[論文レビュー] Particle Accelerators and Detectors for medical Diagnostics and Therapy

S. Braccini|arXiv (Cornell University)|Jan 25, 2016

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、特に重粒子線治療（ハドロンセラピー）およびPET画像診断用ラジオアイソトープの生産に向けた、粒子加速器および検出器分野における革新的な進展を提示する。サイクリナック（Cyclinac）と呼ばれるハイブリッド型リニアック・サイクロトロン系統を導入し、高度なビームスキャンを実現するとともに、バーゼル大学の研究用ボックス施設を備えた新規ビーム輸送ライン、およびセグメンテッドイオン化室、核エマルジョンフィルムを用いたプロトンレントゲノグラフィ、ドーピングされたシリカ光ファイバーを用いた新たなビームモニタリング技術を提案。これらはがん治療における正確性と安全性を向上させる。

ABSTRACT

This Habilitationsschrift (Habilitation thesis) is focused on my research activities on medical applications of particle physics and was written in 2013 to obtain the Venia Docendi (Habilitation) in experimental physics at the University of Bern. It is based on selected publications, which represented at that time my major scientific contributions as an experimental physicist to the field of particle accelerators and detectors applied to medical diagnostics and therapy. The thesis is structured in two parts. In Part I, Chapter 1 presents an introduction to accelerators and detectors applied to medicine, with particular focus on cancer hadrontherapy and on the production of radioactive isotopes. In Chapter 2, my publications on medical particle accelerators are introduced and put into their perspective. In particular, high frequency linear accelerators for hadrontherapy are discussed together with the new Bern cyclotron laboratory. Chapter 3 is dedicated to particle detectors with particular emphasis on three instruments I contributed to propose and develop: segmented ionization chambers for hadrontherapy, a proton radiography apparatus with nuclear emulsion films, and a beam monitor detector for ion beams based on doped silica fibres. Selected research and review papers are contained in Part II. For copyright reasons, they are only listed and not reprinted in this on-line version. They are available on the websites of the journals.

研究の動機と目的

• 高度な加速器および検出器技術を用いて、ハドロンセラピーのための高精度ビーム照射システムを開発すること。
• 1つの病院内サイクロトロン施設内で、PET画像診断用のラジオアイソトープ生産とマルチディシプリナリー研究を同時に可能にする仕組みを実現すること。
• 新規で小型化され、放射線に強く耐性を持つ検出器を用いて、治療中のリアルタイムビームモニタリングを改善すること。
• プロトンレントゲノグラフィを用いて、患者組織内でのイオンビームの到達範囲を正確に特定することで、治療の正確性を向上させること。
• コンパクトな医療用加速器施設に統合可能なように、ビーム診断システムの小型化と最適化を図ること。

提案手法

• プロトンまたはイオンのリニアック（linac）をサイクロトロンに接続することで、ハドロンセラピーとラジオアイソトープ生産の両方の目的に使用可能なハイブリッド型サイクリナック（cyclinac）システムの設計および実装。
• 病院内での臨床的利用と独立した研究利用を並行して可能にするために、バーゼルサイクロトロン研究所に専用のビーム輸送ライン（BTL）および別個の研究用ボックス施設を整備。
• スポートスキャンハドロンセラピーにおけるビーム位置、強度、形状のリアルタイムモニタリングを目的として、セグメンテッドストリップイオン化室の設計および構築。この装置は、PSIのガンタリー2で使用。
• 核エマルジョンフィルム検出器を用いたプロトンレントゲノグラフィの実装により、組織内でのプロトンの到達範囲を1ミリメートル未満の分解能で測定。
• モーター駆動スキャン機構とADCベースのデータ取得システムを備えた、ドーピングされたシリカ光ファイバー（例：Ta3+およびSb3+ドーピング）を用いたビームプロファイルモニタの設計および試験。
• 6秒の周期で変調し、±15 mmのビーム移動を実施することで、高分解能のビームプロファイル測定を実現。意図的なビームカットによる検証も実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハイブリッド加速器システム（サイクリナック）は、ハドロンセラピーの効率と正確性を向上させるとともに、ラジオアイソトープ生産を可能にするか？
• RQ2 病院内環境で臨床的治療と独立した研究を両立させるために、ビーム輸送ラインに必要な設計的特徴は何か？
• RQ3 セグメンテッドイオン化室は、スポートスキャンプロトン治療におけるリアルタイムモニタリングに必要な1ミリメートル未満の分解能を達成できるか？
• RQ4 核エマルジョンフィルムを用いたプロトンレントゲノグラフィは、ミリメートルレベルの精度で治療計画用のインビボ範囲測定を正確に可能にするか？
• RQ5 ドーピングされたシリカ光ファイバーは、医療用加速器に適したコンパクトで放射線に強く耐性のあるビームプロファイルモニタとして、十分な感度とダイナミックレンジを備えているか？

主な発見

• 専用のビーム輸送ラインおよび研究用ボックス施設を備えたバーゼルサイクロトロン研究所は、現在、完全に稼働しており、臨床的および研究的利用を並行して可能としており、スイスで唯一の施設である。
• PSIのガンタリー2用に開発されたセグメンテッドストリップイオン化室は、1ミリメートル未満の分解能で高精度のビームモニタリングを達成し、スポートスキャンハドロンセラピーに不可欠な要件を満たしている。
• 核エマルジョンフィルムを用いたプロトンレントゲノグラフィは、1 mm未満の分解能でビームプロファイルを測定に成功し、インビボ範囲確認の可能性を示した。
• ドーピングされたシリカファイバーを用いたビームモニタープロトタイプは、500 nAから5 µAの強度範囲で、1 mm未満の分解能でビームプロファイル測定を実現し、リアルタイムビーム診断への実用可能性を裏付けた。
• Ta3+ドーピングされたシリカファイバーは0.5%の光出力示し、Sb3+ドーピングファイバーをわずかに上回り、将来的なビームモニタ用の改善されたシンチレーション材料としての可能性を示した。
• モーター駆動スキャンおよびADCベースのデータ取得を含む完全な制御システムは開発中であり、小型化は長期的目標として位置づけられている。