RISTニュース No．
５６（２０１４）加速器ベス治療装置の開発における技術の適用        
筑波大学 医学医療系 生命医科学域
熊田 博明

要約
近年、難治性がん、再発がん等の治療法として、ホウ素中性子捕捉療法：が注目されている。中性子線を用いるは、これまで研究用原子炉を使って臨床研究が行われてきた。近年の加速器技術の進展により、原子炉に代わって病院内にも設置可能な加速器ベース中性子源によるの実用化を目指した研究開発が国内外で行われている。筑波大学では、
のリニアック技術をベースにした治療装置の開発整備を進めており、２０１５年内の臨床研究開始を目指している。この治療装置の開発においては、
を用いたモンテカルロ輸送解析によって中性子発生装置の設計製作と、施設の遮へい評価を行っている。また、治療実施に必要となる治療計画システムについても、計算エンジンにを用いたシステム：ツクバプランの開発を行っている。本稿では筑波大学のプロジェクトを中心に加速器ベース
研究の現状と、を用いたモンテカルロ解析による治療装置の設計、遮へい評価及び治療計画技術について紹介する。
１．はじめに患者に投与し、病巣部に中性子線を照射する

日本人のがん患者数増大と超高齢化に対しことによってがん細胞内の１０と中性子がて、非侵襲的で患者の負担が少なく、且つ、核分裂反応を起こし、放出される粒子：アル生活の質（）の高い放射線治療の重要性

ファ線とリチウム原子核によってがん細胞をが高まっている。近年のコンピュータ制御技

選 択 的 に 破 壊 す る 治 療 法 で あ る。図 １ に術の進展によって線治療（強度変調放射線の原理を示す。放出される２つの粒子治療、サイバーナイフ等）や、粒子線治療の飛程は１０程度と短く、この距離はちょ（陽子線、重粒子線）などの放射線治療（外うどがん細胞径と同等であることから、２つ照射）技術は飛躍的に高度化し、外科手術にの粒子はがん細胞の細胞核を破壊して止ま代わる治療として確立、普及している。しかり、隣接する正常細胞には届かない。発生すし悪性脳腫瘍などの浸潤がんや多発性がんる粒子：アルファ線とリチウム原子核は殺細や、放射線治療後の再発がんに対する治療法

胞効果の高いは未だ確立できていない。これら難治がんやは再発がんに対する治療法として近年注目されも呼ばれている。ているのがホウ素中性子捕捉療法（


重粒子線であることから、がん細胞選択的重粒子線治療と治療に中性子線を用いるは、これま  、以下）でで京都大学原子炉実験所の研究用原子炉：

ある［１］。は、がん細胞に選択的に集や日本原子力研究開発機構（原子力機まるホウ素の同位体（
１０）を含む化合物を構）の研究用原子炉：
などを使って臨−−RISTニュース No．
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図１

の原理

床研究が実施され、悪性脳腫瘍、頭頸部がん対する臨床治験を開始している。また筑波大等に対して優れた治療成績を収めている。し学も直線型加速器を用いた用加速器中

かし昨今の日本の原子力事情から、新たに研性子源（後述）の開発を行っている。ほかに究用原子炉を建設し、さらにその施設を継続も国立がん研究センターや福島県総合南東北的に管理運用することは困難であり、特に病病院にも加速器ベースの整備事業が進院に原子炉を併設することは不可能である。

められている。この用加速器中性子源

特に
は、東日本大震災から停止し、最が実用化すれば、病院内でを実施する近廃炉が決定した。これにより国内でことが可能となり、難治がん、再発がんに対を実施できる施設はのみとなった。

する有力な治療法として確立することが期待

このように高い治療効果が実証されているされる。にもかかわらず、は医療として確立、本稿では、このの確立に向けて、筆普及することができていない。この状況に対者が所属している筑波大学のプロジェ

して、近年、加速器を使って大強度の中性子クトの概略を紹介するとともに、を用を発生させる技術が確立し、病院にも併設可いたモンテカルロ解析による治療装置設計、能な小型加速器を使って中性子を発生させて遮へい評価及び線量評価／治療計画技術につ治療を行う加速器ベース が現実的いて紹介する。となってきた。
現在、この加速器ベースを実現するた

