2018 Fiscal Year Annual Research Report
宇宙硬エックス線・ガンマ線検出テクノロジーの異分野への展開
| Project Area | Toward new frontiers : Encounter and synergy of state-of-the-art astronomical detectors and exotic quantum beams |
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| Project/Area Number |
18H05463
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
高橋 忠幸 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 教授 (50183851)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武田 伸一郎 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (80553718)
織田 忠 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (10746522)
柳下 淳 東京大学, カブリ数物連携宇宙研究機構, 特任助教 (20626676)
池田 博一 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙探査イノベーションハブ, 上席研究開発員 (10132680)
能町 正治 大阪大学, 核物理研究センター, 教授 (90208299)
内山 泰伸 立教大学, 理学部, 教授 (00435801)
サンペトラ オルテア 慶應義塾大学, 医学部(信濃町), 助教 (50571113)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2023-03-31
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| Keywords | CdTe / ガンマ線イメージング / 分子イメージング / SPECT / コンプトンカメラ / 核医学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究においては、宇宙観測研究から生まれた革新的 X 線・ガンマ線センサー技術、特に、本研究班が世界に先駆けて開発した大面積テルル化カドミウム半導体イメージャを発展させ、本領域が進める様々な応用分野への展開をはかることを目的としている。そのため、様々な機会を設け、専門家との議論を行うことで、領域内各計画研究や核医学の現場における要求を整理し，必要な装置の概念設計，基本設計を進めた。特に、腫瘍内のがん細胞の性質や多様性の研究や負ミュオンを用いた非破壊元素分析にもちいる検出器の検討や試験を行なった。実際の医学応用に向けた性能評価のために、1mm以下の様々な直径を持つ微細構造を模擬したファントムを開発した。さらに、マルチピンホールとCdTe両面ストリップ検出器を組み合わせた小動物 SPECT イメージング装置を構築し、微小線源を用いたキャリブレーションを行い、非密封線源を用いたファントムの性能評価を行ったうえで、実際に125I, 111In, 99mTcなどを用いた小動物実験を行った。さらに， 100 keV以上のエネルギーのガンマ線の近接イメージングのために、Si/CdTe コンプトンカメラを用いて、近接撮像実験の結果から断層写真を得るアルゴリズムの開発を行った。また、腫瘍のイメージングに必要な化学プローブの研究や、最適なコリメータの形状の検討、検出器のモンテカルロシミュレーションの研究を進めた。可搬型のシステムの実現に向けたCdTe半導体を用いた新しい両面ストリップ検出器の開発とともに、高速で小型のデータ 収集装置の開発を行なった。並行して、機械学習の画像処理への応用、将来の新たな宇宙観測ミッションに向けたサイエンスや観測装置の検討を進めた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
国立がんセンターとの共同研究を実現し、マルチピンホールとCdTe両面ストリップ検出器を組み合わせた小動物 SPECT イメージング装置を構築し、非密封線源を用いたファントムや実際にマウスを対象とした実験を開始する環境を整備することができた。既設のシンチレータを用いたSPECT装置やCT装置などとの比較実験やプローブの合成も可能となった。医学応用に向けた性能評価のために、1mm以下の様々な直径を持つ微細構造を模擬したファントムを開発し、非密封線源を用いて性能評価を行うとともに、125I, 111In, 99mTcなどを用いた小動物実験を複数行い、イメージングのアルゴリズムの検討や、投与量などの最適化を行ない、CdTe半導体の高いエネルギー分解能を生かしたマルチカラーイメージングの実現に向けた実験を進めることができた。画像再構成においては、応答関数をOn-the-Flyで動的に計算しながら行う必要があるLMML法を用いたアルゴリズムを開発し、GPUを用いた高速化に成功した。実際に、１６８穴ものマルチピンホールによって取得されたデータを視野内のレスポンスのキャリブレーションを行ったうえで、断層写真を再構築することに成功した。
化学プローブの開発を行い、マウスの生体内におけるALDH高活性細胞を認識できるかを検証した。領域横断的な技術開発の検討を進め、B01班で用いられるセンサーの試作の試験を行うとともに、システムの基本設計を行なった。CdTe両面ストリップ検出器の実装の改良法を見出し、次年度の製造の目処をたてた。モンテカルロシミュレーションにおいては、宇宙観測用に開発したGeant4によるシミュレーションコードにより、CdTe両面ストリップ検出器の応答の再現をはかるとともに、３Dプリンタを導入して実験現場での検討のためのモデル作成の環境整備をはかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、領域内各計画研究や核医学の現場における要求を整理し，開発する装置の概念設計，基本設計を進め、試作にはいる。高速で小型のデータ 収集装置の開発を進め、各計画研究班の実験環境に応じた可搬型の装置の試作を行う。両面ストリップ検出器の動作や、データ収集に関して、FPGAを用いたIPの整備をはかる。データ収集においては、衛星内のネットワーク標準であるSpaceWireを用いる。
マルチピンホールを用いた小動物 SPECT イメージングの実証実験を発展させ、ガントリー型の装置を用いた３次元イメージングに着手する。また、既開発の Si/CdTe コンプトンカメラを用いた3D イメ ージングをファントムを用いて開始する。小動物を対象とした近接光学系の設計，非密封線源を用いた評価実験を行い，必要に 応じて改良する。臓器や血管などの形状や密度分布を模したマウスの数学モデルを用いたシミュレーションの下研究をすすめ、コリメータの設計検証を行う。 有効面積やエネルギー分解能をより向上させるためのCdTe半導体素子の研究進め，両面ストリップ検出器の改良点をあら いだす。腫瘍内のがん細胞の性質や多様性の研究に向けた準備を行い，環境が整い次第実施する。そのための放射性プローブやドラッグデリバリの検討を行う。引き続き、機械学習の画像処理への応用、将来の新たな宇宙観測ミッションに向けたサイエンスや観測装置の検討を進める。
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