[论文解读] Coded Aperture and Compton Imaging for the Development of $^{225}$Ac-based Radiopharmaceuticals

Emily A. Frame, Kondapa N. Bobba+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2022

Medical Imaging Techniques and Applications被引用 7

一句话总结

本研究首次将编码孔成像与康普顿成像技术结合，直接可视化并定量分析肿瘤模型小鼠体内225Ac子体核素221Fr（218 keV）和213Bi（440 keV）的分布，克服了传统生物分布研究的局限性。该研究首次实现了利用这些先进的伽马射线成像技术对225Ac子体再分布进行在体成像，实现了对放射性药物行为的非侵入性、纵向监测，并通过离体测量结果对定量结果进行了验证。

ABSTRACT

Targeted alpha-particle therapy (TAT) has great promise as a cancer treatment. Arguably the most promising TAT radionuclide that has been proposed is $^{225}$Ac. The development of $^{225}$Ac-based radiopharmaceuticals has been hampered due to the lack of effective means to study the daughter redistribution of these agents in small animals at the preclinical stage. The ability to directly image the daughters, namely $^{221}$Fr and $^{213}$Bi, via their gamma-ray emissions would be a boon for preclinical studies. That said, conventional medical imaging modalities, including single photon emission computed tomography (SPECT) based on pinhole collimation, cannot be employed due to sensitivity limitations. As an alternative, we propose the use of both coded aperture and Compton imaging with the former modality suited to the 218-keV gamma-ray emission of $^{221}$Fr and the latter suited to the 440-keV gamma-ray emission of $^{213}$Bi. This work includes coded aperture images of $^{221}$Fr and Compton images of $^{213}$Bi in tumor-bearing mice injected with $^{225}$Ac-based radiopharmaceuticals. These results are the first demonstration of visualizing and quantifying the $^{225}$Ac daughters in small animals via coded aperture and Compton imaging and serve as a stepping stone for future radiopharmaceutical studies.

研究动机与目标

• 解决小动物中225Ac子体核素（221Fr和213Bi）临床前成像方法缺乏的问题。
• 克服传统SPECT和PET在成像225Ac子体高能伽马射线时灵敏度和分辨率不足的局限。
• 开发并验证一种结合编码孔成像与康普顿成像的双模态成像系统，实现对放射性药物生物分布的非侵入性、纵向监测。
• 通过与离体生物分布分析结果对比，对在体成像结果进行定量验证。
• 促进对子体再分布动力学的深入理解，支持225Ac类靶向α放射治疗的临床转化。

提出的方法

• 采用编码孔成像检测221Fr发射的218-keV伽马射线，使用条纹间距为1.5 mm、放大倍数为1.5×的掩模。
• 采用康普顿成像检测213Bi发射的440-keV伽马射线，使用位置灵敏探测器，其在35 mm源-探测器距离下的空间分辨率为4.1 mm。
• 在填充225Ac的体模及注射225Ac类放射性药物的肿瘤模型小鼠上测试了双模态成像系统。
• 通过去卷积技术进行图像重建，以从编码孔图案和康普顿运动学中解析出源分布。
• 从重建图像中提取活度定量数据，并与器官计数的离体生物分布数据进行验证。
• 通过优化探测器几何结构、掩模设计及信号处理方法（如减小条纹间距和缩短探测器距离）提升灵敏度和分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 编码孔成像能否有效检测并定位小动物模型中221Fr发射的218-keV伽马射线？
• RQ2 康普顿成像能否在体内实现对213Bi发射的440-keV伽马射线足够的空间分辨率和灵敏度？
• RQ3 编码孔成像与康普顿成像的在体活度估算结果与离体生物分布测量结果相比如何？
• RQ4 这些成像模态在多大程度上能够分辨随时间推移的器官特异性摄取与再分布？
• RQ5 该成像系统能否检测并量化个体动物之间（如肝脏、心脏和肺部）生物分布模式的差异？

主要发现

• 编码孔成像成功在肿瘤模型小鼠中可视化了221Fr，总活度估算约为299 Bq，与离体生物分布结果（217 Bq）高度一致。
• 康普顿成像检测到213Bi，总活度估算约为242 Bq，与离体测量结果（198 Bq）相符良好。
• 在一只器官摄取显著的小鼠中，编码孔与康普顿成像分别估算出221Fr和213Bi的活度为610 Bq和575 Bq，而离体分析结果为437 Bq和434 Bq。
• 在当前探测器与几何配置下，编码孔成像的空间分辨率为6.9 mm，康普顿成像为4.1 mm。
• 通过减小条纹间距（如0.5 mm）和提高放大倍数（如3×），分辨率可进一步提升，编码孔成像分辨率有望提高75%，康普顿成像提高50%。
• 通过缩短探测器距离和增加探测器面板，灵敏度可提升16倍，进一步优化信号处理与提高探测器颗粒度可实现更高增益。