粒子線治療装置の種類と特徴
粒子線治療は、がん治療における放射線療法の一種として注目を集めています。従来のX線やガンマ線による放射線治療と比較して、粒子線治療装置は患部に放射線を集中させる特性を持ち、周囲の正常組織へのダメージを最小限に抑えることができます。この特性は、体内での放射線の吸収パターンに起因しており、粒子線は体表から深部にあるがん病巣で最大値（ブラッグピーク）をとるという物理的特性を持っています。
現在、医療現場で実用化されている粒子線治療装置は主に2種類あります。陽子線を用いるタイプと炭素線（重粒子線）を用いるタイプです。それぞれが独自の特徴を持ち、治療対象となるがんの種類や患者の状態によって選択されます。
粒子線治療装置の陽子線タイプの構造と原理
陽子線治療装置は、水素イオン（陽子）を光速の約70%まで加速し、がん細胞に照射する装置です。陽子線治療の基本的な構成要素は、イオン源、加速器システム、ビーム輸送系、照射ノズルから成り立っています。
まず、イオン源で水素原子から電子を取り除いて陽子を生成します。この陽子は線形加速器によって初期加速され、その後シンクロトロンやサイクロトロンといった円形加速器によってさらに高エネルギーまで加速されます。加速された陽子ビームは、ビーム輸送系を通じて治療室へと導かれ、照射ノズルを通して患者のがん病巣に照射されます。
陽子線治療装置の特徴は、X線に比べて線量分布の制御性が高く、正常組織への被曝を低減できることです。特に、陽子線は体内の一定の深さで急激にエネルギーを放出して停止するため、その深さを調整することでがん病巣に集中的に照射することが可能です。
最新の陽子線治療装置では、高線量率ブロードビーム照射（格子照射）と高精度スキャニング照射の両方に対応したセレクトビームノズルが開発されています。これにより、治療する症例ごとに最適な照射法を素早く切り替えることができ、治療効率と精度の向上が実現しています。
粒子線治療装置の重粒子線タイプの特性と利点
重粒子線治療装置は、炭素イオンを加速してがん細胞に照射する装置です。炭素イオンは陽子よりも質量が大きく、生物学的効果比（RBE）が高いという特徴があります。これにより、放射線抵抗性の高いがんに対しても効果的な治療が期待できます。
重粒子線治療装置の基本構造は陽子線治療装置と類似していますが、より大型の加速器システムが必要となります。イオン源では炭素原子から電子を取り除いて炭素イオンを生成し、線形加速器で初期加速した後、シンクロトロンで高エネルギーまで加速します。
重粒子線の最大の特徴は、そのブラッグピークがより鋭く、また生物学的効果が高いことです。これにより、X線や陽子線では効果が限定的な放射線抵抗性のがんに対しても有効な治療が可能となります。一方で、装置自体が大型になりやすく、建設コストや運用コストが高くなる傾向があります。
日本では、放射線医学総合研究所（現・量子科学技術研究開発機構放射線医学総合研究所）が世界初の重粒子線治療専用装置「HIMAC」を開発し、1994年から治療を開始しています。その後、装置の小型化研究が進められ、群馬大学重粒子線医学センターでは面積を先行施設の約3分の1以下に縮小した普及型重粒子線治療装置が2010年から稼働しています。
粒子線治療装置の照射技術と最新の照射ノズル
粒子線治療装置の照射技術は、治療効果を最大化し副作用を最小限に抑えるために重要な要素です。現在、主に使用されている照射技術には、ブロードビーム照射法とスキャニング照射法の2種類があります。
ブロードビーム照射法は、粒子線ビームを散乱体で広げて照射する従来の方法です。この方法では、患者ごとにコリメータやボーラスと呼ばれる器具を作製し、ビームの形状や深さを調整します。最新の技術では、高線量率ブロードビーム照射（格子照射）が開発され、従来の3倍以上の線量率を実現し、治療時間の短縮が可能となっています。
