重粒子線がん治療（じゅうりゅうしせんがんちりょう、英語: heavy particle therapy, charged particle radiotherapy, heavy ion therapy, など）とは、線量局在性の高い治療が可能という性質を持つことから、炭素イオン線でがん病巣をピンポイントで狙いうちし、がん病巣にダメージを十分与えながら、正常細胞の有害事象を最小限に抑えることが可能とされる最先端の放射線療法のうちの一つ。
がん治療の三本柱のうち、外科手術および化学療法と比較して、X線を用いた放射線療法では「機能と形態の温存」や「治療にあたって身体的負担が少ない」という性質が長所として挙げられる。重粒子線治療では、表面線量が比較的高いエックス線、ガンマ線に比べ、陽子線と同様に体の表面での吸収線量を低く抑えられ、腫瘍組織において吸収線量がピークになる特性を有している（模式図参照）。こうした特長を活かし、照射回数と有害事象をさらに少なく、治療期間をより短くすることが可能とされていた[1]。2016年1月に東芝が世界初となる超伝導磁石を使用した軽量・小型の重粒子線回転ガントリー装置を開発した[2][3]。 重粒子線の治療施設は世界に9箇所あり、その中で日本国内に5箇所あり、重粒子線や陽子線を照射するがん治療装置は東芝や日立製作所、三菱電機、住友重機械工業などが手がけ、この分野では国内メーカーが主導的な役割を担う[4]。重粒子線そのものは陽子線と同様シンクロトロンを用いて発生させる。
X線では前後の正常組織も被曝し、障害を受けるが、粒子線（陽子線・重粒子線）治療では腫瘍のみに照射し、前後の正常組織にあまり影響を与えない。
放射線医学総合研究所では、1994年6月より臨床試験を実施し、良好な治療効果が得られている。治療の対象となる代表的な疾患と共通の適応条件を次に挙げる[5]。
X線による放射線治療では根治的治療となりにくい骨軟部腫瘍に対して、重粒子線治療は治療効果が高いと見積もられている。そのことから、手術適応がないか患者が手術を拒否した場合の骨軟部腫瘍の重粒子線治療が2016年の診療報酬改訂で公的医療保険の対象となった。
頭頸部腫瘍
中枢神経腫瘍
頭蓋底・傍頸髄腫瘍
頭頸部癌
頭頸部粘膜悪性黒色腫
非小細胞肺癌
転移性肺腫瘍
肝細胞癌
前立腺癌
子宮癌
膵癌
骨軟部腫瘍（肉腫）
直腸癌術後再発
脈絡膜悪性黒色腫
食道癌
涙腺癌
大腸癌肝転移
対象部位に対する放射線治療の既往がない
病理診断がついている
測定可能病変を有する
原則として腫瘍の最大径が15cmをこえない
広範な転移がない
パフォーマンスステータスが0-2（カルノフスキー指数60以上）
重粒子線治療はがんのある部位に狙いを定めて、ごく限られた範囲に照射するため、従来のX線などを用いた放射線治療に比べて、理論上、有害事象を低減することが可能である[6]。
重粒子線治療の黎明期には、最適な総線量や線量分割を模索する過程で、強い皮膚障害や手術が必要となる潰瘍や穿孔（せんこう）が認められたが、近年では重度の有害事象を起こさないように、線量を減じたり、照射法を工夫することにより、過去のような症状の重い有害事象はほとんど認められなくなっている[5]。
粒子線とは、光子を除く放射線のなかでも電子より重いものをいい、π-中間子、陽子線、重粒子線などが含まれる。このうち重粒子線は、ヘリウム原子より重いものと定義されている[7]。
