2024/01/31 更新

写真a

ヒラノ ヨシユキ
平野 祥之
HIRANO Yoshiyuki
所属
大学院医学系研究科 総合保健学専攻 バイオメディカルイメージング情報科学 准教授
大学院担当
大学院医学系研究科
学部担当
医学部(保健学科)
職名
准教授
連絡先
メールアドレス

学位 1

  1. 博士(理学) ( 2008年6月   大阪大学 ) 

研究分野 3

  1. その他 / その他  / 放射線科学

  2. その他 / その他  / 医学物理学

  3. ライフサイエンス / 放射線科学

経歴 10

  1. 名古屋大学   大学院医学系研究科 総合保健学専攻 バイオメディカルイメージング情報科学   准教授

    2020年4月 - 現在

  2. 名古屋大学   大学院医学系研究科 医療技術学専攻 医用量子科学   准教授

    2017年9月 - 2020年3月

  3. 群馬大学   医学系研究科 重粒子線医学研究センター   助教

    2014年11月 - 2017年9月

      詳細を見る

    国名:日本国

  4. 群馬大学   医学系研究科 重粒子線医学研究センター   助教

    2014年11月 - 2017年9月

  5. 群馬大学   医学系研究科 重粒子線医学研究センター   助教

    2014年11月 - 2017年9月

  6. 千葉工業大学   工学部 教育センター物理学教室   非常勤講師

    2012年9月 - 2014年3月

      詳細を見る

    国名:日本国

  7. 放射線医学総合研究所   分子イメージング研究センター 先端生体計測研究プログラム   博士研究員

    2011年7月 - 2014年10月

      詳細を見る

    国名:日本国

  8. 国立循環器病研究センター   画像診断医学部   非常勤研究員

    2011年5月 - 2011年6月

      詳細を見る

    国名:日本国

  9. 国立循環器病研究センター   画像診断医学部   流動研究員

    2010年7月 - 2011年4月

      詳細を見る

    国名:日本国

  10. 国立循環器病研究センター   放射線医学部   流動研究員

    2008年4月 - 2010年6月

      詳細を見る

    国名:日本国

▼全件表示

学歴 2

  1. 大阪大学   理学研究科   物理学専攻

    - 2008年3月

      詳細を見る

    国名: 日本国

  2. 大阪大学   理学研究科   物理学専攻

    - 2008年3月

      詳細を見る

    国名: 日本国

所属学協会 3

  1. 日本医学物理学会

  2. 日本核医学学会

  3. 日本医学物理学会

受賞 3

  1. Outstanding Presentation Award

    2023年11月   Japan Society for Simulation Technology   An estimation of produced oxygen in the track of heavy-ion using Geant4-DNA

     詳細を見る

    受賞区分:国際学会・会議・シンポジウム等の賞  受賞国:日本国

  2. IOP Publishing Outstanding Reviewer award

    2020年3月  

     詳細を見る

    受賞区分:学会誌・学術雑誌による顕彰 

  3. 菅野賞

    2015年12月   核医学画像解析研究会  

     詳細を見る

    受賞区分:国内学会・会議・シンポジウム等の賞 

 

論文 62

  1. Discrimination of inter-crystal scattering events by signal processing for the X'tal cube PET detector

    Nitta, M; Nishikido, F; Inadama, N; Hirano, Y; Yamaya, T

    RADIOLOGICAL PHYSICS AND TECHNOLOGY   16 巻 ( 4 ) 頁: 516 - 531   2023年10月

     詳細を見る

    記述言語:英語   出版者・発行元:Radiological Physics and Technology  

    Inter-crystal scattering (ICS) events cause degradation of the contrast in PET images. We developed the X’tal cube PET detector with submillimeter spatial resolution, which consisted of a segmented LYSO scintillator and 96 MPPCs. For this high spatial resolution PET detector, the ICS event was not negligible. In this study, we proposed a method to discriminate the ICS events and showed its feasibility by the following method. For each 96 MPPC, we measured the mean and standard deviation of the peak in the pulse height distribution obtained by the photoabsorption events in a scintillator pixel. Every time a newly detected event was identified as the segment, we monitored the reduced chi-square value that was calculated with the pulse height and the prepared mean and the standard deviation for each 96 MPPC. Since the pulse height caused by the photoabsorption event resulted in a small reduced chi-square value, we could eliminate the ICS events by setting a threshold on the reduced chi-square value. We carried out both a Monte Carlo simulation and a scanning experiment. By the simulation, we confirmed that the threshold of the reduced chi square significantly discriminated the ICS event. We obtained the response function by a scanning experiment with a 0.2 mm slit beam of 511 keV gamma-ray. The standard deviation of the response function was improved from 1.6 to 1.06 mm by eliminating the ICS events. The proposed method could significantly eliminate the ICS events and retain the true events.

    DOI: 10.1007/s12194-023-00740-3

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  2. Dose distribution measurements using luminol water during irradiation of high-energy X-rays from medical linear accelerators (LINAC)

    Yamamoto, S; Yamada, K; Yabe, T; Hirano, Y; Kataoka, J

    RADIATION PHYSICS AND CHEMISTRY   208 巻   2023年7月

     詳細を見る

    出版者・発行元:Radiation Physics and Chemistry  

    Dose distribution measurements of high-energy X-rays from a medical linear accelerator (LINAC) in water are important for quality control (QC) of the system, and Cherenkov-light imaging is an efficient method for measuring the high-energy X-ray dose distribution. However, the depth profiles have an underestimated dose at increased depths due to the angular dependency of the Cherenkov light. Luminol water is a possible material for measuring the dose distribution by detecting the light emitted from the chemical reaction with the reactive hydroxyl radical (・OH) produced in water by irradiation. In this study, we used luminol water for dose distribution measurements of high-energy X-rays from a LINAC. Imaging of the light emitted from luminol water was conducted using a cooled charge-coupled device (CCD) camera during irradiation with 6 MV X-rays from a LINAC to the luminol water. Imaging of the Cherenkov light in water was also conducted by irradiating 6 MV X-rays to water for correcting the Cerenkov-light component produced in luminol water. The Cherenkov-light image was subtracted from that of the luminol water to derive a dose image. The light emission of luminol water was ∼3 times higher than that of Cherenkov light in water. By subtracting the Cherenkov-light image from the luminol-water image, we could obtain an image that was identical to the dose distributions. The difference in the relative dose distribution was within −0.4% for the corrected image while that of the Cherenkov-light image was −7.9%. The multiple irradiations of luminol water with X-rays produced non-uniformity of emitted light, probably due to the production of hydrogen peroxide (H2O2) in water. We confirmed that imaging luminol water was promising for dose distribution imaging by correcting the Cherenkov-light component in the images. The non-uniformity of the emitted light by multiple irradiations in luminol water needs to be solved for more stable measurements.

    DOI: 10.1016/j.radphyschem.2023.110895

    Web of Science

    Scopus

  3. Cherenkov-light imaging of induced positron distribution in liquid water after proton beam irradiation

    Yamamoto, S; Yamashita, T; Kobashi, Y; Hirano, Y; Akagi, T; Yokokawa, H; Kataoka, J

    JOURNAL OF INSTRUMENTATION   17 巻 ( 11 )   2022年11月

     詳細を見る

    出版者・発行元:Journal of Instrumentation  

    Imaging of positrons induced by nuclear reactions with a proton beam is a possible method for observing the beam shape from outside the subject. However, such imaging of induced positrons has so far been conducted for solid materials. The induced positron distribution in liquid water has not been measured or reported. To clarify the distribution of induced positrons in liquid water, we conducted Cherenkov-light imaging after irradiation by protons to a water phantom. After irradiation by a 117-MeV proton beam to a phantom containing liquid water, Cherenkov-light imaging of the induced positrons was conducted using a cooled charge-coupled device (CCD) camera following the decay of the positrons. We also imaged the luminescence of water during irradiation by the proton beam to compare the distributions. We could measure the distribution of Cherenkov-light from the induced positrons in liquid water. Positron distributions kept their beam shapes in water but were different from that of the luminescence image; positron distribution was wider in the deep area of the beams in the lateral as well as depth direction. The distributions' shapes were only slightly changed with time. We conclude that Cherenkov-light imaging from the induced positrons after irradiation by a proton beam in water was possible, and we found that the induced positrons kept their beam shape in water with different shape from that of dose. These findings may provide new insights for imaging in particle therapy.

    DOI: 10.1088/1748-0221/17/11/P11043

    Web of Science

    Scopus

  4. Imaging of hydroxyl radical (.OH) distributions using luminol water during irradiation with low-energy X-rays

    Yamamoto, S; Yabe, T; Hirano, Y; Kataoka, J

    JOURNAL OF INSTRUMENTATION   17 巻 ( 10 )   2022年10月

     詳細を見る

    出版者・発行元:Journal of Instrumentation  

    Reactive hydroxyl radicals (·OH) play important roles in the biological effects of radiation exposure or radiation therapy, and the distribution of ·OH in water during irradiation is of interest to researchers. However, real-time ·OH distribution measurement during irradiation has so far not been achieved due to the difficulty of detecting ·OH. To make these distribution measurements possible, we attempted the imaging of light emitted from luminol water during irradiation with low-energy X-rays. Imaging of the light emitted from luminol water was conducted using a cooled charge-coupled device (CCD) camera during X-ray irradiation to luminol water at lower energy than the Cherenkov-light threshold. The light emission of luminol water was 25 times higher than that of water, and clear images of light distributions were measured for the luminol water. By carrying out the imaging of luminol water with the addition of a radical scavenger to the luminol water, we could confirm that the emitted light was from ·OH produced in water. With this addition of the radical scavenger, the light intensity decreased as the weight of the scavenger increased. With these results, we confirmed that the detected light distribution in luminol water could be attributed to the ·OH produced by the X-ray irradiation.

    DOI: 10.1088/1748-0221/17/10/T10004

    Web of Science

    Scopus

  5. Correcting angular dependencies using non-polarized components of Cherenkov light in water during high-energy X-ray irradiation

    Toyonaga, C; Yamamoto, S; Yabe, T; Okudaira, K; Yogo, K; Hirano, Y; Kataoka, J

    MEDICAL PHYSICS   49 巻 ( 8 ) 頁: 5409 - 5416   2022年8月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Medical Physics  

    Objective: Dose distribution measurements of high-energy X-rays from medical linear accelerators (LINAC) in water are important for quality control (QC) of the system. Although Cherenkov-light imaging is a useful method for measuring the high-energy X-ray dose distribution, depth profiles have an underestimated dose at increased depths due to the angular dependency of the Cherenkov light generated in water. In this study, we use a linear polarizer to separate the majority of polarized components from the majority of unpolarized components of Cherenkov-light images in water and then use this information to correct for angular dependencies. Methods: A water phantom, a cooled charge-coupled device (CCD) camera, and a polarizer were installed in a black box. Then, the water phantom was irradiated from the upper side with 6 or 10 MV X-rays, and the Cherenkov light generated in water was imaged with the polarizer axis at both parallel and perpendicular orientations to the beam. By using these images from the two orientations relative to the beam, we corrected the angular dependency of the Cherenkov light. Results: By subtracting the images measured with the polarizer perpendicular to the beams from the images measured with the polarizer parallel to the beams, we could obtain images with only the polarized components. Using these images, we could calculate the images with non-polarized components that had similar depth profiles to those calculated with a planning system. The average difference between corrected depth profiles and those calculated with the planning system was less than 1%, while that between uncorrected depth profiles and the planning system was more than 8.3% in depths of water from 20 to 100 mm. Conclusion: We conclude that the use of the polarizer has the potential to improve the accuracy of dose distribution in Cherenkov-light imaging of water using high-energy X-rays.

    DOI: 10.1002/mp.15794

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

    その他リンク: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full-xml/10.1002/mp.15794

  6. Measurement of biological washout rates depending on tumor vascular status in <SUP>15</SUP>O in-beam rat-PET

    Toramatsu, C; Mohammadi, A; Wakizaka, H; Sudo, H; Nitta, N; Seki, C; Kanno, I; Takahashi, M; Karasawa, K; Hirano, Y; Yamaya, T

    PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY   67 巻 ( 12 )   2022年6月

     詳細を見る

    記述言語:英語   出版者・発行元:Physics in Medicine and Biology  

    Objective. The biological washout of positron emitters should be modeled and corrected in order to achieve quantitative dose range verification in charged particle therapy based on positron emission tomography (PET). This biological washout effect is affected by physiological environmental conditions such as blood perfusion and metabolism, but the correlation to tumour pathology has not been studied yet. Approach. The aim of this study was to investigate the dependence of the biological washout rate on tumour vascular status in rat irradiation. Two types of tumour vascularity conditions, perfused and hypoxic, were modelled with nude rats. The rats were irradiated by a radioactive 15O ion beam and time activity curves were acquired by dynamic in-beam PET measurement. Tumour tissue sections were obtained to observe the histology as well. The biological washout rate was derived using a single-compartment model with two decay components (medium decay, k 2m and slow decay, k 2s ). Main results. All k 2m values in the vascular perfused tumour tissue were higher than the values of the normal tissue. All k 2m values in the hypoxic tumour tissue were much lower than the values of the vascular perfused tumour tissue and slightly lower than the values of the normal tissue. Significance. The dependency of the biological washout on the tumour vasculature conditions was experimentally shown.

