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为解决术中 PET 设备阻碍手术问题，研究人员研发 Scratch-PET，其可实现 3D 成像，有可视化小肿瘤潜力。
一、研究背景
在肿瘤治疗的 “战场” 上，精准定位肿瘤组织如同精准打击敌人的堡垒，是提高治疗效果的关键。手术切除是治疗许多恶性肿瘤的主要手段，彻底清除肿瘤组织对提升治愈率和患者术后生存率至关重要。然而，要在复杂的人体组织中精准找到肿瘤并非易事，多切除正常组织会增加患者身体负担，而少切除又可能导致肿瘤残留复发。
目前，多种成像技术被用于术中定位肿瘤组织。荧光成像凭借高空间分辨率在评估肿瘤切除边缘方面发挥了一定作用，它就像给肿瘤打上了特殊的 “荧光标记”，当外部光激发时，肿瘤组织会发出荧光，方便医生识别。但荧光成像也有 “致命弱点”，生物组织对荧光的吸收较强，其最大穿透深度仅约 5 - 10mm，这使得深藏在体内的肿瘤难以被发现，就像被重重迷雾遮挡一样。
核医学技术中的 PET，利用像18F - 氟脱氧葡萄糖（18F - FDG）这样的放射性示踪剂，能够检测肿瘤组织，它就像给肿瘤戴上了一个能发射信号的 “定位器”。不过，传统 PET 设备存在不少问题。常规 PET 设备的大型探测器环会在手术中占据大量空间，阻碍手术操作，就像在手术区域设置了重重障碍，让医生的操作施展不开；一些改进型设备，如 OpenPET 和安装在机械臂上的探测器，虽然在一定程度上解决了部分问题，但设备体积大，依旧影响手术器械进入手术视野；腹腔镜型系统虽然相对紧凑，但探测器尺寸受腹腔镜套管内径限制，导致视野和探测器灵敏度受限，而且设备插入体内后，体内非视野区域积累的放射性会增加随机符合事件，降低图像质量，就像干扰了 “定位器” 的信号，让肿瘤的位置显示变得模糊不清。
为了突破这些困境，来自日本千叶大学（Chiba University）和日本量子科学技术国立研究所（National Institutes for Quantum Science and Technology，QST）等机构的研究人员开展了一项极具创新性的研究，致力于研发一种新型的术中 PET 设备，相关研究成果发表在《Radiological Physics and Technology》上。
二、研究方法
研究人员提出了 Scratch - PET 这一全新概念，它就像是给手术中的 PET 成像带来了一张 “神奇卡片”。其关键在于使用手持探测器扫描手术区域，同时结合放置在患者下方的固定探测器阵列来测量湮灭辐射。这一设计既保证了手术空间的开阔，又能实现对肿瘤的精准成像。
在设备方面，研究人员打造了一款原型装置。该装置由 PET 探测器、位置跟踪系统和工作站组成。其中，PET 探测器包含手持探测器和固定探测器，它们均采用时间飞行（TOF） - PET 探测器模块，由 16×16 阵列的硅酸钇镥（LYSO）晶体（3×3×15mm3）与 16×16 阵列的硅光电倍增管（SiPM）一一耦合而成。手持探测器大小为 54×54×143mm3 ，重 466g。位置跟踪系统通过光学跟踪传感器来测量手持探测器上光学标记的位置，进而确定手持探测器的位置和方向。工作站则负责数据采集和图像重建。
在图像重建方法上，研究人员采用列表模式 TOF 3D 动态行作用最大似然算法（LM - TOF - 3D - DRAMA），并引入运动校正技术，以适应探测器位置的变化。为了降低计算成本，他们对图像进行了下采样处理，再通过三线性插值恢复图像分辨率。
研究人员进行了一系列实验。使用22Na 填充的多棒体模和两个22Na 点源分别进行测量。在测量过程中，对比了手持探测器手动移动和固定两种几何构型下的成像效果。实验中，光学跟踪传感器以每秒 20 帧的频率测量手持探测器的位置，数据采集时间为 180 秒，图像重建间隔为 10 秒。
三、研究结果
在探测器性能方面，手持探测器对 511keV 辐射的能量分辨率为 13.5% 半高宽（FWHM），固定探测器为 14.7% FWHM。经过定时校准后，探测器对的 TOF 分辨率从 1002ps FWHM 提升到了 348ps FWHM。
在成像实验中，当手持探测器手动移动时，其扫描轨迹不规则，但位置和方向能被连续准确测量。重建过程在手持探测器抬起 24 秒后开始，每次重建计算时间小于 2 秒，比 10 秒的重建间隔短，这使得图像能够持续显示。
对于多棒体模成像，所有直径大于 3.0mm 的棒都能被分辨，直径大于 2.2mm 的棒部分可分辨。使用 TOF 信息后，垂直平面上的条纹伪影减少。对于点源成像，当手持探测器移动时，能可视化位于视野中心和偏离中心 35mm 处的点源；而手持探测器固定时，偏离中心 35mm 处的点源因超出探测器敏感区域无法被可视化。并且，移动手持探测器时，视野中心的空间分辨率比固定时稍差，但偏离中心 35mm 处垂直方向的空间分辨率更好。
四、研究结论与讨论
研究人员成功展示了使用移动手持探测器的 PET 成像，该原型装置虽小，但在水平平面的空间分辨率优于临床全身 PET 系统，这意味着它在术中可视化全身 PET 图像中出现的小肿瘤具有潜力。移动手持探测器能够扩大敏感区域，使原本在固定探测器时位于敏感区域外的点源得以可视化。
不过，该研究也存在一些局限性。例如，图像重建方法仅计算了系统灵敏度的几何因子，需要进一步开发归一化方法来增强视野内系统灵敏度的均匀性；重建图像中的伪影可能由低灵敏度区域的响应线（LORs）和手持探测器进入重建视野导致的灵敏度校正误差引起，未来需要通过扩大手持探测器扫描范围、改进探测器 TOF 分辨率等方法来减少伪影。
此外，该研究仅测量了简单体模，在实际场景中，还需考虑肿瘤与背景活动的对比度、湮灭辐射的衰减和散射以及放射性强度随注射时间的变化等因素。研究人员通过初步的对比体模成像模拟发现，Scratch - PET 有望可视化直径大于 6.0mm 的肿瘤。未来，他们将使用人体体模在更接近实际手术的条件下进一步研究 Scratch - PET 的肿瘤成像性能。
总的来说，Scratch - PET 不仅在术中肿瘤成像方面展现出了潜力，还有望用于活检引导，为肿瘤治疗提供更精准的定位信息，为医生在肿瘤治疗的 “战场” 上提供更强大的 “武器”，推动肿瘤治疗技术向更精准、更高效的方向发展。
