High-speed high-spatial-resolution quad-energy X-ray computed tomography scanner using a CdTe array detector

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K10371
• Research Institution: Iwate Medical University
• Principal Investigator: 佐藤 英一 岩手医科大学, 教養教育センター, 教授 (90154038)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: エネルギー弁別X線CT / CdTeアレー / クアッドエネルギー / トリプルエネルギー / エネルギーサブトラクション / KエッジCT / 高空間分解能 / ビームハードニングＣＴ

Outline of Annual Research Achievements

●CdTeアレーを使った1.5倍拡大撮影: 空間分解能の向上を目指して，0.1 mmフォーカスX線管により1.5倍拡大撮影を行い，約0.07 mmの空間分解能を実現した。
●エネルギーサブトラクションプログラムの構築: スレッショルドエネルギーが異なる2つのRawファイル画像を差し引き，エネルギーサブトラクション画像を構成するプログラムを構築した。
●CdTeアレーによるデュアルエネルギー（DE）CT撮影: 2値のスレッショルドエネルギーを設定して平均エネルギーの異なる2ファイルの断層像を撮影し，エネルギーサブトラ クションにより準単色撮影を行った。よって，ヨウ素（I）とガドリニウム（Gd）のKエッジCTでは, それぞれ33～50 keVと50～100 keVのフォトンを用いることになる。これら2種のKエッジ撮影法を用いて造影剤入りファントムを撮影し，画像コントラストの変化を確かめた。
●高速エネルギー弁別検出器の基礎研究: CdTe，LSO-PMT，YAP(Ce)-μPMTなどの検出器に用いる複数の小型の高速増幅器を試作した。次に，Am 241から発生するγ線を用いてエネルギー分解能を測定し，カウントレートの向上をはかった。一般に，マルチチャンネルアナライザー(MCA)は1 μs以上のパルス幅を有するイベントパルスの波高分析に利用されるので，MCAでの測定値は実際の波高値よりも小さい値になる。よってパルス幅拡張器を作製し，エネルギー補正無しで，X線スペクトルを測定した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

●CdTeアレーを使った1.5倍拡大撮影: 当初は２倍拡大撮影を予定したが，まずは1.5倍拡大撮影を行った。0.1mmフォーカスX線管を用いていることから，2019年度は２倍拡大を目指す。
●エネルギーサブトラクションプログラムの構築: 当初はフォトンカウンティングのエネルギーサブトラクションを目指したが，アレーの詳細が明かされていないため，Rawファイルでのサブトラクションを行った。
●CdTeアレーによるDE-CT: 研究テーマのクアッドエネルギー（QE）CT撮影は第一世代ではすでに成功している。アレーを用いてQE-CTを実現するにはDE-CTをスレッショルドエネルギーを変えて２度行えば可能である。しかし，実用的にはサブトラクションを含めてトリプル（TE）CTで十分であり，TE-CTの画質を向上し，撮影時間を短縮することが重要であると判断した。
●高速エネルギー弁別検出器: CdTe検出器を用いた場合にはイベントパルス幅が1 μs以上となるため，最大カウントレートは100 kcps程度である。一方，YAP(Ce)-PMT検出器などから発生するイベントパルスの幅は100 ns程度まで縮めることができることから，1 Mcpsのカウントレートを比較的容易に達成できる。よって，コンパレーター回路の時間分解能を改善することにより，カウントレートが増し，画質が改善されると思われる。加えて第一世代CTの実験では４個の鉛製ピンホールを用い，散乱線を除去し，空間分解能を改善することができた。総じて当初の計画はほぼ予定通りに遂行され，研究成果に関する複数の論文もすでにアクセプトされている。