    DOI: 10.1088/1361-6560/ac72f3

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  7. Study on the DNA-damage by Tritium using Geant4-DNA simulation

    Aso Tsukasa, Hara Masanori, Hirano Yoshiyuki

    Transactions of Japanese Society for Medical and Biological Engineering   Annual60 巻 ( Abstract ) 頁: 257_1 - 257_1   2022年

     詳細を見る

    記述言語:英語   出版者・発行元:Japanese Society for Medical and Biological Engineering  

    <p>Tritium is an isotope of hydrogen that emits very low energy beta-rays (18.6 keV maximum). The external exposure is limited while ingesting tritium in the body is considered to result in internal exposure. Such radiation damage in living cells is induced through DNA strand breaks (SBs) via direct and indirect effect. In this paper, we adopted the mechanistic approach of SBs by using an atomistic DNA model and a Monte Carlo simulation based on Geant4-DNA. The simulation includes physics interactions of beta-ray in water and subsequent chemical reactions of radicals in water radiolysis. The SB was assumed to occur if an energy was deposited beyond a certain threshold or if a hydroxyl radical approached inside phosphate or sugar sites in DNA-molecules. The results are discussed in the ratio of single strand breaks (SSBs) to double strand breaks (DSBs) with the contributions of direct and indirect effects.</p>

    DOI: 10.11239/jsmbe.annual60.257_1

    CiNii Research

  8. 3-D Optical Imaging System of Muon Beams Using a Silver Activated Zinc Sulfide (ZnS(Ag)) Sheet Combined With a Mirror

    Yamamoto, S; Ninomiya, K; Kawamura, N; Hirano, Y

    IEEE TRANSACTIONS ON NUCLEAR SCIENCE   68 巻 ( 12 ) 頁: 2748 - 2752   2021年12月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   出版者・発行元:IEEE Transactions on Nuclear Science  

    Optical imaging of muon beams is a promising method for range estimations. However, our previous optical imaging method could only measure 2-D projection images. To measure the beam ranges and widths at any position of the muon beam, 3-D beam images are desired. For this purpose, we developed an optical imaging system using a silver-activated zinc sulfide (ZnS(Ag)) sheet combined with a mirror and a cooled charge-coupled device (CCD) camera. The ZnS(Ag) sheet was set in a black box and irradiated by a positive muon beam at the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). Acrylic plates were used to absorb the muon beam. The measured optical images with different thicknesses of the acrylic plates were stacked and interpolated to create a 3-D optical image, and then the depth and lateral profiles were evaluated. From the depth profile derived from the 3-D image, the Bragg peak position could be estimated. The lateral profiles at the Bragg peak positions could also be derived. We confirmed that 3-D optical imaging was possible using the developed system with a ZnS(Ag) sheet. The system is promising for measuring muon beam distribution, conducting research on muons, and developing future muon radiotherapy.

    DOI: 10.1109/TNS.2021.3123164

    Web of Science

    Scopus

  9. Three-dimensional (3D) optical imaging of muon beam using a plastic scintillator plate in water

    Yamamoto, S; Ninomiya, K; Kawamura, N; Yabe, T; Hirano, Y

    NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS IN PHYSICS RESEARCH SECTION A-ACCELERATORS SPECTROMETERS DETECTORS AND ASSOCIATED EQUIPMENT   1015 巻   2021年11月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   出版者・発行元:Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment  

    Although optical imaging of muon beams is a possible method for range determination, it has been limited to two-dimensional (2D) projection images. For the precise measurement of an optical image of a muon beam, three-dimensional (3D) imaging is desired. To measure a 3D optical image, we conducted optical imaging of muon beams using a plastic scintillator plate set in a water phantom. When this plate was immersed in the water phantom, irradiation with a positive muon beam was carried out from along the plate's sides. Optical images of the scintillator plate were acquired using a charge-coupled device (CCD) camera from the side during irradiation with a positive muon beam. The imaging system was moved in 10-mm steps perpendicular to the beam direction to acquire a set of sliced optical images of the beam. These sliced images were stacked and interpolated to form a 3D optical image, and the depth and lateral profiles were evaluated. From the depth profiles derived from the 3D optical image, the Bragg peak position was estimated. The lateral profiles at the Bragg peak could also be derived. We confirmed that 3D imaging of muon beams is feasible and in fact a promising method for measuring sliced optical images at any position, which is a capability that is useful for research on muon beams as well as for future muon radiotherapy.

    DOI: 10.1016/j.nima.2021.165768

    Web of Science

    Scopus

  10. Optical imaging of decayed positrons and muons with different collimators

    Yamamoto, S; Ninomiya, K; Kawamura, N; Hirano, Y

    JOURNAL OF INSTRUMENTATION   16 巻 ( 8 )   2021年8月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   出版者・発行元:Journal of Instrumentation  

    Although optical imaging of decayed positrons and muons can provide promising methods, it has been attempted only for muons without a collimator, and the beam characteristics with collimators, such as peak position or beam spread in depth and lateral directions, have not yet been evaluated. Therefore, we conducted optical imaging of decayed positrons and muons with different collimators. For the imaging of decayed positrons, Cherenkov-light imaging in fluorescein (FS) water was used, while imaging of a plastic scintillator block was used for the imaging of muons. We conducted these imaging trials during irradiation with 84.5-MeV/c positive muons to an FS water phantom or a plastic scintillator block using a cooled charge-coupled device (CCD) camera with each collimator of a different diameter attached to the beam port. We could measure the Cherenkov-light images of FS water of decayed positrons and optical images of muons using the plastic scintillator block for all collimators. The depth profiles of the Cherenkov-light images were slightly wider for the muons with the collimators of larger diameters, although the estimated peak depths were nearly the same for all collimators. The lateral profiles of the Cherenkov light were wider for the muons when using collimators of larger diameters. Asymmetry in the directions of positron emissions from the muons was observed for all collimators. The depth profiles of the optical image of muons using a plastic scintillator block had nearly the same shape. The estimated lateral widths of the optical images of the plastic scintillator block were the same sizes as the collimator diameters within a 1.1-mm difference at a 10-mm depth of the scintillator block, and the widths were wider at the Bragg peak. With these measured optical images, we conclude that Cherenkov-light imaging of decayed positrons in water and optical imaging of muons using a plastic scintillator block with collimators are useful methods for determining not only peak position but also beam width as well as the asymmetry of the directions of positron emissions from the muons.

    DOI: 10.1088/1748-0221/16/08/P08062

    Web of Science

    Scopus

  11. Low background measurement in CANDLES-III for studying the neutrinoless double beta decay of <SUP>48</SUP>Ca

    Ajimura, S; Chan, WM; Ichimura, K; Ishikawa, T; Kanagawa, K; Khai, BT; Kishimoto, T; Kino, H; Maeda, T; Matsuoka, K; Nakatani, N; Nomachi, M; Saka, M; Seki, K; Takemoto, Y; Takihira, Y; Tanaka, D; Tanaka, M; Tetsuno, K; Trang, VTT; Tsuzuki, M; Umehara, S; Akutagawa, K; Batpurev, T; Doihara, M; Katagiri, S; Kinoshita, E; Hirano, Y; Iga, T; Ishikawa, M; Ito, G; Kakubata, H; Lee, KK; Li, X; Mizukoshi, K; Moser, M; Ohata, T; Shokati, M; Uehara, T; Wang, W; Yamamoto, K; Yasuda, K; Yoshida, S; Yotsunaga, N; Harada, T; Hiraoka, H; Hiyama, T; Hirota, A; Ikeyama, Y; Kawamura, A; Kawashima, Y; Maeda, S; Nakajima, K; Ogawa, I; Ozawa, K; Shamoto, K; Shimizu, K; Shinki, Y; Tamagawa, Y; Tozawa, M; Yoshizawa, M; Fushimi, K; Hazama, R; Noithong, P; Rittirong, A; Suzuki, K; Iida, T

    PHYSICAL REVIEW D   103 巻 ( 9 )   2021年5月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   出版者・発行元:Physical Review D  

    We developed a CANDLES-III system to study the neutrinoless double beta (0νββ) decay of Ca48. The proposed system employs 96 CaF2 scintillation crystals (305 kg) with natural Ca (Canat) isotope which corresponds 350 g of Ca48. External backgrounds were rejected using a 4π active shield of a liquid scintillator surrounding the CaF2 crystals. The internal backgrounds caused by the radioactive impurities within the CaF2 crystals can be reduced effectively through analysis of the signal pulse shape. We analyzed the data obtained in the Kamioka underground for a live-time of 130.4 days to evaluate the feasibility of the low background measurement with the CANDLES-III detector. Using Monte Carlo simulations, we estimated the background rate from the radioactive impurities in the CaF2 crystals and the rate of high energy γ-rays caused by the (n,γ) reactions induced by environmental neutrons. The expected background rate was in a good agreement with the measured rate, i.e., approximately 10-3 events/keV/yr/(kg of Canat), in the 0νββ window. In conclusion, the background candidates were estimated properly by comparing the measured energy spectrum with the background simulations. With this measurement method, we performed the first search for 0νββ decay in a low background condition using a detector on the scale of hundreds of kg of nonenriched Ca. Deploying scintillators enriched in Ca48 will increase the sensitivity strongly. Ca48 has a high potential for use in 0νββ decay search, and is expected to be useful for the development of a next-generation detector for highly sensitive measurements.

    DOI: 10.1103/PhysRevD.103.092008

    Web of Science

    Scopus

  12. A method to reduce the error due to the angular dependencies of Cerenkov-light in water for optical imaging of X-rays from high-energy medical linear accelerators (LINAC)

    Toyonaga, C; Yamamoto, S; Hirano, Y; Okudaira, K; Kato, T; Sugita, K

    JOURNAL OF INSTRUMENTATION   16 巻 ( 3 )   2021年3月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   出版者・発行元:Journal of Instrumentation  

    Determining the absorbed dose distributions in phantoms for X-ray beams of high-energy medical linear accelerators (LINAC) is an important task in the quality control of a system. Although optical imaging of water during irradiation of X-ray beams from a LINAC is a promising method, depth dose profiles show underestimation in the deeper parts of the water, mainly due to the angular dependency of Cerenkov-light produced in water. To solve this problem, the authors change camera angles from 0 degree to 10 degrees and obtain optical images with a high-sensitivity cooled charge coupled device (CCD) camera during X-ray beam irradiation. Furthermore, the authors calculate the Cerenkov-light distributions with different camera angles using Monte Carlo simulation and the obtained depth profiles. Then, these depth profiles are evaluated and compared with those of a planning system. In both measured and simulated distributions, the light intensity increases as the angle increases. The measured depth profile of 10 degrees was nearly identical to the planning system. The percentage differences of depth profile between the measured optical image at the angle of 10 degrees and the planning system was -1.7 % at 100 mm depth, and the average difference was 0.8 %. We conclude that optical imaging with that angle is a promising method for reducing the error due to the angular dependency of Cerenkov-light.

    DOI: 10.1088/1748-0221/16/03/T03001

    Web of Science

    Scopus

  13. Calculation of Stopping-Power Ratio from Multiple CT Numbers Using Photon-Counting CT System: Two- and Three-Parameter-Fitting Method

    Lee, SH; Sunaguchi, N; Nagao, A; Hirano, Y; Sakurai, H; Kano, Y; Torikoshi, M; Kanai, T; Tashiro, M

    SENSORS   21 巻 ( 4 ) 頁: 1 - 21   2021年2月

     詳細を見る

    記述言語:英語   出版者・発行元:Sensors (Switzerland)  

    The two-parameter-fitting method (PFM) is commonly used to calculate the stoppingpower ratio (SPR). This study proposes a new formalism: a three-PFM, which can be used in multiple spectral computed tomography (CT). Using a photon-counting CT system, seven rod-shaped samples of aluminium, graphite, and poly(methyl methacrylate) (PMMA), and four types of biological phantom materials were placed in a water-filled sample holder. The X-ray tube voltage and current were set at 150 kV and 40 μA, respectively, and four CT images were obtained at four threshold settings. A semi-empirical correction method that corrects the difference between the CT values from the photon-counting CT images and theoretical values in each spectral region was also introduced. Both the two-and three-PFMs were used to calculate the effective atomic number and electron density from multiple CT numbers. The mean excitation energy was calculated via parameterisation with the effective atomic number, and the SPR was then calculated from the calculated electron density and mean excitation energy. Then, the SPRs from both methods were compared with the theoretical values. To estimate the noise level of the CT numbers obtained from the photoncounting CT, CT numbers, including noise, were simulated to evaluate the robustness of the aforementioned PFMs. For the aluminium and graphite, the maximum relative errors for the SPRs calculated using the two-PFM and three-PFM were 17.1% and 7.1%, respectively. For the PMMA and biological phantom materials, the maximum relative errors for the SPRs calculated using the twoPFM and three-PFM were 5.5% and 2.0%, respectively. It was concluded that the three-PFM, compared with the two-PFM, can yield SPRs that are closer to the theoretical values and is less affected by noise.

