[논문 리뷰] Performance assessment of the 2$\gamma$ positronium imaging with the total-body PET scanners

P. Moskal, D. Kisielewska외 40명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 15.

Medical Imaging Techniques and Applications참고 문헌 45인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 전체 신체 PET 스캐너에서 이중광자 붕괴 사건을 이용한 오르토-양전자쌍 평균 수명 영상의 실현 가능성을 입증한다. 오르토-양전자쌍 붕괴에서 발생하는 두 개의 511 keV 광자와 44Sc로부터 발생하는 한 개의 즉각적 감마선을 조합한 삼중 동시성 사건을 활용하여, 수명 맵핑을 위한 고감도 및 20 ps 이하의 시간 해상도를 확보함으로써, 양전자쌍 역학을 통한 비침습적 조직 미세구조 진단이 가능하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 이중광자 붕괴 사건을 이용한 전체 신체 PET 스캐너의 오르토-양전자쌍 평균 수명 영상 감도 평가
• 공진 시간 해상도(CRT)의 함수로서 재구성된 오르토-양전자쌍 영상의 공간 해상도 및 시간 해상도 평가
• 기존의 시간 도달 기반(TOF) PET 시스템이 이 새로운 영상 모odal리티에 적응 가능한지 평가
• 표준 SUV 기반 PET와의 보완적 진단 도구로서의 잠재력 평가: 조직 나노구조 및 생활성 분자의 민감도

제안 방법

• 44Sc의 양전자 방출을 모델링하기 위해 몬테카를로 방법을 사용한 시뮬레이션 수행
• 삼중 동시성 사건 재구성: 오르토-양전자쌍 붕괴에서 발생하는 두 개의 511 keV 광자와 한 개의 즉각적 감마선을 조합하여 형성 시간 태깅
• 시간 도달 정보와 이벤트 단위 재구성 방법을 사용하여 복합체 당 오르토-양전자쌍 수명 스펙트럼 계산
• 두 가지 스캐너 구성 시뮬레이션: EXPLORER PET에서 사용하는 LYSO闪烁체 및 J-PET에서 사용하는 플라스틱闪烁체를 비교하여 성능 평가
• 공진 시간 해상도(CRT)를 140 ps, 50 ps, 10 ps로 설정하여 영상 품질에 미치는 영향 평가
• 공간 해상도 및 영상 정밀도 평가를 위해 TOF-FBP 재구성 알고리즘 적용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 신체 PET 스캐너는 삼중광자 사건이 필요 없이 오직 두 개의 511 keV 광자만으로 오르토-양전자쌍 평균 수명 영상을 감지하고 재구성할 수 있는가?
• RQ2 2γ + γprompt를 포함한 삼중 동시성 사건 감지를 위해 전체 신체 PET가 기존 20 cm 축방향 시야(FOV) PET보다 감도가 얼마나 향상되는가?
• RQ3 공진 시간 해상도(CRT)가 재구성된 오르토-양전자쌍 수명 영상의 공간 해상도 및 시간 해상도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 이 방법은 임상적으로 실현 가능한 20분 스캔 기간 내에 평균 오르토-양전자쌍 수명 영상 결정을 위한 20 ps 이하의 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 수명이 광자 투과 감쇠에 영향을 받지 않기 때문에 오르토-양전자쌍 수명 영상에 대해 감쇠 보정이 필요한가?

주요 결과

• LYSO 기반 전체 신체 PET에서는 이미지 형성 삼중 동시성 사건(2γ + γprompt) 감도가 기존 20 cm 축방향 LYSO PET 대비 12.2배 높고, 플라스틱 기반 전체 신체 PET에서는 4.7배 높다.
• CRT = 50 ps일 때 오르토-양전자쌍 영상의 공간 해상도가 TOF-FBP 수준에 도달하여 높은 진단 잠재력을 보여준다.
• 20분 스캔 기간 동안 평균 오르토-양전자쌍 수명 영상 결정을 위한 20 ps 이하의 시간 해상도 확보 가능하다.
• 수명 스펙트럼이 광자 투과 감쇠에 영향을 받지 않기 때문에 이 방법은 감쇠 보정이 필요 없으며, 감쇠에 대해 본질적으로 강건하다.
• 이 방법은 기존의 TOF-PET 시스템에 직접 적용 가능하여 임상 적용에 가까운 시일 내 실현 가능하다.
• 3γ 기반 양전자쌍 영상에 비해 이중광자 기반 방법은 감도가 높고 광자 투과 감쇠가 적어, 생체 내 응용에 더 적합하다.