2024 March
国立研究開発法人

量子科学技術研究開発機構

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第 71 号

高崎研だより役立つ科学

日本 世界見聞録

My Favorite
研究装置紹介

Mar.

治療用粒子線の可視化に関する研究
ポーランドの古都を訪れて我が家のムードメーカー

原子吸光光度計

高崎研だより問い合わせ先 ： 量子技術基盤研究部門 高崎量子応用研究所 (TEL)027-346-9232
e-mail ： taka-soumu@qst.go.jp ホームページ ： https://www.qst.go.jp/site/taka
高崎研

役立つ科学

治療用粒子線の可視化に関する研究
量子バイオ基盤研究部 津田 路子

Q

1. 治療用粒子線とはどのようなものですか？

Q

2. 既に実用化されている粒子線治療ですが、 なぜ可視化が必要なのでしょうか？

Q

3. どのようにして、 粒子線の可視化を行うのでしょうか？

治療用粒子線とは、がんの放射線治療で利用される放射線の 1 つです。身体にメスを入れることなく治療が可能なため、2019 年の日本の放射線治療患者数はその 5 年前の約 2.5 倍に増加しています。
放射線治療ではこれまで主に X 線が利用されてきましたが、近年は陽子線や重粒子線を用いた粒子線治療が行われています。X 線の場合、身体に与えるエネルギーは皮膚表面が最大で、身体内に進むほど線量が減少します。一方、粒子線は身体内のある一定の深さで急激にエネルギーが増加するため、正常細胞への影響を極力抑えてがん細胞に放射線のエネルギーを集中させることが可能です。

粒子線治療は、治療計画から実際の治療までの期間に腫瘍や周囲の臓器の形状が変化し、照射位置がずれるリスクがあります。現在の技術では、治療直後に正確な照射位置を把握する手段はないため、患者体内に照射された粒子線を可視化することで、治療の安全性などの向上が期待できます。
従来の方法
体内に照射された粒子線の可視化を目的に、粒子線軌跡上に発陽電子消滅γ線 (511 keV)
高エネルギー
治療
即発γ線
生する消滅γ線、もしくは即発γ線を測定する方法が研究されてビーム
陽電子放出核種(4 〜 7 MeV)
います。しかし、消滅γ線は体内の代謝機能の影響で発生位置が体内発生位置と軌跡がずれる 高エネルギーで測定困難ずれてしまうため、また即発γ線は発生位置のずれはないものの新手法高エネルギーであるため、測定が困難です。そこで、我々は、同即発性で発生位置と軌跡が一致
低エネルギーで測定が容易
電子
じ体内を通過する粒子線の軌跡上から発生し、代謝の影響がなく、二次電子制動放射線
さらに低エネルギーであるため測定が容易な二次電子制動放射線(20 〜 100 keV)を測定して、粒子線を可視化する手法を提案しています。
二次電子制動放射線の特徴

500※

250200150100500250200
150
1005000

100200

300

400

5000

100200300

4005000100200300

400500４. 得られた結果はどのように解析するのでしょう？

距離 L

IP の色の濃淡度合い

Q0250200150100500

二次制動放射線の量IP 手前ｰ奥方向の位置高いデータ信頼性と実績から、医療分野で広範囲に利用されているイメージングプレート（IP）を使って二次電子制動放射線を測定し、可視化（画像化）を行います。数 100 µm 程度の高解像度と高感度を持つ IP は、精度の高い飛程（放射線が物質中を進む
位置 A二次制動放射線多距離）の推定が期待できるほか、低コストで取扱が容易であ
炭素線
121 mm 少るため、粒子線可視化装置として有望です。
水槽
多実験装置を右図に示します。人体の変わりに水槽に張った位置 A
91 mm 少ピン
水に重粒子線（炭素イオン）を照射し、水中の軌跡上から発 イメージング
ホール
多プレート (IP）遮蔽板
生する二次電子制動放射線をピンホールを通して IP で捉え
61 mm 少位置 Aることで、画像化しました。その結果、炭素イオンのエネル
IP 左右方向の位置※ IP 上では、左右反転して画像化される
ギーを変えることで、飛程を 121、91，61 mm と変化させ実験装置と二次制動放射線の IP 撮像結果た様子を撮像結果から観測することに成功しました。