    DOI: 10.3390/s21041215

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  14. Position distribution calculation of annihilation radiations and bremsstrahlung x rays in water during irradiation of positive muons: a Monte Carlo simulation study

    Hirano, Y; Yamamoto, S; Kawamura, N; Ninomiya, K

    PHYSICA SCRIPTA   96 巻 ( 2 )   2021年2月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   出版者・発行元:Physica Scripta  

    Range, momentum and deviation of momentum determinations of muons are important for quality assessment (QA) of beams. Imaging of annihilation radiations emitted from positrons decayed from positive muons and that of bremsstrahlung x-rays emitted from positrons and secondary electrons from positive muons are possible methods of imaging muons. However, the energies and intensities as well as position distributions of these radiations have not been obvious. Thus we calculated the energy spectrum and the distributions of annihilation radiations as well as bremsstrahlung x-rays produced in water during irradiation of positive muons using Monte Carlo simulation. The calculations were conducted for 84.5 MeV /c positive muons, which is the same beam condition used in an experimental facility at the Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC). We were able to calculate the energy spectrum as well as the position distributions of annihilation radiations and bremsstrahlung x-rays. The energy spectrum showed a broad distribution of bremsstrahlung x-rays, mainly from decayed positrons with an energy range up to 50 MeV with higher intensity in low-energy bremsstrahlung x-rays. The spectrum also showed a sharp peak at 511-keV from annihilation radiations. The position distribution of annihilation radiations was wider than those of the bremsstrahlung x-rays. The position distribution of the bremsstrahlung x-rays were nearly identical to the Cerenkov-light position distribution emitted by the decayed positrons in water. We conclude that imaging of bremsstrahlung x-rays from decayed positrons by using an x-ray camera is a promising method for the QA of positive muons and that higher spatial resolution images of positron distributions will be measured than those measured by annihilation radiations.

    DOI: 10.1088/1402-4896/abcf65

    Web of Science

    Scopus

  15. Imaging of polarized components of Cerenkov light and luminescence of water during carbon-ion irradiation 国際誌

    Yamamoto, S; Yabe, T; Akagi, T; Hirano, Y

    MEDICAL PHYSICS   48 巻 ( 1 ) 頁: 427 - 433   2021年1月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Medical Physics  

    Purpose: The luminescence image of water during the irradiation of carbon ions showed higher intensity at shallow depths than dose distribution due to the contamination of Cerenkov light from secondary electrons. Since Cerenkov light is coherent and polarized for the light produced during the irradiation of carbon ions to water, the reduction of Cerenkov light may be possible with a polarizer. In addition, there is no information on the polarization of the luminescence of water. To clarify these points, we measured the optical images of water during the irradiation of carbon ions with a polarizer by changing the directions of the transmission axis. Methods: Imaging was conducted using a cooled charge-coupled device (CCD) camera during the irradiation of 241.5 MeV/n energy carbon ions to a water phantom with a polarizer in front of the lens by changing the transmission axis parallel and perpendicular to the carbon-ion beam. Results: With the polarizer parallel to the carbon-ion beam, the intensity at the shallow depth was ~26% higher than that measured with the polarizer perpendicular to the beam. We found no significant intensity difference between these two images at deeper depths where the Cerenkov light was not included. The difference image of the parallel and perpendicular directions showed almost the same image as the simulated Cerenkov light distribution. Using the measured difference image, correction of the Cerenkov component was possible from the measured luminescence image of water during the irradiation of carbon ions. Conclusion: We could measure the difference of the Cerenkov light component by changing the transmission axis of the polarizer. Also we clarified that there was no difference in the luminescence of water by changing the transmission axis of the polarizer.

    DOI: 10.1002/mp.14600

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  16. Optical imaging of muons

    Yamamoto, S; Ninomiya, K; Kawamura, N; Hirano, Y

    SCIENTIFIC REPORTS   10 巻 ( 1 ) 頁: 20790   2020年12月

     詳細を見る

    記述言語:英語   出版者・発行元:Scientific Reports  

    Optical imaging of particle beams is a promising method for range and width estimations. However it was not clear that optical imaging was possible for muons. To clarify this, we conducted optical imaging of muons, since high-intensity muons are now available at J-PARC. We irradiated positive muons with different momenta to water or plastic scintillator block, and imaged using a charge-coupled device (CCD) camera during irradiation. The water and plastic scintillator block produced quite different images. The images of water during irradiation of muons produced elliptical shape light distribution at the end of the ranges due to Cherenkov-light from the positrons produced by positive muon decay, while, for the plastic scintillator block, we measured images similar to the dose distributions. We were able to estimate the ranges of muons as well as the measurement of the asymmetry of the direction of the positron emission by the muon decays from the optical images of the water, although the measured ranges were 4 mm to 5 mm larger than the calculated values. The ranges and widths of the beams could also be estimated from the optical images of the plastic scintillator block. We confirmed that optical imaging of muons was possible and is a promising method for the quality assessment, research of muons, and the future muon radiotherapy.

    DOI: 10.1038/s41598-020-76652-8

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  17. Can B Washout Rate be a Biomarker of Tumor Viability in Charged Particle Therapy? A Rat In-beam PET Study

    Toramatsu, C; Mohammadi, A; Wakizaka, H; Seki, C; Kanno, I; Karasawa, K; Hirano, Y; Yamaya, T

    INTERNATIONAL JOURNAL OF RADIATION ONCOLOGY BIOLOGY PHYSICS   108 巻 ( 3 ) 頁: E254 - E254   2020年11月

     詳細を見る

    記述言語:日本語  

    Web of Science

  18. Biological washout effect in in-beam PET: Animal studies

    Toramatsu C., Mohammadi A., Wakizaka H., Seki C., Nishikido F., Sato S., Kanno I., Takahashi M., Karasawa K., Hirano Y., Yamaya T.

    Journal of Physics: Conference Series   1662 巻 ( 1 )   2020年10月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   出版者・発行元:Journal of Physics: Conference Series  

    Positron emission tomography (PET) is a practical tool for range verification of hadron therapy. As well, the quantitative washout of the positron emitters has a potential usefulness as a diagnostic index, but the modelling for this has not been established. In this study, we measured washout rates of rabbit brain and performed kinetic analysis to explore the washout mechanism. Six rabbit brains were irradiated by 11C and 15O ion beams, and dynamic PET scan was performed using our original depth of interest (DOI)-PET prototype. The washout rate was obtained based on the two-compartment model, where efflux from tissue to blood (k2), influx (k3) and efflux (k4) from the first to second compartments in tissue were evaluated. The observed k2, k3 and k4 of 11C were 0.086, 0.137 and 0.007 min-1, and those of 15O were 0.502, 0.360 and 0.007 min-1, respectively. It was suggested permeability of a molecule containing 11C atoms might be regulated by a transporter. The k2 of 15O was comparable with 15O-water. This study provides basic data for modelling of the washout effect.

    DOI: 10.1088/1742-6596/1662/1/012032

    Scopus

  19. Measurements of temporal response of luminescence of water at lower energy than Cerenkov-light threshold during carbon-ion irradiation

    Yamamoto, S; Akagi, T; Hirano, Y; Komori, M

    BIOMEDICAL PHYSICS & ENGINEERING EXPRESS   6 巻 ( 4 ) 頁: 045002   2020年7月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Biomedical Physics and Engineering Express  

    Although the luminescence of water at lower energy than the Cerenkov-light threshold during carbon-ion irradiation was found and imaging was possible, the temporal response has not been measured, and so the difference from Cerenkov-light remains unclear. To clarify this point, we measured the temporal response of the luminescence of water at lower energy than the Cerenkov-light threshold and compared it with that of Cerenkov-light. We used silicon photomultiplier (Si-PM) modules to measure the temporal response at the Bragg peak area of a water phantom during irradiation of the carbon ion where the Cerenkov-light was not included. We also measured the temporal response at the shallow depth of the water phantom where the Cerenkov-light was included. In both areas, we measured the temporal waveforms of the light produced by the irradiation of the carbon ions in which the ripples of spills were clearly observed. We found no difference in the waveforms between the Bragg peak and the shallow depths of water. Our results do not contradict the hypothesis that the luminescence of water and Cerenkov-light are produced by the same mechanism.

    DOI: 10.1088/2057-1976/ab8b7e

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  20. Radioluminescence by synchrotron radiation with lower energy than the Cherenkov light threshold in water

    Hirano, Y; Komori, M; Onoda, D; Nagae, T; Yamamoto, S

    JOURNAL OF PHYSICS COMMUNICATIONS   4 巻 ( 7 )   2020年7月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   出版者・発行元:Journal of Physics Communications  

    Radioluminescence by protons and carbon ions of energy lower than the Cherenkov threshold (∼260 keV) in water has been observed. However, the origin of the luminescence has not been investigated well. In the present work, we imaged radioluminescence in water using synchrotron radiation that was of sufficiently lower energy (11 keV) than the Cherenkov threshold and we measured its spectrum using a high-sensitivity cooled CCD camera and optical longpass filters having 5 different thresholds. In addition, to determine effects of impurities in water, the water target was changed from ultrapure water to tap water. Monte Carlo simulation (Geant4) was also performed to compare its results with the experimentally obtained radioluminescence distribution. In the simulation, photons were generated in proportion to the energy deposition in water. As a result, the beam trajectory was clearly imaged by the radioluminescence in water. The spectrum was proportional to λ−3.4±0.4 under an assumption of no peaks. In the spectrum and distribution, no differences were observed between ultrapure water and tap water. TOC (total organic carbon) contents of ultrapure water and tap water as an impurity were measured and these were 0.26 mg l−1 and 2.3 mg l−1, respectively. The radioluminescence seemed to be attributable to water molecules not impurities. The radioluminescence distribution of the simulation was consistent with the experimental distribution and this suggested that radioluminescence was proportional to dose, which is expected to allow use for dose measurement.

    DOI: 10.1088/2399-6528/ab9f8d

    Web of Science

    Scopus

  21. Development of an ultrahigh-resolution radiation real-time imaging system to observe trajectory of alpha particles in a scintillator

    Yamamoto, S; Hirano, Y; Kamada, K; Yoshikawa, A

    RADIATION MEASUREMENTS   134 巻   2020年6月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Radiation Measurements  

    The high-resolution imaging of alpha particles is required for the development of radio-compounds for targeted alpha-particle therapy or alpha emitter detection at nuclear facilities. Therefore, we developed an ultrahigh-resolution, real-time alpha-particle imaging system for observing the trajectories of alpha particles in a scintillator. The developed alpha-particle imaging system is made from a 1-μm-diameter fiber-structure scintillator plate that is optically coupled with the first of two sequentially connected tapered optical fiber plates. The output of the second, larger tapered optical fiber plate was imaged by an electron-multiplied (EM) cooled CCD camera. With our developed imaging system, we observed images of alpha particles having a spatial resolution of ~11 μm. We could also observe the trajectories of alpha particles with Bragg peaks for the angled incident alpha particles. We conclude that this imaging system, which can observe the trajectory of alpha particles in a fiber-structure scintillator, is promising for research on targeted alpha-particle therapy or alpha emitter detection at nuclear facilities.

    DOI: 10.1016/j.radmeas.2020.106368

    Web of Science

    Scopus

  22. Biological washout modelling for in-beam PET: rabbit brain irradiation by <SUP>11</SUP>C and <SUP>15</SUP>O ion beams

    Toramatsu, C; Mohammadi, A; Wakizaka, H; Seki, C; Nishikido, F; Sato, S; Kanno, I; Takahashi, M; Karasawa, K; Hirano, Y; Yamaya, T

    PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY   65 巻 ( 10 ) 頁: 105011   2020年5月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics in Medicine and Biology  

    Positron emission tomography (PET) has been used for dose verification in charged particle therapy. The causes of washout of positron emitters by physiological functions should be clarified for accurate dose verification. In this study, we visualized the distribution of irradiated radioactive beams, 11C and 15O beams, in the rabbit whole-body using our original depth-of-interaction (DOI)-PET prototype to add basic data for biological washout effect correction. Time activity curves of the irradiated field and organs were measured immediately after the irradiations. All data were corrected for physical decay before further analysis. We also collected expired gas of the rabbit during beam irradiation and the energy spectrum was measured with a germanium detector. Irradiated radioactive beams into the brain were distributed to the whole body due to the biological washout process, and the implanted 11C and 15O ions were concentrated in the regions which had high blood volume. The 11C-labelled 11CO2 was detected in expired gas under the 11C beam irradiation, while no significant signal was detected under the 15O beam irradiation as a form of C15O2. Results suggested that the implanted 11C ions form molecules that diffuse out to the whole body by undergoing perfusion, then, they are incorporated into the blood-gas exchange in the respiratory system. This study provides basic data for modelling of the biological washout effect.

    DOI: 10.1088/1361-6560/ab8532

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  23. Scintillator screen for measuring low-dose halo in scanning carbon-ion therapy

    Yogo, K; Tatsuno, Y; Souda, H; Matsumura, A; Tsuneda, M; Hirano, Y; Ishiyama, H; Saito, A; Ozawa, S; Nagata, Y; Nakano, T; Hayakawa, K; Kanai, T

    RADIATION MEASUREMENTS   133 巻   2020年4月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Radiation Measurements  

    To ensure safe administration and quality assurance (QA) of scanning carbon-ion therapy doses, an efficient and reliable method to measure the lateral dose profile of a carbon-ion pencil beam, including the low-dose halo, is required. We developed a simple, expeditious dose measurement tool that employs a silver-activated zinc sulfide (ZnS) scintillator, which shows a low linear energy transfer (LET) dependency, to measure the low-dose halo of a carbon-ion pencil beam with high spatial resolution.

    DOI: 10.1016/j.radmeas.2020.106299

    Web of Science

    Scopus

  24. Estimations of relative biological effectiveness of secondary fragments in carbon ion irradiation of water using CR-39 plastic detector and microdosimetric kinetic model 査読有り

    Hirano Y., Kodaira S., Souda H., Osaki K., Torikoshi M.

