Whole gamma imager

Introduction

PET(陽電子断層撮影法)は、がん診断や脳研究、分子イメージング研究を推進する手段として期待されています。放射線医学総合研究所(放医研)は、1979年に日本初のPET装置を開発して以来、PET研究を続け、今や分子イメージング研究の世界的リーディング機関のひとつとなりました。PET装置については、空間分解能や感度、コストなどの点で課題が残されており、次世代技術の研究開発は世界的な競争下にあります。イメージング物理研究チームは、独自アイディアの創出と実用化を二本柱に、核医学物理研究を推進しています。

世界初の開放型PET装置「OpenPET」の小型試作機

Highlight

  • Depth-of-interaction (DOI)検出器の実用化について「産学官連携功労者表彰厚生労働大臣賞」受賞
    2017年産学官連携功労者表彰厚生労働大臣賞
  • OpenPETの研究開発について「科学技術分野の文部科学大臣表彰科学技術賞(研究部門)」受賞
    2017年科学技術分野の文部科学大臣表彰科学技術賞(研究部門)
  • 新コンセプトwhole gamma imaging (WGI)の初号試作機開発に成功
    whole gamma imaging (WGI)の初号試作機

イメージング物理研究チームは、空間分解能と感度を両立する4層DOI検出器を世界に先駆けて開発しました。DOI検出器を応用した新発想のPET装置の研究開発に着手し、世界初となる開放型PET装置「OpenPET」を考案しました。OpenPET、ヘルメット型PET、アドオンPETの実用化に向けた研究開発をより力強く推進するとともに、PETとコンプトンイメージングの長所を組み合わせた新アイディアWGIの研究開発をスタートしました。 DOI検出器およびOpenPETは、それぞれ2000年度および2007年度から着手したテーマであり、長年に渡り継続してきた研究開発が評価されたものです。収穫を祝うと同時に、次期シーズの創出を忘れてはなりません。

Project

Over view

PET innovation to be made by original ideas and technologies

放医研第一期中期計画(2001-2005年度)

イメージング物理研究チームは、空間分解能と感度を両立する4層DOI検出器を世界に先駆けて開発しました。DOI検出器は、その後、株式会社島津製作所により乳房専用PET装置として実用化されました。

放医研第二期中期計画(2006-2010年度)

DOI検出器を応用した新発想のPET装置の研究開発に着手しました。具体的には、世界初となる開放型PET装置「OpenPET」を考案しました。また、半導体光センサーであるシリコンフォトマル(SiPM)の登場を受けて、PETの理論限界分解能の実現を目指し、次世代DOI検出器「X’tal cube」(クリスタルキューブ)を開発しました。

放医研第三期中期計画(2011-2015年度)

2012年のドイツイノベーションアワード受賞などによる弾みを受け、フルサイズのOpenPET装置の試作機開発に成功しました。また、このフレキシブルな放射線検出器システムを応用して、独自アイディアである頭部専用のヘルメット型PET装置のデモ機開発にも成功しました。現在、本装置の製品化に向けて、株式会社アトックスとの共同研究を行っています。一方で、X’tal cubeで培った技術は、既存MRIをPET/MRIに拡張できる「アドオンPET」を可能にしました。

量研機構(2016年度以降)

2016年度4月、新法人「量子科学技術研究開発機構」(量研機構)として新たなスタートを切りました。OpenPET、ヘルメット型PET、アドオンPETの実用化に向けた研究開発をより力強く推進するとともに、PETとコンプトンイメージングの長所を組み合わせた新アイディアWGIの研究開発をスタートしました。

  • OpenPET

    OpenPETプロジェクト

    OpenPETは、ビーム体内飛程検証やターゲット腫瘍のトラッキングなど、PETガイド下の粒子線治療を可能にする世界初の開放型PETです。PETによる粒子線ビーム飛程検証は、核破砕反応によって生じるPET核種(陽電子放出核種)の分布を画像化することで行います。OpenPETは、画像化に重要なフルリングの検出器配置でありながら、治療ビームを通すために十分な開放空間を有しています。昨年度には、15Oビーム照射法を確立し、ビーム自体をPET核種とすることで、線量ピーク位置とPET画像ピーク位置の差が1mm以下になることを示しました。

