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

2019 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 / CdTe / X線CT / YAP(Ce)-PMT / フォトンカウンティング / KエッジCT / 造影剤 / ビームハードニング

Outline of Annual Research Achievements

●CdTeアレーを用いたTE-CTの画質改善：　デュアルエネルギーの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るとトリプルエネルギー（TE）になる。本研究では0.1 mmフォーカスX線管，ピクセルサイズ0.1mm のCdTeアレー，ターンテーブルなどを用いてTE-CTスキャナーを構築し，ほぼ良好な断層像が得られ，3D-CTも試みた。
●CdTeを用いた第1世代エネルギー弁別X線CT画像の画質改善：　カウントレートを増し，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，空間分解能を0.25mmまで改善した。次に1% at 59.5 keVのエネルギー分解能で，ヨウ素とガドリニウムの造影剤を用いてKエッジ強調撮影を行った。
●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3台のアナログ増幅器を組み込み，最大出力電圧を5.0 Vに固定し，増幅率を増すことにより実効フォトンエネルギーを増加させた。TE-CTの実験では，高い空間分解能で実効エネルギーの異なる画像が得られた。さらに，デジタル増幅器を組み込んだTE-CTスキャナーも構築し，アナログ増幅器を用いた場合と同等の画像が得られた。
●YAP(Ce)-PMTを用いた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：　YAP(Ce)-PMT検出器，極性反転増幅器，カウンターなどを組み合わせて，フォトンカウンティング方式のTE-CTを構築した。実験では20keV以上のフォトンをカウントし，最大カウント値を一定にしてカウント数を増幅することにより，良好な画像が得られた。

Current Status of Research Progress

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

Reason

●CdTeアレーを用いたTE-CTの画質改善：　アレーを用いた場合には複数の画像を加えることにより，画質が向上する。本研究では720ファイルの画像を加えることにより画質を改善し，33-90，33-50，50-90 keVのエネルギー範囲で撮影し，コントラストの変化を確認した。
●CdTeを用いた第1世代エネルギー弁別X線CT画像の画質改善：　汎用の冷却式CdTe検出器の最大カウントレートは50kcps程度である。実験では30kcpsのレートでヨウ素およびガドリニウムのKエッジCT撮影を行い，高コントラスト・高空間分解能で血管が撮影できた。
●CdTeを用いた新しいエネルギー弁別X線CTの開発：　CdTe検出器用の高感度トリプルアナログ増幅器を試作し，被写体でのビームハードニングを利用したTE-CTスキャナーを構築した。このスキャナーでは特別な画像処理を行うことなく，実効エネルギーの異なるプロジェクションデータを得ることができるので，準単色X線撮影が不要な場合には簡単に実効エネルギーを変えることができた。またアナログの代わりにデジタル増幅器を用いることによっても容易に実効エネルギーを変えることもできた。
●YAP(Ce)-PMTを用いた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：　このTE-CTスキャナーでは検出器のエネルギー依存をほとんど考慮する必要がないため，上記のビームハードニングTE-CTと比較してコントラストは若干異なるが，増幅率の増加により，明らかに実効エネルギーが増加した。
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の最適化：　この研究では0.1mmフォーカスX線管を用い，拡大撮影により画像を得るので，まず拡大率を1.0～1.5倍にして，管電流を最大の0.50 mAに調整する。次いで，アレーの増幅率をなるべく低くして，低エネルギーのX線フォトンを検出できるように調整し，スレッショルドエネルギーを33と50keVに調整してTE-CT撮影を行う。
●第1世代TE-CTの空間分解能の向上：　CdTeを用いた第1世代エネルギー弁別X線CTスキャナーのエネルギー分解能は1% at 59.5 keV程度であり，これ以上の改善は難しい。よって，ここでは0.1mmフォーカスX線管と鉛製ピンホールを用いて空間分解能を0.2mmまで向上させる。一方，YAP(Ce)-PMT検出器を用いた場合にはカウントレートを100kcps以上まで増すことができるので，フォトンカウンティングによるエネルギー弁別と被写体でのビームハードニング効果を組み合わせて，画質とコントラストの改善を行う。
●汎用FPDを用いたTE-CTの開発：　ピクセルサイズが0.05mmのFPDと0.1mmフォーカスX線管を用い，被写体でのX線吸収を利用したビームハードニングTE-CTを構築する。CdTeによるTE-CTの撮影結果と比較しながら，ビームハードニングによるKエッジ撮影の最適な撮影条件を検討する。