    Medical Physics   47 巻 ( 2 ) 頁: 781 - 789   2020年2月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Medical Physics  

    Purpose: To estimate relative biological effectiveness (RBE) ascribed to secondary fragments in a lateral distribution of carbon ion irradiation. The RBE was estimated with the microdosimetric kinetic (MK) model and measured linear energy transfer (LET) obtained with CR-39 plastic detectors. Methods: A water phantom was irradiated by a 12C pencil beam with energy of 380 MeV/u at the Gunma University Heavy Ion Medical Center (GHMC), and CR-39 detectors were exposed to secondary fragments. Because CR-39 was insensitive to low LET, we conducted Monte Carlo simulations with Geant4 to calculate low LET particles. The spectra of low LET particles were combined with experimental spectra to calculate RBE. To estimate accuracy of RBE, we calculated RBE by changing yield of low LET particles by ± 10% and ± 40%. Results: At a small angle, maximum RBE by secondary fragments was 1.3 for 10% survival fractions. RBE values of fragments gradually decreased as the angle became larger. The shape of the LET spectra in the simulation reproduced the experimental spectra, but there was a discrepancy between the simulation and experiment for the relative yield of fragments. When the yield of low LET particles was changed by ± 40%, the change in RBE was smaller than 10%. Conclusions: An RBE of 1.3 was expected for secondary fragments emitted at a small angle. Although, we observed a discrepancy in the relative yield of secondary fragments between simulation and experiment, precision of RBE was not so sensitive to the yield of low LET particles.

    DOI: 10.1002/mp.13916

    Scopus

    PubMed

  25. Estimation of dose and light distributions in water during irradiation of muon beams

    Hirano, Y; Ninomiya, K; Yamamoto, S

    PHYSICA SCRIPTA   94 巻 ( 12 )   2019年12月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physica Scripta  

    High-intensity muon beams are now available at the Japan Proton Accelerator Research Complex and their use in radiotherapy may become possible in the future. Dose and range estimation are therefore important and optical imaging of the dose or range may be a promising method for that purpose. We calculated the dose and light distributions in water during irradiation of a positive muon beam using Monte Carlo simulation. First, we simulated the dose deposited in water for pencil beams with 30 and 50 MeV positive muons. We were able to clearly identify the Bragg peak in the depth dose profiles by muons and observed that the dose from positrons are added to the Bragg peak area with a ∼10% muon dose. We also found that the lateral dose widths increased as the depth increased and that it was ∼3-5 times wider at the Bragg peak position. With the light distribution of the muon in water, light produced by the positrons was dominant and distributed around the Bragg peak, and the peak positions were estimated within 2 mm differences of the peak position of the dose distributions. It is therefore possible to monitor the Bragg peak position of muons using an optical method.

    DOI: 10.1088/1402-4896/ab3acb

    Web of Science

    Scopus

  26. Scintillator screen for measuring dose distribution in scanned carbon-ion therapy 査読有り

    Yogo, K; Tatsuno, Y; Souda, H; Matsumura, A; Tsuneda, M; Hirano, Y; Ishiyama, H; Saito, A; Ozawa, S; Nagata, Y; Nakano, T; Hayakawa, K; Kanai, T

    RADIATION MEASUREMENTS   129 巻   2019年10月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Radiation Measurements  

    Precise measurement of the dose distribution of a carbon-ion pencil beam is essential for the safe delivery of treatment in scanned carbon-ion therapy. We developed an easy-to-use and quick dose-measurement tool that employs a silver-activated zinc-sulfide (ZnS) scintillator, which shows a smaller linear energy transfer (LET) dependency than conventional Gd-based scintillator, to measure the dose distribution of a carbon-ion pencil beam with high spatial resolution and small corrections. A ZnS scintillator sheet was set up perpendicular to the beam axis, and scintillation images were recorded using a charge-coupled device camera. We used 290-MeV/nucleon monoenergetic carbon-ion pencil beams at the Gunma University Heavy Ion Medical Center. The thickness of the water tank placed above the scintillator was remotely controlled to adjust the measurement depth. Images were acquired at different water depths, and the depth and lateral profiles were determined from the images. The results were compared with those of conventional Gd-based scintillator. The depth–light intensity profile of the ZnS scintillator matched the depth dose measured using an ionization chamber, which was better than that of a Gd-based scintillator. This result is advantageous for measurements using a carbon-ion pencil beam, which consists of primary carbon ions with a much higher LET than a proton, with smaller corrections. The ZnS scintillator showed good output characteristics, dose linearity (R2 > 0.99), and output reproducibility (deviations below 2%) and good agreement with the lateral-dose profiles measured using a diode down to ~1% of the central dose. The proposed tool can measure lateral profiles at the depth of the Bragg peak and tail in addition to the entrance. Our tool was used to quickly measure the dose distribution of carbon-ion pencil beam with high-spatial resolution and small corrections.

    DOI: 10.1016/j.radmeas.2019.106207

    Web of Science

    Scopus

  27. Estimation of the fractions of luminescence of water at higher energy than Cerenkov-light threshold for various types of radiation 国際誌

    Hirano, Y; Yamamoto, S

    JOURNAL OF BIOMEDICAL OPTICS   24 巻 ( 6 ) 頁: 1 - 9   2019年6月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Journal of Biomedical Optics  

    Although the luminescence of water at a lower energy than the Cerenkov-light (CL) threshold has been found for various types of radiation, the fractions of the luminescence of water to the total produced light have not been obvious for radiations at a higher energy than the CL threshold because it is difficult to separate these two types of light. Thus, we used a Monte Carlo simulation to estimate the fractions of the luminescence of water for various types of radiation at a higher energy than the CL threshold to confirm the major component of the produced light. After we confirmed that the estimated light production of the luminescence of water could adequately simulate the experimental results, we calculated the produced light photons of this luminescence and the CL from water for protons (170 MeV), carbon ions (330 MeV/n), high-energy x-ray (6 MV) from a linear accelerator (LINAC), high-energy electrons (9 MeV) from LINAC, positrons (F-18, C-11, O-15, and N-13), and high-energy gamma photon radionuclides (Co-60). For protons, the major fraction of the produced light was the luminescence of water in addition to the CL from the prompt gamma photons produced by the nuclear interactions. For carbon ions, the major fraction of the produced light was the luminescence of water and the CL produced by the secondary electrons in addition to the prompt gamma photons produced by the nuclear interactions. For high-energy x-ray and electrons from LINAC, the fractions of luminescence of water were 1/40.1 % to 0.2%. The fractions of luminescence of water for positrons were 0.2% to 1.5% and that for Co-60 was 0.4%. We conclude that the major fractions of light produced from x-ray and electrons from LINAC, positron radionuclides, and the Co-60 source are CL, with fractions of the luminescence of water from <0.1 % to 1.5%.

    DOI: 10.1117/1.JBO.24.6.066005

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  28. Estimation of the three-dimensional (3D) dose distribution of electron beams from medical linear accelerator (LINAC) using plastic scintillator plate

    Horita, R; Yamamoto, S; Yogo, K; Hirano, Y; Okudaira, K; Kawabata, F; Nakaya, T; Komori, M; Oguchi, H

    RADIATION MEASUREMENTS   124 巻   頁: 103 - 108   2019年5月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Radiation Measurements  

    Measurements of three-dimensional (3D) dose distribution of electron-beams in water are important for high-energy electron beams from medical linear accelerators (LINAC). Although ionization chambers are commonly used for this purpose, measurements take a long time for precise 3D dose distribution. To solve the problem, we tried the measurements of the 3D dose distributions using a scintillator plate combined with a mirror. After we placed a 1 mm thick plastic scintillator plate at the upper inside of a black box, a water phantom was set above the plastic scintillator plate outside the black box, and electron beam was irradiated to the water phantom from the upper side. The attenuated electron-beam by the water in the phantom was detected by the plastic scintillator plate and the scintillation image was formed in the plate. The image was reflected by a surface mirror set below the plastic scintillator plate and detected by a cooled charge coupled device (CCD) camera from the side. We changed the depths of the water in the phantom, obtained the scintillation images, and calculated a 3D scintillation image using the measured images. Measurements were made for 9 MeV and 12 MeV electron-beams using the imaging system. From the images, we could successfully form 3D scintillation images. The depth profiles measured from the 3D images showed almost identical distribution with those calculated by the planning system within the difference of 5%. The lateral profiles also showed almost identical within the difference of the widths less than 2.5 mm. We conclude that the proposed method is promising for 3D dose distribution measurements of electron-beams.

    DOI: 10.1016/j.radmeas.2019.04.002

    Web of Science

    Scopus

  29. Comparison of Noise Equivalent Count Rates (NECRs) for the PET Systems With Different Ring Diameter and Electronics

    Nakanishi, K; Hirano, Y; Yamamoto, S

    IEEE TRANSACTIONS ON RADIATION AND PLASMA MEDICAL SCIENCES   3 巻 ( 3 ) 頁: 371 - 376   2019年5月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences  

    Because the sensitivity of positron emission tomography (PET) system increases in proportion to the inverse of the diameter of the detector ring, brain PET systems are being planned and developed. However, count losses due to the dead-time of the detector blocks increases as the ring diameter decreases. Since the count losses decrease the noise equivalent count rate (NECR) of the system, the NECR of brain PET system may be lower than that of a whole-body PET system in clinical dose range. In this paper, we compared the NECRs of brain PET systems with that of a whole-body PET system using a Monte Carlo simulation. We simulated the PET system for a 27-cm-diameter detector ring, a 54-cm-diameter detector ring, and an 89-cm-diameter detector ring and evaluated the NECRs. In the clinical dose range, the NECR of the small-diameter brain PET system was lower than those of the whole-body PET system unless the electronics was advanced. We conclude that the small-diameter brain PET system with conventional electronics has not so much advantage except for the lower cost and the higher spatial resolution. However, advanced electronics can reduce degradation of NECR, so the small-diameter brain PET system with advanced electronics will be useful for clinical studies.

    DOI: 10.1109/TRPMS.2018.2876410

    Web of Science

    Scopus

  30. Angular dependencies of Cerenkov-light in water for carbon-ion, high energy x-ray and electron

    Hirano, Y; Yamamoto, S

    BIOMEDICAL PHYSICS & ENGINEERING EXPRESS   5 巻 ( 2 )   2019年2月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Biomedical Physics and Engineering Express  

    Because Cerenkov light is emitted above the threshold energy of the electrons (∼260 keV) in water and is emitted to forward directions, the light intensity distributions are different from the dose for x-ray and electron from LINAC. Cerenkov-light component was also observed with the depth profiles in carbon-ion. However the angular dependencies of the Cerenkov-light distributions were not obvious. Thus we calculated the depth profiles of the produced light distributions for 240 MeV n-1 carbon-ion, 6 MV x-ray, and 9 MeV electrons using Monte Carlo simulation. After we confirmed the simulation accuracies by comparing with the measured results, we calculated the depth profiles of luminescence of water and Cerenkov-light with various angles for these three types of radiations. With the simulation results, it became obvious that the depth profiles were significantly different with the angles for the produced light containing the Cerenkov-light. Cerenkov-light components were much higher at the larger angles. We also found the almost identical depth profile to dose with the angle of 10 degree to the right angle of the beam direction for 6 MV x-ray.

    DOI: 10.1088/2057-1976/ab05b0

    Web of Science

    Scopus

  31. Linear energy transfer (LET) spectra and survival fraction distribution based on the CR-39 plastic charged-particle detector in a spread-out Bragg peak irradiation by a <SUP>12</SUP>C beam

    Hirano, Y; Kodaira, S; Souda, H; Matsumura, A; Torikoshi, M

    PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY   63 巻 ( 18 ) 頁: 185006   2018年9月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics in Medicine and Biology  

    Facilities for heavy ion therapies are steadily increasing in number worldwide. One of the advantages of heavy ions is their high relative biological effect (RBE). In a model used at NIRS (National Institute of Radiological Sciences), linear energy transfer (LET) spectra are required to estimate biological dose (physical dose × RBE). The CR-39 plastic charged-particle detector (CR-39) is suitable for measurement of LET. For the present study, done at the Gunma University Heavy Ion Medical Center (GHMC), we measured LET spectra at 11 depths in spread-out Bragg peak (SOBP) irradiation by a 12C beam of 380 MeV/u. The lower threshold of the CR-39 to measure LET was about 5 keV μm-1 due to poor sensitivity for low LET. Then we calculated biological dose and survival fraction distributions and compared them with treatment planning results at GHMC. We used Monte Carlo simulation (Geant4) to calculate LET spectra. The simulation results were in good agreement with the experimental spectra. Moreover, the biological dose and survival fraction distributions estimated from the CR-39 reproduced the treatment planning. The CR-39 is suitable for estimating biological dose in carbon ion therapy.

