[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究展示了在全器官PET扫描仪中利用双光子湮灭事件实现正交态正电子素平均寿命成像的可行性。通过利用三重符合事件（正交态正电子素衰变产生的两个511 keV光子和一个44Sc的瞬发γ射线），该方法实现了高灵敏度和亚20 ps的时间分辨率，用于寿命映射，从而通过正电子素动力学实现组织微结构的非侵入性在体诊断。

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.

研究动机与目标

• 评估全器官PET扫描仪在使用双光子湮灭事件时对正交态正电子素平均寿命成像的灵敏度。
• 评估重建的正交态正电子素图像的空间和时间分辨率随符合时间分辨率（CRT）的变化情况。
• 确定现有时间飞行（TOF）PET系统是否可适配用于这一新型成像模式。
• 探讨该方法作为标准SUV基PET的补充诊断工具的潜力，可灵敏检测组织纳米结构和生物活性分子。

提出的方法

• 采用蒙特卡罗方法模拟44Sc的正电子发射，其发射一个正电子和一个瞬发γ射线。
• 重建三重符合事件，将两个来自正交态正电子素衰变的511 keV光子与一个瞬发γ射线结合，以标记其形成时间。
• 利用飞行时间信息和逐事件重建方法，按体素计算正交态正电子素寿命谱。
• 模拟了两种扫描仪配置：LYSO闪烁体（如EXPLORER PET所用）和塑料闪烁体（如J-PET所用），以比较性能。
• 在CRT值为140 ps、50 ps和10 ps时评估时间分辨率，以分析其对图像质量的影响。
• 应用TOF-FBP重建算法以估计空间分辨率和图像保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 全器官PET扫描仪是否仅利用衰变产生的两个511 keV光子，即可检测并重建正交态正电子素平均寿命图像，而无需依赖三光子事件？
• RQ2 与传统20 cm轴向视野（FOV）PET相比，全器官PET在检测包含2γ + γprompt的三重符合事件方面的灵敏度增益是多少？
• RQ3 符合时间分辨率（CRT）如何影响重建的正交态正电子素寿命图像的空间和时间分辨率？
• RQ4 该方法是否可在临床可行的20分钟扫描时间内实现亚20 ps的时间分辨率，以确定平均寿命？
• RQ5 考虑到寿命与光子衰减无关，是否需要对正交态正电子素寿命图像进行衰减校正？

主要发现

• 与传统20 cm轴向FOV LYSO PET相比，基于LYSO的全器官PET中检测图像形成三重符合事件（2γ + γprompt）的灵敏度提高了12.2倍，而基于塑料的全器官PET则提高了4.7倍。
• 当CRT = 50 ps时，正交态正电子素图像的空间分辨率达到TOF-FBP水平，表明具有很高的诊断潜力。
• 在20分钟扫描时间内，可实现优于20 ps的时间分辨率，用于平均正交态正电子素寿命图像的测定。
• 该方法对衰减具有内在鲁棒性，因为平均寿命谱不受光子衰减影响，因此无需进行衰减校正。
• 该方法可直接应用于现有TOF-PET系统，支持近期内临床转化。
• 基于2γ的方法相比基于3γ的正电子素成像具有更高的检测灵敏度和更低的光子衰减，因此更适合于在体应用。