(57)【要約】一種の中性子捕捉システムに使用されて中性子ビームの照射範囲を調整可能なビーム整形体（１０）、ビーム入口（１１）、ターゲット（１２）、ターゲット（１２）に隣接する緩速体（１３）、緩速体（１３）の外側を取り囲む反射体（１４）、緩速体（１３）に隣接する熱中性子吸収体（１５）、ビーム整形体（１０）内に配置された放射遮蔽体（１６）およびビーム出口（１７）を含み、ターゲット（１２）は、ビーム入口（１１）から入射された陽子ビームとの間の核反応により中性子を発生し、中性子は中性子ビームを形成し、中性子ビームは一本の主軸（X）を画定し、緩速体（１３）は、ターゲット（１２）から発生された中性子を熱外中性子エネルギー領域に緩速させ、反射体（１４）は、熱外中性子を集中させるために主軸（X）から逸脱した中性子を主軸（X）に戻させ、熱中性子吸収体（１５）は、治療中に浅い正常組織での過剰な線量を避けるために熱中性子を吸収するために使用され、放射遮蔽体（１６）は、漏れた中性子および光子を遮蔽して非照射領域の正常組織線量を低減させるために使用され、ビーム整形体（１０）は、中性子ビームの照射範囲を変更するように、さらにビーム整形体（１０）に取り付けられ、かつビーム整形体から取り外し可能である交換部品（２１、２２）を含む。
2020509919.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性子捕捉治療用のビーム整形体であって、
前記ビーム整形体は、ビーム入口と、ターゲットと、前記ターゲットに隣接する緩速体と、前記緩速体の外側を取り囲む反射体と、前記緩速体に隣接する熱中性子吸収体と、前記ビーム整形体内に配置された放射遮蔽体と、ビーム出口とを含み、
前記ターゲットは、前記ビーム入口から入射された陽子ビームとの間の核反応により中性子を発生させ、前記中性子は中性子ビームを形成し、前記中性子ビームは主軸を画定し、
前記緩速体は、前記ターゲットから発生された中性子を熱外中性子エネルギー領域に緩速させ、
前記反射体は、熱外中性子を集中させるために前記主軸から逸脱した中性子を前記主軸に戻させ、
前記熱中性子吸収体は、治療中に浅い正常組織での過剰な線量を避けるために熱中性子を吸収するために使用され、
前記放射遮蔽体は、漏れた中性子および光子を遮蔽して非照射領域の正常組織線量を低減させるために使用され、
前記ビーム整形体は、中性子ビームの照射範囲を変更するように、前記ビーム整形体に取り付けられ、かつ前記ビーム整形体から取り外し可能である交換装置をさらに含み、
前記交換装置は、前記ビーム出口を形成する、ことを特徴とする、
中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【請求項２】
前記交換装置は、第一交換部材および第二交換部材を含み、
前記第一交換部材は、前記ターゲットから離れて第一直径を有する第一端部、および前記ターゲットに隣接して第二直径を有する第二端部を有し、
前記第二交換部材は、前記ターゲットから離れて第三直径を有する第三端部、および前記ターゲットに隣接して第四直径を有する第四端部を有し、
前記第一交換部材の第一端部に第一開口を有するビーム出口が形成され、
前記第二交換部材の第三端部に第二開口を有するビーム出口が形成され、
前記第一開口は、第二開口と等しくない、ことを特徴とする、
請求項１に記載の中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【請求項３】
前記第一交換部材は、第一端部と第二端部を接続する本体部を有し、
前記本体部の外面は、前記主軸と平行である、ことを特徴とする、
請求項２に記載の中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【請求項４】
前記第一交換部材は、第一端部と第二端部を接続する本体部を有し、
前記本体部の外面は、第一端部から第二端部に向かって傾斜してその直径が次第に減少する円錐状になり、
前記本体部の内面は、第二端部から第一端部に向かって傾斜してその直径が次第に減少する円錐状になる、ことを特徴とする、
請求項２に記載の中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【請求項５】
前記第一端部には、第二端部に貫通する貫通孔が設けられ、
前記貫通孔は、第一端部に前記ビーム出口を形成し、
前記中性子ビームは、前記ビーム出口から照射される、ことを特徴とする、
請求項２に記載の中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【請求項６】
前記ビーム整形体は、内面を有し、
前記放射遮蔽体は、端部を有し、
前記第一交換部材は、第一端部と第二端部を接続する本体部を有し、
前記第一交換部材は、前記端部から前記ビーム整形体内に取り付けられ、
前記本体部の外面は、前記ビーム整形体の内面に接触し、
