成果報告書詳細
管理番号20120000001084
タイトル平成22年度~平成24年度成果報告書 「がん細胞選択的な非侵襲治療機器の基盤技術開発/中性子捕捉療法用病院併設型小型直線加速器の研究開発/JーPARCのフロント・エンド技術によるRFQ+DTL形式リニアックの開発」
公開日2012/12/19
報告書年度2010-2012
委託先名国立大学法人筑波大学、三菱重工業株式会社
プロジェクト番号P10030
部署名バイオテクノロジー・医療技術部
和文要約件名:平成22年度~平成24年度成果報告書 がん細胞選択的な非侵襲治療機器の基盤技術開発 中性子捕捉療法用病院併設型小型直線加速器の研究開発「J-PARCのフロント・エンド技術によるRFQ+DTL形式リニアックの開発」
(1)病院併設型高出力陽子線リニアック(RFQ+DTL)の開発
 病院併設型を可能とする高出力陽子線リニアックの最適設計を行った。病院併設のため、(1)小型であること、(2)運転・保守・管理のため、中性子発生部(ターゲット部)周辺の低放射化、(3)治療時間(中性子照射時間)は1時間程度を目標とした。結果、ターゲット材はベリリウムを採用、陽子線のエネルギーは8MeV(付随核反応の起きない上限)に設定、治療に必要な熱外中性子束を発生するため陽子パワーは40kW以上(8MeV×平均5mA以上の陽子ビームを加速)のRFQ+DTL形式リニアック(長さ7m、直径1m以内)で最適設計を実施後、引き続き製作を行った。製作したリニアックの機器性能についてはコールド試験(ローレベルRF試験)を実施し、目標通りの性能が担保できていることを確認した。
(2) 陽子線リニアックの仕様策定に必要な中性子発生ターゲットの研究
 製作した加速器から発生する8 MeVの陽子ビームを入射させて治療に必要な中性子ビームを発生、輸送する装置の概念設計を行った。中性子発生ターゲット材料はベリリウムを用いるものとし、40 kWの陽子ビーム入射による熱負荷に対応し、且つ治療に必要な中性子束を安定的に発生できる中性子発生ターゲット装置の概念設計を行った。設計した中性子発生ターゲット装置に所定の陽子ビームを入射させた場合に発生する中性子の線質および発生強度をモンテカルロ計算等で数値解析を実施した。さらに、発生した中性子を治療に適切な線質に調整するモデレータと、調整された中性子をビーム孔まで効率的に導くコリメータの概念設計を行った。
(3)医療関連機器の基盤技術の研究開発
 開発したリニアックの陽子線と中性子発生装置のジオメトリ情報と線質情報を組み合わせた当治療装置専用の治療計画システムのプロトタイプを開発した。このシステムは患者のCTデータを基に人体の3次元モデルを作成し、このモデルに対して照射条件(ビームの入射位置、距離、角度等)を設定して、照射シミュレーションを実施し、最適な照射条件を導き出すソフトウェアである。線量計算にはモンテカルロ法を用い、当該システムには汎用粒子線モンテカルロコード:PHITSを採用した。
 治療計画システムで立案した照射条件に従って治療を実施するためには、照射位置に患者を正確に位置合わせする技術が必要である。患者の位置制御技術の確立に向けて、その基盤となる照射中の患者の位置変化を3次元的にリアルタイム計測する基盤技術を開発した。
 現状のBNCTでは、がん病巣に集積するホウ素の濃度は照射中に減衰し、これにより病巣部の線量も逐次変化する。ホウ素濃度変化が線量制御に与える影響は大きく、照射中のホウ素濃度変化を的確に計測評価することが重要となる。そこで病巣部に集積するホウ素10と中性子との核反応によって発生する即発ガンマ線(478keV)を生体外の遠隔点で計測し、生体内病巣部のホウ素濃度をオンライン計測する技術:PG-SPECTの検討を実施した。検討結果から、γ線検出にはシンチレータを用いることとし、第1候補としてランタンブロマイド(LaBr3)を採用することとした。
英文要約Title: Fundamental Investigation Project for Tumor Cell-Selective and Non-Invasive Therapeutic Instrument. Research of Accelerator based BNCT Medical Device Attached to Hospitals. Development of High Power Proton Linac (RFQ and DTL) Based on the J-PARC's Front-End.
(1) Development of High Power Proton Linac Attached to Hospitals.
We designed optimum linac attached to hospitals. This design is based on the three purposes. First, it is the size which can be attach to hospitals. Second, it can generate proton beam more than 40kW for over 1 hour. Third, it minimizes residual radio-activation to make the maintenance easily.
We manufactured the linac based on this design. And we carried out several radio-frequency measurements to evaluate the performance of this linac.
(2) Conceptual design and verification of neutron target devices
We designed concept of neutron target device which can generate enough neutrons for BNCT with 8 MeV x 10mA proton beam irradiation. The design work was performed with Monte-Carlo simulation. Based on the work, beryllium was fixed as neutron target material. The thickness of the beryllium target is about 0.5mm, and diameter of the beryllium target was determined as 15cm. Moderator and collimator for the BNCT facility were also investigated with the Monte-Carlo simulation. The moderator was optimized to arrange proper spectrum of the neutrons generated at the Be target.
On the other hand, the collimator was designed to deliver the neutron beam to beam port efficiently. And shielding device which can shield the neutrons at around outside neutron beam pass was designed in addition to the moderator and the collimator.
(3) Investigation of fundamental technologies for medical devices of BNCT
Prototype of a treatment planning system which can be applied to accelerator based BNCT was developed. The system can estimate several dose distributions in the human geometry formed by using patient's CT images. The dose distributions are determined by using PHITS as a Monte-Carlo transport calculation code. To verify performance of the prototype system, simulation of neutron irradiation with a human body were carried out and then dose distributions in the body were determined. To implement BNCT irradiation according to treatment plan determined by the treatment planning system, accurate patient setting to irradiation position is required.
Monitoring and controlling techniques for patient irradiation position is needed. We have developed fundamental technology for real-time monitoring of the patient movement. To monitor moving of the patient's position, we applied motion capture technique to the device. To estimate dose distribution and change of boron concentration in patient body in real-time, we launched development of prompt gamma-ray SPECT (PG-SPECT). To design the prototype device of the PG-SPECT, several analyses with Monte-Carlo simulations were carried out. We decided to apply LaBr3 as detector of the device.
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