2017 Fiscal Year Annual Research Report
Towards New Fronties in High-resoluton 3-D Color Radiology Imaging
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15H05720
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
片岡 淳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90334507)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
畑澤 順 大阪大学, 医学系研究科, 教授 (70198745)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| Keywords | 低被ばく多色X線CT / コンプトンカメラ / MPPC / 3次元画像再構成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光増幅素子MPPCと高速シンチレータYGAG(時定数70ns)を組み合わせ、16chまでの低被ばく多色X線CTシステムを開発した。CTの高レートに対応するため専用高速アナログLSIを開発し、約5MHz までのレート耐性を確認した。MPPC の高い増幅率を生かすことで、従来CTの1/10～1/100の低線量で同等以上の高コントラスト画像が取得できることを示し(Morita et al. 2017)、さらにはエネルギー情報を用いた3次元多色イメージング、またK吸収端前後での吸収係数の変化を利用した物質同定にも成功した。
陽子線治療において、線量分布や飛程の確認は、正常組織へのダメージを最小限に抑えるために極めて重要なテーマである。陽子線治療の高精度化に向け、本研究ではPETを用いたオフライン計測を想定し、陽電子放出核種から生じるチェレンコフ光をCCDカメラで撮影することで、その生成頻度を簡単かつ正確に導出する画期的な手法を確立した。さらに、陽子線と体内の元素で生ずる様々な即発ガンマ線のうち 12C(p,p)12C* 由来の4.4MeVガンマ線に着目し、1－10MeVに特化した高エネルギー用コンプトンカメラ2種類の開発を行った。70MeV陽子線をPMMA板状ファントムに照射し、4.4MeVガンマ線の2次元画像取得に世界で初めて成功した 。さらに、治療計画の高精度化のため、陽子線そのものでCT画像を取得する、簡便かつ高解像度のシステムを開発した。
環境計測においてはドローンを用いた上空からの空撮画像を平面画像に変換して定量化する新手法を確立し、併せて高さ150メートルまでのスペクトル高度変化を測定した。さらには1Sv/h を超える環境下でも動作可能な３次元高線量カメラの開発に成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
X線イメージングについては、高精細シンチレータを用いた各種オートグラフィの成功、また、16chまでの低被ばくフォトンカウンティングCT システム構築と3次元物質同定等の予定実験は完了している。医療用ガンマ線イメージングについて、本年度は陽子線治療中の即発ガンマ線イメージングに集中した開発を行い、世界初となる4.4MeVガンマ線イメージングに成功した。環境ガンマ線イメージングについてはドローン搭載のガンマ線イメージング技術開発および高線量イメージングに予定通りの成果が得られており、システム全体の構成も確立しつつある。
さらに、本研究では、予定以上の成果が幾つか得られている。１つ目は、チェレンコフ光を用いた陽電子放出核種の生成断面積測定である。陽子線治療では、体内で止まる直前の、エネルギーが低い陽子の起こす核反応が鍵となるが、これらの測定は通常の原子核実験で測定することが難しい。陽子線はエネルギーを失いながら石英ガラス中を進むため、その深度分布はエネルギー分布として捉えることができる。また発光強度は核反応の断面積に比例するため、チェレンコフ光の強度分布を原子核の反応断面積に焼き直すことができる。ここで得られた断面積は、従来のデータベースを刷新する高い精度を誇り、高精度の陽子線治療を可能とした。2つ目として、X線CT画像は陽子線治療計画にも用いられるが、陽子線とX線は体内で起こす反応が全く異なるため、陽子線そのものでCT画像をとる試みについても検討した。従来、シリコンストリップ検出器など大掛かりなシステムを用いた陽子線CT測定はドイツなどでも試みられているが、本研究では医療用増感紙の発光をCCDで撮影することで、治療計画に必要な1mmの解像度を達成した。これら二つは当初の計画にはなく、研究過程で派生したテーマであるが、本研究の目的と相補的で非常な大きな成果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度以降も現状の分担研究者・連携研究者との協力体制の下で、テーマに沿った開発を進める。連携研修者の有元誠は金沢大学・助教として異動したが、今後もフォトンカウンティングCTの開発は継続する予定であり、64ch専用高速アナログLSIの開発と各種評価を進めていく。
医療用コンプトンカメラの開発に関しては、大阪大学医学部から臨床応用への要望が高まっている。具体的には、前立腺癌骨転移患者の塩化ラジウム (223-Ra)体内分布評価の撮影が主眼となる。223-Ra はアルファ線放出と共に270keV, 350keV など様々なガンマ線を体外に放出するため、これらを精度良くとらえれば、ドラッグデリバリーの有効な確認手段となりえる。これらは本研究で想定した以上の応用テーマであるが、将来の臨床に向けた洗い出し等、今後2年間で可能な限り進めておきたい。特に、これまで開発したコンプトンカメラはすべて137-Cs (662keV)以上のガンマ線を想定したもので、センサーの最適構成を再考する必要がある。平成30年度はセンサー部の最適化と試作、試験撮影、平成31年度にはヒトを対象とした本格的な臨床実験を目指したい。すでに、倫理申請は大阪大学、早稲田大学で終了しており、内容についても許可が得られている。その他、陽子線治療モニタに関しては、511keV ガンマ線の画像から陽子線量分布を導くアルゴリズムの新規構築、また4.4MeVなど即発ガンマ線撮影の高精度化を目指したい。とくに、現在は 放医研サイクロトロン施設ににおいて70MeV陽子線を用いた実験を主としているが、平成30年度からは、名古屋陽子線治療センターなど実際の治療施設において、200MeV程度の陽子線ビームを用いた実験を計画している。
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[Journal Article] Measurement of nuclear reaction cross sections by using Cherenkov radiation toward high-precision proton therapy2018
Author(s)
Masuda,T.; Kataoka,J.; Arimoto,M.; Takabe,M.; Nishio,T.; Matsushita,K.; Miyake,T,; Yamamoto,S.; Inaniwa,T; Toshito,T.
