ＰＥＴ画像誘導放射線治療に向けた世界初のリアルタイムイメージング手法の開発

• Project/Area Number: 12J11124
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Medical systems
• Research Institution: National Institute of Radiological Sciences
• Principal Investigator: 田島 英朗 独立行政法人放射線医学総合研究所, 分子イメージング研究センター, 研究員
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2014)
• Budget Amount: ¥3,630,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2014: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2013: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2012: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
• Keywords: PET / 画像再構成 / 画像誘導放射線治療 / OpenPET / リアルタイムイメージング / 腫瘍追跡

Outline of Annual Research Achievements

PET画像による画像誘導放射線治療の実現を目指し、今年度はヒトサイズのOpenPET開発に取り組んだ。PETの画像再構成を行うためには、検出器の応答関数をなるべく正確にモデル化する必要があるが、ヒトサイズのOpenPETでは、検出器の数が多く、観測データの次元数（検出器の組合せ数）が膨大になるため、事前計算をせず、オンザフライで計算可能なモデルが必要となった。そこで、幾何学的な情報を元にパラメータを自動決定可能な非対称な2次元ガウス関数を用いた応答関数モデルを提案し、GPU計算が可能なように実装した。その結果、特に第一世代OpenPETであるDual-ring OpenPETの開放空間において空間分解能を改善することができた。今年度新しく開発したヒトサイズOpenPETのデータ収集システムは、従来電気回路で行っていた同時計数判定をソフトウェアで行うことで、シングル計数率を元にした補正法の開発や、フレキシブルなジオメトリのPET開発を可能にしている。一方で、ソフトウェアによる同時計数は、ハードウェアによる同時計数よりも一般的に速度が遅いという問題がある。具体的には、別々の検出器から送られてくるデータを並び替えるソート処理に最も時間がかかるが、それに対して、マルチコアCPU上での並列化による高速化を行った結果、実用範囲の放射能分布の場合で、データ収集よりも短い時間で処理が完了できるようになり、リアルタイム処理が可能となった。そして、これまでに開発してきた各システムを統合することでヒトサイズOpenPETのリアルタイムイメージングシステムが構築できる。今後、より放射線治療との組合せに特化した第二世代OpenPET「Single-ring OpenPET」のヒトサイズ試作機に適用し、性能評価を進めていく予定である。