    2017年度の主な進捗は、国際的な共同研究の推進です。OpenPETならではの意欲的な実験をHIMACにて行いました。具体的には、通常の安定核ビーム(12Cビームなど)照射におけるPET-dose変換法(LMU)や、モンテカルロシミュレーションコードの検証(ANSTO/ウーロンゴン大学)などです。これらの成果は、IEEE MIC2017で口頭発表に選定されるなど、高い評価を受けました。

    ヘルメットPET

    ヘルメットPETプロジェクト

    高齢化が進む中、認知症患者数の急増が社会問題化しています。脳PETの潜在ニーズを受けて、頭部専用PET装置の研究開発が行われてきましたが、どれも検出器配置は円筒形状のままでした。有限の検出器数において放射線検出感度を最大化するためには、できる限り検出器を測定対象に近づけることが有効です。そこで私たちは、頭部検査においては、円筒よりも半球状の検出器配置のほうが高い感度を実現できると考えました。具体的には、DOI検出器を並べた半球部にあご部検出器を追加した世界初のヘルメット型PET装置を開発し、小型で高感度・高分解能な頭部PET装置の普及に道筋をつけました。

    2017年度は、より圧迫感がなくなるように、あご部検出器を後頭部に移す改造を行いました。これは、追加検出器は、数が同じであれば効果は位置に依存しないというシミュレーション結果に基づいたものです。実際には、後頭部検出器では、あご部検出器時に設けていたマージンが不要になったため、改造により約7%感度が上がりました。

    Add-on PET for MRI

    MRI用アドオンPET

    近年、従来のPET/CT装置に代わって、PETとMRIを組み合わせた装置が注目されていますが、DOI検出器の利用については十分に検討されてきませんでした。DOI検出器は、高空間分解能・高感度・低コストを共に実現するための鍵となります。そこで私たちは、MRI用コイル(RFコイル)にDOI検出器を組み合わせた独自発想のアドオンPETを提案しています。

    PETのフロントエンド回路はRFコイルの内側には入れないという制約のもとで、PET検出器リング径を最小化するために、PET検出器モジュールをRFコイルのスポークの間に配置することとしました。具体的には、回路部はRFシールドボックスで覆うが、RFに干渉しないシンチレータ部のみを、シールドボックスから突き出してRFコイルの内側に配置するようにしました。最終的には、RFコイルのバリエーションのひとつとして、あらゆる既存のMRI装置に後付して、手軽にPET/MRIにアップグレードできるようにしたいと考えています。

    頭部サイズのプロトタイプ開発に成功した昨年度に続き、今年度は、全身展開に向けた要素技術を開発しました。具体的には、体幹部にフィットする楕円形検出器配置において、MRI影響、特にRF透過性について試験しました。

    Whole Gamma Imaging (WGI)

    WGI試作

    PETの技術が成熟に向かう今、単一細胞レベルのセル・トラッキングなどの新たなニーズに応えるためには、原理自体を変えるような大きなブレークスルーが必要です。そこで私たちは、放医研国際オープンラボやQST理事長ファンドなどの支援のもと、ミュンヘン大学(LMU)Katia Parodi教授らのグループと共同で、PETとコンプトンイメージングを組み合わせた新コンセプト「Whole gamma imaging」(WGI)の装置開発を2016年度に開始しました。

    WGIの基本概念は、検出可能なガンマ線をすべて画像化に活用することです。具体的には、通常のPET検出器の内側に、コンプトン散乱の検出に特化した散乱検出器リングを追加します。幅広い核種がイメージング対象になるため、標的アイソトープ治療薬の可視化に役立ちます。さらに、対象核種を、44Scなど陽電子崩壊(511keV放射線ペアの放出)とほぼ同時に単一ガンマ線(44Scの場合1157keV)を放出する3ガンマ核種に置き換えます。すると、511keVペアの同時計数により特定される線分(LOR)と、1157keVガンマ線のコンプトン計測により特定される円錐表面の交点として、核種位置が特定されるため、理屈の上では、1回の壊変からでも位置が特定できます。

    開発2年目となる今年度は、初年度のシミュレーション結果に基づいて装置試作を行い、放医研標識薬剤開発部の協力のもと、WGIのコンセプト実証(44Scイメージング)に成功しました。具体的には、線と円錐表面の交点として、半値幅12.7mmの位置特定精度が得られました。今後は、検出器の改良などにより、精度改善を図っていく予定です。

