[논문 리뷰] 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. Krzemień외 32명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 02.

Medical Imaging Techniques and Applications참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 2+1 광자 방출 단층촬영에서 511 keV 고체 붕괴 광자와 핵의 탈-excitation 동안 방출되는 프롬프트 광자를 구분하기 위해 J-PET 스크래너에서 에너지 기반 구분 방법을 제안한다. 약 375 keV의 최적 에너지 임계값을 설정함으로써, 511 keV 광자에 대해 약 100%의 효율성, 약 75%의 순도, 프롬프트 광자에 대해 약 70%의 효율성과 순도를 달성하며, 의료 응용 분야에서 가장 적합한 동위원소로 44 Sc 가 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• J-PET 스크래너에서 511 keV 붕괴 광자와 프롬프트 광자를 구분하여 2+1 광자 방출 단층촬영의 영상 품질을 향상시키기 위해.
• 핵의 탈-excitation에서 발생하는 511 keV 광자와 프롬프트 광자 간의 에너지 기반 구분의 가능성을 평가하기 위해.
• 검출 효율성, 순도 및 가짜 양성률을 바탕으로 의료 응용 분야에서 가장 적합한 방사성 동위원소를 특정하기 위해.
• 현실적인 인형 내 산산이 흩어지는 환경에서 구분 성능을 최대화하기 위한 최적의 에너지 투입 임계값을 결정하기 위해.
• 실제 산산이 흩어지는 효과를 포함한 GATE 및 J-POS 시뮬레이션을 사용하여 방법을 검증하기 위해.

제안 방법

• 511 keV 광자(낮은 에너지 투입)와 프롬프트 광자(높은 에너지 투입)를 구분하기 위해 에너지 투입 임계값을 적용하였다.
• GATE 및 J-POS 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션은 인형 내 광자 상호작용, 특히 산산이 흩어지는 효과를 포함하였다.
• 각 방사성 동위원소에 대해, 에너지 임계값의 함수로서 효율성, 순도 및 가짜 양성률을 계산하였다.
• 붕괴 스킴과 프롬프트 광자 에너지 등을 포함한 동위원소의 물리적 성질을 분석하여 가장 적합한 후보를 특정하였다.
• 511 keV 광자 검출 효율성과 프롬프트 광자 순도 간의 트레이드오���을 최대화함으로써 최적의 임계값을 결정하였다.
• 실제 조건인 인간 유사 인형 내에서의 콜로른 산산이 흩어짐과 검출기 응답 함수를 고려한 분석을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에너지 기반 구분이 2+1 광자 방출 단층촬영에서 511 keV 붕괴 광자와 프롬프트 광자를 효과적으로 분리할 수 있는가?
• RQ2 연구된 세트에서 의료 영상에 가장 적합한 검출 효율성, 순도 및 낮은 가짜 양성률의 균형을 이룬 방사성 동위원소는 무엇인가?
• RQ3 현실적인 인형 내 산산이 흩어지는 조건에서 구분 성능을 최대화하기 위한 최적의 에너지 투입 임계값은 무엇인가?
• RQ4 인형 내 산산이 흩어지는 효과가 에너지 스펙트럼과 에너지 기반 선택의 효과성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 방법은 프롬프트 광자 배경을 거부하면서 신호 무결성을 어느 정도 유지하는가?

주요 결과

• J-PET 스크래너에서 511 keV 광자와 프롬프트 광자를 구분하기 위해 약 375 keV의 에너지 투입 임계값이 최적으로 확인되었다.
• 이 임계값에서, 511 keV 광자 검출에 대해 거의 100%의 효율성이 달성되었다.
• 최적 임계값에서 511 keV 광자 검출의 순도는 약 75%에 도달하였다.
• 프롬프트 광자에 대해 약 70%의 효율성과 70%의 순도를 달성하여 강력한 구분 능력을 보였다.
• 연구된 동위원소들 중에서 44 Sc 는 유리한 붕괴 특성과 뛰어난 구분 성능로 인해 의료 응용 분야에서 가장 유망한 후보로 확인되었다.
• 인형 내 산산이 흩어지는 효과를 포함한 시뮬레이션은 선택된 임계값이 현실적인 영상 조건에서도 높은 성능을 유지함을 확인하였다.