新型超快光子探測器：有望實現(xiàn)更簡便、精準的醫(yī)療掃描

在使用X射線或伽馬射線的成像中，需要用數(shù)學方法從數(shù)據(jù)中重建斷面圖像，這就是斷層掃描的過程。在PET掃描中，標記有微量放射性同位素的分子被注入并被體內(nèi)的器官和組織所吸收。這種同位素，如氟-18，是不穩(wěn)定的，在衰變時發(fā)射正電子。

近日，美國和日本的研究人員展示了第一個不需要斷層掃描的實驗性截面醫(yī)學圖像（斷層掃描是用于重建CT和PET掃描圖像的數(shù)學過程）。研究人員表示，這一技術進展是通過開發(fā)新的、超快光子探測器實現(xiàn)的。這項新技術可能會帶來更便宜、更簡單和更準確的醫(yī)療成像。

超快速光子檢測

每當其中一個正電子遇到體內(nèi)的電子時，它們就會相互湮滅并同時發(fā)出兩個湮滅光子。追蹤這些光子的來源和軌跡，理論上可以創(chuàng)造出被同位素標記的組織圖像。但是直到現(xiàn)在，研究人員在沒有斷層重建這一額外步驟的情況下，無法做到這一點，因為探測器的速度太慢，無法精準確定兩個光子的到達時間，然后根據(jù)它們的時間差確定它們位置。

當湮滅光子撞擊探測器時，它們會產(chǎn)生切倫科夫光子（Cherenkov photons），從而產(chǎn)生信號。研究人員想出了如何檢測這些切倫科夫光子，其平均時間精度為32皮秒。這意味著可以以4.8毫米的空間精度確定湮滅光子產(chǎn)生的位置。這種速度和精度水平，讓研究小組能夠直接從湮滅光子中產(chǎn)生放射性同位素的橫截面圖像，而不必使用斷層掃描。

研究人員描述了使用這種新技術進行的各種測試，包括在一個模仿人腦的測試對象上進行測試。研究人員非常有信心，這種程序最終可以擴展到臨床診斷所需的水平，并有可能使用較低的輻射劑量，創(chuàng)建更高質(zhì)量的圖像。用這種方法還能更快地創(chuàng)建圖像，甚至有可能在PET掃描期間實時創(chuàng)建。

PET掃描目前很昂貴，而且在某些方面有技術限制，因為目前的臨床掃描儀，無法捕捉到湮滅光子傳播時間中存在的全部信息。這項新發(fā)現(xiàn)會涉及一個緊湊的設備設置，可以使用放射性同位素對人體進行低成本、簡便和準確的掃描。

題為Ultrafast timing enables reconstruction-free positron emission imaging的相關研究論文發(fā)表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上。

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論文原文：

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00871-2

標簽： 光子探測器 醫(yī)療掃描