The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

先進小型加速器による化学放射線治療展開
上坂充、中川恵一 A)
東京大学大学院工学系研究科附属原子力工学研究施設〒319-1188 茨城県那珂郡東海村白方白根 2-22A)

東京大学医学部附属病院放射線医学教室〒113-8655 東京都文京区本郷 7-3-1

概要
先進小型加速器開発事業（取りまとめ：放医研）でがん治療用小型重イオンシンクロトロンと診断用 X バンドコ
ンプトン散乱硬 X 線源が開発中である。東大は後者システムの開発中心となっている。加えて、わが国では KEK を中心としたグループによる FFAG や立命館大による小型電子シンクロトロンなど、様々な斬新的小型加速器が開発中である。これらの普及を推進すると同時に、放射線治療を欧米レベルに認知普及も推進したい。加速器科学技術者、医学者、放射線化学・物理研究者、血流流体研究者、放射線治療技師教育者、医学物理士教育者を交え、その方向を議論し始めた。その動向を紹介する。将来の加速器科学技術の重要な応用分野の再構築といえる。

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小型加速器開発の波アメリカにおける SSC(Superconducting Super Collider)のその巨大さによる中止は、従来加速器技術の延長上に将来はないことを世界に印象づけた。
そのあたりから従来の RF技術のみでは巨大する一方の高エネルギー加速器を、最新鋭の技術を導入して小型化する動きが始まった。開発資金が DOE(Department of Energy)の中で設けられ、そのための要素技術開発を提案する小グループに数億円以下の資金が供給された。成果は２年に一度 Advanced Accelerator
Concepts workshop で報告・議論される。そこには DOE 責任者がいつも最前席で聞き、厳しく評価されている。PROCはアメリカ物理学会から AIP Conference Proceeding シリーズとして発行され、査読はないが、アメリカでは査読付き論文以上の評価を得ていると聞く。筆者らは約１０年前からこの workshop に参加し始め、その活動を目の当たりにしてきた。その要素技術は、図 1 に描いたように、超高周波技術、卓上高出力レーザー技術、プラズマ技術、シミュレーション技術の融合となっている。
RF 技術に関しては、
X バンド(9.3, 11.424GHz)、Ku バンド(17GHz)、Ka バンド(30,34.3GHz)、W バンド(90GHz)のライナックが開発中である。また昨今 20TW50fs クラスの Ti:Sapphire レーザーが市販されるようになり、それを使ったレーザープラズマ加速器の開発も盛んになってきた。いまやビーム物理の半分の論文はレーザープラズマ加速となっている。卓上高出力レーザーなしには先進加速器は語れない状態になっている。

高周波（高周波（ＲＲＦＦ）技術

卓上高出力レーザー技術

プラズマ技術シミュレーション技術

必要最低限の性能を保持して小型（卓上）化する

図1

先進小型加速器技術

このままでは２１世紀の加速器はすべてアメリカ製になってしまうのではとの強い懸念も持った。折りしも、旧
科学技術庁科学技術政策研究所にて、平成１０年から約３年先端科学技術動向調査委員会（加速器科学）が組織・活動し、世界での加速器小型化のための先端技術の調査と実施方策を議論した。この膨大な企画調査に基づきながら、Virtual Laboratory 方式による先進小型加速器開発事業が成立した。上記危機感と、同時にわが国でも小型化の要請も強まり、前述のプロセスを経て、この事業の成就に至ったわけである。一方これ以外にも、学振プロジェクトととして KEK 中心に FFAG の開発が実施中であり、立命館大学による「小型 SR みらくる」の開発と利用が 21 世紀 COEに採択され、広島大学ではリング型のポータブル X 線源が開発されている。
Virtual Laboratory 方式による先進小型加速器開発は、大型加速器プロジェクトに並び、現在世界の新しいトレンドとなっている。その様子を図 2 に示す。アメリカは高エネルギー・原子核用加速器の小型化を対象にしている反面、日本では医療用加速器の小型化となったのは、結果的には日米間の徒な競争を避けられ、スムーズな棲み分けができているように思える。アメリカは GeV 加速を目指し、日本は MeV 領域を目指している。日本の方が実現が早いかもしれない。将来の高エネルギー加速への中間段階を担っているともいえるかもしれない。さらに図にもあるように、イギリスやフランスでも、Virtual Laboratory 方式による先進小型加速器開発が始まり出している。イギリスでは X 線
FEL の小型化が、フランスでは日本と同じ医療応用が、それぞれ目的となっている。

