Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

群馬大学重粒子線医学センターの現状報告
PRESENT STATUS OF GUNMA UNIVERSITY HEAVY ION MEDICAL CENTER
想田光#, A), 山田聡 A), 金井達明 A), 遊佐顕 A), 田代睦 A), 島田博文 A), 久保田佳樹 A), 松村彰彦 A), 齋藤明登 A),
鳥飼幸太 A), 藤本哲也 A),B), 竹下英里 C)#, A)
Hikaru Souda , Satoru YamadaA), Tatsuaki KanaiA), Ken YusaA), Mutsumi TashiroA), Hirofumi ShimadaA),
Yoshiki KubotaA), Akihiko MatsumuraA), Akito SaitoA), Kota TorikaiA), Tetsuya FujimotoA),B), Eri TakeshitaC)A)
Gunma University Heavy Ion Medical CenterB)
Accelerator Engineering CorporationC)
Kanagawa Cancer Center

Abstract
Operation of cancer treatment has been carried out at Gunma University Heavy Ion Medical Center since March 2010.
Total 714 patients were treated until the end of June 2013. Layer stacking irradiation has been applied since January 2013
and accounts for about 20-30% of all treatment irradiations. Present operation of the accelerator is stable with optimizationof gas flow of the ECR ion source and the RF power the injector linac. In order to improve the stability of the extracted
beam, experimental researches of COD correction to suppress the position movement and of beam emittance enhancement
to minimize the beam energy deviation for the extraction has been carried out. Scanning irradiation is under developmentin the experiment irradiation room. A dose uniformity of ±1% (1) in the 2-D uniform irradiation of 10 x 10 cm wasachieved by suppression of the beam size and position deviation. Further experiment will be performed to realize 3-D
spherical uniform irradiation.
Table 1: Specification of the accelerator in Gunma
1. Introduction
University Heavy Ion Medical Center (GHMC).
10GHz
RF 周波数群馬大学重粒子線医学センターでは、普及型炭素イオン源
ガス種類
メタン(CH4)
線治療装置を用いて 2010 年より癌患者への治療照射(永久磁石
C4+生成イオン種を行っている。炭素線治療装置の構成及び主要パラ型 ECR)
30kV (10keV/u)
引き出し電圧メータは表 1 の通りである。
200MHzRF 周波数
本施設では、上記装置を用いて 2013 年 6 月末まで140kW(RFQ)に累計 714 名の治療を遂行した。治療人数の推移はRF 投入電力
入射器
400kW(IHL)
図 1 の通りで、2010 年度 87 人、2011 年度 214 人、(四極真空管)(RFQ+IH-DTL)
600keV/u (RFQ)
2012 年度 315 人と順調に増加を続けている。これは、加速
4MeV/u (IHL)
当初 2010 年以降順次治療室が稼働したこと、新規治エネルギー
療プロトコール(照射回数などの治療方針)の導入がC6+
加速イオン種進み適応症例が広がったことが影響している。2013
290,380,400MeV/u
エネルギー
年 1 月より、多葉コリメータの形状を変化させなが63.3m
周長ら深さ方向に細いピーク(スライス)を重ね合わせる
1.5T(B=38Tm)
最大偏向磁場
シンクロ
ことで上流側正常組織への影響を低減できる積層原出射方式
遅い取り出しトロン体照射による治療を開始し、これまで正常組織への(3 次共鳴+RF 加速)影響が大きく適応とならなかった症例についても治
最 大 照 射 粒 子 1.3x109 pps
療を行える割合が増加している。
数25cm(400MeV/u)
最大体内飛程
照射方式
ブロードビーム(ワブラ+ボーラス)
及び積層原体照射
呼吸同期照射有り
照射系
15x15cm
最大照射野
14cm
最大 SOBP 幅
照射室
3 室 A(水平) B(水平/垂直) C(垂直)________________________________________#souda@gunma-u.ac.jp- 363 -

Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

Table 2: Operation result of the treatment machine.
年度
装置稼働率
治療遂行率
2010
92.45%
98.08%
2011
97.35%
99.75%
2012
98.37%
98.95%
95.36%
99.42%
累計

Figure 1: Trend of the total number of treated patients [1].
2013 年度は新たに子宮頸癌、進行肺癌、膵臓癌の治療を開始し、年間治療人数 450 人を目標としている。ただし、照射および測定に時間がかかる積層原体照射が全体の 2~3 割まで増加したことにより、治療時間の増大と新患 QA 測定時間の不足が課題となってきている。これらの問題解決のため、位置決めの自動化による治療準備時間の短縮、多層電離箱および 2 次元アレイ検出器による測定時間の短縮を目指して技術開発を進めている。

2.