Strategy for Future Research Activity

●CdTeアレーを用いたTE-CTの画質改善：　DEのCdTeアレーを用いた場合にはエネルギーサブトラクションも含めてTEとなる。本研究ではX線管を固定し，X線スペクトル，検出器の位置，ターンテーブルの位置などを調整して，特にリングアーチファクトを低減することを目指す。
●CdTeおよびYAP(Ce)-PMTを用いたエネルギー弁別X線CT画像の画質改善：　カウントレートを増し，空間分解能を向上させ，トランスレーションステップを0.1 mmに設定し，さらに散乱線を低減することにより，第一世代CT画像の画質を改善する。
●CdTeを用いた新しいエネルギー弁別X線CTの開発：　一般にX線スペクトルの実効エネルギーは被写体を透過することにより高まる。よって検出器に取り付けられた増幅器の最大出力電圧を固定し，検出器モジュール中の増幅器の増幅率を高めた際のプロジェクション出力を計算して画像再構成すれば，断層像の平均エネルギーは高まる。
●YAP(Ce)-PMTを用いたビームハードニングX線CTの開発：　X線フォトンのカウントによりPMTから発生される負のパルスを反転増幅する。次いで，前述のようにビームハードニングによりフォトンエネルギーの高い断層像を再構成する。
●フォトンカウンティング・ビームハードニングX線CTの開発：　一般に，検出器の感度はフォトンエネルギーに比例する。このエネルギー依存を是正するため，すべてのフォトンをカウントしてビームハードニングを用いることにより，エネルギー弁別CTを試みる。

