[論文レビュー] Towards 2+1 photon tomography: Energy-based selection of two 511 keV photons and a prompt photon with the J-PET scanner

R. Masełek, W. Krzemień+32 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2018

Medical Imaging Techniques and Applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、2+1光子発射断層撮影における511 keVの消失光子と核の再励起に伴い発生するプロンプト光子を区別するため、J-PETスキャナにエネルギーベースの識別法を提案する。最適なエネルギーしきい値を約375 keVに設定することで、511 keV光子に対して約100%の効率、約75%の純度、プロンプト光子に対して約70%の効率および純度を達成し、44 Scが医療応用において最も適した核種であると特定された。

ABSTRACT

The possibility to separate signals caused by 511 keV photons created in annihilation of electron-positron pairs and the so-called prompt photons from nuclei de- excitation is investigated. It could potentially be used to improve the quality of reconstructed images in the J-PET scanner in 2+1 photon tomography. Firstly, a research is conducted for several radioisotopes that decay via \b{eta}+ decay followed by de-excitation of an excited nucleus. Efficiency, purity and false positive rate are calculated for each isotope as a function of energy deposited threshold, with a hypothesis that signals caused by 511 keV photons deposit smaller values of energy than 1 z 13the selected threshold, while prompt photons deposit larger energy than the threshold. Analysis of the results accompanied with physical properties of radioisotopes suggests using 44 Sc, which is the most promising candidate for medical applications. With the use of GATE and J-POS simulation software, in-phantom scattering was introduced and the best energy deposited threshold value was estimated to be approximately 375 keV. It corresponds to almost 100% efficiency for 511 keV signals, 75% purity for 511 keV photons, and approximately 70% efficiency and purity for prompt photons.

研究の動機と目的

• J-PETスキャナにおいて511 keV消失光子とプロンプト光子を区別することで、2+1光子発射断層撮影の画像品質を向上させること。
• 核の再励起に伴う511 keV光子とプロンプト光子の間でエネルギーベースの識別が可能かどうかを評価すること。
• 検出効率、純度、誤検出率を考慮して、医療応用に最も適した放射性核種を特定すること。
• 現実的な体内散乱環境下で識別性能を最大化するための最適なエネルギー損失しきい値を特定すること。
• GATEおよびJ-POSシミュレーションを用いて、現実の散乱効果を含めた方法の妥当性を検証すること。

提案手法

• 511 keV光子（低いエネルギー損失）とプロンプト光子（高いエネルギー損失）を区別するために、エネルギー損失しきい値を適用した。
• GATEおよびJ-POSソフトウェアを用いたシミュレーションにより、体素材内での光子相互作用、特に散乱効果をモデル化した。
• 各放射性核種について、エネルギーしきい値の関数として、効率、純度、誤検出率を計算した。
• 崩壊様式およびプロンプト光子エネルギーを含む核種の物理的性質を分析し、最適な候補を特定した。
• 511 keV光子検出効率とプロンプト光子純度のトレードオフを最大化することで、最適なしきい値を決定した。
• 人の体に類似した体素材内でのコンプトン散乱や検出器応答関数などの現実的条件を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギーベースの識別法は、2+1光子発射断層撮影において、511 keV消失光子とプロンプト光子を効果的に分離できるか？
• RQ2 検討された核種群の中で、医療画像診断において検出効率、純度、誤検出率のバランスが最も優れているのはどの核種か？
• RQ3 現実的な体内散乱環境下で、識別法の性能を最大化する最適なエネルギー損失しきい値は何か？
• RQ4 体素材内での散乱効果がエネルギースペクトルおよびエネルギーベース選別法の有効性にどのように影響するか？
• RQ5 この方法は、プロンプト光子によるバックグラウンドを効果的に排除しながら、信号の整合性をどの程度保持できるか？

主な発見

• J-PETスキャナにおいて、511 keV光子とプロンプト光子を区別するための最適なエネルギー損失しきい値は約375 keVであると特定された。
• このしきい値では、511 keV光子の検出効率がほぼ100%に達する。
• 最適なしきい値下で、511 keV光子検出の純度は約75%に達する。
• プロンプト光子についても、約70%の効率および純度を達成しており、優れた識別能力が示された。
• 検討された核種の中で、44 Scはその好ましい崩壊特性と識別性能から、医療応用において最も有望な候補と特定された。
• 体素材内での散乱を含むシミュレーションにより、選択されたしきい値が現実の画像診断条件下でも高い性能を維持することが確認された。