Member

山谷 泰賀

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
チームリーダー

吉田 英治

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
主幹研究員

稲玉 直子

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
主幹研究員

高橋 美和子

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
主幹研究員

錦戸 文彦

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
主任研究員

田島 英朗

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
主任研究員

Md Shahadat Hossain Akram

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
主任研究員

寅松 千枝

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
主任研究員

脇坂 秀克

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
主任技術員

Mohammadi Akram

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
研究員

岩男 悠真

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
研究員

Kang Han Gyu

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
研究員

赤松 剛

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
博士研究員

田久 創大

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
博士研究員

小畠 藤乃

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
技術員

大野 まどか

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
チーム事務担当

田中 真澄

放射線医学総合研究所 先進核医学基盤研究部 イメージング物理研究グループ
チーム事務担当

Achievement

# 原著論文 Peer-reviewed articles Year
Hideaki Tashima, Eiji Yoshida, Yuma Iwao, Hidekatsu Wakizaka, Takamasa Maeda, Chie Seki, Yasuyuki Kimura, Yuhei Takado, Makoto Higuchi, Tetsuya Suhara, Taichi Yamashita and Taiga Yamaya, “First prototyping of a dedicated PET system with the hemisphere detector arrangement,” Phys. Med. Biol., vol. 64, no. 6, p. 065004, Jan. 2019. 2019
Akram Mohammadi, Eiji Yoshida, Fumihiko Nishikido, Munetaka Nitta, Keiji Shimizu, Toshiaki Sakai, Taiga Yamaya, “Development of a dual-ended readout detector with segmented crystal bars made using a subsurface laser engraving technique,” Physics in Medicine and Biology, Volume 63, Number 2, 025019, 2018. 2018
Chie Toramatsu, Eiji Yoshida, Hidekazu Wakizaka, Akram Mohammadi, Yoko Ikoma, Hideaki Tashima, Fumihiko Nishikido, Atsushi Kitagawa, Kumiko Karasawa, Yoshiyuki Hirano, Taiga Yamaya, “Washout effect in rabbit brain: in-beam PET measurements using 10C, 11C and 15O ion beams” Biomed. Phys. Eng. Express, 4, 035001, 2018. (Appeared in MedicalPhysicsWeb: http://medicalphysicsweb.org/cws/article/research/71337) 2018
Yukie Yoshii, Mitsuyoshi Yoshimoto, Hiroki Matsumoto, Hideaki Tashima, Yuma Iwao, Hiroyuki Takuwa, Eiji Yoshida, Hidekatsu Wakizaka, Taiga Yamaya, Ming-Rong Zhang, Aya Sugyo, Sayaka Hanadate, Atsushi B. Tsuji, Tatsuya Higashi, "Integrated treatment using intraperitoneal radioimmunotherapy and positron emission tomography-guided surgery with 64Culabeled cetuximab to treat early- and late-phase peritoneal dissemination in human gastrointestinal cancer xenografts," Oncotarget, Vol. 9, No. 48, pp. 28935-28950, 2018. 2018
Md Shahadat Hossain Akram, Craig S. Levin, Takayuki Obata, Genki Hirumi, Taiga Yamaya, "Geometry optimization of electrically floating PET inserts for improved RF penetration for a 3 T MRI system," Med. Phys., 45 (10), pp. 4627-4641, 2018. 2018
R. S. Augusto, A. Mohammadi, H. Tashima, E. Yoshida, T. Yamaya, A. Ferrari, K. Parodi, "Experimental validation of the FLUKA Monte Carlo code for dose and β+–emitter predictions of radioactive ion beams," Phys. Med. Biol., 63, 215014, 2018. 2018
Munetaka Nitta , Naoko Inadama , Fumihiko Nishikido, Eiji Yoshida , Hideaki Tashima, Hideyuki Kawai, Taiga Yamaya, "Development of the X'tal cube PET detector with segments of (0.77mm)3" IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences, Vol. 2, No. 6, pp. 564-573, 2018. 2018
