超解像を用いた革新的ガンマ線イメージング技術の創成

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20K20923
• 研究機関: 早稲田大学
• 研究代表者: 片岡 淳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90334507)
• 研究期間 (年度): 2020-07-30 – 2022-03-31
• キーワード: 超解像 / 機械学習 / スパースコーディング / X線ガンマ線イメージング

研究実績の概要

本年度は、とくに小型衛星への搭載を意識したハイブリッド・コンプトンカメラ技術の開発と、これを用いた大気ガンマ線（雷ガンマ線）イメージングへの挑戦を行った。まず、数十キロ電子ボルトのX線からガンマ線を測定可能なハイブリッド・コンプトンカメラを4台製作し(1) ピンホール・モード (2) PETモード (3) コンプトン・モードによる「3次元マルチ・モダリティ」イメージングが実現可能なことを実証した。さらに、散乱成分を用いて線源の奥行方向を推定する、新しい手法を提案した。(Omata et al.2022, Nature Sci.Rep.)。続いて、ハイブリッド・コンプトンカメラの筐体をタングステンからBGOシンチレータに変更することで、視野外から入るバックグラウンドイベントの効率的な除去および、エスケープ・イベントの除去が可能な「アクティブ・シールド」の概念を提案し、得られるX線ガンマ線画像の大幅な画質向上を実証した (Masubuchi et al. 2022, in prep)。大気計測では、同カメラを新潟県十日町市および石川県金沢市に設置することで、雷から生ずるガンマ線の観測を行った。2例のガンマ線グローを検出し、結果については現在検証中であるが、世界で初めて雷ガンマ線のイメージングに成功した可能性が高い。現在プレスリリースの準備を進めている(Kuriyama et al. 2022 in prep.)。最後に、CT画像の鮮鋭化については、撮影時のピッチを半ピッチないしは1/3ピッチずらすことで、解像度が約0.5mmかつS/Nが良い多色CT画像の取得に成功した。

