2023 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, 次長 (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 獨協医科大学, 医学部, 教授 (10345209)
石橋 真理子 日本医科大学, 医学部, 講師 (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 分子イメージ ング診断治療研究部, グループリーダー (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。4年目となる2023年度は以下について研究した。
（１）WGI用シンチレータ開発： これまでの研究でWGIの散乱用シンチレータブロック作製のために選ばれた組成のバルク単結晶作製条件の最適化を行った。
（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行い、Zr-89に特化したWGI装置に対して、コンプトンカメラ画像再構成法とPET画像再構成法の観点から性能予測を行った。
（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について、試作機での測定データに適用するための補正手法を開発した。
（４）WGI試作機開発・評価： 開発した要素技術を実証するプラットフォームとしてWGI試作機の組立が完了した。具体的には、散乱検出器リングを開発し、R4年度開発の吸収検出器リングと組み合わた。
（５）多発性骨髄腫への応用： マウス骨髄腫モデルに、Zr-89標識抗体を投与し、経時的に既存装置およびWGI試作機および既存のイメージング装置を用いたイメージングテストを行った。
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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
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：大口径長尺の単結晶の作製条件の最適化を行い、直径73mm、長さ100mmまでの大型単結晶の育成に成功した。また、テスト育成炉のみならず、他の育成炉における単結晶作製の再現性を特性も含めて確認することができた。
（２）システム設計最適化：シミュレーションによる開発装置（WGI4号試作機）の画質予測を行った結果、WGI-4号機のコンプトンイメージング性能は旧試作機（WGI-3号機）より優れており、WGI3号機のPET性能にかなり近い結果が得られた。また、装置のコンプトンイメージング性能の改善により、WGI4号試作機のPET性能の改善効果も見られた。
（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開発し、WGI4号試作機の実験データに適用できようにパラメータの調整を行った。
（４）WGI試作機開発・評価： WGI4号試作機の組み立てが完了した。吸収検出器は、3.1 mm角、20 mm長のfast-LGSOシンチレータを8x8アレイにした検出器ブロックを計216個からなる。散乱検出器は、東北大学の研究成果であるWGI用シンチレータ（GAGGベース）を使用し、1.45mm角、15mm長の結晶を14x14アレイにした独自のCLS検出器40個からなる。
（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用いて、ブドウ糖代謝画像、抗PD1抗体画像、抗CD38抗体画像を移植4－5週後に得た。その後、解剖を行い病変の確認および解析を行った。これらの分析から明らかな発症病巣で糖代謝が高く、病変が小さい場合PD1が高い傾向を認めた。これまでは腫瘍のみであったイメージングに加え、抗腫瘍効果として働く免疫細胞の分布画像を得られる可能性が示唆された。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）WGI用シンチレータ開発： WGIの散乱用シンチレータブロック作製のために選ばれた組成のバルク単結晶の量産技術の開発を行う。
（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装置で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検証を継続すると共に、研究成果の社会実装に向けて、ヒトサイズに拡大したWGI装置のシミュレーション検討を行う。
（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についての研究成果をとりまとめ、試作機の実験データで検証する。具体的には、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におけるパラメータを最適化し、試作機でのファントムおよびマウス測定データに適用する。
（４）WGI試作機開発・評価： 開発した要素技術を実証するプラットフォームとしてのWGI小型試作機の開発を完了する。具体的には、散乱検出器リングと吸収検出器リングを組み合わせて、検出器の位置弁別手法やタイミング検出法、システムのエネルギウィンドウなどのパラメータを最適化し、WGI小型試作機を完成させる。
（５）多発性骨髄腫への応用： WGI小型試作機を用いたマウス実験を行い、多発性骨髄腫の診断能力を実証する。具体的には、マウス骨髄腫モデルに、Zr-89標識抗体を投与し、経時的に既存装置およびWGI小型試作機を用いたイメージングテストを行う。イメージングテスト後、マウス骨髄腫モデルから脾臓、骨髄を取り出して、脾臓細胞、骨髄細胞における骨髄腫細胞の割合、また、浸潤しているT細胞のプロファイルをフローサイトメーターにて解析を行い、標識対象の抗体の選定、指摘撮像タイミングなど撮像プロトコールを確立する。
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[Journal Article] Positron annihilation lifetime measurement with TOF-PET detectors: feasibility of Iodine-124 use2023
Author(s)
Sodai Takyu, Hayato Ikeda, Hidekatsu Wakizaka, Fumihiko Nishikido, Ken-ichiro Matsumoto, Hideaki Tashima, Hisashi Suzuki, Yoshihito Funaki, Hiroshi Watabe, Miwako Takahashi, Taiga Yamaya
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Journal Title
Applied Physics Express
Volume: 16
Pages: 116001
DOI
Peer Reviewed
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[Presentation] I-131 3D Compton imaging with a small whole gamma imaging prototype2023
Author(s)
Go Akamatsu, Sodai Takyu, Hideaki Tashima, Hidekatsu Wakizaka, Mitsutaka Yamaguchi, Naoki Kawachi, Makoto Sakai, Shunsuke Kurosawa, Kenji Shimazoe, Fumihiko Nishikido, Eiji Yoshida, Miwako Takahashi, Taiga Yamaya
Organizer
SNMMI2023 Annual Meeting
Int'l Joint Research
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[Presentation] Iodine-131 whole gamma imaging outperforms clinical SPECT2023
Author(s)
G. Akamatsu, S. Takyu, H. Tashima, H. Wakizaka, M. Yamaguchi, N. Kawachi, M. Sakai, S. Kurosawa, K. Shimazoe, F. Nishikido, E. Yoshida, M. Takahashi, T. Yamaya
Organizer
IEEE NSS MIC RTSD
Int'l Joint Research
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[Presentation] Development of the 4th whole gamma imaging prototype for 89Zr mouse imaging demonstration2023
Author(s)
G. Akamatsu, E. Yoshida, S. Ito, H. Tashima, H. G. Kang, S. Takyu, F. Nishikido, F. Obata, M. Kiyokawa, H. Wakizaka, K.J. Kim, K. Kamada, A. Yoshikawa, M. Takahashi, T. Yamaya
Organizer
IEEE NSS MIC RTSD
Int'l Joint Research
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