2016/3/8

2016年３月２日
光量子計測器ワークショップ

What is BNCT?
Boron Neutron Capture Therapy
Boron10TumorTumor① Boron10 is integrated into tumor cellswith a help of BPA drugs.
② Thermal neutrons irradiated to thetumor cells.
③ Only the tumor cells are selectively
damagedg with ppowerful  and Li pparticles
generated in the reaction of thermal
neutron and boron10 particles.

ThermalNeutrons

BNCT治療と計測器
筑波大学
陽子線医学利用研究センター（PMRC)
安岡 聖

normalcell

tumorcellThermal
neutrons

Ultimate
Internal Heavy Ion Therapywith  and Li particles
図は熊田博明、RIST News ,56, 14‐24(2014)より引用

Cell Size View

日本原子力機構JRR‐4
陽子線リニアック

病院に併設可能

7E+09

6E+09

5E+09

30°
45°
60°
90°
110°

6MeV

3E+09

2E+09

1E+09

00

陽子線加速器を使った中性子源

24En [Mev]

6Dominant Reactions ofThermal Neutron in a Patient

加速器中性子源に対する条件(@ビーム孔）：Epi‐thermal Neutron Flux
> 1x109 [/cm2/s]
Fast Neutron Dose < 2x10‐13 [Gy/cm2]
‐ray Dose
< 2x10‐13 [Gy/cm2]

fast neutron
slow
neutronepi‐thermalneutron

thermalNeutron
Inside a patient

写真はAccsys Tech. Inc.資料より引用

Ep[MeV]

Nn/NpMelting
Point [°K]81.6  10-41278

Thermal neutron

Collimator

En [MeV]

7Li

10Bnαd14N14Cp1Hnp

10Bn,  7 Li

1Hn,  2 H

1Hnn

Fast neutron

Neutron
Production
Proton Acceleratorl( MeV)) Target (9Be) Moderator(8protonBe(p, n)9 B

15°

写真はAccsys Tech. Inc.資料より引用

図は日本原子力機構資料より引用

90°

8MeV Proton
0.4mm target

4E+09

病院に併設困難

NuclearReaction

熱外中性子

日本における原子炉新設が容易でない中、原子炉の病院併設は非現実的Neutron Energy Distribution
in 9Be(p,n)9B
Neutron Flux per 1mA protonns [n/cm2/mA/sec]

原子炉から小型加速器へ

14Nn, p 14 C

1Hn, p nn

0.1 - 61

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What is Boron (10B)‐dose?

Boron‐Thermal Neutron Reaction

Kerma coefficient: Averaged energy ET
deposited into this volume of mass m for
1 n: (calculated in PHITS)n  B Li    Li    
107*7n 10 B7 Li*   7 Li    

ththermall neutrontB7

Li*7nucleus
excitation
protonneutronelectronLi n  En , t 
Stopping and depositing
Their energy inside
this tumor cell 478 keVn

thermal neutronn

f n,10B En ,1ppm 10 B [J/kg/n]

Boron10 on BPA drugs integrated into tumor cells
10boron10normal celltumor cell


7



LiET

DB ,1 ppm    f n ,10B En ,1ppm 10 B n En , t dEn dtt En

Boron Dose/H. Dose/N. Dose/Dose
Micro Dose Distribution

Boron Dose/H. Dose/N. Dose/Dose

Equivalent dose =Boron Dose+Non‐boron Dose

DB ,1 ppm : boron dose per 1 ppm boron10 compoundDoseDoseDoseDose

DoseDose

TumorDoseN. TissueDose (brain)

N. Tissue
Dose (skin)Dose

RBE N : RBE factor for nitrogen dose
DH : hydrogen dose
RBE H : RBE factor for hydrogen doseD :  dose
RBE : RBE factor for  dose
CBE : Compound Biological Effective factor,
weight factor for boron dose, which is

Epi‐theermal/thermal
neutronnBoron
Dose


Dose

BoronDoseDose

DN : nitrogen dose

Equivalent Do
ose [Gy・Eq]

CBE B : CBE factor for boron dose

Dose advantage
for N. tissue (brain)

Non‐boron Dosse

N. tissue Dose (skin)N. tissue Dose (brain)

Tumor Dose
Equivalent Dose(Gy‐Eq)

ED : equivalent doseC B :10 B concentration [ppm]

BoronDose 7  10  10 -14 [Gy/ppm]

Boron Dose

Non‐boron dose

separately defined due to different factors
for tumor cell, normal cell, and boron compound

10Non‐boron dose= dose+N.dose+H.dose

 dose H n,   H
1

ED[GyEq]  C B  DB ,1 ppm  CBE B  DN  RBE N  DH  RBE H  D  RBEN. doseNote: RBE & CBE actually depend on dose, dose rate, and survivingfraction. Photon‐isoeffective dose has improved this problem.
((Ref.) Rad. Res. 178, 609‐621 (2012))