研究成果

• [雑誌論文] Multi-modal 3D imaging of radionuclides using multiple hybrid Compton cameras (2022)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Omata, Miho Masubuchi, Nanase Koshikawa, Jun Kataoka, Hiroki Kato, Atsushi Toyoshima, Takahiro Teramoto, Kazuhiro Ooe, Yuwei Liu, Keiko Matsunaga, Takashi Kamiya, Tadashi Watabe, Eku Shimosegawa & Jun Hatazawa
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 12 ページ: 2546
  • DOI: 10.1038/s41598-022-06401-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] コンプトンカメラを用いたアクティブ動態イメージング (2021)
  • 著者名/発表者名: 片岡 淳, 小俣 陽久, 増渕 美穂, 越川 七星
  • 雑誌名: MEDICAL IMAGING TECHNOLOGY 巻: 39 ページ: 223-228
  • 査読あり
• [雑誌論文] Discovery of non-equilibrium ionization plasma associated with the North Polar Spur and Loop I (2021)
  • 著者名/発表者名: Marino Yamamoto, Jun Kataoka, Yoshiaki Sofue
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 512 ページ: 2034-2043
  • DOI: 10.1093/mnras/stac577
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Interaction of the galactic-centre super bubbles with the gaseous disc (2021)
  • 著者名/発表者名: Sofue Yoshiaki, Kataoka Jun
  • 雑誌名: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 巻: 506 ページ: 2170-2180
  • DOI: 10.1093/mnras/stab1857
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Spatial Variations of Magnetic Field along Active Galactic Nuclei Jets on Sub-parsec to Megaparsec Scales (2021)
  • 著者名/発表者名: Ito Soichiro, Inoue Yoshiyuki, Jun Kataoka
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 916 ページ: 95
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ac0827
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Machine-learning Application to Fermi-LAT Data: Sharpening All-sky Map and Emphasizing Variable Sources (2021)
  • 著者名/発表者名: S.Sato, J.Kataoka, J.Kotoku, M.Taki, A.Oyama, L.Tagawa, K.Fujieda, F.Nishi, T.Toyoda
  • 雑誌名: Astrophysical Journal 巻: 913 ページ: 83
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abf48f
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] Toyoda, T. et al. Performance demonstration of a novel Photon-counting CT for clinical application (2022)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda, J.Kataoka, M.Sagisaka, M.Arimoto,D.Sato, K.Yoshiura, S.Kobayashi, H. Kawashima, J.Kotoku, S.Terazawa, S.Shiota, M.Ueda
  • 学会等名: 16th Vienna Conference on Instrumentation 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Performance demonstration of multi-modal imaging using hybrid Compton cameras (2022)
  • 著者名/発表者名: Akihisa Omata, Miho Masubuchi, Nanase Koshikawa, Jun Kataoka, Hiroki Kato, Atsushi Toyoshima, Takahiro Teramoto, Kazuhiro Ooe, Yuwei Liu, Keiko Matsunaga, Takashi Kamiya, Tadashi Watabe, Eku Shimosegawa & Jun Hatazawa
  • 学会等名: 16th Vienna Conference on Instrumentation 2022
  • 国際学会
• [学会発表] 広帯域X線ガンマ線撮像による生体マウス薬物動態（At-211）イメージングの実証 (2022)
  • 著者名/発表者名: 増渕 美穂、小俣 陽久、越川 七星、片岡 淳、加藤 弘樹、豊嶋 厚史、大江 一弘、片山 大輔、寺本 高啓、松永 恵子、神谷 貴史、渡部 直史、下瀬川 恵久、畑澤 順
  • 学会等名: 第69回 応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Performance demonstration of multi-modal imaging using hybrid Compton cameras (2021)
  • 著者名/発表者名: A.Omata, M.Masubuchi, N.Koshikawa, J.Kataoka, H.Kato, A.Toyoshima, T.Teramoto, K.Ooe, Y.Liu, K.Matsunaga, T.Kamiya, T.Watabe, E.Shimosegawa & J. Hatazawa
  • 学会等名: IEEE Nuclear science symposium and medical imaging conference
  • 国際学会
• [学会発表] Pre-Experiments using photon-counting CT with machine learning models for drug delivery system monitoring (2021)
  • 著者名/発表者名: T.Toyoda, S.Dima, M.Sagisaka, J.Kataoka, M.Arimoto, J.Kotoku, M.Taki, A.Oyama, S.Kobayashi, H.Kawashima, D.Sato, K.Yoshiura, S.Terazawa, S.Shiota, H.Ikeda, M.Ueda
  • 学会等名: IEEE Nuclear science symposium and medical imaging conference
  • 国際学会
• [学会発表] 広帯域X線ガンマ線による新規イメージング手法の開発と実証 (2021)
  • 著者名/発表者名: 増渕 美穂、小俣 陽久、越川 七星、片岡 淳、加藤 弘樹、豊嶋 厚史、寺本 高啓、松永 恵子、神谷 貴史、渡部 直史、下瀬川 恵久、畑澤 順、上ノ町 水紀
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季年会
• [学会発表] 次世代型カラーX 線 CT における新システムの構築及びリングアーチファクト除去 (2021)
  • 著者名/発表者名: 豊田 貴也、Sonia Dima、匂坂 真結、片岡 淳、有元 誠、川嶋 広貴、小林 聡、佐藤 大地、吉浦 宏大龍、寺澤 慎祐、塩田 諭、池田 博一
  • 学会等名: 第82回応用物理学会秋季年会
• [備考] 物理応物・修士論文賞（宮部賞）を受賞（小俣陽久）
  • URL: http://www.spxg-lab.phys.waseda.ac.jp/
• [備考] 第82回応用物理学会(2021年秋季) 放射線分科会学生優秀講演賞を受賞（増渕美穂）
  • URL: http://www.spxg-lab.phys.waseda.ac.jp/