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无需断层扫描的横断面成像技术,来了!

2021-11-16 08:40     来源:器械汇     PET/CT
当今的医学成像技术(例如CT和PET扫描)相当耗时,且设备昂贵笨重,一大原因是需要断层扫描成像重建,使用数学算法通过原始数据创建横断面图像。日前,美国和日本的研究人员在没有额外断层扫描重建的情况下,创建出首张组织横断面图像。这项研究于10月14日发表在英国科学杂志Nature Photonics杂志上。

该论文的通讯作者,来自美国加州大学戴维斯分校生物医学工程系的教授Simon Cherry表示,通过这种新方法,放射科医生可以更快地创建图像,有可能实现实时PET扫描,因为不再需要事后重建。他希望未来能够据此开发出更便宜、更简便、更准确的医学成像工具。该方法使用了日本滨松集团(Hamamatsu Photonics)开发的新型超快光子探测器。

在PET成像中,放射性同位素衰变并发射正电子。当这些正电子与体内的电子接触时,它们会相互湮灭,并发出两个湮灭光子。追踪这些光子的起源和轨迹,理论上就可以创建组织的图像。但目前的现状是,如果没有额外的断层扫描重建步骤,就无法做到这一点,因为探测器太慢而无法精确跟踪两个光子的到达时间。

研究人员设计了新的探测器来探测这些光子(称为切伦科夫光子,Cherenkov photons),平均计时精度为32皮秒。这样能够以4.8毫米的空间精度来确定光子产生的位置。


▲ 超快光子探测器产生的图像

Simon Cherry说,这实际上是“以光速成像”,让用户在没有断层扫描的情况下生成横断面图像。

探测器由切伦科夫辐射器(Cerenkov radiator)组成,可有效吸收伽玛射线,并快速发射少量可见光光子。连接的微通道板光电倍增管(microchannel plate photomultiplier tube,MCP-PMT) 将光子转换为电子,并将电子数量增加为可测量到的检测信号。信号的计时精度约为25皮秒。Cherry表示,结合MCP-PMT和切伦科夫辐射器,用户可以在大约30纳秒的时间里计算出伽玛射线的到达时间。




▲ 一对光子探测器

科研人员使用该技术进行了各种试验,包括模拟人脑的测试。他们相信,随着研究进一步深入,这种方法可以发展到应用于临床诊断的水平,从而有可能以较低的辐射剂量得到更高质量的图像。

这篇论文的通讯作者Simon Cherry教授,中国同行并不陌生。他本人专注于研究PET系统、多模态系统、伽玛射线和X射线探测技术。2018年,联影推出了全身型PET-CT(uEXPLORER探索者),是携手美国顶尖分子影像团队“探索者”联盟而打造。而“探索者”联盟的负责人之一,就是Simon Cherry教授。他此前也曾多次来访中国,在中国科学院深圳先进技术研究院、西安电子科技大学等地交流PET最新研究进展。

关于这次最新研究成果,Simon Cherry教授表示,最终目标是开发出一台具有uEXPLORER探索者那样几何结构的设备,但配备这些超快速探测器将成为挑战。要从论文试验中的2个探测器扩展到500,000 多个探测器,还有很长的路要走。

他说,未来将会有几个关键的发展和创新,包括元件小型化,开发多通道设备,开发能够以这种速度运行并可扩展的电子设备,以及开发具有成本效益的诊断设备。这种方法应用于人体之前,还需要进行重大的技术改进。研究人员希望在未来两到三年内开始将其应用于小动物成像。


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