Causes of Carryover

プログラム作成費の支払いが2019年５月になったため，見かけ上，予算が余った

Research Products

• [Journal Article] Low-dose low-scattering X-ray computed tomography with high-spatial-energy resolutions using a cooled cadmium telluride detector (2019)
  • Author(s): Moriyama, H., Watanabe, M., Kusachi, S., Oda Y., Sato, E.
  • Journal Title: Ultramicroscopy Volume: 199 Pages: 62-69
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Product development of a condenser dosimeter using a skin-insulated USB-Asubstrate with a silicon X-ray diode (2019)
  • Author(s): Yamaguchi, S., Sato, E.
  • Journal Title: Radiological Phys. Tech. Volume: 12 Pages: 69-75
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Disposable condenser dosimeter using a skin-insulated mini-substrate with a silicon X-ray diode in image-guided radiation therapy (2018)
  • Author(s): Yamaguchi, S., Sato, E., Nakamura, R., Oikawa, H., Kakuhara, H., Kikuchi, K., Ariga, H., Ehara, S.
  • Journal Title: Int. J. Med. Phys. Clinical Eng. Radiat. Oncol. Volume: 7 Pages: 35-46
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 850-nm-peak high-sensitivity near-infrared-ray computed tomography scanner in the living-body window (2018)
  • Author(s): Sato, Y., Takaoka, A., Sato, T., Sato, E., Oda, Y., Yoshida, S., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Journal Title: Health Technol. Volume: 8 Pages: 205-210
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Triple-energy high-count-rate X-ray computed tomography scanner using a cadmium telluride detector (2018)
  • Author(s): Sato, E., Sato, T., Oda, Y., Sato, Y., Yoshida, S., Yamaguchi, S., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Journal Title: Health Technol. Volume: 8 Pages: 197-203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dual-energy high-count-rate X-ray computed tomography scanner using a cerium-doped yttrium aluminum perovskite crystal and a small-photomultiplier tube (2018)
  • Author(s): Sato, T., Sato, E., Oda, Y., Sato, Y., Yoshida, S., Yamaguchi, S., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Journal Title: Health Technol. Volume: 8 Pages: 179-187
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Zero-dark-counting brief measurement of X-ray spectra using a lutetium-oxyorthosilicate multipixel-photon detector driven in pre-Geiger mode (2018)
  • Author(s): Enomoto, T., Sato, E., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Journal Title: Int. J. Sci. Res. Volume: 7(5) Pages: 1751-1756
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dual-energy low-dose X-ray computed tomography scanner using a room-temperature cadmium telluride detector (2018)
  • Author(s): Watanabe, M., Sato, E., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Kusachi, S.
  • Journal Title: Int. J. Sci. Res. Volume: 7(6) Pages: 184-189
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dual-energy low-scattering X-ray computed tomography using a lutetium-oxyorthosilicate crystal and a small photomultiplier tube (2018)
  • Author(s): Oda, Y., Kamada, M., Ishihama,Y., Miwa,R., Terashima, N., Sato, K, Ando, K., Sato, E.
  • Journal Title: Int. J. Sci. Res. Volume: 7(6) Pages: 1584-1589
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Enhanced K-edge radiography using a high-spatial-resolution cadmium telluride array detector (2018)
  • Author(s): Watanabe, M., Sato, E., Oda, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Kusachi, S.
  • Journal Title: Int. J. Med. Phys. Clinical Eng. Radiat. Oncol. Volume: 7 Pages: 296-307
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Dual-energy X-ray computed tomography scanner using a room-temperature cadmium-telluride detector and a range-region counter (2018)
  • Author(s): Watanabe, M., Sato, E., Oda, Y., Yoshida, S., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Kusachi, S.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 10763 Pages: 1076302-1-7
• [Journal Article] Triple-energy high-count-rate X-ray computed tomography scanner using a cooled cadmium-telluride detector (2018)
  • Author(s): Moriyama, H., Sato, E., Oda, Y., Sato, Y., Yoshida, S., Yamaguchi, S., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 10763 Pages: 107630H-1-7
• [Journal Article] Dual-energy high-count-rate X-ray computed tomography using a cerium-doped yttrium-aluminum-perovskite crystal and a photomultiplier tube (2018)
  • Author(s): Sato, E., Oda, Y., Yoshida, S., Yamaguchi, S., Sato, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.:
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 10763 Pages: 107630I-1-7
• [Journal Article] Development of an amplifier module for measuring X-ray spectra using a photomultiplier tube (2018)
  • Author(s): Sato, E., Oda, Y., Sagae, M., Yoshida, S., Yamaguchi, S., Sato, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Journal Title: Ann. Rep. Iwate Med. Univ. Center Lib. Arts Sci. Volume: 53 Pages: 1-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] High-sensitivity compact dosimeter using two silicon X-ray diode, (2018)
  • Author(s): Sato, E., Oda, Y., Sagae, M., Yoshida, S., Yamaguchi, S., Sato, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Journal Title: Ann. Rep. Iwate Med. Univ. Center Lib. Arts Sci. Volume: 53 Pages: 7-12
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 冷却CdTe検出器を使った低線量デュアル・ワイドエネルギーⅩ線CT (2019)
  • Author(s): 吉田宗平，江原茂，佐藤英一
  • Organizer: 第78回日本医学放射線学会総会
• [Presentation] 生体窓領域における850 nm高空間分解能近赤外線CT (2019)
  • Author(s): 佐藤裕一，佐藤英一，小田泰行，吉田宗平，江原茂
  • Organizer: 第117回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] YAP(Ce)-PMT検出器を使った高速デュアルエネルギーX線フォトンカウンティングと低線量CTへの応用 (2019)
  • Author(s): 小田泰行，佐藤英一，佐藤裕一，吉田宗平，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦
  • Organizer: 第117回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] Intense nickel-K-photon irradiation from weakly-ionized linear plasma X-ray source using a zinc reflector (2019)
  • Author(s): 佐藤英一，小田泰行，寒河江康朗，佐藤裕一，吉田宗平，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦
  • Organizer: 第117回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] Dual-energy X-ray computed tomography using a cadmium-telluride array detector (2019)
  • Author(s): 佐藤英一，小田泰行，寒河江康朗，佐藤裕一，吉田宗平，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦
  • Organizer: 第117回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] 生体窓領域における850 nm高空間分解能近赤外線CT (2019)
  • Author(s): 佐藤裕一，佐藤英一，小田泰行，江原茂
  • Organizer: 第52回日本生体医工学会東北支部大会
• [Presentation] CdTeを用いた低線量・高空間分解能エネルギー弁別X線CT (2019)
  • Author(s): 佐藤英一，佐藤裕一，小田泰行，吉田宗平
  • Organizer: 第52回日本生体医工学会東北支部大会
• [Presentation] 亜鉛リフレクタ付き弱電離線状ニッケルプラズマX線源から発生する強烈でクリーンなKフォトン (2019)
  • Author(s): 佐藤英一，佐藤裕一，小田泰行，吉田宗平
  • Organizer: 第52回日本生体医工学会東北支部大会
• [Presentation] 佐藤英一，小田泰行，寒河江康朗，佐藤裕一，吉田宗平，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦 (2018)
  • Author(s): Dual-energy high-rate X-ray computed tomography scanner using a cerium-doped yttrium aluminum perovskite crystal and a small photomultiplier tube.num perovskite crystal and a small photomultiplier tube.
  • Organizer: 第116回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] Zero-dark-counting brief measurement of X-ray spectra using a lutetium-oxyorthosilicate multipixel-photon detector (2018)
  • Author(s): 佐藤英一，小田泰行，寒河江康朗，佐藤裕一，吉田宗平，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦
  • Organizer: 第116回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] Dual-energy low-dose X-ray computed tomography scanner using a room-temperature cadmium telluride detector (2018)
  • Author(s): 佐藤英一，小田泰行，寒河江康朗，佐藤裕一，吉田宗平，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦
  • Organizer: 第116回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] Enhanced K-edge radiography using a high-spatial-resolution cadmium telluride array detector (2018)
  • Author(s): 佐藤英一，小田泰行，寒河江康朗，佐藤裕一，吉田宗平，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦
  • Organizer: 第116回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] LYSO結晶とマイクロPMTを用いたⅩ線スペクトルの測定とデュアルエネルギーCT (2018)
  • Author(s): 小田泰行，佐藤英一，寒河江康朗，佐藤裕一，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦
  • Organizer: 第115回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] 高空間分解能CdTeアレー検出器を用いたデュアルエネルギーⅩ線CTスキャナー (2018)
  • Author(s): 佐藤英一，小田泰行，寒河江康朗，佐藤裕一，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦
  • Organizer: 第115回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] 940nm近赤外線CTスキャナー (2018)
  • Author(s): 佐藤裕一，佐藤英一，小田泰行，佐藤公悦，江原茂：
  • Organizer: 第115回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] シリコンⅩ線ダイオードとロングUSBケーブルを用いた超小型線量計の開発 (2018)
  • Author(s): 16)寒河江康朗，佐藤英一，小田泰行，佐藤裕一，山口哲，有賀久哲，江原茂，佐藤公悦
  • Organizer: 第115回日本医学物理学会学術大会
• [Presentation] Fundamental study on a disposable condenser dosimeter using a skin-insulated USB-A substrate with a silicon X-ray diose in radiation therapy (2018)
  • Author(s): Yamaguchi, S., Ariga, H., Ehara, S.
  • Organizer: Asia-Oceania Congress on Medical Physics
• [Presentation] 850-nm-peak high-spatial-resolution near-infrared-ray computed tomography in the living-body window (2018)
  • Author(s): Sato, E. Oda, Y., Sato, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Organizer: Asia-Oceania Congress on Medical Physics
• [Presentation] Low-dose tripe-energy X-ray computed tomography using a cadmium telluride detector with high-spatial and -energy resolutions (2018)
  • Author(s): Sato, E. Oda, Y., Sato, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Organizer: Asia-Oceania Congress on Medical Physics
• [Presentation] Intense nickel-K-photon irradiation from weakly-ionized linear plasma X-ray source with a zinc reflector (2018)
  • Author(s): Sato, E., Oda, Y., Sato, Y., Morikaya, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Organizer: 32nd Int. Congr. High-Speed Imaging and Photonics
• [Presentation] High-speed tripe-energy X-ray photon counter using a room-temperature cadmium-telluride detector and its application to high-spatial-resolution low-dose computed tomography (2018)
  • Author(s): 5)Watanabe, M., Sato, E., Oda, Y., Sato, Y., Yamaguchi, S., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Kusachi, S.
  • Organizer: 32nd Int. Congr. High-Speed Imaging and Photonics
• [Presentation] High-speed dual-energy X-ray photon counter using a YAP(Ce)-photomultiplier detector and its application to low-dose computed tomography (2018)
  • Author(s): 6)Sato, Y., Sato, E., Oda, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Organizer: 32nd Int. Congr. High-Speed Imaging and Photonics
• [Presentation] Dual-energy X-ray computed tomography scanner using a room-temperature cadmium-telluride detector and a range-region counter (2018)
  • Author(s): Watanabe, M., Sato, E., Oda, Y., Yoshida, S., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Kusachi, S.
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics
• [Presentation] Triple-energy high-count-rate X-ray computed tomography scanner using a cooled cadmium-telluride detector (2018)
  • Author(s): Moriyama, H., Sato, E., Oda, Y., Sato, Y., Yoshida, S., Yamaguchi, S., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics
• [Presentation] Dual-energy high-count-rate X-ray computed tomography using a cerium-doped yttrium-aluminum-perovskite crystal and a photomultiplier tube (2018)
  • Author(s): 9)Sato, E., Oda, Y., Yoshida, S., Yamaguchi, S., Sato, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics