菅 幹生

PET/MRI統合スキャナ開発の要素技術のひとつとして生体組織による放射線吸収をMRI画像を基に補正する手法が提案されている。MRI画像により吸収係数が異なる組織に区分することはできるが、減弱係数そのものを求めることはできない。そこで、吸収係数の代表値が用いられるが、個人差による誤差の影響が懸念される。本研究では特に定量性が重要視される脳PET画像に吸収係数の誤差が及ぼす影響について検討した。特に、脳組織に割り当てる吸収係数の誤差がPETの画素値に最も大きく影響を及ぼすことがわかった。MRI画像に基づく吸収補正においては領域分割の精度に加え、割り当てる吸収係数の精度も重要であることが示された。

We are developing the OpenPET which can provide an open space observable and accessible to the patient during PET measurements. In addition, we have proposed the real-time imaging system for the OpenPET which is expected to be used in PET-guided tumor tracking radiation therapy and demonstrated its tracking ability using a point source and a small OpenPET prototype. However, tumor tracking in the human body still remains as a challenging task when we use 18F-FDG which is the best available tracer for tumors because of its background activity, scatter and attenuation in the body. In this study, we assess conditions under which tumor tracking is feasible in the human body by using the 4D XCAT phantom which is a realistic 4D human whole body phantom. To simulate realistic 18F-FDG distributions, we assigned standardized uptake values (SUVs) to normal organs based on the literature. We conducted Monte Carlo simulation of a human-sized OpenPET geometry by using Geant4 Application for Tomographic Emission (GATE) ver. 6.1 assuming a measurement at 100 minutes after the 18F-FDG injection of 370 MBq and a spherical tumor with the diameter of 10 to 30 mm and SUV of 3 to 10. List-mode data were generated for each 0.5 s time frame of a respiratory cycle of 5 s. Image reconstruction was done in a frame-by-frame manner and tumor position was automatically extracted for each time frame by a pattern matching technique. Tumor movement in the 4D XCAT phantom was about 17 mm at the maximum. The mean error of the tumor positions extracted from the reconstructed images was similar to the PET image resolution when the tumor size was 20 mm or more and SUV was 5 or more. We showed that tumor tracking by the OpenPET is feasible even in the human body scale and for realistic conditions. © 2012 IEEE.

In positron emission tomography (PET), 3D iterative image reconstruction methods have a huge computational burden. In this paper, we developed a list-mode image reconstruction method using graphics processing units (GPUs). Efficiency of acceleration for GPU implementation largely depends on the method chosen, where a reduced number of conditional statements and a reduced memory size are required. On the other hand, accurate system models are required to improve the quality of reconstructed images. Various accurate system models for conventional CPU implementation have been proposed, but these models basically require many conditional statements and huge memory size. Therefore, we developed a new system model which matches GPU implementation better. In this model, the detector response functions, which vary depending on each line of response (LOR), are pre-computed in CPUs and modeled by sixth-order polynomial functions in order to reduce the memory size occupied in GPUs. Each element of a system matrix is obtained on-the-fly in GPUs by calculating the distance between an LOR and a voxel. Therefore the developed system model enables efficient GPU implementation of the accurate system modeling with a reduced number of conditional statements and a reduced memory size. We applied the developed method to a small OpenPET prototype, in which 4-layered depth-of-interaction (DOI) detectors were used. For image reconstruction, we used the dynamic row-action maximum likelihood algorithm (DRAMA). Compared with a conventional model for GPU implementation, in which DRFs are given as a Gaussian function of fixed width, we saw no remarkable difference for DOI data, but for non-DOI data the proposed model outperformed the conventional at the peripheral region of the field-of-view. The proposed model had almost the same calculation time as the conventional model did. For further acceleration, we tried parallel GPU implementation, and we obtained 3.8-fold acceleration by using 4 GPUs.