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Journal Title
Nature Scientific Reports
Volume: 8
Pages: 2570
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Development of a new pinhole camera for imaging in high doserate Environments2018
Author(s)
Sueoka,K.; Kataoka,J.; Takabe,M.; Iwamoto,Y.;Arimoto,M.; Yoneyama,M.; Yoda,I.; Torii,T; Sato,Y.; Kaburagi,M.; Terasaka,Y.
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Journal Title
Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A
Volume: in press
Pages: 未定
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Ultracompact Compton camera for innovative gamma-ray imaging2018
Author(s)
Kataoka,J.; Kishimoto,A.;Taya,T.; Mochizuki,S.; Tagawa,L.; Koide,A.; Sueoka,K.; Morita,H.; Maruhashi,T.; Fujieda,K.; Kurihara,T.; Arimoto,M.; Okochi,H.; Katsumi,N.; Kinno,S.; Matsunaga,K.; Ikeda,H.; Shimosegawa,E.; Hatazawa,J.; Ohsuka,S.; Toshito,T.; Kimura,M.; Nagao,Y.; Yamaguchi,M.; Kurita,K.; Kawachi,N.
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Journal Title
Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A
Volume: in press
Pages: 未定
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] Optimization and verification of image reconstruction for a Compton camera towards application as an on-line monitor for particle therapy2017
Author(s)
Taya,T.; Kataoka,J.; Kishimoto,A.; Tagawa,L.; Mochizuki,S.; Toshito,T.; Kimura,M.; Nagao,Y.; Kurita,K.; Yamaguchi,M.; Kawachi,N.
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Journal Title
Journal of Instrumentation
Volume: 12
Pages: P07015
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] Development of simple proton CT system with novel correction methods of proton scattering2017
Author(s)
Takabe,M.; Masuda,T.; Arimoto,M.; Kataoka,J.; Sueoka,K.; Maruhashi,T.; Tanaka,S.; Nishio,T.; Toshito,T.; Kimura,M.; Inaniwa,T.
Organizer
11th International "Hiroshima" Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking Detectors (HSTD11)
Int'l Joint Research
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[Presentation] A novel method of measuring nuclear reaction cross sections by using Cherenkov light toward high-precision proton therapy2017
Author(s)
Masuda,T.; Kataoka,J.; Arimoto,M.; Takabe,M.; Nishio,T.; Matsushita,T.; Miyake,T.; Yamamoto,S.; Inaniwa,T.; Toshito,T.
Organizer
IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Ultracompact Compton camera for innovative gamma-ray imaging2017
Author(s)
Kataoka,J.; Kishimoto,A.;Taya,T.; Mochizuki,S.; Tagawa,L.; Koide,A.; Sueoka,K.; Morita,H.; Maruhashi,T.; Fujieda,K.; Kurihara,T.; Arimoto,M.; Okochi,H.; Katsumi,N.; Kinno,S.; Matsunaga,K.; Ikeda,H.; Shimosegawa,E.; Hatazawa,J.; Ohsuka,S.; Toshito,T.; Kimura,M.; Nagao,Y.; Yamaguchi,M.; Kurita,K.; Kawachi,N.
Organizer
New Developments in Photodetection
Int'l Joint Research / Invited
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[Presentation] Development of a new pinhole camera for imaging in high dose-rate Environments2017
Author(s)
Sueoka,K.; Kataoka,J.; Takabe,M.; Iwamoto,Y.;Arimoto,M.; Yoneyama,M.; Yoda,I.; Torii,T; Sato,Y.; Kaburagi,M.; Terasaka,Y.
Organizer
New Developments in Photodetection
Int'l Joint Research
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