    DOI: 10.1088/1361-6560/aadaa6

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  32. 陽子線、炭素線及びネオン線照射による水の発光効率のLET依存性

    小森 雅孝, 平野 祥之, 矢部 卓也, 堀田 遼, 米内 俊祐, 歳藤 利行, 山本 誠一

    日本放射線技術学会雑誌   74 巻 ( 9 ) 頁: 1004 - 1004   2018年9月

     詳細を見る

    記述言語:日本語   出版者・発行元:(公社)日本放射線技術学会  

  33. Addition of luminescence process in Monte Carlo simulation to precisely estimate the light emitted from water during proton and carbon-ion irradiation

    Yabe, T; Sasano, M; Hirano, Y; Toshito, T; Akagi, T; Yamashita, T; Hayashi, M; Azuma, T; Sakamoto, Y; Komori, M; Yamamoto, S

    PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY   63 巻 ( 12 ) 頁: 125019   2018年6月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Physics in Medicine and Biology  

    Although luminescence of water lower in energy than the Cerenkov-light threshold during proton and carbon-ion irradiation has been found, the phenomenon has not yet been implemented for Monte Carlo simulations. The results provided by the simulations lead to misunderstandings of the physical phenomenon in optical imaging of water during proton and carbon-ion irradiation. To solve the problems, as well as to clarify the light production of the luminescence of water, we modified a Monte Carlo simulation code to include the light production from the luminescence of water and compared them with the experimental results of luminescence imaging of water. We used GEANT4 for the simulation of emitted light from water during proton and carbon-ion irradiation. We used the light production from the luminescence of water using the scintillation process in GEANT4 while those of Cerenkov light from the secondary electrons and prompt gamma photons in water were also included in the simulation. The modified simulation results showed similar depth profiles to those of the measured data for both proton and carbon-ion. When the light production of 0.1 photons/MeV was used for the luminescence of water in the simulation, the simulated depth profiles showed the best match to those of the measured results for both the proton and carbon-ion compared with those used for smaller and larger numbers of photons/MeV. We could successively obtain the simulated depth profiles that were basically the same as the experimental data by using GEANT4 when we assumed the light production by the luminescence of water. Our results confirmed that the inclusion of the luminescence of water in Monte Carlo simulation is indispensable to calculate the precise light distribution in water during irradiation of proton and carbon-ion.

    DOI: 10.1088/1361-6560/aac74b

    Web of Science

    Scopus

    PubMed

  34. Washout effect in rabbit brain: In-beam PET measurements using <sup>10</sup>C, <sup>11</sup>C and <sup>15</sup>O ion beams

    Toramatsu C., Yoshida E., Wakizaka H., Mohammadi A., Ikoma Y., Tashima H., Nishikido F., Kitagawa A., Karasawa K., Hirano Y., Yamaya T.

    Biomedical Physics and Engineering Express   4 巻 ( 3 )   2018年3月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:Biomedical Physics and Engineering Express  

    In particle therapy, in-beam positron emission tomography (PET) is expected to enable in situ noninvasive confirmation of the treatment delivery. For accurate range and dose verification or three-dimensional (3D) volume imaging, however, correction of the biological washout effect in a living body is necessary. In this study, we measured the washout rate in a rabbit brain using the recently developed technology for oxygen beam radiation as well as carbon ion beam radiation. To measure components of washout, three radionuclides, 10C, 11C and 15O, which were generated as secondary beams in the Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba (HIMAC), were irradiated on the rabbit brain under two conditions, live and dead. In-beam data were acquired by our whole body dual-ring OpenPET, which enables 3D in-beam imaging. Regions of interests (ROIs) were set as a 3D positron distribution and the time activity curves (TACs) of the irradiated field were acquired. We obtained the washout rate for those conditions based on multiple component model analysis. A difference between washout speed in 11C ions and the 15O ions was observed. The observed medium and slow biological decay rates of 11C ions in rabbit brain were 0.30 min-1 and 0.004 min-1, respectively. Those values were consistent with the previous rabbit study results acquired by other imaging modalities, such as the pair of positron cameras or our single-ring small animal OpenPET prototype. The observed medium and slow biological decay rates of 15O ions were 0.72 min-1 and 0.024 min-1, respectively, which were faster than those of the 11C ion. Also, the medium biological decay rate of 15O ions was close to the washout rate in cerebral blood flow (CBF) measurements by dynamic PET with 15O-labeled water. These results should help to establish an accurate washout correction model.

    DOI: 10.1088/2057-1976/aaade7

    Web of Science

    Scopus

  35. A carbon CT system: how to obtain accurate stopping power ratio using a Bragg peak reduction technique.

    Lee SH, Sunaguchi N, Hirano Y, Kano Y, Liu C, Torikoshi M, Ohno T, Nakano T, Kanai T

    Physics in medicine and biology   63 巻 ( 3 ) 頁: 035025   2018年2月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/1361-6560/aaa453

    Scopus

    PubMed

  36. Predictors of biologic discontinuation due to insufficient response in patients with rheumatoid arthritis who achieved clinical remission with biologic treatment: A multicenter observational cohort study

    Asai Shuji, Fujibayashi Takayoshi, Oguchi Takeshi, Hanabayashi Masahiro, Hayashi Masatoshi, Matsubara Hiroyuki, Ito Takayasu, Yabe Yuichiro, Watanabe Tsuyoshi, Hirano Yuji, Kanayama Yasuhide, Kaneko Atsushi, Kato Takefumi, Takagi Hideki, Takahashi Nobunori, Funahashi Koji, Takemoto Toki, Asai Nobuyuki, Watanabe Tatsuo, Ishiguro Naoki, Kojima Toshihisa

    MODERN RHEUMATOLOGY   28 巻 ( 2 ) 頁: 221 - 226   2018年

     詳細を見る

    出版者・発行元:Modern Rheumatology  

    DOI: 10.1080/14397595.2017.1332558

    Web of Science

    Scopus

  37. Influences of 3D PET scanner components on increased scatter evaluated by a Monte Carlo simulation. 査読有り

    Hirano Y, Koshino K, Iida H

    Physics in medicine and biology   62 巻 ( 10 ) 頁: 4017 - 4030   2017年5月

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/1361-6560/aa6644

    Web of Science

    PubMed

  38. Induced radioactivity of a GSO scintillator by secondary fragments in carbon ion therapy and its effects on in-beam OpenPET imaging 査読有り

    Hirano Y, Nitta M, Nishikido F, Yoshida E, Inadama N, Yamaya T

      61 巻   頁: 4870-89   2016年

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/0031-9155/61/13/4870

  39. Washout rate in rat brain irradiated by a 11C beam after acetazolamide loading using a small single-ring OpenPET prototype 査読有り

    Hirano Y, Takuwa H, Yoshida E, Nisikido F, Nakajima Y, Wakizaka H, Yamaya T

    Phys. Med. Biol   61 巻   頁: 1875-87   2016年

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/0031-9155/61/5/1875

  40. After-pulsing, cross-talk, dark-count, and gain of MPPC under 7-T static magnetic field 査読有り

    Hirano Y, Nishikido F, Kokuryo D, Yamaya T

    Radiol. Phys. Technol.   9 巻   頁: 245-53   2016年

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1007/s12194-016-0356-3

  41. Development of a DOI PET Detector Having the Structure of the X'tal Cube Extended in One Direction 査読有り

    Inadama N, Hirano Y, Nishikido F, Murayama H, Yamaya T

    IEEE Trans. On Nucl. Science   63 巻   頁: 2509-16   2016年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  42. Monte Carlo simulation of small OpenPET prototype with 11C beam irradiation: effects of secondary particles on in-beam imaging 査読有り

    Hirano Y, Yoshida E, Kinouchi S, Nishikido F, Inadma N, Murayama H, Yamaya T

    Phys. Med. Biol.   59 巻   頁: 1623-40   2014年

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/0031-9155/59/7/1623

  43. Performance evaluation of a depth-of-interaction detector by use of position-sensitive PMT with a super-bialkali photocathode 査読有り

    Hirano Y, Nitta M, Inadama N, Nishikido F, Yoshida E, Murayama H, Yamaya T

    Radiol. Phys. Technol   7 巻   頁: 57-66   2014年

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1007/s12194-013-0231-4

  44. Positron annihilation spectroscopy of biological tissue in 11C irradiation 査読有り

    Sakurai H, Itoh F, Hirano Y, Nitta M, Suzuki K, Kato D, Yoshida E, Nishikido F, Wakizaka H, Kanai T, Yamaya T

    Phys. Med. Biol   59 巻   頁: 7031-8   2014年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  45. Validation of using a 3-dimensional PET scanner during inhalation of 15O-labeld oxygen for quantitative assessment of reginal metabolic rate of oxygen in man 査読有り

    Hori Y, Hirano Y, Koshino K, Moriguchi T, Iguchi S, Yamamoto A, Enmi J, Kawashima H, Zeniya T, Morita N, Nakagawara J, Casey ME, Iida H

    Phys. Med. Biol   59 巻   頁: 5593-609   2014年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  46. X'tal cube PET detector composed of a stack of scintillator plates segmented by laser processing 査読有り

    Inadama N, Moriya T, Hirano Y, Nishikido, F, Murayama H, Yoshida E, Tashima H, Nitta M, Ito H, Yamaya T

    IEEE Trans. Nucl. Sci.   61 巻   頁: 53-59   2014年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  47. Efficient one-pair experimental system for spatial resolution demonstration of prototype PET detectors 査読有り

    Tashima H, Yoshida E, Hirano Y, Nishikido F, Inadama N, Murayama H, Yamaya T

    Radiol. Phys. Technol.   7 巻   頁: 379-86   2014年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  48. Compartmental analysis of washout effect in rat brain: in-beam OpenPET measurement using a 11C beam 査読有り

    Phys. Med. Biol   58 巻   頁: 8281-94   2013年

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/0031-9155/58/23/8281

  49. The X'tal cube PET detector with a monolithic crystal processed by the 3D sub-surface laser engraving technique: Performance comparison with glued crystal elements 招待有り 査読有り

    Yohida E, Hirano Y, Tashima, H, Inadama N, Nishikid 3F, Moriya T, Omura T, Watanabe M, Murayama H, Yamaya T

    Ncul. Instrum. Methods. Phys Res. A   723 巻   頁: 83-88   2013年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  50. Spatial resolution limits for the isotropic-3D PET detector X'tal cube 査読有り

    Yoshida E, Tashima H, Hirano Y, Inadama N, Nishikido F, Murayama H, Yamaya T

    Ncul. Instrum. Methods. Phys Res., A   728 巻   頁: 107-111   2013年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  51. Development of a single-ring OpenPET prototype 査読有り

    Yoshida E, Tashima, H, Wakizaka H, Nishikido F, Hirano Y, Inadama N, Murayama H, Ito H, Yamaya T

    Ncul. Instrum. Methods. Phys Res. A   729 巻   頁: 800-808   2013年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  52. The X'tal cube PET detector with a monolithic crystal processed by the 3D sub-surface laser engraving technique: Performance comparison with glued 査読有り

    Yoshida E, Hirano Y, Tashima H, Inadama N, Nishikido F, Moriya, T, Omura T, Watanabe M, Murayama H, Yamaya T

    Ncul. Instrum. Methods. Phys Res., A   723 巻   頁: 83–88   2013年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  53. A proposal for PET/MRI attenuation correction with mu-values measured using a fixed-position radiation source and MRI segmentation 査読有り

    Kawaguchi H, Hirano Y, Yoshida E, Jeff K, Suga M, Ikoma Y, Obata T, Ito H, Yamaya T,

    Ncul. Instrum. Methods. Phys Res. A   734 巻   頁: 156-61   2013年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  54. Feasibility Study of an Axially Extendable Multiplex Cylinder PET 査読有り

    Yoshida E, Hirano Y, Tashima H, Inadama N, Nishikido, F, Murayama H., Ito H, Yamaya, T

    IEEE Trans. Nucl. Sci   50 巻   頁: 3227-34   2013年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  55. Impact of Laser-Processed X'tal Cube Detectors on PET Imaging in a One-Pair Prototype System. 査読有り

    Yoshida E, Hirano Y, Tashima H, Inadama N, Nishikido F, Moriya T, Omura T, Watanabe M, Murayama H, Yamaya T

    IEEE Trans. Nucl. Sci.   60 巻   頁: 3172-80   2013年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  56. Rapid quantitative CBF and CMRO2 measurements from a single PET scan with sequential administration of dual 15O-labeled tracers 査読有り

    Kudomi N, Hirano Y, Koshino K, Hayashi T, Watabe H, Fukushima H, Moriwaki H, Teramoto N, Iihara K and Iida H

    J. Cerb. Blood Flow Metab.   33 巻   頁: 440-8   2013年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  57. Potential for reducing the numbers of SiPM readout surfaces of laser-processed X'tal cube PET detectors 査読有り

    Hirano Y, Inadama N, Yoshida E, Nishikido F, Murayama H, Watanabe M, Yamaya T

    Phys. Med. Biol.   58 巻   頁: 361-74   2013年

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/0031-9155/58/5/1361

  58. Monte Carlo estimation of scatter effects on quantitative myocardial blood flow and perfusable tissue fraction using 3D-PET and 15O-water. 査読有り

    Hirano Y, Koshino K, Watabe H, Fukushima K, Iida H

    Phys. Med. Boil   57 巻   頁: 7481-92   2012年

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1088/0031-9155/57/22/7481

  59. Monte Carlo simulation of scintillation photons for the design of a high-resolution SPECT detector dedicated to human brain 査読有り

    Hirano Y, Zeniya T, Iida H

    Ann. Nucl. Med.   26 巻   頁: 214-21   2012年

     詳細を見る

    担当区分:筆頭著者   記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1007/s12149-011-0561-4

  60. Effects of patient movement on measurements of myocardial blood flow and viability in resting 15O-water PET studies 査読有り

    Koshino K, Watabe H, Enmi J, Hirano Y, Zeniya T, Hasegawa S, Hayashi T, Miyagawa S, Sawa Y, Hatazawa J, Iida H