L
121 mm91 mm
61 mm

炭素線の水中飛程 (mm)

IP 左右方向の位置

飛程推定手法の導入

炭素線の飛程を変えて得られた複数の画像から、IP 左右方向の位置と色の濃淡の関係をプロファイルし、ある一定の濃淡を示す位置の距離 L を求め、炭素線の水中飛程との関係をグラフ化しました。その結果、標準偏差 2.5 mm という高い精度で飛程を推定することができました。この精度は、IP 以外の装置による画像化実験で得られた 7 mm を大幅に上回る優れた値です。

インタビュアー（広報事務局）

日本 世界見聞録

ポーランドの古都を訪れて2023 年 10 月ポーランド南部の都市クラクフの Jagiellonian（ヤギェウォ）大学で開催された「Symposium on New Trends in Nuclear and Medical Physics」の国際シンポジウムに参加しました。
Nuclear（原子力）と Medical Physics（医学物理）はあまり馴染みのない組み合わせですが、このシンポジウムは、素粒子・核物理から臨床応用までを目指している陽電子断層撮像（PET）技術の開発等について議論するものです。筆者は、自身が行ってきたスピン偏極陽電子等の研究に主催者 P. Moskal 教授が開発した J (Jagiellonian)-PET 技術を融合できないかという視点から発表を行いました。
Collegium Maius の外観
Jagiellonian 大学は、1364 年に建造されたポーランド最古の大学で、今回会議会場となった Theranostics Center（セラノティクスセンター）や現在博物館として利用されている Collegium Maius（大学校舎）など当時の建築物が現存する他、天文学者コペルニクスなど数多くの偉大な学者を輩出していることで知られています。ここを訪れると、当時からの「科学」を育む空気を肌で感じ、何とも言えない深い感慨を覚えます。
クラクフから南東へ約 10 kｍのところには、世界遺産の Wieliczka(ヴィエリチカ ) 岩塩抗があります。約 700 年前に開かれた岩塩の採掘場で、現在その全長は 300 km 以上に及びます。採掘場内のホールでは、結婚式やコンサートなどが開催されます。ポーランドに行かれる際には是非訪れてみてください。
Wieliczka 岩塩抗の内部

My Favorite

先進ビーム利用施設部

河裾厚男

我が家のムードメーカー

皆さんは日々どのように癒されていますか？私は実家に愛犬を飼っており、妹から毎日のように送られて来る愛犬動画を観ることが私の癒しになっています。
元々ペットを飼ったことがなく、小学校のクラスでウサギを飼育していたぐらいでした。そして、その時経験した動物を育てる大変さなどから、ペットのいない少年時代を過ごしてきました。しかし、その後家族で慣れない土地に引っ越しをすると、家族の調子が悪くなった時期がありました。その際、妹の「犬が欲しい」との希望から一匹の犬と出会いました。マルチーズとトイプードルのミックス犬で、白いふわふわな毛並み、くりくりした目、ちろっと出た舌、全てがどストライクで、その場でその子を家族にすることに決めました。
名前は、ぱっと頭に浮かんで響きの可愛さから「かぷ介」と私が決めました。

歯までも可愛い！

世界で一番可愛い名前をつけたと思っています。かぷ介が我が家に来てからは、家族にも元の笑顔が戻り、かぷ介中心の生活になっていきました。今では、家族のムードメーカーとして支えてくれる大事な弟です。
こたつからひょっこり顔を出す動画や、お手を習得した動画などを観ながら眠りにつくのが、高崎で一人暮らしをする私のお気に入りのルーティンです。最初は動物に興味がなかった私ですが、実際に飼ってからは日々充実した生活を送っています。皆さんもペットという新しい家族を迎えてみるのはいかがでしょうか？
構ってほしいときの表情

