基于康普頓相機的放射性藥物成像，采用衰減校正的LM-MLEM重建策略

文獻信息
南京航空航天大學核科學與技術系、工業(yè)和信息化部先進核技術與輻射防護重點實驗室、南京醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院江蘇省醫(yī)院核醫(yī)學科等團隊的研究成果Compton-camera-based radiopharmaceutical imaging with an attenuation-corrected LM-MLEM reconstruction strategy（基于康普頓相機的放射性藥物成像，采用衰減校正的LM-MLEM重建策略）在學術期刊《Radiation Measurements》上發(fā)表。平生公司的小動物PET/CT（型號：Super Nova）產(chǎn)品在論文中提供了重要的大鼠PET/CT圖像和定量分析。

該研究的通訊作者為通訊作者為南京航空航天大學核科學與技術系耿長冉副教授和南京醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院核醫(yī)學科田鋒博士。

文獻背景
康普頓相機因其寬能量探測范圍和高探測效率在核醫(yī)學中引起了人們的關注，顯示出對各種診斷與治療同位素在體分布的監(jiān)測潛力。然而，目前康普頓相機在核醫(yī)學成像中的應用的一個限制是缺乏校正人體組織衰減的合適方法。本研究旨在提出一種精確的系統(tǒng)矩陣概率模型，明確人體組織結構對伽馬射線衰減的效應規(guī)律，以對康普頓成像結果進行精確的組織衰減校正。該模型計算成像空間像素和探測器位置之間的組織衰減概率，并在列表模式最大似然期望最大化（LM-MLEM）算法中集成到系統(tǒng)矩陣和靈敏度矩陣的計算中。為了驗證這種衰減校正的LM-MLEM（AC-LM-MLEM）算法，本研究使用GEANT4模擬和[¹⁸F]FDG放射性藥物和3D-CZT康普頓相機的實驗以及Sprague-Dawley大鼠開展研究。蒙特卡羅模擬結果顯示，采用AC-LM-MLEM算法后重建所得的規(guī)則源分布與設置源分布結果相一致。進一步，在實驗的成像結果中，AC-LM-MLEM算法重建的高放射性區(qū)域與臨床使用的正電子發(fā)射斷層掃描/計算機斷層掃描（PET/CT）重建結果基本一致。對重建結果的定性和定量分析表明，本研究所提出的AC-LMMLEM算法可以有效地校正組織衰減，提高了康普頓重建精度。

實驗方法
大鼠動物實驗
在驗證了AC-LM-MLEM算法的可行性后，使用體重約315g、最大寬度為6cm的雄性SD大鼠進行動物成像實驗。選擇。在使用二氧化碳對大鼠進行安樂死后，進行了腹部中線切口。將含有活度約為1.81 MBq（49μCi）的[¹⁸F]FDG的放射性膠囊放置在腹腔內的中心位置。另一個具有相同活性的放射性膠囊被皮下植入，分別模擬深部和淺部區(qū)域的病變。

在包埋含有放射性藥物的膠囊后，對大鼠進行PET/CT成像。Super Nova小動物PET/CT(平生醫(yī)療科技有限公司)系統(tǒng)用于大鼠的PET/CT成像實驗。以5分鐘的數(shù)據(jù)采集時間獲取大鼠體內輻射分布信號，并使用OSEM算法重建PET圖像（21個子集，五次迭代）。PET/CT成像后，使用距離轉臺中心15cm的3D-CZT相機進行康普頓成像。將大鼠垂直放置在轉臺上，深膠囊直接位于轉臺中心上方。為確保檢測到的數(shù)據(jù)準確反映大鼠的衰減情況，轉臺每22.5秒旋轉一次, 每次測量持續(xù)1分鐘，共覆蓋16個角度。不同角度獲取的探測數(shù)據(jù)被組合在一起形成康普頓事件集，用于康普頓重建。

所有實驗均在中國南京醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院江蘇省醫(yī)院核醫(yī)學科進行。

實驗結果
大鼠實驗結果
結果表明，SBP算法可以大致識別大鼠體內兩個點源的位置，但分辨率較差，難以對兩個源區(qū)域進行精準區(qū)分。迭代算法都準確地重建了放射性膠囊的位置，AC-LM-MLEM重建的放射性分布與PET/CT重建結果一致。AC-LM-MLEM恢復了大鼠組織引起的衰減，而Maxim算法未能實現(xiàn)組織對射線的衰減校正，導致重建區(qū)域放射性活度存在明顯差異。

圖. 大鼠實驗結果。（a） CT圖像，像素為0.2×0.2×0.2 mm。（b）根據(jù)CT值計算的靈敏度矩陣。（c） PET/CT圖像，像素為0.5×0.5×0.6 mm，作為真實源分布的參考。（d） SBP重建結果。（e） Maxim算法重建結果。（f） AC-LMMLEM重建結果。（g） –（i）通過疊加2D圖像獲得的三種重建算法的3D重建結果。根據(jù)PET/CT成像期間獲得的CT圖像描繪大鼠身體模型。

文獻結論
在這項研究中，提出了一種AC-LM-MLEM算法，能夠對生物體內復雜輻射源分布情況進行精確的康普頓三維重建，并實現(xiàn)了組織衰減的影響校正。通過搭建多角度探測樣機對SD大鼠進行在體放射性藥物分布成像實驗，驗證了該算法的重建效果，有效地補償了組織衰減。這一進展有望推進康普頓相機在核醫(yī)學中的臨床前/臨床應用。

使用設備

                                                 Super Nova^® Micro PET/CT（III 代外觀圖）