Magnetic resonance elastography (MRE) is a newly developed imaging technique that makes full use of the magnetic resonance imaging (MRI) visualization to measure the stiffness of tissue in the body organs using mechanical excitation. In this study, an excitation device for MRE by micro-MRI (0.3T) was constructed from a high power vibration generator and a bar type vibration transmitter made from GFRP. The stiffness was expressed by storage shear modulus G' and loss shear modulus G" of the modified stokes model for a viscoelastic medium. Using a micro-MRI system, the optimal excitation condition of frequency and amplitude of wave was examined using some gel specimens. Viscoelastic modulus distribution of two layered agarose gel specimens were measured in the excitation condition of amplitude (0.5, 1.0, and 1.5 mm) and frequency (62.5, 125, and 250 Hz). The distribution of G' was influenced by both the frequency and amplitude of excitation. The two layered specimen combined with two different concentration gel samples shows the same tendency of G' in the same concentration layer approaching similar values under the higher excitation amplitude and frequency conditions as the uniform agarose gel specimen. Clear differences of the wave propagation patterns were observed in the MR image and the difference of G' between each phase area could be measured quantitatively in this MRE system.

線量集中性の高い粒子線がん治療のビームモニタリングを目的として、放射線医学総合研究所では、照射ビームに干渉せずPET計測を可能とする開放型PET装置"OpenPET"の開発を進めている。治療で用いられる安定核を加速させたビームを照射することで生じる陽電子放出核種はごく微量であるため、良好な照射野画像を得るためには統計ノイズの低減が不可欠である。測定イベントを増加させるために不安定核を加速させたRIビームの照射も検討しているものの、依然統計ノイズの低減は不可欠である。そこで本研究では、エッジを保存して、かつノイズ抑制効果の高いtotal variationノルムを導入した画像再構成手法を利用し、照射野画像化を試みた。その結果、パラメータを最適化することで照射野境界を確認することが可能となった。(著者抄録)

One of the challenging applications of PET is for in-beam PET, which is an in situ monitoring method for charged particle therapy. For this purpose, we have previously proposed an open-type PET scanner, OpenPET. The original OpenPET has a physically opened field-of-view (FOV) between two detector rings which irradiation beams pass through. This dual-ring OpenPET has a wide axial FOV including the gap. Therefore this geometry is not necessarily the most efficient when it is applied to in-beam PET in which only a limited FOV around the irradiation field is required. In this paper, we proposed new single-ring OpenPET geometry as more efficient geometry dedicated to in-beam PET. The detector ring of the proposed geometry is a cylinder both ends of which are cut by parallel aslant planes. The proposed geometry can be made compact so that the beam port can be placed close to the patient. © 2011 IEEE.

生体軟組織は機能の種類や疾患の程度によって組成や構築が異なるため，力学的物性も異なる．力学的物性は，対象から小片を切り出してレオメータにより測定することができる．しかし，レオメータでは不均一な物体の3 次元的な粘弾性率分布を測定することは困難である．また，生体軟組織の粘弾性を調べる場合には標本の切り出しは侵襲的であり，被検者への大きな負担となる．また，たとえ切り出せたとしても，組織本来の性質や状態は切り出すことによって変化するため，生体内での粘弾性率を得ることはできない．本稿では，磁気共鳴画像装置 (magnetic resonance imaging: MRI) を用いて生体組織の粘弾性分布を非侵襲的かつ定量的に測定可能なMR elastography (MRE) の原理とシステム構成を中心に紹介する．

The OpenPET and its real-time imaging capability have great potential for real-time tumor tracking in medical procedures such as biopsy and radiation therapy. For the real-time imaging system, we intend to use the one-pass list-mode dynamic row-action maximum likelihood algorithm (DRAMA) and implement it using general-purpose computing on graphics processing units (GPGPU) techniques. However, it is difficult to make consistent reconstructions in real-time because the amount of list-mode data acquired in PET scans may be large depending on the level of radioactivity, and the reconstruction speed depends on the amount of the list-mode data. In this study, we developed a system to control the data used in the reconstruction step while retaining quantitative performance. In the proposed system, the data transfer control system limits the event counts to be used in the reconstruction step according to the reconstruction speed, and the reconstructed images are properly intensified by using the ratio of the used counts to the total counts. We implemented the system on a small OpenPET prototype system and evaluated the performance in terms of the real-time tracking ability by displaying reconstructed images in which the intensity was compensated. The intensity of the displayed images correlated properly with the original count rate and a frame rate of 2 frames per second was achieved with average delay time of 2.1 s.

