2017年5月18日

本研究のポイント

・世界最軽量、「手のひらサイズ580g」のガンマ線可視化カメラを開発
・世界初、生体マウスをマルチアングルで撮影。多色かつ高精度な3D画像を短時間で撮影
・ガンマ線を見る新しい目の創出、次世代分子イメージングの新たな可能性に期待

リリース概要

早稲田大学理工学術院の片岡淳(かたおかじゅん)教授らの研究チームは、大阪大学、量子科学技術研究開発機構、浜松ホトニクス株式会社と共同で、ガンマ線を可視化する世界最軽量の小型カメラ(重量580グラム)を開発しました。さらにこのカメラを用いて、3種の異なる放射性薬剤を投与した生体マウスの3D同時分子イメージングにも世界で初めて成功しました。

レントゲン撮影に代表される放射線イメージングは、一般に2次元静止画を基本とし、エネルギー情報を持ちません。また、癌(ガン)やアルツハイマー病の早期発見に有用なPET(陽電子断層撮影)も511キロ電子ボルト(keV)のガンマ線を対象とし、画像は白黒です。そこで、任意のエネルギーのガンマ線を手軽に可視化することができれば、生体内に特性や集積箇所の異なる多種多様なマーカーを投与して同時に追跡することが可能となります。いわば、白黒テレビがカラーテレビに置き換わるほど劇的 に情報量が増加すると期待できます。

研究チームは、環境計測用に開発したコンプトンカメラ※1の高精度化に挑み、世界最軽量かつ高解像度の医療用コンプトンカメラを開発しました。このカメラを利用して、生体マウスに異なるエネルギーのガンマ線を放出する放射性薬剤を投与し、ヨウ素(131I:364keV)は甲状腺に、ストロンチウム(85Sr:514keV)は骨に、また亜鉛(65Zn:1116keV)は肝臓を中心として肺や心臓、膵臓などに広く取り込まれる様子を高精度(解像度約3mm)かつ短時間(2時間)で明らかにしました。高感度の検出器を究極まで小型化することでマルチアングル撮影が可能になり、これにより、一様かつ3次元のカラー画像を得ることに成功しました。

今回の研究成果は、将来的には、より”人間の目に近い”ガンマ線カメラの実現につながり、また次世代分子イメージングの可能性を拡げるものとして大きく期待されます。

本研究成果は、英国Nature Publish Groupのオンライン科学雑誌『Scientific Reports』に2017年5月18日午前10時(現地時間)に掲載されました.

論文名:First demonstration of multi-color 3-D in vivo imaging using ultra-compact Compton camera

研究の背景

「目に見えない光」は我々の生活の中でも様々な場面で使われています。たとえば、波長が可視光より長い赤外線はテレビのリモコンや距離計、あるいはストーブに、また電波は携帯電話やワイヤレス通信などにも多用されています。一方で、可視光より波長の短いX線、ガンマ線(いわゆる放射線)のセンサー技術は未だ黎明期にあり、それゆえ大きな将来性を秘めています。とくに、レントゲン撮影に代表される放射線イメージングは、一般に2次元静止画を基本とし、エネルギー情報を持ちません。これはX線CTやPET(陽電子断層撮影)を代表とする分子イメージングでも同様です。

分子イメージングでは生体内に薬剤を投与し、これをマーカーとすることで分子の動きを可視化します。特にPETは癌やアルツハイマー病の早期発見に有効で、病変細胞がブドウ糖(グルコース)を過剰に摂取する性質を利用してマーカーを集積させます。PETは数ミリ程度の解像度を実現する優れた分子イメージング法ですが、マーカーとして使える薬剤はポジトロン生成核種に限られ、511keVの対消滅ガンマ線のみが対象です※2。つまり、得られる画像は白黒で、エネルギー情報を持ちません。また、薬剤生成にサイクロトロンのような大型設備が必要なこともあります。

