SANI 2023 成果報告
大阪大学大学院 工学研究科
環境エネルギー工学専攻
量子反応工学領域 D1
藤原 悠2024 年 3 月 18 日

1

目次
• 派遣先に関して• 研究活動・成果• Microdosimetry• Microdosimetry and Medical implants• Simulation Studies• Results• Discussion• Future Plan

• 留学生活について• College Station• Visitation of Neutron Therapeutics @Boston
2024/3/19

2

派遣先に関して
Texas A&M University• 基本情報➢規模• アメリカ最大の学生数• 原子力分野で、大学ランキングで3位➢歴史• テキサス州最古の教育機関• 農工分野が源流• 開校当時は士官候補生団への加入が義務づけられていて、現在も上級軍事大学に指定➢Staff• 豪快な Prof. John Ford と Cameroonian のZavier
2024/3/19

3研究活動について
Microdosimetry- 個々の細胞や亜細胞構造に沈着したエネルギーのゆらぎや荷電粒子の微視的な飛跡[ICRP 103]
線エネルギーを基準とし，２次粒子の微視的評価そして生物学的効果の評価に応用される
Cells
範囲外に飛び出る粒子は範囲内で蓄積されないのでカウントされない。

2nm

DNA1μm2024/3/19

4研究活動について
Microdosimetric quantities
頻度 (f(y))，線量 (d(y))
それぞれの確率分布に線エネルギーを乗じる．

➢ Lineal Energy Frequency Distribution, yf(y)𝑓(𝑦) =𝑑𝐹(𝑦),𝑑𝑦∞𝑦𝐹 = ‫׬‬0 𝑦𝑓 𝑦 𝑑𝑦

➢ Dose distribution, yd(y)𝑑(𝑦) =∞𝑦𝑓(𝑦)1 ∞ 2,
𝑦=𝑦𝑑𝑦𝑑𝑦=‫׬‬‫𝑦𝑑 𝑦 𝑓 𝑦 ׬‬
𝐷0𝑦𝐹
𝑦𝐹 0C

• スペクトルのイメージ：陽子線源の場合
ProtonA: 低LETγ線によるピーク
A

Root A
Root B
Root CB

B: エッジ放射
C: 反動陽子2024/3/19

5研究活動について
Microdosimetry と生物学的効果の関係➢ 線質係数 [ICRU Report 40, 1986]
放射線の種類やエネルギーの違いによる生体への影響を評価する指標．
RBE の値を決定する際にも重要な指標となる．

∞
ത
𝑄 = ‫׬‬0 𝑄 𝑦 𝑑 𝑦 𝑑𝑦

Where,
𝑄 𝑦 =5510
1 − ex p ቀ−5 × 10−5 × 𝑦 2 − 2 × 10−7 𝑦 3𝑦𝑑 𝑦 : Microdosimetric Dose Distribution➢ RBE [5,6]放射線の種類やエネルギーの違いによる生体への影響を比で評価したもの．
様々なRBEの計算モデルが組まれ，RBEの算出が試みられている．

𝑅𝐵𝐸 = 1.151 ×

𝛼 2 + 0.336 + 𝛼

Where, 𝛼 = 0.0351 × 𝑦ത𝐷 + 0.0885

Microdosimetry は上記のパラメータの算出に重要な役割を果たす．
2024/3/196

研究活動について
検出器：Tissue-Equivalent Proportional Counter, TEPC
⚫ 概要：組織等価ガス(TE-gas)を封入した比例計数管の1種

放射線アノード（炭素）➢ 構成• TE-gas としてはプロパンなどが用いられている• 比例計数管の壁には導電性プラスチックで覆われており，A-150プラスチックが用いられている。
➢ 形状：球状・円柱 (図) etc...

⚫ 動作原理TE-gas壁（A-150)➢ パルスモードで動作➢ 放射線，TE-gas間の反応によって生じた電子のエネルギー沈着を信号として取得➢ ガス増幅により，信号とノイズを区別して出力

図5：実際のTEPC[7]2024/3/19

7

研究活動について
Microdosimetry と BNCTBNCTでは，以下4つの指標がRBEに影響を与えるとされる．
➢ 体内組織と線源：γ線➢ 体内窒素：炭素イオン線➢ 体内水素：反跳陽子➢ ホウ素起源：α線とリチウムイオン線
BNCT の治療環境に基づいてMicrodosimetry スペクトルを評価．

博士課程での研究
放射線発生装置が治療にどのような影響を与えるか
2024/3/19

陽子線

γ線

重粒子線

A&M での研究
治療時に，細胞にどれだけの影響が与えられているのか
8

研究活動について
Medical Implants
歯科インプラント
乳房インプラント

ヒップインプラント
その他：人工関節，ペースメーカーなど

インプラントの多様化と需要増加に伴い，今後その市場規模は増加していくと予想される．
2024/3/19

9研究活動について
Medical Implants の課題
放射線の吸収と散乱による2次粒子の発生

影響①：Metal Artifact Reduction, CT画像の不明瞭化[4]歯科インプラント
𝛾胸部インプラント

影響②：Dose Reduction, 線量の減衰𝑒−

ヒップインプラント

その他：人工関節，ペースメーカーなど

治療時の生物学的効果の推定には，微細構造における2次粒子の影響を考慮する必要がある．
2024/3/1910

研究活動について
研究概要の整理:医療用インプラントによって生じる2次粒子の影響をMicrodosimetry に基づいて評価する。

問題

放射線治療時に医療用インプラントがあることで、正常組織と異なる反応（吸収・散乱）が起こり、治療計画の作成に影響を及ぼす。

手段

Microdosimetryは、微細構造(細胞1個分など)のスケールで荷電粒子を検出し、線量分布等を求めることができる。
この物理量は、放射線治療時の線質係数やRBEと密接に関係している．