２．筑波大学グループで開発中の加速器ベーめの開発研究が国内外の研究機関で複数行わス治療装置れている。最も先行している京都大学は、住友

筑波大学は、高エネルギー加速器研究機構

重機械工業（株）と共同でサイクロトロンベー（）、原子力機構、北海道大学などの研究

スの用加速器治療装置：
を開機関と、三菱重工業（株）や放射線関連機器発整備した［２］。
は平均電流：１を扱う複数の民間企業と連携し、さらに茨城の陽子を３０まで加速し、３０×１
＝県も加わった産学官連携チームを２０
１
０年に発３０の陽子ビームをベリリウム標的に入射

足し、加速器ベース治療装置の開発整して中性子を発生させる。京都大学はこの治備プロジェクト（以下、プロジェクト）

療装置を用いて平成２４年度から悪性脳腫瘍にを推進している［３］。
−−RISTニュース No．
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図２は
プロジェクトの加速器ベースルギーを低く抑え、治療装置の放射化と治療治療装置の概略を示している。


ビームに混入する高速中性子の割合を低減さプロジェクトでは、用加速器としてせている。加速器の設計は、が中心と＋形式のリニアックを採用し、茨なって行い、加速管本体等の製作は三菱重工

城県東海村に設置されているのフロ業（株）が担当した。図３は製作した
ント−エンド・リニアックの技術を応用して用リニアックの加速管本体（、）で開発を行った。このリニアックで陽子を８ある。また、表１はこの加速器の主要諸元をまで加速し、これをベリリウム標的材に示している。

入射して、中性子を発生させる。リニアック

この加速器の製作と並行して、中性子発生で加速する陽子のエネルギーを８
に低装置の設計、製作を、原子力機構、北海く抑えることで、発生する中性子の最大エネ

道大学、筑波大学等で連携して実施している。

図２

プロジェクトのリニアックベース用治療装置の概略

図３ 「いばらき中性子医療研究センター」内の加速器室に設置した＋加速管−−RISTニュース No．
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表１プロジェクトで開発している用リニアックの主要諸元
加速器形式

＋ 形式リニアック

陽子エネルギー８

ピーク電流値

５０

平均電流値

＞５ （最大１０）

ビーム幅１

ビームパワー
大きさ＞４０ （最大８０）
長さ：＜７， 設置面積：＜５０２

開発したリニアックベース用治療装

３．中性子発生装置の設計

置は、茨城県が東海村内に所管している施

現在プロジェクトでは、陽子線加速設：「いばらき中性子医療研究センター」内

器の製作と平行して中性子発生装置の製作をに設置しており、２０１３年現在、加速器を稼動行っている。前述のとおり当治療装置は、装するための調整等を行っている。図４に同研置の放射化の低減、及びこれに基づく患者と究センター内に設置している治療装置（加速医療従事者の被ばく低減を目的に、ベリリウ器、照射室等）の配置の概略を示す。加速器

ム標的に入射する陽子エネルギーを８

室内に設置しているリニアックで８まに低く設定している。一方、低エネルギー陽で加速した陽子ビームは、リニアックから出子入射に対して、ビーム孔位置で治療に十分た後すぐにベンディングマグネットによってな中性子強度を得るためには、大電流の陽子９０度曲げられ、隣の照射室（治療室）入射が必要であり、当治療装置は加速器で平に導かれる。照射室内でもう一度９０度曲げ

均電流：５以上の電流を発生して、４０て、さらにビームを２０×２０程度の大きさ以上（最大８０）の大パワーの陽子ビームまで拡大してベリリウム標的装置に入射さをベリリウム標的に入射させる設計である。

せ、中性子を発生させる。

従ってこのベリリウム標的装置の技術は、大電流リニアックの開発と並んで当プロジェク
トのキー・テクノロジーとなっている。
最 大８０の 大 パ ワ ー 陽 子 ビ ー ム 入 射 によって中性子を発生するベリリウム標的装置の開発とともに、この標的装置で発生した中性子を治療に適用可能な中性子ビームに形成し、患者の病巣部に中性子を照射できる性子発生装置