一方、スキャニング照射法は、細いペンシルビームを電磁石で走査して腫瘍全体をカバーする先進的な照射法です。この方法では、患者ごとの器具が不要となり、また腫瘍の形状に合わせた照射が可能となります。特に、3次元スキャニング照射では、腫瘍の形状に合わせて3次元的にビームを走査することで、より精密な照射が実現します。
最新の照射ノズルとして、三菱電機が開発したセレクトビームノズルは、高線量率照射と高精度スキャニング照射の2つの照射法を単一のノズルで実現可能としています。これにより、治療する症例ごとに最適な照射法を素早く切り替えることができ、治療の効率化と精度向上が図られています。
また、肺など呼吸で動く臓器に対しては、照射を数回に分割して高速で繰り返すリペイント照射技術が開発されており、均一な照射を実現することが可能となっています。
粒子線治療装置の小型化と普及への取り組み
粒子線治療装置は、その高い治療効果が認められる一方で、装置の大きさやコストが普及の障壁となっていました。しかし、近年の技術革新により、装置の小型化と低コスト化が進んでいます。
陽子線治療装置では、都市部の狭い敷地への導入要望に対応するため、敷地面積の小型化が図られています。小型化にもかかわらず、治療室の開口径は従来モデルと同等の大きさを確保しており、治療の質を維持しつつ設置スペースの問題を解決しています。
重粒子線治療装置においても、装置の小型化研究開発が進められています。群馬大学重粒子線医学センターの施設は、重粒子線のエネルギーを病院の規模に合わせて最適化し、各機器を最新の技術により改良した結果、面積を先行施設（HIMAC）の約3分の1以下に、建設・運転コストも大幅に下げることに成功しています。
さらに、重粒子線回転ガントリーの小型・軽量化も進められており、超電導電磁石を搭載する世界初の回転ガントリーが実現しています。これにより、患者が楽な姿勢で治療を受けられるようになり、どんな方向からでも重粒子線を照射することが可能となっています。
2023年3月現在、日本国内には25施設（陽子線治療施設が18、炭素イオンを使う重粒子線治療施設が6、両方を実施できる施設が1）の粒子線治療施設があり、今後もさらなる普及が期待されています。
粒子線治療装置の選択と将来展望
粒子線治療装置の選択は、治療対象となるがんの種類や部位、患者の状態などを総合的に考慮して行われます。一般的に、陽子線治療は比較的浅い部位のがんや放射線感受性の高いがんに適しており、重粒子線治療は深部のがんや放射線抵抗性の高いがんに効果的とされています。
医療機関が粒子線治療装置を導入する際には、施設の規模や予算、対象とする患者層などを考慮して、陽子線と重粒子線のどちらを選択するか、また具体的にどのメーカーの装置を導入するかを決定します。三菱電機などの大手メーカーは、それぞれ特徴のある粒子線治療装置を提供しており、医療機関のニーズに合わせた選択が可能となっています。
将来的には、さらなる装置の小型化・低コスト化が進むとともに、照射技術の高度化も期待されています。特に、AIや機械学習を活用した治療計画の最適化や、リアルタイムイメージングと連動した適応型照射技術の開発が進められています。
また、現在は主に炭素イオンが使用されている重粒子線治療ですが、将来的には酸素やヘリウムなど他のイオン種を用いた治療法の研究も進められており、より多様ながん種に対応できる可能性があります。
粒子線治療は、その高い治療効果と低侵襲性から、今後もがん治療の重要な選択肢として発展していくことが期待されています。技術革新による装置の小型化・低コスト化が進めば、より多くの医療機関で導入が可能となり、より多くの患者が粒子線治療の恩恵を受けられるようになるでしょう。
重粒子線治療装置の詳細と普及型装置の開発について詳しく解説されています
三菱電機による粒子線治療装置の技術革新についての詳細な情報が掲載されています
国立がん研究センターによる放射線治療の種類と方法に関する公式情報が確認できます