February 17, 2014

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エレクタリニアックの設計思想

エレクタ株式会社

リサーチフィジックス

依田 潔kiyoshi.yoda@elekta.com

エレクタリニアックの断面図

2極管電子銃極管電子銃極管電子銃極管電子銃

英国英国英国英国 Christie Hospital

医学物理部ディレクタ医学物理部ディレクタ医学物理部ディレクタ医学物理部ディレクタ

進行波管と2極管の簡単な設計

• 定在波型加速管は、共振を使っているので、加速管内で電界振幅の成長に約１マイクロ秒必要である。加速用電界強度が成長中に電子銃から電子が放出されると中途半端な加速になるので、３極管を用いて、マイクロ波電源から電磁界を注入後、１マイクロ秒、遅らせて電子銃から電子を放出することが必要*。

• エレクタの進行管の場合は、2極管でも設計が可能である。

* Greene and Williams, Linear accelerators for radiation therapy

February 17, 2014

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導波管（円筒⾦属）内部にディスクを⼊れてディスクの間隔を変えると、⾼周波の波⾯の移動速度（位相速度）を変えることができる。

電⼦速度と⾼周波波⾯の移動速度を⼀致させれば、サーフィンの波乗りと同じ原理で加速される。

vp = 1/ (L0 C0 )1/2

0.4 c ~ c

進⾏波型加速器 進行波加速器の動作原理

電子電子電子電子 力：F = e E

電界強度：E

電子は高周波の周期ごとに集まっている（bunching 、集まること）http://www.ionactive.co.uk/multi-media_video.html?m=8

http://www.youtube.com/watch?v=k27PZCUPeiE&feature=relmfu

３ＧＨｚでは 0.3 nsec

電子が受ける力

電子が受ける力

進行波型と定在波型 – 真空引きに要する時間の違い真空引きに要する時間の違い真空引きに要する時間の違い真空引きに要する時間の違い

進行波型加速管（エレクタ）

S

定在波型加速管

S

加速器出口の電子線エネルギーWはW = e (電子の電荷) × E (電界強度) × s (距離）

で表される。同じエネルギーを得るとすると、

距離が長ければ、電界強度が小さくて済む電界強度が小さくて済む電界強度が小さくて済む電界強度が小さくて済む

電界強度が小さい→放電が起こりにくい

放電が起こりにくい→低い真空度で済む低い真空度で済む低い真空度で済む低い真空度で済む

３時間３時間３時間３時間

３日３日３日３日

スラローム型偏向磁石で照射ヘッドを小型化してスラローム型偏向磁石で照射ヘッドを小型化してスラローム型偏向磁石で照射ヘッドを小型化してスラローム型偏向磁石で照射ヘッドを小型化してアイソセンタを低くした（エネルギースリットなし）アイソセンタを低くした（エネルギースリットなし）アイソセンタを低くした（エネルギースリットなし）アイソセンタを低くした（エネルギースリットなし）

270270270270度度度度Bending Bending Bending Bending Magnet Magnet Magnet Magnet SystemSystemSystemSystem

SlalomSlalomSlalomSlalomBending Bending Bending Bending Magnet Magnet Magnet Magnet SystemSystemSystemSystem

44度

44度

112度

3333分割分割分割分割

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他社で採用されているエネルギースリット他社で採用されているエネルギースリット他社で採用されているエネルギースリット他社で採用されているエネルギースリット

� 簡便なエネルギー安定化法だが、エネルギースリット周囲に電子が衝突して簡便なエネルギー安定化法だが、エネルギースリット周囲に電子が衝突して簡便なエネルギー安定化法だが、エネルギースリット周囲に電子が衝突して簡便なエネルギー安定化法だが、エネルギースリット周囲に電子が衝突してＸ線が発生するため、鉛遮蔽が必要。照射ヘッドの大型化、放射化鉛の廃棄。Ｘ線が発生するため、鉛遮蔽が必要。照射ヘッドの大型化、放射化鉛の廃棄。Ｘ線が発生するため、鉛遮蔽が必要。照射ヘッドの大型化、放射化鉛の廃棄。Ｘ線が発生するため、鉛遮蔽が必要。照射ヘッドの大型化、放射化鉛の廃棄。

www.isa.au.dk/accfys/Lectures/Uge1149_3.pdf

Advances in Medical Electron Linear Accelerator Technologies and the Development of a Next Generation Robotic Radiation Therapy System

