Challenges for neutron imaging toward low-dose particle therapy

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 17H06298
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 片岡 淳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90334507)
• Project Period (FY): 2017-06-30 – 2020-03-31
• Keywords: 中性子イメージング / 粒子線治療 / 2次被ばく / TOF弁別 / PSD弁別

Outline of Annual Research Achievements

本年度は中性子カメラの陽子線治療下での動作確認を主眼とし (1) 放医研サイクロトロン (2) 名古屋陽子線治療センターの2か所で試験を行った。センサーは昨年度の構成から一新して前段８ユニット、後段５ユニットとし、それぞれ n/γ弁別用シンチレータ EJ299-34 (前段は30mm角、後段は20mm角)と小型PMT (R9880-210U)で構成した。放医研では小型の真鍮ファントムに70MeV陽子線を照射し、Time-of-Flight および Pulse Shape Discrimination の2段階のフィルタリングにより中性子イベントのみを選別した。カメラ全体のサイズは縦横10cm程度、奥行きはTOF測定のため30cmとし、陽子線ビームは 25pA で照射した。得られたデータにML-EMを用いて画像再構成を行った結果、0°方向にファントムを置いた場合は線源位置が0.1±0.4°、15°方向に置いた場合は14.3±0.8°となり、中性子カメラとして正しく機能していることを確認した(PSDないしはTOF弁別を行わない場合、画像収束が見られないことも確確認済み）。さらに、中性子スペクトルからセンサー位置での線量が 5nSv程度と見積もられ、ファントムの受けた線量概算としては 1Sv程度を得た。続いて、名古屋陽子線治療センターにおいては　200MeV陽子線をアクリル(PMMA)ファントムに照射し、中性子イメージングを試みた。ビーム強度を１スピルあたり0.1MU程度に落としたものの、中性子イベントは膨大なガンマ線バックグラウンド（主に照射口から発生）に埋もれ、有意な検出が出来なかった。Geant 4 シミュレーションによれば 2次中性子の発生量も真鍮ファントムのほうが一桁程度高い。今後はより感度が高いセンサーとレート耐性を向上したエレクトロニクスの開発を目指す。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成30年度は前年度のセンサー構成を一新し、中性子カメラの感度を向上することに成功した。とくに小型化することで、カメラ前方に鉛シールドを付すなどガンマ線バックグラウンドの低減にも成功した。その改善は、放医研サイクロトロンで取得した画像のS/N向上にも正しく反映され、検証の大きなステップはクリアできたと断言できる。一方で、名古屋陽子線治療センターでは不要な中性子の飛散を抑える目的でファントムを真鍮からPMMAに交換し、そもそもの中性子発生量が桁落ちしてしまったこと、また、ビーム強度が高くガンマ線バックグラウンドの混入を完全に除去することができなかった。放医研での原理検証と装置改良には成功したが、実際の治療ビームを用いた後者の試験が未完ということで、評価を上記の通りとした。

Strategy for Future Research Activity

2019年度は、装置の更なる改善とレート耐性の向上を目指す。具体的にはセンサーのユニット数を 13から16に増加し、かつシンチレータの光量特性を改善するためPMTとの接合面にテーパー加工を施す。光量の改善は TOF, PSDによる n/γ識別能および解像度に直結するため、大きな性能改善が見込まれる。また、シミュレーションをベースにS/Nが最も良いユニットの配置を吟味し、ふたつの散乱層をそれぞれ2cm程度の厚みを持つ鉛ケースで遮蔽する。これにより、装置を極端に重量化・大型化せずにガンマ線バックグランドを劇的に軽減できることが見込まれる。最後に、現在 NIM/VME のモジュールでくみ上げているデータ処理システムを刷新し、1GHz の waveform サンプリングを基調とした簡便かつシンプルなモジュールに変更する。既にデモ試作機での評価を行い、TOF分解能、PSD分解能ともに優れた性能が得られている。本データ処理システムの導入により、放医研や名古屋実験など外部実験の移動の手間や負担が大幅に削減し、名実ともに軽量かつポータブルな中性子カメラが完成する。本年度は、この新しいシステムを用いて、放医研、名古屋において実験を行う。ファントムとしては、それぞれの施設において (i) 水 (ii)アクリル (iii)真鍮による測定を並行して行う。

Research Products

• [Journal Article] Development of novel neutron camera to estimate secondary particle dose for safe proton therapy (2019)
  • Author(s): Tagawa,L.; Kataoka,J.; Sueoka,K.; Fujieda,K.; Kurihara,T.; Arimoto,M.; Mochizuki,S.; Maruhashi,T.; Toshito,T.; Kimura,M.; Inaniwa,T.
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Meth. Section A Volume: 未定 Pages: 未定
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.10.090
  • Peer Reviewed
• [Presentation] MeVガンマ線コンプトンカメラの最適化および性能評価 (2019)
  • Author(s): 細越 裕希、片岡 淳、望月 早駆、米山 昌樹、棚田 和玖、藤枝 和也、伊藤 颯一郎、木地 浩章、西 郁也、宮本 修治
  • Organizer: 第66回応用物理学会
• [Presentation] チェレンコフ光検出型MeVガンマ線偏光計の提案と実証 (2019)
  • Author(s): 米山 昌樹、片岡 淳、望月 早駆、伊藤 颯一郎、木地 浩章、西 郁也、細越 裕希、 宮本 修治
  • Organizer: 第66回応用物理学会
• [Presentation] Development of novel neutron camera to estimate secondary particle dose for safe proton therapy (2018)
  • Author(s): Tagawa,L.; Kataoka,J.; Sueoka,K.; Fujieda,K.; Kurihara,T.; Arimoto,M.; Mochizuki,S.; Maruhashi,T.; Toshito,T.; Kimura,M.; Inaniwa,T.
  • Organizer: IEEE MIC/NSS
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of new compact neutron camera for safe proton therapy (2018)
  • Author(s): Tagawa,L.; Kataoka,J.; Sueoka,K.; Fujieda,K.; Kurihara,T.; Arimoto,M.; Mochizuki,S.; Maruhashi,T.; Toshito,T.; Kimura,M.; Inaniwa,T.
  • Organizer: 14th PISA meeting
  • Int'l Joint Research