そこで、任意のエネルギーのガンマ線を自由に可視化することができれば、使えるマーカーも多種多様となり、特性や集積箇所の異なる多数のマーカーを同時に追跡することができます。つまり、生体内の動態や代謝過程などをPETより多角的かつ総合的にトレースすることが期待され、いわば白黒テレビがカラーテレビに置き換わるほど劇的に情報量が増加すると期待されます。

図1 (左)本研究で開発した、「手のひらサイズ」世界最小ガンマ線カメラ(右)検出器内部の構成

方法

このたび、早稲田大学・片岡研究室では環境計測用に開発したコンプトンカメラ※1の高精度化に挑み、世界最軽量かつ高解像度の医療用コンプトンカメラを開発しました。これまで、半導体の一種であるゲルマニウムやSi/CdTe(シリコン/テルル化カドミウム)検出器を用いたコンプトンカメラで同様な多色イメージングが試みられてきましたが、本装置の最大の特徴は過去に例のない「手のひらサイズ」の小型軽量化(半導体検出器を用いた従来装置の約1/10)、また「高感度」の両立です。浜松ホトニクス社が開発した高性能光センサーMPPC(Multi-Pixel Photon Counter)とガンマ線阻止能に優れた Ce:GAGGシンチレータ(ガドリニウム アルミニウム ガリウム ガーネット)を採用し、高密度かつセンサー部分のみを周辺機器と切り離すことで、常識を覆す小型軽量化を実現しました。

開発した装置の重量はわずかに580グラム・大きさは10cm足らずです。解像度・感度ともに優れ、40mm先にある1メガベクレル(MBq)のガンマ線源(300~2000keV)をほぼリアルタイムに可視化でき、かつPETと同等の解像度(約3mm)を実現しました。さらに、小型軽量を生かしたマルチアングル撮影を行うことが可能となり、世界で初めて均一かつ多色の3Dイメージングが可能となりました。

結果:生体マウスの3D撮影

大阪大学大学院医学系研究科附属未来医療イメージングセンターにおいて、最初の動物実験を行いました。生体マウス(生後8週間)2匹に3種類の放射性薬剤、ヨウ素131I(364keV:4MBq 半減期8日),ストロンチウム85Sr(514keV:1MBq 半減期65日),亜鉛65Zn(1116keV:1MBq 半減期244日)を投与し、麻酔後にガンマ線での撮影を行いました。マウスまでの距離は約40mm固定とし、マウスを回転することで各アングル10分、30°ステップごと12アングルでの測定を試みました。わずか2時間の測定で、高精度の3D画像が得られたことになります。図2から、ヨウ素(緑)は甲状腺に局所的に集積、ストロンチウム(青)は骨に、また亜鉛(赤)は肝臓を中心に肺や心臓、膵臓などに広く取り込まれている様子がクリアに確認できます。さらに、12角度からのイメージを3次元的に再構成する手法を確立し、生体マウスとしては初めて多色かつ3次元でのガンマ線画像の取得に成功しました。

得られた画像の正当性を評価するため、実験直後にマウスの臓器や骨を摘出し、それぞれに集積した放射性核種の定量評価を行いました。代表的数値(実測)を図3に示します。Bqとは放射性物質が1秒間に崩壊する原子の個数(放射能)を表す単位です。臓器は全器官を摘出したため全強度を示しており、骨は上腕骨の一部を測定しています。結果は図2と極めて良い一致を示し、ヨウ素は甲状腺に局所的な集積を、ストロンチウムは骨全般に集積している様子が分かります。また、亜鉛は肝臓にもっとも強く集中していますが、それとほぼ同量が膵臓、腎臓や腸などにもひろく取り込まれています。図2のガンマ線画像においても、亜鉛の集積がヨウ素よりも極めて広範囲にわたることが一目で見られ、また肺や心臓にも弱い集積が確認されました。量子科学技術研究開発機構(高崎量子応用研究所)においても様々な校正線源を用いた詳細測定を行い、画像の定量性を調べました。本研究で開発したコンプトンカメラは、放射線強度の情報も20%の精度で正しく3次元的に可視化できることを確かめました。