X線（γ線）、電子線、中性子線を用いる場合は、表面付近の吸収線量が最も大きく、深さとともに減衰するのに対し、陽子線や重粒子線では、表面付近の吸収線量が小さく、粒子の飛程の終端で最も付与する線量が大きくなるという特徴があり、この線量のピークをブラッグピーク(Bragg peak)という[6]。陽子線ではブラッグピーク以深にはほとんど線量を与えないが、重荷電粒子の場合には、核破砕現象によりブラッグピーク以深にも線量寄与が存在し、これをフラグメンテーションテール(Fragmentation Tail)という。なお、核破砕に伴って放射性同位体が生成され、PET(Positron Emission Tomography)検査で観察することができる。また、陽子線と比較して、質量の大きい重粒子線は、物質内での散乱が小さく、腫瘍組織とその周辺の正常組織に対する線量のコントラストを高めることによる物理学的効果に加え、同じ物理線量の陽子線やその他の放射線と比べると、重粒子線の線エネルギー付与（linear energy transfer: LET）が高く、生物学的効果比(relative biological effectiveness: RBE)（細胞に対する影響）が大きいという特徴がある[8]。この特徴から、脊索腫や直腸癌の局所再発などの通常のX線照射で制御が困難な腫瘍に対しての効果が期待されている。
上記の優れた特性から、メスを入れずに、腫瘍組織に選択的に線量を投与できる一方で、近接する正常組織への被曝を抑えることが可能であり、機能・形態の温存や、有害事象の低減が期待される。治療のための照射回数を減らす（寡分割照射）ことができ、早期社会復帰が可能となる、といったクオリティ・オブ・ライフ（生活の質）の面からの長所がある[9]。
治療用重粒子線は加速器を用い、重粒子を最大で光のおよそ70%のスピードに加速して体の外から照射し[10]、2、3分で終了する[11]。重粒子線が照射されている間に、痛みや熱感などを感じることはない[12]。照射回数は、それぞれのプロトコールによってきめられている[11]。
従来の重粒子線がん治療装置では固定照射装置が標準だったが、患者の負担を軽減し、最適な方向から腫瘍に重粒子線を照射するために360°任意の方向から照射できる装置が必要で回転ガントリーに搭載可能な超伝導電磁石が開発され、これにより普及可能なサイズ(直径11m、長さ13m)の陽子線ガントリーが実現して、3次元スキャニング照射装置とX線呼吸同期装置を搭載することによって、腫瘍周辺の動きを直接観察し、腫瘍に対する正確な照射ができるようになった[2]。
ブラッグピークの幅は極めて狭く、腫瘍の厚みに応じて、深さ方向にブラッグピークを拡大する必要があり、拡大フィルタなどを用いて拡大したピークを、拡大ブラッグピーク(Spread Out Bragg Peak: SOBP)という。さらに、ボーラスを用いて、線量投与する深さを調整する。また、ビームを横方向にも拡大する必要があり、二重散乱体法、ワブラー法などが用いられる。スポットビームで腫瘍を三次元的に走査する照射法もあり、これを用いると正確に腫瘍の形に合わせて照射することができ、さらなる有害事象低減のための技術として期待されている。
放射線医学総合研究所が治療開始した1994年から、2010年7月までの統計で見た登録患者数は5497名となっており、これは世界一となっている[13]。
独立行政法人放射線医学総合研究所では、巨額の国費を投入してHIMACと呼ばれる専用装置を世界で初めて開発し、臨床試験を1994年6月から行っている。2003年11月からは先進医療として運用されているが、治療を希望する患者に対する受入れ能力の制限や、高額な患者負担などが本格的な普及に向けての大きなハードルとなっている。また施設側も高額な設備の維持費が負担となっている[14]。
日本放射線腫瘍学会の調査では、前立腺がんなどにおいてエックス線による治療と比較し、優位性が確認できなかったという報告が示された[14]。理由としては、治療計画に統一性がなく施設ごとに異なっていることや症状や年齢の違いにより、統計学的に有意なデータが得られなかったためとされる[14]。
炭素イオン線（たんそイオンせん、英語：carbon ion beam[1]）は重粒子線の一種で、炭素原子を加速器で高速に加速したものである。
放射線医学総合研究所と兵庫県立粒子線医療センターは炭素イオン線と陽子線を用いてがん治療をしている。放射線医学総合研究所の重粒子線医科学センター病院ではHIMACを使っている。[2]。