Research Progress Status

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

26年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Restoration of lost frequency in OpenPET imaging: comparison between the method of convex projections and the maximum likelihood expectation maximization method (2014)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Takayuki Katsunuma, Hiroyuki Kudo, Hideo Murayama, Takashi Obi, Mikio Suga, Taiga Yamaya
  • Journal Title: Radiological Physics and Technology Volume: 7 Issue: 2 Pages: 329-339
  • DOI: 10.1007/s12194-014-0270-5
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] An OpenPET scanner with bridged detectors to compensate for incomplete data (2014)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Taiga Yamaya and Paul E Kinahan
  • Journal Title: Physics in Medicine and Biology Volume: 59 Issue: 20 Pages: 6175-6193
  • DOI: 10.1088/0031-9155/59/20/6175
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Efficient one-pair experimental system for spatial resolution demonstration of prototype PET detectors (2014)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Eiji Yoshida, Yoshiyuki Hirano, Fumihiko Nishikido, Naoko Inadama, Hideo Murayama, Taiga Yamaya
  • Journal Title: Radiological Physics and Technology Volume: 7 Issue: 2 Pages: 379-86
  • DOI: 10.1007/s12194-014-0276-z
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Time-Delay Correction Method for PET-Based Tumor Tracking (2014)
  • Author(s): Tetsuya Shinaji, Hideaki Tashima, Eiji Yoshida, Taiga Yamaya, Takashi Ohnishi, Hideaki Haneishi
  • Journal Title: IEEE Transactions on Nuclear Science Volume: 61 Issue: 6 Pages: 3711-3720
  • DOI: 10.1109/tns.2014.2364047
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] OpenPETを用いた腫瘍追跡のためのROI再構成による計算量削減の検討 (2014)
  • Author(s): 田島英朗, 吉田英治, 品地哲弥, 他
  • Journal Title: 平成25年度次世代PET研究報告書 Volume: (印刷中) Pages: 34-35
• [Journal Article] TOF情報を用いたOpenPET画像再構成の検討 (2014)
  • Author(s): 田島英朗, 山谷泰賀
  • Journal Title: 平成25年度次世代PET研究報告書 Volume: (印刷中) Pages: 40-41
• [Journal Article] あご検出器付ヘルメット型PET装置の提案 (2014)
  • Author(s): 田島英朗, 伊藤浩, 山谷泰賀
  • Journal Title: 平成25年度次世代PET研究報告書 Volume: (印刷中) Pages: 74-75
• [Journal Article] Development of a single-ring OpenPET prototype (2013)
  • Author(s): E. Yoshida, H. Tashima, et al.
  • Journal Title: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A : Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment Volume: 729 Pages: 800-808
  • DOI: 10.1016/j.nima.2013.08.041
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 第二世代開放型PET 「Single-Ring OpenPET」のモンテカルロシミュレーションによるDOI検出器を用いた実装の検討 (2013)
  • Author(s): 田島英朗
  • Journal Title: Medical Imaging Technology Volume: Vol. 31 Pages: 83-87
  • NAID: 130003374503
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] エミッションCTの逐次近似型画像再構成のオーバービュー-実用的側面- (2013)
  • Author(s): 田島英朗
  • Journal Title: Medical Imaging Technology Volume: Vol. 31 Pages: 15-20
  • NAID: 130003374488
• [Journal Article] A single-ring OpenPET enabling PET imaging during radiotherapy (2012)
  • Author(s): Hideaki Tashima
  • Journal Title: Physics in Medicine and Biology Volume: Vol. 57 Issue: 14 Pages: 4705-4718
  • DOI: 10.1088/0031-9155/57/14/4705
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 全身用OpenPET画像再構成における検出器応答の非対称二次元ガウス関数によるモデリング手法の開発 (2015)
  • Author(s): 田島英朗, 吉田英治, 品地哲弥, 山谷泰賀
  • Organizer: JAMITFrontier 2015 (メディカルイメージング連合フォーラム)
  • Place of Presentation: 石垣島
  • Year and Date: 2015-03-02 – 2015-03-03
• [Presentation] Detector Response Modeling with Asymmetric 2D Gaussian Functions for GPU-Based Image Reconstruction of the Whole-Body Dual-Ring OpenPET (2014)
  • Author(s): H. Tashima, E. Yoshida, T. Shinaji, T. Yamaya
  • Organizer: IEEE NSS MIC 2014
  • Place of Presentation: Seattle, WA USA
  • Year and Date: 2014-11-08 – 2014-11-15
• [Presentation] Simulation study of helmet-PET with add-on detectors for high sensitivity brain imaging (2014)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Hiroshi Ito, Taiga Yamaya
  • Organizer: WMIC 2014
  • Place of Presentation: Seoul, Korea
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [Presentation] 顎部検出器付ヘルメット型PET装置の提案 (2014)
  • Author(s): 田島 英朗, 伊藤 浩, 山谷 泰賀
  • Organizer: 第３３回日本医用画像工学会大会
  • Place of Presentation: 東京慈恵会医科大学
  • Year and Date: 2014-07-24 – 2014-07-26
• [Presentation] GPU-accelerated Real-time Imaging System for the OpenPET Toward Tumor-tracking Radiotherapy (2014)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Eiji Yoshida, Tetsuya Shinaji, Haruhiko Futada, Takeshi Nagata, Hideaki Haneishi, and Taiga Yamaya
  • Organizer: Real-time Conference 2014
  • Place of Presentation: Nara, Japan
  • Year and Date: 2014-05-26 – 2014-05-30
• [Presentation] Computational Cost Reduction using Region-of-Interest Reconstruction for Real-time Tumor Tracking by the OpenPET (2014)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Eiji Yoshida, Tetsuya Shinaji, Hideaki Haneishi, Hiroshi Ito, and Taiga Yamaya