中の設計、製作を行っている。

この設計には中性子、光子および陽子のモンテカルロ輸送解析が必要であり、この解析に［５］を用いて実施している。図５は当中性子発生装置の概略を示している。この中

図４ いばらき中性子医療研究センター内に設置している治療装置の配置

性子発生装置は、中性子を発生する
−−

ベリリ

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ウム標的装置 、発生した中性子を減速して減速効果のあるフッ素物：フッ化アルミニウ

治 療 に 用 い る 熱 外 中 性 子（０．
５＜＜、フッ化カルシウム（２）、フッム（３）１０）に調整する モデレータ 、熱外中性化マグネシウム（２）などが用いられるこ子ビームをビーム孔に集中させる

コリメーとが多い。また、原子炉ベースの施設

タ 、そしてビーム孔以外から漏洩する中性

では、フルエンタル（アルミニウムとフッ化子とγ線を遮へいするアルミニウム、フッ化リチウムの混合材）や遮へい体で構成される。

重水なども用いられている。ここで本装置においては、病院内で設置、運用できる治療装置として開発していることから、その取扱い、管理と発生するトリチウムの遮へい等の問題からモデレータ材に重水を用いることは除外して検討した。
では患者の負担軽減の観点から、治療時間（中性子照射時間）は１時間以内に抑えることが１つの指標となっている。この１時間以内の治療を実現するためには、ビーム孔位置で１×１０９（２・）以上の熱外中性子束を発生させる必要がある。
 

図５においても少なくとも５×１０８（２・）以用中性子発生装置の概略上を発生させることが求められている。しか８
の 陽 子 と ベ リ リ ウ ム と の 反 応 にしその一方で、前述したようにビームに混入

よって、最大エネルギー：約６．
１１
の中性する高速中性子も可能な限り低減することが子が発生する。この中性子をモデレータ部で必要である。モデレータ部で高速中性子を減治療に適切な熱外中性子まで減速調整する。

速し過ぎてしまうと、ビーム強度も低下してここで高速中性子（＞１０）は、生体組織しまい、治療に必要なビーム強度を得られな中の水素と反応して治療において有害な線量くなる。従って原子炉よりも発生できる中性となるため、可能な限り低減する必要があ

子量が少ない加速器ベースの用中性子る。国際原子力機関（）のに関す源では、原子炉ベースの装置のビームる技術レポート： ではスペクトルよりも高エネルギー側に偏ったス［４］、治療に用いる中性子ビームに混入するペクトルになる傾向がある。これを踏まえ

１３

高速中性子の混入率を２．
０×１０ （熱外中て、加速器ベースの用中性子発生装置性子束）以下に抑えることが推奨されていの高速中性子フィルターとモデレータの設計る。この目的からベリリウム標的装置の下流においては、中性子スペクトル（高速中性子側に高速中性子のフィルター材を配置する。

混入割合）と熱外中性子ビーム強度のトレーフィルターの材質としては一般的に１

ドオフによってバランスする装置設計が必要程度に非弾性散乱断面積の閾値を有する鉄、である。

アルミニウムなどが用いられる。さらに高速これらを踏まえ、本装置の設計において中性子フィルターの下流には、高エネルギーは、ベリリウム標的装置の下流側に配置する中性子を減速するモデレータ材を配置する。

高速中性子フィルター、モデレータ材の形

この材質には、高エネルギー中性子に対して状：円筒、角柱と大きさ、及び材質をそれぞ−−

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れ変更し、を用いたパラメータサーベとで、
を１に近づけることができ、且つ、
イを実行して、高速中性子フィルターとモデビーム孔外部の遮へい厚を厚くすることがでレータ材について最適な材質と形状を導き出きることから、遮へい効果も高くできる。しかした。