炭素イオン線はDNAに致命的な損傷を与え細胞分裂を抑えるため、がん治療に用いられている。エックス線を当ててもDNAの障害が一部回復してしまうのに対し、炭素イオン線はDNAに致命的なダメージを与えるため回復しにくい。
また、細胞が増えるとき、DNA合成期になると、エックス線が効きにくいのに対し、炭素イオン線は効果が高い。
さらに、ブドウ糖を多く摂取し酸素不足になったがん細胞にはエックス線やガンマ線が効きにくいのに対して、炭素イオン線は直接作用が大きいため、二倍の効果を発揮できる。そして、正常組織に対する影響が少ないというのも特徴である。
しかし、すべてのがんがとりつくせるわけではない。また、高額な治療費がかかると言われている。
重イオンとは、相対的に重い原子のイオンのことを指す。大体炭素以上の重たい原子のイオンのことを指すが、リチウム以上の物をさすこともある。加速器の分野で使われる用語で、重イオン加速器で加速してビームとし重粒子線として扱う。
応用分野としては、炭素イオン線などを患部に照射する重粒子線がん治療や、重粒子線を標的に照射して得られた不安定核を二次ビームとしてあつかうRIビーム等がある。
RIビーム（あーるあいびーむ）とは、不安定な放射性同位体である不安定核のビーム。不安定核は、粒子加速器で加速した重イオン粒子を標的原子核にぶつけて壊す核破砕反応によって作り、これを選別して使う。
核破砕反応によって生成した放射性同位体の破砕片はいろいろな方向にばらばらの速度で飛んでいくが、 その中からある特定の種類で特定の方向・運動量・速度を持つ破砕片を選び取り出すことによって純度の高いRIビームを得る。 ちなみにビームとは方向と速さのそろった粒子の流れだと思えばよい。
放射性同位体はその多くが非常に短寿命でありその性質を測定するのは困難である。しかし、ビームの状態で扱うことによって、特殊相対論的効果により実験室系からみた寿命が延びる。極端に短寿命な核の性質を調べるためにはRIビームの技術は不可欠である。
RIビームの生成法には、重イオン線をベリリウムのようなターゲットに照射し、核破砕や飛行核分裂を起こしほぼ入射時と同じ速度で出てきたビームを使うインフライト型不安定核分離装置と、分厚いターゲットに陽子線や重イオン線を照射して止め、核破砕等を起こしたターゲットのほぼ静止した不安定核をイオン化して使うオンライン同位体分離装置がある。
前者は高エネルギーの幅広い不安定核を化学的性質によらず得ることができ、ビーム生成が速いことが利点である。後者はエネルギー分解能、角度分解能のの高い、高純度で高強度で低エネルギーのビームを生成可能であることが利点である。
前者の装置の例としては、ローレンス・バークレー国立研究所のBEVALAC(廃止済), GANIL（英語版）のLISE ミシガン州立大学(MSU)のA1200,重イオン研究所(GSI)のFSI,理化学研究所のRIビームファクトリーのRIPSおよびBigRIPSがあり、MSUではFRIB（英語版）,GSIではFAIR（英語版）等の建設が進んでいる。
後者の装置の例としては欧州原子核研究機構のISOLDE（英語版）や、GANILのSPIRAL, TRIUMF（英語版）のISAC-I,IIがある。
RIビームの利用にあたってはその純度を保証することが必要である。運動量の選別は磁場中でのローレンツ力による曲がり方が運動量によって決まることを利用する。核破砕反応の入射ビームは加速器の構造上間欠的なパルスとなって入射するので、破砕片の進路にタイミングよく開閉するスリットを設けることによって速度を選別することができる。このような工夫によってRIビームの純度を10％程度まで上げることが可能であるがビームの強度は入射粒子の数千分の一以下となる。したがって、このような目的で用いる入射ビームには何よりも大強度であることが要求される。
RIビームを用いた実験としては、固定された水素或いはヘリウムなどの軽元素の原子核に対してRIビームを入射、衝突させるインバースカイネマティクスの実験や、ストレージリングに蓄えて電子ビームと干渉させる実験などが考えられる。
