Basic study of a partial-ring type PET-Compton hybrid imaging system

• Project/Area Number: 20K12683
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 90130:Medical systems-related
• Research Institution: National Institutes for Quantum Science and Technology
• Principal Investigator: Hideaki Tashima 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 主幹研究員 (70572907)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 菅 幹生 千葉大学, フロンティア医工学センター, 准教授 (00294281) ; 錦戸 文彦 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部, 主任研究員 (60367117)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
• Keywords: PET / コンプトンイメージング / 核医学 / ハイブリッド再構成 / 画像再構成 / イベント抽出 / ハイブリッド画像再構成 / 部分リングPET / C型PET / PET・コンプトンハイブリッドシステム / 核医学イメージング

Outline of Research at the Start

高感度な機能測定を行うことが可能なPET装置は、通常トンネルのようなリング形状であるが、リングの一部を開放化して部分リング化することができれば、その開放空間を用いて様々な応用が広がることが期待できる。一方で、測定可能なデータの方向が制限され、３Dイメージングには不完全な条件となるため、画像にアーチファクトと呼ばれる強いゆがみが生じるという問題がある。本研究では、コンプトンイメージングの原理を組み合わせることで、アーチファクトの抑制と画質向上が可能な新しい装置の基礎的な研究開発を行う。そして、画像再構成法開発、検出器試作及びシミュレーション検討によって、期待される性能と実現可能性を明らかにする。

Outline of Final Research Achievements

In contrast to a tunnel-like full-ring PET system, partial-ring PET, in which a part of the ring is open, offers easy access to the patient and is expected to have new applications and improved convenience. On the other hand, it has the problem of strong image distortion due to the limited direction of the measured data. In this study, we investigated a new imaging system that can suppress image distortion by using the Compton detector as the part opposite the open area and compensating for the missing directional information using the Compton camera principle. Specifically, we developed a PET/Compton hybrid image reconstruction method and clarified the effect of distortion suppression by simulation. We also clarified the optimal extraction and utilization of measurement events.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

部分リング型装置で歪みのないPET画像が得られるようになれば、開放部より患者へのアクセスが容易となるため、例えばPET撮像をリアルタイムに行いながら外科手術ができるようになるなど、新たなPETの応用が広がると期待できる。また、MRIに後付けできるアドオンPETを部分リング化することで、患者の上からかぶせるようにセットアップできるようになり、利便性の大幅な向上が期待できる。さらに、本研究で明らかにした測定イベントの最適な抽出方法は、提案装置に限らずPETとコンプトンカメラを組み合わせた様々な装置に適用できるため、今後のハイブリッド型の装置開発にも応用されることが期待される。