現在の運転状況

現在の施設運用については、毎朝の立ち上げと終業時シャットダウンを行うコールドスタート運転を行っている。毎週月曜日は週例点検として、日常点検では確認できない加速器の現場確認及びビームパラメータ(COD、治療室ビーム位置を含む)の測定を行っている。火曜日から金曜日までの 4 日が治療日で、朝 7 時 30 分から立ち上げを開始し、全エネルギー・各治療室でのビーム位置測定に加え、基準エネルギー(380MeV/u)で照射量の校正基準となる標準測定を行っている。治療は 9 時から 17 時-20 時まで行われ、治療後は火曜・金曜を新患 QA 測定に充てており、水曜および木曜は照射系での物理実験もしくは細胞等への照射による生物実験を行っている。
加速器自体に関するマシンスタディは主に月曜日の夕方以降に行っている。
治療装置としての稼働実績は、下記定義による装置稼働率と治療遂行率
装置稼働率 =治療時間1−遅延時間2

治療遂行率 =

当日治療完遂症例数 3

治療時間
当日治療予定症例数で評価すると、表 2 のようになる。

12

治療時間: 当日の治療開始から終了までの総時間。
遅延時間: 装置の障害発生から復旧までの総時間。

故障による治療遅延について、数的に多いのは治療制御(ビームパラメータ要求、治療室・照射系機器制御)とのやり取りを含めた制御トラブルであるが、患者に治療台にて待機してもらい数分で復旧して照射を再開できるものが多い。一方、加速器、特に入射器の故障が発生した場合には一日単位での治療停止が発生するため、特に真空管の動作については、耐圧の低下やゲインの変動を確認できるように、毎日午前午後の 2 回入射器の各種パラメータを記録しトレンドを確認している。RFQ、IHL にはそれぞれ低出力(LPA)、高出力(HPA)の 2 段の真空管アンプを用いており、経年劣化防止と予備真空管の確保のため年 1 回の交換を行っている。また、1 日の間にも受電変動によって真空管のプレート電圧が 1%程度変化しゲインが変動するため、出力が自動振幅安定化(AGC)の動作範囲に収まるようローレベル RF でのアテネータ調整を行っている。
イオン源については、C4+ビームカレント 220Aを保つよう運転を行っているが、チェンバーからの脱ガス減少のために徐々に真空度が向上し、結果としてプラズマが不安定になる傾向が得られている。
イオン源波形を観測して CH4 ガス流量を増やして対応しているが、ガス流量増は引出電極への炭素の付着による放電増加の原因となるため、現在は半年に1 回イオン源を大気開放し、クリーニングした電極との交換を行っている。このメンテナンス頻度を改善すべく、群馬医工連携産学官研究拠点として建設されたイオン源テストスタンド(治療装置と同型機)にて、酸素ガスをチェンバー内に導入して高圧印加し、さらにマイクロ波を投入して酸素ビームでの運転を行うことにより、電極表面に付着した炭素を除去する酸素エージングの試験を行っている。

3.

ビームパラメータ測定と改良

シンクロトロン内でのビーム電流、COD、HEBTでのビーム軸については、ビームを広げるので 2mmまでの軸ずれを許容できるブロードビーム照射につい て は十 分 な安 定性 が 得ら れ てい る。 た だし 、HEBT での軌道については、図 2 に示す通り年間を通じた季節変動が存在し[2]、HEBT の軸調整を年 2回程度実施している。

3

症例数: 同一患者に複数回照射する場合、複数部位への照射は複数症例とし、同一部位への二門照射は 1 症例と扱う。

- 364 -

Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

(a)
(a)

(b)

(b)

Figure 2: (a) Horizontal and (b) vertical beam center-ofmass position measured at an strip line monitor (SLM) on
the horizontal course of treatment room B (BHC) with abeam energy of 380MeV/u. Orbit corrections wereperformed in July 2010 and September 2011.

Figure 3: Current of the DCCT and extracted spill at
290MeV/u. (a) Present operating parameters used fortreatment, x=1.65352. (b) Modified experimental
operating parameters, x=1.65408.
4.

