东京大学与约克大学首次验证正电子素比率成像原理

东京大学大学院工学系研究科与英国约克大学研究团队建立了一种利用正电子三光子衰变的新型几何成像原理，并借助闪烁体和硅光电倍增管(SiPM)构成的伽马射线测量系统，以及现有PET放射性药物^{^18}F-FDG，首次实现了正电子素三光子衰变比率的图像化，完成了正电子素比率成像(PRI：Positronium Ratio Imaging)的原理验证。相关成果发表于《Communications Physics》。

目前临床核医学PET检查主要利用正电子与电子发生双光子湮灭时产生的伽马射线，显示药物在体内的集积情况。这一方法能够提供代谢或药物摄取等定量信息，但对组织缺氧等与疾病恶性程度相关的微环境信息反映有限。近年来，研究人员尝试通过正电子湮灭过程中形成的正电子素平均寿命来获取更多组织信息，但该方法通常需要引入特殊核素或药剂，限制了实际应用。

三光子成像原理图

当水和多孔材料(XAD-4)与¹⁸F -FDG 混合时成像结果

此次研究将重点放在正电子素三光子衰变与双光子衰变的比率上。研究团队利用三光子衰变所满足的能量和动量守恒关系中的几何对称性，将原本复杂的图像重建问题简化为可解析处理的二次方程。同时，团队开发了与临床PET设备具有兼容性的探测系统，采用高能量分辨率HR-GAGG闪烁体阵列和SiPM光探测器阵列，以满足三光子成像对探测性能的要求。

在实验中，研究人员将水和多孔材料XAD-4分别与^{^18}F-FDG混合并进行成像。结果显示，多孔材料中的正电子素比率显著提高，验证了PRI技术区分不同微环境的能力。研究团队表示，这一成果表明，在不开发新型PET药物的情况下，也有可能利用现有临床PET药剂获得更高层次的组织微环境信息。

PRI技术的潜在应用包括无创观察生物体或材料内部的空隙大小、缺氧状态等微环境特征。尤其在肿瘤诊疗中，组织缺氧与癌症恶性程度和治疗耐受性密切相关，若能实现定量评估，有望帮助更早制定合适的治疗方案。该技术也被认为可能服务于阿尔茨海默病等疾病的早期研究和诊断探索。

此外，研究团队认为，PRI与核医学领域正在发展的治疗诊断一体化技术具有较高兼容性。例如，结合铜-64(^64Cu)等兼具诊断和治疗特性的核素，可在开展PET成像和PRI评估的同时，对肿瘤代谢与缺氧环境进行量化，为个体化治疗提供更多依据。