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# 健康科学 # 放射線学と画像診断

ポジトロニウム:医療画像診断の新しいツール

研究者たちは、ポジトロニウムを使って医療画像技術を進める方法を探っている。

Lorenzo Mercolli, W. M. Steinberger, H. Sari, A. Afshar-Oromieh, F. Caobelli, M. Conti, A. R. Felgosa Cardoso, C. Mingels, P. Moskal, T. Pyka, N. Rathod, R. Schepers, R. Seifert, K. Shi, E. L. Stepien, M. Viscione, A. O. Rominger

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医療画像におけるポジトロニ 医療画像におけるポジトロニ ウム 歩が、新しい診断のヒントを提供してるよ。 ポジトロニウムの寿命を測定する画期的な進
目次

ポジトロニウム(Ps)は、電子とその反対の粒子、ポジトロンがペアを成すユニークなものだ。このコンセプトは1930年代に提案されてから科学者たちを惹きつけ、1950年代に確認された。ポジトロニウムの大きな特徴は消える能力で、これは電子とポジトロンが衝突するときに起こる。この相互作用は、粒子レベルでの物質の挙動を研究するための豊かな分野を提供する。

ポジトロニウムを研究する理由

ポジトロニウムは、特に荷電粒子の相互作用を含む量子物理学の理論をテストするために研究者にとっての実験台になる。一つの主な理由は、ポジトロニウムが水素原子に見られるような一般的な粒子とは少し違った挙動をするからだ。ポジトロニウムが形成されると、電子とポジトロンのスピンに基づいて二つの状態に存在できる。これをパラポジトロニウム(Pps)とオルソポジトロニウム(OPS)と呼ぶ。二つの状態は消えるときに異なる挙動を示し、pPsは通常二つの光粒子(フォトン)に消えるのに対し、oPsは三つに分解する。

さらに、oPsはpPsよりも長く存在する。これにより、科学者たちはそれを研究する時間が得られ、特に環境との相互作用についての理解が深まる。例えば、周囲の物質と出会ったときに、生存時間の一部を失うことがある。この変化を理解することは、物質の特性を観察するのに役立つ。

実際的には、oPsの寿命を測定することは、材料科学において、特に固体中の欠陥や欠点の特定に応用の可能性があり、医療でも注目を集めている。

ポジトロン寿命分光法

ポジトロン寿命分光法(PALS)という技術は、oPsの寿命を測定する。この方法は、固体中の欠陥やポリマー中の分子の配置を含むさまざまな材料の構造に関する詳細なデータを得るのに特に役立つ。そのシンプルさと高感度から、研究で人気の選択肢になっている。

近年、医療分野ではPALSの可能性が注目されている。科学者たちは、この技術が人間の組織内の酸素レベルを測定するのに役立つかもしれないことに特に興味を持っている。これは、さまざまな医療条件を理解するために重要だ。以前の研究でも、in vitroテストで有望な結果が示されている。今、研究者たちは生体対象での測定を進めようとしている。

臨床PETスキャナーの使用

oPsの寿命測定を医療で使用する際の刺激的な側面の一つは、標準的なポジトロン放出断層法(PET)スキャナーを使って行えることだ。PETスキャナーは、特に癌のような病気を検出するために病院でよく使われている。しかし、oPsの寿命を測定することには独自の課題がある。

oPsの寿命を決定するには、研究者たちは通常の二つのフォトンに代わって、三つのフォトンが同時に検出されるイベントを特定する必要がある。これは簡単な作業ではなく、通常のPETスキャナーの操作方法を変更する必要がある。一部の新しいPETスキャナーモデルでは、このプロセスを円滑にするために高度な技術が実装されている。

測定における課題

信頼できる測定を得るために十分な三フォトンイベントを収集することは、依然として大きな課題だ。従来のPALSは、長い観察時間を可能にする安定した放射性源を使用しているが、臨床設定で一般的に使用される多くの放射性核種は短い寿命を持つか、より少ないフォトンを放出するため、必要なデータを集めるのが難しい。

この問題に対処するために、研究者たちはより長い視野を持つ特別なPETシステムを検討している。こうしたシステムは最近、臨床実践に導入されており、測定中の感度向上において期待が寄せられている。

測定における最近の進展

最近の研究では、ライブ被験者を使用した高度なPETスキャナーを用いてoPsの寿命を測定することが可能であることが示された。標準的な放射性医薬品を投与された患者からデータが収集された。目的は、さまざまな臓器におけるoPsの寿命を決定する方法を開発することだ。

データは特定の設定で収集される。異なる物質の混合物が被験者に投与され、これによりさまざまな臓器でoPsの寿命を測定できる。これは、異なる環境や条件がポジトロニウムの寿命にどのように影響するかを理解するのに重要だ。

実験を理解する

最近の研究では、特定の医療条件を持つ患者や健康なボランティアを含む数人がPETスキャナーを使用してスキャンを受けた。彼らは、崩壊時にフォトンを放出する特定の放射性化合物の投与を受けた。スキャンは、標準の二フォトンモードと特別な三フォトンモードの両方で実施された。

oPsの寿命測定のためにターゲットとされた臓器には、腎臓、肝臓、肺が含まれる。各臓器の構造はポジトロニウムの挙動に影響を与える可能性があるため、寿命の結果は大きく異なることがある。

同時に、血液サンプルも収集され、異なる文脈でのoPsの寿命を評価するために調査された。これは重要で、血液の組成が測定結果に大きな影響を与える可能性がある。

データ収集と分析

データを分析するために、高度なアルゴリズムが収集したPETスキャンからの情報を処理するのに使用される。これは、三フォトン検出の基準を満たす特定のイベントを選択し、これらのフォトン間の時間差を判断することを含む。