前記第一端部は、前記端部と同一平面上にあり、または前記ターゲットから離れる方向に沿って前記端部に突出する、ことを特徴とする、
請求項２に記載の中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【請求項７】
前記第一交換部材は、陽子ビームの入射方向に沿って、緩速体の前側に設けられて前記端部と同一平面上にあり、または前記ターゲットから離れる方向に沿って前記端部に突出し、
前記第一交換部材は、部分反射体および／または部分放射遮蔽体である、ことを特徴とする、
請求項６に記載の中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【請求項８】
前記緩速体は、２つの互いに隣接する円錐部を含み、そのうちの１つの円錐部は、前記ビーム入口に隣接し、もう１つの円錐部は、ビーム出口に隣接し、
前記第一交換部材は、緩速体の前記ビーム出口に隣接する円錐部の後側に隣接する、ことを特徴とする、
請求項７に記載の中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【請求項９】
前記反射体は、ＰｂまたはＮｉのいずれか１つまたは複数からなり、
前記放射遮蔽体は、Ｐｂからなる光子遮蔽およびポリエチレンからなる中性子遮蔽を含む、ことを特徴とする、
請求項１に記載の中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【請求項１０】
前記ビーム整形体は、加速器ホウ素中性子捕捉治療にさらに使用され、加速器ホウ素中性子捕捉治療は、加速器によって陽子ビームを加速させ、
前記ターゲットは、金属で製造され、
前記陽子ビームは、ターゲット原子核クーロン反発を克服するのに十分なエネルギーまで加速され、前記ターゲットとの核反応により中性子を発生させ、
前記ビーム整形体は、中性子を熱外中性子エネルギー領域まで緩速させ、かつ熱中性子および高速中性子の含有量を低減することができ、熱外中性子エネルギー領域は０．５ｅＶ〜４０ｋｅＶであり、熱中性子エネルギー領域は０．５ｅＶより小さく、高速中性子エネルギー領域は４０ｋｅＶより大きい、ことを特徴とする、
請求項1に記載の中性子捕捉治療用のビーム整形体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ビーム整形体に関し、特に中性子捕捉治療用のビーム整形体に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子科学の発展に従って、コバルト60、線形加速器、電子ビームなどの放射線療法は、すでにがん治療の主な手段の一つとなった。しかし、従来の光子または電子療法は、放射線そのものの物理的条件の制限で腫瘍細胞を殺すとともに、ビーム経路上の数多くの正常組織に損傷を与える。また、腫瘍細胞により放射線に対する感受性の度合いが異なっており、従来の放射線療法では、放射線耐性の高い悪性腫瘍（例、多形神経膠芽腫（glioblastoma multiforme）、黒色腫（melanoma））に対する治療効果が良くない。
【０００３】
腫瘍の周囲の正常組織への放射線損傷を軽減するすために、化学療法（chemotherapy）における標的療法が、放射線療法に用いられている。また、放射線耐性の高い腫瘍細胞に対し、現在では生物学的効果比（relative biological effectiveness, RBE）の高い放射線源が積極的に開発されている（例えば、陽子線治療、重粒子治療、中性子捕捉療法など）。このうち、中性子捕捉療法は、上記の2つの構想を結びつけたものである。例えば、ホウ素中性子捕捉療法では、ホウ素含有薬物が腫瘍細胞に特異的に集まり、高精度な中性子ビームの制御と合わせることで、従来の放射線と比べて、より良いがん治療オプションを提供する。
【０００４】
ホウ素中性子捕捉療法（Boron Neutron Capture Therapy, BNCT）はホウ素（ 10 B）含有薬物が熱中性子に対し大きい捕獲断面積を持つ特性を利用し、10B(n,α) 7Li中性子捕捉と核分裂反応により4Heと7Liという2種の重荷電粒子を生成する。図1と図2は、それぞれホウ素中性子捕捉の反応概略図と10B(n,α) 7Li中性子捕捉の原子核反応式を示す。2種の重荷電粒子は平均エネルギーが2.33MeVであり、高い線エネルギー付与(Linear Energy Transfer, LET)及び短い射程という特徴を持つ。α粒子の線エネルギー付与と射程はそれぞれ150 keV/μm、8μmであり、7Li重荷粒子の場合、それぞれ175 keV/μm、5μmである。2種の粒子の合計射程が細胞のサイズに近いので、生体への放射線損害を細胞レベルに抑えられる。ホウ素含有薬物を選択的に腫瘍細胞に集め、適切な中性子源と合わせることで、正常組織に大きな損害を与えないで腫瘍細胞を部分的に殺せる。
【０００５】
