[논문 리뷰] On the Eptihermal Neutron Energy Limit for Accelerator-Based Boron Neutron Capture Therapy (AB-BNCT): Study and Impact of New Energy Limits

Marine Hervé, N. Sauzet외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 04.

Boron Compounds in Chemistry참고 문헌 34인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 가속기 기반 붕소 중성자 캡처 치료(AB-BNCT)에서 10 eV–10 keV 범위의 저에너지 초열중성자 에너지를 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 평가하여, 10 keV 이하의 에너지가 치료적 이득을 크게 향상시킨다는 것을 발견했다. 4cm 깊이의 뇌 종양의 경우, 10 eV 중성자가 10 keV 중성자보다 치료적 이득을 54% 높였으며, 이 효과는 최대 6.4cm 깊이까지 유지되어, 낮은 에너지 중성자가 종양 타겟팅을 향상시키면서 건강한 조직의 선량을 감소시킨다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Background and purpose: Accelerator-Based Boron Neutron Capture Therapy is a radiotherapy based on compact accelerator neutron sources requiring an epithermal neutron field for tumour irradiations. Neutrons of 10 keV are considered as the maximum optimised energy to treat deep-seated tumours. We investigated, by means of Monte Carlo simulations, the epithermal range from 10 eV to 10 keV in order to optimise the maximum epithermal neutron energy as a function of the tumour depth. Methods: A Snyder head phantom was simulated and mono-energetic neutrons with 4 different incident energies were used: 10 eV, 100 eV, 1 keV and 10 keV. $^{10}$B capture rates and absorbed dose composition on every tissue were calculated to describe and compare the effects of lowering the maximum epithermal energy. The Therapeutic Gain (TG) was estimated considering the whole brain volume. Results: For tumours seated at 4 cm depth, 10 eV, 100 eV and 1 keV neutrons provided respectively 54 $\\%$, 36 $\\%$ and 18 $\\%$ increase on the TG compared to 10 keV neutrons. Neutrons with energies between 10 eV and 1 keV provided higher TG than 10 keV neutrons for tumours seated up to 6.4 cm depth inside the head. The size of the tumour does not change these results. Conclusions: Using lower epithermal energy neutrons for AB-BNCT tumour irradiation could improve treatment efficacy, delivering more therapeutic dose while reducing the dose in healthy tissues. This could lead to new Beam Shape Assembly designs in order to optimise the BNCT irradiation.

연구 동기 및 목표

• 기존의 10 keV 기준 이하로 초열중성자 에너지의 최대값을 낮추면 AB-BNCT에서 치료 효과가 향상되는지 조사하기 위해.
• 10 eV, 100 eV, 1 keV, 10 keV의 낮은 에너지 중성자(단일 에너지)가 뇌 페phantom에서 치료적 이득과 선량 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 깊은 뇌 종양에 최적의 초열중성자 에너지 범위를 도출하여 건강한 조직에 대한 선량을 최소화하기 위해.
• 미래의 AB-BNCT 시설을 위한 비드 모양 어셈블리(BSA) 설계를 안내하기 위해, 종양 선량을 극대화하고 정상 조직 노출를 최소화하는 에너지 한계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 중성자 이동과 에너지 침착을 모델링하기 위해 시어드 뇌 페phantom을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 에너지 의존성 선량 및 포획률 영향을 평가하기 위해 10 eV, 100 eV, 1 keV, 10 keV의 단일 에너지 중성자 빔을 시뮬레이션하였다.
• 붕소 포획(D_B), 중성자 산산화(D_n), 수소 이온 생성(D_p), 감마선(D_γ)의 RBE 가중 기여도를 사용하여 생물학적 선량을 계산하였다.
• 치료적 이득(TG)은 표준 RBE 요소를 사용하여 종양 생물학적 선량과 전체 뇌 생물학적 선량의 비율로 추정하였다.
• 선량 분해 및 TG 분석을 조직 유형별로 수행하여(종양, 뇌, 두개골, 피부) 에너지 의존성 결과를 비교하였다.
• 연구는 종양 깊이가 최대 6.4 cm까지 고려되었으며, 다양한 종양 크기에서 결과의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10 keV 이하로 초열중성자 에너지의 최대값을 낮추면 깊은 뇌 종양에 대한 AB-BNCT에서 치료적 이득이 향상되는가?
• RQ2 10 eV–10 keV 범위의 최적 초열중성자 에너지 범위는 종양 선량을 극대화하면서 정상 뇌 조직에 대한 선량을 최소화하는가?
• RQ3 10 eV, 100 eV, 1 keV, 10 keV 중성자를 사용할 경우 종양 깊이에 따라 치료적 이득은 어떻게 변하는가?
• RQ4 10 keV에서 1 keV 이하로 중성자 에너지를 낮추면 어느 정도의 뇌 깊이까지 유의미한 치료적 이점이 유지되는가?
• RQ5 종양 크기는 AB-BNCT에서 낮은 에너지 초열중성자를 사용할 경우의 이점에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 4cm 깊이의 종양에서 10 eV 중성자는 10 keV 중성자보다 치료적 이득을 54% 높였다.
• 100 eV에서 치료적 이득은 10 keV 중성자 대비 36% 향상되었다.
• 1 keV에서 치료적 이득은 10 keV 중성자 대비 18% 향상되었다.
• 10 eV에서 1 keV 사이의 중성자는 최대 6.4cm 깊이의 종양에서 10 keV 중성자보다 더 높은 치료적 이득을 제공하였다.
• 낮은 에너지 중성자의 이점은 종양 크기에 관계없이 일관되었으며, 이는 다양한 종양 기하학적 형태에서의 강건성을 시사한다.
• 결과는 현재의 10 keV 기준이 최적화되지 않았을 수 있으며, 향후 비드 모양 어셈블리(BSA) 설계는 치료 효과를 향상시키기 위해 더 낮은 초열중성자 에너지를 목표로 해야 한다고 제안한다.