超高ピーク対バックグラウンド比を有するBNCT用治療線量モニターの開発

• Project/Area Number: 20H00656
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 90:Biomedical engineering and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 人見 啓太朗 東北大学, 工学研究科, 准教授 (60382660)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野上 光博 東北大学, 工学研究科, 助手 (10847304) ; 小野寺 敏幸 東北工業大学, 工学部, 准教授 (10620916) ; 渡辺 賢一 九州大学, 工学研究院, 教授 (30324461) ; 田中 浩基 京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (70391274) ; 石井 慶造 東北大学, サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター, 研究教授 (00134065)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥44,980,000 (Direct Cost: ¥34,600,000、Indirect Cost: ¥10,380,000); Fiscal Year 2023: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000); Fiscal Year 2022: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000); Fiscal Year 2021: ¥11,310,000 (Direct Cost: ¥8,700,000、Indirect Cost: ¥2,610,000); Fiscal Year 2020: ¥13,910,000 (Direct Cost: ¥10,700,000、Indirect Cost: ¥3,210,000)
• Keywords: ホウ素中性子捕捉療法 / 臭化タリウム / 半導体検出器 / ガンマ線 / 結晶成長 / ホウ素中性子補足療法

Outline of Research at the Start

ホウ素中性子捕捉療法(BNCT)はガン細胞を選択的に殺傷する治療法である。しかし、治療線量のモニタリングができない事が課題である。ホウ素が中性子と反応する際に放出される478 keVの即発ガンマ線を検出して治療線量を評価する手法が提案されている。しかし、478 keVのガンマ線を高いピーク対バックグラウンド比で計測できる実用的な検出器が存在しない。本研究ではガンマ線ピーク効率が非常に高い臭化タリウム(TlBr)半導体検出器を用いてBNCT用治療線量モニターの実現を目指す。

