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2016 Fiscal Year Research-status Report

元素成分推定を可能にするMulti-Energy CT再構成アルゴリズム法の開発

Research Project

Project/Area Number 15K08691
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

芳賀 昭弘  東京大学, 医学部附属病院, 助教 (30448021)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 古徳 純一  帝京大学, 医療技術学部, 教授 (70450195)
中川 恵一  東京大学, 医学部附属病院, 准教授 (80188896)
今江 禄一  東京大学, 医学部附属病院, 診療放射線技師 (80420222)
Project Period (FY) 2015-04-01 – 2018-03-31
Keywords光電効果 / Hartree-Fock / Dual energy CT / 事後分布最大化 / ビームハードニング / 逐次近似再構成
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、光子と物質の相互作用断面積及びX線の線質に基づき、元素分布の推定を可能にするMulti-Energy CT再構成アルゴリズムを新規に開発することである。このために、基礎物理学(量子電磁力学)に基づく光子反応断面積の精緻化と、装置から生じるX線スペクトルに基づいたビームハードニング特性を考慮したCT再構成の新たな表式を導出する必要がある。また、被写体の物質(元素)同定には様々なX線エネルギーを分別することが一般に必要であると考えられているが、本研究ではエネルギー分別の方法ではなく、標準人体の元素分布を事前情報に組み込んだ事後分布最大化によるアルゴリズムを構築する。当該年度では、(1)高精度なHartree-Fock計算に基づく光子-物質反応断面積のデータベース化、(2)放射線治療装置を利用したkVレンジとMVレンジのX線によるデュアルエネルギーCT再構成、(3)標準人体の元素分布のモデル化、を並行して実施した。(1)光子-物質反応断面積のデータベース化では、アメリカのNational Institute of Standards and Technologyとの比較により低原子番号において数%程度の相違が観測された。(2)kV-MVデュアルエネルギーCT再構成では、ファントムにおいて有効原子番号分布を取得し、3%程度の誤差範囲内で推定できた。(3)標準人体の元素分布のモデル化では、人体を構成する主な元素である水素、炭素、窒素、酸素、リン及びカルシウムの6つの元素に対して、物質密度に応じた各元素の構成割合と誤差範囲を、多峰性ガウシアンと多項式を組み合わせたフィッティングにより算定した。以上の結果に基づき、次年度において事後分布最大化に基づく元素推定の研究を完結する予定である。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

放射線治療装置を利用したkVレンジとMVレンジのX線によるデュアルエネルギーCT再構成及び事後分布最大化法によるCT再構成法については概ね順調に進展し、且つ新しい知見が得られてきたため、独立に論文化するフェーズに移行する状況にある。一方、標準人体に対する元素分布のモデル化では、その精度がモデル関数の選択に依存するという課題が残っており、この課題を再検討することによって、事後分布最大化に基づく元素推定に関する研究に遅れが生じる可能性があるため上記区分とした。

Strategy for Future Research Activity

今後の研究において、事後分布最大化に基づく元素推定アルゴリズムの精度を、ファントム試験によって実証したいと考えている。そのアルゴリズムで重要な要素となるのが標準人体の元素分布のモデル関数である。当該年度で行ったモデル関数の構築では、多峰性ガウシアンと多項式を併用し、最小二乗法と予測分布により6つの元素(水素、炭素、窒素、酸素、リン及びカルシウム)の構成割合と誤差範囲を算出した。しかし、元素に独立に最小二乗法を行うと構成割合の合計が1とならないため、酸素に対しては1から他の割合を差し引くことでモデル関数を構築した。この方法でもフィット精度の高い関数が構築できているが、一方、予測分布を構築することができず、誤差を理論に基づいて見積もることができていない。これは、事後分布最大化に基づく元素推定アルゴリズムにおいて、その誤差を事前情報の重みとして利用するというアイディアで問題となる。そのため、例えば1-of-K符号化を用いた識別問題によってモデル関数の構築を再検討することを考えている。