これらの実験によって得られる知見は、単に特定の放射性同位体の性質を知るということにとどまらない。宇宙の元素合成過程では不安定原子核を経由する反応であるr過程等が重要であったと考えられるので、現在の宇宙のありようを説明するためにはこのような実験を行うことが不可欠なのである。
r過程（アールかてい, r-process）は恒星核が重力崩壊する超新星爆発時に起きると考えられている元素合成（超新星元素合成）における、中性子を多くもつ鉄より重い元素のほぼ半分を合成する過程のこと。これは迅速かつ連続的に中性子をニッケル56のような核種に取り込むことによって起きる。そのためこの過程はr (Rapid) 過程と呼ばれる。重元素を合成するほかの過程にはs過程があり、これは漸近巨星分枝星 (赤色巨星への進化段階) でゆっくり (Slow) した中性子捕獲によって元素合成を行う。この2つの過程が鉄より重い元素の元素合成過程の大半を占める。r過程はs過程に比べ未解明の部分が多い。
殻模型（かくもけい）またはシェルモデル (shell model) とは核構造を記述するモデルのひとつである。原子における電子殻と同様な構造を原子核における核子（陽子、中性子）についても考えるものである。原子核の周りの電子の場合と同様に、原子核でも「殻」という概念を通して性質を理解することができる。
この殻模型の成功を機に、核構造物理学という新しい分野を開くことになった。
多体系のハミルトニアンをある模型空間の中で厳密に対角化し、基底状態及び励起状態を求める方法である。すなわち、2体の相互作用の行列要素をどのように求めるか、また数億 - 数十億次元の行列をどのように対角化するかが、このモデルの中心課題である。
核力を出発点としてブリュックナー理論等により有効相互作用を求め、これまでに知られている実験値を再現するようにいくつかの行列要素を改良し、シェルモデル用の相互作用を作る。その上で、ランチョス法等を用いて超大次元のハミルトニアンを対角化する。
ハミルトニアンの次元が大きくなるため、この方法では現在のところ質量数40くらいまでしか計算できない。しかし、平均場近似では無視した多体相関が入っているため、新しい実験値等をよく説明することができる。
重力崩壊型超新星爆発の直後、非常に高密度の中性子束（1022個/cm2⋅s）が発生し、かつ高温となり、中性子捕獲は非常に不安定な核がベータ崩壊する間もなく行われ、r過程は中性子ドリップラインに沿って駈け上がることになる。このように中性子ドリップラインを上がることを阻害する制約は中性子閉核した原子核に対する中性子捕獲の反応断面積の著しい減少、原子核光分解（en:photodisintegration（[γ,n]））の反応率との競合、そして、核が急激に不安定化し、自発核分裂を起こし、r過程を終了させてしまう程の重同位体領域での核の安定性である（大体それは核図表の核子の数が270程度の中性子に富んだ領域と考えられている）。中性子束が落ち着いた後、これら非常に不安定な中性子過剰核である放射性原子核は安定核に落ち着くために急速に崩壊する。そのため、s過程では中性子閉殻(魔法数)付近に元素を作るのに対し、r過程では、原子は核図表の一定の原子量線に沿ってベータ崩壊するため、s過程で作られるものの山に比べ、10原子量ほど小さいあたりに作る。
s過程（エスかてい、s-Process = slow-Process）は、漸近巨星分枝星内で、恒星の寿命スケールの時間で起きる元素合成過程。中性子捕獲で起きる。中性子捕獲の後、次の中性子捕獲をするまでにベータ崩壊する期間が十分あり、核図表のベータ安定線に沿って安定同位体を推移しながら核子が増えていく。鉄より重い重元素の元素合成過程の半分を占め、元素合成で重要な役割を占める。高速な中性子捕獲過程であるr過程との違いは、その時間スケールである。