おすしすき（ペンネーム）

研究装置紹介

原子吸光光度計

量子バイオ基盤研究部 長谷 純宏【原理と特徴】
原子吸光光度計は、主に溶液中に含まれる無機元素の濃度を測定する装置です。元素の種類によって原子が吸収する光の波長が異なる性質を利用し、その光の吸収量から元素の濃度を測定します。
原子吸光光度計の原理を右図に示します。最初に、ネブラ
データ解析
検出器
（光電子倍増管）
励起状態の電子イザー（噴霧器）で霧状にした試料に熱エネルギーを加えて光の吸収
ミラー
原子を蒸気の状態にする原子化を行います。原子化には、炎光基底状態の電子を用いるフレーム法と黒鉛炉などで電気的に加熱するフレー
回折格子
ムレス法があり、フレーム法では溶液を 2,000 〜 3,000℃に加熱します。一般的に、フレーム法は mg/L（ppm）オーダー、 ホロカソード
分光器
ランプ
フレームレス法は µg/L（ppb）オーダーの測定に使われます。
ネブライザー
試料溶液
光源には、特定の波長の光を出すホロカソードランプを使
原子吸光光度計の装置構成（フレーム法）用します。元素はそれぞれ固有の波長の光を吸収する特徴があり、フレーム中の基底状態の原子はランプからの光を吸収して励起状態になります。分光器では、フレーム通過後の光に含まれる、ランプ中の不要な光や励起状態の原子が基底状態に戻る際に発する光などをカットし、測定対象元素の吸収により減光した波長の光のみを取り出します。ランプは測定対象元素毎に交換が必要です。検出器には、光電子倍増管と呼ばれる高感度の光センサーを用います。
実際の測定では、測定対象の元素を含む標準試料を用いて検量線を作成し、これを基準として未知試料中の元素濃度を求めます。複数の元素を同時に測定することはできないため、定性分析には不向きですが、ほとんどの金属元素を高感度で定量できるため、環境試料の分析に広く利用されています。
【実際の使用例】
ポリリン酸を染色した細胞

相対的なセシウム含量

微生物を利用した放射性核種回収技術の開発を目指す研究で、細胞に 2.0 ( 矢印はポリリン酸を多く含む細胞 )含まれるセシウムの測定に原子吸光光度計を使用しました。リン酸が直1.5鎖状に結合した生体高分子であるポリリン酸は、負に帯電しており、正の電荷を持つ金属イオンを捕捉すると考えられています。
1.0
そこで、ポリリン酸を生成する微生物を用いて、ポリリン酸の生成とセシウム含量の関係を調べました。ポリリン酸を合成する遺伝子を持た 0.5ない変異株（B）は野生株（A）に比べて、セシウムの含量が少なく、逆に合成する遺伝子を過剰に発現させた株（C）は、やや含量が高いこと 0.0
ABCD野生株がわかります。微生物はポリリン酸を分解する遺伝子も持っているため、ポリリン酸合成遺伝子なし
ポリリン酸合成遺伝子過剰発現
この遺伝子を持たない変異株（D）についても調べたところ、最も多くポリリン酸分解遺伝子なしのセシウムを細胞内にため込むという予想外の結果が得られました。
ポリリン酸の合成特性が異なる
株のセシウム含量メッセージ「春告げ花」とも呼ばれる菜の花の旬は 12 月〜 3 月です。花が咲くと苦味が増すので、蕾の状態で販売しています。先日、群馬県では２月としては観測史上初となる夏日となり、店頭で咲いてしまった花を摘む一苦労がありました。商品だけでなく、収穫前の作物への影響も懸念されています。気候変動が農業に及ぼす影響は計り知れません。収穫量の低下を食い止めるため、高崎研では量子技術を活用した研究を進めています。
（量子バイオ基盤研究部長 石岡 典子）
時代とともに、衣類の素材の質が低下している気がします。特に綿については、ペルーやインドなどを産地とした上質なワイシャツやセーターをあまり見かけなくなりました。ポリエステルまで質が低下しているように感じます。一方で、最近のポリウレタン混紡素材は機能性が高く、快適です。