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放射線医学物理学分野

医療目的の放射線場を提供している放射線のうち主にエックス線、高エネルギーイオン線や中性視線があり、基本的にはこれらによる線量集中性(原体性)に注目した照射場の形成とその場で人体が付与を受ける線量と線量分布に関する品質保証と安全の確保に関する研究をおこなう。

中でも中性子捕捉療法に関係する研究では、中性子照射に関係する物理工学分野の研究課題を中心テーマとしています。
特に、原子炉や加速器を用いた医療用中性子照射場の設計開発、中性子照射中のオンライン線量測定評価システムの開発が現在の重要なテーマです。

教員

櫻井 良憲 ( Yoshinori SAKURAI )

准教授(原子炉実験所)

研究テーマ

中性子捕捉療法を中心に放射線治療に関連する物理工学および医学物理分野の研究に従事している。中性子照射システムおよび中性子-γ線混在場における線量評価システムの開発・改善、治療計画シミュレーション手法の高度化、中性子捕捉療法におけるQA/QCの確立、に取り組んでいる。

主な担当講義

放射線医学物理学、医学放射線計測学

連絡先

原子炉実験所 研究室棟 研究室(3)
TEL: 072-451-2306
FAX: 072-451-2620
E-mail: yosakura@* (スパム対策のためメールアドレスを省略しております。@の後にはrri.kyoto-u.ac.jpを追加して下さい。)

田中 浩基 ( Hiroki TANAKA )

准教授(原子炉実験所)

研究テーマ

中性子捕捉療法における加速器を用いた医療用中性子照射場の設計開発を行っている。また様々な線質が混入する放射線場におけるリアルタイム線量計測デバイスを開発している。

連絡先

原子炉実験所 研究棟 3階306号室
TEL: 0724-51-2468
FAX: 0724-51-2620
E-mail: h-tanaka@* (スパム対策のためメールアドレスを省略しております。@の後にはrri.kyoto-u.ac.jpを追加して下さい。)

高田 卓志 ( Takushi TAKATA )

助教(原子炉実験所)

研究テーマ

中性子捕捉療法を中心に放射線治療に関連する物理工学および医学物理分野の研究に従事している。

主な担当講義

原子力工学応用実験

連絡先

原子炉実験所 研究室棟 研究室(3)
TEL: 072-451-2337
FAX: 072-451-2658
E-mail: taku-takata@* (スパム対策のためメールアドレスを省略しております。@の後にはrri.kyoto-u.ac.jpを追加して下さい。)

研究テーマ・開発紹介

粒子(H&He)線の医用照射場形成システムの開発に関する研究

水素(H)線及びヘリューム(He)線は先端的な放射線治療手段としてその重要性がましつつあります。これらのイオン線の治療利用には、一次粒子である荷電粒子としての利用と二次粒子である中性子発生手段としての利用があります。

前者の場合、体内における放射線的影響(線量)を標的(腫瘍などの病巣)にあざやかに限局させることが可能です。放射線治療は基本的に臓器組織の機能を温存する治療法です。この性質に付加してこれら粒子による治療では正常組織への放射線被曝量が従来の放射線治療に比べて相対的にたいへん少なく小児などの弱者にも優しい治療手段です。これらの粒子は、治療応用上エックス線と同程度の生物学的効果を持つ放射線であり過去百年の放射線治療の経験を基本的に共有できるものです。

標的に限局した線量分布は体内到達距離分布、標的の厚みとこの方向に垂直な形状に適合させて粒子を配分することにより形成されます。これに必要な装置システムを線量集中性、簡便性、経済性及び安全性の観点から開発することが希求されています、この優しい治療法を多くの患者さんが受けられるよう普及するために。

後者の場合、発生した中性子は主に弾性散乱反応により体内においてエックス線と同様の放射線的影響(線量)分布を与えます。ただし、中性子による生物効果は生体構成原子の反跳低エネルギー原子核に起因するのでエックス線とはたいへん異なる大きなものになります。この分布は大まかに指数関数的分布となりますが、入射中性子エネルギー分布に依存して入射点から最大線量点までの距離をある程度調節することが可能です。

弾性散乱反応に加えて中性子は治療にたいへん魅惑的な利用可能な核反応を引き起こす性質があります。ゼロに近い運動エネルギーしかもたない熱中性子は特殊な原子核との発熱反応により細胞殺傷効果がたいへん大きな低エネルギー重イオンを発生させることができます。エネルギーの大きな弾性散乱反応が中心の速中性子線による治療は線量集中を実現する上での制御の困難性を主な理由に日本では中止状態にあります。ただし、中性子の大きな生物学的効果に依拠した臨床研究は主に米国で引き続き実施されています。