    J Nucl Cardiol.   19 巻   頁: 524-78   2011年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  61. Experimental pig model of old myocardial infarction with long survival leading to chronic left ventricular dysfunction and remodeling as evaluated by PET 査読有り

    Teramoto N, Koshino K, Yokoyama I, Miyagawa S, Zeniya T, Hirano Y, Fukuda H, Enmi J, Sawa Y, Knuuti J, Iida H

    J Nucl Med.   52 巻   頁: 761-8   2011年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

  62. Preliminary Experiments on Accelerator-Driven Subcritical Reactor with Pulsed Neutron Generator in Kyoto University Critical Assembly 査読有り

    Cheol Ho PYEON , Yoshiyuki HIRANO , Tsuyoshi MISAWA , Hironobu UNESAKI , Chihiro ICHIHARA , Tomohiko IWASAKI & Seiji SHIROYA

    Journal of Nuclear Science and Technology   44 巻 ( 11 ) 頁: 1368-1378   2007年

     詳細を見る

    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: https://doi.org/10.1080/18811248.2007.9711384

▼全件表示

講演・口頭発表等 20

  1. An estimation of produced oxygen in the track of heavy-ion using Geant4-DNA 国際会議

    Yoshiyuki Hirano, Tsukasa Aso, Yosyuya Horii

    Japan Society for Simulation Technology 2023  2023年8月29日 

     詳細を見る

    開催年月日: 2023年8月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  2. Verification of the Oxygen in the heavy-ion track hypothesis in carbon-ion irradiation using Geant4-D

    2022年9月 

     詳細を見る

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

  3. Analysis of DNA damage by UVC and gamma rays using Raman spectroscopy

    2022年9月 

     詳細を見る

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

  4. Analysis of temporal variations of gene expression after gamma-ray irradiation in HeLa cells by RNA-seq

    2022年9月 

     詳細を見る

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

  5. Spectrum measurement of luminescence of water by synchrotron radiation beam with lower energy than the Cerenkov-light threshold

    Yoshiyuki Hirano, Masataka Komori, Yohei Kitao, Daichi Onoda, Seiichi Yamamoto

    2022年4月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  6. Angular dependency of visible light imaging of water by radiations using a photon propagation simulation

    Yoshiyuki Hirano, Seiichi Yamamoto

    2019年4月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  7. Estimation of amount of luminescence and Cerenkov lights in water irradiated by various types of radiations

    Yoshiyuki Hirano, Seiichi Yamamoto

    2019年4月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  8. Effects of yield accuracy of secondary fragments on biological dose in heavy ion irradiations estimated by Monte Carlo simulation and microdosimetric kinetic model

    Yoshiyuki Hirano

    2019年9月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  9. Range calculation in water irradiated by a carbon ion with updated ICRU stopping power table in Geant4

    Yoshiyuki Hirano

    2018年4月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  10. An estimation of cell survival using microdosimetric kinetic model and CR-39 in carbon ion irradiation

    Hirano Yoshiyuki, Satoshi Kodaira, Ma Liqiu

    2017年4月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  11. An application of microdosimetric kinetic model to targeted radionuclide therapy

    Yoshiyuki Hirano, Sumitaka Hasegawa

    2017年4月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  12. Comparisons of Geant4 and experimental LET spectra in a C-12 irradiation and high Z fragments using CR-39 detector

    Yoshiyuki Hirano, Satoshi Kodaira, Hikaru Souda

    2017年9月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  13. Effects of induced radioactivity of scintillators on in-beam OpenPET dedicated for dose verification in heavy ion therapy

    Yoshiyuki Hirano, Munetaka Nitta, Fumihiko Nishikido, Naoko Inadama, Eiji Yoshida, Taiga Yamaya

    2016年9月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  14. Effects of secondary particles on cell survivals estimated by a Monte Carlo simulation and microdosimetric kinetic model in carbon ion therapy

    Yoshiyuki Hirano

    2016年9月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

  15. Range calculations with different stopping power tables in Monte Carlo simulationGeant4 in a carbon ion therapy

    Yoshiyuki Hirano, Akihiko Matsumura, Hikaru Souda

    2016年9月 

     詳細を見る

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  16. Gene expression analysis of radio-resistance in human cell lines

    Yoshiyuki Hirano

    第125回日本医学物理学会  2023年4月13日 

     詳細を見る

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  17. Estimation of cell survival irradiated by Cherenkov lights in radiation therapy

    Yoshiyuki Hirano

    第125回日本医学物理学会  2023年4月13日 

     詳細を見る

    記述言語:日本語   会議種別:口頭発表(一般)  

    国名:日本国  

  18. Simulation study of the H abstraction from DNA sugar moiety by OH radicals using molecular dynamics and ab initio calculation

    2023年11月7日 

     詳細を見る

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

  19. Development of an affordable small-sized CO2 incubator for time-lapse monitoring of cells during and after irradiation

    2023年11月8日 

     詳細を見る

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

  20. Analysis of gene expression changes in human tumor cells after gamma irradiation using RNA-seq

    2023年11月7日 

     詳細を見る

    記述言語:日本語   会議種別:ポスター発表  

▼全件表示

科研費 12

  1. チェレンコフ光閾値以下のエネルギーの放射線照射による水の発光現象の医療応用

    研究課題/研究課題番号:22H03019  2022年4月 - 2027年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    山本 誠一, 平野 祥之, 余語 克紀, 中西 恒平

      詳細を見る

    担当区分:研究分担者 

    申請者は最近、チェレンコフ光閾値以下のエネルギーの放射線照射により水が発光する現象を発見し画像化に成功したが、その発光中に紫外線を多量に含む可能性を見出した。この紫外線は、細胞中のデオキシリボ核酸(DNA)損傷を引き起こしていると予想する。この点を明らかにするために、260nm付近の紫外線領域まで測定可能な分光画像測定装置を開発する。また、この発光に含まれる紫外線でラジカルを発生させる放射線増感剤、および紫外線の影響を減らす放射線防護材の開発を行い、放射線照射による水の発光現象が生体に大きな影響を与えていることを間接的に証明するとともに、発見した水の発光現象の医療応用を進める。
    チェレンコフ光閾値以下のエネルギーの放射線照射による水の発光がDNA損傷の原因であることを明らかにするために、紫外線が水発光に多量に含まれることを実測により明らかにした。当該年度においては、300nm付近の発光までの計測可能な装置の開発を行い、水の発光スペクトルの実測に成功した。
    紫外線発光画像測定装置開発は、これまで水の発光スペクトル測定で申請者が成功している手法を短波長まで計測可能な装置に発展させ、かつ高波長分解能測定を可能にすることで実現した。スペクトル計測はバンドパスフィルターを暗箱の外から蓋を開けることなく交換可能とし、効率的な高波長分解能分光画像測定を実現した。
    開発した紫外線発光画像測定装置は250nmまで計測可能な紫外線用CCDカメラを暗箱に入れ、暗箱外部から手動で紫外用ロングパスフィルターをカメラレンズの前に配置、交換可能にし、陽子線照射水の発光短時間撮像を実現した。装置は軽量で放射線治療装置の寝台に容易に配置可能とした。またロングパスフィルターは25nm幅のものを用いて、高波長分解能の放射線照射水の発光スペクトル計測も可能にした。
    開発した装置を用いて117MeV陽子線照射中の水発光画像を、ロングパスフィルターを交換しながら計測し、計測後に差分画像を作成し、水の発光スペクトルを算出した。差分波長幅の補正とCCDカメラの感度補正を行うことで、25nm幅という高波長分解能の水発光スペクトルを得ることができた。得られた水発光スペクトル強度は、おおよそ波長の2乗に反比例して低下することから、放射線照射水発光の機序は、水分子と陽子線生成2次電子との双極子相互作用により発生する電磁波(光)であることが確認できた。
    (1)チェレンコフ光閾値以下のエネルギーの放射線照射による水の発光がDNA損傷の原因であることを明らかにするために、紫外線が水発光に多量に含まれることを実測により明らかにした。当該年度においては、300nm付近の発光までの計測可能な装置の開発を行い、水の発光スペクトルの実測に成功した。
    (2)開発した紫外線発光画像測定装置は250nmまで計測可能な紫外線用CCDカメラを暗箱に入れ、暗箱外部から紫外用ロングパスフィルターをカメラレンズの前に配置、交換可能にし、陽子線照射水の発光短時間撮像を実現した。
    (3)ロングパスフィルターのカットオフ波長が製造業者のデータから少し外れていることが判明したので、キセノン光源と分光器を用いてロングパスフィルターカットオフ波長を実測し、差分波長幅の補正を行った。さらにCCDカメラの感度補正を行うことで、25nm幅という高波長分解能の水発光スペクトルを得ることができた。
    (4)得られた水発光スペクトル強度は、おおよそ波長の2乗に反比例して低下することから、放射線照射水発光の機序は、水分子と陽子線生成2次電子との双極子相互作用により発生する電磁波(光)であることが確認できた。
    (5)実験結果から、紫外領域の325nmの強度が、可視光である450nmの2倍程度あることが明らかになった。この曲線を外挿すると225nmでの紫外線発光量は450nmの発光の4倍にも達することが明らかになった。
    (1)放射線照射水発光がDNA損傷を引き起こしていることを細胞実験により明らかにする。
    <BR>
    (2)放射線照射水発光に含まれる紫外線でラジカルを発生させる放射線増感剤の開発を行い、放射線照射による水の発光現象が生体に大きな影響を与えていることを間接的に証明する。
    <BR>
    (3)放射線照射水発光に含まれる紫外線の影響を減らす放射線防護材の開発を行い、水の発光現象の医療応用を進める

  2. 放射線照射後の酸素環境がもたらす細胞生存応答機構の解明

    研究課題/研究課題番号:22H03032  2022年4月 - 2026年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(B)

    平山 亮一, 平野 祥之, 野口 実穂, 小西 輝昭

      詳細を見る

    担当区分:研究分担者 

    がん組織には抗がん剤や放射線が効きにくいとされる低酸素領域が存在し、この低酸素がん細胞の根絶が、放射線によるがん治療では重要となる。がん組織内の低酸素細胞は、放射線照射後も一定の期間は低酸素状態にあるにもかかわらず、放射線によるDNA損傷が低酸素状態でどのような修飾を受けるのかは明確になっていない。本研究では、放射線照射後の酸素環境の違いによる細胞生存にまつわる応答機構を明らかにするため、放射線誘発DNA損傷の修復過程や染色体形成異常における低酸素の影響を調べ、放射線照射後の酸素環境が細胞の生死とどのような関係があるかを明らかにする。
    本研究では、放射線照射後の酸素環境の違いによる細胞生存にまつわる応答機構を明らかにするため、放射線誘発DNA損傷の修復過程や染色体形成異常における低酸素の影響を調べ、放射線照射後の酸素環境が細胞の生死とどのような関係があるかを明らかにし、もう一つの“照射後の酸素効果”に着目する。さらに、放射線の線質を変えることで、異なる初期損傷を誘発し、その損傷に対する低酸素環境下での細胞応答も明らかにすることで、放射線治療効果を向上させる酸素を使った新たな治療戦略を提案するための新知見を見いだすことを目標としている。
    2022年度は、放射線抵抗性を引き起こす無酸素環境下(0%酸素濃度)で放射線を照射し、継続して無酸素環境下でのDNA断片の修復動態と微小核形成を指標とした染色体異常頻度を調べた。比較対照群としては、低酸素下での放射線照射後、大気環境下(21%酸素濃度)でのDNA断片の修復動態と染色体異常頻度を調べた。X線照射において、照射後の無酸素環境下ではDNA断片の修復効率は低下し、高LETのAr線においても同様の結果を示した。一方、微小核形成を調べると、X線やAr線照射後の無酸素下での培養で、微小核形成の頻度が大気下培養よりも低下していることがわかった。
    つまり、無酸素環境下はDNA断片における修復効率を低下させる効果を見せる一方、染色体異常である微小核形成を抑制させる効果があることがわかった。異なる生物エンドポイントにおいて、無酸素による生物効果もしくは無酸素に対する生物応答の違いが観察されたことから、放射線の生物効果における酸素の関与は放射線照射時のみならず照射後においても重要な役割があることを示唆する結果を得た。
    2022年度では、X線や重粒子線照射に対する定電圧電気泳動法を用いたDSBの定量評価および修復効率を調べ終えることが出来た。また、微小核形成を指標にした染色体異常のエンドポイントについても、概ねデータの取得に成功したが、重粒子線のマシンタイムが年々減少しているため、少ないマシンタイムでの効果的なデータ取得を目指している。
    DNA損傷や染色体異常を指標した実験では、DNA修復の関与を調べるため予備的ではあるが、DNA修復欠損細胞におけるデータ取得を始め、実験系として確立させることが出来た。次年度はDNA修復の関与についても調査していく予定である。
    低酸素環境下での長期細胞培養を実現させるため、1%酸素濃度にコントロールした低酸素ワークステーションおよび低酸素インキュベータによる培養細胞の予備的実験を開始した。1%酸素環境下での培養および長期飼育できる実験条件を決めることが出来、次年度以降、短期間の無酸素実験に加え、長期間での低酸素環境下での実験も行えるようになった。低酸素の指標としてHIF1αの発現を調べ、ハムスター細胞、マウスがん細胞ならびにヒトがん細胞で大気環境下では定量が難しいHIF1αの発現をウエスタンブロットで確認した。
    微小核形成を指標にした染色体異常のエンドポイントについても、概ねデータの取得に成功したが、統計的な評価を行うまでには至っていないため、2年目も継続して調査を行う予定である。当初予定していた、二動原体染色体異常についても継続してデータ取得に努める予定である。X線実験を中心に、無酸素環境下での培養細胞のDNA修復動態のメカニズム解明を進める目的で、DNA修復欠損細胞を使った実験を始める予定である。候補として、今まで用いてきたCHO細胞を親株とする非相同末端結合(NHEJ)欠損細胞2種類と相同組換え(HR)欠損細胞2種類に加え、ワイルドタイプをもう1種類加えて実験を行う予定である。
    低酸素ワークステーションおよび低酸素インキュベータでの予備運転を踏まえ、放射線照射前・後の低酸素(1%酸素)環境下での培養を試み、コロニー形成法による放射線感受性の調査を開始する。照射前・中・後を1%酸素で保ちつつデータ取得に必要な条件設定を行いながら進めていく予定である。合わせて低酸素ストレスに対する細胞内分子変化についても着目し、DNA損傷修復や細胞周期などの放射線感受性因子のタンパク発現等を分子生物学的手法によって明らかにしていく予定である。

