最新のデジタル半導体PET装置に対応した心臓動態ファントムの開発と撮像技術の確立

• Project/Area Number: 21K12698
• 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: Hokkaido University
• Principal Investigator: 孫田 惠一 北海道大学, 大学病院, 診療放射線技師長 (20636419)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山品 博子 福島県立医科大学, 保健科学部, 講師 (00726242) ; 納谷 昌直 北海道大学, 大学病院, 講師 (20455637) ; 平田 健司 北海道大学, 医学研究院, 准教授 (30431365)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 半導体 / PET / 心臓 / ファントム / ポジトロン断層撮影 / 心臓動態ファントム / デジタル半導体PET

Outline of Research at the Start

心臓を対象としたポジトロン断層撮影(PET)では、心拍や呼吸による動きのため画像がブレてしまい、病変の検出能力が低下する。心拍と呼吸をPET装置上でモニタリングし撮像する方法は動きを補正する有力な方法であるが、画像ノイズを増加させるため検出能力は担保されていないことが多い。次世代型のデジタル半導体PETは高解像度・低ノイズを実現するが、動きのある病変での撮像手法は最適化されておらず、その特長を活かせていない。本研究では、動きのある心臓領域におけるデジタル半導体PETの最適な撮像方法を確立し、検出能力の担保された心臓PET画像の構築を目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、デジタル半導体PETに対応する心臓サルコイドーシスおよび冠動脈プラークによる炎症病変を含むヒト心臓を再現したファントムを開発することである。
令和4年度は、令和3年度に行った冠動脈および心筋を模したファントム素材の選定結果を踏まえ、径や大きさなど詳細な形状の設計を行いα版ファントムを製作し、強度試験を行った。特に心筋は、心拍による動きによる影響を受けるため、ある程度の柔軟性と強度を兼ね備えている必要があった。ファントム構成物質の混合率を種々に変化させ、最適と考えられるファントムを数回に渡って試作した。また、同時に作製に掛かる再現性も合わせ慎重に検討を行った。最終的に製作した試作版に対して、CT撮影し確認したところ、ヒトの心筋のCT値とはかけ離れていたため微量の造影剤を添加し調整する必要があることが判明した。ところが、CT値は目的とする数値となったものの、今回選定した心筋用の素材に造影剤を添加すると多くの気泡が発生するなどの問題点が発覚した。現在は製作手順を見直すなど解決策を模索している段階である。
一方で、上記と同時に冠動脈および心筋以外の臓器（肺、縦隔、骨）に関して、素材の選定と3Dプリンタを用いた簡易モデルの製作を行った。同モデルをCT撮影し、CT値や形状など概ね想定したファントムとなっていることを確認した。更に、呼吸による動きを再現する装置を準備し、呼吸波形の入出力確認およびファントムとの接合部位の確認を行い、問題が無いことも確認した。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初の計画では、令和4年度終了時点で心臓動態ファントムそのものの開発は終了し、実際にPET撮像を行うことで、最適な撮像手法を探索する予定であったが、現状は心筋部分の製作が終了していない。製作にあたって問題となる点は解決できる算段はついているため、令和5年度上半期には、冠動脈、呼吸ファントムおよび動態ファントムとの接合を行い、ファントムは完成する予定である。その後、速やかにPET撮像による撮像手法の最適化を行う予定である。

Strategy for Future Research Activity

当初、令和5年度は製作したファントムの妥当性をヒトのPET画像と比較することで検討する予定であった。現状、ファントムの最終形は完成していない状況であるが、令和5年度上半期中には完成する予定であり、下半期には上記検討を行うことができると考えている。比較対象となるヒトPET画像は既に収集を終了しているため、ファントムが完成し次第速やかに検討ができる状況であると考えている。