Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TFP002

群馬大学重粒子線医学センターの現状
PRESENT STATUS OF GUNMA UNIVERSITY HEAVY ION MEDICAL CENTER
中尾政夫#, A)，川嶋基敬 A)，松村彰彦 A)，野田耕司 A)，酒井真理 A)，島田博文 A)，
田代睦 A)，Varnava Maria A)，遊佐顕 A)
Masao Nakao#, A), Motohiro KawashimaA), Akihiko MatsumuraA), Koji Noda A), Makoto SakaiA), Hirofumi ShimadaA),
Mutsumi TashiroA), Maria VarnavaA), Ken YusaA)A)
Gunma University Heavy Ion Medical Center

Abstract
Carbon beam therapy is carried out in the Gunma University Heavy Ion Medical Center (GHMC). 738 patients weretreated in 2021, almost the same as in 2020. The total number by 2021 was 5229. In FY2021, some problems such as theinjector's phase mismatch and trouble of the synchrotron's sextupole electromagnet power supply caused the delay of thetreatment of some patients for one business day. In the experimental beamline (Room D), biological research including
FLASH irradiation is being conducted, and the control system for this beamline is being upgraded in three years fromFY2021 to FY2023. We report on the statistics of the operation and treatment hours of the accelerator at this facility, as
well as the major malfunctions and the measures taken to deal with them.

1.

間が無くなるため治療人数が増加すると期待される。

はじめに

群馬大学重粒子線医学センター(GHMC)では、2010年に普及型炭素線治療装置による重粒子線治療を開始した[1]。重粒子線治療を普及していくためには、イオン源、線形加速器、シンクロトロンの加速器と、ビームライン、照射システム、X 線機器等で構成される施設の稼働率を高め、治療の遅延時間を短くすることが不可欠である。
本報告では 2021 年度の治療実績や運転統計と、主なトラブルとその対処等について報告する。

2.

Table 1: Specification of GHMC
Ion source

ECR, Permanent Magnet

RF frequency

10 GHzExtraction Voltage

30 kVInjectorRFQ, APF IH-DTL

RF frequency

200 MHzRF Power

治療実績

GHMC の治療装置は、10 GHz の ECR イオン源、RFQと APF IH-DTL、周長 63.3 m のシンクロトロンを用いてC6+を核子あたり最大 400 MeV まで加速する。治療室はA 室が水平、B 室が水平垂直、C 室が垂直コースで、これらはブロードビームを用いて治療を行っている。他に実験のためにスキャニング照射を用いる垂直ビームライン(D 室)がある。装置の詳細は Table 1 に記した。施設は2007 年から 2009 年にかけて建設され、2010 年から治療を開始した。また、2016 年には保険診療が開始され、その後も保険適用の範囲が広がっている。
年ごとの治療人数を Fig. 1 に、2021 年の部位ごとの治療人数を Fig. 2 に示した[2-5]。2021 年(暦年)では年間738 名となった。また、2010 年からの累計で 5229 名となった。また、保険診療が 597 件と全体の約 8 割である。
治療部位別では、泌尿器(前立腺)が 2/3 を占め、次いで肝臓、骨軟部、膵臓が多い。前立腺では多くが水平ビームであり、それ以外では水平と垂直がほぼ同じ割合で使用されている。
2021 年度までは毎年 1 月に集中点検を実施していたが、2022 年度からは分散点検(部分ごとに金～月の 4 日間の点検を 2 ヶ月に 1 回行い、週末や祝日を利用した点検・修理も従来通り行う)に移行している。治療休止期___________________________________________# nakaom@gunma-u.ac.jp- 1128 -140 kW (RFQ),
400 kW (DTL)

Ion energy

600 keV/u (RFQ),
4 MeV/u (DTL)

Synchrotron
Ion

C6+

Ion energy

290, 380, 400 MeV/u

Circumference

63.3 mMax. extraction particle
number1.0

1.58 × 109 pps (Max.)