  3. 超並列計算による高線量率超短時間照射 (FLASH) 効果の数理モデルの構築

    研究課題/研究課題番号:21K12246  2021年4月 - 2024年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    岡田 勝吾, 平野 祥之, 楠本 多聞

      詳細を見る

    担当区分:研究分担者 

    近年放射線治療分野では、高線量率超短時間照射(FLASH)の実験研究が精力的に行われている。FLASHは、がん細胞への殺傷能力を維持し、正常細胞への放射線影響を顕著に低減する。実験研究から、正常細胞内で起きる酸素欠乏がFLASH効果の一因とする仮説が提唱されている。本研究では、FLASHにおける酸素の化学反応過程を定量化する数理モデルを構築する。細胞内部の放射線現象をモンテカルロ法でシミュレートして、照射荷電粒子の物理反応と活性酸素種等の化学反応を追跡し、細胞の放射線影響を予測する。FLASHの生物学的効果の定量的評価や、FLASH効果の原理解明等のためのシミュレーション基盤の確立を目指す。
    昨年度にFLASH照射による水溶液内の放射線化学反応過程を追えるよう機能拡張したMPEXS-DNAで、研究分担者が行った陽子線FLASH照射の実験を模擬したシミュレーションを実施した。その実験とは、OHラジカルを捕獲して蛍光を呈するクマリン-3-カルボン酸(C3CA)が溶けた水溶液に陽子線を線量率を変えて照射し、7-ヒドロキシ-クマリン-3-カルボン酸(7OH-C3CA)の収率の線量率依存性を測定するものである。実験では線量率の増大により7OH-C3CAの収率が低下し10 Gy/s以降ほぼ一定となる結果を得たが、これをMPEXS-DNAシミュレーションでも再現した。但し、実験では収率低下率が60%程度であり、対してMPEXS-DNAは30%と両者に差がある。現状MPEXS-DNAに実装したC3CAに関連する反応速度定数等のパラメータが実現象に即しておらず今後の課題である。7OH-C3CAの収率低下の要因としては、FLASH照射により水溶液内の酸素濃度が極度に低下して7OH-C3CA生成に酸素が関わる経路が遮断されるためとされた。しかし、実験で各線量率での酸素消費量を見ると、7OH-C3CAの収率低下に見合うだけの酸素は消費されていなかった。この件もシミュレーションで再現できた。7OH-C3CAの収率低下の可能性のある別要因として、FLASH照射でOHラジカル同士の再結合が活性化し過酸化水素の生成が増えてOHラジカルが減少することが挙げられる。実際シミュレーションでは線量率の増大で過酸化水素の収率が増え、その量は7OH-C3CAの収率減少に十分見合う。この結果の検証のため、来年度には過酸化水素の収率の線量率依存性の実測値との比較を行う。
    更に電子線のFLASH照射時の水和電子の収率の経時変化の実測データとの比較も行い、MPEXS-DNAは概ね実測結果を再現することを確認した。
    電子線や陽子線によるFLASH照射実験をMPEXS-DNAで模擬したところ、シミュレーションで計算したOHラジカルや水和電子等の収率は実測結果を概ね再現できることを確認した。MPEXS-DNAをベースとしたFLASH照射シミュレーションモデルの開発は順調に進んでいると考える。これと並行して、MPEXS-DNAの化学過程の計算速度改善を行った。化学過程では近傍の分子種を探索して自身がどの分子種と拡散中に反応を起こすのかの判定を毎時間ステップ実施し、ここで最も時間を費やす。FLASH照射のシミュレーションでは扱う分子種の数が膨大になり計算時間が簡単に長大化する。そこで分子動力学法で利用される近接リスト法を参考にMPEXS-DNAの化学反応過程のコード改修を実施したところ、2倍弱の計算速度の向上を得られた。また、2022年秋にNVIDIAからAda Lovelaceアーキテクチャ採用のGeForce RTX 4090が発売されたので、昨年度購入したベンチマーク用の計算機のGPUを新世代のものへと換装した。GeForce RTX 4090はコア数が16,000以上、クロック周波数は2.5GHzに達し、GPUの換装だけで更に2倍の計算速度の向上が得られた。MPEXS-DNAは昨年度と比較して3-4倍も計算速度が上がり、FLASH照射シミュレーションの高速化に繋がった。
    現状MPEXS-DNAはC3CAが溶けた水溶液に陽子線をFLASH照射したときの、7OH-C3CAの収率の線量率依存性の測定結果を概ね再現できる段階にある。しかし、MPEXS-DNAで計算した7OH-C3CAの収率低下率は測定値と差があることを確認した。この要因を調べるため、実験体系とシミュレーションのモデル体系との間の差異や、MPEXS-DNAに実装したC3CAに関連する化学反応の反応速度定数などのパラメータを今一度精査する。
    7OH-C3CAの収率低下の機序を理解するための実験が研究分担者により実施される。過酸化水素の線量率依存性の実験データが提供され次第、シミュレーション結果との比較・検証を実施する。研究成果は学術論文の形でまとめていく。

  4. 放射線DNA損傷を制御する酸素分圧機構の計算モデル構築

    研究課題/研究課題番号:21K12116  2021年4月 - 2024年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    阿蘇 司, 原 正憲, 平野 祥之, 藤原 進

      詳細を見る

    担当区分:研究分担者 

    福島原発事故の処理水に含まれるトリチウムが、生態へ与える影響は社会的な関心事である。トリチウムが放出する低エネルギーβ線によるDNA損傷は、放射線の直接作用とともに、放射化学により生じたラジカルが起こす間接作用が影響している。この間接作用は、高酸素下で影響が大きくなり、酸素効果として知られている。本研究では、放射線によるDNA損傷のメカニズムを物理化学的視点から解明することを目標に、間接作用に焦点を当てて、ラジカル発生とその時間変化、更には酸素濃度の効果の寄与を組み込んだモンテカルロ法シミュレーションを開発する。そして、計算結果から、酸素濃度とDNA損傷の関係を評価することを目的とする。
    放射線によるDNA損傷では、高い酸素量の条件下で損傷が生じやすい酸素効果が知られている。本研究では、原子レベルのモンテカルロシミュレー ションを用いて、酸素がDNA損傷に与える機構とその影響を調べることを目的とする。昨年度までの成果を用いて令和4年度は、(1) 直接作用と間接作用の相互割合についての評価、(2)ハイドロキシルラジカルがDNA分子の水素引抜き反応を起こす活性化エネルギーを量子化学計算を用いて評価、そして(3)酸素分圧をシミュレーションに追加する機能開発と評価を実施した。下記にこれらの研究実績の概要を示す。
    (1)直接作用のエネルギー閾値に、水のイオン化ポテンシャル(10.79eV)を適用すると、間接作用の寄与は、全体の約3割であった。他研究の計算条件(KURBUC)を参考に、エネルギー閾値17.5eVを適用すると、全体の約9割が間接作用に起因する結果となった。閾値の厳密な絶対値は未だ確定しておらず、高い閾値が既存の測定結果を後押しすることを確認した。
    (2)量子力学計算を用いて、ヒドロキシルラジカルがヌクレオチドの水素引抜き反応を起こす際に必要な活性化エネルギーを1'から5''までの各水素で求めたところ、全て8kcal/mol以下であった。間接作用の損傷確率は、前年度成果で得られた水素へのラジカルのアクセス頻度と活性化エネルギーの大きさから考察できる。活性化エネルギーは充分に低く、アクセス頻度が損傷確率に大きな影響を与えることを示唆している。
    (3)シミュレーションへの酸素分圧を考慮する機能を組み込み、各酸素分圧におけるラジカル種の発生数を解析した。酸素分圧を変化させた場合でも、ヒドロキシルラジカルの濃度およびその時間変化に差異はないことが確認された。一方で、溶存酸素によってスーパーオキサイドアニオンが生成されることが分かった。次年度は、この点の詳細を研究する。
    DNA分子レベルでのシミュレーションが行える環境が整い、DNA分子の原子レベルで損傷を評価する手法についても概ね開発が完了している。更に、酸素分圧を導入することができるシミュレーションの機能開発も概ね完成しており、最終年度にて酸素分圧のさまざまな条件下において、その効果を評価するシミュレーションを行う段階に達している。今年度の研究成果を、次年度に国内外の学会で発表するための準備を進めている。以上の経緯から、研究は概ね順調に進展していると判断している。
    R4年度までに得られた成果をもとに、酸素分圧を変えた場合のシミュレーション計算を行い、DNA損傷に与える影響を評価する。研究分担者らによる分子動力学計算結果や測定における知見に基づいて、シミュレーション条件を設定する。特に、これまではハイドロキシルラジカルによる間接作用を主に評価してきたが、スーパーオキサイドアニオンに代表される高い溶存酸素下で発生するラジカル種に関しても、シミュレーションを行ってDNA損傷への酸素の影響を評価する。

  5. 各種細胞株の放射線照射による生存率曲線と遺伝子発現量の測定

    研究課題/研究課題番号:21K07617  2021年4月 - 2024年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    平野 祥之, 松井 佑介

      詳細を見る

    担当区分:研究代表者 

    配分額:4160000円 ( 直接経費:3200000円 、 間接経費:960000円 )

    放射線治療において、局所制御率や正常組織の有害事象を予測することは極めて重要である。そのための生物効果モデルが幾つか提案されているが、限られた細胞株でしか検証されていない。またほとんどがLET (linear energy transfer)等の物理量を基に作成されている。そこで本研究では、放射線治療適用部位を起源とする細胞株を中心に、多くの細胞株の細胞生存率曲線と、生物学的な量として、照射後の遺伝子発現情報を取得する。これらのデータベースを作成し、遺伝子発現量と細胞生存率曲線との関係を明らかにするとともに、得られた知見からより高精度な生物効果モデルの作成を試みる。
    当初は、放射線治療適用部位のがん細胞をできるだけ多く、ガンマ線照射前後の遺伝子発現データを取得することを目的としていたが、予算の都合とbiological replicateをなるべく増やしたいため、限られた細胞のみデータ取得することにした。過去の文献から放射線耐性のある細胞株2種類と、放射線感受性の高い細胞株2種類を選んだ。現在は、それぞれ1種類ずつ(HepG2とIMR32)において、2Gy照射後5時間のRNAを抽出し、RNA-seqによるデータを取得した。現在遺伝子発現差異の解析をしているところである。また残り2種類(KMRC2とHEC251)についても、同様に照射し、RNA-seqの依頼をした。平行して、コロニーアッセイによるこれらの生存率曲線を取得し、放射線耐性を調べる予定であったが、HepG2とIMR32はコロニーを形成しづらいことが分かり、当該研究室が行っていた手法では生存率曲線の取得が難しいことがわかった。コロニー形成をしない理由については不明だが、あまり薄い濃度で細胞を撒くと生存率が極めて悪いと考えられる。一般に濃度が濃いとコロニー同士が結合し、コロニーのカウントができないため薄く撒く必要がある。そこで、薄い濃度でもコロニーを形成できる下限の濃度を測定し、コロニーがあまり大きくなる前に、アッセイをすることにした。さらに顕微鏡で培養ディッシュ全体を撮影することで、染色等で剥がれる前のコロニー数のカウントを実施することにした。これにより、照射前後での遺伝子発現差異の他に、放射線耐性との関連についても調べることができるようになった。まもなくデータは取得できるので、本年度までに解析を終える予定である。
    やや遅れている理由としては、細胞培養に必要なインキュベータの調子が悪く(CO2濃度が不明になった)、新しく細胞株を購入することができなかった。新しいインキュベータを購入する予算がないため、CO2センサーを作成し、そのセンサーの値を参考に濃度設定をすることでなんとか回避した。またはじめて扱う細胞株は、コロニーを形成しづらく、当該研究室で行ってきた方法では、生存率を測定することができなかった。その改善方法について模索していたため、予定より遅れた。
    放射線感受性が高い細胞株と低い細胞株のガンマ線照射前後のRNAを抽出し、RNA-seqによるデータは取得できた。よって、放射線感受性とベースラインと照射後の遺伝子発現との関わりについて解析する予定である。はじめは基本的な解析として、遺伝子発現差異を検出して、それらのエンリッチメント解析をする。コロニーアッセイによる生存率曲線の測定については、順次実施していく。