s過程は、漸近巨星分枝星で行われるといわれている。r過程が数秒間の爆発的な過程であるのに対し、s過程は千年単位の時間をかけて行われる過程であると考えられている。s過程が核図表の質量数の高い部分へ行く度合は、その星がどれだけ中性子を生成できるかと、鉄の初期分布量による。鉄は中性子捕獲とベータ崩壊による元素合成の出発物質（種）となる。主な中性子の供給源は
13 6
C
+
4 2
He
⟶
16 8
O
+
n
{\displaystyle {\ce {^{13}_{6}C\ +_{2}^{4}He->{}_{8}^{16}O\ +{\mathit {n}}}}}
12 6
C
+
12 6
C
⟶
23 12
Mg
+
n
{\displaystyle {\ce {^{12}_{6}C\ +_{6}^{12}C->{}_{12}^{23}Mg\ +{\mathit {n}}}}}
Ag から Sbまでのs過程。
となる。主なs過程と、弱いs過程の部分を区別する。主なs過程は、ストロンチウムやイットリウムを超えて、鉛まで行く、低金属量の星で行われる過程であり、低質量の漸近巨星分枝星で起きると考えられている[7]。一方、鉄からストロンチウムやイットリウムへ行く弱いS過程は、ヘリウムや炭素を燃焼させる大質量の星の最後で行われ、最後に超新星で星間物質としてばらまく。
s過程の起きると考えられている中性子束の密度は低く、(
10
5
10^{5}〜
10
10
10^{{10}}/
c
m
2
{\displaystyle cm^{2}}・s)ウランやトリウムのような放射性元素は生成することはできない。この過程を止める反応は、ビスマス209が中性子を受取り、ビスマス210となり、ベータ崩壊してポロニウム210となり、アルファ崩壊して鉛206となり、
209 83
Bi
+
n
⟶
210 83
Bi
+
γ
{\displaystyle {\ce {{}_{83}^{209}Bi\ +{\mathit {n}}->{}_{83}^{210}Bi\ +\gamma }}}
210 83
Bi
⟶
210 84
Po
+
e
−
+
ν
¯
e
{\displaystyle {\ce {{}_{83}^{210}Bi->{}_{84}^{210}Po\ +{\mathit {e}}^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathit {e}}}}}
210 84
Po
⟶
206 82
Pb
+
4 2
He
{\displaystyle {\ce {{}_{84}^{210}Po->{}_{82}^{206}Pb\ +_{2}^{4}He}}}
その鉛206が3つの中性子を受け取ることで、またビスマス209になるという循環になる。
206 82
Pb
+
3
n
⟶
209 82
Pb
{\displaystyle {\ce {{}_{82}^{206}{Pb}+3{\mathit {n}}->{}_{82}^{209}{Pb}}}}
209 82
Pb
⟶
209 83
Bi
+
e
−
+
ν
¯
e
{\displaystyle {\ce {{}_{82}^{209}{Pb}->{}_{83}^{209}{Bi}+{\mathit {e}}^{-}+{\bar {\nu }}_{\mathit {e}}}}}
結局、この反応を最初から最後まで見ると、
4
n
⟶
4 2
He
+
2
e
−
+
2
ν
¯
e
+
γ
{\displaystyle {\ce {4{\mathit {n}}->{}_{2}^{4}{He}+2{\mathit {e}}^{-}+2{\bar {\nu }}_{\mathit {e}}+\gamma }}}
となる。この過程は、結局のところ最大の安定元素ビスマスで止まることになる（ビスマスは実のところ現在の宇宙の年齢の数十億倍の半減期で崩壊する"不安定"元素であるが、その長大な半減期ゆえに実質的には安定元素と見なしてよい）。