Yuji Tsutsui, Hiromitsu Daisaki, Go Akamatsu, Takuro Umeda, Matsuyoshi Ogawa, Hironori Kajiwara, Shigeto Kawase, Minoru Sakurai, Hiroyuki Nishida, Keiichi Magota, Kazuaki Mori, Masayuki Sasaki, J-Hart study group, “Multicentre analysis of PET SUV using vendor-neutral software: the Japanese Harmonization Technology (J-Hart) study,” EJNMMI Research (2018) 8:83. 2018
Akram Mohammadi, Eiji Yoshida, Hideaki Tashima, Fumihiko Nishikido, Taku Inaniwa, Atsushi Kitagawa, Taiga Yamaya, "Production of an 15O beam using a stable oxygen ion beam for in-beam PET imaging," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 849, pp. 76–82 2017
Abdella M. Ahmed, Hideaki Tashima, Eiji Yoshida, Taiga Yamaya, " Investigation of the optimal detector arrangement for the helmet-chin PET – A simulation study," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 858, pp. 96–100 2017
Abdella M Ahmed, Hideaki Tashim, Taiga Yamaya, "Simulation study of a D-shape PET scanner for improved sensitivity and reduced cost in whole-body imaging," Phys. Med. Biol., Vol., 62, pp. 4107-4117 2017
Abdella M Ahmed, Hideaki Tashima, Eiji Yoshida, Fumihiko Nishikido, Taiga Yamaya, “Simulation study comparing the helmet-chin PET with a cylindrical PET of the same number of detectors,” Phys. Med. Biol., vol. 62, pp. 4541-4550 2017
Akram Mohammadi, Naoko Inadama, Eiji Yoshida, Fumihiko Nishikido, Keiji Shimizu, Taiga Yamaya, "Improvement of crystal identification performance for a four-layer DOI detector composed of crystals segmented by laser processing," Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 866, pp. 29–35 2017
F. Nishikido, M. Fujiwara, H. Tashima, M. S. H. Akram, M. Suga, T. Obata, T. Yamaya, "Development of a full-ring "add-on PET" prototype: A head coil with DOI-PET detectors for integrated PET/MRI," Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 863, pp. 55–61 2017
Eiji Yoshida, Hideaki Tashima, Tetsuya Shinaji, Keiji Shimizu, Hidekatsu Wakizaka, Akram Mohammadi, Fumihiko Nishikido, Taiga Yamaya, "Development of a whole-body dual ring OpenPET for in-beam PET," IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences, Vol. 1, No. 4, pp. 293-300 2017
A. Koyama,H. Miyoshi, K. Shimazoe, Y. Otaka, M. Nitta, F. Nishikido, T. Yamaya, H. Takahashi, "Radiation stability of an InGaZnO thin-film transistor in heavy ion radiotherapy," Biomed. Phys. Eng. Express, 3, 045009 2017
Md Shahadat Hossain Akram, Takayuki Obata, Mikio Suga, Fumihiko Nishikido, Eiji Yoshida, Kazuyuki Saito, Taiga Yamaya, “MRI compatibility study of an integrated PET/RF-coil prototype system at 3 T,” Journal of Magnetic Resonance 283, pp. 62-70 2017
T. Inaniwa, H. Tashima, N. Kanematsu, “Optimum size of a calibration phantom for x-ray CT to convert the Hounsfield units to stopping power ratios in charged particle therapy treatment planning,” Journal of Radiation Research, pp. 1–9 2017
Abdella M. Ahmed, Hideaki Tashima, Taiga Yamaya, "Investigation of spatial resolution improvement by use of a mouth insert detector in the helmet PET scanner," Radiol. Phys. Technol. 2017
# 総説 Review articles Year
山谷泰賀(共同執筆), "生体計測分析技術・医療機器," 研究開発の俯瞰報告書 ライフサイエンス・臨床医学分野2017年, pp. 326-452 2017
山谷泰賀, "DOI検出器が切り拓く次世代のPET装置の研究開発," 放射線医学総合研究所創立60周年記念誌, pp. 16-17 2017
三輪建太,我妻慧,山尾天翔,上高祐人,松原佳亮,赤松剛,今林悦子,“アミロイドPETの定量評価に関する研究,” 日本放射線技術学会雑誌.Vol. 73, pp. 1165-1174 2017
