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康普顿成像为诊断成像开辟了新途径

成像技术 伽马成像
发布:2020-10-05 21:06:14    
 
第一作者Tashima Hideaki Tashima(左)和合著者Hidekatsu Wakizaka(右)使用整个伽玛成像平台为小鼠成像。(国立放射科学研究所Taiga Yamaya)
 
康普顿成像技术最初由天文学家开发,用于检测伽玛射线源,现在也正在研究临床成像技术。特别是,高性能的康普顿相机对于核医学和分子成像领域的应用而言可能具有无可估量的价值。
 
与已经建立的只能使正电子发射器可视化的PET医学成像技术不同,康普顿成像具有可视化各种伽马射线源的潜力。但是,到目前为止,康普顿的图像质量还没有达到典型的PET扫描质量。为了进一步研究其潜力,日本国立放射科学研究所(NIRS)的研究人员创建了一个组合的整体伽马成像(WGI)平台,可以直接比较这两种模式。
 
第一作者第一作者秀岛秀明(Hideaki Tashima)解释说:“与传统的SPECT和PET相比,康普顿成像具有提供更好图像的潜力,特别是对于发射高能伽马射线的放射性核素而言。” “我们希望探索从未用于核医学的新放射性核素。”
 
康普顿相机包含两个同步工作的探测器。对于单个伽马发射,康普顿散射在第一个检测器(散射体)中发生,光电吸收在第二个检测器(吸收体)中发生。两个探测器都记录相互作用的位置和相应的沉积能量,从而能够重建表示发射点的康普顿锥。
 
为了创建可以同时执行PET和Compton成像的WGI系统,研究人员将散射环插入到了整个人体交互作用深度PET扫描仪(吸收环)中。为了进行小动物成像实验,他们通过将散射环的直径减半来重塑了以前的WGI原型。由于康普顿成像的空间分辨率与源-探测器距离成比例地减小,因此这种修改也应改善所得图像。
 
修改后的WGI原型的设计草图(a,b);散射检测器和吸收检测器(c);开发的原型(d)。(提供:Phys.Med.Biol.10.1088 / 1361-6560 / abb92e)
 
系统评估
 
Tashima及其同事使用89 Zr作为成像源测试了WGI平台,因为它会通过发射正电子和909 keV伽马射线而衰减,从而可以直接比较PET和Compton成像。同时,他们开发了一种3D图像重建方法,该方法结合了检测器响应功能(DRF)建模,随机校正和归一化。他们在《医学与生物学物理学》中报告了他们的发现。
 
 
研究人员首先通过对装有89 Zr溶液的圆柱体模进行成像来评估WGI原型的均匀性。在不进行归一化的情况下进行重建时,PET图像会表现出环形伪影和条纹图案,而康普顿图像在中心区域具有较高的变异系数(COV)。归一化的PET和Compton图像质量相当,在整个体模中显示出均匀的放射性强度,PET和Compton图像的COV分别为3.7%和4.8%。
 
为了评估模态的空间分辨率,研究人员对一个小型棒体模进行了成像,该体模上装有89 Zr溶液填充的圆柱形孔簇。PET图像清晰地分辨出直径为2.2毫米的孔。康普顿图像分辨出外围区域的3.0毫米孔,而中心区域的空间分辨率较低。
 
最终,研究小组向小鼠注射了9.8 MBq 89 Zr-草酸盐,并在一天后使用WGI原型对动物进行了1个小时的成像。吸收环(包含PET检测器)的轴向长度为214 mm,足以覆盖整个动物。因此,PET图像显示了整个小鼠,揭示出89 Zr定位在其骨骼中。
 
PET和Compton图像
 
注射89 Zr-草酸酯的小鼠的PET(左)和Compton(右)图像重建。(提供:Phys.Med.Biol.10.1088 / 1361-6560 / abb92e)
散射环只有52毫米长,因此研究人员将动物的躯干置于环内,头部和尾部置于外部。不过,在康普顿成像模式下,WGI系统可以重建环外的分布并创建几乎整个人体的图像。康普顿图像与PET图像非常吻合,清楚地显示了小鼠骨骼中的89 Zr,尽管散射环内部区域的图像质量优于外部区域。
 
研究人员得出的结论是,WGI原型可以以接近PET的质量实现Compton成像。他们将这一成功归因于四个关键因素:从89 Zr发出的伽马射线的高能量,这提高了康普顿成像的空间分辨率;用于图像重建的DRF模型,进一步提高了空间分辨率;归一化步骤,对于图像均匀性必不可少;以及WGI系统的全环几何形状。
 
未来的工作将集中在改善Compton成像方面,使其优于PET。但是该团队的最终目标是将这两种技术结合起来,并实现一种组合的图像重建方法。Tashima解释说:“利用PET和Compton成像技术同时测量不同的示踪剂可以提高诊断效率。” “此外,通过组合两种类型的信号来重建单个示踪图像可以通过高灵敏度来改善图像质量。”
 
项目负责人Taiga Yamaya补充说:“我们现在正在探索探测器技术,以实现更好的能量分辨率。” “我们期待着临床WGI系统的实现。”
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