図2 (左)生体マウスに集積した各薬剤の2次元画像と3色合成画像(右)マルチアングル撮影により取得した、3Dマルチカラー画像

図3 実験後の臓器摘出による確認実験。全器官および骨の一部を摘出し、放射線強度を直接測定した。コンプトンカメラで撮影した集積状況が、強度を含め概ね正しいことが確認された。

研究の波及効果や社会的影響

本研究は、放射線イメージングに新しい「カラー軸(=エネルギー情報)」を付け加えるだけでなく、装置を究極まで小型化することで、短時間かつ高解像度の3次元(3D)可視化を可能にしました。将来的には画像の最適化を含め、より“人間の目に近い”ガンマ線カメラが実現できると期待されます。人間の目は、あらゆる方向から視界に入る光の色、明るさを瞬時に識別し、左目と右目の視差を利用して瞬時に対象物の方向や形を3次元的に認識することが出来ます。今回開発したカメラも複数台を用いることで、原理的にはステレオ測定が可能です。撮影対象はかならずしも生体(医療)に限りませんが、たとえば従来のPET薬剤と新規トレーサーを複合することで、癌細胞(たんぱく質)と体内ミネラルの挙動を同時に追跡したり、また、移植臓器の生着率を確認したりする一つの手段になることも示唆されます。さらに、安価かつ簡便な薬剤の発見へも繋がる可能性があります。また、放射線治療中に発生する、数メガ電子ボルトまでの様々なエネルギーのガンマ線(即発ガンマ線)を利用して治療が適切に行われているか、オンラインでモニタすることも期待できます。今回、開発したセンサーは小型ゆえにあらゆる応用が可能で、まさに「オンデマンド」の次世代放射線カメラとなると考えられます。

今後の課題

本研究では、カメラ一台によるマルチアングル撮影を行い、マウスの3次元画像を取得しました。同様なカメラモジュールを複数台、円環状に並べることで、大幅な測定時間の短縮が見込まれます(たとえば12台あれば、僅か10分で今回と同様なイメージが測定可能)。これにより、10分刻みで薬剤が生体内をどのように拡散し、取り込まれていくか、まさに生体ダイナミクスにまで迫ることが可能です。今後はより高度な動物実験や応用にむけ、画像の定量性を10%以下にまで改善したいと考えています。

用語解説

※1
コンプトンカメラ全般の原理や詳細については日本光学会機関紙「光学」2016年8月号「放射線物質を可視化するコンプトンカメラ」(片岡淳、武田伸一郎、高橋忠幸)第45巻pp.289-299をご覧ください。本研究の医療用コンプトンカメラについては、上記Scientific Reports誌のほか、以下の論文を参照ください。

“Development of a compact scintillator-based high-resolution Compton camera for molecular imaging”, A. Kishimoto et al., Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchSection-A, vol.845, pp.656-659 (2017)

※2
PET以外のガンマ線を用いた分子イメージング法としてSPECT(単一光子放射断層撮影)がありますが、エネルギー範囲が概ね300keV以下に限られます。体内でガンマ線が吸収・散乱されやすいため、PETに比べて感度が悪く、画像が不鮮明になる問題が指摘されています。

特記事項

本研究は、科学研究費補助金・基盤研究(S)(H27~31年度)「実用化へ向けた高解像度3Dカラー放射線イメージング技術の開拓」(代表:片岡淳:早稲田大学理工学術院・教授)の支援を得て実施したものです。

論文情報

・掲載誌:Scientific Reports
・論文名:First demonstration of multi-color 3-D in vivo imaging using ultra-compact Compton camera
・著者:Aya Kishimoto, Jun Kataoka, Takanori Taya, Leo Tagawa, Saku Mochizuki, Shinji Ohsuka, Yuto Nagao, Keisuke Kurita, Mitsutaka Yamaguchi, Naoki Kawachi, Keiko Matsunaga, Hayato Ikeda, Eku Shimosegawa, and Jun Hatazawa

参考URL

大阪大学大学院医学系研究科附属未来医療イメージングセンター
http://www.pet.med.osaka-u.ac.jp/

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