[论文解读] First Pilot Tests of Compton Imaging and Boron Concentration Measurements in BNCT Using i-TED

J. Lerendegui-Marco, J. Balibrea-Correa+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2024

Boron and Carbon Nanomaterials ResearchMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究首次实现了高效率康普顿相机i-TED在体外实时应用，用于测量硼-10浓度并成像空间剂量分布，适用于BNCT。利用10B(n,α)7Li反应产生的478 keV伽马射线，i-TED实现了≤1 μg 10B的亚微克级检测灵敏度，并成功重建了细胞样品的二维康普顿图像，证明其在BNCT中在线、非侵入性剂量监测方面的潜力。

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.

研究动机与目标

• 证明利用康普顿成像实现实时、体外硼-10浓度监测在BNCT中的可行性。
• 评估i-TED康普顿相机对10B(n,α)7Li反应产生的478 keV瞬发伽马射线的检测灵敏度和成像性能。
• 通过与高灵敏度FIPPS HPGe阵列对比，验证i-TED在定量测量上的准确性。
• 为未来临床应用中康普顿成像在在线BNCT剂量监测中的应用奠定基础。
• 评估i-TED在低本底条件下，对含有微量硼的生物样品中硼分布检测的鲁棒性。

提出的方法

• 使用在ILL-Grenoble的热中子束（5×10⁷ n/cm²/s）对舌鳞状细胞癌（CAL33）、胶质母细胞瘤（A172）和恶性黑色素瘤（A375）细胞系进行BPA处理，使10B浓度达到80 ppm。
• 同时使用i-TED康普顿相机和高灵敏度FIPPS HPGe阵列检测478 keV伽马射线作为参考。
• 采用基于四晶体LaCl₃的康普顿相机，并结合GPU加速的重建算法，实现实时图像重建。
• 应用康普顿运动学，利用散射和吸收探测器的能量与位置测量数据，重建478 keV光子的发射点。
• 使用蒙特卡罗模拟支持性能评估并优化探测效率。
• 执行背景减法与信号提取，以从残余辐射和中子相互作用中分离出478 keV谱线。

实验结果

研究问题

• RQ1 i-TED康普顿相机是否具备足够灵敏度，可检测10B(n,α)7Li反应产生的478 keV伽马射线，以满足体外BNCT剂量监测需求？
• RQ2 在低本底、高通量中子环境下，i-TED可检测的最低10B浓度是多少？
• RQ3 i-TED能否生成硼负载细胞样品中478 keV发射的二维空间分辨图像？
• RQ4 i-TED对10B浓度的测量结果与金标准FIPPS HPGe阵列相比，定量上是否一致？
• RQ5 i-TED是否足够鲁棒，可有效分辨复杂生物样品中微量背景干扰下的硼分布？

主要发现

• i-TED康普顿相机实现了≤1 μg 10B的检测灵敏度，证明其具备检测BNCT相关微量硼浓度的能力。
• 即使存在与硼相关的本底信号，仍成功重建了含几微克10B的细胞样品的2D康普顿图像。
• i-TED对细胞样品中10B浓度的测量结果与高灵敏度FIPPS HPGe阵列结果一致。
• 由于采用GPU优化的重建算法，系统展现出实时能力，可实现实时监测中子照射过程中硼的摄取动态。
• 基于LaCl₃的i-TED探测器具有高效率且中子灵敏度低，使其适用于临床BNCT环境。
• 本工作首次实验验证了康普顿成像在BNCT中对478 keV伽马射线的应用，证实其在在线剂量监测中的潜力。