超快正电子发射断层扫描（PET）成像技术是一种重要的临床前研究工具，用于实时可视化活体动物的功能信息。然而，目前小动物PET扫描仪的时间分辨率在秒级范围内，这使得它无法捕捉心脏血流或追踪大脑神经元活动的快速变化。为解决这一问题，日本量子科学技术研究开发机构（QST）的影像物理学团队开发了一款超灵敏的小动物PET扫描仪，实现了亚秒级动态成像。
传统临床前PET扫描仪的时间分辨率较低（约10%），主要受限于较薄的探测晶体（10毫米）和较短的轴向视野（FOV）。因此，QST团队设计了一种基于四层深度编码探测器的系统，晶体总厚度达到30毫米。该扫描仪具有325.6毫米的轴向视野，可在无需移动床的情况下覆盖全身，而155毫米的小内径进一步提高了探测效率。
“全身小动物PET（TBS-PET）扫描仪的主要应用将是评估新型放射性药物，特别是在心血管和神经退行性疾病领域，通过亚秒级时间分辨率的全身啮齿类PET图像提供支持。”论文第一作者韩奎康（Han Gyu Kang）告诉《物理世界》（Physics World）。“此外，该扫描仪还将用于束中PET成像和单细胞追踪，这些领域需要极高的灵敏度。”
性能评估
TBS-PET扫描仪包含六个探测器环，每个环由十个深度交互（DOI）探测器组成。每个DOI探测器由一个四层掺锆硅酸钆（GSOZ）晶体阵列（每层16×16个晶体）和一个多阳极光电倍增管阵列构成。研究人员选择GSOZ晶体是因为它们没有本征辐射信号，从而能够实现低活性的PET成像。
研究团队进行了一系列测试以评估扫描仪性能。通过对视场中心的68Ge线源进行测量，结果显示TBS-PET的能量分辨率为18.4%，符合时间分辨率为7.9纳秒。
使用NEMA 22Na点源成像后，发现其在250–750 keV能量窗口内的峰值灵敏度为45.0%，是商业或实验室小动物PET扫描仪的四倍以上。得益于四层DOI信息，系统在整个视场内展现出约2.6毫米的均匀空间分辨率，有效减少了视差误差。
活体成像
韩奎康及其同事利用单一床位位置获得了健康大鼠的全身PET活体成像。通过静态成像，分别使用Na18F和18F-FDG示踪剂清晰地展示了大鼠全身的骨骼结构和葡萄糖代谢情况。
在动态成像实验中，研究人员通过尾静脉给麻醉大鼠注射15秒的18F-FDG团注，随后在注射后15秒注入生理盐水。他们以每秒一次的频率采集了注射后27秒内的早期动态PET数据。为了实现亚秒级PET成像，研究团队使用自定义软件将列表模式数据（1秒时间帧）细分为0.5秒、0.25秒和0.1秒的时间帧。
以0.5秒为时间帧的动态PET图像清晰地显示了注射后前2秒内血液从尾部经髂静脉和下腔静脉流向心脏的过程，随后示踪剂到达右心房和右心室。注射后4.0秒，血液从左心室通过颈动脉流入大脑。注射后5.5秒，皮质和肾脏被清晰识别。大约17.5秒后，时间-活性曲线（TACs）中可以观察到盐水峰。
心脏与肺循环的早期成像
在0.25秒的时间分辨率下，早期图像可视化了大鼠心脏的第一轮血液循环，显示18F-FDG团注从下腔静脉流向右心室（2.25秒）。示踪剂随后通过肺动脉进入肺部（2.5秒），并在3.75秒时流向左心室。
TACs清楚地显示了左右心室之间的时间延迟（1.25秒）。这一数值可能因心脏病动物模型而改变，研究团队计划探索快速时间分辨率PET在诊断心血管和神经退行性疾病中的潜在优势。
研究人员认为，TBS-PET扫描仪实现了接近实时帧率的动态成像，能够以0.25秒的时间分辨率可视化大鼠的心脏功能和肺循环，这是传统小动物PET扫描仪无法实现的。
“TBS-PET扫描仪的一个缺点是空间分辨率相对较低，约为2.6毫米，这受到2.85毫米较大晶体间距的限制。”韩奎康表示，“为解决这一问题，我们正在开发一种新的小动物PET扫描仪，采用三层深度编码探测器，晶体间距为0.8毫米，最终目标是在啮齿类动物模型中实现亚毫米和亚秒级时间分辨率的PET成像。”
关于TBS-PET扫描仪的详细描述已发表于《医学与生物学物理》（Physics in Medicine & Biology）。
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