Eiji Tanabe

AET, Inc., and Accuthera Inc. 2-7-6 Kurigi Asao-ku, Kawasaki City, Kanagawa, 215-0033

http://www.pasj.jp/web_publish/pasj9/proceedings/PDF/WEUH/WEUH04.pdf

Ｘ線照射中にターゲットを熱破壊させない

• タングステンに熱耐性が高いレニウムを混ぜた合金で構成。周囲は熱伝導の良い銅で水冷。厚さは 25 MV で最大効率になる設計なので、 4 MV では光電吸収が激しく線量率が上がらない。

開発部門に 4/6/10 MV用のターゲット設計を依頼したが返事なし

• 使用中に交換しないので、放射性汚染物として保管は不要

800 MU/min@ 4 MV

エレクタのエネルギーサーボエレクタのエネルギーサーボエレクタのエネルギーサーボエレクタのエネルギーサーボ

� モニターイオンチャンバーの中心と辺縁部のビーム強度の比率はエネルモニターイオンチャンバーの中心と辺縁部のビーム強度の比率はエネルモニターイオンチャンバーの中心と辺縁部のビーム強度の比率はエネルモニターイオンチャンバーの中心と辺縁部のビーム強度の比率はエネルギーにより変わるギーにより変わるギーにより変わるギーにより変わる(制動放射の前方散乱角度分布制動放射の前方散乱角度分布制動放射の前方散乱角度分布制動放射の前方散乱角度分布)

� 電子銃のフィラメント電流およびマグネトロン出力を制御し上記比率を安電子銃のフィラメント電流およびマグネトロン出力を制御し上記比率を安電子銃のフィラメント電流およびマグネトロン出力を制御し上記比率を安電子銃のフィラメント電流およびマグネトロン出力を制御し上記比率を安定化定化定化定化

� エネルギー変動すると、空気線量（エネルギー変動すると、空気線量（エネルギー変動すると、空気線量（エネルギー変動すると、空気線量（MUMUMUMUカウント）は影響なし、深部線量が変動カウント）は影響なし、深部線量が変動カウント）は影響なし、深部線量が変動カウント）は影響なし、深部線量が変動（（（（cGycGycGycGy/MU/MU/MU/MUが変動）が変動）が変動）が変動）

� エネルギースリットなしエネルギースリットなしエネルギースリットなしエネルギースリットなし →→→→遮蔽鉛の量を低減可能（放射性汚染物の管理）遮蔽鉛の量を低減可能（放射性汚染物の管理）遮蔽鉛の量を低減可能（放射性汚染物の管理）遮蔽鉛の量を低減可能（放射性汚染物の管理）

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X線エネルギーの変更法

TargetSide

GunSide

RF power

e-

BeamCurrent

電子線電子線電子線電子線<1mA

XXXX線線線線数百数百数百数百mAmAmAmA

Load Line

Beam current (mA)

OutputEnergy(MeV)

エネルギーを変えるにエネルギーを変えるにエネルギーを変えるにエネルギーを変えるにはははは電子線：電子線：電子線：電子線：RF powerX線線線線 ：：：：RF power

+ Beam current

ビームローディング：加速管内壁にビーム電流に逆向きビームローディング：加速管内壁にビーム電流に逆向きビームローディング：加速管内壁にビーム電流に逆向きビームローディング：加速管内壁にビーム電流に逆向きに流れる誘導電流は加速用電界強度を下げるに流れる誘導電流は加速用電界強度を下げるに流れる誘導電流は加速用電界強度を下げるに流れる誘導電流は加速用電界強度を下げる

最大エネルギー用平坦化フィルタは２段構成にして中性子を半減

Ion ChamberSecondary Filter

Primary Collimator

backscatter plate

２段構成２段構成２段構成２段構成 →ビームハードニングビームハードニングビームハードニングビームハードニング→ 入射電子線のエネルギーを下げてフォトンエネルギーを規定する入射電子線のエネルギーを下げてフォトンエネルギーを規定する入射電子線のエネルギーを下げてフォトンエネルギーを規定する入射電子線のエネルギーを下げてフォトンエネルギーを規定するPDD(10)にににに