ホウ素中性子捕捉治療の有効性は、腫瘍細胞の位置におけるホウ素含有薬剤の濃度および熱中性子数によって決めるため、バイナリガン治療（ｂｉｎａｒｙ  ｃａｎｃｅｒ  ｔｈｅｒａｐｙ）とよばれる。既存のＡＢ−ＢＮＣＴ設備で使用されるビーム整形体は、異なる開口を有する様々なコリメータを使用して中性子ビームのサイズを調整する場合が多く、しかしながら、コリメータが取り付けられない場合、ビーム出口は反射体および中性子遮蔽で構成され、したがって、単にビーム出口に対するコリメータの限縮に依存することによって、ビーム出口の可変範囲が制限される。例えば、コリメータ無しのビーム整形体のビーム出口半径が７ｃｍで腫瘍領域が大きい場合、ビーム照射範囲が小さいために腫瘍患部を完全に照射することができない。コリメータ無しのビーム整形体のビーム出口半径が１０ｃｍで腫瘍領域が小さい場合、コリメータを追加してもコリメータはその厚さによって制限され、また、ビーム照射範囲が大きすぎるため、ビーム照射面積を効果的に制限することができず、周囲の正常組織が不要な照射を受ける。 
【発明の概要】
【０００６】
中性子ビームの照射範囲を変更可能なビーム整形体を提供するために、本発明の一態様は、中性子捕捉治療用のビーム整形体を提供し、前記ビーム整形体は、ビーム入口と、ターゲットと、前記ターゲットに隣接する緩速体と、前記緩速体の外側を取り囲む反射体と、前記緩速体に隣接する熱中性子吸収体と、前記ビーム整形体内に配置された放射遮蔽体と、ビーム出口とを含み、前記ターゲットは、前記ビーム入口から入射された陽子ビームとの間の核反応により中性子を発生させ、前記中性子は中性子ビームを形成し、前記中性子ビームは主軸を画定し、前記緩速体は、前記ターゲットから発生された中性子を熱外中性子エネルギー領域に緩速させ、前記反射体は、熱外中性子を集中させるために前記主軸から逸脱した中性子を前記主軸に戻させ、前記熱中性子吸収体は、治療中に浅い正常組織での過剰な線量を避けるために熱中性子を吸収するために使用され、前記放射遮蔽体は、漏れた中性子および光子を遮蔽して非照射領域の正常組織線量を低減させるために使用され、前記ビーム整形体は、中性子ビームの照射範囲を変更するように、前記ビーム整形体に取り付けられ、かつ前記ビーム整形体から取り外し可能である交換装置をさらに含み、前記交換装置は前記ビーム出口を形成する。
【０００７】
さらに、前記交換装置は、第一交換部材および第二交換部材を含み、前記第一交換部材は、前記ターゲットから離れて第一直径を有する第一端部、および前記ターゲットに隣接して第二直径を有する第二端部を有し、前記第二交換部材は、前記ターゲットから離れて第三直径を有する第三端部、および前記ターゲットに隣接して第四直径を有する第四端部を有し、前記第一交換部材の第一端部に第一開口を有するビーム出口が形成され、前記第二交換部材の第三端部に第二開口を有するビーム出口が形成され、前記第一開口は第二開口と等しくない。
【０００８】
好ましくは、前記第一交換部材は、第一端部と第二端部を接続する本体部を有し、前記本体部の外面は前記主軸と平行であり、前記本体部の輪郭は円筒状であることが理解できる。
【０００９】
好ましくは、前記第一交換部材は、第一端部と第二端部を接続する本体部を有し、前記本体部の外面は、第一端部から第二端部に向かって傾斜してその直径が次第に減少する円錐状になり、前記交換部材の本体部は円錐状であることが理解でき、前記本体部の内面は、第二端部から第一端部に向かって傾斜してその直径が次第に減少する円錐状になる。
【００１０】
他の実施例として、前記第一交換部材は、第一端部と第二端部を接続する本体部を有し、前記本体部の外面は、第二端部から第一端部に向かって傾斜してその直径が次第に減少する円錐状になり、前記本体部の内面も、第二端部から第一端部に向かって傾斜してその直径が次第に減少する円錐状になる。本実施例において、第二端部の第二直径が第一端部の第一直径より大きいため、一体成形された第一交換部材がビーム整形体内に直接取り付けることができないようにする。したがって、周方向に沿って分割された複数の部分交換部材を設けることができ、部分交換部材を１つずつ交換することにより完全な第一交換部材を形成することができる。
【００１１】
さらに、第一端部には、第二端部に貫通する貫通孔が設けられ、前記貫通孔は第一端部に前記ビーム出口を形成し、前記中性子ビームは前記ビーム出口から照射される。
【００１２】
さらに、前記ビーム整形体は、内面を有し、前記放射遮蔽体は、端部を有し、前記第一交換部材は、第一端部と第二端部を接続する本体部を有し、前記第一交換部材は、前記端部から前記ビーム整形体内に取り付けられ、前記本体部の外面は、前記ビーム整形体の内面に接触し、前記第一端部は、前記端部と同一平面上にあり、または前記ターゲットから離れる方向に沿って前記端部に突出する。
【００１３】
さらに、前記第一交換部材は、陽子ビームの入射方向に沿って、緩速体の前側に設けられて前記端部と同一平面上にあり、または前記ターゲットから離れる方向に沿って前記端部に突出し、前記第一交換部材は部分反射体および／または部分放射遮蔽体である。
