京都大学原子炉実験所放射線生命医科学研究本部医学物理学分野田中浩基 平成 23 年 6 月 28 日核データ研究戦略検討会 @ 阪大 RCNP
中性子捕捉療法 Boron Neutron Caputure Therapy
中性子捕捉療法薬剤の集積性 HO HO boronophenylalanine(bpa) B CH 2 sodium borocaptate (BSH) NH 2 C H COOH 18 F で標識した BPA の陽電子放出断層撮像 (PET)
世界の BNCT 施設 R2-0 スウェーデン研究炉 (2001~2005)52 例 FiR-1 BMRR フィンランド研究炉 (1991~)260 例ブルックヘブン医学研究炉 (1951~19 LVR-15チェコ研究炉 (2000~)2 例 61 1994~199 JRR-4 9)99 例 HFRPペッテン研究炉 (1997~)22 例日本原子力研究開発機構 133 例 イタリア研究炉 (2002~)2 例 KUR 京都大学原子炉 309 例 THOR 台湾研究炉 8 例 (2010~) MITR マサチューセッツ工科大学 (1959~19 61 1994~1999 9)42 例 アルゼンチン研究炉 (2003~)7 例
日本の BNCT 施設 KUR 東京大学 JRR-4 筑波大学 京都大学 川崎医科大学 香川小児病院 徳島大学 KUR 大阪大学大阪医科大学 KUR における症例数 Copyright (C) 2000-2008 ZENRIN DataCom CO.,LTD. All Rights Reserved. Copyright (C) 2001-2008 ZENRIN CO., LTD. All Rights Reserved.
KUR 重水照射設備 Heavy Water Neutron Irradiation Facility 脳腫瘍 頭頸部癌 脳腫瘍
研究炉 BNCT 原子炉は極めてシンプルな構造であり 中性子源としては非常に優秀 :KURは臨床研究を推進 設置場所が限られるとともに 新規設置が困難 定期検査で使用できない期間 (3か月) がある 一度トラブルがあると 安全性の確認に時間がかかる 世界中で現有する研究用原子炉は老朽化 医療機器を目指した新規中性子源を確保するためには加速器を用いたシステムでないと
BNCT 用加速器中性子源 加速器 減速体系 ビーム電流 ターゲット除熱 中性子ビーム強度 熱外中性子束 :1 10 9 cm -2 s -1 以上 高速中性子の熱外中性子との線量比 2 10-13 Gy/cm -2 以下 (4-10 10-13 Gy/cm -2 ) 混在 γ 線の熱外中性子との線量比 2 10-13 Gy/cm -2 以下
陽子加速器 (BNCT に関して ) Proton Energy Ep<3MeV 3MeV<Ep<10MeV 10MeV<Ep<100MeV Ep>100MeV Accelerator 静電加速器 RFQ ライナック サイクロトロン サイクロトロン FFAG シンクロトロン サイクロトロン FFAG Reaction Proton Energy Ep Yield (Neutron/ Proton) Melting Conductivity (W/m/K) Neutron Energy 7 Li(p,n) 7 Be 2.5 1.46 x 10-4 180 84.7 0.1~0.5 小 9 Be(p, n) 9 B 4 1. 6 x 10-4 1278 201 Ep に依存大 Ta(p,xn) 50 7.0 x 10-2 3017 57.5 Ep に依存大 Moderator Size Trade off 必要電流量 ターゲット除熱 減速体系の大きさ 減速後中性子発生量
世界で検討 ( 計算評価 ) 中の BNCT 用加速器中性子源 Country Institute Reaction Energy(MeV) Current(mA) UK Birmingham Univ 7 Li(p,n) 7 Be 2.8 20 USA MIT 7 Li(p,n) 7 Be 1.95 >5 USA BNL 7 Li(p,n) 7 Be 2.5 20 USA Ohaio St. Univ. 7 Li(p,n) 7 Be 2.5 10 Argentina Depar. of Fisica 7 Li(p,n) 7 Be 2.5 20 Belgium IBA 7 Li(p,n) 7 Be 2.8 20 Russia IPPE 7 Li(p,n) 7 Be 2.3 10 Japan KURRI 7 Li(p,n) 7 Be 1.9 10 Italy San Giovanni Hosp. 2 H (d,n) 3 He 0.12 300 Italy INFL-LNL 7 Be(p,n) 5 30 Japan HITACHI 7 Be(p,xn) 11 2.85 Japan FFAG-DDS 7 Be(p,xn) 11 70 Japan Tohoku Univ. Ta(p,xn) 50 0.35 Japan Kyushu Univ. Ta(p,xn) 150 0.14 Japan Engineering Ta (p,xn) 400 0.045 Development 世界中でいまだ 治療可能 ( 動物照射も ) なBNCT 加速器中性子源は実現していない
