not possible with ゛baby cyclotrons″
これら4核種を製造するのに、最も良く使用されているのは陽子エネルギー16MeV程度、重陽子エネルギー10MeV程度のサイクロトロンである。1980年頃は、正イオン加速方式のサイクロトロンが主流であったが、1990年以降、負イオン加速方式のサイクロトロンが一般的となった。負イオン加速方式は、原子核に電子を付加した負イオンを所定のエネルギーまで加速し、取り出し半径に設置した薄いカーボンフォイルで電子を剥ぎ取って、正イオンビームとして引き出すものである。引き出し効率がほぼ100%なので、多くのビーム電流を容易に得ることができ、また機器の放射化も少ないので、RI製造用に適している。最近は、18F-FDG製造を主目的とした、陽子エネルギー12MeV程度のより小型の陽子加速専用機も普及している。
図1 負イオン加速型サイクロトロン
米国ペンシルバニア大学では、陽子及び重陽子エネルギー16MeVのタンデム型バンデグラフを使用しており、ルーチンに十分な量を供給している。バンデグラフはサイクロトロンと異なり、同じエネルギーの陽子と重陽子が得られるのが特徴である。ターゲット周辺からは、核反応により高線量の中性子が発生するので、約1900kgの水タンクで遮蔽している。
米国のSAIC社は、ヘリウム3ビームでこれらの陽電子放出核種を製造するための高周波四重極(RFQ)加速器を開発している。ヘリウム3を使用すると、陽子や重陽子の核反応に比べて発生する中性子が少なくなる利点がある。従来のRFQ加速器に対して機械構造をベーンとロッドの折衷形としたので、小型化され、組立て精度の微妙さも軽減した。さらに、ビーム形状がRI製造に適したものになるようにビーム出口付近のベーン形状を工夫している。
図2 Mechanical drawing of the geometry of the PreStripper RFQ vane. （原論文4より引用。 Reprinted from Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., vol.B79, 933 (1993), W.D.Cornelius, P.E.Young: Design of a 1MeV 3He+ RFQ for the SAIC PET accelerator facility, Figure 1 (Data source 4, pp.934), Copyright (1993), with permission from Elsevier Science.）
コメント ：
日本国内のPET施設は、現状で、約30施設あり、すべてサイクロトロンが使用されている。他の加速器の使用実績は世界的にも少ない。現在、日本では保険適用になっているのは15Oガス(1996年4月より)のみで、他の核種については認められないのが現状である。アメリカでは、FDG供給をきっかけとして20台／年ずつPET施設が増えており、日本においても、FDGの保険適用が実現すれば、さらにPET施設の普及が促進される可能性がある。
原論文１ Data source 1：
Tandem Van de Graaff Accelerator Production of Positron Labeled Radiopharmaceuticals for Routine Clinical Use
S.C.Jones, G.D.Robinson Jr., and E.Mcintyre
Cerebrovascular Research Center, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104, U.S.A.
Int. J. Appl. Radiat. Isot., Vol. 35, No. 8, p. 721-729 (1984)
原論文２ Data source 2：
Progress Review of Cyclotron Medicine in Neurology
W.Feindel
Mcgill University, Canada
日本アイソトープ・放射線総合会議論文集, Vol. 16, p. 173-186 (1983)
原論文３ Data source 3：
Production of Cyclotron Radiaisotopes and Radiapharmaceuticals for Medical Use.
D.Comar
Service Hospitalier F. Joliot, Departement de Biologie, C.E.A., 4 place du G1 Leclerc 91406 ORSAY - FRANCE.
9th International Conference on Cyclotrons and their Applications, 1981, p.645-652
原論文４ Data source 4：
Design of a 1MeV 3He+ RFQ for the SAIC PET accelerator facility
W.D.Cornelius and P.E.Young
Science Applications International Corp (SAIC), 4161 Campus Point Court, San Diego, California 92121, USA
Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, B79 (1993) p. 933-935
原論文５ Data source 5：
In-House Cyclotron and Radioisotopes Production System
Y.Adachi, K.Fujii, M.Maruyama, Y.Nishihara, A.Tanaka, T.Hiroishi, H.Suzuki and G.Meyrand*)
Sumitomo Heavy Industries, Ltd., Niihama-shi, Ehime 792, Japan; *)CGR-MeV, 78530 BUC, France
Proc. 11th Int. Conf. on Cyclotrons and their Applications, 1987, p. 622-625
原論文６ Data source 6：
Cyclotron and RI Production System for PET
Y.Adachi
Sumitomo Heavy Industries, Ltd.
Proceedings of the First Symposium on Accelerator and Related Technology for Application, 1998, p. 33-36
原論文７ Data source 7：
医療用サイクロトロン
藤居 一男
住友重機械工業
放射線医学大系, 特別巻6, ポジトロンCT, 中山書店 (1989) p. 53-71
キーワード：サイクロトロン、タンデム型バンデグラフ、高周波四重極加速器、陽電子放出断層撮影、陽電子放出核種、放射性医薬品
cyclotron, tandem van de graaff, radiofrequency quadrupole (RFQ) accelerator, positron emission tomography (PET), positron emitting radioisotopes, radiopharmaceutical
分類コード：030401, 030502, 040101