[논문 리뷰] A Prototype Scintillator Real-Time Beam Monitor for Ultra-high Dose Rate Radiotherapy

Daniel Levin, Peter S. Friedman외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 24.

Radiation Detection and Scintillator Technologies참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초고선량률(FLASH) 방사선 치료를 위한 실시간 비침습적 빔 모니터(FBSM)의 프로토타입을 제시한다. 새로운 무기 히브리드 scintillator를 활용하여 대면적, 경량, 방사선 내성의 실시간 빔 모니터링을 가능하게 하며, 선형 반응 및 1 마이크로초 이내의 실시간 데이터 처리를 구현한다. 장치는 234 Gy/s에서 누적 선량 212 kGy 이후에도 안정적인 신호 출력을 보였으며, 고해상도 2차원 빔 이미징과 IEC 기준에 부합하는 빔 차단 기능을 성공적으로 구현하였다. 이는 FLASH 및 일반 전자 빔 모두에서 검증되었다.

ABSTRACT

FLASH Radiotherapy (RT) is a potentially new cancer radiotherapy technique where an entire therapeutic dose is delivered in about 0.1 s and at ~1000 times higher dose rate than in conventional RT. For clinical trials to be conducted safely, precise and fast beam monitoring that can generate an out-of-tolerance beam interrupt is required. A FLASH Beam Scintillator Monitor (FBSM) is being developed based in part on a novel proprietary inorganic hybrid scintillator material. The FBSM provides large area coverage, low mass profile, linear response over a broad dynamic range, radiation tolerance, and real-time analysis IEC-compliant fast beam-interrupt signal. This paper includes the design concept and test results from a prototype device in radiation beams that include heavy ions, FLASH level dose per pulse electron beams, anda hospital radiotherapy clinic with electron beams. Results include image quality, response linearity, radiation hardness, spatial resolution, and real-time data processing. The scintillator showed a small -0.02%/kGy signal decrease after a 212 kGy cumulative dose resulting from continuous exposure for 15 minutes at a FLASH compatible dose rate of 234 Gy/s. These tests established the linear response of the FBSM with respect to dose per pulse. Comparison with commercial Gafchromic film indicates that the FBSM produces a high resolution 2D beam image and can reproduce a nearly identical beam profile. At 20 kfps or 50 microsec/frame, the real-time FPGA based computation and analysis of beam position, beam shape, and beam dose takes < 1 microsec.

연구 동기 및 목표

• 초고선량률(FLASH) 방사선 치료를 위한 실시간, 고속 빔 모니터를 개발하여 임상 시험에서의 안전성과 정밀도를 확보한다.
• FLASH 치료에서 IEC 기준에 부합하는 빔 차단 신호를 생성할 수 있는 신뢰성 있고 빠른 반응 속도를 가진 빔 모니터링 시스템의 부족을 보완한다.
• 신규로 개발된 무기 히브리드 scintillator의 성능을 초고선량률 환경에서 빔 위치, 형태, 선량 모니터링에 대해 평가한다.
• FPGA 기반 계산을 이용해 빔 파rameter에 대한 실시간 데이터 처리를 1 마이크로초 이내의 지연으로 달성한다.
• FLASH 전자 빔, 고원자수 빔, 임상 전자 빔 전반에 걸쳐 선형성, 공간 해상도, 방사선 내성 등 성능을 검증한다.

제안 방법

• FBSM는 실시간 빔 검출을 위한 고방사선 내성 및 빠른 붕괴 시간을 가진 특허받은 무기 히브리드 scintillator 물질을 사용한다.
• 고속 CMOS 카메라가 20 kfps(50 μs/프레임)로 scintillation 빛을 캡처하여 실시간 빔 이미징 및 파rameter 추출을 가능하게 한다.
• FPGA 기반 처리 시스템이 1 프레임당 1 μs 미만의 시간 내에 빔 위치, 형태, 선량을 계산하여 IEC 안전 기준에 부합하는 빔 차단을 달성한다.
• 시험은 세 가지 빔 환경에서 수행되었으며, 각각 FLASH 수준의 전자 빔(234 Gy/s), 고원자수 빔, 병원 기반 전자 치료 장치이다.
• 공간 해상도 및 이미지 정합성 검증을 위해 빔 프로파일을 Gafchromic 필름과 비교하였다.
• 방사선 내성 평가를 위해 234 Gy/s에서 15분 동안 누적 선량 212 kGy를 조사하고, 신호 안정성 측정을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 scintillator 기반 빔 모니터는 FLASH 방사선 치료에서 빔 차단 기능을 위한 실시간, 1 마이크로초 이내의 반응 속도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 신규로 개발된 무기 히브리드 scintillator는 초고선량률 조건(234 Gy/s)에서 장시간 노출 시에도 선형 반응과 안정된 신호를 유지하는가?
• RQ3 FBSM의 공간 해상도 및 빔 프로파일 정확도는 Gafchromic 필름과 같은 기준 선량 측정기와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 FBSM는 FLASH 전자 빔, 고원자수, 임상 전자 빔을 포함한 다양한 빔 유형에서 빔 위치, 형태, 선량을 신뢰성 있게 감지할 수 있는가?
• RQ5 FLASH 선량률에서 누적 선량 212 kGy에 노출된 후 scintillator의 방사선 유도 신호 감쇠는 얼마인가?

주요 결과

• FBSM는 20 kfps에서 1 프레임당 1 μs 미만의 지연으로 실시간 빔 데이터 처리를 달성하여 IEC 기준의 고속 빔 차단 요구사항을 충족하였다.
• 234 Gy/s에서 212 kGy의 누적 선량 노출 후 scintillator의 신호 감소율은 단지 -0.02%/kGy에 그쳐 높은 방사선 내성을 입증하였다.
• FBSM가 측정한 빔 프로파일은 Gafchromic 필름과 매우 유사하여 높은 공간 해상도와 이미지 정합성을 확인하였다.
• 모든 시험 빔 조건(FLASH 전자 빔, 고원자수 빔 포함)에서 빔 선량 당 펄스에 대한 선형 반응을 보였다.
• 임상 및 FLASH 수준의 빔 환경에서 모두 정확하고 실시간으로 빔 위치, 형태, 선량 정보를 성공적으로 생성하였다.
• 프로토타입는 대면적 빔 커버리지와 낮은 질량을 확보하여 임상 방사선 치료 시스템에의 통합에 적합함을 입증하였다.