放射線治療のひとつである粒子線がん治療は深部のがんにも線量を集中させることができる.この粒子線がん治療の特徴を最大限に活かすために,治療計画通りの位置に照射できているかどうかをPET (Positron Emission Tomography)の方法を応用して画像化することが望まれている.放射線医学総合研究所ではがん診断・治療の融合を目的とした開放型PET装置「OpenPET」の開発を進めている.本研究では新たなOpenPET装置"Single-ring OpenPET"を提案する.Single-ring OpenPETは円筒を斜めに切断したような形状をしており,治療ビームが通過する開放領域を有する.特に装置を設計する際に長方形状の検出器ブロックの配置方法の検討が必要である.本研究では2つの配置方法を提案する.1つは検出器ブロックを楕円上に配置した検出器リングを斜めに並べる方法である.もう1つは従来PET装置と同様に検出器を円形リング状に並べ,各ブロックを体軸方向へ少しずつずらして配置する方法である.それぞれの配置方法でどのような再構成画像が得られるのか計算機シミュレーションで検討した結果,いずれの配置方法も良好な再構成画像を得ることができた.

Magnetic Resonance Elastography (MRE)は，対象外部からの振動による弾性波を振動増感傾斜磁場によって画像化し，弾性波画像に対し逆問題を解くことで弾性率分布を推定する．ヒト脳を対象とした研究においてもbite-barなどの加振装置を利用することが一般的である．これに対して，振動を誘発する傾斜磁場（Vibration Inducing Gradient：VIG）により生じるガントリ振動を利用して撮像をするTable-Resonance Elastography with MR（TREMR）が提案されている．TREMRの利点は外部加振装置を必要としないことであるが，共振周波数に依存した低い周波数で小さな振幅の振動しか発生できない．定量性と空間分解能を向上するためには対象に応じた周波数の設定と，振幅の向上が必要である．本研究では，VIGの周波数と周期を制御可能なシーケンスを開発するとともに，変位計を用いてヘッドコイルの変位を測定することを目的とした．ヘッドコイルに乗せるファントムの重さとVIGの周波数を変化させ、振動増感傾斜磁場印加期間の振幅特性の変化について発表する．

超音波診断装置と磁気共鳴画像装置 (Magnetic Resonance Imaging, MRI)を利用することで生体組織の硬さを非侵襲かつ定量的に測定できる．このような手法はエラストグラフィと呼ばれている．超音波エラストグラフィの手法としてVTTQ (Virtual Touch Tissue Quantification)がある．VTTQは集束超音波パルスの音響放射圧によって組織内に発生するせん断弾性波の伝搬速度を測定し，狭い関心領域（5 mm x 6 mmまたは10 mm x 6 mm）の内部における生体組織の弾性率を推定する．一方，MRエラストグラフィ (Magnetic Resonance Elastography, MRE)は外部振動によるせん断弾性波を画像化し，推定式により弾性率分布を求める．本研究では物理測定値が既知な複数のゲルファントムを用いてVTTQとMREの定量性と再現性を比較評価することを目的とした．VTTQは2種類のプローブ（コンベックス・リニア）を用いた．測定領域の深さ・硬さ・大きさ，超音波プローブとMRE振動子をファントムに押し当てる強さ，MRE撮像における周波数などの撮像パラメータについて検討し，測定条件の違いによる定量性や再現性の変化を確認した．

Magnetic resonance elastography (MRE) is a nondestructive method for measuring the hardness and softness of living tissue by means of magnetic resonance imaging (MRI) coupled with mechanical excitation of the subject. The shear modulus of a tissue is related to the velocity of transverse waves propagating through it, and local movements are obtained from MRI phase images. Micro MRI systems are available for high-resolution MRE measurements of soft materials. Longitudinal waves are effective for long-distance wave propagation from small excitation areas in micro MRI systems, and the transverse waves produced by the longitudinal waves can be used for elastography. This study proposes an excitation system comprising a high-power vibration generator and bar-shaped vibration transmitter made from an elastic material. The transmission characteristics of the glass-fiber-reinforced plastic bar-shaped transducer were evaluated by measuring the accelerations at its base and tip. The performance of the excitation system, which focused on the effects of frequency and amplitude, was investigated for measuring storage and loss modulus distributions in agarose gel. This system could transfer longitudinal waves with an amplitude of 0.5 mm and frequency between 50 and 250 Hz, without significant damping. Moreover, the excitation capabilities for gel phantoms were evaluated by MRE using 0.3T micro MRI equipment. A large amplitude of 0.5 mm and high frequency of 250 Hz produced less data scatter than smaller amplitudes and lower frequencies. MRE performance improved upon using strong excitations.

