高速中性子線を用いた挑戦的な新しい疾患診断方法の開発

• 研究課題/領域番号: 22K19935
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分90:人間医工学およびその関連分野
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 田中 浩基 京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (70391274)
• 研究分担者: 渡邉 翼 京都大学, 複合原子力科学研究所, 准教授 (30804348)
• 研究期間 (年度): 2022-06-30 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 6,240千円 (直接経費: 4,800千円、間接経費: 1,440千円); 2024年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2023年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
• キーワード: 高速中性子 / 即発ガンマ線 / 疾患診断

研究開始時の研究の概要

高速中性子は原子核と非弾性散乱を起こすと、原子核を励起させる。それが基底状態に遷移する際に、核種に依存したガンマ線を即時に放出する。本研究では、この即発ガンマ線をイメージングすることで、がんなどの疾患を診断する手法を確立することを目的とした。
まず始めに疾患特異的に含有する核種をサーベイする。次に、疾患を模擬したモンテカルロシミュレーションを実施する。本シミュレーションではコリメータサイズ、遮蔽、検出器体系、即発ガンマ線分布、中性子エネルギー、人体への被ばく量と検出限界値との相関関係を調べる。さらに最適化した体系を基に中性子源を用いて、原理実証試験を実施して研究の成果をとりまとめる。

研究実績の概要

高速中性子は人体を透過する能力があり、エネルギーが高いため、原子核と非弾性散乱を起こすと、原子核を励起させる。それが基底状態に遷移する際に、核種に依存したガンマ線を即時に放出する。本研究では、高速中性子と原子核の非弾性散乱で放出される即発ガンマ線をイメージングすることで、がんなどの疾患を診断する手法を確立することを目的としている。
令和5年度はモンテカルロシミュレーションコードParticle and Heavy Ion Transport System(PHITS)を用いて疾患を模擬した計算を行った。人体を模擬した水ファントム中に臓器、疾患部位を設定し、中性子ビームを照射することで放出される即発ガンマ線のエネルギースペクトルをガンマ線検出器位置において計算した。30MeV陽子をベリリウムターゲットに入射することによって、後方に放出される高速中性子を計算に用いた。本シミュレーションではコリメータサイズ、遮蔽、検出器体系、即発ガンマ線分布、中性子エネルギー、人体への被ばく量と検出限界値との相関関係を得ることにより、最適化した。
最適化した体系を元に原理実証試験の準備を行った。使用する中性子源は京都大学複合原子力科学研究所に設置されているサイクロトロンベース中性子源を用いる。ビームポートに水ファントムを設置し、その周りに即発ガンマ線検出器を設置構造とした。中性子ビーム上流及び陽子ビーム輸送系からのバックグランドガンマ線を遮蔽するために、検出器周りには鉛遮蔽体を設置することとした。エネルギー分解能がよく、効率も良いことから即発ガンマ線検出器には高純度ゲルマニウム半導体検出器を選択し、相対検出効率15%の検出器を導入した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究は大きく分けて、次の3つの研究項目から成り立っている。一つは疾患特異的に含有する核種のサーベイ、次に疾患を模擬したモンテカルロシミュレーション、最後に原理実証試験を実施し、成果を取りまとめる予定である。これまでに、疾患に特異的に含有する核種のサーベイを行い、特に腎細胞がんと正常腎にはAl,Ca,Cd,Cr, Cu,Fe,K,Mg,Mn,Na,P,Pb,Znの濃度の違いがあり、その中でもP-31が特に有意差p<0.001で異なっていること示した。さらに、30MeV陽子がベリリウムターゲットに入射することにより発生する高速中性子ビームを、疾患を模擬した体系に入射し、即発ガンマ線測定システムの最適化を行うことができた。システムに必要な高純度ゲルマニウム半導体検出器を導入することで、原理実証試験の準備を進めている。以上のようにおおむね順調に進展していると評価できる。

今後の研究の推進方策

これまでに、行ってきた疾患特異的に含有する核種を想定して、原理実証試験を実施する予定である。実際の高速中性子照射場はシミュレーションで想定しているよりも多くのバックグランドガンマ線が存在していることが考えられるため、適切な遮蔽を設けることによって照射場を構築する予定である。
原理実証試験を実施し、高速中性子と原子核の非弾性散乱で放出されるガンマ線をイメージングすることで、がんなどの疾患を診断する手法を確立する。

研究成果

• [雑誌論文] Development of a prompt gamma-ray detector with an 8×8 array LaBr 3(Ce) scintillator and a multi-pixel photon counter for boron neutron capture therapy (2023)
  • 著者名/発表者名: Okazaki Keita、Tanaka Hiroki、Takata Takushi、Kawabata Shinji、Hu Naonori、Matsubayashi Nishiki、Mukawa Tetsuya、Sakurai Yoshinori、Suzuki Minoru
  • 雑誌名: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 巻: 1055 ページ: 168546-168546
  • DOI: 10.1016/j.nima.2023.168546
  • 査読あり
• [学会発表] 臭化タリウム検出器を用いたBNCT基礎研究のための即発ガンマ線検出器の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 辻絢介、松林錦、中村泰基、笹木彬礼、野上光博、人見啓太郎、渡辺賢一、髙田卓志、田中浩基
  • 学会等名: 第19回日本中性子捕捉療法学会学術大会
• [学会発表] BNCTのための臭化タリウム検出器を用いた即発ガンマ線評価手法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 辻絢介、松林錦、中村泰基、笹木彬礼、野上光博、人見啓太郎、渡辺賢一、髙田卓志、田中浩基
  • 学会等名: 次世代放射線シンポジウム2023
• [学会発表] ホウ素中性子捕捉療法における 医学物理研究の現状と今後の展望 (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中浩基
  • 学会等名: 第123回日本医学物理学会学術大会
  • 招待講演
• [学会発表] 古くて新しい次世代放射線治療 ホウ素中性子捕捉療法（BNCT） (2022)
  • 著者名/発表者名: 田中浩基
  • 学会等名: 第61回日本生体医工学会大会2022
  • 招待講演
• [学会発表] Introduction to BNCT (2022)
  • 著者名/発表者名: Hiroki Tanaka
  • 学会等名: 2022 Society of Nuclear Medicine and Molecular Imaging Annual Meeting
  • 国際学会 / 招待講演