三光子也能成像?基于联影neuroEXPLORER的正电子素寿命成像

正电子是核医学从业人员非常熟悉的一种基本粒子，而仅有一字之差的“正电子素”却并不常被人提起。正电子素(Positronium, 化学符号为Ps)是一个电子与一个正电子组成的亚稳定的束缚态，它看似是一个正电子和一个电子在相互作用力的影响下环绕在一起，但是从结构和物理性质的角度来说其实它与氢原子更加接近(图1)。不过正电子素是不太稳定的，经过非常短暂的时间后(一般在100ps~100ns左右)最终还是会发生湮灭反应，我们将这段时间称为正电子素的寿命。而正电子素中的其中一种——正电子偶素(o-Ps)有着非常独特的性质：它在真空中的平均寿命约为142ns，而在介质中，根据介质的性质不同，它的寿命会大幅缩短。因此通过测量正电子素寿命可以区分不同的组织，能在恶性肿瘤诊疗领域中发挥独特作用。基于这一原理，科学家发明了一种基于PET的正电子素寿命显像。

图1 正电子素结构(左)和氢原子结构(右)的对比

想要用PET测算正电子素的寿命，需要借助一些特定的正电子衰变核素如22Na或44Sc，这些核素在正电子衰变的同时会发出一个瞬发光子，可以将其视为正电子素产生的标志。通过PET测量这个瞬发光子和后续湮灭产生的511KeV光子对之间的时间差，就能估算正电子素的寿命。这种巧妙的三光子符合(一个瞬发光子+两个511KeV光子)方法就是正电子素寿命成像的基础原理。

理想是美好的，现实却很骨感。虽然正电子偶素的产额并不低(占所有正电子产额的30%~40%)，但是想要成功捕捉这种三光子符合却非常困难，最终的有效计数很少，这对设备的灵敏度提出了非常高的要求。另一方面，正电子素寿命成像的重建算法与常规的PET不同，它的图像重建完全基于这三个光子的时间信息，因此最终的图像分辨率直接取决于设备的TOF时间分辨率。基于现用的重建方法和目前商用PET的TOF性能，只能实现3cm~10cm(FWHM)的空间分辨率，远不如常规的PET显像。

为了实现更低噪声和更高分辨率的正电子偶素成像，UC Davis的研究人员基于联影最新的PET探测器平台开发了一套针对高图像质量正电子偶素成像的重建算法，并结合计算机仿真模拟技术对该算法进行了验证。设备方面，研究者采用了一套联影全新的神经显像专用的PET平台——neuroEXPLORER。该系统本身是专门为脑部扫描而设计，采用了较小的52mm探测器直径，而轴向视野长达48cm，配合高达250ps的TOF时间分辨率，能提供非常高的灵敏度，恰好补偿三光子符合事件非常低的计数率。在算法方面，研究者开发了一种SPLIT重建算法(Statistical Positronium Lifetime Image reconstruction via events sorting by Thresholds, SPLIT, 基于阈值排序事件的统计学正电子素寿命图像重建算法)。该算法不会以单光子和湮灭电子对之间的时间差直接进行图像重建，而是依照时间差对数据进行分组并以OSEM算法重建为常规的PET图像，基于这些重建好的PET图像间接估计出正电子偶素寿命图像，因此在分辨率表现上更接近原PET系统的空间分辨率，优于此前依赖TOF进行空间定位的其他算法。

图2 (a)设定的活度分布真实值;(b)正电子素寿命分布真实值;(c)OSEM重建的常规活度分布图;(d)SPLIT算法重建的正电子寿命图

实验对象是GATE软件中模拟的一只啮齿类动物，病灶、肝脏、肾脏和身体背景的活度比被设定为10 : 2 : 15 : 1，模拟的是44Sc-PSMA在啮齿类动物体内的分布。最终采集到的正电子素寿命图像质量非常优秀(图2d)，虽然噪声水平略高，但是得到的寿命显像与真实值非常吻合(误差<1%)，图像也清晰的呈现出病变和正常组织间0.5ns的寿命差异。

去年十月份一个波兰的研究团队通过一台特殊设备(J-PET)刚刚实现了世界上第一次正电子素寿命PET成像，一年不到的时间内UC Davis的研究团队就再次实现该领域的巨大突破。新开发的算法结合联影最新的neuroEXPLORER PET-CT，不仅能大幅提升正电子素寿命显像的分辨率，还为未来商用PET-CT进行正电子素寿命显像提供了可能性。正电子素寿命成像目前还处于技术早期阶段，前期的一些研究成果表明这种显像方法能在子宫肌瘤、心肌瘤和结肠癌等多种恶性肿瘤中帮助分辨肿瘤组织和健康组织;也有研究表明它能够帮助分辨肿瘤中的富氧区域和乏氧区域，可用于精准指导后续的肿瘤治疗。这项成果有望在不久的将来投入临床使用并成为未来PET在功能学影像方面的巨大增长点。