  6. 4D-Flowと深層学習を用いた脳動脈瘤高分解能血流動態バイオマーカー計算法開発

    研究課題/研究課題番号:21K09175  2021年4月 - 2024年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    礒田 治夫, 平野 祥之

      詳細を見る

    担当区分:研究分担者 

    血流動態(壁剪断応力など)が血管病変発生・成長に大きな役割を担い、脳動脈瘤の発生・成長・破裂のリスクを予測するバイオマーカーになり得る。磁気共鳴流体解析 (MRFD)はヒトから直接データを収集できる利点はあるが、空間分解能と時間分解能が低い。一方、計算流体解析 (CFD)は高時間分解能・高空間分解能であるが、処理時間や計算時間が掛かる欠点があり、臨床応用しにくい。そこで、磁気共鳴画像データを入力データ、CFDの結果を正解データとする教師データを学習させ、臨床現場で直ちにCFDと同等の血流解析結果(バイオマーカーの数値も含め)が得られる「深層学習を用いた人工知能のモデル」を構築することを目指す。
    本研究の目的は、深層学習を用いた人工知能(AI)を用いて脳動脈瘤の磁気共鳴流体解析(MRFD)結果の速度ベクトルのノイズを低減し、計算流体解析 (CFD)に匹敵する精度を持つ結果に変換することである。
    初めに、空間2次元ノイズ低減モデルを開発した。このモデルでは、CFDで得られた脳動脈の3方向速度ベクトルデータを正解データ、このデータにMRFDを模倣したノイズを加えたデータを入力データとして作成した教師データを、ノイズ除去モデルWin5-RBに学習させた。モデルの精度検証には、2種類のテストデータを用いた。1つは、CFDにノイズを加えることで作成した疑似MRFDデータ、もう1つは、実際のMRFDデータを用いた。その結果、定性的・定量的に、ベクトルに影響を及ぼすノイズが低減可能である深層学習モデルが開発できた。しかし、壁剪断応力 (wall shear stress, WSS) において、収縮期でノイズ低減が不十分であった。これは、流速の高い収縮期や、流速の低い拡張期の違いをモデルが学習できていないことが原因であると推測された。
    次に、収縮期のWSSに影響を及ぼすノイズの低減を目指すため、空間2次元に時間の要素を加えた3次元ノイズ低減モデルを開発した。2次元ノイズ低減モデルの教師データに時間変化を追加することで、教師データを作成した。このデータを、ノイズ除去モデルWin5-RBに学習させ、深層学習モデルを作成した。2次元ノイズ低減モデルと同様に精度検証を行った結果、定性的・定量的に、ベクトルに影響を及ぼすノイズの低減が可能であり、さらに収縮期のWSSのノイズ低減も可能な深層学習モデルを開発できた。
    また、Physics informed neural networks を用いた高空間分解能高精度の深層学習モデル開発も現在並行して研究中である。
    今年度、ノイズ除去モデルWin5-RBを使用した研究では、「空間2次元」並びに「空間2次元+時間」情報を持つ教師データで脳動脈瘤速度ベクトルの検討を行った。まだ、MRFDが持っている速度ベクトルの全ての情報である「空間3次元+時間」を教師データに使用することに着手できていない。また、高空間分解能化の検討は不十分である。
    ノイズ除去モデルWin5-RBを使用した研究では、「空間3次元+時間」を教師データに使用するモデル構築を行う。これが終了後に、高空間分解能化を目指してモデル構築を狙う。
    また、Physics informed neural networks を用いた高空間分解能高精度の深層学習モデル開発を更に進める。

  7. 放射線誘発DNA二本鎖切断の修復過程における低酸素の影響

    研究課題/研究課題番号:19K08215  2019年4月 - 2022年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    平山 亮一, 平野 祥之

      詳細を見る

    担当区分:研究分担者 

    がん組織には抗がん剤や放射線が効きにくいとされる低酸素領域が存在し、この低酸素がん細胞の根絶が、がん治療では重要となる。研究代表者は、低酸素がん細胞に対する放射線作用を調べ、放射線によるDNAへの直接的なエネルギー付与が細胞を致死へと誘導するのに重要であり、低酸素がん細胞においても有効な作用であることを示した。しかし、がん組織内の低酸素細胞は、放射線照射後も一定期間は低酸素状態にあり、放射線の影響が低酸素状態でどのような修飾を受けるのかは明確になっていない。本研究では、低酸素環境下での放射線に対する生物応答を明らかにするため、放射線誘発DNA損傷の修復過程における低酸素の影響を明らかにする。
    がん組織には抗がん剤や放射線が効きにくいとされる低酸素領域が存在し、この低酸素がん細胞の根絶が、放射線によるがん治療では重要となる。がん組織内の低酸素細胞は、放射線照射後も一定の期間は低酸素状態にあるため、放射線誘発DSB(double-strand break)が低酸素状態でどのような修飾を受けるのかは明確になっていない。本研究ではDSBと微小核形成頻度を調べ、DNAレベルと染色体レベルでの損傷修復過程における酸素/低酸素の影響を調べた。DSBは低酸素環境下で修復効率の低下が認められ、重粒子線誘発DSBであっても同様の傾向を示した。一方、微小核形成では修復時の酸素の影響は認められなかった。
    腫瘍の中には様々な酸素濃度の異なる細胞が存在し、放射線照射後も様々な酸素濃度の微小環境下で生物応答が行われている。しかし、このような状況を模擬した研究報告はほとんど無いため、放射線の照射前、中、後を低酸素状態に保つことで、実際の腫瘍内の微小環境の一部を模擬することが、重要と考えた。その結果、本研究からは放射線照射後の酸素濃度の違いが異なる生物応答を誘導することを発見した。放射線照射後の生物応答に酸素濃度が深く関わることは、分割照射の間隔や薬剤併用の投与タイミングを考える上で重要な知見と考え、放射線がん治療の高度化に有益な成果を提供したものと考えられる。

  8. 放射線照射による生体分子の損傷解析と放射線治療効果モデルへの応用

    研究課題/研究課題番号:18K07631  2018年4月 - 2023年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    平野 祥之, 余語 克紀

      詳細を見る

    担当区分:研究代表者 

    配分額:4420000円 ( 直接経費:3400000円 、 間接経費:1020000円 )

    本研究は放射線の種類におる生体分子、特にDNAの損傷の仕方について、ラマン分光法により特定し、その影響を生物効果モデルに反映させることを目的であったが、残念ながらモデルに組み込むまでは至らなかった。しかしラマン分光法によるDNA損傷の観測手法を確立することができた。当該研究期間中に、様々な定量評価のための測定手法を試した。多くは安定した結果が得られず、放射線の種類によるDNAの損傷の比較が難しかった。しかし水溶液サンプルを入れる液体セルや解析手法の開発により、安定した測定が可能になった。
    今年度は紫外線損傷とガンマ線による損傷について調べた。放射線治療分野において、よく使用されるリニアックは照射時にX線と同時にチェレンコフ光も発生している。チェレンコフ光の強度は波長の2乗に反比例しているため、波長の短い紫外線領域の強度が高い。よって細胞にはX線に加え紫外線も同時に照射されていることになる。これまでも紫外線のみ、ガンマ線のみによる損傷についてのラマン分光法測定はあったが、吸収線量をそろえ、それぞれの特徴を調べた研究はない。そこで今年度は、吸収線量をそろえ、線量依存のない線源による損傷の差異について調べた。Co-60γ線、紫外線である UVC および UVB を牛の胸腺 DNA に同線量吸収させ、 線源の違いによる特異的な損傷をラマン分光法にて検出した。その結果、紫外線照射の場合にはアデニンやシトシンのring modeの変化があったが、ガンマ線には観測されなかった。紫外線損傷としてピリミジン二量体は有名であるが、シトシンのring modeはそれを反映しているかもしれない。またラマンシフトの変動箇所はガンマ線の方が少なかった。今後は量子化学計算等でどのような損傷をしたら今回得られた結果が再現するのか調べていきたい。

  9. 量子化学/分子動力学計算によるDNA損傷の分子解離確率論的計算モデルの構築

    研究課題/研究課題番号:18K11650  2018年4月 - 2022年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    阿蘇 司, 原 正憲, 藤原 進, 平野 祥之

      詳細を見る

    担当区分:研究分担者 

    本研究では、量子化学・分子動力学計算による知見を組み込んだDNA損傷の確率的モデル開発として、Geant4-DNAを基盤とするシミュレーションのフレームワークの構築と、それを用いたトリチウムによるDNA損傷の評価を行った。プロティンデータバンクが提供するDNA構造を利用し、本研究でのシミュレーション手法により直接作用と間接作用の双方を評価できた。DNA損傷のSSB/DSB比は、先行研究一致することを確認した。
    トリチウムは、原子力発電施設の処理水に含まれており除去が不可能な放射性元素です。本研究ではトリチウムの内部被曝を評価することを目指して、その発端となるDNA損傷が生じる可能性を評価するためのシミュレーションを開発しました。DNA損傷には、放射線が直接影響を与える直接作用と、放射線により生じたラジカルが与える間接作用があります。シミュレーションは、これらの作用の割合等を求めることができます。将来的に、例えば間接作用を低減させる放射防護剤などの検討評価などへの応用が期待されます。

  10. ニューラルネットワークを用いたPET分子イメージングの新しい薬物動態解析

    研究課題/研究課題番号:18K12073  2018年4月 - 2022年3月

    科学研究費助成事業  基盤研究(C)

    越野 一博, 平野 祥之

      詳細を見る

    担当区分:研究分担者 

    本研究の目的は、ニューラルネットワーク構造を持つ機械学習を用いて、ノイズに対して頑強かつ正確な新しい薬物動態解析の実現である。(1)投影データのノイズ除去と(2)ノイズを含むデータに対する薬物動態パラメータの推定の2つに処理を分割して、それぞれに用意したニューラルネットワークの性能を評価した。投影データのノイズ除去に関しては、3次元畳み込み層と残差接続を持つニューラルネットワークにより、体軸方向の不連続性を低減しつつピーク信号対雑音比38.0±0.5 dBを達成した。薬物動態パラメータの推定に関しては、血流量を対象とするニューラルネットワークにおいて推定誤差-0.3±12.4%を達成した。
    ガウスノイズを対象としたノイズ除去研究は数多いが、投影データに含まれるポアソンノイズをニューラルネットワークによって除去可能であること、およびニューラルネットワークに基づく手法が既存手法より正確に血流量を推定可能であることを示したことは、本研究成果の意義である。正確な定量の実現は、齧歯類からヒトまで同じ放射性薬剤と測定方法を使用できるPETイメージングの高精度化を通して、新薬のスクリーニングや臨床試験、疾患診断、治療評価、細胞質の機能解明に貢献する。さらに、ヒトでは正確な画像診断に必要な放射能量の低減、つまり被ばく量の低減につながるため、放射線防護の観点から有用である。

  11. 粒子線治療における系統的な線質測定と生物学的効果の推定精度に関する研究

    研究課題/研究課題番号:15K08690  2015年4月 - 2018年3月

    平野 祥之

      詳細を見る

    担当区分:研究代表者 

    配分額:4940000円 ( 直接経費:3800000円 、 間接経費:1140000円 )

    炭素線治療における線質と生物学的効果(生存率)の精度の検証を目的として、下記のことを行った。細胞照射とコロニーアッセイ法による生存率を算出するために、自動でコロニー数と大きさを計測するシステムを構築し、安定して生存率を計算できるようにした。このとき細胞の照射条件(線質や二次粒子含有量等)はシミュレーションによって明確にした。シミュレーションはCR39検出器による実験との比較により妥当性を検証した。また生存率を予測するモデルであるMK(microdosimetric kinetic)モデルを修正し、モデルに柔軟性を持たせ、様々な照射条件でも生存率予測を可能にした。

  12. 超高解像度局所分子機能定量SPECT画質改善のための画像再構成アルゴリズムの開発

    研究課題/研究課題番号:26350558  2014年4月 - 2018年3月

    銭谷 勉

      詳細を見る

    担当区分:連携研究者 

    本研究では、局所領域分子機能定量可能なピンホールSPECTシステムの実用化を目指して、画像歪、定量性、解像度の改善を目的とした。まず、本システムのために開発した高精細光電子増倍管とフルデジタル回路から構成された検出器は、ノイズ抑制効果が有り、高い固有空間分解能を実現、画像歪が無いことが確認された。また、ピンホールSPECT画像再構成においてガンマ線の被写体内での吸収と散乱線の影響を補正することによって定量性が改善された。さらに、コリメータ開口によるぼけの影響を補正することによって解像度を改善することができた。本研究によって、撮像システムの実用化が進んだ。

▼全件表示

 

担当経験のある科目 (本学) 8

  1. 医用機器工学1

    2020

  2. 医用機器工学2

    2020

  3. 医用機器工学3

    2020

  4. 医用機器工学実験

    2020

  5. 医用機器工学演習

    2020

  6. 基礎医学物理学実習

    2020

  7. 放射線システム工学特論

    2020

  8. 医用材料工学

    2019

▼全件表示

担当経験のある科目 (本学以外) 8

  1. 基礎医学物理学実習

    名古屋大学)

  2. 医用機器工学演習

    名古屋大学)

  3. 医用機器工学実験

    名古屋大学)

  4. 医用機器工学3

    名古屋大学)

  5. 医用機器工学2

    名古屋大学)

  6. 医用機器工学1

    名古屋大学)

  7. 医用材料工学

    名古屋大学)

  8. 放射線システム工学特論

    名古屋大学)

▼全件表示