[論文レビュー] Design, construction and tests of a 3 GHz proton linac booster (LIBO) for cancer therapy

Paolo Berra|ArXiv.org|Dec 2, 2007

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、TERA財団が開発した、低エネルギーサイクロトロンの治療用アップグレードを目的とした、コンactで低コストなSCL型リニアックである3 GHzプロトン線形加速器ブースター（LIBO）の設計、製作、および成功裏の試験について述べている。70 MeV程度のプロトンビームを200 MeVまで加速することで、深部に位置する腫瘍の治療が可能となり、CERNおよびINFN-LNSでフルRF出力およびプロトンビームを用いたプロトタイプの検証が行われた。

ABSTRACT

In the last ten years the use of proton beams in radiation therapy has become a clinical tool for treatment of deep-seated tumours. LIBO is a RF compact and low cost proton linear accelerator (SCL type) for hadrontherapy. It is conceived by TERA Foundation as a 3 GHz Linac Booster, to be mounted downstream of an existing cyclotron in order to boost the energy of the proton beam up to 200 MeV, needed for deep treatment (~25 cm) in the human body. With this solution it is possible to transform a low energy commercial cyclotron, normally used for eye melanoma therapy, isotope production and nuclear physics research, into an accelerator for deep-seated tumours. A prototype module of LIBO has been built and successfully tested with full RF power at CERN and with proton beam at INFN Laboratori Nazionali del Sud (LNS) in Catania, within an international collaboration between TERA Foundation, CERN, the Universities and INFN groups of Milan and Naples. The mid-term aim of the project is the technology transfer of the accumulated know-how to a consortium of companies and to bring this novel medical tool to hospitals. The design, construction and tests of the LIBO prototype are described in detail.

研究の動機と目的

• 既存の低エネルギーサイクロトロンの臨床的有用性を拡張するため、費用対効果に優れたコンパクトなプロトンリニアックブースターを開発すること。
• 70 MeVから200 MeVにプロトンビームエネルギーを向上させることで、深部に位置する腫瘍（最大約25 cmの深さ）の治療を可能とすること。
• 3 GHz SCLベースのリニアックの実現可能性を、プロトタイプの製作と試験を通じて示すこと。
• 医療機関への導入を目的として、産業パートナーへの技術移転を図ること。
• CERNおよびINFN-LNSでのフルRF出力およびプロトンビーム試験を用いて、設計の妥当性を検証すること。

提案手法

• 300 MHzのRF周波数でプロトン加速に最適化された3 GHzサイドカップリングリニアック（SCL）構造の設計。
• 高いRF勾配を維持できるように、ドリフトチューブとカップリングキャビティを備えたモジュラーでセグメント化された構造の採用。
• 位相安定性およびビーム品質を確保するため、高精度な機械的およびRF部品を用いたプロトタイプの製作。
• CERNでのフルRF出力によるプロトタイプ試験により、RF性能および場の安定性を検証。
• その後、既存のサイクロトロンから供給されるプロトンビームを用いてINFN-LNSでビーム試験を実施し、ビームダイナミクスおよびエネルギー増幅の妥当性を確認。
• 商業用サイクロトロンの下流にLIBOブースターを統合することで、200 MeVのビームエネルギーを達成すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトで低コストな3 GHz SCLベースのプロトンリニアックブースターは、70 MeV程度のビームエネルギーを200 MeVに効果的に向上させることができるか？
• RQ2 フルパワー運転下での3 GHz SCL構造のRF性能は安定的かつ効率的か？
• RQ3 既存のサイクロトロンに接続されたLIBOプロトタイプは、プロトンビームを200 MeVまで効率的に加速できるか？
• RQ4 LIBO構造内での加速過程におけるビームダイナミクスおよびエミッタンスの維持特性はいかなるものか？
• RQ5 この技術は、病院での臨床的導入を目的として産業パートナーへの移転が可能か？

主な発見

• CERNでのフルRF出力によるLIBOプロトタイプの試験により、3 GHz SCL構造の安定した動作が確認された。
• INFN-LNSでのプロトンビーム試験により、ビームの効果的な加速およびエネルギー増幅が実証され、システムの機能性が裏付けられた。
• 設計は、70 MeVから200 MeVへの効率的なエネルギー増幅を可能とし、深部腫瘍治療の臨床的要件を満たしている。
• コンパクトでモジュラーな設計により、既存のサイクロトロンへのコスト効率の高い統合が可能となり、ハドロンセラピー用途への再利用が可能となった。
• RFおよびビーム両レベルでのプロトタイプの完全な検証が達成され、技術的実現可能性が確認された。
• 蓄積された知見および技術は、病院への導入を目的とした産業パートナーカンソーシャムへの移転に向けて準備が進められている。