[論文レビュー] Proton radiographs using position-sensitive silicon detectors and high-resolution scintillators

J. A. Briz, A. N. Nerio+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2021

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 16被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、位置に敏感なシリコン検出器（DSSDs）と高分解能のシンチレーター・アレイを用いたプロトンレントゲン撮影システムのプロトタイプを提示する。このシステムは、がん治療のための正確なプロトン画像化を可能にし、2 mm未満の空間分解能を達成し、アルミニウムおよびPMMAの10-mm厚さを区別した。これは、治療計画および線量検証の向上を目指したプロトンCTへの第一歩を裏付けるものである。

ABSTRACT

Proton therapy is a cancer treatment technique currently in growth worldwide. It offers advantages with respect to conventional X-ray and $\gamma$-ray radiotherapy, in particular, a better control of the dose deposition allowing to reach a higher conformity in the treatments. Therefore, it causes less damage to the surrounding healthy tissue and less secondary effects. However, in order to take full advantage of its potential, improvements in treatment planning and dose verification are required. A new prototype of proton Computed Tomography scanner is proposed to design more accurate and precise treatment plans for proton therapy. Here, results obtained from an experiment performed using a 100-MeV proton beam at the CCB facility in Krakow (Poland) are presented. Proton radiographs of PMMA samples of 50-mm thickness with spatial patterns in aluminum were taken. Their properties were studied, including reproduction of the dimensions, spatial resolution and sensitivity to different materials. They demonstrate the capabilities of the system to produce images with protons. Structures of up to 2 mm are nicely resolved and the sensitivity of the system was enough to distinguish thicknesses of 10 mm of aluminum or PMMA. This constitutes a first step to validate the device as a proton radiography scanner previous to the future tests as a proton CT scanner.

研究の動機と目的

• 位置に敏感なシリコン検出器とシンチレーターを用いたプロトンレントゲン撮影システムの開発および検証を通じて、がん治療のためのプロトン治療画像診断の向上を図ること。
• X線CTのハンフリー・ユニット（Hounsfield Units）を相対的停止力（RSP）に変換することに起因するプロトン走査距離の推定に関する不確実性を解消すること。
• 高い空間分解能およびエネルギー分解能を備えたプロトンを用いた画像診断の実現可能性を示し、X線CTに基づく計画に依存するのを減らすこと。
• 臨床的意義のあるプロトン治療に関連する微細構造の解像および材料厚さの区別が、このシステムによって可能かどうかを検証すること。
• 臨床的条件下のビーム条件下で画像品質および検出器性能を評価することで、将来のプロトンCT再構成の基盤を築くこと。

提案手法

• ポーランド・クラコフのCCB施設で90–120 MeVのプロトンビームを用い、230 MeVからエネルギーを低下させたビームを用いた。
• 正確なプロトン追跡および軌道再構成を実現するため、二重面シリコンストリップ検出器（DSSDs）を2台使用した。
• 残りエネルギーの測定および停止力の高精度決定を向上させるために、ランタニウムブロミド（LaBr3）シンチレーター・アレイを統合した。
• 95、100、120 MeVのプロトンビームを用いたエネルギーキャリブレーションを行い、詳細なモンテカルロシミュレーションで検証した。
• 直径1–5 mmの異なるサイズと間隔のアルミニウムパターンを埋め込んだPMMA試料のプロトンレントゲン像を取得した。
• 1次元強度プロファイルとスーパー・ガウス関数フィットを用いて、空間分解能および寸法の正確性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DSSDおよびシンチレーターを用いたプロトンレントゲン撮影システムは、2 mm未満のサイズの構造を解像できるか？
• RQ2 アルミニウムおよびPMMAのような材料の厚さ差に対して、このシステムはどの程度の感度を示すか？
• RQ3 PMMAに埋め込まれたテストパターンの実際の寸法を、このシステムはどの程度正確に再現できるか？
• RQ4 小さな特徴（例：1 mmの穴）に対して、空間分解能はどの程度低下するか？
• RQ5 残りエネルギーの蓄積に基づいて、異なる材料の10-mm厚さを区別できるか？

主な発見

• システムは2 mm未満の空間分解能を達成し、アルミニウムパターンに埋め込まれた5-mm、3-mm、2-mmの穴を明確に解像した。
• 1-mmの穴は明確に解像されなかったことから、システムの分解能限界は1 mmと2 mmの間にあると示された。
• 残りエネルギースペクトルに3つの明確なエネルギーピークが観察され、アルミニウム、PMMA、および空気の10-mm厚さを区別できる能力が確認された。
• 十字型および正方形パターンの試料について、測定された寸法と実際の物理的寸法が良好に一致しており、スーパー・ガウス関数へのフィットが高い忠実性を示した。
• 5-mm、3-mm、2-mmの穴の列の強度プロファイルには、穴の数に対応する明確な最小値が観察され、構造解像度が確認された。
• これらの結果は、このプロトタイプが機能的なプロトンレントゲンスキャナとして有効であり、将来の完全なプロトンCT実装への重要な第一歩であることを裏付けた。