MRE (magnetic resonance elastography)はMRI装置を利用して弾性率分布を定量的かつ非侵襲的に測定する手法である．MREは外部振動による弾性波を画像化し，弾性 率推定式により弾性率分布を求める．弾性波画像はノイズに対して弾性波の振幅が十分に大きく，加振周波数が高いほど正確な弾性率推定が可能である．大きな振幅を発生させるために空気圧型加振装置が最も利用されているが，生体の粘性や振動エネルギーの3次元的分散により生体表面に加えた振動から発生する弾性波は生体内部で急速に減衰する．本研究では，複数振動子を用いた空気圧型加振装置によって，被験者への負担の軽減と生体内への弾性波の効率的な伝搬を両立す る方法を確立することを目的とした．発表では振動子数を１つと3つにしたファントム実験およびin-vivo実験の結果を示す．

Magnetic Resonance Elastography(MRE)は,撮像対象外部からの振動により発生する弾性波をMRIで画像化し,弾性波分布から逆問題を解くことによって局所粘弾性率を定量的に測定する.粘弾性率分布情報は,疾病や機能障害の診断,治療評価などに有用と期待されている.本研究では高解像度粘弾性測定を目指したMR Elastography用加振装置と,これにより得られる情報の特質を述べるとともに,得られた情報に対してどのような後処理が有効であるか検討した.実験結果から複数の振動子を利用し、弾性波画像に重畳するノイズ成分の除去処理を施した場合に最も物理測定値に近い値が得られたことより、同手法がMRE測定に有効であることを示した.

リアルタイムPETイメージングを検出器リング間に物理的な開放空間を持つOpenPETによって行うことで、放射線治療中リアルタイムに腫瘍追跡や放射能分布の測定が可能となる。本研究では、画像再構成の高速化のために3D one-pass list-mode DRAMAを、GPGPUの技術を用いて実装し、また、安定化のためにデータ転送制御システムを導入したアーキテクチャを提案し実装を行った。開発したシステムでは、再構成処理で使用されるデータ量の上限を再構成の処理速度に応じて設定し、定量性確保のために使用したデータ量と検出されたデータ量の比によって再構成像を補償する。今回、提案システムをOpenPET小型試作機に実装し、線源追跡の性能評価を行った。その結果、大きな遅延なく毎秒2フレーム以上での再構成像の表示が可能で、表示された画像強度がカウントレートの変化に追随して変化していることを確認した。(著者抄録)

重粒子線がん治療は、がん組織に線量を集中する理想的な放射線がん治療法である一方、その特徴を最大限に引き出すためには、患者体内の照射ビームを3次元画像化する手段が不可欠である。そこで我々は、治療しながらPET計測できる世界初の開放型PET装置「OpenPET」を提案した。2つの検出器リングを離して配置し、開放領域を3次元画像化する。今回、小型試作機を開発し、重粒子線がん治療イメージングのコンセプトをファントム実験にて実証したので報告する。具体的には、重粒子線がん治療装置HIMACにおいて、放射化した治療ビームを検出器リングの隙間を通してアクリルファントムに照射し、ファントム内のビームの分布を、照射しながら3次元画像化した。今後、ヒトサイズの実証機の開発を目指す。また、肺がんなど動く標的のトラッキングの実現に向けて、リアルタイムイメージングシステムの研究も進めている。(著者抄録)

生体を対象としたMRE(MRエラストグラフィー)を念頭に、物理的制約の下で体動抑制効果を持つ余弦波状の最適化MSG(振幅増感傾斜磁場)を求める手法を示すと共に、その有効性を検証するためシミュレーション実験と均一ファントム実験を行った。空気圧型加振装置の振幅特性を利用したシミュレーションでは、最適化MSGと従来型MSGの両方で貯蔵弾性率の平均値は真値と一致したが、ファントム実験では、従来型MSGで推定値が21%低くなった。撮像対象の非線形性と外部加振の振幅特性により発生する高調波を最適化MSGにより抑制できることが示唆された。非線形物体である生体組織を対象とした測定において、本手法は有効であると考えられる。

