世界初、4.4MeVガンマ線の高精度イメージングに成功

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先端医療と宇宙をつなぐ、新しい架け橋へ

2018/05/25 早稲田大学 量子科学技術研究開発機構 放射線医学総合研究所

理工学術院の片岡淳(かたおかじゅん)教授らの研究チームは、量子科学技術研究開発機構と共同で、1-10メガ電子ボルト (MeV) のガンマ線を可視化できる、コンパクトなカメラを開発しました。さらに、陽子線治療中に生ずる4.4MeVの即発ガンマ線に着目し、これを高精度でイメージングすることに初めて成功しました。1-10MeVのガンマ線イメージングは先端医療をはじめ、宇宙の元素合成を探る鍵としても期待されます。

光の仲間であるガンマ線は、波長が電子・原子のサイズに匹敵するほど短く、波ではなく粒子として振る舞います。とくに1-10 MeVのガンマ線は透過力の強さと反応の複雑さゆえ、これを直接「観る」技術は望まれつつも、確立していませんでした。たとえば先端医療では、メスをいれることなくガン(癌)の根治を促す陽子線治療が注目されていますが、照射中に体内の様子(線量分布)を外から見ることは困難です。そこで陽子線が体内の元素と反応し、放出するガンマ線を「当てながら観る」ことで治療精度の向上が期待されます。また、1-10MeVのガンマ線は励起した様々な原子核(たとえば炭素、酸素)から生ずるため、星の内部や宇宙全体の元素合成を紐解く、重要な鍵が得られると期待されます。
今回、研究チームは陽子線と、体内にある炭素の反応で生ずる4.4MeVガンマ線に着目し、高精度のイメージングに成功しました。ガンマ線の発生分布は陽子線のエネルギー損失とほぼ正確に一致しており、治療中のオンラインモニタとしての有用性を世界で初めて実証しました。今回の研究成果は陽子線治療の高度化に留まらず、宇宙科学の新しい窓の開拓へ向けて大きく貢献するものと期待されます。
本研究成果は、Nature Researchが運営する英国のオンライン科学雑誌『Scientific Reports』に2018年5月25日午前10時(現地時間)に掲載される予定です。
論文名: Precision imaging of 4.4 MeV gamma rays using a 3-D position sensitive Compton camera

ポイント
  • 1-10MeVのガンマ線に特化した、コンパクトな高精度カメラを開発
  • 陽子線治療中に生ずるガンマ線(4.4MeV)の有用性を理論予測
  • 開発したカメラを用いて、世界初の高精度イメージングで実証
1. 研究の背景

X線・ガンマ線は光の仲間であるにもかかわらず、人間の目には直接見ることができません。医療の現場ではレントゲンやCT が広く普及していますが、これらは概ね 100 keV (キロ電子ボルト)までのX線を対象とした透過イメージング法です。また、X線は可視光のように集光できるため、未知の方向からくるX線をイメージングすることができます。一方で、100 MeV (メガ電子ボルト)を超える高エネルギーのガンマ線は物質の中で大量の電子・陽電子対をシャワー状に生成します。そのため、シャワーの軌跡を追えば、同様にイメージングが可能です。X線、高エネルギーガンマ線ともに最先端の宇宙観測や素粒子実験で広く利用され、検出器の技術も確立しています(図1)。
しかしながら、その中間にある1-10MeVガンマ線は「観測の狭間」であり、イメージングは困難を極めます。このエネルギー帯のガンマ線は透過力が強く集光できず、またシャワーも十分発達しません。ここで起こる反応はコンプトン散乱とよばれ、ガンマ線が検出器に一部のエネルギーを付与し、また別な方向へ散乱してしまう複雑な反応です。とくに1MeV以上のガンマ線は、検出器の中で何回も繰り返して散乱し、外に逃げてしまう場合も多く、これを正しく検出・認識する技術が鍵となります。
この困難にも関わらず、1-10MeVを直接「観る」技術が強く切望されています。たとえば先端医療では、メスをいれることなくガン(癌)の根治を促す陽子線治療が注目されていますが、照射中に体内の様子(線量分布)を外から見ることは困難です。そこで陽子線が体内の元素と反応し、放出するガンマ線を「当てながら観る」ことで治療精度の向上が期待されます。また、様々な励起原子核(たとえば酸素や炭素)からでるガンマ線(核ガンマ線)は、1-10MeVに集中しており、宇宙の元素合成を紐解く、重要な鍵が得られるはずです。実際、米国NASAの天文衛星が25年前に1.8MeV核ガンマ線で銀河面の26Al(アルミニウム)分布を調べていますが(※注1)、それ以降の研究は停滞しています。

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