スキャニング照射実験

本施設の加速器では、シンクロトロンからの遅い2010 年度より行っている、実験用照射室D 室)で取り出しにおいて、RF 周波数を掃引する加速取り出のスキャニング照射実験[5]については、照射の均一しを行っているため、スピル内で Dispersion による性を保つために 1mm 以下での位置・サイズ精度が要位置変動および磁場の 6 極成分によるサイズ変動が求され、スポット毎の線量制御についても高い精度発生する。この位置・サイズ変動を抑えるために、が要求される。2012 年度には、前節にて述べた加速HEBT 側で測定したビーム軸座標から、出射点での取り出しによる位置・サイズ変動を抑制するため、位置と角度の変動を抑制するようリング内ステアリ
これらの変動に対して、標的中心(アイソセンター)
ングで COD の補正を行う手法の研究を行う[3]ととに設置した蛍光膜スクリーンモニタ上での位置を一もに、ビーム径を拡大してから取り出しを行うこと定に保つように、HEBT のステアリング 2 台の電流で RF 掃引幅を狭くして位置・サイズ変動を小さく値をスピル内で変化させるステアリングパターン補した条件下で取り出し効率を向上させる試験[4]を正を行って対応し、エネルギー290MeV/u、スピル内行っている。
粒子数 3×108、照射野サイズ 54× 54 mm(スポットその他にもビームの特性改善を目標としたマシン
ピ ッ チ 3mm) 、 SOBP 60mm(ス タ ッキ ング ピッ チスタディを行っており、現在 290MeV/u のビーム漏4mm)の立方体均一照射を行った。物理線量一定でれの改善を行っている。図 3 は 290MeV/u 出射時のDCCT 電流と出射直後のファラデーカップで観測し 照射した際の中心軸上での線量分布は図 4 の通りで、下流(Distal)側が下がる傾向にあるが、平坦度としてたスピル波形であるが、バンプ磁石立ち上げのタイミングで漏れ線量が発生していることがわかる。漏 全幅約 7%に収まっている。
れ線量は全スピルの 0.1%と小さいものの、出射禁止期間が発生する呼吸同期照射や、少量の出射を繰り返す積層原体照射ではこの影響が大きくなるため、可能な限り漏れを減らすよう運転パラメータの調整を試みている。図 3 はフラットトップ部での水平チューンを 1.65352 から 1.65408 に変更して漏れ量を1/5 まで軽減した実験用パラメータでのスピル波形であるが、約 3%の出射効率低下が観測されており、さらに最適な条件を探索した上で治療用に反映することを目指している。

- 365 -

Proceedings of the 10th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan (August 3-5, 2013, Nagoya, Japan)

5.

謝辞

本施設の運営および本発表に含まれる研究は放射線医学総合研究所、三菱電機株式会社、加速器エンジニアリング株式会社の協力により行われ、博士課
程リーディング教育プログラム「重粒子線医工学グローバルリーダー養成プログラム」の支援をいただ
きました。また、日々の運転およびデータ取得に貢献いただいている三菱電機株式会社の加速器運転技術員の皆様に深く感謝いたします。

参考文献

Figure 4: Dose distribution in depth direction with 3-D
box irradiation measured by Markus chamber.
2013 年度は、さらに照射の平坦度を高めて、3 次元の球形照射を行うことを目標としている。このため、RF の掃引幅を半分にしてエネルギー変動量を抑えた上で、ステアリングパターン補正の繰り返し回数を増やしてスピル内での位置変動を 0.2mm 以下に抑え、また、サイズ変動に関してもアイソセンターでのサイズ変動が小さい光学系を用いて=2.2mm まで集束させたビームを、1mm 厚アルミニウムの散乱体で=3.4mm まで広げることでサイズ変動を抑えている。これらの調整を行った後、スポット間隔 3mm、目標線量 4Gy で 2 次元の 10×10cm 正方形一様照射を行ったところ、ガフクロミックフィルム(EBT2)での測定で平坦度±1.1%(1)、±2.8%(p-p)の照射結果を得ることができた。さらに、線量制御の精度を向上するために平板型線量モニタのアナログ回路の周波数帯域向上などの改修を行っており、これらの改修終了後には治療計画算定の基盤となる線源データの取得に着手することを予定している。

[1] http://heavy-ion.showa.gunma-u.ac.jp/[2] E. Takeshita et al., Proc. of 8th Annual Meeting of ParticleAccelerator Society of Japan, 715 (2011).
[3] K. Torikai et al., in this proceedings, SUOT03.
[4] T. Fujimoto et al., in this proceedings, SAP036.
[5] E. Takeshita et al., Proc. of 9th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, 1285 (2012).

Figure 5: 2-D uniform irradiation observed using
GAFCHROMIC film.

- 366 -