京都大学原子炉実験所イノベーションリサーチラボラトリ 2007 年 8 月住友重機械工業と共同研究開始 2008 年 12 月装置搬入終了 2009 年 3 月 RI 施設検査合格中性子発生試験開始 Innovation Research lab. Medical Area 治療計画室 3F Kyoto University Research Reactor Institute@KUMATORI 医用加速器室 KUR KUCA 2F Innovation Research lab. 1F 中性子照射室
レーザーマーカ CR 装置 照射装置 治療台 ( 座位および臥位に対応 ) 座位 臥位 患者の位置決め装置
サイクロトロンベース熱外中性子源住友重機械工業社製サイクロトロン型式 :HM30 加速粒子 : 水素負イオン (-H) 加速エネルギー :30MeV 陽子電流 : 1.1mA( 最大 2mA) 出力 : 33kW( 最大 60kW) 1620 mm 3030 mm 1724 mm
サイクロトロンベース熱外中性子源
中性子発生ターゲット Be target thickness is 5.5 mm (proton range :5.8 mm at 30MeV) Cooling water outlet Cooling water Inlet
ターゲットの放射化 Irradiation Period Cooling Period
ベリリウムターゲットからの 中性子スペクトル高い中性子収量 低い放射化 高融点ターゲットの性質 ベリリウムを選択 高エネルギー領域で差異 : 皮膚線量に影響 ENDF/B -VII Bertini Model 広角で大きな差異
中性子スペクトル測定実験 放射線医学総合研究所サイクロトロン施設 : 汎用照射室 ターゲット厚さ 6mm> 30MeV 陽子の飛程 5.8mm
測定回路
データ解析 検出効率 エネルギー分解能
結果 全エネルギー領域に渡って実験値を過大評価 高エネルギー領域を模擬できていない ENDF/B -VII Bertini Model スペクトルの形状はおおむね一致 熱外中性子源の設計には ENDF/B-VII ただし 0.7 倍
RCNP-W コース Proton current ~0.9uA
中性子発生ターゲット Be ターゲット @1mA 30MeV Ta ターゲット @1mA 30MeV
減速体系の最適化 Tumor dose = (D n + D h ) RBE n + D γ RBE γ + D 10B CBE t C t Normal dose = (D n + D h ) RBE n + D γ RBE γ + D 10B CBE n C n The more effective neutron energy is around 10 kev RBE,CBE Normal Tumor 10 B 1.35 3.8 N 3 3 H 3 3 G 1 1 Normal Tumor 13 ppm 45.5 ppm
減速体系 Pb : used as a breeder and a reflector for high energy neutrons Fe : used as a moderator Al and CaF 2 : used as a shaper for epi-thermal region Polyethylene : used as a shielding for high energy neutrons
減速過程 MCNPX による計算体系 D C B A
水ファントム照射実験 MCNPX による計算体系 水ファントム TLD(BeO) Au Ge 半導体検出器 Au+Cd チューブ
Reaction rate Detection efficiency Gamma emission ratio Decay factor Counts of photo peak MCNPX による計算体系 Correction of cooling time Correction of measuring time Correction of irradiation time Cadmium ratio Reaction rate of thermal neutrons
水ファントム中熱中性子束分布 ( 実測 )
ビーム軸上熱中性子束分布 300mm 200mm
ビーム軸方向ガンマ線線量分布 300mm 200mm
多重放射化箔測定
熱外中性子束と陽子電流の関係
KUR ビームとの比較 1.22E09
線量分布比較 より深い部分に線量を付与できるように Source surface n,γ Mean dose18% up Mean dose10% up
まとめ サイクロトロンを用いた熱外中性子源を開発し BNCT の治療に適応可能な 1.2 10 9 (cm -2 s -1 ) の熱外中性子強度を得ることに成功 高速中性子成分 ガンマ線成分の混入 : 基準を満たす 深部線量分布が向上 マウス 細胞照射実験が終了し治験を開始する準備を進めている 核データ中性子エネルギー角度二重微分断面積 中性子発生ターゲット陽子 重陽子入射 線量導出のための中性子輸送計算 減速体系 体内