【００１４】
さらに、前記緩速体は、２つの互いに隣接する円錐部を含み、そのうちの１つの円錐部は、前記ビーム入口に隣接し、もう１つの円錐部は、ビーム出口に隣接し、前記第一交換部材は、緩速体の前記ビーム出口に隣接する円錐部の後側に隣接する。
【００１５】
さらに、前記反射体は、ＰｂまたはＮｉのいずれか１つまたは複数からなり、前記放射遮蔽体は、Ｐｂからなる光子遮蔽およびポリエチレンからなる中性子遮蔽を含む。
【００１６】
さらに、前記ビーム整形体は、加速器ホウ素中性子捕捉治療にさらに使用され、加速器ホウ素中性子捕捉治療は、加速器によって陽子ビームを加速させ、前記ターゲットは金属で製造され、前記陽子ビームは、ターゲット原子核クーロン反発を克服するのに十分なエネルギーまで加速され、前記ターゲットとの核反応により中性子を発生させる。前記ビーム整形体は、中性子を熱外中性子エネルギー領域まで緩速させ、かつ熱中性子および高速中性子の含有量を低減することができ、熱外中性子エネルギー領域は０．５ｅＶ〜４０ｋｅＶであり、熱中性子エネルギー領域は０．５ｅＶより小さく、高速中性子エネルギー領域は４０ｋｅＶより大きい。
【００１７】
本出願の実施例における前記「円筒状」とは、図示の方向に沿った一方の側から他方の側へその外輪郭の全体的な傾向が実質的に一定である構造を指し、外輪郭の一方の輪郭線は、円筒状の対応する輪郭線などの線分であってもよいし、曲率の大きい球面状の対応する輪郭線などの線分に近い曲率の弧であってもよく、外輪郭の全表面は、滑らかであってもよいし、円筒状または曲率の大きい球面状の表面に複数の突起および溝を作ったなどの非滑らかであってもよい。
【００１８】
本出願の実施例における前記「円錐状」とは、図示の方向に沿った一方の側から他方の側へその外輪郭の全体的な傾向が小さくなる構造を指し、外輪郭の一方の輪郭線は、円錐状の対応する輪郭線などの線分であってもよいし、球面状の対応する輪郭線などの弧であってもよく、外輪郭の全表面は、滑らかであってもよいし、円筒状または球面状の表面に複数の突起および溝を作ることなどにより非滑らかであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ホウ素中性子捕捉の反応概略図である。
【図２】本発明の１０Ｂ（ｎ，α）７Ｌｉ中性子捕捉治療反応式である。
【図３】における交換装置が取り付けられないビーム整形体の平面概略図である。
【図４】第一交換部材が取り付けられたビーム整形体の平面断面図である。
【図５】第一交換部材がビーム整形体に取り付けようとして、かつ第二交換部材がビーム整形体に取り付けられない概略図である。
【図６ａ】図5に示す第一交換部材の別の実施例の概略図である。
【図６ｂ】図5に示す第二交換部材の別の実施例の概略図であり、このうち、第二交換部材の開口がビーム出口の開口より小さく、かつ交換部材の本体部は円錐部である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
中性子捕捉療法は効果的ながん治療の手段として、近年ではその適用が増加しており、そのうち、ホウ素中性子捕捉療法が最も一般的なものとなった。ホウ素中性子捕捉療法に用いられる中性子は原子炉または加速器で供給できる。本発明の実施形態は加速器ホウ素中性子捕捉療法を例とする。加速器ホウ素中性子捕捉療法の基本モジュールは、一般的に荷電粒子（陽子、デューテリウム原子核など）の加速に用いられる加速器、ターゲット、熱除去システム及びビーム整形アセンブリを含む。加速後の荷電粒子と金属ターゲットとの作用により中性子が生成され、必要な中性子収率及びエネルギー、提供可能な加速荷電粒子のエネルギー及び電流、及び、金属ターゲットの物理的・化学的特性などにより、適切な原子核反応が選定される。よく検討されている原子核反応は7Li(p,n)7Be及び9Be(p,n)9Bであり、この両方はすべて吸熱反応でエネルギー閾値がそれぞれ1.881MeVと2.055MeVである。ホウ素中性子捕捉療法の理想的中性子源はkeVエネルギーレベルの熱外中性子なので、理論的には、エネルギーが閾値よりやや高い陽子によるリチウムターゲットへの衝撃で、比較的低いエネルギーの中性子が生成され、あまり多くの減速処理を要しないで臨床適用が可能になる。しかし、リチウム（Li）及びベリリウム（Be）の2種のターゲットは、閾値エネルギーの陽子と作用する断面が大きくないので、十分な中性子束を確保するために、一般的には比較的高いエネルギーを持つ陽子で原子核反応が引き起こされる。
【００２１】
理想的なターゲットには、中性子収率が高く、生成した中性子のエネルギー分布が熱外中性子エネルギー領域（後ほど詳細に説明）に近く、強い透過性のある放射線をあまり多く生成せず、安全かつ簡単で操作しやすく、耐高温性を持つなどの特性が必要とされるが、実際にすべての要件を満たす原子核反応は見つからないので、本発明の実施形態ではリチウムターゲットを採用する。ただし、この分野の技術者がよく知っていることとして、ターゲットの材料に、上記の金属材料を除くその他の金属材料を採用できる。
