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Proposal of "Quantum PET" and sensing of radiotherapy effect by positron lifetime

Research Project

Project/Area Number 22K12881
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 90130:Medical systems-related
Research InstitutionNational Institutes for Quantum Science and Technology

Principal Investigator

田久 創大  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, 研究員 (60796473)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 松本 謙一郎  国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 放射線医学研究所 放射線規制科学研究部, グループリーダー (10297046)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords量子PET / 陽電子寿命 / フリーラジカル / 放射線治療効果
Outline of Research at the Start

切らずに治す究極のがん治療法とも言える重粒子線治療の真価を発揮するため、患者体内の線量分布をその場で非侵襲的に3次元画像化する方法が切望されている。本研究では、放射能分布を画像化する従来PET(陽電子断層撮像法)とは異なり、陽電子寿命を画像化する独自コンセプト「量子PET」を提案し、放射線治療効果の大半を担うフリーラジカルのセンシングが可能かどうかを実証する。陽電子放出核種は、PETにおいて検査薬につける目印として多用されてきたが、放出された陽電子がごく近傍の電子と対消滅して放射線に変わるまでの数ナノ秒の時間差をフリーラジカルのバイオマーカーとする挑戦は世界に類がない。

Outline of Annual Research Achievements

切らずに治す究極のがん治療法とも言える重粒子線治療の真価を発揮するため、患者体内の線量分布をその場で非侵襲的に3次元画像化する方法が切望されている。本研究では、放射能分布を画像化する従来PET (positron emission tomography)とは異なり、陽電子が対消滅するまでの時間(寿命)を画像化する独自コンセプト「量子PET」を提案し、放射線治療効果の大半を担うフリーラジカルのセンシングが可能かどうかを検証する。フリーラジカルは不対電子を持つため、フリーラジカルの濃度が高い環境ほど陽電子が対消滅しやすくなる、つまり寿命が短くなるはずである。
2023年度は、重粒子線照射中における陽電子寿命計測のテストを行った。Na-22水溶液1 MBqを寒天で固めた密封ファントムに290 MeV/u炭素線を照射し、Na-22から放出されるガンマ線をPET検出器で計測する実験体系を構築した。ビーム強度を変えながら陽電子寿命計測を行った結果、ビーム強度1千万pps以上では、正確な陽電子寿命計測が難しくなることがわかった。さらに、文献ベースの調査と計算による大まかな推定を行ったところ、重粒子線照射によって水中に発生するフリーラジカル種の量は、0.3 μmol/L/Gy(0.3 μM/Gy)程度であることがわかった。水中では、この係数に基づく量のフリーラジカルが発生し、種々の反応を起こして、最終的には数百ns~μs後に消滅している。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

予定していた実験が概ね完了したため。一方で、フリーラジカルの生成量を増やすために重粒子線の照射線量を高めると、即発ガンマ線を起因とする偶発同時計数が過剰に増えてしまい、陽電子寿命値を正確に求めることが益々難しくなることがわかった。

Strategy for Future Research Activity

上述した理由により照射線量を高めることが難しくなったため、現状の最先端レベルのPET検出器で、どのくらい低濃度のラジカルまで定量できるかを詳細に調べる必要が生じた。高時間分解能PET検出器で構成された臨床PET装置を使用して、水溶液中のフリーラジカル濃度と陽電子寿命について、低濃度領域における詳細を調べて考察する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 2 results) Presentation (15 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 2 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Positron annihilation lifetime measurement with TOF-PET detectors: feasibility of Iodine-124 use2023

    • Author(s)
      Takyu Sodai、Ikeda Hayato、Wakizaka Hidekatsu、Nishikido Fumihiko、Matsumoto Ken-ichiro、Tashima Hideaki、Suzuki Hisashi、Funaki Yoshihito、Watabe Hiroshi、Takahashi Miwako、Yamaya Taiga
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 16 Issue: 11 Pages: 116001-116001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ad047c

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Two-dimensional positronium lifetime imaging using certified reference materials2022

    • Author(s)
      Takyu Sodai、Shibuya Kengo、Nishikido Fumihiko、Tashima Hideaki、Takahashi Miwako、Yamaya Taiga
    • Journal Title

      Applied Physics Express

      Volume: 15 Issue: 10 Pages: 106001-106001

    • DOI

      10.35848/1882-0786/ac8d7b

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 陽電子寿命による水溶液中ラジカルの定量:臨床PET装置を用いた実験2024

    • Author(s)
      田久創大, 松本謙一郎, 錦戸文彦, 赤松剛, 田島英朗, 高橋美和子, 山谷泰賀
    • Organizer
      第71回応用物理学会春季学術講演会, 25a-12E-3
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Positronium lifetime measurement in stable radical aqueous solutions for dose estimation in radiotherapy2023