The 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

イギリス
RFガン＋レーザープラズマ加速＋アンジュレータ

2ICFA (International Committee
For Future Accelerators) ,Advanced and Novel Accelerator
PANEL（PANEL（情報交換）
情報交換）

放射線医療の状況

しかしながら事態は加速器屋のみが躍起になって装置開発して解決される程甘くない。もともと放射線医療の普フランス
小型医療用加速器開発
及度は人口比で欧米の半分以下である。医療用ライナック（含レーザープラ（含レーザープラズマ加速）
は世界では 1 万台程度普及しているが、日本は８００台程
先進小型加速器開発
Advanced Accelerator度であり、もうすでに中国に抜かれようとしている。さらConcepts Networkに深刻なのはそれがもうほとんど外国製となろうとしていることである。わが国の加速器メーカーは撤退の方向であり、その方針を撤回させるのは容易ではない。医療用ライナックの治療の場合、患部のみにビームを照射する原体照射法や IMRT(Intensity Modulated Radiation Therapy)など
図 2 医療用先進小型加速器開発体制の手法は国産技術と聞くが、ビジネスで成功しているのは欧米メーカーである。3,40 年前産官学で開発製品化された先進小型加速器開発事業は、文部科学省の事業として平医療用ライナックであろうが、いつしか官学は完全に離れ成１３年６月からスタートした。放射線医学総合研究所がていき、今の状態になった。加速器科学技術研究会でもこ取り纏めとなり、４つの研究所と４つの大学の小グループ
こ数十年、医療用ライナックのことはほとんど議論されてが開発委員会の名のネットワークを組み(Virtual Laboratory
いない。製品開発プロセス、企業化の遅さも問題であろう。とも呼ぶ)、共同で開発を行っている。本事業では、調査ししかしながら、問題は開発・生産側のみでない。表 1 にた技術の有望なものをピックアップし、ガン治療用小型重日米の放射線医療のマンパワーの比較を示す。放射線治療
イオンシンクロトロンと経静脈血管造影用コンプトン散医の少なさは日本の原子力 PA(Public Acceptance)土壌から乱硬 X 線源を構築していく。
予想はつく。放射線治療技師は大学・短大・専門学校の保医療用電子ライナックを例にとり、この３０年間の医療健・衛生学科にて育成され、十分な人口が得られている。
用加速器のトレンドを図３に示してみる。本当に様々なも特記すべきは医学物理士の極少さである。医学物理士とはのが開発・実用化されたが、今は S バンド(~3GHz)16MeV
医学と放射線・加速器の両方の高度な知識をもった技術者程度で W ターゲットに当てた後コリメータや１，２軸回の資格で、アメリカでは Medical Physicist/Scientist と呼ばれ転で患部のみに照射するタイプと、X バンドる国家資格である。両者を理解した彼らが治療計画を立て、(~9.3GHz)6MeV 程度でロボットアームに乗ってかなり自医者と議論して医者が採用する。アメリカでは主要な大学
由に患者にアクセスできるタイプのものに淘汰されてし院医学系・理工学系研究科に教育研究コースが設置され、まっている。放射線医には出てきた電子か X 線を、患部に主に理工学部出身の学生が取得する。日本では治療用には精度よく当てるために空間制御することしか残っていな
放医研とがんセンターしか採用されていない。欧米では理い。特に国産ライナックが少なくなってきてしまった現在、 工学系出身の医学物理士が医療現場で放射線医療を科学加速器本体や性能から改善させて改良しようという気運しているのである。したがって医療現場から装置の改良要は困難な情勢になっている。その原因は、RF 源が６－１求や具体的提案が上がってくる。そこで開発されてしまう
０MW・S バンドクライストロンか、１MW・X バンドマ
こともあろう。韓国はアメリカ方式をそのまま導入し、医グネトロンに淘汰され、それ以外がしばらくの間開発され学物理界の実力はもう日本を上回っていると聞く。中国もていない事実である。しかしながら、前述したように、こいずれそうなるであろう。装置は輸入品で、普及で欧米にの数年加速器科学界で状況は一変し、S や X どころか、もはるか水をあけられ、中国に抜かれ、医学物理で韓国に抜っと高周波のシステムがどんどん開発されている。レーザ
かれようとしているのが、日本の現状なのである。
ープラズマ加速も、プラズマ航跡波の周波数は THz 領域で、これもひとつの超高周波ライナックとみなすこともでき
表 1 放射線医療のマンパワーの日米比較る。そして日本で、企業も加わり、医療用加速器システム日本
米国開発が始まった。千秋のチャンス到来かもしれない。この
放射線治療医350人
2300人
２０年開発された様々な加速器技術を融合させ、新たな医医学物理士
120人
4000人
療用加速器システムを構築する絶好の機会である。
Past60’s