# 著書 Book chapters Year
Taiga Yamaya, Hideaki Tashima, "OpenPET enabling PET imaging during radiotherapy," Book capter in Personalized Pathway-Activated Systems Imaging in Oncology: Principal and Instrumentation, Springer, pp. 55-84, 2017. 2017
山谷泰賀, "世界初の開放型PET装置の研究開発", 科学立国日本を築くpart II 次代を拓く気鋭の研究者たち, pp. 202-210, 2017 (日刊工業新聞社) 2017
# プレス・広告物掲載 Public relations activities Year
千葉大学と量子科学技術研究開発機構との包括的連携協力に関する協定書の締結について, プレスリリース, 2017/2/2 http://www.qst.go.jp/information/itemid034-001721.html (翌日の千葉日報、日刊工業、日経産業に展示したOpenPET試作機とともに「がん治療技術 確立へ」などのヘッドラインで紹介) 2017
"画像見てがん除去 量研機構が取りこぼし防ぐシステム," 日刊工業新聞1面, 2017/3/21. 2017
放射線医学総合研究所の研究員が平成29年度文部科学大臣表彰科学技術賞を受賞しました, ニュースリリース, 2017/4/19 http://www.qst.go.jp/information/itemid047-002154.html 2017
“第113回日本医学物理学会学術大会のCyPos大会長賞と英語プレゼンテーション賞を受賞しました,” ニュースリリース, 2017/5/16 http://www.nirs.qst.go.jp/information/news_prize/2017/0516.html 2017
“乳房専用PET装置「Elmammo」の研究・開発で「産学官連携功労者表彰 厚生労働大臣賞」を受賞”ニュースリリース, 2017/8/21 http://www.qst.go.jp/information/itemid034-002617.html 2017
# 外部評価(表彰) Awards Year
山谷泰賀, 吉田英治, 田島英朗, "開放型PET装置の発明と粒子線がん治療可視化法の研究," 平成29年度科学技術分野の文部科学大臣表彰科学技術賞(研究部門)受賞 (2017/4/19). Taiga Yamaya, Eiji Yoshida, Hideaki Tashima, “Invention of an open-type PET instrumentation and research on visualization of particle therapy,” Awarded the Science and Technology Prize by the Minister of Education, Culture, Sports, Science and Technology, April 19, 2017. http://www.mext.go.jp/b_menu/houdou/29/04/1384228.htm http://www.qst.go.jp/information/itemid047-002154.html 2017
山谷泰賀, 中本裕士, 北村圭司, “乳房専用PET装置「Elmammo」の開発に係る産学官連携,” 第15回産学官連携功労者表彰 厚生労働大臣賞 受賞 (2017/9/1). Taiga Yamaya, Yuji Nakamoto, Keishi Kitamura, “Industry-academia-government collaboration for the development of a breast dedicated PET, Elmammo,” Recognized as a Person of Collaboration Merits by the Minister of Health, Labour and Welfare, September 1, 2017. http://www8.cao.go.jp/cstp/sangakukan/index2.html http://www.qst.go.jp/information/itemid034-002617.html 2017
錦戸文彦, "Development of second add‒on PET/MRI prototype: Evaluation of PET imaging performance," O‒043, 第113回日本医学物理学会学術大会 CyPos大会長賞 Fumihiko Nishikido, the CyPos General Chair Award by the 113th Scientific Meeting of the Japan Society of Medical Physics 2017
田島英朗, "Development of a small prototype system toward real‒time OpenPET image‒guided surgery," O‒54, 第113回日本医学物理学会学術大会 英語プレゼンテーション賞 Hideaki Tashima, the English Presentation Award by the 113th Scientific Meeting of the Japan Society of Medical Physics 2017
山谷泰賀, "Whole gamma imaging concept: feasibility study of triple‒gamma imaging," O‒38, 第113回日本医学物理学会学術大会 英語プレゼンテーション賞 Taiga Yamaya, the English Presentation Award by the 113th Scientific Meeting of the Japan Society of Medical Physics http://www.jsmp.org/conf/113/e_presentation.html http://www.nirs.qst.go.jp/information/news_prize/2017/0516.html 2017
Md Shahadat Hossain Akram, Awarded to “ISMRM Summa Cum Laude Merit Award” for his presentation “Development and performance evaluation of the second prototype of a RF-coil integrated PET insert for existing 3T MRI systems,” (Given to Trainee Members whose abstracts score in the top 5% within a major subject review category) http://www.nirs.qst.go.jp/information/news_prize/2017/0602.html 2017
Md Shahadat Hossain Akram, IEEE NSS-MIC 2017 Trainee Grant ($500). 2017
Paper listed in “PMB Highlights in 2016” http://iopscience.iop.org/journal/0031-9155/page/Highlights_of_2016 Hideaki Tashima, …, Taiga Yamaya, "Development of a small single-ring OpenPET prototype with a novel transformable architecture," Phys. Med. Biol., Vol. 61, pp. 1795-1809, 2016 2017