Outline of Annual Research Achievements

本研究はガンマ線ピーク効率が非常に高い臭化タリウム(TlBr)化合物半導体を用いて、高エネルギー分解能を有するガンマ線検出器を開発し、ホウ素が中性子と反応する際に放出される478 keVの即発ガンマ線を高ピーク対バックグラウンド比で検出することが可能なBNCT用治療線量モニターを実現することを目的としている。
最終年度ではこれまでの研究成果を総合し、TlBr検出器を用いたBNCT用治療線量モニターの原理実証機を試作して評価を行った。原理実証機はタングステンコリメータ、TlBr検出器、読み出し回路系から成る。
タングステンコリメータは厚さが25 mmであり、直径2 mmの穴が4 mmを隔てて並んでいる構造を有していた。育成したTlBr結晶を切り出し、表面研磨を行い、約12 mm×12 mm×10 mmの結晶基板を得た。結晶基板上に真空蒸着法によりタリウム電極を形成した。結晶の片面に10 mm×10 mmmの平板電極を形成しカソードとした。カソードの対向面にはタングステンコリメータと合うように直径2 mmの電極を2個×2個形成しアノードとした。アノードの周囲にも電極を形成し、ガード電極とした。電極に金線を配線し検出器とした。
京都大学研究用原子炉にて開発したモニターの評価を行った。マウス型のファントムに熱中性子を照射した際に発生するガンマ線の計測を行った。検出器を用いてホウ素由来の478 keVのガンマ線を明確に検出することに成功した。ファントムを検出器でスキャンする事によりガンマ線イメージを取得した。開発したモニターを用いて腫瘍部に集積したホウ素のイメージングに成功した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Characterization of Plasma-etched Surfaces of TlBr Crystals for Radiation Detectors (2024)
  • Author(s): Nojima Taro、Nogami Mitsuhiro、Onodera Toshiyuki、Hitomi Keitaro
  • Journal Title: Sensors and Materials Volume: 36 Issue: 1 Pages: 269
  • DOI: 10.18494/SAM4703
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • Year and Date: 2024-01-26
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Recombination Dynamics of Electron–Hole Pairs in TlBr Crystals Probed by Transient Absorption Spectroscopy Using Pulsed Electron Beams (2024)
  • Author(s): Koshimizu Masanori、Muroya Yusa、Nogami Mitsuhiro、Hitomi Keitaro
  • Journal Title: Sensors and Materials Volume: 36 Issue: 1 Pages: 261
  • DOI: 10.18494/SAM4694
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • Year and Date: 2024-01-26
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effective Volume of TlBr Semiconductor Detector (2024)
  • Author(s): Hasegawa Sota、Watanabe Kenichi、Sugai Yusuke、Nogami Mitsuhiro、Hitomi Keitaro
  • Journal Title: Sensors and Materials Volume: 36 Issue: 1 Pages: 163
  • DOI: 10.18494/SAM4632
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • Year and Date: 2024-01-26
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of Time-of-flight Measurement System for Carrier Transport Characterization of TlBr Semiconductor Detectors (2024)
  • Author(s): Sugai Yusuke、Watanabe Kenichi、Hasegawa Sota、Hitomi Keitaro、Nogami Mitsuhiro
  • Journal Title: Sensors and Materials Volume: 36 Issue: 1 Pages: 155
  • DOI: 10.18494/SAM4631
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • Year and Date: 2024-01-26
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Comparison Between Neutron Bragg Dip and Electron Backscatter Diffraction Images of TlBr Semiconductors (2024)
  • Author(s): Watanabe Kenichi、Sugai Yusuke、Hasegawa Sota、Hitomi Keitaro、Nogami Mitsuhiro、Shinohara Takenao、Su Yuhua、Parker Joseph Don、Kockelmann Winfried
  • Journal Title: Sensors and Materials Volume: 36 Issue: 1 Pages: 149
  • DOI: 10.18494/SAM4629
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • Year and Date: 2024-01-26
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Compton Imaging Using Pixelated TlBr Semiconductor Detector (2024)
  • Author(s): Hitomi Keitaro、Matsumura Motohiro、Watanabe Kenichi、Maruyama Shusuke、Nogami Mitsuhiro、Akira Uritani
  • Journal Title: Sensors and Materials Volume: 36 Issue: 1 Pages: 225
  • DOI: 10.18494/SAM4672
  • ISSN: 0914-4935, 2435-0869
  • Year and Date: 2024-01-26
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reversible capacitive Frisch grid TlBr detectors (2023)
  • Author(s): Nogami Mitsuhiro、Hitomi Keitaro、Onodera Toshiyuki、Watanabe Kenichi、Ishii Keizo
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 9 Pages: 096501-096501
  • DOI: 10.35848/1347-4065/acf0aa
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Characterization of coincidence time resolutions of TlBr x Cl 1-x crystals as Cherenkov radiators (2023)
  • Author(s): Hitomi Keitaro、Kim Cheonghun、Nogami Mitsuhiro、Shimazoe Kenji、Takahashi Hiroyuki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 62 Issue: 8 Pages: 081001-081001
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ace5fa
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] TlBr半導体の結晶性および二次元キャリア輸送特性の比較 (2024)
  • Author(s): 須貝 優介、長谷川 創大、渡辺 賢一、人見 啓太朗、野上 光博
  • Organizer: 第71回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Characterization of Thallium Bromide Gamma-Ray Detectors for Boron Neutron Capture Therapy (2023)
  • Author(s): K. Hitomi, M. Nogami, K. Watanabe, T. Onodera, H. Tanaka, K. Ishii
  • Organizer: 2023 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, and Room-Temperature Semiconductor Detector Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Study on conditioning effect of TlBr semiconductor detectors with gold electrodes (2023)
  • Author(s): S. Hasegawa, K. Watanabe, K. Hitomi, M. Nogami, Y. Sugai
  • Organizer: 2023 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, and Room-Temperature Semiconductor Detector Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Crystal quality evaluation of a large TlBr crystal using neutron Bragg-dip imaging (2023)
  • Author(s): K. Watanabe1, S. Hasegawa, Y. Sugai, M. Nogami, K. Hitomi, S. Maeda, H. Onabe
  • Organizer: 2023 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, and Room-Temperature Semiconductor Detector Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Analysis of Recombination Kinetics of Electron-Hole Pairs in TlBr Crystals Using Pulsed Electron Beams of Different Intensities (2023)
  • Author(s): M. Koshimizu, Y. Muroya, M. Nogami, K. Hitomi
  • Organizer: 2023 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference, and Room-Temperature Semiconductor Detector Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Radiation Sensing Using Thallium Bromide Crystals (2023)
  • Author(s): Keitaro Hitomi, Mitsuhiro Nogami
  • Organizer: The 30th International Display Workshops
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] TlBr半導体検出器の移動度二次元分布計測システムの開発 (2023)
  • Author(s): 渡辺 賢一、須貝 優介、長谷川 創大、野上 光博、人見 啓太朗
  • Organizer: 日本原子力学会 2023年秋の大会
• [Presentation] プラズマ処理したTl電極TlBr放射線検出器の初期特性評価 (2023)
  • Author(s): 野島 太郎、野上 光博、小野寺 敏幸、人見 啓太朗
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] TlBr結晶の二次元キャリア輸送特性評価システムに関する検討 (2023)
  • Author(s): 須貝 優介、長谷川 創大、渡辺 賢一、人見 啓太朗、野上 光博
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] 臭化タリウム半導体検出器のコンディショニング効果の評価 (2023)
  • Author(s): 長谷川 創大、渡辺 賢一、須貝 優介、人見 啓太朗、野上 光博
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] TlBrピクセル検出器実装評価システム開発 (2023)
  • Author(s): 豊川 秀訓、人見 啓太朗、野上 光博、小野寺 敏幸、池田 博一、久保 信、末永 敦士、尾鍋 秀明
  • Organizer: 第84回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] TlBr検出器の連続動作特性評価 (2022)
  • Author(s): 人見 啓太朗、野上 光博、渡辺 賢一、前田 茂貴、小野寺 敏行、石井 慶造
  • Organizer: 第83回応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] Fabrication of 2-cm Thick TlBr Detectors (2022)
  • Author(s): K. Hitomi, S. Maeda, M. Nogami, C. Ito, K. Watanabe
  • Organizer: 2022 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference and Room Temperature Semiconductor Detector Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TlBr検出器を用いた加速器中性子による478 keV即発ガンマ線の検出 (2022)
  • Author(s): 人見 啓太朗、野上 光博、渡辺 賢一、小野寺 敏幸、田中 浩基、石井 慶造
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Characterization of long-term stability of thallium bromide gamma-ray detectors (2021)
  • Author(s): K. Hitomi, M. Nogami, T. Onodera, K. Watanabe, K. Ishii
  • Organizer: The 28th International Symposium on Room-Temperature Semiconductor Detectors
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 臭化タリウム検出器を用いたBNCT基礎研究のための小動物用PG-SPECT装置の開発 (2021)
  • Author(s): 中村 泰基、人見 啓太朗、野上 光博、渡辺 賢一、高田 卓志、櫻井 良憲、田中 浩基
  • Organizer: 第68回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 臭化タリウム検出器の信号波形処理に関する基礎検討 (2020)
  • Author(s): 椿山 邦見、渡辺 賢一、吉橋 幸子、山﨑 淳、瓜谷 章、人見 啓太朗、野上 光博
  • Organizer: 日本原子力学会中部支部 第52回研究発表会