[論文レビュー] Performance assessment of the 2$\gamma$ positronium imaging with the total-body PET scanners

P. Moskal, D. Kisielewska+40 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2019

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、全身PETスキャナにおける二光子崩壊事象を用いた直交ポジトロニウム平均寿命イメージングの実現可能性を示している。三重一致事象（直交ポジトロニウム崩壊による二つの511 keV光子と44Scからの即時ガンマ線）を活用することで、高い感度と20 ps未満の時間分解能を達成し、ポジトロニウムの動態を用いた非侵襲的体内組織微細構造診断が可能になる。

ABSTRACT

In living organisms the positron-electron annihilation (occurring during the PET imaging) proceeds in about 30% via creation of a metastable ortho-positronium atom. In the tissue, due to the pick-off and conversion processes, over 98% of ortho-positronia annihilate into two 511~keV photons. In this article we assess the feasibility for reconstruction of the mean ortho-positronium lifetime image based on annihilations into two photons. The main objectives of this work include: (i) estimation of the sensitivity of the total-body PET scanners for the ortho-positronium mean lifetime imaging using $2\gamma$ annihilations, and (ii) estimation of the spatial and time resolution of the ortho-positronium image as a function of the coincidence resolving time (CRT) of the scanner. Simulations are conducted assuming that radiopharmaceutical is labelled with $^{44}Sc$ isotope emitting one positron and one prompt gamma. The image is reconstructed on the basis of triple coincidence events. The ortho-positronium lifetime spectrum is determined for each voxel of the image. Calculations were performed for cases of total-body detectors build of (i) LYSO scintillators as used in the EXPLORER PET, and (ii) plastic scintillators as anticipated for the cost-effective total-body J-PET scanner. To assess the spatial and time resolution the three cases were considered assuming that CRT is equal to 140ps, 50ps and 10ps. The estimated total-body PET sensitivity for the registration and selection of image forming triple coincidences is larger by a factor of 12.2 (for LYSO PET) and by factor of 4.7 (for plastic PET) with respect to the sensitivity for the standard $2\gamma$ imaging by LYSO PET scanners with AFOV=20cm.

研究の動機と目的

• 2γ崩壊事象を用いた直交ポジトロニウム平均寿命イメージングのための全身PETスキャナの感度を評価すること。
• 一致時間分解能（CRT）の関数として再構成された直交ポジトロニウムイメージの空間的および時間的分解能を評価すること。
• 既存の時間飛行（TOF）PETシステムが、この新しいイメージングモダリティに適合可能かどうかを検討すること。
• 標準的なSUVベースのPETとは補完的である本手法が、組織ナノ構造およびバイオアクティブ分子に感受性である可能性を検討すること。

提案手法

• 44Scからの陽電子発生をモデル化するためにモンテカルロ法を用いたシミュレーションを実施した。44Scは陽電子を1個と即時ガンマ線を1個放出する。
• 三重一致事象を再構成し、直交ポジトロニウム崩壊による二つの511 keV光子と即時ガンマ線を組み合わせて形成時刻を特定した。
• 時間飛行情報とイベント単位再構成を用いて、ボクセルごとの直交ポジトロニウム寿命スペクトルを計算した。
• 性能比較のため、EXPLORER PETに用いられるLYSOシンチレーターとJ-PETに用いられるプラスチックシンチレーターの二種類のスキャナ構成をシミュレーションした。
• 画像品質への影響を評価するため、CRT値140 ps、50 ps、10 psの条件下で時間分解能を評価した。
• 空間分解能と画像忠実度を推定するために、TOF-FBP再構成アルゴリズムを適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全身PETスキャナは、三光子事象を必要とせず、崩壊からの二つの511 keV光子のみを用いて直交ポジトロニウム平均寿命イメージを検出・再構成可能か？
• RQ2 2γ + γpromptを含む三重一致事象を検出する観点で、全身PETは従来の20 cm軸方向視野（FOV）PETに比べてどの程度感度が向上するか？
• RQ3 一致時間分解能（CRT）は再構成された直交ポジトロニウム寿命イメージの空間的および時間的分解能にどのように影響するか？
• RQ4 20分間の臨床的実用的スキャン時間内に、平均直交ポジトロニウム寿命の決定に20 ps未満の時間分解能を達成可能か？
• RQ5 寿命が光子吸収に依存しないことから、直交ポジトロニウム寿命イメージには線形減衰補正が必要か？

主な発見

• LYSOベースの全身PETでは、画像形成に寄与する三重一致事象（2γ + γprompt）の感度が、従来の20 cm軸方向視野LYSO PETに比べ12.2倍向上した。プラスチックベースの全身PETでは4.7倍向上した。
• CRT = 50 psの条件下で、直交ポジトロニウムイメージの空間分解能がTOF-FBP品質に達した。これは高い診断的潜在能力を示している。
• 20分間のスキャンにおいて、平均直交ポジトロニウム寿命イメージの決定に20 ps未満の時間分解能が達成可能である。
• 平均寿命スペクトルは光子吸収に影響されないため、本手法は自然に減衰補正に強く、減衰補正の必要がない。
• 本手法は既存のTOF-PETシステムに直接適用可能であり、近い将来の臨床応用が可能である。
• 3γベースのポジトロニウムイメージングに比べ、2γベースの手法は高い検出感度と低い光子吸収を実現しており、体内応用に適している。