Max. range in water

25 cm (400 MeV/u)

× 109 pps (Typ.)Irradiation system
Irradiation method

Broad beamLayer stacking

Irradiation field

15 × 15 cm

Max. SOBP width

14 cm

Irradiation room

A. Horizontal
B. Horizontal, Vertical
C. Vertical

Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TFP002

6000
5299

Annualy number
年間治療人数3821

累計治療人数
Total number

740

738

40003171600

65025972231501

4004484231486271

20091180266985

3000
574

1909366

2000

Total treatment number

Annualy treatment number

50004561

800322

1000

537は正常稼働時間)で定義される。
(𝑇 は故障時間、𝑇
故障時間は，1 室以上が正常に使用できなかった時間、および使用はできるが異常の調査のために本来の目的に使用できなかった時間を含む。また、治療稼 働率
𝑅は，
𝑇𝑅=1−𝑇+𝑇
治療遅延時間、𝑇は治療時間)で定義され(𝑇る。故障により特定のコースが使用不可能となったが、コース振り替えにより治療を実施した場合は遅延時間に含まれない。この定義で求められた月ごとの稼働率をFig. 4 に示した[5]。
Treatment

9100Operationg time [h]Figure 1: Yearly and total treatment number.

experiment

failure10 11 121 22022

450400350
300
250200150100
500201020112012201320142015201620172018201920202021
Calender Yearpreparation

頭蓋底

4 52021

80
婦人科

67893

膵臓

Figure 3: Operating time of accelerator system in GHMC.

小児

60

直腸術後
リンパ節
頭頸部

40

骨軟部
肝臓

20

呼吸器
泌尿器

0100%
99%
98%
97%
96%
95%
94%
93%
92%
91%
90%

Treatment availability
4 52021

Figure 2: early and total treatment number.

3.

Total availability

稼働率GHMC では月曜日をメンテナンス日とし、火～金曜日を治療日としている。加速器は 7:00 から立ち上げ 8:40 から治療開始し、17～20 時頃まで治療を行う。その後は、
月曜日はマシンスタディ、火・金曜日は新患測定、水曜
日は QA 測定、木曜日は実験のために使用している。立
ち下げ、冷却水停止は 23 時～0 時頃になる。各月の稼働 時 間 を Fig. 3 に 、 治 療 (treatment) 、 準 備 ・ 測 定(preparation)、実験(experiment)、故障(failure)の項目に色分けして表示した。冷却水を始動してから停止するまでの時間を総運転時間とした。
稼働率の定義は、以前との比較を容易にするために
2018, 2020 年の報告[3, 4]と同じ定義を用いた。つまり、装置稼働率𝑅は、𝑇
𝑅=1−𝑇+𝑇678910 11 121 22022

3Figure 4: Total availability and treatment availability of thefacility of GHMC.
生物分野・物理分野の実験が、木曜日治療終了後または週末(基本的には月末だが点検がなければ他の週末も可能)に行われている。2021 年度の課題件数は 30件(生物 24 件、物理 6 件)であった[5]。
実験で利用できるエネルギーは 140～400 MeV (モノエネルギー・SOBP) であり、ビームラインは治療で使用されている A～C 室だけでなく、スポットスキャニング照射を用いる D 室も使用できる。

4.

主な故障

4 月 19 日(月)の月曜点検時に入射器 IHL の 50 kW
中段アンプ真空管がフィラメント切れにより動作しないことが判明した。メーカーの技術派遣を受け翌日の午前 5- 1129 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TFP002

時に復旧した。月曜点検時に故障が発見できたため、治療の遅延は 90 分に抑えることができた。
7 月 10 日(土)に停電が発生し、10 分後に復電した。
土曜のため装置停止中であったが、停電により圧縮空気コンプレッサーが停止した影響で入射器ターボポンプのゲートバルブが閉じ、真空が 10-6 Pa 台から 10-4 Pa 台へ悪化した。これは早期に対処しなければ復旧に時間がかかる可能性のあるトラブルであったが、停電当日中に物理スタッフ、運転員が対処したため治療に影響は無かった。これを機に停電発生時は施設から物理スタッフに確実に連絡する体制を整えた。
2022 年 1 月 21 日(金)の治療中、シンクロトロン起動時に六極電磁石が過熱異常を発報し運転が出来なくなった。運転員がメーカーと連絡をとりつつ原因究明を進め、目視確認では過熱しているようには見られず、サーモセンサーに導通が無いことを確認してサーモセンサーの故障と判断し当該センサーをジャンパー処理して 2 時間後に仮復旧した。その後メンテナンス日に電源メーカーがセンサーを交換して復旧した。
一方で仮復旧の前に各職種代表(医師、放射線技師、看護師、物理)で話し合った結果、当日の治療を全て中止して翌治療日に振り替えることにした。当日に復旧させて治療を再開するか当日の治療を延期するかは、患者に待合室で待機してもらうのも負担になるため難しい判断となる。
装置運転員と装置メーカーの連携によって治療稼働率の低下を最低限に抑えることができている。今後も高い治療維持率を維持するために、スタッフの技術・経験を積み重ねるとともに故障の事前予防(点検、交換及び測定データの傾向解析)を行っていく必要がある。

5.