Research Products

• [Journal Article] Optimum selection for multi-interaction events in Compton-PET hybrid reconstruction: a Monte Carlo study (2023)
  • Author(s): Tashima Hideaki、Nishina Takumi、Takyu Sodai、Nishikido Fumihiko、Suga Mikio、Yamaya Taiga
  • Journal Title: Radiological Physics and Technology Volume: - Issue: 2 Pages: 254-261
  • DOI: 10.1007/s12194-023-00714-5
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Compton imaging for medical applications (2022)
  • Author(s): Hideaki Tashima, Taiga Yamaya
  • Journal Title: Radiological Physics and Technology Volume: 15 Issue: 3 Pages: 187-205
  • DOI: 10.1007/s12194-022-00666-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Using inverse Laplace transform in positronium lifetime imaging (2022)
  • Author(s): Shibuya Kengo、Saito Haruo、Tashima Hideaki、Yamaya Taiga
  • Journal Title: Physics in Medicine & Biology Volume: 67 Issue: 2 Pages: 025009-025009
  • DOI: 10.1088/1361-6560/ac499b
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Research and Development of Whole Gamma Imaging (2021)
  • Author(s): 田久 創大、田島 英朗、吉田 英治、錦戸 文彦、仁科 匠、山谷 泰賀
  • Journal Title: Medical Imaging Technology Volume: 39 Issue: 5 Pages: 199-205
  • DOI: 10.11409/mit.39.199
  • NAID: 130008140896
  • ISSN: 0288-450X, 2185-3193
  • Year and Date: 2021-11-25
• [Journal Article] Compton Camera/Compton Imaging System Development toward Medical Applications: Introduction (2021)
  • Author(s): 田島 英朗
  • Journal Title: Medical Imaging Technology Volume: 39 Issue: 5 Pages: 197-198
  • DOI: 10.11409/mit.39.197
  • NAID: 130008140894
  • ISSN: 0288-450X, 2185-3193
  • Year and Date: 2021-11-25
• [Journal Article] 3D Imaging Simulation of a C-Shaped Compton-PET Geometry: Verification of the Effect of Reducing Truncation Artifacts (2021)
  • Author(s): 仁科 匠、田島 英朗、田久 創大、錦戸 文彦、菅 幹生、山谷 泰賀
  • Journal Title: Medical Imaging Technology Volume: 39 Issue: 4 Pages: 176-182
  • DOI: 10.11409/mit.39.176
  • NAID: 130008116952
  • ISSN: 0288-450X, 2185-3193
  • Year and Date: 2021-09-25
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 3D Compton image reconstruction method for whole gamma imaging (2020)
  • Author(s): Tashima Hideaki、Yoshida Eiji、Wakizaka Hidekatsu、Takahashi Miwako、Nagatsu Kotaro、Tsuji Atsushi B、Kamada Kei、Parodi Katia、Yamaya Taiga
  • Journal Title: Physics in Medicine & Biology Volume: 65 Issue: 22 Pages: 225038-225038
  • DOI: 10.1088/1361-6560/abb92e
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Presentation] Whole Gamma Imaging Utilizing All Detectable Gamma Rays (2023)
  • Author(s): Tashima Hideaki, Takyu Sodai, Akamatsu Go, Takahashi Miwako, Akram Mohammadi, Nishikido Fumihiko, Hangyu Kang, Wakizaka Hidekatsu, Iwao Yuma, Yamaya Taiga
  • Organizer: The 19th Conference of Peace through Mind/Brain Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] シミュレーションによるWhole Gamma Imaging 4号機の性能予測 (2023)
  • Author(s): 菊地智也, 田久創大, 菅幹生, 田島英朗, 錦戸文彦, 山谷泰賀
  • Organizer: 第70回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 医用コンプトンカメラ標準性能評価法開発とフルリング型装置への適用 (2022)
  • Author(s): 田島 英朗, 赤松 剛, 田久 創大, 錦戸 文彦, 吉田 英治, 高橋 美和子, 山口 充孝, 河地 有木, 酒井 真理, 黒澤 俊介, 島添 健次, 武田 伸一郎, 山谷 泰賀
  • Organizer: 応用物理学会秋季学術講演会
• [Presentation] PETを超えるZr-89 WGIイメージングの可能性：シミュレーション研究 (2022)
  • Author(s): 田島 英朗, 田久 創大, 錦戸 文彦, 菅 幹生, 赤松 剛, 高橋 美和子, 山谷 泰賀
  • Organizer: 第62回日本核医学会学術総会
• [Presentation] Whole Gamma Imaging による89Zr撮像において 909keV コンプトンイメージングが PET の空間分解能を超える可能性 (2022)
  • Author(s): 田島 英朗, 田久 創大, 錦戸 文彦, 菅 幹生, 赤松 剛, 高橋 美和子, 山谷 泰賀
  • Organizer: 第41回日本医用画像工学会大会
• [Presentation] 画像処理におけるB2C (2022)
  • Author(s): 田島 英朗
  • Organizer: 未来PET Bench to Clinical ワークショップ2022
  • Invited
• [Presentation] Experimental assessment of completeness condition for WGI Compton image reconstruction (2022)
  • Author(s): Tashima Hideaki, Yoshida Eiji, Takyu Sodai, Nishikido Fumihiko, Nishina Takumi, Suga Mikio, Wakizaka Hidekatsu, Takahashi Miwako, Nagatsu Kotaro, Tsuji Atsushi
  • Organizer: JSRT-JSMP Joint International Conference on Radiological Physics and Technology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Simulation Study of Si/LGSO WGI: Working Towards 89Zr Imaging Outperforming PET (2022)
  • Author(s): Tashima Hideaki, Takyu Sodai, Nishikido Fumihiko, Suga Mikio, Akamatsu Go, Takahashi Miwako, Yamaya Taiga