H. dose

114Bn,  7 Li

2Nn, p 14 CHn, p n

図は熊田博明、Radioisotopes, 64, 39‐48(2015)より引用

ホウ素線量測定に必要なもの
必要事項

ホウ素線量をどのように測定するか

マイクロ‐ホウ素線量

マクロ‐ホウ素線量

エネルギー分解能

< 6%

< 6%

空間分解能

< 10m~数mm

カバー範囲
15 cm x 15 cm

細胞レベルまでの多チャンネル化は予算的に困難！

容易患者の動きに対する安定性( b t定性(robustness))

弱い（安定させるには細胞追跡等の新たな技術の導入が必要）

強い（数ミリ四方の範囲の平均値を計測）

現在の技術で、① 線のエネルギーと位置を同時に計測② 治療中の患者体内ホウ素線量の線量・線量分布計測③ 患者（細胞）の動きにも対応が可能な線計測器として、
LaBr3結晶シンチレータと多チャンネルPMTを組み合わせた
線計測器の開発

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現在使用されている方法

ホウ素線量とその分布
＠BNCT

PGA (Prompt Gamma‐ray Analysis)
During treatment:
BPA③10

Thermalneutrons

Online Measurement of Boron Concentration and Boron Dose.

Bn, α 7 Li* 7 Li   transportbloodGe detector

Brain Tumor

Prior to treatment:

Boron 10

BPA injection①

Boron concentration measurement
Boron dose measurement

Thermalneutrons

Boron Concentration

Determine final exposure time！

Treatment④③②④

Li particle

PG‐SPECT:
即発g線の計測により、患者体内のホウ素線量とその分布をリアルタイムでモニターするシステム① Exposure Time （h）

問題点： 治療中の患者体内ホウ素濃度モニターではない！

図は熊田博明、RIST News ,56, 14‐24(2014)より引用• エネルギー分解能 ＜６％• 空間分解能 ＜５ｍｍ
• 対応可能な線レート ＞１００kcps• Pb collimator,collimator LiF n‐shield 等による中性子＆ 線（特にコンプトン線）の低減• コンプトン線BG上に現れる478/ 511/ 2221 keV
線に対する高レベルの弁別及び計数能力

新しい方法

PG‐SPECT system(Realtime Boron Dose Monitor System)
ps‐PMT
LaBr3
Pb collimator

結晶シンチレータを用いた
PG-SPECT Systemγ

Photon Detectors
1616

readout info.: x y E    E t

熱外中性子i 1 j 1ij

D ( x , y )yxBoron concentration measurement
Boron dose measurement①Determine final exposure time！

478/2221 keV ‐rays yield ratio

Boron Concentration

PG‐SPECTに要求される機能・性能①Exposure Time （h）

PG‐SPECT用線検出器

エネルギー分解能と位置再構成
LaBr3 50x50x10 mm3FWHM
 4.5%
E@662 keVPaPb
Pb  Pdx  Lx
Pa  Pb  Pc  Pdy Pa  Pb
 LyPa  Pb  Pc  Pd

E   DynodeMeasured -ray Position (mm)2550 x 50 x 10 mm3 LaBr3 検出器

2050x50x20 (x,0)

1550x50x15 (x,0)

1050-5-10-15-20-25Pc

Pd

Chained-Register Technique (CRT)
鉛製線コリメータ（70 mm x 70 mm x 30mm厚）-25 -20 -15 -10-50510152025

-ray Source Position(mm)H9500型マルチアノード光電子増倍管(Hamamatsu Photonics)

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PG‐SPECTプロトタイプ

ビーム試験用γ線検出器@iBNCTS‐LaBr3A

6 LiF n‐shield Blocks

C14 Lead ‐shield Blocks

AB

1cmx1” LaBr3
A: ‐ray detector
B: ‐ray collimator
C: condensed LiF
D: Lead shield
E: natural LiF

0100mmA: ‐ray detector
B: Lead shieldC: natural LiF

γ線スペクトラムとホウ素濃度校正
ファントムから1.2 m 離れた位置での
線スペクトラム

線フラックス(/ccm2/s)

1.0E+04

2221 keV

511 keV

1 0E+03
1.0E+03

1.0E+02PHITS Simulation

1.0E+01

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

線エネルギー(MeV)

Viewer/Monitor

buffer478/2221 keV ‐rays yield ratioを計測

beam gate

検出器

加速器制御

E, t
(x)
on off on

VPN

Boron Concentration （ppm）

iBNCToff
VME

Remotecontrol

1.0E+00
0.0

on on

ANA

Yield Ratio of1 kev ‐rays
478 to 2221

ホウ素濃度30 ppm
478 keV

DAQ

ホウ素濃度の校正

ファントム内最大熱中性子フラックス=3x109 /cm2/s
1.0E+05

ビーム試験
2016年度より東海村のいばらき中性子医療研究センターのBNCT治療室にてビーム試験開始

Viewer/Monitor
ANA

まとめ• いばらき中性子医療研究センター（東海村）におけるBNCT治療にて、照射線量のうち最も重要なホウ素線量をリアルタイムでモニターし、照射時間 決定 使用する間の決定に使用するため、筑波大学陽子線医、筑波大学陽子線医学利用研究センターはLaBr3結晶を用いたPG‐SPECT計測器の開発を行っている。
• H28年度からこの計測器に対して中性子ビーム試験を開始し、ホウ素濃度とその空間分布の測定に対するこの計測器の実用性を検証する。

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