熱中性子と特殊な原子核(薬剤として体内に導入)との反応を利用した原子炉中性子治療では特に最近注目すべき成果が期待される取り組みがなされています。今後の普及には加速器発生中性子の利用が不可避と考えられています。決定的な因子が少なからず存在するため、さまざまな観点からの開発研究が柔軟に実施されることが不可欠であり、熱中性子と特殊な原子核との反応と速中性子線の弾性散乱反応の融合の観点から医療用照射場を形成するシステムの構築が検討されます。

粒子(H&He)線の医用照射場確認システムの開発に関する研究

この項目の課題は

  1. 照射場における放射線線量(生物学的効果を生じる基礎的因子)の分布の測定
  2. 体内における線量分布の直接的、間接的確認と照射線量の制御
  3. 体内における標的位置及び形状の直接的、間接的確認
  4. 照射体位再現確認

を中心的項目とする装置及びシステムの開発と上記項目の行動指針を与える治療計画アルゴリズムの開発及びシステムの導入整備が求められます。特にイオン線と中性子線の融合的利用に関する治療計画システムはまったく新たな開発課題です。

この項目には照射効果の判定が重要な指針を与えることになりますので陽電子断層撮影に拠る評価を可能にすることが含まれます。

加速器を用いた医療用中性子照射場及び中性子照射中のオンライン線量測定評価システムの開発

医学はその歴史が示すように、新しい現象の発見や装置が発明されると直ちにその利用を追求してきた。科学的な事実を慎重に積み上げる物理工学と、人の命を最優先する医学の接点が、放射線医学物理の研究分野であり魅力のあるところである。

中性子捕捉療法はガン(悪性腫瘍)細胞を選択的に治療できる特徴を持つことから、脳腫瘍や悪性黒色腫などに有効な放射線治療法の1つとして知られているが、上記の課題はこの中性子照射に関係する物理工学分野の研究課題の中心テーマである。

中性子捕捉療法に関する物理工学の基礎研究は、1968年から1994年まで、悪性腫瘍に対する中性子捕捉療法を実施する唯一の国として、日本が世界をリードしたことと平行して発展した。1969年から続けられている京大炉での主な研究成果は、低混在γ線熱中性子医療照射場、低2次γ線発生熱中性子遮蔽 材、細胞レベル吸収線量評価法、即発γ線による10B濃度測定法等の開発実用化であり、日本医学放射線物理学会、中性子捕捉療法国際会議等に発表した。これらを背景に、KUR重水熱中性子設備が医療照射を主目的にして1996年に改造された。

現在の重要な課題は、加速器 を用いた医療用中性子照射場の設計開発とそのプロトタイプの実現、並びに中性子照射中の即発γ線を用いたオンライン線量測定評価システム(PG- SPECTシステム)の開発である。加速器を用いた医療用中性子照射場の設計開発では、7Li(p,n)7Be反応のしきい値近傍で発生する中性子を直接利用するものと、減速して利用する2種類の照射場を1つの加速器で実現するものであり、小型で病院併設型の設計をめざしている。

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図-1 タンデム静電加速器を用いた中性子捕捉療法用照射システムの一例(ロシア提案)

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図-2 オンライン線量測定評価システム(PG-SPECTシステム)

新しい中性子捕捉療法用中性子照射システムの開発

1951年に米国で初の中性子捕捉療法(NCT)が行われてから現在まで、研究用原子炉を用いた中性子照射場が、悪性脳腫瘍および悪性黒色腫に用いられてきています。 1980年代初頭より加速器を用いた中性子照射場も検討されていますが、加速器本体の技術的な限界から未だ実用化されていません。しかしながら、近年の加速器技術の革新は目覚ましく、実現の可能性が見えつつあります。

京都大学研究炉(KUR)の重水中性子照射設備では、1990年よりNCT臨床が本格的に開始されています。2001年からは、世界に先駆けて、口腔癌への適用も開始されました。さらに、肝臓癌、膵臓癌、肺癌、舌癌、乳癌等への適用も検討されています。

これらのことを踏まえて、新しいNCT用中性子照射システムのコンセプトとして、(1)病院併設可能な加速器ベースの中性子照射場、(2)線量分布コントロールのための中性子エネルギースペクトル可変照射場、(3)多方向および多分割照射の本格的な導入、等を考えています。

また、数千Kのマックスウェル分布に従うエネルギースペクトルを持つ低エネルギー中性子「ハイパー熱中性子」照射システムの検討も並行して行っています。

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図-3 加速器ベースの中性子エネルギー可変照射システムの一検討案