し一方で、この距離が長くなることで、熱外モデレータ部の下流側には、中性子と各材中性子束が低下してしまうため、コリメータ質との反応で発生する線を遮蔽するための部の設計においてもやはりビーム強度と、 線 フ ィ ル タ ー を 配 置 し て い る。こ こ で遮へい性能のトレードオフの関係性を考慮しのた設計が必要である。

では線の混入率を２．
０×１０（
熱外中性子束）以下に抑えるこ

図６は、これまでにを用いたパラとが推奨されている。当装置ではこの線メータサーベイによって導いた中性子発生装フィルター材としてビスマスを用いることと置の概念設計モデルのビーム孔部分の中性子した。さらに治療時に皮膚線量の増加の原因スペクトルを示している。同図はの熱となってしまう熱中性子（＜０．
５）をカッ外中性子ビームのスペクトルも併記し、原子トするため、カドミウム製の熱中性子フィル炉ビームとの比較を行っている。また表２ターも配置した。なお ではは、この加速器ベースの概念設計モデルでの熱外中性子束に対する熱中性子束比は０．
０５以

熱外中性子束、各混入率について、と下が推奨されている。の比較を示したものである。なお、加速器ベー１３モデレータ部の下流に配置する

コリメー

ス中性子源の数値は、ベリリウムに最大陽子タ 部の設計も
を用いたパラメータサー

パワー：８０を入射した場合の評価結果でベイによって実施した。コリメータ部の設計ある。これらの結果から、当加速器ベースにおいては、前述のとおり、ビーム孔部の熱治療装置の熱外中性子束は、に外中性子束を可能な限り高くする必要性か対して３倍以上のビーム強度を発生できていら、モデレータで形成した熱外中性子ビームる。図６で示されているように、ビームスペを効率よくビーム孔まで導く機構が必要であクトルは、
に比べてやはり高エネルギーる。一般的には、ビーム孔までの距離を短くすることでビーム強度の低下を抑えることができる。その一方で、用ビームとして求められる特性として、ビーム孔から放出させる熱外中性子ビームは、可能な限り直進性の高い並行ビーム（≒１）として取り出すことが望ましい。これはビームの直進性が高いほど生体内に入射してからの熱中性子の深達度が増加し、治療可能範囲（深さ）が増
加 す る 傾 向 が あ る か ら で あ る。
では

＞
 ０．
７が推奨されている。
また、コリメータ部の設計においては、治療時に患者の被ばくを抑えるためビーム孔以外

図６ 
加速器ベース治療装置（設計案）のビーム孔位置のビームスペクト
ルと
の熱外中性子ビームモードのスペクトルの比較からの中性子と線を可能な限り遮へいする機構が求められる。一般的にモデレータ部からビーム孔までの空気層の距離を長くするこ−−RISTニュース No．
５６（２０１４）側に偏ったスペクトルとなっている。この影に十分な強度の熱外中性子ビームを発−１３

響から高速中性子束の混入率は、約５．
５×１０生できることを確認した。また、線量と熱（熱外中性子束）とのそれよりも高中性子の混入率も低く抑えられることも確認

い結果となっている。一方線の混入率は、した。高速中性子束の混入率は
の推奨約２．
３×１０ （熱外中性子束）と、

値に比べるとやや高いが、今後さらにの約１３であり、
 に示されてによるパラメータサーベイを行って調整し、いる推奨値も大きく下回っている。熱中性子装置の最終設計を固めて中性子発生装置の製の混入率も０．
０２程度と低く抑えられている。