PresentS-band•6MW Klystron
X-rayX-band(9.3GHz)•1MW Magnetrone-beam (521Mev) or Xray(4-10 MV)

Bed
Advanced and novel accelerator
development-Higher RF(C,X,Ku,Ka,W-bands)-Laser plasma acceleration-Compton scattering hard X-ray source-FFAG -Miracle

放射線治療技師

FutureBeam sources
X-ray tube are matured
X-band RF gun(3.5cells)
X-ray Detector
for CT

Variety of new systems
for radiation therapy

図３ 医療用ライナックの過去・現在・未来

34万人

多数

化学放射線治療科学

前節で深刻なことばかり述べたが、この放射線医療自身は日本でも成長しており、市場も大きい。世界に 1 万台ある医療用ライナックが、価格３億円として毎年 1 割更新されれば市場は３千億円である。血管造影器や CT 装置は同等かそれ以上である。昨今の PET 装置の爆発的普及を見れば、3 億円程度の小型装置が製品化され、何かの勢いに乗れば、画期的利用拡大も夢ではない。そのことの、医療技術の向上やビジネスの成功のみならず、加速器科学技術への正の波及効果は計り知れない。そのような可能性と夢をThe 14th Symposium on Accelerator Science and Technology, Tsukuba, Japan, November 2003

