Ultrafast timing enables reconstruction-free positron emission imaging.
Ultrafast timing enables reconstruction-free positron emission imaging.
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DOI：
10.1038/s41566-021-00871-2
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发表时间：
2021-12
期刊：
影响因子：
35
通讯作者：
Cherry, Simon R.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Kwon, Sun Il;Ota, Ryosuke;Berg, Eric;Hashimoto, Fumio;Nakajima, Kyohei;Ogawa, Izumi;Tamagawa, Yoichi;Omura, Tomohide;Hasegawa, Tomoyuki;Cherry, Simon R.
x射线和伽马射线光子广泛用于成像，但需要一个数学重建步骤，即断层扫描，从测量数据中产生横截面图像。理论上，利用飞行时间信息可以直接在三维空间中定位正电子湮灭产生的背对背湮灭光子，无需层析成像重建。然而，由于现有辐射探测器的定时性能不足，这一点尚未得到证实。在这里，我们开发了基于检测提示切伦科夫光子的技术，当与卷积神经网络相结合进行定时估计时，平均定时精度为32皮秒，对应于4.8 mm的空间精度。我们证明这足以直接从检测到的重合湮灭光子产生正电子发射放射性核素的横截面图像，而无需使用任何层析重建算法。这里演示的无重建成像直接定位了正电子发射，并将成像系统的设计从通常存在于层析成像重建的几何和采样限制中解放出来。
X-ray and gamma-ray photons are widely used for imaging but require a mathematical reconstruction step, known as tomography, to produce cross-sectional images from the measured data. Theoretically, the back-to-back annihilation photons produced by positron-electron annihilation can be directly localized in three-dimensional space using time-of-flight information without tomographic reconstruction. However, this has not yet been demonstrated due to the insufficient timing performance of available radiation detectors. Here, we develop techniques based on detecting prompt Cerenkov photons, which when combined with a convolutional neural network for timing estimation resulted in an average timing precision of 32 picoseconds, corresponding to a spatial precision of 4.8 mm. We show this is sufficient to produce cross-sectional images of a positron-emitting radionuclide directly from the detected coincident annihilation photons, without using any tomographic reconstruction algorithm. The reconstruction-free imaging demonstrated here directly localizes positron emission, and frees the design of an imaging system from the geometric and sampling constraints that normally present for tomographic reconstruction.
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