Towards New Fronties in High-resoluton 3-D Color Radiology Imaging

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15H05720
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 片岡 淳 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (90334507)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松永 恵子 大阪大学, 医学系研究科, 特任助教(常勤) (80727454)
• Project Period (FY): 2015-05-29 – 2020-03-31
• Keywords: 低被ばく多色X線CT / コンプトンカメラ / MPPC / 3次元画像再構成

Outline of Annual Research Achievements

本年度は最終年度にふさわしく、これまでの研究を統括する重要な成果が得られた。まず、低被ばく多色X線CTに関しては、64chを同時に測定する新規システムを構築した (Maruhashi et al.2020)。光センサーであるMPPCは信号レートが高い状況で発熱し、ゲインが低下する問題があった。本年度は熱特性に優れたセラミックMPPCアレイおよび高速シンチレータを新規に開発し、耐レート特性の向上とCT画像CNR(contrast to noise ratio)の大幅な改善を確認した。さらに、抗がん剤として着目される金ナノ粒子(Au-NP）と造影剤（ヨード・ガドリニウム）の同時撮影に成功し、CT装置を薬剤動態モニターとして使う新たな可能性を示した。続いて核医学治療（塩化ラジウムを用いたアルファ線内用療法）では、阪大病院において前立腺がん患者2名を対象にコンプトンカメラによる臨床試験を実施した。本年度は人体撮影を目的とした10×10cm^2の大型カメラを新規に製作し、10分間の撮影で体の広範囲の薬剤分布を精確に可視化することに成功した。コンプトンカメラの核医学治療への応用としては世界初の成果となる (Fujieda et al. 2020)。最後に、ガンマ線可視化技術の要望は粒子線治療分野でも次第に高まりつつある。本研究では、次世代陽子線治療である陽子ホウ素捕獲療法(pBCT)について、その実現性についても検討した。具体的には、p+11^B → 3α反応、および関連するアルファ線生成反応が起こす線量への寄与について、CCD カメラによる可視化とゲルマニウム半導体を用いた詳細スペクトル測定、さらに核反応断面積の導出に挑戦した。シミュレーションや理論計算のみで実施されてきたpBCT に初めて実験的なメスを入れる画期的な検証を行うことができた。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] First application of super-resolution imaging technique using a Compton camera (2020)
  • Author(s): Sato,S.; Kataoka,J.; Kotoku,J.; Taki,M.; Oyama,A.; Tagawa,L.; Fujieda,K.; Nishi,F.; Toyoda,T.;
  • Journal Title: NIM-A Volume: 969 Pages: 164034
  • DOI: 10.1016/j.nima.2020.164034
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] First demonstration of portable Compton camera to visualize 223-Ra concentration for radionuclide therapy (2020)
  • Author(s): Fujieda,K.; Kataoka,J.; Mochizuki,S.; Tagawa,L.; Sato,S.; Tanaka,R.; Matsunaga,K.;, Kamiya,T.; Watabe,T.;, Kato,H., Shimosegawa,E., Hatazawa,J.
  • Journal Title: NIM-A Volume: 958 Pages: 162802
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.162802
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Demonstration of multiple contrast agent imaging for the next generation color X-ray CT (2020)
  • Author(s): Maruhashi,T.; Kiji,H.; Toyoda,T.; Kataoka,J.; Arimoto,M.; Kobayashi,S.; Kawashima,H.; Terazawa,S.; Shiota, S.;, Ikeda,H.
  • Journal Title: NIM-A Volume: 958 Pages: 162801
  • DOI: 10.1016/j.nima.2019.162801
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Beta-ray imaging system with γ-ray coincidence for multiple-tracer imaging (2019)
  • Author(s): Fukuchi,T.; Yamamoto,S.; Kataoka,J.; Kamada,K.; Yoshikawa,A.; Watanabe,Y.; Enomoto,S.
  • Journal Title: Med. Phys. Volume: 47(2) Pages: 587-596
  • DOI: 10.1002/mp.13947
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Development and performance verification of a 3-D position-sensitive Compton camera for imaging MeV gamma rays (2019)
  • Author(s): Hosokoshi,H.; Kataoka,J.; Mochizuki,S.; Yoneyama,M.; Ito,S.; Kiji,H.; Nishi,F.; Miyamoto,S.,; Shima,T.,
  • Journal Title: Nature Scientific Reports Volume: 9 Pages: 18551
  • DOI: 10.1038/s41598-019-54862-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] ガンマ線イメージングがつなぐ医療と宇宙；超小型コンプトンカメラの挑戦 (2019)
  • Author(s): 片岡 淳
  • Journal Title: 応用物理学会誌「応用物理」 Volume: 88/11月号 Pages: 730-734
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] ML-EM algorithm for dose estimation using PET in proton therapy (2019)
  • Author(s): Masuda,T.; Nishio,T.; Kataoka,J.; Arimoto,M.; Sano,A.; Karasawa,K.
  • Journal Title: Physics in Medicine and Biology Volume: 64 Pages: 175011
  • DOI: 10.1088/1361-6560/ab3276
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 4 種類の機械学習技術を用いたコンプトンカメラ画像解析 (2020)
  • Author(s): 佐藤 将吾、片岡 淳、古徳 純一、瀧 雅人、大山 飛鳥、田川 怜央、藤枝 和也、西 郁也、豊田 貴也
  • Organizer: 第67回応用物理学会
• [Presentation] 世代型カラーX線CTにおける新64チャンネルシステムの性能実証 (2020)
  • Author(s): 豊田 貴也、丸橋 拓也、木地 浩章、片岡 淳、有元 誠、佐藤 大地、吉浦 宏大龍、小林 聡、川嶋 広貴、寺澤 慎祐、塩田 諭、池田 博一
