[論文レビュー] Secondary radiation measurements for particle therapy applications: Charged secondaries produced by 4He and 12C ion beams in a PMMA target at large angle

Antoni Ruciński, E. De Lucia+19 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2016

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、4Heおよび12CイオンビームがPMMAプローブに照射された際、ビーム軸に対して60°および90°の角度で発生する荷電二次粒子を、時間飛行法およびトラッキング検出器を用いて再構成し、生成率、エネルギースペクトル、放射分布を測定した。結果は、12Cおよび4Heビームの両方において、荷電二次粒子を用いた粒子線治療における照射範囲モニタリングの実現可能性を裏付けた。臨床的条件下では、1回の治療分割あたり約2000個の陽子が検出可能であると予測された。

ABSTRACT

Measurements performed with the purpose of characterizing the charged secondary radiation for dose release monitoring in particle therapy are reported. Charged secondary yields, energy spectra and emission profiles produced in poly-methyl methacrylate (PMMA) target by 4He and 12C beams of different therapeutic energies were measured at 60 and 90 degree with respect to the primary beam direction. The secondary yields of protons produced along the primary beam path in PMMA target were obtained. The energy spectra of charged secondaries were obtained from time-of-flight information, whereas the emission profiles were reconstructed exploiting tracking detector information. The measured charged secondary yields and emission profiles are in agreement with the results reported in literature and confirm the feasibility of ion beam therapy range monitoring using 12C ion beam. The feasibility of range monitoring using charged secondary particles is also suggested for 4He ion beam.

研究の動機と目的

• ビーム軸に対して大きな角度（60°および90°）で、組織同等のPMMA標的に4Heおよび12Cイオンビームが生成する荷電二次粒子の生成率、エネルギースペクトル、放射分布を測定すること。
• 粒子線治療におけるリアルタイムのビーム照射範囲モニタリングに、荷電二次粒子を用いる可能性を評価すること。
• 臨床現場におけるモニタリング検出器のキャリブレーションおよび最適化のための、二次粒子生成に関する実験的データを提供すること。
• 線量生物学的効果と断片化の低減の両立を考慮した場合、4Heビームがプロトンおよび12Cイオンの代替として実用的である可能性を評価すること。

提案手法

• 治療的エネルギー（12Cビーム：220 MeV/u、4Heビーム：200 MeV/u）の4Heおよび12Cイオンビームを、ビーム方向に対して60°および90°の角度でPMMAプローブに照射した。
• 時間飛行測定を用いて、荷電二次粒子のエネルギースペクトルを特定した。
• トラッキング検出器の情報を用いて、各二次粒子の生成位置を特定するための放射分布を再構成した。
• 二次粒子生成率を主ビームのイオン数で正規化することで、異なるビームエネルギーおよび種別間での比較を可能にした。
• 臨床用検出器構成を想定し、検出可能な二次陽子数を推定するために、立体角モデル（0.08 sr）を適用した。
• 測定された放射分布と、主ビームの期待される照射範囲との相関を検討し、モニタリングの実現可能性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ビーム軸に対して60°および90°の角度で、PMMA中における4Heおよび12Cイオンビームが生成する荷電二次陽子の生成率はどの程度か？
• RQ2 ビームエネルギーおよび種別（4He対12C）の違いに応じて、二次陽子のエネルギースペクトルはどのように変化するか？
• RQ3 トラッキングデータから再構成された二次粒子の放射分布は、患者治療におけるビーム照射範囲モニタリングに十分な精度で得られるか？
• RQ4 線量生物学的効果が中程度で、断片化が少ない4Heビームにおいて、荷電二次粒子の検出は実現可能か？
• RQ5 臨床用検出器構成下で、1回の治療分割あたりに検出可能な二次陽子数はどの程度と予想されるか？

主な発見

• 12Cビーム（220 MeV/u）の60°および90°での荷電二次粒子生成率は測定され、主ビームのイオン数で正規化した結果、既存の文献値と整合性を示した。
• 時間飛行データを用いた二次陽子のエネルギースペクトル再構成により、正確な粒子同定および運動エネルギー推定が可能になった。
• トラッキングデータからの二次陽子の放射分布再構成は、期待されるビーム照射範囲と良好な相関を示した。
• 12Cビーム（220 MeV/u）の場合、臨床用検出器（立体角0.08 sr）における検出可能な二次陽子数は、1回の治療分割あたり約2000個と推定された。
• 測定された生成率および放射特性に基づき、荷電二次粒子検出が12Cビームだけでなく4Heビームに対しても照射範囲モニタリングの実現可能性を有することを示唆した。
• 本研究は、将来的な臨床的照射範囲モニタリングシステムにおける、荷電二次粒子を用いた検出器のキャリブレーションおよび配置最適化の定量的根拠を提供した。