Towards New Fronties in High-resoluton 3-D Color Radiology Imaging

2018 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H05720
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 片岡 淳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90334507)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 畑澤 順 大阪大学, 医学系研究科, 教授 (70198745)
• Project Period (FY): 2015-05-29 – 2020-03-31
• 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

Outline of Annual Research Achievements

本年度は新規開発の16チャンネルMPPCアレイと各種造影剤を用いたK吸収端イメージングを行い、得られた多色CT画像の定量評価を行った。時定数や発光量の異なるYGAGセラミック・シンチレータを複数用意し、濃度の異なる(5,10,15,20mg/ml)ヨード造影剤をイメージングし、推定精度を見積もった。次に、ヨードとガドリニウムの同時イメージングに挑戦し、K吸収端エネルギーの違いを利用して弁別が可能であることを実証した。複数造影剤を同時に投与することで、CT撮影を一度に纏めて実施することが可能であり、さらなる低線量化が期待できる。64chのMPPCやアナログLSIも製作を完了し、素子単体の評価と評価システムの立ち上げを行っている。コンプトンカメラの開発では、骨転移のある去勢抵抗性前立腺ガンの特効薬として223-Raに着目し、阪大病院において患者を対象とした世界初の臨床試験を行った。223-Raはα線放出と同時にガンマ線も放出し、原理的にはその体内分布をガンマカメラで求めることが可能である。わずか10分で体全体の223-Ra集積状況を捉えることに成功し、コンプトンカメラの優位性を示すことができた。前年度に引き続き、陽子線治療中に発生する即発ガンマ線のイメージングにも挑戦した。4.4MeVガンマ線に対し約5°(FWHM)の解像度を達成し、昨年度得られた約15°(FWHM)よりも性能を大幅に改善している。最後に、同カメラをSpring8内ニュースバル実験施設に持ちこみ、1.73MeV, 3.87MeVの準単色ガンマ線ビームを用いて性能評価を行った。1.73MeVのガンマ線に対して角度分解能で 約3°(FWHM), 3.87MeVに対して約4°(FWHM) を実現し、最先端の宇宙観測をふくめ様々な応用が可能であることを示した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本研究では (1) 低被ばく多色X線CTの開発 (2) 高感度コンプトンカメラの開発の二つを軸に、医療から環境計測にわたる応用展開を目指している。いずれも、申請時の目標を既に大きくクリアしており、高精度粒子線治療に向けた画期的な測定法の考案（Masuda et al. 2018; Nature Sci.Rep）や超高線量イメージングの成功(Sueoka et al. 2019; NIM-A)など、当初予定した以上の大きな成果も得られている。とくに前者はチェレンコフ光を用いた画期的な発明であり、基礎物理分野（原子核実験）にも大きなインパクトを与えた。本年度は、さらに陽子線の照射線量を高速かつ正確に見積もるアルゴリズムの確立にも成功した。一方で、(1) では次のステップ生体マウス等を用いた実験をぜひとも行い、臨床への足掛かりとしたいこと、また(2)では実際の治療ビームを用いた実証が不十分であり、本来の目的である原理検証は終了したものの、治療現場への導入には課題が残っている。環境計測に関しては、本年度は福島・浪江での実験を1回行ったが、昨年度に比べると密度が低く進展が遅い部分も目立った。それらすべてを加味して、本年度はやや控えめな自己評価とした。

Strategy for Future Research Activity

2019年度は本研究課題の最終年度となる。学術論文や国際学会での発表を積極的に行い、5年間の成果を総動員で纏めつつある。さらに、今後のさらなる応用展開を目指し、新たな実験へも挑戦していきたい。CT撮影においては、管電流1mA 程度でMPPCの発熱によるゲイン低下が見られた。本年度は熱特性に優れたセラミックパッケージを新規開発し、64ch改良版LSIと組み合わせることで、CT画像の大幅なS/N改善を狙う。同時に、高速かつ高発光量のYGAGシンチレータ(64chアレイ)の開発を日立金属と進める。コンプトンカメラについては、ヒト撮影用の10cm角サイズ大型装置を製作中で、夏頃には阪大病院での臨床試験に投入が見込まれる。さらに、223-Ra以外のα線放出核種、211-At や 225-Ac についてもガンマ線イメージングの可能性を検討し、阪大アイソトープセンタでファントム実験を予定している。α線内用療法は今後ますます盛んになることが見込まれ、今後の社会ニーズに合わせた開発方針を確立する。陽子線治療においては、4.4MeVガンマ線イメージングのほかに、p+11Bから生ずる3α反応の利用が注目を集めている。韓国カトリック大学や名古屋陽子線治療センターと共同で、5月にコンプトンカメラを用いた即発ガンマ線イメージングを予定している。環境計測においては、福島で続けてきたドローンによる複数箇所マッピングの測定から3Dステレオ観測の結果をまとめ、さらに、雷雲中の原子核反応で生ずる核ガンマ線イメージングにも挑戦する。現在、測定地点の選定および計測システムの立ち上げを行っており、年度内に試験観測を開始する。

Research Products

• [Journal Article] High-precision Compton imaging of 4.4 MeV prompt gamma-ray toward an on-line monitor for proton therapy (2019)
  • Author(s): Mochizuki,S.; Kataoka,J.; Koide,A.; Fujieda,K.; Maruhashi,T.; Kurihara,K.; Sueoka,K.; Tagawa,L.; Yoneyama,M.; Inaniwa,T.
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Meth. Section A Volume: 未定 Pages: 未定
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.032
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Evaluation of a novel photon-counting CT system using a 16-channel MPPC array for multicolor 3-D imaging (2019)
  • Author(s): Maruhashi.T.; Morita,H.; Arimoto,M.; Kataoka,J; Fujieda,K.; Nitta,H.; Ikeda,H.; Kiji,H
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Meth. Section A Volume: 未定 Pages: 未定
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.11.018
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] An ultrahigh spatial resolution radiation-imaging detector using 0.1 mm × 0.1 mm pixelated GAGG plate combined with 1 mm channel size Si-PM array (2019)
  • Author(s): Yamamoto,S.; Kataoka,J.; Kamada,K.; Yoshikawa,A
  • Journal Title: Nuclear Inst. and Meth. Section A Volume: 919 Pages: 125-133
  • DOI: https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.12.002
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Precision imaging of 4.4 MeV gamma rays using a 3-D position sensitive Compton camera (2018)
  • Author(s): Koide,A.; Kataoka,J.; Masuda,T.; Mochizuki,S.; Taya,T.; Sueoka,K.;, Tagawa,L.; Fujieda, K.;, Maruhashi,T.; Kurihara, T.;, Inaniwa,T
  • Journal Title: Nature Scientific Reports Volume: 8 Pages: 8116
  • DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-018-26591-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development of ultrahigh resolution radiation imaging detector using 1 mm channel size Si-PM array combined with 0.2 mm × 0.2 mm pixelated GAGG plate (2018)
  • Author(s): Yamamoto,S.; Kataoka,J.; Fukuchi,T.; Kamada,K.; Yoshikawa,A
  • Journal Title: Journal of Instrumentation Volume: 13 Pages: P05028
  • DOI: https://doi.org/10.1088/1748-0221/13/05/P05028
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Demonstrative imaging of multiple contrast agents for next generation color X-ray CT (2019)
  • Author(s): Maruhashi,T.; Kiji,H.; Kataoka,J.; Arimoto,M.; Terazawa,S.; Shiota,S.; Ikeda,H.
  • Organizer: Vienna Conference on Instrumentation 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First demonstration of portable Compton camera to visualize 223-Ra concentration for radionuclide therapy (2019)
  • Author(s): Fujieda,K.; Kataoka,J.; Mochizuki,S.; Tagawa,L.; Sato,S.; Tanaka,R.; Matsunaga,K.; Kamiya,T.; Watabe,T.; Shimosegawa,E, Hatazwa,J.
  • Organizer: Vienna Conference on Instrumentation 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 次世代カラーX線CTに向けた複数造影剤イメージングの実証 (2019)
  • Author(s): 木地 浩章、丸橋 拓也、片岡 淳、有元 誠、寺澤 慎祐、塩田 諭、池田 博一
  • Organizer: 第66回応用物理学会
• [Presentation] RI内用療法に向けたコンプトンカメラによる223-Raイメージングの実証 (2019)
  • Author(s): 藤枝 和也、片岡 淳、望月 早駆、田川 怜央、佐藤 将吾、田中 稜、松永 恵子、神谷 貴史、渡部 直史、下瀬川 恵久、畑澤 順、大須賀 慎二
  • Organizer: 第66回応用物理学会
• [Presentation] RI内用療法に向けた大面積コンプトンカメラの最適化検証 (2019)
  • Author(s): 田中 稜、片岡 淳、望月 早駆、田川 怜央、藤枝 和也、佐藤 将吾、吉野 将生、鎌田 圭、吉川 彰
  • Organizer: 第66回応用物理学会
• [Presentation] 福島県浪江におけるガンマ線スペクトルの高度変化測定 (2019)
  • Author(s): 栗原 拓也、片岡 淳、棚田 和玖、望月 早駆、田川 怜央、丸橋 拓也、細越 裕希、大河内 博、後藤 友里絵
  • Organizer: 第66回応用物理学会
• [Presentation] First demonstration of portable Compton camera to visualize 223-Ra concentration for radionuclide therapy, (2018)
  • Author(s): Fujieda,K.; Kataoka,J.; Mochizuki,S.; Tagawa,L.; Sato,S.; Tanaka,R.; Matsunaga,K.; Kamiya,T.; Watabe,T.; Shimosegawa,E.; Hatazawa,J.
  • Organizer: 5th international workshop on New Photon Detectors 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Demonstrative imaging of multiple contrast agents for next generation color X-ray CT (2018)
  • Author(s): Maruhashi,T.; Kiji,H.; Kataoka,J.; Arimoto,M.; Terazawa,S.; Shiota,S.; Ikeda,H.
  • Organizer: 5th international workshop on New Photon Detectors 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First precision spectroscopy of cesium-137 from the ground to 150m above in Fukushima (2018)
  • Author(s): Kurihara,T.; Kataoka,J.; Tanada,K.; Mochizuki,S.; Tagawa,L.; Maruhashi,T.
  • Organizer: 5th international workshop on New Photon Detectors 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] High-precision Compton imaging of 4.4MeV prompt gamma-ray toward on-line monitor for proton therapy (2018)
  • Author(s): Mochizuki,S.; Kataoka,J.; Koide,A.; Fujieda,K.; Maruhashi,T.; Kurihara,K.; Sueoka,K.; Tagawa,L.; Yoneyama,M.; Inaniwa,T.
  • Organizer: IEEE MIC/NSS 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Precision imaging of 4.4MeV gamma rays using 3-D position sensitive Compton camera (2018)
  • Author(s): Kataoka,J.; Koide,A.; Masuda,T.; Mochizuki,S.; Taya,T.; Sueoka,K.;, Tagawa,L.; Fujieda, K.;, Maruhashi,T.; Kurihara, T.;, Inaniwa,T
  • Organizer: SORMA XVII
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of high-resolution Compton camera for prompt gamma-ray imaging during proton therapy (2018)
  • Author(s): Mochizuki,S.; Kataoka,J.; Koide,A.; Fujieda,K.; Maruhashi,T.; Kurihara,K.; Sueoka,K.; Tagawa,L.; Yoneyama,M.; Inaniwa,T.
  • Organizer: 14th PISA meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Evaluation of a novel photon-counting CT system using 16-ch MPPC array for multicolor 3D imaging (2018)
  • Author(s): Maruhashi,T.; Kiji,H.; Kataoka,J.; Arimoto,M.; Terazawa,S.; Shiota,S.; Ikeda,H.
  • Organizer: 14th PISA meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 核医学や高精度陽子線治療にむけたイメージング装置の開発 (2018)
  • Author(s): 片岡 淳
  • Organizer: アイソトープ協会・放射線基礎セミナー
  • Invited
• [Remarks] 測定器開発優秀修士論文賞（高エネルギー加速器研究機構 主催）
  • URL: http://rd.kek.jp/ronbun/award2018.html
• [Remarks] 世界初、4.4MeVガンマ線の高精度イメージングに成功 先端医療と宇宙をつなぐ、新しい架け橋へ
  • URL: https://www.waseda.jp/top/news/59259