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グループは、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。

• 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

  

• 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

  

• 新コンセプトwhole gamma imaging (WGI)の初号試作機開発に成功

  

イメージング物理研究グループは、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。

Over view

放医研第一期中期計画（2001-2005年度）

イメージング物理研究グループは、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

  

  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

  

  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)

  

  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。