正电子素成像：从基础物理到临床转化的革命性突破

《IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences》：Positronium Imaging: History, Current Status, and Future Perspectives

本文系统回顾了正电子素成像(PsI)这一新兴医学影像技术，重点探讨了通过正电子发射断层扫描(PET)实现正电子素寿命成像(τPs)的临床转化前景。研究团队开发了专用J-PET扫描仪并改造商用PET系统，首次实现了人体活体正电子素寿命图像，证实了正电子素寿命在肿瘤组织与健康组织间的显著差异及其对缺氧状态的敏感性。这项技术为无创获取组织纳米结构信息提供了新途径，有望实现对疾病分子水平变化的早期诊断。

　　

在医学影像领域，正电子发射断层扫描(PET)已成为肿瘤诊断和疗效评估的重要工具。传统PET主要基于放射性示踪剂的代谢分布来生成图像，但这种方法无法提供组织在分子和纳米尺度的结构信息。正是在这一背景下，正电子素成像(Positronium Imaging)这一全新概念应运而生。

正电子素是正电子和电子形成的亚稳态原子，其在生物组织中的寿命(τ_oPs)与组织的纳米级空隙大小、氧浓度等微观环境因素密切相关。这意味着通过测量正电子素寿命，我们可能获得传统影像学无法提供的组织微环境信息，为早期疾病诊断开辟全新途径。然而，实现这一目标面临巨大技术挑战：需要同时探测湮灭光子和瞬发伽马光子，并开发专用的成像算法。

研究团队在这一领域取得了突破性进展。他们首先开发了专用的Jagiellonian正电子发射断层扫描(J-PET)仪，该仪器采用塑料闪烁体和无触发数据采集系统，能够同时记录多个光子事件。利用这一设备，团队在2021年首次实现了离体心脏粘液瘤和脂肪组织的正电子素寿命成像，发现两者间存在约800皮秒的显著差异。这一发现激励团队向活体人体研究迈进。

2024年，研究实现了重要里程碑——首次获得人体活体正电子素寿命图像。研究对脑胶质瘤患者使用⁶⁸Ga标记的放射性药物，通过J-PET扫描仪成功获得了大脑中正电子素寿命的分布图像。结果显示，胶质瘤组织的正电子素寿命(1.77±0.58 ns)显著短于健康脑组织(2.72±0.72 ns)，这一发现与离体研究结果一致，证实了正电子素成像在活体应用的可行性。

与此同时，研究团队还致力于将正电子素成像技术适配到商用PET系统。他们在Biograph Vision Quadra和PennPET Explorer等长轴向视野(LAFOV)PET扫描仪上成功进行了正电子素寿命测量，并使用⁸²Rb-Chloride观察到左右心室内正电子素寿命的差异，这与血液氧合水平的差异相符，进一步验证了正电子素作为缺氧生物标志物的潜力。

在技术方法方面，研究主要依托多光子符合探测技术、专用J-PET扫描系统以及迭代重建算法。J-PET采用塑料闪烁体探测器和无触发数据采集系统，能够同时记录湮灭光子和瞬发伽马。迭代重建方法如SPLIT(Statistical Positronium Lifetime Image reconstruction via time-thresholding)和SIMPLE(Statistical image reconstruction of positronium lifetime by time weighting)有效提升了图像分辨率和信噪比。研究还建立了基于石英玻璃和聚碳酸酯的标准样品验证体系，确保测量结果的可靠性。人体研究经伦理审查批准，脑胶质瘤患者样本来自华沙医科大学。

正电子素作为诊断参数的研究结果

通过系统研究不同组织中正电子素寿命的差异，发现正电子素寿命(τ_oPs)在1.4-2.9纳秒范围内变化，具体取决于组织类型。心脏粘液瘤与脂肪组织间的差异达800皮秒，而健康与癌变细胞间的差异约为50皮秒，表明正电子素对组织纳米级结构变化具有高度敏感性。

正电子素寿命成像方法的研究结果

开发了基于三重符合探测的技术方案，即同时探测两个511keV湮灭光子和一个瞬发伽马光子。通过直接重建法和迭代算法(如ML、PML、SPLIT)，实现了从时间差分布中提取τ_oPs、τ_e⁺等参数，空间分辨率可达4毫米。

放射性核素和配体的研究结果

评估了多种β⁺γ放射性核素的适用性，其中⁴⁴Sc因100%的瞬发伽马分支比和2.6皮秒的平均退激时间成为最具前景的核素。⁶⁸Ga、⁸²Rb和¹²⁴I等临床常用核素也已成功应用于正电子素寿命测量。

首个人体直接正电子素寿命图像的研究结果

使用J-PET扫描仪获得的首个活体正电子素寿命图像显示，胶质瘤、唾液腺和健康脑组织的τ_oPs存在显著差异，分别为1.77±0.58 ns、2.44±0.46 ns和2.72±0.72 ns，证实了正电子素成像在区分病变与正常组织方面的潜力。

迭代重建方法的研究结果

开发的SPLIT和SIMPLE等迭代算法显著提升了图像质量，相比直接飞行时间(TOF)方法，在保持计算效率的同时提高了空间分辨率和信噪比。

临床扫描仪验证的研究结果

在Biograph Vision Quadra上使用标准样品进行的验证实验表明，石英玻璃的τ_oPs测量值为1.58±0.07 ns(⁶⁸Ga)和1.62±0.01 ns(¹²⁴I)，与标准值高度一致，证明了临床PET系统进行正电子素寿命测量的可行性。

长轴向视野PET系统灵敏度的研究结果

模拟研究表明，LAFOV PET系统的正电子素成像灵敏度可比模块化J-PET提高100倍以上，其中LYSO晶体基系统在250厘米视野下的增益接近600倍，为临床应用奠定了基础。

研究结论表明，正电子素成像技术已从概念验证阶段进入临床转化初期。通过专用J-PET扫描仪和改造的商用PET系统，首次实现了人体活体正电子素寿命成像，证实了其在区分肿瘤与正常组织、评估组织缺氧状态方面的潜力。尽管仍面临灵敏度、标准化等挑战，但随着LAFOV PET系统的普及和⁴⁴Sc等优化核素的应用，正电子素成像有望为临床提供独特的纳米尺度组织信息，实现真正的"虚拟活检"。

这项研究的重要意义在于开辟了医学影像学的新维度，将诊断从传统的形态学和代谢水平延伸至分子纳米结构水平。正电子素成像不仅有望提升肿瘤诊断的准确性，还可能为神经退行性疾病、心血管疾病等提供新的诊断思路，推动个性化医疗的发展。随着技术的不断完善和临床验证的深入，正电子素成像有望成为未来精准医疗的重要工具。