  • Organizer: 第67回応用物理学会
• [Presentation] 核医学治療に向けた大面積コンプトンカメラの開発と実証 (2020)
  • Author(s): 藤枝 和也、片岡 淳、望月 早駆、田川 怜央、佐藤 将吾、田中 稜、小俣 陽久、松永 恵子、神谷 貴史、渡部 直史、加藤 弘樹、下瀬川 恵久、畑澤 順、大江 一弘、豊嶋 厚史
  • Organizer: 第67回応用物理学会
• [Presentation] 革新的X線ガンマ線カメラによる広帯域イメージングの提案と実証 (2020)
  • Author(s): 小俣 陽久、片岡 淳、藤枝 和也、佐藤 将吾、松永 恵子、神谷 貴史、渡部 直史、加藤 弘樹、下瀬川 恵久、畑澤 順、大江 一弘、豊嶋 厚史
  • Organizer: 第67回応用物理学会
• [Presentation] Spectral Photon Counting CT (SPCCT) as a new diagnostic tool for medical innovation (2019)
  • Author(s): Kataoka,J.
  • Organizer: Tsukuba Conference 2019
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 64-ch photom-counting CT using a new MPPC-CT system (2019)
  • Author(s): Kiji, H., Maruhashi, T., Toyoda, T., Kataoka, J., Arimoto, M., Kobayashi, S., Kawashima, H., Terazawa, S., Shiota, S., Ikeda, H.
  • Organizer: HSTD 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First precision spectroscopy of Cesium-137 from the ground to 150m above in Fukushima (2019)
  • Author(s): Kurihara, T., Kataoka, J., Tanada, K., Tagawa,L., Mochizuki, S., Hosokoshi, H., Okochi, H., Gotoh, Y.
  • Organizer: HSTD 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A simple identification of multiple-hit events to improve the image quality of fine-pixel scintillation detector (2019)
  • Author(s): Sato, S., Kataoka,J., Mochizuki,S., Fujieda,K., Nishi,F.
  • Organizer: HSTD 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First application of super-resolution imaging technique using a Compton camera (2019)
  • Author(s): Sato,S. . Kataoka,J, .Kotoku,J., Oyama,A., Tagawa,L., Fujieda, K., Nishi,F., Toyoda,T.
  • Organizer: HSTD 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development and performance verification of a novel Compton camera for imaging MeV gamma rays (2019)
  • Author(s): Hosokoshi, H., Kataoka,J., Mochizuki,S., Yoneyama,M., Ito,S., Kiji,H., Nishi,F., Miyamoto,S., Shima,T.
  • Organizer: IEEE NSS/MIC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A simple identification of multiple-hit events to improve the image quality of fine-pixel scintillation detector (2019)
  • Author(s): Sato, S., Kataoka,J., Mochizuki,S., Fujieda,K., Nishi,F.
  • Organizer: IEEE NSS/MIC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First demonstration of portable Compton camera to visualize 223-Ra concentration for radionuclide therapy (2019)
  • Author(s): Fujieda,K., Kataoka,J., Mochizuki,S., Tagawa,L., Sato,S., Tanaka,R., Matsunaga,K., Kamiya,T., Watabe,T., Kato,H., Shimosegawa,E., Hatazawa,J.
  • Organizer: IEEE NSS/MIC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Demonstration of 3D-imaging of 137-Cs using Compton camera aboard drone in Fukushima (2019)
  • Author(s): Kurihara, T., Kataoka, J., Tanada, K., Tagawa,L., Mochizuki, S., Hosokoshi, H., Okochi, H., Gotoh, Y.
  • Organizer: IEEE NSS/MIC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First precision spectroscopy of cesium-137 from the ground to 150m above in Fukushima (2019)
  • Author(s): Kurihara,T., Kataoka,J., Mochizuki,S., Tagawa,L., Maruhashi,T., Tanada,K., Hosokoshi,H.
  • Organizer: IEEE NSS/MIC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Demonstration of material identification and simultaneous imaging of multiple contrast agents using a novel photon counting CT (2019)
  • Author(s): Kiji, H., Maruhashi, T., Toyoda, T., Kataoka, J., Arimoto, M., Kobayashi, S., Kawashima, H., Terazawa, S., Shiota, S., Ikeda, H.
  • Organizer: IEEE NSS/MIC 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 次世代型カラーX線CTシステムによるK吸収端イメージングの性能評価 (2019)
  • Author(s): 丸橋 拓也、木地 浩章、片岡 淳、有元 誠、寺澤 慎祐、塩田 諭、池田 博一
  • Organizer: 第80回応用物理学会秋季年会
• [Remarks] プレスリリース：超小型MeVガンマ線カメラの開発に成功ー50kg級の小型衛星で宇宙物理最後の窓開拓へ
  • URL: https://www.waseda.jp/top/news/67607
• [Remarks] 早稲田大学物理応物・優秀修士論文賞（丸橋 拓也）
  • URL: http://www.butsuri.phys.waseda.ac.jp/contents006.html