2022年4月5日

研究人员将天文观测技术应用于生物医学成像

卡维里宇宙物理和数学研究所的研究

据《美国科学》杂志的一篇新论文报道，研究人员开发了一种生物医学成像系统，使用了最初用于硬x射线和伽马射线空间观测的半导体探测器，并使用天文学的光谱分析方法对小动物体内的多种放射性核素进行精确成像自然生物医学工程于4月4日出版。

目前，荧光示踪剂用于在显微镜下成像样品中多个分子的分布。多种示踪剂的使用可以详细地揭示众多分子的分布。然而，当涉及到动物(包括人类)体内分子的成像时，这就变得很困难，因为人体组织吸收了大部分光线。因此，研究人员使用放射性核素作为探针，因为动物组织吸收的辐射比光学光少得多，这使他们能够获得示踪剂在体内分布的图像。

然而，目前的技术使区分两个或两个以上的核素有些困难，空间分辨率低。同时，也很难去除其他辐射源对图像造成的噪声。

为了尝试解决这一问题，由来自Kavli宇宙物理和数学研究所(Kavli IPMU)的项目助理教授Atsushi Yagishita、日本理化研究所、空间和宇航科学研究所和日本国家癌症中心的研究人员组成的合作团队在2018年启动了一个项目，将空间观测中使用的技术用于bob88体育平台登录．

他们最新的研究强调了两项成就。

该团队的成就之一是开发了一种名为IPMU的成像仪，它配备了一个具有高能量分辨率的碲化镉半导体探测器，这意味着它有能力区分不同能量的辐射，以及一个多针孔准直仪，可以实现高空间分辨率的放射性核素成像。IPMU成像仪很容易区分不同能量的辐射。

不过，还有改进的空间。IPMU成像仪不能消除所有噪声，特别是当两种放射性核素释放相似的放射性辐射时。

因此，该团队的第二个成就是使用“拟合”，一种天文学领域使用的光谱x射线分析方法。他们能够发现的是，使用这项技术可以让他们识别所有辐射的来源。这消除了噪声辐射，使仅使用来自目标核素的辐射就能获得精确的图像成为可能。

图2。设置的成像装置和插图。碲化镉半导体探测器安装在多针孔准直盒内。来源:Yagishita et al./Kavli IPMU
图3。展示了超新星残骸仙后座a观测数据的光谱拟合技术的概念图。右边的面板显示了分析后的x射线能谱(注:这是实际分析过程的简化版本，为本研究提供背景解释)。在适当的分析中，考虑x射线能谱的物理方面，并进行光谱分析以确定超新星遗迹的元素分布等。图片来源:左图:NASA/CXC/SAO。右图:Kavli IPMU
图4。该图显示了三种类型的示踪剂在鼠标中聚集的位置。锝-99m存在于耳下淋巴结，铟-111存在于下颌淋巴结，碘-125存在于甲状腺。来源:Yagishita et al./Kavli IPMU
图4b:用拟合方法识别和分离的总光谱(黑色实线)和个别光谱(彩色虚线)。黑线表示成像仪获得的数据。通过拟合将铟-111(红色)、碘-125(绿色)和锝-99m(蓝色)光谱从整体光谱中分离出来。来源:Yagishita et al./Kavli IPMU
图4c:碘-125能量窗口(26 - 29 keV)下的代表性小鼠图像。左图:除了甲状腺中的碘-125，淋巴结中的铟-111也被成像(红色箭头)。右面板:用我们的方法去除铟-111的成分。图片来源:Yagishita et al。

一旦研究人员对他们的技术有了信心，他们就开始用老鼠进行验证。实验中分别使用了三种示踪剂:锝-99m、铟-111和碘-125。这些示踪剂分别聚集在淋巴结和甲状腺。原始图像显示了来自其他辐射源的噪声和鬼影。然而，通过使用拟合技术，研究人员能够识别出不需要的辐射来源。当碘-125成像时，只有甲状腺通过消除背景噪声和鬼影，碘-125聚集的地方可以精确而精细地描绘出来。