[論文レビュー] Technical Note: A prototype clinical proton radiography system

Ethan A. DeJongh, Don F. DeJongh+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2020

Gamma-ray bursts and supernovae被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、高速シンチレーター技術と多重化されたSiPMを用いた、効率的な信号読み出しを実現する低コストでコンactな陽子レントゲン撮影プロトタイプを提示する。患者固有のスキャンパターンを用い、複数の入射エネルギーとキャリブレーション済みの16-PMT残留エネルギー検出器を組み合わせることで、余剰線量を最小限に抑えつつ正確な陽子飛距離イメージングを実現し、陽子線治療の検証に臨床応用可能となる。

ABSTRACT

Purpose: To demonstrate a proton imaging system based on well-established fast scintillator technology to achieve high performance with low cost and complexity, with the potential of a straightforward translation into clinical use. Methods: The system tracks individual protons through one (X, Y) scintillating fiber tracker plane upstream and downstream of the object and into a 13 cm-thick scintillating block residual energy detector. The fibers in the tracker planes are multiplexed into silicon photomultipliers (SiPMs) to reduce the number of electronics channels. The light signal from the residual energy detector is collected by 16 photomultiplier tubes (PMTs). Only four signals from the PMTs are output from each event, which allows for fast signal readout. A robust calibration method of the PMT signal to residual energy has been developed to obtain accurate proton images. The development of patient-specific scan patterns using multiple input energies allows for an image to be produced with minimal excess dose delivered to the patient. Results: The calibration of signals in the energy detector produces accurate residual range measurements limited by intrinsic range straggling. The use of patient-specific scan patterns using multiple input energies enables imaging with a compact range detector. Conclusions: We have developed a prototype clinical proton radiography system for pretreatment imaging in proton radiation therapy. We have optimized the system for use with pencil beam scanning systems and have achieved a reduction of size and complexity compared to previous designs.

研究の動機と目的

• 従来の設計と比較して、小型かつ構成が簡素な臨床的実用可能な陽子レントゲン撮影システムの開発。
• 高い性能と信頼性を確保するため、既に確立された高速シンチレーター技術を活用。
• 複数の入射陽子エネルギーを用いた患者固有のスキャンパターンにより、患者線量を最小限に抑える。
• PMT信号のきめ細かいキャリブレーションにより、残留飛距離の正確な測定を可能にする。
• シグナルの多重化によりファイバー・トラッカー信号をSiPMに集約し、1イベントあたり4つのPMT出力のみを選択することで、信号読み出しを簡素化。

提案手法

• 物体の上流および下流に位置する2つのシンチレーティングファイバー・トラッカー平面を用い、陽子のXおよびY方向の軌道を個別に追跡。
• ファイバー信号をシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）に多重化することで、必要な電子回路チャネル数を削減。
• 13 cm 厚のシンチレーティングブロックを残留エネルギー検出器として使用し、16個のフォトマルチプライヤー（PMT）が光を収集。
• 1イベントあたり4つのPMT信号のみを出力することで、高速読み出しとデータ負荷の低減を実現。
• PMT信号とエネルギー損失の関係を明確にすることで、残留陽子エネルギーの正確な測定を可能にするきめ細かいキャリブレーション手法を採用。
• 複数の入射エネルギーを用いた患者固有のスキャンパターンにより、最小限の線量で陽子画像を再構成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 確立されたシンチレーター技術およびSiPM技術を用いた、臨床用途に適したコンパクトで低コストな陽子レントゲン撮影システムを開発可能か？
• RQ2 キャリブレーション済みの16-PMTシンチレーティングブロック検出器を用いた場合、残留陽子飛距離の測定はどの程度正確に行えるか？
• RQ3 複数の入射エネルギーを用いた患者固有のスキャンパターンにより、線量をどの程度低減しつつも画像品質を維持できるか？
• RQ4 SiPMによる信号多重化と選択的PMT出力により、システムの複雑さを軽減しても性能に悪影響を及げないか？
• RQ5 このプロトタイプにおいて、固有の飛距離散乱（range straggling）が陽子イメージングの正確性に及ぼす影響は何か？

主な発見

• PMT信号のエネルギーへのキャリブレーションにより、残留陽子飛距離の正確な測定が可能となり、その精度は主に固有の飛距離散乱に制限される。
• 複数の入射エネルギーを用いた患者固有のスキャンパターンにより、コンパクトな残留エネルギー検出器を用いても高品質なイメージングが実現可能。
• SiPMによる信号多重化により、電子回路チャネル数が顕著に削減され、システム設計が簡素化された。
• 1イベントあたり4つのPMT信号のみを出力することで、高速読み出しを実現し、リアルタイム性能を維持。
• 従来の陽子イメージングプロトタイプと比較して、本システムは顕著なサイズおよび構成の簡素化を達成。
• 本プロトタイプは、陽子線治療における治療前イメージングの実現可能性を示しており、余剰線量を最小限に抑えている。