Development of Helium Ion CT Image System for Particle Therapy

• Project/Area Number: 21K07620
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 52040:Radiological sciences-related
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 王 天縁 神戸大学, 医学研究科, 医学研究員 (90757288)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 沖本 智昭 神戸大学, 医学研究科, 客員教授 (20295067) ; 佐々木 良平 神戸大学, 医学部附属病院, 教授 (30346267) ; 出水 祐介 神戸大学, 医学研究科, 客員准教授 (50452496) ; 赤城 卓 大阪大学, 大学院医学系研究科, 招へい准教授 (50500005) ; 徳丸 直郎 神戸大学, 医学研究科, 客員教授 (90304899) ; 松尾 圭朗 神戸大学, 医学研究科, 医学研究員 (90749201)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2022: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2021: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
• Keywords: Heavy Ion / Helium / 粒子線CT / Ion CT / Particle Therapy

Outline of Research at the Start

本申請はクリニカルクエスチョンに基づき、これまでに解決出来なかった粒子線治療計画時における粒子飛程不確かさ問題の解決に向け、治療室の中で取得可能となる粒子線に基づくイオンCT (Ion Computed Tomography; ICT) 画像システムの新規開発である。申請者らが目指しているヘリウム粒子のICTは、軽い陽子より物質中の散乱が少なく、重い炭素重粒子より物質中の原子核破砕反応の発生率も少ないため、臨床応用に耐えうる高解像度CT画像の取得に最も適切であると考えられる。本申請で提案するコンパクトICTシステムは、撮影時間の短縮化と費用対効果に優れ、将来的に臨床応用することが期待される。

Outline of Annual Research Achievements

本申請はクリニカルクエスチョンに基づき、これまでに解決出来なかった粒子線治療計画時における粒子飛程不確かさ問題の解決に向け、治療室の中で取得可能となる粒子線に基づくイオンCT (Ion Computed Tomography; ICT) 画像システムの新規開発である。申請者らが目指しているヘリウム(Helium)という重い粒子のICTは、軽い陽子(Proton)より物質中の散乱が少なく、重い炭素重粒子(Carbon)より物質中の原子核破砕反応の発生率も少ないため、臨床応用に耐えうる高解像度CT画像の取得に使う粒子として、最も適切であると考えられる。
ヘリウムICT撮影系のシステム構築：
申請者らは兵庫県立粒子線医療センターのシンクロトロン加速器により生成される150 MeV/uエネルギーのヘリウム粒子を使う。このシステムは拡大照射法であり、コーンビームの投影データを一気に収集できる。これにより撮影時間を短縮することが出来る。粒子線の照射ポートが水平方向に固定されているため、ローテーションテーブルを用いて、数度ごとに投影データを取得する。本申請では空間分解能の高い投影データを取得するため、シンチレーションとCMOSカメラを組み合わせた暗箱を作成する。シンチレーションには線エネルギー移行量(LET)に対する直線性に優れているジンクセルファイド(ZnS)を使用する。これによって線量を低いところまで正確に測定し、且つ検出器の空間分解能を0.5mm2程度にまで向上させる。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

申請者らは、シンチレーションとCMOSカメラを組み合わせた暗箱を製作し、この暗箱システムを用いて小型水ファントムの撮影を行いました。初期段階では、比較的軽い質量の陽子線によるプロジェクション画像を確認しました。しかし、中性子によるノイズが画像に影響することが判明し、この問題を解決するために、暗箱システムのCMOSカメラの位置を最適化し、さらにアルミニウムと真鍮の遮蔽ブロックを使用して、中性子ノイズの影響を最小限に抑えました。カーボンイオンとヘリウムイオン線によるプロジェクション画像を撮影し、陽子線よりも画像ノイズが軽減される現象を確認しました。上記の撮影条件を考慮して、小型水ファントムの投影データから3次元CT画像を再構成する実験を行いました。この実験により、再構成したICTの画素値から導いた水等価厚の再現性と直線性を評価しました。

Strategy for Future Research Activity

これからの実験計画として、最初に小型水ファントムを用いて、再構成したICTの画素
値から導いた水等価厚の再現性と直線性を評価する。次に、組織等価・生体組織ファントム実験による物理学的評価を行う。組織等価物質ファントム(長さ180mm, 外径105mm,径45mm, インサート内物質: 空気、蒸留水、エタノール、リン酸水素2カリウム(K2HPO4))と動物組織ファントム(骨、脂肪、軟部組織含むサンプル)を撮影し、ICT画像から測定した各物質の水等価厚を評価する。