定量的かつ非侵襲的に貯蔵弾性率を測定可能な手法であるmagnetic resonance elastography(MRE)を用いることで,疾患の悪性度や病期により変化する生体組織の硬さを捉えることができる.MREは,外部加振装置と同期した振動増感傾斜磁場(motion sensitized gradients:MSG)を含むMRI制御プログラム(パルスシーケンス)により取得した弾性波画像から弾性率分布を推定する.外部加振装置の振幅特性および撮像対象の非線形性により高調波が発生する場合は,貯蔵弾性率推定精度は低下する.また,生体撮像時には体動によりモーションアーチファクトが発生する.本研究の目的は,ヒトを対象としたMRE測定において体動抑制処理を適用した最適化MSGの利用により,弾性波画像上の高調波ひずみと体動の抑制効果,貯蔵弾性率推定精度の向上を確認することとした.健常被験者の肝臓を対象としたMRE測定により,体動抑制処理を加えたパルスシーケンスでは心拍動によるモーションアーチファクトを抑制することができた.従来型MSGと最適化MSGを利用して得た弾性率推定結果の比較より,提案手法により高調波成分が抑制されて推定精度が向上することが示唆された.これらの結果より,提案手法はMREの定量測定に有用であると思われる.

近年，magnetic resonance imaging（MRI）により非侵襲的に物体の物理的属性である粘弾性率分布を定量的に測定する手法としてMR elastography（MRE）が提案されており，臨床用MRIや高磁場MRIを用いたシステム開発が進められている．経験ある医師は疾病や機能障害をおこした生体組織の硬さが正常組織と異なることを利用して触診により疾患を発見したり機能障害の程度を定性的評価している．MREは生体深部組織の硬さを粘弾性率という客観的指標として定量的に求められることから臨床上有用と期待されている．本講演では，MREの原理と実際に構築したシステムについて紹介する．

MRE(magnetic resonance elastography)はMRI装置を利用して弾性率分布を定量的かつ非侵襲的に測定する手法である．MREは外部振動による弾性波を画像化し，弾性率推定式により弾性率分布を求める．正確な弾性率推定にはノイズに対して弾性波の振幅が十分に大きい必要があるが，振動エネルギーの3次元的分散や，生体の粘性により生体表面に加えた振動から発生する弾性波は生体内部で急速に減衰する．本研究では振動エネルギーが関心領域内に集中するように複数の振動子を使用した多点加振システムを構築し，生体に対する有効性の評価を目的とした．実験では健常成人（21歳，男性）に対し上腹囲に沿って振動子を4つ配置する場合と1つ配置する場合での断層面内の振動エネルギー分布を求めた．振動子から対象に加える総振動エネルギーが一致するように，振動子が4つの場合の振幅は1つの場合の50%とした．弾性波画像から振動エネルギー分布画像を作成し表面付近と深部について振動子1個に対する振動子4個の振幅比を求めたところ，表面付近では74%，深部では168%となった．生体組織の深部領域を対象とする場合には複数の振動子を使用する多点加振システムが有効であることが示せた．

MRIを用いて生体深部領域を定量的かつ非侵襲的に弾性率測定する手法にMagnetic Resonance Elastography (MRE)がある．MREは，測定対象内部に微細な振動を発生させる外部加振装置と同期した振動増感傾斜磁場により弾性波信号を取得し，弾性波画像上の局所波長から逆問題を解くことで弾性率分布を推定する．ヒト腹部領域を対象としたMRE撮像では，体動による影響を抑制するため息止めが必要となり高速撮像が求められる．高速撮像法であるSpin Echo－Echo Planner Imaging（SE-EPI）法は短時間で3次元撮像が可能である．しかし，生体が持つ磁化率分布や磁場の不均一性により画像ひずみや偽像が発生しやすく，弾性波画像の信号対ノイズ比が低い問題がある．一方，Gradient Echo（GRE）法は長い撮像時間が必要となるが，画像ひずみや偽像が少なく，高い信号対ノイズ比の弾性波画像が得られる．本発表では，ヒト腹部を対象とした場合のSE-EPI法とGRE法を用いたMRE撮像法の比較検討を目的とした．弾性ゲルと生体を対象とした実験による弾性波画像の信号対ノイズ比と弾性率推定精度の比較検討およびその結果を報告する．