  • Organizer: 第107回医学物理学会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
  • Year and Date: 2014-04-10 – 2014-04-13
• [Presentation] Imaging simulation of a helmet-PET with a jaw detector (2014)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Hiroshi lto and Taiga Yamaya
  • Organizer: 3rd NIRS-SNU Workshop on Nuclear Medicine Imaging Science and Technology
  • Place of Presentation: NIRS, Chiba, Japan
  • Year and Date: 2014-03-28
• [Presentation] Feasibility study of real-time tumor tracking by OpenPET during radiotherapy (2013)
  • Author(s): Hideaki Tashima
  • Organizer: 第3回分子追跡放射線治療国際会議
  • Place of Presentation: 札幌コンベンションセンター(北海道)
  • Year and Date: 2013-02-08
• [Presentation] モンテカルロシミュレーションによるOpenPETリアルタイム腫瘍追跡の実現可能性の検討 (2013)
  • Author(s): 田島英朗, 吉田英治、品地哲弥、他
  • Organizer: 第105回日本医学物理学会学術大会
  • Place of Presentation: パシフィコ横浜
• [Presentation] A proposal of a helmet PET with jaw detectors for high-sensitive brain imaging (2013)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Hiroshi Ito, Taiga Yamaya, et al.
  • Organizer: SNMMI 2013
  • Place of Presentation: Vancouver, BC, Canada
• [Presentation] Simulation Study of the OpenPET Scanner with Bridge Detectors toCompensate for Incomplete Data (2013)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Taiga Yamaya, and Paul E. Kinahan
  • Organizer: Fully Three-Dimensional Image Reconstruction in Radiology and Nuclear Medicine
  • Place of Presentation: Lake Tahoe, California, United States
• [Presentation] ブリッジ検出器によるDual-Ring OpenPETの画質改善効果の検討 (2013)
  • Author(s): 田島英朗, 山谷泰賀, Paul E. Kinahan
  • Organizer: 第32回日本医用画像工学会大会
  • Place of Presentation: 日本科学未来館/産業技術総合研究所臨海副都心センター
• [Presentation] A Proposed Helmet-PET with a Jaw Detector Enabling High-Sensitivity Brain Imaging (2013)
  • Author(s): H. Tashima, H. Ito, T. Yamaya
  • Organizer: IEEE NSS/MIC/RTSD 2013
  • Place of Presentation: COEX, Seoul, Korea
• [Presentation] Monte Carlo Simulation of Region-of-Interest Reconstruction for Real-Time Thmor Tracking by OpenPET (2013)
  • Author(s): H. Tashima, E. Yoshida, T. Shinaji, et al.
  • Organizer: IEEE NSS/MIC/RTSD 2013
  • Place of Presentation: COEX, Seoul. Korea
• [Presentation] Impact of TOF Information in OpenPET Imaging (2013)
  • Author(s): H. Tashima, T. Yamaya
  • Organizer: IEEE NSS/MIC/RTSD 2013
  • Place of Presentation: COEX, Seoul, Korea
• [Presentation] Real-time OpenPET imaging system toward PET-guided tumor tracking radiation therapy (2013)
  • Author(s): H. Tashima, Eiji Yoshida, Tetsuya Shinaji, et al.
  • Organizer: NIRS Workshop on PET Imaging Physics and Applications (PIPA2013)
  • Place of Presentation: PACIFICO Yokohama (Conference Center), Japan
• [Presentation] Theoretical and Numerical Analysis of the Single-Ring OpenPET Geometry for in-Beam PET (2012)
  • Author(s): Hideaki Tashima
  • Organizer: 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • Place of Presentation: Anaheim (アメリカ合衆国)
  • Year and Date: 2012-11-03
• [Presentation] One-Pair Measurement System for Efficient Imaging Performance Evaluation of Prototype DOI-PET Detectors (2012)
  • Author(s): Hideaki Tashima
  • Organizer: 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • Place of Presentation: Anaheim (アメリカ合衆国)
  • Year and Date: 2012-11-03
• [Presentation] Simulation Study of Real-Time Tumor Tracking by OpenPET Using the 4D XCAT Phantom with a Realistic ^<18>F-FDG Distribution (2012)
  • Author(s): Hideaki Tashima
  • Organizer: 2012 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
  • Place of Presentation: Anaheim (アメリカ合衆国)
  • Year and Date: 2012-11-01
• [Presentation] ^<18>F-FDGの薬剤分布を持つ4D XCATファントムを用いたOpenPETによるリアルタイム腫瘍追跡の検討 (2012)
  • Author(s): 田島英朗
  • Organizer: 第52回日本核医学会学術総会
  • Place of Presentation: ロイトン札幌(北海道)
  • Year and Date: 2012-10-07
• [Presentation] 第二世代開放型PET 「Single-Ring OpenPET」の提案とブロック検出器 (2012)
  • Author(s): 田島英朗
  • Organizer: 第31回日本医用画像工学会大会
  • Place of Presentation: 札幌厚生病院(北海道)
  • Year and Date: 2012-08-04
• [Book] 医学物理学教科書シリーズ： 核医学物理学 (2015)
  • Author(s): 村山秀雄編著、村山秀雄 、長谷川智之、関千江、生駒洋子、木原朝彦、渡部浩司、山本誠一、吉田英治、田島英朗、山谷泰賀、河内有木、羽石秀昭、赤羽恵一
  • Total Pages: 315
  • Publisher: 株式会社国際文献社
• [Remarks] 生体イメージング技術開発研究チーム / 先端生体計測研究プログラム
  • URL: http://www.nirs.go.jp/research/division/mic/group/t_imaging-butsuri.html
• [Remarks] 第107回日本医学物理学会学術大会にて大会長賞を受賞
  • URL: http://www.nirs.go.jp/research/division/mic/newsrelease/140516/index.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.nirs.go.jp/research/division/mic/group/t_imaging-butsuri.html
• [Remarks]
  • URL: http://www.nirs.go.jp/research/division/mic/group/t_imaging-butsuri-th.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] ヘルメット型PET装置 (2013)
  • Inventor(s): 田島英朗, 山谷泰賀
  • Industrial Property Rights Holder: 放射線医学総合研究所
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2013-10-30