    • Author(s)
      Sodai Takyu, Ken-ichiro Matsumoto, Fumihiko Nishikido, Go Akamatsu, Hideaki Tashima, Miwako Takahashi, Taiga Yamaya
    • Organizer
      JSRT-JSMP Joint International Conference on Radiological Physics and Technology (ICRPT), TPI-041
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Resolving 10 mmHg and 40 mmHg pO2 samples by positronium lifetime in clinical PET2023

    • Author(s)
      S. Takyu, F. Nishikido, H. Tashima, G. Akamatsu, K. Matsumoto, M. Takahashi, T. Yamaya
    • Organizer
      IEEE NSS MIC RTSD, M-17-420
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Iodine-124 enables positronium lifetime measurement with TOF-PET detectors2023

    • Author(s)
      S. Takyu, H. Ikeda, H. Wakizaka, K. Matsumoto, F. Nishikido, H. Tashima, M. Takahashi, H. Watabe, T. Yamaya
    • Organizer
      IEEE NSS MIC RTSD, M-17-411
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子PET 研究:124I による陽電子寿命測定2023

    • Author(s)
      田久創大, 池田隼人, 脇坂秀克, 松本謙一郎, 錦戸文彦, 田島英朗, 高橋美和子, 渡部浩司, 山谷泰賀
    • Organizer
      第70回応用物理学会春季学術講演会, 15p-D311-7
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] ポジトロニウム寿命による酸素分圧センシング:臨床用PET装置を用いた実証2023

    • Author(s)
      田久創大, 錦戸文彦, 田島英朗, 赤松剛, 松本謙一郎, 高橋美和子, 山谷泰賀
    • Organizer
      第60回アイソトープ・放射線研究発表会, 2B05-06-02
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 量子PET:ポジトロニウムイメージングの実証実験2023

    • Author(s)
      田久創大, 澁谷憲悟, 松本謙一郎, 錦戸文彦, 田島英朗, 高橋美和子, 山谷泰賀
    • Organizer
      第84回応用物理学会秋季学術講演会, 21p-A602-1 (第29回放射線奨励賞受賞記念講演)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] ポジトロニウム寿命による低酸素腫瘍識別の可能性の検証:臨床PET装置を用いた物理実験2023

    • Author(s)
      田久創大, 錦戸文彦, 田島英朗, 赤松剛, 松本謙一郎, 高橋美和子, 山谷泰賀
    • Organizer
      第63回日本核医学会学術総会, 2-MO29-03
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 量子PETで放射線治療強度を定量可能か?:水溶液内ラジカルの検出2022

    • Author(s)
      田久 創大, 澁谷 憲悟, 松本 謙一郎, 錦戸 文彦, 赤松 剛, 田島 英朗, 高橋 美和子, 山谷 泰賀
    • Organizer
      第62回日本核医学会学術総会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 量子 PETの基礎研究:水溶液中のポジトロニウム寿命と安定ラジカルTEMPOL濃度の関係2022

    • Author(s)
      田久 創大, 澁谷 憲悟, 松本 謙一郎, 錦戸 文彦, 田島 英朗, 高橋 美和子, 山谷 泰賀
    • Organizer
      第59回アイソトープ・放射線研究発表会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 量子PETの応用:安定ラジカル水溶液中のポジトロニウム寿命2022

    • Author(s)
      田久 創大, 松本 謙一郎, 澁谷 憲悟, 田島 英朗, 高橋 美和子, 錦戸 文彦, 山谷 泰賀
    • Organizer
      第69回応用物理学会春季学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Q-PET研究(部門長ファンド/理事長ファンド)2022

    • Author(s)
      田久 創大
    • Organizer
      次世代PET研究会2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Positronium Lifetime in Aqueous Solutions Containing Stable Radicals2022

    • Author(s)
      Takyu Sodai, Shibuya Kengo, Matsumoto Kenichiro, Nishikido Fumihiko, Akamatsu Go, Tashima Hideaki, Takahashi Miwako, Yamaya Taiga
    • Organizer
      2022 IEEE NSS MIC RTSD
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Feasibility of dose estimation by PET using positronium lifetime: detecting radicals in aqueous solution2022

    • Author(s)
      Takyu Sodai, Shibuya Kengo, Matsumoto Kenichiro, Nishikido Fumihiko, Akamatsu Go, Tashima Hideaki, Takahashi Miwako, Yamaya Taiga
    • Organizer
      13th Congress of the World Federation of Nuclear Medicine and Biology (WFNMB 2022)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 量子PET:ポジトロニウム寿命の核医学応用2022

    • Author(s)
      田久 創大
    • Organizer
      SMART2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Remarks] 次世代PET研究報告書

    • URL

      https://www.nirs.qst.go.jp/usr/medical-imaging/ja/study/main.html

    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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