Causes of Carryover

エネルギー弁別CTのプログラム作成が2020年度に延期されたため。

Research Products

• [Journal Article] Triple-sensitivity high-spatial-resolution X-ray computed tomography using a cadmium-telluride detector and its beam-hardening effect (2020)
  • Author(s): Yoshida Sohei、Sato Eiichi、Oda Yasuyuki、Yoshioka Kunihiro、Moriyama Hodaka、Watanabe Manabu
  • Journal Title: Applied Radiation and Isotopes Volume: 159 Pages: 109089～109089
  • DOI: 10.1016/j.apradiso.2020.109089
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Near-infrared-ray computed tomography with 850-nm peak and high spatial resplutions in first living-body window (2019)
  • Author(s): Sato, E., Yoshida, A., Someya. T., Oda, Y., Yoshida, S., Yoshioka, K., Sato, Y., Moriyama, H., Watanabe, M.
  • Journal Title: Phys. Open Volume: 2 Pages: 100010-1-7
  • DOI: 10.1016/j.physo.2019.100010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Near-infrared-ray computed tomography with 850-nm peak and high spatial resolutions (2019)
  • Author(s): Sato, E., Yoshida, A., Someya. T., Yoshizawa, T., Morimoto, M., Mine, T., Oda, Y., Yoshida, S., Yoshioka, K., Sato, Y.
  • Journal Title: Ann. Rep. Iwate Med. Univ. Center Lib. Arts Sci. Volume: 54 Pages: 1-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Measurement of penetrating photon spectra using a white power light-emitting diode (2019)
  • Author(s): Sato, E., Oda, Y., Yoshida, S., Yoshioka, K., Moriyama, H., Hagiwara, O., Enomoto, T., Watanabe, M.
  • Journal Title: Ann. Rep. Iwate Med. Univ. Center Lib. Arts Sci. Volume: 54 Pages: 9-12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Fundamentsl study on a disposable condenser dosimeter using a skin-insulated USB-A substrate with a silicon X-ray diode in radiation therapy (2019)
  • Author(s): Yamaguchi, S., Sato, E.
  • Journal Title: Ann. Rep. Iwate Med. Univ. Center Lib. Arts Sci. Volume: 54 Pages: 58-67
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of low-dose energy-dispersive x-ray computed tomography utilizing beam hardening (2019)
  • Author(s): Yoshida, S., Sato, E., Oda, Y., Yoshioka, S., Ehara, S., Moriyama, H., Hagiwara, O., Enomoto, T., Watanabe, M.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 11114 Pages: 111141H-1-6
  • DOI: 10.1117/12.2529663
• [Journal Article] Intense nickel-K-photon irradiation from weakly-ionized linear plasma x-ray source with a reflector (2019)
  • Author(s): Sato, E., Sato, Y., Yoshida, S., Yoshioka, K., Moriyama, H., Watanabe, M.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 11114 Pages: 111141E-1-6
  • DOI: 10.1117/12.2526546
• [Journal Article] Photon-counting x-ray computed tomography using a YAP(Ce)-PMT detector and beam hardening (2019)
  • Author(s): Watanabe, M., Sato, E., Yoshida, S., Yoshioka, K., Oda, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Enomoto, T.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 11114 Pages: 111141D-1-6
  • DOI: 10.1117/12.2530767
• [Journal Article] 850-nm near-infrared-ray computed tomography with high spatial resolutions (2019)
  • Author(s): Sato, E., Oda, Y., Sato, Y., Yoshida, S., Moriyama, H., Watanabe, M.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 11073 Pages: 110730N-1-6
  • DOI: 10.1117/12.2526543