  • Research Products

    (21 results)

All 2017 2016 Other

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (13 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 1 results) Book (1 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] A Half-Arc Multiple Deep-Inspiration Breath-Hold Volumetric Modulated Arc Therapy for a Lung Tumor with 10 MV Flattening-Filter-Free Beams and an Image Sensor Measuring a Distance Map to Thorax Surface: An Initial Clinical Experience2017

    • Author(s)
      Nakagawa Keiichi、Nawa Kanabu、Hashimoto Masatoshi、Aoki Shuri、Kaneko Yoshihiro、Yamashita Hideomi、Haga Akihiro
    • Journal Title

      International Journal of Medical Physics, Clinical Engineering and Radiation Oncology

      Volume: 06 Pages: 31~35

    • DOI

      10.4236/ijmpcero.2017.61004

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Evaluation of functional marrow irradiation based on skeletal marrow composition obtained using dual-energy CT2016

    • Author(s)
      Taiki Magome, Jerry Froelich, Yutaka Takahashi, Luke Arentsen, Shernan Holtan, Keenan Brown, Akihiro Haga, Keiichi Nakagawa, Jennifer Holter, Sebastian Giebel, Jeffrey Wong, Kathryn Dusenbery, Guy Storme, Susanta Hui
    • Journal Title

      International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics

      Volume: 96 Pages: 679-687

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrobp.2016.06.2459

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] A rapid imaging method for total body or marrow irradiation in helical tomotherapy2016

    • Author(s)
      Taiki Magome, Akihiro Haga, Yutaka Takahashi, Keiichi Nakagawa, Kathryn Dusenbery, Susanta Hui
    • Journal Title

      International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics

      Volume: 96 Pages: 688-695

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrobp.2016.06.2458

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Adequate target volume in total body irradiation by intensity-modulated radiation therapy using helical tomotherapy: a simulation study2016

    • Author(s)
      Ryosuke Takenaka, Akihiro Haga, Hideomi Yamashita, Keiichi Nakagawa
    • Journal Title

      Journal of Radiation Research

      Volume: 58 Pages: 1-7

    • DOI

      doi: 10.1093/jrr/rrw115

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] VMATとその有用性:臨床応用の観点から2016

    • Author(s)
      芳賀昭弘
    • Journal Title

      医学物理

      Volume: 36 Pages: 161-165

  • [Presentation] Evaluation of a commercial automatic treatment planning system for prostate cancers and its prospect2016

    • Author(s)
      名和要武、芳賀昭弘、野元昭弘、他3名
    • Organizer
      日本放射線腫瘍学会第29回学術大会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] The initial experience of FFF VMAT-SBRT in Tokyo University2016

    • Author(s)
      青木秀梨、山下英臣、芳賀昭弘、中川恵一
    • Organizer
      日本放射線腫瘍学会第29回学術大会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] Intra-therapiutic MVCT reconstruction of Helical Tomotherapy using PICCS algorighm2016

    • Author(s)
      竹中亮介、芳賀昭弘、山下英臣、他2名
    • Organizer
      日本放射線腫瘍学会第29回学術大会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      2016-11-25 – 2016-11-27
  • [Presentation] Planning constraint cone-beam CT reconstruction; - feasibility study -2016

    • Author(s)
      芳賀昭弘、馬込大貴、中野正寛、他4名
    • Organizer
      第112回日本医学物理学会
    • Place of Presentation
      沖縄
    • Year and Date
      2016-09-08 – 2016-09-10
  • [Presentation] Field-Of-View Expansion in Cone-Beam CT Reconstruction by Use of Prior Information2016

    • Author(s)
      A Haga, T Magome, M Nakano, J Kotoku, K Nakagawa
    • Organizer
      Annual meeting of American Association of Physicist in Medicine
    • Place of Presentation
      Washington, D.C.
    • Year and Date
      2016-07-31 – 2016-08-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fast Megavoltage CT Imaging with Rapid Scan Time and Low Imaging Dose in Helical Tomotherapy2016