MRIを用いて生体深部領域の弾性率を非侵襲的かつ定量的に測定する手法として，Magnetic Resonance Elastography (MRE)がある。MREは，外部加振装置と同期した振動増感傾斜磁場により取得した弾性波画像の局所波長から弾性率分布を推定する。従来のヒト脳を対象としたMRE撮像で利用する外部加振装置は、被験者頭部を拘束するため苦痛を伴い，臨床適用が困難である。このような問題を解決する手法として，MRI撮像時に生じるガントリ振動を利用したMRE撮像手法が提案されているが，振動周波数の制御ができない欠点がある。本研究は，ガントリを振動させるために傾斜磁場コイルに流す電流の周波数と振幅，持続時間を変えてガントリの振幅特性を測定することにより，MREに最適な撮像条件を求めることを目的とした。ガントリ振動の振幅特性はレーザ変位計により測定した。傾斜磁場コイルに加えた周波数と他の周波数での振幅の比が25 Hzと40 Hzの場合には約10倍になった。得られた最適撮像パラメータを利用して貯蔵弾性率が既知なゲルでMRE測定した。ガントリ振動を利用したMREにより弾性率を定量的に推定できることを確認した。

MRE(Magnetic Resonance Elastgraphy)では、計測対象の運動を計測することで粘弾性構造の推測をおこなっている。運動と粘弾性構造の関連付けにおいて、測定対象の粘弾性構造は、通常、等方であるとして、その異方性を無視して議論している。今回、我々は、この異方性に着目し、MREにより剛性率の異方性を計測する方法について検討した。

Normalization correction is necessary to obtain high-quality reconstructed images in positron emission tomography (PET). There are two basic types of normalization methods: the direct method and component-based methods. The former method suffers from the problem that a huge count number in the blank scan data is required. Therefore, the latter methods have been proposed to obtain high statistical accuracy normalization coefficients with a small count number in the blank scan data. In iterative image reconstruction methods, on the other hand, the quality of the obtained reconstructed images depends on the system modeling accuracy. Therefore, the normalization weighing approach, in which normalization coefficients are directly applied to the system matrix instead of a sinogram, has been proposed. In this paper, we propose a new component-based normalization method to correct system model accuracy. In the proposed method, two components are defined and are calculated iteratively in such a way as to minimize errors of system modeling. To compare the proposed method and the direct method, we applied both methods to our small OpenPET prototype system. We achieved acceptable statistical accuracy of normalization coefficients while reducing the count number of the blank scan data to one-fortieth that required in the direct method.

The X'tal cube is our new PET detector which is composed of a segmented crystal block and multi-pixel photon counters (MPPCs). It detects scintillation photons in three dimensions by arranging MPPCs on multiple surfaces of the crystal block. It is possible to collect scintillation photons efficiently for higher energy, spatial, and timing resolution. We have previously reported that 3 mm isotropic spatial resolution was obtained using the X'tal cube. In this study, we achieved 1 mm isotropic spatial resolution. The developed X'tal cube detector was composed of 1.0 1.0 1.0 mm3 LYSO crystals, which were structured into 16 16 16 arrays. Each surface of the crystal block was covered with 44 MPPCs with 3.0 mm 3.0 mm sensitive area. We evaluated crystal identification and energy performance, and the results showed that the X'tal cube has the expected 1 mm isotropic spatial resolution. © 2010 IEEE.

近年、小型の半導体受光素子の実用化に伴い、新たな受光素子配置に基づくPET用検出器の開発が可能になった。放射線医学総合研究所では、千葉大学、東京大学、浜松ホトニクスと共同で、クリスタルキューブと呼ばれる次世代の3次元放射線位置検出器を開発している。クリスタルキューブは、光学的不連続点を内蔵する結晶ブロックの全面に半導体受光素子を配置することで、3次元的にシンチレーション光を取得する。位置演算法の観点では、シンチレーション光の信号は冗長に得られる。本研究では、クリスタルキューブの位置演算において、位置情報を多く含むデータを選択して検出位置の推定精度を向上させる手法を提案し、その効果をモンテカルロシミュレーションにより検証した。位置推定には重心演算法として知られるAnger法を用いた。その結果、全6面のデータを使用した場合よりも4面のデータを選択的に使用した方が位置推定精度は高かった。(著者抄録)