実際に生物の実験を行った[7]。
しかしながら、加速しつつ RFKO を利用して取り出すことはビーム力学的に複雑であり、これ以上取り出し速度を上げることは困難である。また、RFKO のみを用いて取り出した場合よりもビームの利用効率が低いことも明らかになった。そのため、今後は RFKO の周波数、振幅の最適化を行うことで取り出し速度を向上させる方針である。

(aFLASH 照射のためのビーム開発

近年、超高 線量率(40Gy/s 以上)での放射線照射(FLASH 照射)により従来行われてきた放射線治療よりも正常組織に対する副作用が減少するという報告がなされている[6]。このような実験を行うためには、高線量率(FLASH 条件)での照射条件と、その対照実験のために線量率のみを下げた照射条件を作成し、それぞれで線量と線量率を測定しておく必要がある。シンクロトロンに入射する粒子数を現在より増やすことは困難であるので、線量率を上げるためには取り出し時間を短縮する必要がある。GHMC でも FLASH 照射の研究が進められている[2]。
GHMC では 3 次共鳴を使用した遅い取り出しで約 1秒でビームを出射している。ベータトロンチューンを共鳴より 5/3 の共鳴より少し高くしておき、セパラトリクスを一定にしたまま RF 周波数を少し増加させ、ベータトロンチューンが下がり 5/3 の共鳴により取り出されるという方法をとっている。一方でチューン測定または実験用にRFKO 用のアンプとキッカー電極も用意してあり、RFKOでキックすることでセパラトリクス外に取り出す RFKO 取り出しも可能になっている。
取り出しの速さを上げるためにこの二つの取り出し方法を組み合わせてみた。Figure 5 のように、DCCT での周回電流の減少速度が増加し、ファラデーカップで取り出し電流が増加していることが見て取れる。この手法で(bFigure 5: The beam spill of 290 MeV/u (a Acceleration
extraction method (daily use) and (b both acceleration andRFKO method. The blue line shows the beam current
circulating the synchrotron measured by DCCT, the green
line shows the beam current at the Faraday cup and light
blue line shows the RF signal amplitude to RFKO
amplifier.

6.

イオン源テストスタンド

群馬重粒子線産学官共同研究センターとして GHMCで用いられているのと同等の KeiGM2 イオン源のテストスタンドが整備されている。企業との共同研究に用いられると共に、重粒子線医学センターの予備機としての役割もある。
昨年度から、従来のワイヤ－スリット型のエミッタンスモニタに加えてペッパーポットエミッタンスモニタを制作中である(Fig. 6)。測定時間が大幅に短縮するためイオン源のエミッタンスの時間変化を測定できると考えている。

- 1130 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TFP002(a(bFigure 6: (a External view of the pepper pot emittancemonitor. (b The fluorescence light from the MCP taken by
the CCD camera. Analysis is needed to determine
emittance and phase space plot.

謝辞
本研究は JSPS 科研費 20H04454 の支援を受けて実施しました。また、重粒子線治療装置の運転記録の取得について、日立製作所、三菱電機プラントエンジニアリン
グ㈱の運転技術員および加速器エンジニアリング株式会社の皆様の多大なご協力を頂きました。また、山形大学の想田光氏には加速器の運用や調整の多岐にわたるアドバイスを頂きました。イオン源を利用した共同研究では住友重機械工業株式会社および住友重機械イオンテクノロジー株式会社にお世話になりました。ペッパーポッ
トエミッタンスモニタの制作に当たって大阪大学 RCNP の依田哲彦氏、宮脇信正氏にアドバイスいただき、理研の長友傑氏の制作したペッパーポット原板を使用させていただきました。

参考文献[1] T. Ohno et al., Cancers, 3, 4046 (2011).
[2] https://heavy-ion.showa.gunma-u.ac.jp/page.php?id=11[3] 2018 GHMC annual report.
[4] 2020 GHMC annual report.
[5] 2021 GHMC annual report.
[6] U. A. Weber et al., Medical Physics 49;3:1974-1992. (2021).
[7] M. Tashiro et al., Anticancer Research 42;5. (2022).

- 1131 -