AAPM2010

•開放型のイオンチェンバー– 電⼦線のエネルギー減衰が少ない– 湿度管理が必要(70％以下)

• 3 段構成– 線量測定(主及び副の2段)– サーボ制御用（プロファイル及びエネルギー）

•独⽴2系統の温度計及び気圧計– クロスチェック– 温度・気圧を補正

モニター線量計構成図

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開放型モニタイオンチェンバーの意義

• 開放型モニターイオンチャンバー開放型モニターイオンチャンバー開放型モニターイオンチャンバー開放型モニターイオンチャンバーはははは内蔵温度センサー、気圧センサーで、ビーム内蔵温度センサー、気圧センサーで、ビーム内蔵温度センサー、気圧センサーで、ビーム内蔵温度センサー、気圧センサーで、ビームごとに線量を補正すれば、安定な照射モニタとして使用可能。１つのビーム照射ごとに線量を補正すれば、安定な照射モニタとして使用可能。１つのビーム照射ごとに線量を補正すれば、安定な照射モニタとして使用可能。１つのビーム照射ごとに線量を補正すれば、安定な照射モニタとして使用可能。１つのビーム照射中に中に中に中に 3 mbar 3 mbar 3 mbar 3 mbar 変化するとインターロック。リークを心配する必要なし変化するとインターロック。リークを心配する必要なし変化するとインターロック。リークを心配する必要なし変化するとインターロック。リークを心配する必要なし。。。。

• 密閉型モニターイオンチャンバーは、経年変化で、リークする可能性があるため、密閉型モニターイオンチャンバーは、経年変化で、リークする可能性があるため、密閉型モニターイオンチャンバーは、経年変化で、リークする可能性があるため、密閉型モニターイオンチャンバーは、経年変化で、リークする可能性があるため、定期的なリークチェックが望まれる定期的なリークチェックが望まれる定期的なリークチェックが望まれる定期的なリークチェックが望まれる****

3 mbar/30 min

* Boese et al, Detection of a leak in a ‘‘sealed’’ monitor chamber, Med Phys 12, 377 (1985)

後方散乱板(backscatter plate)の役目

Ion ChamberSecondary Filter

Primary Collimator

backscatter plate

コリメータに達したＸ線が後方にコンプトン散乱して生成された散乱Ｘ線/電子線がモニタイオンチェンバーに戻って、カウントされる。照射が少し早めに終わる。ただし、これを含めてリニアックはcGy/MU校正される。TPSでも、これを含めて、出力係数、校正係数が与えられる。

全く問題ないのか？全く問題ないのか？全く問題ないのか？全く問題ないのか？ => 照射野依存の後方散乱は照射野依存の後方散乱は照射野依存の後方散乱は照射野依存の後方散乱はTPSの出力係数の補間つまりの出力係数の補間つまりの出力係数の補間つまりの出力係数の補間つまりMU計算計算計算計算を煩雑にする！を煩雑にする！を煩雑にする！を煩雑にする！

Backscatter plateでモニタチェンバに戻る後方散乱を一定でモニタチェンバに戻る後方散乱を一定でモニタチェンバに戻る後方散乱を一定でモニタチェンバに戻る後方散乱を一定にして、にして、にして、にして、RTP計算結果を実測に近づける計算結果を実測に近づける計算結果を実測に近づける計算結果を実測に近づける

• 治療計画装置のoutput factor の補間計算精度向上• コリメータ反転によるoutput factor 変動抑制

• 後方散乱板がないと、Head and Neck IMRTで絶対線量1%低下

前方散乱前方散乱前方散乱前方散乱

後方散乱後方散乱後方散乱後方散乱

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エレクタリニアックのキーコンポーネントエレクタリニアックのキーコンポーネントエレクタリニアックのキーコンポーネントエレクタリニアックのキーコンポーネント

XVI ６軸 3D/4D CBCT-based IGRT

Monaco VMAT/SRT- fast dose delivery- lower OAR dose &

higher PTV dose

Agility3.5 cm/sec漏洩<0.5%

HexaPOD分解能 0.1 mm, 0.1 度

LCS - VMATデジタル制御

MLC leaf トレランス 1 mm- 高信頼性Lynx OS

LCSサーボ制御とは独⽴なdelivery warden (監視人)