研究者たちは統計モデルを利用して収集データを解剖し、基本的なプロセスを詳細に理解することを可能にする。これらのモデルをデータにフィットさせることで、oPsの寿命やその影響に関する有意義な情報を得ることができる。

結果は、oPsの寿命が周囲の物質の特定の条件に大きく依存していることを示し、特定のパターンが異なるタイプの組織に関連付けられる可能性がある。

結果とその意義

測定されたoPsの寿命は、さまざまな臓器間で顕著な違いがあることを示している。これは、ポジトロニウムの挙動が医療条件、特に組織の酸素レベルに関連する診断マーカーとして機能するかもしれないことを示唆している。

oPsの寿命が異なる環境でどのように変化するかを説明できる能力は、さらなる研究や臨床での応用のためのエキサイティングな可能性を開く。これらの発見は、診断技術の改善や病気の根本的な生物学の理解に役立つ可能性を秘めている。

今後の方向性

測定技術を洗練させる努力を続けることは、oPsの寿命測定の可能性を最大限引き出すために不可欠だ。目標は、既存の医療画像技術を利用してプロセスを合理化し、結果の精度を向上させることだ。

研究が進むにつれて、研究者たちはさまざまな医療文脈におけるoPsの寿命の影響をよりよく理解することを目指している。この理解は、病気の進行をモニタリングしたり、治療の効果を評価したりする新しい方法につながるかもしれない。

さらに、より高いフォトン放出率を持つ異なる放射性核種を探求し、患者の結果を改善することで、これらの測定の実現可能性を向上させることができる。高度な画像技術の統合も、医療におけるPALSの応用を拡大する上で重要な役割を果たすだろう。

結論

ポジトロニウムは、物理学と医療画像の領域で貴重なツールとなっている。その特性や挙動を研究することで、物質構造の理解や臨床実践の進展に向けた新しい可能性が開かれる。進行中の研究がoPsの寿命測定の潜在的な利点について明らかにするにつれて、この分野の未来は有望だ。物理学、生物学、そして医療画像の組み合わせは、患者ケアや病気の診断における重要なブレークスルーにつながる可能性がある。

オリジナルソース

タイトル: In Vivo Positronium Lifetime Measurements with a Long Axial Field-of-View PET/CT

概要: PurposeThe lifetime of orthopositronium (oPs), a spin triplet of an electron and positron, depends on the molecular structure of the surrounding tissue. Therefore, measuring oPs lifetime could in principle provide diagnostic information about the tissue microenvironment that goes beyond standard positron emission tomography (PET) imaging. This study demonstrates that in vivo oPs lifetime measurement is feasible with a commercial long axial field-of-view (LAFOV) PET/CT scanner. MethodsThree subjects received a dose of 148.8 MBq [68Ga]-Ga-DOTA-TOC, 159.7 MBq [68Ga]Ga-PSMA-617 and 420.7 MBq [82Rb]Cl. In addition to the standard protocol, the three subjects were scanned for 20, 40 and 10 minutes with a single-crystal interaction acquisition mode on a Biograph Vision Quadra (Siemens Healthineers) PET/CT. Three-photon events, that include two annihilation photons and a prompt photon from the decay of the radionuclide, are then selected from the list mode data based on energy, time and spatial selection criteria using a prototype software. The spatial location of the annihilation events is reconstructed using the annihilation photons time-of-flight. Through a Bayesian fit to the measured time difference between the annihilation and the prompt photons, we are able to determine the oPs lifetime for selected organs. The Bayesian fitting methodology is extended to a hierarchical model in order to investigate possible common oPs lifetime distributions of the heart chambers in the [82Rb]Cl scan. ResultsFrom the segmentation of the subjects histoimages of three-photon events, we present the highest density intervals (HDI) of the oPs lifetimes marginalized posterior distribution for selected organs. Interestingly, the mean values of the right heart chambers were higher than in the left heart chambers of the subject that received [82Rb]Cl: the 68% HDI of the atria are [1.15 ns, 1.72 ns] (left) and [1.46 ns, 1.99 ns] (right) with mean values 1.50 ns and 1.76 ns, respectively. For the ventricles we obtained [1.22 ns, 1.60 ns] (left) and [1.69 ns, 2.18 ns] (right) with mean values 1.44 ns and 1.96 ns. This might signal the different oxygenation levels of venous and arterial blood. Fitting a hierarchical model, we found that the oPs lifetime for volumes-of-interest with arterial blood can be sampled form a posterior distribution with a 68% HDI of [1.4 ns, 1.84 ns] (mean 1.62 ns) and while those containing venous blood have a HDI of [1.78 ns, 2.21 ns] (mean 2.0 ns). Through arterial and venous blood sampling, we were unable to confirm such a difference in the oPs lifetime. ConclusionIn vivo oPs lifetime measurements on a commercial LAFOV PET/CT system are feasible at the organ level with an unprecedented level of statistical power. Nevertheless, count statistics of three-photon events (especially for 68Ga-based measurements) and the interpretation of oPs lifetimes in human tissue remain major challenges that need to be addressed in future studies.

著者: Lorenzo Mercolli, W. M. Steinberger, H. Sari, A. Afshar-Oromieh, F. Caobelli, M. Conti, A. R. Felgosa Cardoso, C. Mingels, P. Moskal, T. Pyka, N. Rathod, R. Schepers, R. Seifert, K. Shi, E. L. Stepien, M. Viscione, A. O. Rominger

最終更新: 2024-10-22 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.10.19.24315509

ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2024.10.19.24315509.full.pdf

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

オープンアクセスの相互運用性を利用させていただいた medrxiv に感謝します。

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