[論文レビュー] On the Eptihermal Neutron Energy Limit for Accelerator-Based Boron Neutron Capture Therapy (AB-BNCT): Study and Impact of New Energy Limits

Marine Hervé, N. Sauzet+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2021

Boron Compounds in Chemistry参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、加速器を用いたホウ素中性子捕捉療法（AB-BNCT）における低エネルギー準熱中性子（10 eV–10 keV）の評価を、モンテカルロシミュレーションを用いて行った。10 keV未満の中性子エネルギーは、治療的利得を顕著に向上させることを明らかにした。4 cmの深さの脳腫瘍に対しては、10 eVの中性子が10 keVの中性子と比較して治療的利得を54%向上させた。この利点は6.4 cmの深さまで及び、低エネルギー中性子が腫瘍への標的化を向上させるとともに、正常組織への被曝線量を低減することを示唆している。

ABSTRACT

Background and purpose: Accelerator-Based Boron Neutron Capture Therapy is a radiotherapy based on compact accelerator neutron sources requiring an epithermal neutron field for tumour irradiations. Neutrons of 10 keV are considered as the maximum optimised energy to treat deep-seated tumours. We investigated, by means of Monte Carlo simulations, the epithermal range from 10 eV to 10 keV in order to optimise the maximum epithermal neutron energy as a function of the tumour depth. Methods: A Snyder head phantom was simulated and mono-energetic neutrons with 4 different incident energies were used: 10 eV, 100 eV, 1 keV and 10 keV. $^{10}$B capture rates and absorbed dose composition on every tissue were calculated to describe and compare the effects of lowering the maximum epithermal energy. The Therapeutic Gain (TG) was estimated considering the whole brain volume. Results: For tumours seated at 4 cm depth, 10 eV, 100 eV and 1 keV neutrons provided respectively 54 $\\%$, 36 $\\%$ and 18 $\\%$ increase on the TG compared to 10 keV neutrons. Neutrons with energies between 10 eV and 1 keV provided higher TG than 10 keV neutrons for tumours seated up to 6.4 cm depth inside the head. The size of the tumour does not change these results. Conclusions: Using lower epithermal energy neutrons for AB-BNCT tumour irradiation could improve treatment efficacy, delivering more therapeutic dose while reducing the dose in healthy tissues. This could lead to new Beam Shape Assembly designs in order to optimise the BNCT irradiation.

研究の動機と目的

• 従来の10 keVのしきい値未満で準熱中性子エネルギーを低減することで、AB-BNCTにおける治療効果が向上するかどうかを調査すること。
• 10 eV、100 eV、1 keV、10 keVの中性子エネルギーが、脳ホーンフォンにおける治療的利得および線量分布に与える影響を評価すること。
• 深部腫瘍に対して最適な準熱中性子エネルギー範囲を特定し、正常組織への被曝を最小限に抑えること。
• 将来的なAB-BNCT施設におけるビーム形状アセンブリ（BSA）設計を支援するため、腫瘍線量を最大化し、正常組織被曝を最小限に抑えるエネルギー限界を同定すること。

提案手法

• 中性子輸送とエネルギー吸収のモデル化のため、Snyder頭部ホーンフォンを用いたモンテカルロシミュレーションを実施した。
• エネルギー依存性の線量および捕獲率効果を評価するため、10 eV、100 eV、1 keV、10 keVの中性子ビームを単エネルギーでシミュレートした。
• ホウ素捕獲（D_B）、中性子散乱（D_n）、陽子生成（D_p）、ガンマ線（D_γ）のRBE補正線量を用いて生物学的線量を算出した。
• 治療的利得（TG）は、標準的なRBE係数を用いたBPAベースのBNCTにおいて、腫瘍生物学的線量と全脳生物学的線量の比として推定した。
• 組織種別（腫瘍、脳、頭蓋骨、皮膚）における線量分解とTGを解析し、エネルギー依存性の結果を比較した。
• 本研究では、腫瘍深さが6.4 cmまでの脳腫瘍を対象とし、腫瘍サイズの変動に応じた妥当性も検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10 keV未満の準熱中性子エネルギーに低減することで、深部に位置する脳腫瘍に対するAB-BNCTの治療的利得が向上するか？
• RQ2 10 eV–10 keVの範囲で、腫瘍線量を最大化し、正常脳組織への被曝を最小限に抑える最適な準熱中性子エネルギー範囲は何か？
• RQ3 10 eV、100 eV、1 keV、10 keVの中性子を使用した場合、腫瘍深さに応じて治療的利得はどのように変化するか？
• RQ4 中性子エネルギーを10 keVから1 keV以下に低減することで、脳内のどの深さまで有意な治療的利得が得られるか？
• RQ5 腫瘍サイズは、低エネルギー準熱中性子の使用による利点に影響を及ぼすか？

主な発見

• 4 cmの深さの腫瘍に対して、10 eVの中性子は10 keVの中性子と比較して治療的利得を54%向上させた。
• 100 eVの中性子では、10 keVの中性子と比較して治療的利得が36%向上した。
• 1 keVの中性子では、10 keVの中性子と比較して治療的利得が18%向上した。
• 10 eV～1 keVの中性子は、6.4 cmまでの深さの腫瘍に対して、10 keVの中性子よりも高い治療的利得を示した。
• 低エネルギー中性子の利点は、腫瘍サイズに関わらず一貫しており、腫瘍の幾何学的形状にかかわらず安定した効果を示した。
• 本結果から、現在の10 keVの上限が最適でない可能性があり、将来的なビーム形状アセンブリ（BSA）設計は、治療効果を向上させるために低エネルギー準熱中性子を標的とすべきであると示唆された。