  • Organizer: 2022 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference and Room Temperature Semiconductor Detector Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Potential of whole gamma imaging to exceed PET spatial resolution: a simulation study (2022)
  • Author(s): Tashima Hideaki, Takyu Sodai, Nishikido Fumihiko, Suga Mikio, Akamatsu Go, Takahashi Miwako, Yamaya Taiga
  • Organizer: 13th Congress of the World Federation of Nuclear Medicine and Biology, World Federation of Nuclear Medicine and Biology
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PETの物理限界を超える！WGIコンプトンイメージング (2022)
  • Author(s): 田島 英朗
  • Organizer: PETサマーセミナー2022 in 甲府
  • Invited
• [Presentation] Whole Gamma Imaging 4号試作機のシミュレーション設計 (2022)
  • Author(s): 菊地智也, 田久創大, 菅幹生, 田島英朗, 山谷泰賀
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] Whole Gamma Imaging 試作機のシミュレーションによる性能予測 (2022)
  • Author(s): 菊地智也, 田久創大, 菅幹生, 田島英朗, 錦戸文彦, 山谷泰賀
  • Organizer: 第41回日本医用画像工学会大会
• [Presentation] Design of a Whole Gamma Imaging Prototype Using 3-layer DOI Scatterer Detectors: Simulation Study (2022)
  • Author(s): S. Takyu, T. Kikuchi, M. Suga, H. Tashima, F. Nishikido, T. Yamaya
  • Organizer: 2022 IEEE Nuclear Science Symposium, Medical Imaging Conference and Room Temperature Semiconductor Detector Conferenc
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 半導体検出器とシンチレーション検出器を組み合わせたWhole Gamma Imagingの計算機シミュレーション (2022)
  • Author(s): 仁科 匠, 田島 英朗, 田久 創大, 錦戸 文彦, 菅 幹生, 赤松 剛, 山谷 泰賀
  • Organizer: 第69回応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] 3次元コンプトン画像再構成が可能な検出器ジオメトリ条件の実験的検証 (2021)
  • Author(s): 田島 英朗, 吉田 英治, 田久 創大, 錦戸 文彦, 仁科 匠, 菅 幹生, 脇坂 秀克, 高橋 美和子, 永津 弘太郎, 辻 厚至, 山谷 泰賀
  • Organizer: 第61回日本核医学会学術総会
• [Presentation] Effect on the Spatial Resolution of PET Event Recovery from Compton Events in C-shaped Compton-PET (2021)
  • Author(s): Nishina Takumi, Tashima Hideaki, Takyu Sodai, Nishikido Fumihiko, Suga Mikio, Yamaya Taiga
  • Organizer: 2021 IEEE Nuclear Science Symposium (NSS) and Medical Imaging Conference (MIC)
• [Presentation] WGIコンプトン画像再構成条件の実験的検討 (2021)
  • Author(s): 田島 英朗, 吉田 英治, 仁科 匠, 菅 幹生, 脇坂 秀克, 高橋 美和子, 永津 弘太郎, 辻 厚至, 鎌田 圭, 吉川 彰, Katia Parodi, 山谷 泰賀
  • Organizer: 第40回日本医用画像工学会大会
• [Presentation] Experimental Verification of the Effect of the Full-ring Geometry in WGI Compton Imaging (2021)
  • Author(s): Tashima Hideaki, Yoshida Eiji, Nishina Takumi, Suga Mikio, Wakizaka Hidekatsu, Takahashi Miwako, Nagatsu Kotaro, Tsuji Atsushi, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Katia Parodi, Yamaya Taiga
  • Organizer: 第121回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] Simulation study of a C-shaped Compton-PET geometry (2020)
  • Author(s): T. Nishina, H. Tashima, S. Takyu, F. Nishikido, M. Suga, T. Yamaya
  • Organizer: IEEE NSS&MIC 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] PET・コンプトンハイブリッド画像再構成の応用 (2020)
  • Author(s): 田島 英朗 , 吉田 英治 , 仁科 匠 , 田久 創大 , 錦戸 文彦 , 菅 幹生 , 脇坂 秀克 , 高橋 美和子 , 永津 弘太郎 , 辻 厚至 , 鎌田 圭 , 吉川 彰 , Katia Parodi , 山谷 泰賀
  • Organizer: 電子情報通信学会 JAMIT Frontier
• [Presentation] C型コンプトンPET装置のシミュレーション検討 (2020)
  • Author(s): 田島 英朗 , 仁科 匠 , 錦戸 文彦 , 田久 創大 , 菅 幹生 , 山谷 泰賀
  • Organizer: 応用物理学会春季学術講演会
• [Presentation] オープンリング型コンプトンPET装置のシミュレーション検討 (2020)
  • Author(s): 田島 英朗 , 仁科 匠 , 錦戸 文彦 , 田久 創大 , 菅 幹生 , 山谷 泰賀
  • Organizer: 第60回日本核医学会学術総会
• [Presentation] WGIコンプトン画像再構成におけるリング状検出器の効果の実験的検証 (2020)
  • Author(s): 田島 英朗 , 吉田 英治 , 仁科 匠 , 菅 幹生 , 脇坂 秀克 , 高橋 美和子 , 永津 弘太郎 , 辻 厚至 , 鎌田 圭 , 吉川 彰 , Katia Parodi , 山谷 泰賀
  • Organizer: 第81回応用物理学会秋季学術講演会
• [Remarks] イメージング物理研究グループ
  • URL: https://www.nirs.qst.go.jp/usr/medical-imaging/imaging-physics/
• [Remarks] 次世代PET研究報告書
  • URL: https://www.nirs.qst.go.jp/usr/medical-imaging/ja/study/main.html
• [Remarks] 次世代PET開発研究会報告書
  • URL: https://www.nirs.qst.go.jp/usr/medical-imaging/ja/study/main.html
• [Remarks] イメージング物理研究グループ｜量子医科学研究所｜量子科学技術研究開発機構(QST)
  • URL: https://www.nirs.qst.go.jp/usr/medical-imaging/imaging-physics/
• [Patent(Industrial Property Rights)] 情報処理装置、記録媒体及びプログラム (2021)
  • Inventor(s): 澁谷 憲悟, 齋藤 晴雄, 山谷 泰賀, 田島 英朗
  • Industrial Property Rights Holder: 東京大学，量子科学技術研究開発機構
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-113791
  • Filing Date: 2021