Klinisk anvendelse af J-PET-scannerprototypen (JPET2Clinic)

Positron-emissionstomografi (PET) er i øjeblikket en af ​​de grundlæggende teknikker, der muliggør molekylær billeddannelse. Dette koncept betyder billeddannelse på niveau med biokemiske processer. J-PET-scanneren er verdens første positron-tomograf baseret på plaststrimmelscintillatorer til at måle levetiden for ortho-positronium (o-Ps) atomet. Dette er en modulær scanner, designet og installeret ved Institut for Eksperimentel Partikelfysik og Anvendelser ved Jagiellonian University i Krakow. J-PET-scanneren er baseret på teknologi patenteret i 2014 og 2016.

Nuværende PET-kameraer har en bemærkelsesværdig følsomhed, hvilket gør det muligt at detektere ændringer i kemisk koncentration så subtile som 1E-11 mol. Denne hidtil usete følsomhed giver mulighed for visualisering af metaboliske ændringer, neurotransmitterubalancer eller receptorsystemdysfunktioner på et tidligt tidspunkt, ofte før debut af kliniske symptomer i forskellige sygdomme. PET-teknikken er afhængig af radioisotoper, der udsender positroner, som er antistof-modstykker til elektroner. PET-kameraer, der har til opgave at overvåge positrondistribution, anvender detektorsystemer, der fanger den stråling, der genereres under positron-elektronudslettelse. Denne udslettelsesproces forekommer i emissionen af ​​gammastrålefotoner, som detekteres af de passende detektorarrays. Computersystemet registrerer især kun de hændelser, der samtidigt udløser to detektorer, hvilket sikrer høj rumlig opløsning og præcis anatomisk lokalisering af annihilationshændelserne. Navnlig kan positron-annihilation gå forud for dannelsen af ​​positronium, en forbigående, kvasi-stabil bundet tilstand, der omfatter en elektron og dens antipartikel, positronen. På grund af det indbyrdes arrangement af spins skelnes to tilstande af positronen.

• Når elektron- og positron-spindene er parallelle (triplettilstand ↑↑); dette arrangement kaldes ortho-positronium (o-Ps). o-Ps henfalder (annihilation forekommer) efter en gennemsnitlig vakuumlevetid på 142 nanosekunder [ns]. Annihilation producerer tre gammastrålefotoner.
• Når elektronens og positronens spins er antiparallelle (singlettilstand ↑↓) - kaldes systemet para-positronium (p-Ps). Annihilation producerer to gammastrålefotoner med en gennemsnitlig vakuumlevetid på 125 picosekunder [ps] eller 1.136 gange kortere.

Til forskel fra konventionelle PET-scannere, der anvendes til billeddiagnostik, har J-PET-scanneren tre bemærkelsesværdige funktioner:

1. Plastscintillation: I modsætning til standard PET-scannere, der bruger dyre scintillationskrystaller, bruger J-PET-scanneren plastscintillatorer, hvilket sænker omkostningerne betydeligt og gør det mere overkommeligt.
2. Modulært design: J-PETs modulære design giver mulighed for nem tilpasning, så den passer til forskellige patientstørrelser og kan udvides til en helkrops-PET-scanner. Denne fleksibilitet imødekommer en bred vifte af patientpopulationer og diagnostiske behov.
3. Positronium-biomarkør: J-PET udvider omfanget af PET-billeddannelse ved at introducere detektion og analyse af o-P'er.

Ad. 1. Konventionelle PET-scannere bruger krystaldetektorer, der registrerer gammastråler ved hjælp af den fotoelektriske effekt. Dyrere PET-scannere bruger LSO-, LYSO- eller BGO-krystaller. Nye PET-scannere bruger plastikdetektorer, der registrerer gammastråler ved hjælp af Compton-spredning. Dette giver mulighed for billigere scannere med samme eller bedre billedkvalitet.

Ad. 2. Takket være det modulære design og brugen af ​​stripscintillatorer bruges time-of-flight-parameteren (ToF) også til at forbedre billedkvaliteten eller opnå billeder af samme kvalitet i en kortere undersøgelse, fordi den reducerer støj.

Ad.3. Denne evne åbner muligheden for at bruge en ny diagnostisk biomarkør, der rummer et lovende potentiale, men som stadig er underudforsket inden for PET-teknologi. Positronium-billeddannelse anvendes kun i J-PET-scanneren. PET-teknikken bruger radioisotoper, der udsender positronstråling (beta+). Traditionelle PET-scannere afbilder fordelingen af ​​gammastrålefotoner produceret ved udslettelse af en elektron (e-) og en positron (e+). Forud for tilintetgørelsen kan der forekomme et positroniumatom, som forekommer i ca. 30-40 % af alle annihilationer, der forekommer i patientkroppen.

Arbejdshypotese:

J-PET-scanneren er baseret på teknologi, der anvender plastscintillatorer. Hvis dens kliniske anvendelighed er bevist, kan udviklingen af ​​denne billeddannelsesmetode reducere omkostningerne betydeligt og øge tilgængeligheden af ​​PET/CT-billeddannelse.

Desuden giver J-PET tomografen os mulighed for at bestemme en ny diagnostisk indikator, som er levetiden for positronium atomer.

Formålet med undersøgelsen:

Denne undersøgelse har til formål at demonstrere den kliniske gennemførlighed af PET-scannere baseret på plastscintillatorer, specifikt undersøge ydeevnen af ​​tre-foton-billeddannelse og brugen af ​​positronium som en diagnostisk biomarkør. Hvis J-PET-metoden gør det muligt at registrere fordelingen af ​​et kemisk stof, der fungerer som et radiofarmaceutikum med større nøjagtighed og - uafhængigt, er det muligt at registrere o-Ps levetid afhængigt af den biokemiske sammensætning af miljøet, hvilket er en yderligere parameter - endnu ikke brugt til medicinsk billedbehandling.