[論文レビュー] First Pilot Tests of Compton Imaging and Boron Concentration Measurements in BNCT Using i-TED

J. Lerendegui-Marco, J. Balibrea-Correa+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2024

Boron and Carbon Nanomaterials ResearchMaterials Science被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ボロン-10濃度の測定およびBNCTにおける空間的線量分布のイメージングを実時間で行う、高効率なコンプトンカメラi-TEDの初のリアルタイム・インビトロ応用を示した。10B(n,α)7Li反応から発生する478 keVガンマ線を用い、i-TEDは1 μg 10B未満の感度（≤1 μg 10B）を達成し、細胞試料の2次元コンプトンイメージを正常に再構成した。これは、BNCTにおけるオンラインで非侵襲的な線量測定への可能性を裏付けた。

ABSTRACT

Dosimetry in BNCT poses significant challenges due to the indirect effect of neutrons interacting with elements within the body and uncertainties associated with the uptake of boron compounds used in clinical practice. Current treatment planning relies on unconventional estimates of boron tumor uptake derived from prior PET scans and thus, an online boron-uptake monitor would be highly convenient. This work presents the first pilot experiments carried out at ILL-Grenoble with the high-efficiency Compton camera i-TED, hereby aiming at demonstrating its applicability for BNCT dosimetry by introducing real-time measurement of the boron concentration and imaging capabilities of spatial dose distribution. In this experiment, we measured the $^{10}$B uptake of different cancer cells of tongue squamous cell carcinoma, malignant melanoma and glioblastoma treated with BPA (80~ppm of $^{10}$B). The samples were irradiated with the thermal neutron spectrum of ILL-Grenoble and the 478keV $γ$-rays from the $^{7}$Li de-excitation after the neutron-boron reaction were registered both with the Compton imager and the high-sensitivity FIPPS HPGe array. These series of measurements allowed us to demonstrate the imaging capabilities of the Compton imaging device for the 478 keV $γ$-rays of interest for dosimetry in BNCT, as well as to assess its sensitivity, which was found to be below 1 $μ$g of $^{10}$B.

研究の動機と目的

• コンプトンイメージングを用いて、BNCT中におけるリアルタイムでインビトロでのボロン-10濃度モニタリングの可能性を示すこと。
• i-TEDコンプトンカメラの478 keVのプロンプトガンマ線（10B(n,α)7Li反応から発生）を検出する感度およびイメージング性能を評価すること。
• 高感度FIPPS HPGeアレイを基準として、i-TEDの10B測定の定量的正確性を検証すること。
• 将来的な臨床的応用に向け、コンプトンイメージングをオンラインBNCT線量測定に応用する基盤を確立すること。
• 微量のボロンを含む生物学的試料において、低バックグラウンド条件下でのi-TEDの耐性（ロバストネス）を評価すること。

提案手法

• ILLグルノーブルの熱中性子ビーム（5×10⁷ n/cm²/s）を用い、舌扁平上皮がん（CAL33）、膠芽腫（A172）、悪性黒色腫（A375）細胞株を80 ppm 10Bのボロンペニルアミン（BPA）で照射した。
• 同時に、i-TEDコンプトンカメラと高感度FIPPS HPGeアレイ（基準）を用いて、478 keVガンマ線を同時検出した。
• GPU最適化された再構成アルゴリズムを備えた4結晶型LaCl₃ベースのコンプトンカメラを採用し、リアルタイムでの画像再構成を実現した。
• 散乱検出器および吸収検出器からのエネルギーおよび位置測定値を用い、コンプトン運動学を応用して478 keV光子の発生点を再構成した。
• 性能評価の支援および検出効率の最適化のため、モンテカルロシミュレーションを実施した。
• 残留放射線および中性子反応に起因するバックグラウンドを差し引くためのバックグラウンド除去および信号抽出を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 i-TEDコンプトンカメラは、インビトロBNCT線量測定に十分な感度で、10B(n,α)7Li反応に起因する478 keVガンマ線を検出可能か？
• RQ2 低バックグラウンド・高中性子フラックス環境下で、i-TEDが測定可能な最小10B濃度は何か？
• RQ3 i-TEDは、ボロン含有細胞試料からの478 keV放射線を空間的に分解能をもって2次元イメージとして再構成可能か？
• RQ4 i-TEDによる10B濃度測定値は、ゴールドスタンダードとされるFIPPS HPGeアレイとの間で定量的に整合性を示すか？
• RQ5 i-TEDは、最小限のバックグラウンド干渉のもとで、複雑な生物学的試料内のボロン分布を解像できるほど十分にロバストか？

主な発見

• i-TEDコンプトンカメラは、1 μg 10B未満の検出感度（≤1 μg 10B）を達成し、BNCTに必要な微量ボロン濃度の検出が可能であることを示した。
• わずか数マイクログラムの10Bを含む細胞試料の2次元コンプトンイメージが、ボロン関連のバックグラウンドが存在する中でも正常に再構成された。
• i-TEDによる細胞試料中の10B濃度測定値は、高感度FIPPS HPGeアレイとの比較において一貫性を示した。
• GPU最適化された再構成アルゴリズムのおかげで、リアルタイムでの動作が可能となり、照射中のボロン取り込みの動的モニタリングが可能となった。
• LaCl₃ベースのi-TED検出器の高い効率と低中性子感度の組み合わせにより、臨床的BNCT環境に適した性能を示した。
• 本研究は、BNCTにおける478 keVガンマ線のコンプトンイメージングの初の実験的実証であり、オンライン線量測定への可能性を裏付けた。