    • Author(s)
      Taiki Magome, Akihiro Haga, Yutaka Takahashi, Keiichi Nakagawa, Kathryn Dusenbery, Susanta Hui
    • Organizer
      Annual meeting of American Association of Physicist in Medicine
    • Place of Presentation
      Washington, D.C.
    • Year and Date
      2016-07-31 – 2016-08-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Anomaly Detection of Respiratory Motion by Use of Singular Spectrum Analysis2016

    • Author(s)
      Jun'ichi Kotoku, Shinobu Kumagai, Susumu Nakabayashi, Akihiro Haga, Takenori Kobayashi
    • Organizer
      Annual meeting of American Association of Physicist in Medicine
    • Place of Presentation
      Washington, D.C.
    • Year and Date
      2016-07-31 – 2016-08-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Four-Dimensional Cone-Beam CT Iterative Reconstruction with Time-Ordered Chain Graph Model for Non-Periodic Organ Motion and Deformation2016

    • Author(s)
      Masahiro Nakano, Akihiro Haga, Jun'ichi Kotoku, Taiki Magome, Yoshitaka Masutani, Shouhei Hanaoka, Keiichi Nakagawa
    • Organizer
      Annual meeting of American Association of Physicist in Medicine
    • Place of Presentation
      Washington, D.C.
    • Year and Date
      2016-07-31 – 2016-08-04
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 放射線治療の頭脳治療-計画装置- 本質的理解とモデリング2016

    • Author(s)
      芳賀昭弘
    • Organizer
      第13回新潟放射線治療技術懇話会
    • Place of Presentation
      新潟
    • Year and Date
      2016-07-16 – 2016-07-16
    • Invited
  • [Presentation] Theoretical consideration of material decomposition with prior information compressed sensing2016

    • Author(s)
      芳賀昭弘、坂田洞察、馬込大貴、古徳純一、中野正寛、名和要武、堀川弥太郎、中川恵一
    • Organizer
      第111回日本医学物理学会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-04-14 – 2016-04-17
  • [Presentation] Phase recognition system for tracking tumor using pre-4D CBCT in FFF mode: A makerlss study2016

    • Author(s)
      チャタクリ・リツ、出町和之、上坂充、芳賀昭弘
    • Organizer
      第111回日本医学物理学会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-04-14 – 2016-04-17
  • [Presentation] Reconstruction of megavoltage computed tomography with rapid scan time and extended field of view2016

    • Author(s)
      馬込大貴、芳賀昭弘、高橋豊、他5名
    • Organizer
      第111回日本医学物理学会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-04-14 – 2016-04-17
  • [Presentation] Clinical results of total skin irradiation for T-cell lymphoma using helical TomoTherapy : a reports of three cases2016

    • Author(s)
      大熊加恵、芳賀昭弘、江原幸康、他4名
    • Organizer
      第75回日本医学放射線学会総会
    • Place of Presentation
      横浜
    • Year and Date
      2016-04-14 – 2016-04-17
  • [Book] Image-Based Computer-Assisted Radiation Therapy: Chapter 9: x-ray based patient positioning2017

    • Author(s)
      Akihiro Haga
    • Total Pages
      199-235
    • Publisher
      Springer
  • [Remarks] ようこそ東大病院放射線治療部門へ

    • URL

      http://www.u-tokyo-rad.jp/

  • [Patent(Industrial Property Rights)] 事前画像を用いた放射線治療中の異常検知システム2016

    • Inventor(s)
      芳賀昭弘、名和要武、中川恵一、チャタクリ・リトゥ・ブーサル
    • Industrial Property Rights Holder
      芳賀昭弘、名和要武、中川恵一、チャタクリ・リトゥ・ブーサル
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      特願2016-088501
    • Filing Date
      2016-04-26

URL: 

Published: 2018-01-16  

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