倉田奨励金研究報告書｜2018 年度（第 50 回）助成■受領№1379

連続 X 線を用いたフォトンカウンティング法による超高精度実効原子番号のイメージング～次世代型医療用画像検出器の開発に向けた基礎研究～

代表研究者

紀本 夏実

金沢大学大学院医薬保健学総合研究科

博士後期課程 3 年

1．研究⽬的現代の医療において主要な役割を担う⼀般X線撮影（レントゲン撮影）検査では，図1に⽰すような⽩⿊のX線画像を使⽤した定性的な診断が主流である．この画像診断の根拠は，医師の解剖学的知識や経験に基づいており，X線画像を形成する際の物理学的な知⾒はほとんど考慮されていない．
この診断は多くの成功を収めている⼀⽅で，画像濃度が似ている物質を医師の⽬では識別できないなどの本質的な限界がある．本研究では，X線画像

図1

医療診断における物理学的視点の必要性を⽣成する過程の物理を明らかにした解析によって，物理的な知⾒（組織の実効原⼦番号や密度）を反映した定量的な画像を⽣成する検出器を開発し，より診断能の⾼い医療を実現したいと考えている．
物理学的な視点で医⽤画像を解析するためには，画像の形成に寄与するX線光⼦⼀つ⼀つのエネル
ギー情報が必要である．しかし，現在普及している従来型の検出器では積分量で画像化が⾏われるため，エネルギー情報を解析できない（図2（a））．
⼀⽅で，新たに開発を⾏っているフォトンカウン
ティング型の検出器では，X線を独⽴に検出しエネ

図 2 （a）エネルギー積分型検出器と（b）フォトンカウンティング検出器の比較ルギー弁別を⾏えるため，X線のエネルギーと個数の情報を保持しており（図2（b）），物理学的な解すなわち物質同定に関する情報）の⽣成を⽬的と析を⾏える．本研究ではこのフォトンカウンティする．この研究が実現可能な技術として⼤成できング型検出器を利⽤し，検出器が出⼒するエネル

れば，定量化画像へのイノベーションの創設に繋ギー情報に対して独⾃の解析アルゴリズムを適⽤がり，新しい診断体系を提案できると考えている．

し，組織の物理学的な解析結果（実効原⼦番号，

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2．研究内容被写体の実効原⼦番号を導出するためのアルゴリズムの提案に向けた基礎研究において，物質同定の⾼精度化を図るためには，検出器の複雑な応答特性の影響を考慮する必要があることを明らかにした．図3にマルチピクセル検出器の応答特性を考慮した解析⼿法の概念図を⽰す．これまでの基礎研究において，図3（a）理想状態を想定した解析は完了している．本研究では，図3（b）X線と検出器物質との相互作⽤，及び図3（c）電気的な影響（チャージシェアリング）に着⽬し，解析⼿法の実⽤化に向けて取り組んだ．これらの応答特性を定量的に調べるために，装置固有の情報（各図3

マルチピクセル検出器の応答特性を考慮した解析手法の概念図

画素のX線スペクトル等）を取得し，モンテカルロシミュレーション法でX線と検出器の応答を粒⼦輸送計算することで，検出器の応答特性を推定した．推定した応答特性の情報を基に，医療におけるさまざまな被写体に対応できるようにシミュレーション計算を網羅的に⾏い，⼤量のデータベースを構築し，解析プログラムを作成した．さらに解析プログラムを実機に搭載し，実効原⼦番号が既知の物質（軟組織等価ファントム，アルミニウム等）や⻭科サンプルを測定することで，画像ベースで同定精度の検証を⾏った．

図4

提案システムの概念図

図4は提案システムの概念図を⽰している．⻭科

たに実効原⼦番号画像から得られる情報を診断にサンプルを測定対象としたときの画像を例として活かすことができる．さらに実効原⼦番号画像の⽤いた．左図に⽰す3つの異なるエネルギーに対応⽣成に伴う患者へのX線の被ばくを最⼩限に抑えする画像に解析アルゴリズムを適⽤すると，⾚⽮られることは，従来の⼀般X線撮影のメリットであ印で⽰す実効原⼦番号画像を取得することができる短時間撮影を可能にし，患者に負担の少ない医た．⻭の実効原⼦番号を定量的に評価することが療を提供できる．これらの提案システムのさまざでき，組織の微細な構造を分析することができた．

まなメリットから，実機の臨床応⽤へ向けた明るこれらの結果は臨床系の国際学会において，臨床い⾒通しを得ることができた．

医からの⾼い評価を受け，Certificate of Merit賞を受賞した[3]．さらに，提案システムは，図4中の⿊⽮印で⽰す従来X線画像も同時に取得することできた．⼀度のX線の照射で，従来X線画像と実効原⼦番号画像を⽣成できることから，従来X線画像を⽤いた既存の診断プロセスを崩すことなく，新３．発表（研究成果の発表）
国内外の学会誌、学会講演会等における発表を５件程度記載。
記載内容：⽒名、題⽬、誌名、巻、号、⾴（年次）、学会名（場所、年次）

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(1) Natsumi Kimoto, Hiroaki Hayashi, Takumi

to analyze a novel quantitative image? RSNA2019

Asakawa, Takashi Asahara, Tatsuya Maeda, Yuki

Education Exhibit Presentation, Chicago, Dec. 2019.

Kanazawa, Akitoshi Katsumata, Shuichiro Yamamoto,

Certificate of Merit 受賞

Masahiro Okada. Feasibility study of photon(4) Hiroaki Hayashi, Natsumi Kimoto, Takumi Asakawa,

counting detector for producing effective atomic

Akitoshi Katsumata, edited by Leon V. Berhardt.

number image. Proceedings of IEEE（MIC）,4 pages,

IMPORTANCE OF CONSIDERING THE

2019.

PHYSICS OF A MULTI-PIXEL-TYPE PHOTON(2) Takumi Asakawa, Hiroaki Hayashi, Natsumi Kimoto,

COUNTING DETECTOR TOWARDS THE

Takashi Asahara, Tatsuya Maeda, Shuji Koyama,

DEVELOPMENT OF A NOVEL MEDICAL

Shuichiro Yamamoto, Masahiro Okada. Importance

X-RAY IMAGING METHOD BASED ONof considering the response function of photon

MATERIAL IDENTIFICATION. Advances incounting detectors with the goal of precise materialMedicine and Biology. Volume 141, Chapter 1,

identification. Proceedings of IEEE（MIC）, 8 pages,

Nova Science Publishers, Inc., 2019.

2019.

(5) 紀本夏実，林 裕晃，勝⼜ 明敏，⼭本 修(3) Natsumi Kimoto, Hiroaki Hayashi, Takumi Asakawa,⼀郎，⻭科X線診断の定量解析法の開発：フォTakashi Asahara, Tatsuya Maeda, Akitoshi Katsumata,

トンカウンティング型イメージング検出器，Yuki Kanazawa, Shuji Koyama, Shuichiro Yamamoto,⽇本⻭科放射線学会第60回学術⼤会，2019年6⽉.

Masahiro Okada. Photon counting technique: How