Development of Two-dimensional Prompt-gamma Measurement System for Verification of Proton Dose Distribution

In proton therapy, verification of proton dose distribution is important to treat cancer precisely and to enhance patients' safety. To verify proton dose distribution, in a previous study, our team incorporated a vertically-aligned one-dimensional array detection system. We measured 2D prompt-gamma distribution moving the developed detection system in the longitudinal direction and verified similarity between 2D prompt-gamma distribution and 2D proton dose distribution. In the present, we have developed two-dimension prompt-gamma measurement system consisted of a 2D parallel-hole collimator, 2D array-type NaI(Tl) scintillators, and multi-anode PMT (MA-PMT) to measure 2D prompt-gamma distribution in real time. The developed measurement system was tested with $^{22}Na$ (0.511 and 1.275 MeV) and $^{137}Cs$ (0.662 MeV) gamma sources, and the energy resolutions of 0.511, 0.662 and 1.275 MeV were $10.9%{\pm}0.23p%$, $9.8%{\pm}0.18p%$ and $6.4%{\pm}0.24p%$, respectively. Further, the energy resolution of the high gamma energy (3.416 MeV) of double escape peak from Am-Be source was $11.4%{\pm}3.6p%$. To estimate the performance of the developed measurement system, we measured 2D prompt-gamma distribution generated by PMMA phantom irradiated with 45 MeV proton beam of 0.5 nA. As a result of comparing a EBT film result, 2D prompt-gamma distribution measured for $9{\times}10^9$ protons is similar to 2D proton dose distribution. In addition, the 45 MeV estimated beam range by profile distribution of 2D prompt gamma distribution was $17.0{\pm}0.4mm$ and was intimately related with the proton beam range of 17.4 mm.

이차원 양성자 선량 분포 확인을 위한 즉발감마선 이차원분포 측정 장치 개발

양성자 치료 시 양성자 빔을 사용하여 정밀한 치료를 수행하고 환자의 안전을 제고하기 위해서는 인체 내 양성자 빔의 선량 분포를 확인하는 것이 중요하다. 이를 위해 본 연구팀은 이전 연구에서 1차원 배열형 검출기를 종형으로 배치하여 빔 진행방향으로 이동시켜가면서 2차원적인 즉발감마선 분포를 측정하여 양성자 선량 분포와 유사한 분포를 갖는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 이를 바탕으로 즉발감마선 이차원분포를 실시간으로 측정하기 위해 이차원 평행다공형 집속 장치, 이차원 배열의 NaI(Tl) 섬광체와 MA-PMT로 이루어진 즉발감마선 이차원분포 측정 장치를 개발하였다. 개발한 즉 발감마선 이차원분포 측정 장치의 성능을 평가한 결과 $^{22}Na$ 감마선원의 에너지 분해능은 $10.9%{\pm}0.23p%$ (0.511 MeV)와 $6.4%{\pm}0.24p%$ (1.275 MeV)로 평가되었으며, $^{137}Cs$은 $9.8%{\pm}0.18p%$ (0.662 MeV)로 평가되었다. 고에너지 Am-Be 선원의 double escape 피크인 3.416 MeV의 에너지 분해능은 $11.4%{\pm}3.6p%$로 평가되었다. 본 측정 장치를 이용하여 45 MeV 양성자 빔을 PMMA에 조사하여 발생한 즉발감마선 이차원분포를 측정한 결과 0.5 nA의 세기의 양성자 빔에서 $9{\times}10^9$ 양성자 조사 시 양성자 선량 분포와 유사한 즉발감마선 이차원분포를 측정할 수 있음을 확인하였다. 추가로 측정한 즉발감마선 이차원분포의 프로파일 분포를 이용하여 양성자 빔의 비정을 평가해 본 결과 $17.0{\pm}0.4mm$로 평가되었고, 실제 비정인 17.4 mm과 굉장히 밀접한 관련이 있음을 확인하였다.