第一作者Tashima Hideaki Tashima（左）和合著者Hidekatsu Wakizaka（右）使用整個(gè)伽瑪成像平臺(tái)為小鼠成像。（國立放射科學(xué)研究所Taiga Yamaya）
 
康普頓成像技術(shù)最初由天文學(xué)家開發(fā)，用于檢測(cè)伽瑪射線源，現(xiàn)在也正在研究臨床成像技術(shù)。特別是，高性能的康普頓相機(jī)對(duì)于核醫(yī)學(xué)和分子成像領(lǐng)域的應(yīng)用而言可能具有無可估量的價(jià)值。
 
與已經(jīng)建立的只能使正電子發(fā)射器可視化的PET醫(yī)學(xué)成像技術(shù)不同，康普頓成像具有可視化各種伽馬射線源的潛力。但是，到目前為止，康普頓的圖像質(zhì)量還沒有達(dá)到典型的PET掃描質(zhì)量。為了進(jìn)一步研究其潛力，日本國立放射科學(xué)研究所（NIRS）的研究人員創(chuàng)建了一個(gè)組合的整體伽馬成像（WGI）平臺(tái)，可以直接比較這兩種模式。
 
第一作者第一作者秀島秀明（Hideaki Tashima）解釋說：“與傳統(tǒng)的SPECT和PET相比，康普頓成像具有提供更好圖像的潛力，特別是對(duì)于發(fā)射高能伽馬射線的放射性核素而言。” “我們希望探索從未用于核醫(yī)學(xué)的新放射性核素。”
 
康普頓相機(jī)包含兩個(gè)同步工作的探測(cè)器。對(duì)于單個(gè)伽馬發(fā)射，康普頓散射在第一個(gè)檢測(cè)器（散射體）中發(fā)生，光電吸收在第二個(gè)檢測(cè)器（吸收體）中發(fā)生。兩個(gè)探測(cè)器都記錄相互作用的位置和相應(yīng)的沉積能量，從而能夠重建表示發(fā)射點(diǎn)的康普頓錐。
 
為了創(chuàng)建可以同時(shí)執(zhí)行PET和Compton成像的WGI系統(tǒng)，研究人員將散射環(huán)插入到了整個(gè)人體交互作用深度PET掃描儀（吸收環(huán)）中。為了進(jìn)行小動(dòng)物成像實(shí)驗(yàn)，他們通過將散射環(huán)的直徑減半來重塑了以前的WGI原型。由于康普頓成像的空間分辨率與源-探測(cè)器距離成比例地減小，因此這種修改也應(yīng)改善所得圖像。
  修改后的WGI原型的設(shè)計(jì)草圖（a，b）；散射檢測(cè)器和吸收檢測(cè)器（c）；開發(fā)的原型（d）。（提供：Phys.Med.Biol.10.1088 / 1361-6560 / abb92e）
 
系統(tǒng)評(píng)估
 
Tashima及其同事使用89 Zr作為成像源測(cè)試了WGI平臺(tái)，因?yàn)樗鼤?huì)通過發(fā)射正電子和909 keV伽馬射線而衰減，從而可以直接比較PET和Compton成像。同時(shí)，他們開發(fā)了一種3D圖像重建方法，該方法結(jié)合了檢測(cè)器響應(yīng)功能（DRF）建模，隨機(jī)校正和歸一化。他們?cè)凇夺t(yī)學(xué)與生物學(xué)物理學(xué)》中報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。
 
 
研究人員首先通過對(duì)裝有89 Zr溶液的圓柱體模進(jìn)行成像來評(píng)估WGI原型的均勻性。在不進(jìn)行歸一化的情況下進(jìn)行重建時(shí)，PET圖像會(huì)表現(xiàn)出環(huán)形偽影和條紋圖案，而康普頓圖像在中心區(qū)域具有較高的變異系數(shù)（COV）。歸一化的PET和Compton圖像質(zhì)量相當(dāng)，在整個(gè)體模中顯示出均勻的放射性強(qiáng)度，PET和Compton圖像的COV分別為3.7％和4.8％。
 
為了評(píng)估模態(tài)的空間分辨率，研究人員對(duì)一個(gè)小型棒體模進(jìn)行了成像，該體模上裝有89 Zr溶液填充的圓柱形孔簇。PET圖像清晰地分辨出直徑為2.2毫米的孔。康普頓圖像分辨出外圍區(qū)域的3.0毫米孔，而中心區(qū)域的空間分辨率較低。
 
最終，研究小組向小鼠注射了9.8 MBq 89 Zr-草酸鹽，并在一天后使用WGI原型對(duì)動(dòng)物進(jìn)行了1個(gè)小時(shí)的成像。吸收環(huán)（包含PET檢測(cè)器）的軸向長度為214 mm，足以覆蓋整個(gè)動(dòng)物。因此，PET圖像顯示了整個(gè)小鼠，揭示出89 Zr定位在其骨骼中。
 
PET和Compton圖像
  注射89 Zr-草酸酯的小鼠的PET（左）和Compton（右）圖像重建。（提供：Phys.Med.Biol.10.1088 / 1361-6560 / abb92e）
散射環(huán)只有52毫米長，因此研究人員將動(dòng)物的軀干置于環(huán)內(nèi)，頭部和尾部置于外部。不過，在康普頓成像模式下，WGI系統(tǒng)可以重建環(huán)外的分布并創(chuàng)建幾乎整個(gè)人體的圖像。康普頓圖像與PET圖像非常吻合，清楚地顯示了小鼠骨骼中的89 Zr，盡管散射環(huán)內(nèi)部區(qū)域的圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于外部區(qū)域。
 
研究人員得出的結(jié)論是，WGI原型可以以接近PET的質(zhì)量實(shí)現(xiàn)Compton成像。他們將這一成功歸因于四個(gè)關(guān)鍵因素：從89 Zr發(fā)出的伽馬射線的高能量，這提高了康普頓成像的空間分辨率；用于圖像重建的DRF模型，進(jìn)一步提高了空間分辨率；歸一化步驟，對(duì)于圖像均勻性必不可少；以及WGI系統(tǒng)的全環(huán)幾何形狀。
 
未來的工作將集中在改善Compton成像方面，使其優(yōu)于PET。但是該團(tuán)隊(duì)的最終目標(biāo)是將這兩種技術(shù)結(jié)合起來，并實(shí)現(xiàn)一種組合的圖像重建方法。Tashima解釋說：“利用PET和Compton成像技術(shù)同時(shí)測(cè)量不同的示蹤劑可以提高診斷效率。” “此外，通過組合兩種類型的信號(hào)來重建單個(gè)示蹤圖像可以通過高靈敏度來改善圖像質(zhì)量。”
 
項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Taiga Yamaya補(bǔ)充說：“我們現(xiàn)在正在探索探測(cè)器技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更好的能量分辨率。” “我們期待著臨床WGI系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。”