2021 Fiscal Year Annual Research Report
Whole gamma imaging to break through the physical limitation of positron emission tomography
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20H05667
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
山谷 泰賀 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 上席研究員 (40392245)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
吉川 彰 東北大学, 金属材料研究所, 教授 (50292264)
菅 幹生 千葉大学, フロンティア医工学センター, 准教授 (00294281)
今井 陽一 東京大学, 医科学研究所, 准教授 (10345209)
石橋 真理子 日本医科大学, 医学部, 助教 (20599047)
永津 弘太郎 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, グループリーダー (30531529)
高橋 美和子 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 主幹研究員 (00529183)
吉田 英治 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 主幹研究員 (50392246)
田島 英朗 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 量子医科学研究所 先進核医学基盤研究部, 主幹研究員 (70572907)
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| Project Period (FY) |
2020-08-31 – 2025-03-31
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| Keywords | PET / コンプトンカメラ / SPECT / 核医学 / シンチレータ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、計測可能なすべての放射線を診断に使うという独自アイディアの画像診断法「whole gamma imaging（WGI）」を提案し、その実現に必要な要素技術開発および多発性骨髄腫診断への応用について研究する。具体的には、がん特異性の高い抗体イメージングに最適な次世代核種として期待されるZr-89（ジルコニウム）に着目する。しかし、511keV放射線ペアを同時計測する従来の陽電子断層撮影法（PET）では、180度からのずれによる幾何学的誤差（角度揺動）に加え、従来PET核種のF-18よりも約2倍長い陽電子飛程により、解像度が大きく劣化してしまう。また、陽電子よりも約4倍多く放出される909keVγ線がノイズ源になってしまう問題もある。これに対して提案するWGIでは、909keVγ線を積極的に活用して高解像度・高感度な次世代イメージングを実現する。2年目となる2021年度は以下について研究した。
（１）WGI用シンチレータ開発： GAGGのGaとAlの比を最適化し、高いエネルギー分解能を持つシンチレータホスト結晶の組成を決定した後、その結晶にMgを共添加することで蛍光寿命の短寿命化を達成した。そして、大型サイズの作製法を確立した。
（２）システム設計最適化： Zr-89に特化したWGIの装置パラメータ設計を継続して行った。
（３）WGI画像再構成法開発： 検出器誤差をモデルに含めて精度を高めたコンプトンカメラ画像再構成法にPET画像再構成法を組み込む手法の開発を行った。
（４）WGI試作機開発・評価： 昨年度調達した受光素子およびデータ収集システムを用いて、散乱検出器および吸収検出器の開発を開始した。
（５）多発性骨髄腫への応用： 播種を来す細胞株の選定・作成を行い、より臨床条件に近い実験モデルの作成を行った。
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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
「WGI用シンチレータ開発」、「システム設計最適化」、「WGI画像再構成法開発」、「WGI試作機開発・評価」、「多発性骨髄腫への応用」の各課題が当初計画通り進行しているため。
（１）WGI用シンチレータ開発： エネルギ分解能5.5%以下、蛍光寿命100ns以下、発光量40,000光子/MeV以上という目標を満たす組成において、直径73mm、長さ90mmの大型単結晶の育成に成功した。
（２）システム設計最適化： 散乱検出器のシンチレータ厚を15mmに固定し、深さ方向位置（depth-of-interaction, DOI）の弁別段数を変えた計算機シミュレーションの結果、3層DOIにより、909keVガンマ線に対して6度以下の角度分解能（1cm先で約1mm解像度に相当）が得られることが分かった。
（３）WGI画像再構成法開発： WGIすなわち「すべてのガンマ線の画像化」を具現化する画像再構成アルゴリズムの開発を継続した。
（４）WGI試作機開発・評価： 装置の一部を試作した。散乱検出器は、QST独自のcrosshair light-sharing方式の検出器であり、（１）のシンチレータから切り出した素子（1.45 x 1.45 x 15 mm^3）の14 x 14アレイにおいて、シンチレータ間の反射材・光学接着のパターンを工夫することにより、3層DOI弁別を実現した。吸収検出器は、fast-LGSOシンチレータ（3.1 x 3.1 x 20 mm^3）を8 x 8アレイにした
（５）多発性骨髄腫への応用： 昨年度成功したヒト由来細胞を用いたマウス実験では骨髄内播種および免疫反応の誘発には限界があることから、次に、マウス由来の多発性骨髄腫細胞（Vk*Myc mouse由来）を高確率で発症するマウス骨髄腫モデルの作成を開始した。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）WGI用シンチレータ開発： 散乱検出器として使用するエネルギ分解能の高いシンチレータの開発を継続して行う。
（２）システム設計最適化： モンテカルロシミュレーションを駆使して、Zr-89に特化したWGIの装置パラメータ設計を継続して行う。具体的には、散乱検出器のエネルギ分解能を仮想的に高めた場合のWGI画質改善効果を検証する。
（３）WGI画像再構成法開発： WGIすなわち「すべてのガンマ線の画像化」を具現化する画像再構成アルゴリズムの開発を継続する。具体的には、コンプトンイメージング再構成用のシステムマトリクスモデリングを高精度化する。
（４）WGI試作機開発・評価： 吸収検出器リングを完成する。具体的には、fast-LGSOシンチレータ（3.1 x 3.1 x 20 mm^3）を8 x 8アレイにして受光素子と結合したブロック検出器を216個製作し、36個×6リングに配置する。