作に着手する計画である。

−１４

本 評 価 結 果 か ら 当 加 速 器 中 性 子 源 は、

表２加速器ベース治療装置（設計案）とのビーム性能の比較
中性子束（
２）

熱中性子束
（＜０．
５）

熱外中性子束（０．
５＜＜１０

高速中性子束（＞１０）加速器（８０）

８．
９８
１０７４．
３４
１０９５．
１６
１０８

（３，５００）

３．
０
４
１０８

１．
３２
１０９

５．
２９
１０７

４．照射室の遮蔽計算線量率（）

線量混入率）（・２
高速中性子混入率

線混入率

０．
４８

５．
５５
１０−１３

３．
０７
１０−１４

０．
５０２．
３３
１０−１３

１．
０５
１０−１３

孔部を中心に照射室全体に広がっていること

中性子発生装置の設計と並行して、照射室が分かる。また興味深いのは、ベリリウム標及び加速器室の遮へい性能についても評価を的で発生した中性子は、３６０度方向に広がる行った。図４に示す照射室及び加速器室につが、特に真空容器である後方側の陽子ビームいて、加速器をフルパワー（８×１０）で運転した際に発生する中性子線量及び線量を評価するため、両室の３次元モデルを作成して、による輸送計算を実行して両室の３次元の空間線量分布を評価した。照射室については、８０の陽子ビーム入射に対して、前節で紹介した中性子発生装置モデルで発生する中性子ビームをビーム孔位置に線源として設定し、照射室内の中性子線量及び線量の３次元分布を算出した。図７は照射室内のビーム孔高さの中性子線量の水平断面２次元分布を評価した結果を示している。中図７ 照射室内のビーム孔高さの水平断面の中性子線量分布の評価結果

性子発生装置で発生した中性子線量がビーム−−RISTニュース No．
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ダクト側に中性子線量が広がっていることが用治療計画システムによる照射条件決分かる。このことからビーム孔の出口方向側定の流れを示している。

だけでなく、後方側の遮へいも十分に設定する必要がある。後方側は陽子ビームの輸送系装置：ビームダクト、マグネットなどを配置するため、これらの放射化についても対策を講じる必要があることが分かった。この評価結果は、施設、機器の遮へい装置の製作設計に用いるだけでなく、施設の放射線使用許諾申請にかかる評価にも用いた。
５．用治療計画システムの開発
を実施するためには、中性子照射に図８

よって患者に付与される線量を正確に評価

用治療計画システムによる照射条件決定の流れし、この評価結果に基づいて適切な照射条件（ビームの入射角度、距離、照射時間等）を

表３はこれまでに実用化された用治導く技術が不可欠である。この照射条件を導療計画システム及び、現在開発中のシステム

くソフトウェアがであを示している。原子炉ベースの用治療る。治療計画システムは、線治療、粒子線計画システムとしては、これまでに４つのシ治療などの分野ではすでに確立しており、患ステムが開発、実用化されている。しかし米者のデータから作った３次元人体モデル

国の２つのシステム：［６］、


に対して放射線の照射シミュレーションを実は、開発が１０年以上前に終了し、開発チーム行してがん病巣及び周囲の生体組織に付与さも既に解散している。また、４つのシステムれる線量を算出し、最適な照射条件を導く。

はいずれも原子炉ベースの用として研ここで従来の放射線治療の線量評価では、治究用ツールとして開発されたものである。

療に用いる放射線（線、陽子線、炭素線）


加速器装置をはじめ、現在、国の挙動が比較的単純で、且つ、照射する放射内で開発整備されている加速器ベース

線を直接的に治療に用いることから、病巣及治療装置は、いずれも医療機器として薬事登び周辺組織に付与される吸収線量（物理線量）録される計画であり、も臨床研究からは、コンボリューション法、ペンシルビーム先進医療に移行することが見込まれる。従っ法といった決定論的手法に基づく輸送計算にて従来の４つのシステムは加速器ベース

よって比較的精度よく算出することができに対応することができない。これを踏る。一方、の場合、評価対象となる線まえ、筑波大学では、加速器ベースに量の元となる中性子の粒子挙動が複雑であも対応し、医療としてのの治療計画にり、また、２次的に発生する線の寄与も大も適用可能な新しい汎用モンテカルロ治療計

きく無視できないため、決定論的手法による画システム（開発コード：ツクバプラン）を線量評価では正確な線量評価を行うことが困開発している。ツクバプランは、モンテカル難である。従っての線量評価には治療ロ線量計算にベースの計算コードを計画システムの開発当初からモンテカルロ法

用 い、さ ら に、核 デ ー タ ラ イ ブ ラ リ に は（確率論的手法）が用いられている。図８は、．
を採用している。図９にツクバ

治療計画システム−−RISTニュース No．
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プランのユーザーインターフェイスの一部を射条件当たりの線量計算を数秒〜数分で完了示す。図９は、取り込んだ画像をベースしてしまう。の線量評価においても、に人体の３次元モデルを構築した様子であ医療現場で実用化するためには同程度の計算る。ツクバプランは、ピクセルベースのボク時間での線量評価が求められる。現在ツクバ

セル計算モデルも構築可能であり、従来のシプランは、並列計算環境を用いた計算の高速ステムに対して、より高精度な線量評価が可化と、効率的な輸送計算を可能にするボクセ能である。モンテカルロ線量評価／治療計画

ルモデリング手法［７］などを組み合わせ、１の実用化に向けた最大の課題は計算時間の短照射条件当たり数分以下での評価を実現させ縮化である。決定論的手法による線量評価法たいと考えている。

を用いる線治療等のシステムは、１つの照

表３
名称

開発機関



 ※

用治療計画システム一覧

計算コード


日本原子力研究開発機構



核データ

Ⅵ

採用施設

（原子力機構）
−



米国・


オリジナル

オリジナル


（京都大学）、
（フィンランド）等



米国・マサチューセッツ工科大学（）Ⅴ（）、（アルゼンチン）

台湾・清華大学
Ⅶ
（清華大学）

ツクバプラン
（開発中）

筑波大学






加速器、、（京大原子炉、南東北病院）等（予定）※
 は計算コードをに変更した派生システム

図９

開発中のツクバプランのユーザーインターフェイス−−RISTニュース No．
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また、ツクバプランはモンテカルロコード

療計画だけでなく線、粒子線治療分野にもに光子、陽子線、重イオンの輸送計算も可能適用することを計画している。このように、なを採用していることから、将来的に今後のの確立と、線治療、粒子線治はだけでなく線治療、粒子線治療分療の高精度化、品質管理の高度化に向けて野の線量評価／治療計画にも適用することをは、モンテカルロ輸送計算＝の導入、検討している。前述のとおり線、粒子線治実用化が不可欠と考える。モンテカルロ法の療分野では、現時点では計算時間の関係から放射線治療分野への実用化は、放射線治療法決定論的手法による線量評価手法が用いられの治療成績の向上、ひいてはがん治療法の確ているが、より精度の高い線量評価に基づく立に寄与するものと期待される。

治療計画立案と、放射線治療の品質保証・品質管理（）の高度化が求められており、参考文献

高精度の線量評価が可能なモンテカルロ法に

［１］


   

よる線量評価／治療計画の導入が検討されて   いる。さらに近年では、陽子線、重粒子線照


射時に付随的に発生する中性子線による病巣  


外への計画外線量付与や患者の被ばくについ   ても評価が求められており、これらの解析に   


［２］    


もモンテカルロ解析が用いられている。

 


６．まとめ    


近年の加速器中性子源技術の進展により、病院内に設置可能な小型加速器ベースの

治療装置の開発が進められている。筑 

波 大 学 で は、技 術 を 応 用 し た リ ニ  
［３］  


アックベースの治療装置の開発整備を   進めている。当治療装置の開発においては、

を用いたパラメータサーベイによっ  て中性子発生装置の製作設計を行っている。

 
  

また、施設の遮へい評価もを用いて実施している。これらの解析結果に基づいて［４］
 


 


２０１４年夏までに中性子発生装置の製作と施設




 

の遮へい機器の設置を行い、これまでに製作





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
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したリニアックと組み合わせて中性子ビーム［５］  を発生させる計画である。これと平行して、

用治療計画システム：ツクバプランや、     

患者位置合わせ技術、中性子計測技術等の周

辺機器も開発整備し、２０１
５年内に同装置によ

る臨床研究の開始を計画している。

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  ［６］  


また、線量計算エンジンにを用いて
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    いるツクバプランは、の線量評価／治  
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RISTニュース No．
５６（２０１４）

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Am. Nus. Soc80    ［７］          

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