Exploring concepts in nanophotonics and metamaterials to create a 'super-scintillator' for time-of-flight positron emission tomography

探索纳米光子学和超材料概念,创建用于飞行时间正电子发射断层扫描的“超级闪烁体”

基本信息

  • 批准号:
    10685592
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 19.68万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-08-17 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Abstract Positron emission tomography (PET) is a standard of care to molecularly characterize cancer and heart disease. It is also a well-used research tool to visualize and quantify molecular pathways of disease in neurological disorders. We propose to develop a metamaterial to create a “super-scintillator” for time-of-flight (ToF) PET. If successful, this technology will substantially enhance the image quality and quantitative accuracy of PET and open new roles for the modality in the management of disease. PET employs a radiolabeled molecular contrast agent that is injected into the patient to probe the biological mechanisms of disease. This tracer accumulates in the cells that express certain molecular signatures, enabling 3-dimensional visualization and quantification of disease biomarkers. The tracer molecule is labeled by a positron emitter that for every decay results in the emission of two oppositely directed 511 kilo-electron-volt (keV) annihilation photons. ToF-PET uses the arrival time difference between the two photons in each pair to more accurately position the emission location along PET system detector response lines, enhancing the reconstructed image signal-to-noise ratio (RISNR). RISNR is an image quality metric that strongly correlates with lesion detection sensitivity and accuracy. The more precise this time difference measurement, known as the coincidence time resolution (CTR), the better the RISNR. Any boosts in RISNR can also be employed to reduce injected radioactive dose or scanning duration, increasing patient safety or throughput in the clinic, respectively. The long-term goal for the proposed new scintillation technology is <10 picosecond (ps) CTR, which is over 20-fold better than the best CTR (214 ps) achieved for a state-of-the-art clinical ToF-PET system, enabling ~5-fold higher RISNR or ~25-fold lower injected dose or scan time compared to that system. If successful, this capability would enable new applications for PET. Current PET systems employ scintillation crystals, which are materials that convert 511 keV photon interactions in the crystal into flashes of visible light. We propose to use nanophotonic techniques to create a metamaterial “super” scintillator with vastly shorter rise time and decay time and greater light yield than all known PET scintillators, enabling the >20-fold reduction in CTR proposed. The emergence of nanophotonics and metamaterials has revolutionized photonics. Nanostructured materials provide considerable control over internal electromagnetic fields, enabling highly unusual optical properties not found in standard materials. This exciting investigation will have tremendous impact by both introducing a new technology, metamaterials, to the field of biomedical imaging, and by achieving breakthrough performance levels in PET imaging, that, if successful, will greatly expand PET’s capabilities for characterizing disease, as well as enable new roles for PET in disease management.
抽象的 正电子发射断层扫描 (PET) 是从分子角度表征癌症和心脏病的护理标准。 它也是一种常用的研究工具,可可视化和量化神经系统疾病的分子途径 我们建议开发一种超材料来制造用于飞行时间 (ToF) PET 的“超级闪烁体”。 该技术的成功,将大幅提高 PET 和 PET 的图像质量和定量精度。 PET 采用放射性标记分子对比技术,为疾病治疗模式开辟了新的角色。 注射到患者体内以探测疾病的生物学机制的试剂在体内积聚。 表达某些分子特征的细胞,可实现 3 维可视化和量化 示踪分子由正电子发射体标记,每次衰变都会产生 ToF-PET 发射两个方向相反的 511 千电子伏 (keV) 湮灭光子。 每对中两个光子之间的时间差,可以更准确地定位发射位置 PET 系统探测器响应线,增强重建图像信噪比 (RISNR)。 是一种图像质量指标,与病变检测的灵敏度和准确性密切相关。 这种时间差测量,称为符合时间分辨率(CTR),RISNR 越好。 RISNR 的增强还可用于减少注射放射性剂量或扫描持续时间,从而增加 分别是患者安全或临床吞吐量所提议的新闪烁的长期目标。 技术的 CTR <10 皮秒 (ps),比最佳 CTR (214 ps) 好 20 倍以上 最先进的临床 ToF-PET 系统,可实现约 5 倍的 RISNR 提高或约 25 倍的注射剂量或扫描降低 如果成功,该功能将为当前的 PET 带来新的应用。 系统采用闪烁晶体,这种材料可以在晶体中转换 511 keV 光子相互作用 我们建议使用纳米光子技术来创造一种超材料“超级”。 与所有已知的 PET 闪烁体相比,闪烁体具有更短的上升时间和衰减时间以及更高的光输出, 纳米光子学和超材料的出现使得 CTR 降低了 20 倍以上。 革命性的光子学提供了对内部电磁的相当大的控制。 领域,实现标准材料中未发现的非常不寻常的光学特性。 通过将超材料这一新技术引入生物医学成像领域,产生了巨大的影响, 通过在 PET 成像领域实现突破性的性能水平,如果成功,将极大地扩展 PET 的应用范围 描述疾病特征的能力,以及使 PET 在疾病管理中发挥新作用。

项目成果

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