（５）多発性骨髄腫への応用： マウス由来の多発性骨髄腫細胞（Vk*Myc mouse由来）を高確率で発症するマウス骨髄腫モデルを確立する。
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Research Products
(49 results)
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[Journal Article] RUNX1 transactivates BCR‐ABL1 expression in Philadelphia chromosome positive acute lymphoblastic leukemia2021
Author(s)
Masuda T, Maeda S, Shimada S, Sakuramoto N, Morita K, Koyama A, Suzuki K, Mitsuda Y, Matsuo H, Kubota H, Kato I, Tanaka K, Takita J, Hirata M, Kataoka TR, Nakahata T, Adachi S, Hirai H, Mizuta Shuichi, Naka K, Imai Y, Kimura S, Sugiyama Hiroshi, Kamikubo Y
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Journal Title
Cancer Science
Volume: 113
Pages: 529～539
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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[Journal Article] Expression of activated integrin β7 in multiple myeloma patients2021
Author(s)
Hosen N, Yoshihara S, Takamatsu H, Ri M, Nagata Y, Kosugi H, Shimomura Y, Hanamura I, Fuji S, Minauchi K, Kuroda J, Suzuki R, Nishimura N, Uoshima N, Nakamae H, Kawano Y, Mizuno I, Gomyo H, Suzuki K, Ozaki S, Nakamura S, Imai Y, Kizaki M, Negoro E, Handa H, Iida S
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Journal Title
International Journal of Hematology
Volume: 114
Pages: 3～7
DOI
Peer Reviewed
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[Journal Article] PET・コンプトンハイブリッド画像再構成の応用2021
Author(s)
田島英朗, 吉田英治, 仁科匠, 田久創大, 錦戸文彦, 菅幹生, 脇坂秀克, 高橋美和子, 永津弘太郎, 辻厚至, 鎌田圭, 吉川彰, Katia Parodi, 山谷泰賀
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Journal Title
信学技報 IEICE Technical Report
Volume: MI2020-94
Pages: 203～206
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[Presentation] A γ-PET Prototype: Detector Characterization, Commissioning and first Imaging2021
Author(s)
T. M. Binder, V. Anagnostatou, M. Safari, K. Kamada, H. G. Kang, M. Nitta, A. Zoglauer, K. Parodi, T. Yamaya, P. G. Thirolf
Organizer
virtual 2021 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
Int'l Joint Research
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[Presentation] Experimental Assessment on Data Sufficiency Condition for WGI Compton Imaging2021
Author(s)
H. Tashima, E. Yoshida, S. Takyu, F. Nishikido, T. Nishina, M. Suga, H. Wakizaka, M. Takahashi, K. Nagatsu, T. B. Atsushi, K. Kamada, A. Yoshikawa, K. Parodi, T. Yamaya
Organizer
virtual 2021 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference
Int'l Joint Research
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[Presentation] Experimental Verification of the Effect of the Full-ring Geometry in WGI Compton Imaging2021
Author(s)
Hideaki Tashima, Eiji Yoshida, Takumi Nishina, Mikio Suga, Hidekatsu Wakizaka, Miwako Takahashi, Kotaro Nagatsu, Atsushi Tsuji, Kei Kamada, Akira Yoshikawa, Katia Parodi, Taiga Yamaya
Organizer
第121回日本医学物理学会学術大会
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[Presentation] PET・コンプトンハイブリッド画像再構成の応用2021
Author(s)
田島英朗, 吉田英治, 仁科匠, 田久創大, 錦戸文彦, 菅幹生, 脇坂秀克, 高橋美和子, 永津弘太郎, 辻厚至, 鎌田圭, 吉川彰, Katia Parodi, 山谷泰賀
Organizer
医用画像研究会(JAMIT Frontier)
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