• [Journal Article] Measurement of humanbody-window spectra using a white power light-emitting diode and its application to high-spatial-resolution computed tomography (2019)
  • Author(s): Moriyama, H., Sato, E., Oda, Y., Yoshida, S., Hagiwara, O., Enomoto, T., Watanabe, M.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 11073 Pages: 1107321-1-6
  • DOI: 10.1117/12.2527720
• [Journal Article] Intense nickel-K-photon irradiation from weakly-ionized linear plasma xray source with a zinc reflector (2019)
  • Author(s): Sato, E., Oda, Y., Sato, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 11051 Pages: 110510G-1-5
  • DOI: 10.1117/12.2526546
• [Journal Article] High-speed tripe-energy x-ray photoncounter using a room-temperaturecadmium-telluride detector and itsapplication to high-spatial-resolutionlow-dose computed tomography (2019)
  • Author(s): Watanabe, M., Sato, E., Oda, Y., Sato, Y, Yamaguchi S., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Kusachi, S.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 11051 Pages: 110510H-1-8
  • DOI: 10.1117/12.2323756
• [Journal Article] High-speed dual-energy x-ray photoncounter using a YAP(Ce)-photomultiplier detector and itsapplication to low-dose computedtomography (2019)
  • Author(s): Sato, Y., Sato, E., Oda, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Matsukiyo, H., Enomoto, T., Watanabe, M., Kusachi, S.
  • Journal Title: Proc. SPIE Volume: 11051 Pages: 110510I-1-7
  • DOI: 10.1117/12.2524632
• [Presentation] 高感度・高空間分解能 850nm-NIR-CT (2019)
  • Author(s): 佐藤裕一，佐藤英一，小田泰行，吉田宗平，吉岡邦弘
  • Organizer: 第53回日本生体医工学会東北支部大会
• [Presentation] ビームハードニングを利用したトリプルエネルギーX 線 CT (2019)
  • Author(s): 佐藤英一，小田泰行，佐藤裕一，吉田宗平，吉岡邦弘
  • Organizer: 第53回日本生体医工学会東北支部大会
• [Presentation] CdTe アレーを用いたトリプルエネルギーX 線 CT (2019)
  • Author(s): 佐藤英一，小田泰行，佐藤裕一，吉田宗平，吉岡邦弘
  • Organizer: 第53回日本生体医工学会東北支部大会
• [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] Investigation of low-dose energy-dispersive x-ray computed tomography utilizing beam hardening. , August 2019, (2019)
  • Author(s): Yoshida, S., Sato, E., Oda, Y., Yoshioka, S., Ehara, S., Moriyama, H., Hagiwara, O., Enomoto, T., Watanabe, M.
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics, San Diego.
• [Presentation] Intense nickel-K-photon irradiation from weakly-ionized linear plasma x-ray source with a reflector (2019)
  • Author(s): Sato, E., Sato, Y., Yoshida, S., Yoshioka, K., Moriyama, H., Watanabe, M.
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics, San Diego.
• [Presentation] Photon-counting x-ray computed tomography using a YAP(Ce)-PMT detector and beam hardening (2019)
  • Author(s): Watanabe, M., Sato, E., Yoshida, S., Yoshioka, K., Oda, Y., Moriyama, H., Hagiwara, O., Enomoto, T.
  • Organizer: SPIE Optics+Photonics, San Diego.
• [Presentation] 850-nm near-infrared-ray computed tomography with high spatial resolutions (2019)
  • Author(s): Sato, E., Oda, Y., Sato, Y., Yoshida, S., Moriyama, H., Watanabe, M.
  • Organizer: European Conferences on Biomedical Optics, Munich
• [Presentation] Measurement of human-body-window spectra using a white power light-emitting diode and its application to high-spatial-resolution computed tomography (2019)
  • Author(s): Moriyama, H., Sato, E., Oda, Y., Yoshida, S., Hagiwara, O., Enomoto, T., Watanabe, M.
  • Organizer: European Conferences on Biomedical Optics, Munich