【００２２】
熱除去システムの要件は、選定された原子核反応により異なる。例えば、7Li(p,n)7Beの場合、金属ターゲット（リチウム）の低い融点と低い熱伝導率により、熱除去システムの要件は9Be(p,n)9Bより厳しくなる。本発明の実施形態では、7Li(p,n)7Beの原子核反応を採用する。
【００２３】
ホウ素中性子捕捉療法の中性子源は原子炉或いは加速器による荷電粒子とターゲットとの原子核反応によるものであり、生成するのはすべて混合放射線場である。即ち、ビームは低エネルギーから高エネルギーまでの中性子及び光子を含む。深部腫瘍のホウ素中性子捕捉療法について、熱外中性子を除くその他の放射線の含有量が多ければ多いほど、正常組織での非選択的線量沈着の割合も大きくなるので、これらの不必要な線量を引き起こす放射線をできる限り低減する必要がある。エアビームの品質要素の他、中性子による人体における線量分布をさらに理解するために、本発明の実施形態は、人間の頭部組織の人工器官を用いて線量を算出し、そして人工器官におけるビームの品質要素を中性子ビーム設計の参考とする。後ほど詳細に説明する。
【００２４】
国際原子力機関（IAEA）は臨床ホウ素中性子捕捉療法に用いられる中性子源について、エアビームの品質要素に関する5提案を出している。この5提案は異なる中性子の長所と短所を比較するために利用できる他、中性子生成経路の選定及びビーム整形アセンブリの設計をする時の参考として利用できる。この5提案は次の通りである。
・熱外中性子束（epithermal neutron flux）> 1 x 109n/cm2s 
・高速中性子汚染（fast neutron contamination）< 2 x 10-13Gy-cm2/n
・光子汚染（photon contamination）< 2 x 10-13Gy-cm2/n 
・熱中性子束と熱外中性子束との比（thermal to epithermal neutron flux ratio）< 0.05
・中性子流とフラックスとの比（epithermal neutron current to flux ratio）> 0.7 
注：熱外中性子エネルギー領域は0.5eV〜40keVであり、熱中性子エネルギー領域は0.5eVより小さく、高速中性子エネルギー領域は40keVより大きい。
【００２５】
１．熱外中性子束： 
中性子束と腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度とで臨床治療の時間が決まる。腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度が十分に高ければ、中性子束への要求を緩められる。それに対し、腫瘍におけるホウ素含有薬物の濃度が低ければ、高フラックスの熱外中性子で腫瘍に十分な線量を与える必要がある。IAEAの提案では、熱外中性子束について、平方センチメートル当たり1秒の熱外中性子が109個より多いことを求めている。既存のホウ素含有薬物にとって、このフラックスでの中性子ビームで治療時間を大体1時間以内に抑えられる。短い治療時間で、位置決めと快適さの改善、及び、腫瘍におけるホウ素含有薬物の限られた滞留時間の効果的利用に貢献できる。
【００２６】
２．高速中性子汚染：
高速中性子は、正常組織への不必要な線量を引き起こすので、汚染とみなされる。この線量と中性子エネルギーとには、正の相関関係があるので、中性子ビームの設計において、できる限り高速中性子の含有量を減らす必要がある。高速中性子汚染は、単位熱外中性子束に伴う高速中性子の線量と定義される。IAEAは、高速中性子汚染を2 x 10-13Gy-cm2/nより小さくすることを推奨している。
【００２７】
３．光子汚染（γ線汚染）：
γ線は強い透過性の放射線に属し、非選択的にビーム経路にあるすべての組織で線量沈着を引き起こすので、γ線の含有量を減らすことも中性子ビームの設計の必要条件である。γ線汚染は、単位熱外中性子束に伴うγ線の線量と定義される。IAEAは、γ線汚染を2 x 10-13Gy-cm2/nより小さくすることを推奨している。
【００２８】
４．熱中性子束と熱外中性子束との比：
熱中性子は、減衰速度が速く、透過性も弱く、人体に入ると大部分のエネルギーが皮膚組織に沈着するので、黒色腫など皮膚腫瘍にホウ素中性子捕捉療法の中性子源として熱中性子を使用する場合以外、例えば脳腫瘍などの深部腫瘍の場合、熱中性子の含有量を減らす必要がある。IAEAは、熱中性子束と熱外中性子束との比を0.05より小さくすることを推奨している。
【００２９】
５．中性子流とフラックスとの比： 
中性子流とフラックスとの比は、ビームの方向性を示す。その比が大きいほど、ビームの前向性が強くなる。強い前向性を持つ中性子ビームでは、中性子の発散による周辺の正常組織への線量を減らせる他、治療可能デプス及び位置決め姿勢の柔軟性を向上させることができる。IAEAは、中性子流とフラックスとの比を0.7より大きくすることを推奨している。
【００３０】
人工器官で組織内の線量分布を取得され、正常組織及び腫瘍の線量−デプス曲線により、人工器官におけるビーム品質要素が導き出される。以下の3つのパラメータは異なる中性子ビーム療法の治療効果の比較に利用できる。
【００３１】
１．効果的治療デプス：
腫瘍線量は最大正常組織線量と等しいデプスである。このデプスより後ろでは、腫瘍細胞が受ける線量は最大正常組織線量より小さいので、ホウ素中性子捕捉上の優位性がなくなる。このパラメータは中性子ビームの透過性を示し、効果的治療デプスが大きいほど、治療可能な腫瘍のデプスが深くなる。単位はcmである。 
【００３２】
２．効果的治療デプスの線量率： 
即ち、効果的治療デプスにおける腫瘍線量率であり、最大正常組織線量率と等しい。正常組織で受け取る総線量は、与えられ得る腫瘍総線量に影響する要因であるので、このパラメータで治療時間が決まる。効果的治療デプスの線量率が大きいほど、腫瘍に一定の線量を与える必要な照射時間が短くなる。単位はcGy/mA-minである。
【００３３】
３．効果的治療線量比：
脳表面から効果的治療デプスまでに、腫瘍と正常組織とが受け取る平均線量の比は効果的治療線量比と呼ばれる。平均線量は線量−デプス曲線の積分により算出できる。効果的治療線量比が大きいほど、当該中性子ビームの治療効果がよくなる。 
【００３４】
ビーム整形アセンブリの設計における比較根拠として、IAEAによるエアビームの品質要素の5提案、及び上記の3つのパラメータの他に、本発明の実施形態では、中性子ビーム線量のパフォーマンスの優劣を評価するための以下のパラメータを利用する。
１．照射時間≦30min（加速器で使用する陽子流は10mA）
２．30.0RBE-Gy治療可能なデプス≧7cm 
３．最大腫瘍線量≧60.0RBE-Gy 
４．最大正常脳組織線量≦12.5RBE-Gy
５．最大皮膚線量≦11.0RBE-Gy 
注：RBE（Relative Biological Effectiveness）は生物学的効果比であり、光子及び中性子による生物学的効果が異なるため、等価線量を算出するために、上記の線量に異なる組織の生物学的効果比を掛ける。
【００３５】
実際の中性子捕捉治療中に、中性子ビームの照射範囲も考慮すべき重要な要素である。本出願の実施例は、中性子捕捉治療用のビーム整形体に対する改良であり、好ましくは、加速器ホウ素中性子捕捉治療用のビーム整形体に対する改良である。
【００３６】
図３に示すとおり、本出願における中性子捕捉治療用のビーム整形体１０は、ビーム入口１１、ターゲット１２、ターゲット１２に隣接する緩速体１３、緩速体１３の外側を取り囲む反射体１４、緩速体１３に隣接する熱中性子吸収体１５、ビーム整形体１０内に配置された放射遮蔽体１６およびビーム出口１７を含み、ターゲット１２は、ビーム入口１１から入射された陽子ビームとの間の核反応により中性子を発生し、中性子は中性子ビームを形成し、中性子ビームは一本の主軸Ｘを画定し、緩速体１３は、ターゲット１２から発生された中性子を熱外中性子エネルギー領域に緩速させ、反射体１４は、熱外中性子を集中させるために主軸Ｘから逸脱した中性子を主軸Xに戻させ、緩速体１３と反射体１４との間に、熱外中性子束を増加させるためのギャップ通路１８が設けられ、熱中性子吸収体１５は、治療中に浅い正常組織での過剰な線量を避けるために熱中性子を吸収するために使用され、放射遮蔽体１６は、漏れた中性子および光子を遮蔽して非照射領域の正常組織線量を低減させるために使用される。
【００３７】
ホウ素中性子捕捉治療中に、より良い治療効果を達成し、同時に健康な組織への損傷を低減させるために、異なるサイズの腫瘍に対して異なる中性子ビーム照射範囲を提供することが必要であり、したがって、中性子ビームの照射範囲を調整できるビーム整形体１０を提供する必要がある。本出願において、交換装置２０を設けることによって中性子ビームの照射範囲への調整を達成する。前記ビーム整形体１０は、交換装置２０をさらに含み、前記交換装置２０は、サイズの異なる第一交換部材２１および第二交換部材２２を含む。前記第一交換部材２１および第二交換部材２２は、前記ビーム整形体１０内にそれぞれ取り付けられ、かつビーム整形体１０から取り外して交換することができる。
【００３８】
加速器ホウ素中性子捕獲処理は加速器によって陽子ビームを加速させ、好ましい実施例として、ターゲット１２は、リチウム金属からなり、陽子ビームは、陽子ビームは、ターゲット原子核クーロン反発を克服するのに十分なエネルギーまで加速され、ターゲット１２との７Ｌｉ（ｐ，ｎ）７Ｂｅ核反応により中性子を発生させる（図１および図２を参照する）。示されたビーム整形体１０は、中性子を熱外中性子エネルギー領域に緩速させ、かつ熱中性子および高速中性子の含有量を低減させ、緩速体１３は、高速中性子との作用断面が大きい、熱外中性子との作用断面が小きい材料からなり、好ましい実施例として、緩速体１３は、Ｄ２Ｏ、ＡｌＦ３、ＦｌｕｅｎｔａｌＴＭ、ＣａＦ２、Ｌｉ２ＣＯ３、ＭｇＦ２、およびＡｌ２Ｏ３のいずれか１つまたは複数からなる。反射体１４は、中性子反射能力の強い材料からなり、好ましい実施例として、反射体１４は、ＰｂまたはＮｉのいずれか１つまたは複数からなる。熱中性子吸収体１５は、熱中性子との作用断面が大きい材料からなり、好ましい実施例として、熱中性子吸収体１５は、６Ｌｉからなり、熱中性子吸収体１５とビーム出口１７との間に空気通路１９が設けられ、空気通路１９の配置は、継続的に主軸Ｘから逸脱した中性子を主軸Ｘに戻させ続けることができて、超熱中性子を収束させる効果を達成する。放射遮蔽体１６は、光子遮蔽体１６１および中性子遮蔽体１６２を含み、好ましい実施例として、放射遮蔽体１６は、鉛（Ｐｂ）からなる光子遮蔽体１６１およびポリエチレン（ＰＥ）からなる中性子遮蔽体１６２を含む。
【００３９】
前記緩速体１３は、二つの反対方向の隣接する円錐部のように設けられ、図３に示す方向のように、緩速体１３の左側は、左側に行く次第に減少する円錐部１３１であり、緩速体１３の右側は、右側に行く次第に減少する円錐部１３２であり、両方は互いに隣接し、前記緩速体１３の左側の円錐部１３１は、ビーム入口１１に隣接する円錐部であり、前記緩速体１３の右側の円錐部１３２は、ビーム出口１７の円錐部である。反射体１４は、遅延体１３の周囲に密着に取り囲まれ、緩速体１３と反射体１４との間にギャップ通路１８が設けられ、いわゆるギャップ通路１８は、固体材料で覆われない中空で中性子ビームが通過しやすい領域であり、例えば、該ギャップ通路１８は、空気通路または真空通路として設けることができる。緩速体１３に隣接して設けられた熱中性子吸収体１５は、非常に薄い６Ｌｉ材料層で製造され、Ｐｂからなる放射遮蔽体１６の中の光子遮蔽体１６１は、反射体１４と一体に配置することができ、独立して配置することもでき、ＰＥからなる放射遮蔽体１６中の中性子遮蔽体１６２は、ビーム出口１７に隣接する位置に配置することができる。当業者によく知られるように、光子遮蔽体１６１は、光子遮蔽として作用する限り、他の材料で製造することができ、中性子遮蔽体１６２も、漏れた中性子を遮蔽する要件を満たす限り、他の材料で製造することができる。
【００４０】
図４および図５に示すとおり、放射遮蔽体１６は、前記ビーム整形体１０の最も外側に位置して被照射体に最も近接する端部１６３を有し、前記ビーム整形体１０は、内面１０１を有し、前記第一交換部材２１は、放射遮蔽体１６の端部１６３から前に向かって前記ビーム整形体内に取り付けられ、かつ放射遮蔽体１６に近接する緩速体１３の端部１６３である円錐部１３２の後側に位置し（すなわち、前記第一交換部材２１は陽子ビームの入射方向に沿って緩速体１３の前側に設けられる）、前記第一交換部材２１の外面２６は、前記ビーム整形体１０の内面１０１と接触する。第一交換部材２１をビーム整形体１０内に取り付けやすく、かつ第一交換部材２１を前記ビーム整形体１０から取り外して第二交換部材２２で交換できるように、第一交換部材２１の構造に対して以下のように設計する。
【００４１】
前記第一交換部材２１は、第一端部２３、第二端部２４、および第一端部２３と第二端部２４を接続する本体部２５を有し、前記第一交換部材２１の内面２１１は、第二端部２４から第一端部２３に向かって傾斜して直径が次第に減少する円錐部を形成する。前記第一端部２３は、前記ターゲット１２から離れ、かつ前記放射遮蔽体１６の端部１６３と同一平面上にあり、または前記ターゲット１２から離れる方向に沿って前記端部１６３に突出する。前記第二端部２４は、ターゲット１２に近接し、前記第一端部２３の直径Ｄ１は第二端部２４の直径Ｄ２以上である。好ましくは、前記本体部２５の外面２６は、前記中性子ビームにより画定された主軸Ｘと平行であり、すなわち、前記本体部２５の外面２６の輪郭は円筒状である。前記第一端部２３は、前に向かって第二端部２４に貫通する貫通孔２７が設けられ、前記貫通孔２７は、第一端部２３上に第一開口ｄ１を有するビーム出口が形成される。別の実施例として、前記本体部２５’の外面にまた、第一端部２３’から第二端部２４’に向かって傾斜して直径が次第に減少する円錐部が形成されるように配置することができ、図６ａを参照し、第一端部２３’の直径Ｄ１’は第二端部２４’の直径Ｄ２’より大きく、前記第一交換部材２１’の第一端部２３’に第一開口ｄ１’を有するビーム出口が形成される。
【００４２】
第二交換部材２２は、第三端部２８および第四端部２９を有し、前記第三端部２８の直径Ｄ３は第四端部２９の直径Ｄ４以上である。前記第三端部２８は、前に向かって第四端部２９に貫通する貫通孔３０が設けられ、前記貫通孔３０は、第三端部２８上に第二開口ｄ２を有する前記ビーム出口が形成される。第二交換部材２２と第一交換部材２１との互換性を確保すると共に、中性子ビームの照射範囲を調整する効果を達成するために、好ましい実施例として、第二交換部材２２の構造に対して、第一交換部材２１の構造を参照して設計され、第一開口ｄ１と第二開口ｄ２のサイズを等しくなくなるようにする。図６ｂに示すように、第二交換部材２２’の外面は、第一端部２８’から第二端部２９’に向かって傾斜して直径が次第に減少する円錐状に設けられ、第三端部２８’の直径Ｄ３’は第二端部２９’の直径Ｄ４’より大きく、前記第二交換部材２２’の第三端部２８’に第二開口ｄ２’を有するビーム出口が形成される。
【００４３】
例として、ビーム整形体１０内に第一交換部材２１が取り付けられると仮定し、第一交換部材２１の貫通孔２７が第一端部２３上に形成された第一開口ｄ１が比較的小さく、実際の照射中に、中性子ビームに必要な照射範囲が比較的大きいときに、第一交換部材２１をビーム整形体１０から取り外し、第三端部２３上に形成された第二開口ｄ２が大きい第二交換部材２２を取り付け、同様に、取り付けられた第一交換部材２１の貫通孔２７が第一端部２３上に形成された第一開口ｄ１が比較的大きい場合、実際の照射中に、中性子ビームに必要な照射範囲が小さいときに、第一交換部材２１をビーム整形体１０から取り外し、第三端部２３上に形成された第二開口ｄ２が比較的小きい第二交換部材２２を取り付け、第一交換部材および第二交換部材の構造およびサイズは様々であってもよく、中性子ビームに必要な照射範囲の具体的なニーズに応じて適切なビーム出口直径を有する第一交換部材または第二交換部材を選択する。
【００４４】
前記交換装置２０は、熱外中性子を集中させる効果を達成するために主軸Ｘから逸脱した中性子を主軸に戻すことができ、同時に、漏れた中性子および／または光子を遮蔽することができる。好ましい実施例として、本出願において、前記交換装置２０は、前記反射体１４および放射遮蔽体１６の一部であり、前記交換装置２０は、部分放射体１４および部分放射遮蔽体１６で製造された全体式構造であり、交換装置２０中の第一交換部材２１をビーム整形体１０内に取り付けて中性子ビームを集中させ、かつ実際のニーズに応じて第一交換部材２１を前記ビーム整形体１０から取り外して適切なビーム出口直径を有する第二交換部材２２で交換して中性子ビームの照射範囲を調整することが分かる。当然で、前記交換装置２０は、部分反射体１４および／または部分放射遮蔽体１６に限定されず、さらに部分緩速体１３および／または熱中性子吸収体１５および部分反射体１４および／または部分放射遮蔽体１６を含むことができ、また部分コリメータ（図示せず）を含むことができ、前記第一交換部材の第一端部が前記ターゲット１２の方向に沿って前記端部１６３に突出するときに、前記第一交換部材２１は、部分コリメータを含み、交換装置２０の配置を交換すれば、ビーム出口の開口直径を調整して中性子ビームの照射範囲を変更することができ、それにより熱中性子を異なる程度に集中させる効果を達成すればよい。
【００４５】
本出願において、前記交換装置２０は、１つのみの交換部材を含むことができ、図５に第一交換部材が取り付けられないときに、大きい開口を有するビーム出口を形成することもでき、第一交換部材を取り付けた後に、開口が比較的小さいビーム出口が形成される。前記交換装置２０はまた、第一交換部材２１および第二交換部材２２またはより多くの交換部材を含むことができ、それにより異なるサイズの開口を有するビーム出口が実現される。
【００４６】
本出願の実施例における前記「円筒状」とは、図示の方向に沿った一方の側から他方の側へその外輪郭の全体的な傾向が実質的に一定である構造を指し、外輪郭の一方の輪郭線は、円筒状の対応する輪郭線などの線分であってもよいし、曲率の大きい球面状の対応する輪郭線などの線分に近い曲率の弧であってもよく、外輪郭の全表面は、滑らかであってもよいし、円筒状または曲率の大きい球面状の表面に複数の突起および溝を作ったなどの非滑らかであってもよい。
【００４７】
本出願の実施例における前記「円錐状」とは、図示の方向に沿った一方の側から他方の側へその外輪郭の全体的な傾向が小さくなる構造を指し、外輪郭の一方の輪郭線は、円錐状の対応する輪郭線などの線分であってもよいし、球面状の対応する輪郭線などの弧であってもよく、外輪郭の全表面は、滑らかであってもよいし、円筒状または球面状の表面に複数の突起および溝を作ったなどの非滑らかであってもよい。
【００４８】
本出願に開示された中性子捕捉治療用のビーム整形体は、上記実施例で説明した内容および図面に示した構造に限定されるものではない。本出願の基礎上でその構成要素の材料、形状、および位置に対する明らかな変更、置換、または修正は、いずれも本出願に請求された保護範囲内にある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【国際調査報告】
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