効果

Microdosimetryによって評価された線質係数やRBEによって、安全な治療計画が作成される。

2024/3/1911

研究活動についてSimulation Studies: モンテカルロシミュレーションによるモデリング
FLUKA: Detect Card の利用により電子のエネルギー蓄積を計算

PHITS: T-sed Tally の利用により線量分布を計算可能→ 線量分布を式から算出する※ PMMA:ポリメチルメタクリレート

ProtonSource

TE gas(Propane)(62 MeV)

密度 1.18 g/cm³T-sed Tally𝑡𝑃𝑀𝑀𝐴,𝑖𝑚𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡

2024/3/19

陽子線治療の際のブラッグピークを表現するために用いる。
Implant にはチタンを利用(密度4.5g/cm³)in PHITS

12

研究活動について
Evaluation
手順①：インプラント単独での影響を調査？

インプラントそれ自体の吸収・散乱の影響をスペクトルの変化によって調査
titanium𝑡𝑡𝑖 : 2mm, 4mm, 6mm, 8mm

手順②：等価厚さの応用
特定の厚さのチタンと等価になるPMMAの厚さを求め，両者のスペクトルの形状と𝒚𝒅 の値を比較する
𝜌𝑆𝑡𝑖

𝜌: 物質の密度， S: 物質の阻止能
2024/3/19

𝑡𝑡𝑖？

(𝐸=𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦)

𝑃𝑀𝑀𝐴
𝑡𝑡𝑖 = 𝑡𝑃𝑀𝑀𝐴 × 𝑃𝑀𝑀𝐴×𝜌
𝑆 (𝐸=𝑖𝑛𝑖𝑡𝑖𝑎𝑙 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦)𝑡𝑖titanium

PMMA𝑡𝑃𝑀𝑀𝐴
13

研究活動についてResult ①：巨視的な線量測定の比較
表 𝑡𝑃𝑀𝑀𝐴 と 𝑡𝑡𝑖 の対応表

0.629 cm

※ 0.629 cm は，実際の実験で用いる検出器周りを覆っているA-150等の影響を等価厚さの考え方をもとに𝑡𝑃𝑀𝑀𝐴 に換算したもの．

ブラッグピーク周辺における陽子線のエネルギー損失は確率的であるため，Microdosimetry でどのような線量分布になるかが重要となる．
2024/3/1914

研究活動についてResult ②：インプラント単独による影響の調査*Nothing は PMMA や チタンを加えていない場合を表す➢ 材質の厚さを大きくする(=ブラッグピークに近づける)毎に，スペクトルが高エネルギー側にずれる→ インプラントによる吸収によってピークの位置がずれる．
➢ この段階では，低エネルギーγ線の影響等，その他の２次粒子の影響は観察されない．

2024/3/1915

研究活動についてDiscussion➢ 材質の厚さを大きくする(=ブラッグピークに近づける)毎に，両者の 𝑦𝑑 に違いが生じる．
→ 飛程が巨視的な議論に基づいていることの裏付け．
➢ ブラッグピークを越えると，低い線エネルギー領域に別のピークが生じる．
→ブラッグピークを越えると低LETのガンマ線が生じ，ピークを与える．
→線質係数の観点から考察すると，ブラッグピークを越えた深さに腫瘍がある場合，治療効果に大きな影響を与える危険性がある．

低エネルギーγ線の影響が大きくなる．
2024/3/19

16

研究活動について
Future Plan
• 他の放射線源での検討➢ 重荷電粒子 (¹²C)➢ 電磁波 (γ, neutron)• 他のインプラントでの検討➢ 材質 (Si, Au, etc…)➢ 物質の状態 (個体、液状)➢ サイズ• 実験による実証➢測定装置 (TEPC) の作成
2024/3/19

17

留学生活について
College Station• 日常生活➢ 筋トレ @ Rec Center➢ 外食 with friends in A&M

左：Kyle Field で行われたアメリカンフットボールの試合．
下：留学先でできた友達．

• イベント➢ アメリカンフットボール➢ テキサス観光✓ Johnson Space Center @Houston✓ Fort Worth Stockyards @Dallas

2024/3/19

18

留学生活についてVisitation of Neutron Therapeutics @Boston• Neutron Therapeutics➢ BNCT 用の加速器を製造する会社➢ 施設見学と研究発表を行った※ 西尾さんにも会ってきました！

2024/3/19

19

まとめ• 今回の成果• 異国での生活• 放射線治療における治療効果測定技術の理解• 研究テーマの立ち上げと推進• 人脈形成※ちょっとの喧嘩• 今後の展望• 他の放射線源での検討• 成果を The International Youth Nuclear Congress 2024 で報告 (アブスト準備中)※ビザの手続きは念入りに…
2024/3/19

20

ご清聴ありがとうございましたLinkedIn

2024/3/19

HP21