捨てずに、敢えてこの難題に立ち向かいたい。
環・分泌液の流れも数秒の時間分解能で観察できるところそのために我々は図 4 のような新しい放射線医療の研究まできている。有効活用が期待できる。また放射線の生物テーマ「化学放射線治療の時空制御」を提案するものであ
効果は直接効果（DNA の直接散乱による損傷）と間接効果る。化学放射線治療(Chemo-Radiotherapy)とは抗がん剤など （生体水の放射線分解による OH ラジカルが DNA を損傷）の薬剤と併用した放射線治療のことを意味する。血管造影、 に分けられる。後者が 60％程度の寄与があると言われていK-edge Imaging、Auger Cascade Therapy のようにヨウ素を注る。原子炉の配管・構造物の腐食・亀裂発生抑制のための入する場合も含む。治療は診断も含んでいる。ツールとし水化学ならぬ、生体水の水化学が必要となる。もし薬剤投ては 1 節で述べた先進小型加速器を考える。一般病院に設与により、がん細胞の内外での放射線化学反応が制御でき、置可能なサイズとコストであることが望ましい。普及を考OH ラジカルの発生に差がつけられると、がん細胞のみのえた場合、医療保険に採用される必要がある。そのために殺傷を促進できるかもしれない。がん細胞は毛細血管の塊も、全国津々浦々の病院に入れる装置たるべく、小型化しと言われる。したがって静脈からの投与と時間の制御で可なければならない。コストは 5 億円以下であろう。空間の能かもしれない。さらに、毛細血管の再生医療でも、その制御とは、治療で言えば患部のみにビームを照射する技術X 線による診断手法が待たれている。このような複合的知を指す。原体照射、IMRT などがある。さらに呼吸同期照見や解析ツールを、たとえば地球シミュレータのような形射などが最近の技術になる。診断では患部をより高空間分で統合・集積・稼動できないであろうか。
解能で像画することになる。ここの新しい要素として、時最後に教育である。わが国は歴史的に放射線治療技師の間の制御を掲げる。化学放射線治療の場合、薬剤の注入が教育が充実し、人口も十分である。その中の優秀な方が医あり、患部へのその濃度が最大になったとき目掛けてビー学物理士の役割を果たすか、その資格を取得しているようムを照射しなければならない。つまり時間の制御が必要とである。しかしながら理工系の医学物理士が大半の欧米・なる。しかしながら上記の時間分解能は残念ながらフェム韓国とは状況は異なっている。理工学系と医学系を持つ主ト秒ではなく、分から時間のオーダーである。従来は医者要大学院で、その教育コースやカリキュラムが設置できなの全くの経験にのみ頼られていた。一方昨今、機械工学のいか。また大学病院での医学物理士の雇用を促進できない分野で血管（動脈・静脈・毛細血管）での血液の流れの数か。
値解析と計測、さらには血管への負荷応力解析が、一大ト以上説明した諸々のことを、議論する研究会を設けるこレンドとなっている。一部の大学では、医学部循環器系とととした。まずは上記分野を先導されておられる方々にご組んで医工連携の柱となっている。そこでは人体の循環液講演いただき、公開討論する場を、平成 15 年 12 月 15，16の統合シミュレータの構築が最終目標とされている。シミ日東京大学病院講堂にて設けることとした。東大原子力工ュレーションの分野は若い多くの人材がいる。この側面を学研究施設弥生研究会も兼ねることとし、当研究施設の取り込めれば、この分野の人口増加に貢献できる。身近なHP にも案内ページを掲載した。
一般参加も大歓迎である。
流体屋との会話では、これからは毛細血管の解析と X 線に今後研究会を継続し、なんとか新しい研究プロジェクトへよる動的計測が狙い目であるようである。また薬剤メーカ発展させ、放射線医療のまずは再構築とさらなる発展に貢ーの強力な支援も得られるであろう。PET は RI を含む循献したいと考える。

化学放射線治療の時空制御
東京大学原子力工学研究施設
東京大学病院放射線科

上坂 充
中川 恵一

1. 先進小型加速器の活用
・超高周波（Ｘバンド（11.424GHz)、Ｃバンド（5.712GHz））
電子ライナック・コンプトン散乱硬Ｘ線源・小型重イオンシンクロトロン
・卓上高出力レーザー
・FFAG ・みらくる
Las erc ir
cul ati ons yste m

2. 空間の制御（1）
Ｘ線、電子治療・
ＩＭＲＴ高度化（新ＭＬＣ開発）（2）
コンプトン散乱Ｘ線治療
・経静脈血管造影・オージェと電子治療（3）
線量分布可視化
・樹脂、ファントム

3. 時間の制御
・臓器移動追跡・人体薬剤循環ｼ ﾐｭﾚｰ ｼｮﾝ（薬剤、血管造影剤、ｵ ｰ ｼ ﾞｪ
電子発生用金粉、etc)
・薬剤投与の最適化
・生体水の酸素含有量追跡
・生体水の放射線分解、ＯＨﾗｼﾞｶﾙ 生成分析と制御
・毛細血管流れのｼ ﾐｭﾚｰ ｼｮﾝと計測
・ＰＥＴの活用4. 生体シミュレータ構築活用による治療の最適化、インテリジェント化
5. 医学物理士の育成と活躍の場の拡大

図4

化学放射線治療の時空制御