[논문 리뷰] First Pilot Tests of Compton Imaging and Boron Concentration Measurements in BNCT Using i-TED

J. Lerendegui-Marco, J. Balibrea-Correa외 11명|arXiv (Cornell University)|2024. 09. 09.

Boron and Carbon Nanomaterials ResearchMaterials Science인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 BNCT에서 붕소-10 농도 측정 및 공간적 방사선 선량 분포 영상화를 위한 고효율 Compton 카메라 i-TED의 최초 실시간, in-vitro 적용을 보여준다. 10B(n,α)7Li 반응으로부터 발생하는 478 keV 감마선을 이용하여, i-TED는 ≤1 μg 10B의 초미세 감도를 달성했으며, 세포 샘플의 2차원 Compton 영상 재구성에 성공하여, BNCT에서 온라인 비침습적 선량측정 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Dosimetry in BNCT poses significant challenges due to the indirect effect of neutrons interacting with elements within the body and uncertainties associated with the uptake of boron compounds used in clinical practice. Current treatment planning relies on unconventional estimates of boron tumor uptake derived from prior PET scans and thus, an online boron-uptake monitor would be highly convenient. This work presents the first pilot experiments carried out at ILL-Grenoble with the high-efficiency Compton camera i-TED, hereby aiming at demonstrating its applicability for BNCT dosimetry by introducing real-time measurement of the boron concentration and imaging capabilities of spatial dose distribution. In this experiment, we measured the $^{10}$B uptake of different cancer cells of tongue squamous cell carcinoma, malignant melanoma and glioblastoma treated with BPA (80~ppm of $^{10}$B). The samples were irradiated with the thermal neutron spectrum of ILL-Grenoble and the 478keV $γ$-rays from the $^{7}$Li de-excitation after the neutron-boron reaction were registered both with the Compton imager and the high-sensitivity FIPPS HPGe array. These series of measurements allowed us to demonstrate the imaging capabilities of the Compton imaging device for the 478 keV $γ$-rays of interest for dosimetry in BNCT, as well as to assess its sensitivity, which was found to be below 1 $μ$g of $^{10}$B.

연구 동기 및 목표

• Compton 영상 기반 실시간 in-vitro BNCT에서 붕소-10 농도 모니터링의 가능성을 입증하기 위해.
• 10B(n,α)7Li 반응으로부터 발생하는 478 keV 즉각 감마선을 탐지하기 위한 i-TED Compton 카메라의 감도 및 영상 성능을 평가하기 위해.
• 고감도 FIPPS HPGe 어레이를 기준으로 하여 i-TED의 정량적 정확도를 검증하기 위해.
• 향후 임상적 응용을 위한 온라인 BNCT 선량측정에서 Compton 영상의 기초를 마련하기 위해.
• 미세한 붕소를 함유한 생물학적 샘플에서 낮은 배경 조건 하에서도 i-TED의 견고성을 평가하기 위해.

제안 방법

• ILL-그레노블의 열중성자 비임의에서 5×10⁷ n/cm²/s의 중성자 빔을 이용해, 혀 평면세포암(CAL33), 신경교세포종양(A172), 악성 멜라노마(A375) 세포주를 80 ppm 10B의 BPA로 조사하였다.
• 동시적으로 i-TED Compton 카메라와 고감도 FIPPS HPGe 어레이를 사용하여 478 keV 감마선을 탐지하였다.
• GPU 가속 재구성 알고리즘을 적용한 4개의 라세리티드(LaCl₃) 기반 Compton 카메라를 사용하여 실시간 영상 재구성 기능을 구현하였다.
• 산란 및 흡수 검출기에서의 에너지 및 위치 측정값을 활용하여 Compton 운동역학을 적용해 478 keV 광자의 방출 지점을 재구성하였다.
• 성능 평가 및 감도 효율 최적화를 지원하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 잔여 방사선 및 중성자 상호작용으로부터 478 keV 선을 분리하기 위해 배경 제거 및 신호 추출을 실시하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 i-TED Compton 카메라는 BNCT에서 10B(n,α)7Li 반응으로부터 발생하는 478 keV 감마선을 in-vitro BNCT 선량측정에 필요한 감도로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 낮은 배경, 고중성자율 환경에서 i-TED를 사용할 경우 최소 감지 가능한 10B 농도는 얼마인가?
• RQ3 i-TED는 붕소를 함유한 세포 샘플에서 478 keV 방출을 공간적으로 분해능 있는 2차원 영상으로 재구성할 수 있는가?
• RQ4 i-TED가 10B 농도를 측정할 때 고전적 기준인 FIPPS HPGe 어레이와 정량적으로 얼마나 일치하는가?
• RQ5 i-TED는 배경 간섭이 최소한인 복잡한 생물학적 샘플에서 붕소 분포를 해석할 정도로 충분히 견고한가?

주요 결과

• i-TED Compton 카메라는 10B의 감도가 ≤1 μg에 도달하여, BNCT에 관련된 미세한 붕소 농도를 탐지할 수 있음을 입증하였다.
• 소량의 10B(몇 μg)를 포함한 세포 샘플의 2차원 Compton 영상 재구성이 붕소 관련 배경이 존재하는 조건에서도 성공적으로 수행되었다.
• i-TED가 세포 샘플의 10B 농도를 측정한 결과는 고감도 FIPPS HPGe 어레이와 일관된 결과를 보였다.
• GPU 최적화된 재구성 알고리즘 덕분에 실시간 기능이 확보되어, 조사 중 붕소 흡수를 동적으로 모니터링할 수 있었다.
• LaCl₃ 기반 i-TED 검출기의 고효율성과 낮은 중성자 감도는 임상적 BNCT 환경에 적합함을 입증하였다.
• 본 연구는 BNCT에서 478 keV 감마선에 대한 Compton 영상의 최초 실험적 구현을 보여주었으며, 온라인 선량측정 가능성을 검증하였다.