编辑推荐：
在植物成像中，正电子发射断层扫描（PET）的准确性受正电子射程效应影响。研究人员利用 GATE 蒙特卡罗模拟工具开展相关研究。结果显示模拟模型有效，磁场应用可改善成像。该研究为 PET 成像提供新方法，助力植物科学研究。
在植物科学研究领域，深入探究植物生理过程对揭示植物生长奥秘、优化农业生产意义重大。正电子发射断层扫描（PET）技术作为一种先进的成像手段，能从分子水平对植物体内的生理活动进行可视化研究，在植物科学领域展现出独特价值，例如研究植物体内的水分运输、糖分代谢以及二氧化碳的吸收与转化等过程。然而，PET 技术在植物成像应用中面临着一个关键挑战 —— 正电子射程效应。在植物成像时，正电子在植物组织中运动并与电子相互作用，直至湮灭产生两个伽马光子，被 PET 扫描仪检测到。但 PET 扫描仪记录的是正电子湮灭的位置，而非其初始发射点，这之间的距离就是正电子射程。由于植物组织的结构和成分与传统 PET 成像研究的人体组织差异巨大，不同植物组织的密度、原子组成不同，这使得正电子在其中的射程变化复杂，进而严重影响了 PET 成像的准确性和对植物生理过程定量分析的可靠性，导致研究结果出现偏差。因此，如何有效校正正电子射程效应，提升 PET 在植物成像中的精度，成为植物科学研究亟待解决的问题。
为了解决这一难题，来自 Mohammed VI Polytechnic University 的研究人员 Rahal Saaidi、Yahya Tayalati 和 Abdelouahed Elfatimy 展开了深入研究。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》上，为植物成像领域带来了新的突破。
研究人员主要运用了以下关键技术方法：
- GATE 蒙特卡罗模拟技术：借助 GATE V9.0 平台进行电离辐射传输的蒙特卡罗模拟，重点关注 511 keV 湮灭光子。该模拟考虑了探测器基于 LSO 闪烁晶体的设计（包括单片和像素化设计）以及数字化链的符合模式，并依据实验测量获取响应参数，涵盖空间、时间和能量分辨率。
- NEMA NU 2 - 2018 协议验证：严格按照 NEMA NU 2 - 2018 协议对 GATE V9.0 模拟进行验证，通过与实验数据直接对比，评估模拟模型在关键指标（如灵敏度、散射分数、噪声等效计数率等）上的表现，确保模拟结果的可靠性。
- 构建植物模型与多因素分析：设计并构建了包含不同原子组成、密度的植物模型，系统分析原子组成、放射性示踪剂（如18F、11C、15O和30P 等）、植物密度等因素对重建图像质量和对比度的影响。同时，研究在不同磁场强度下正电子射程的变化，探究磁场对植物 PET 成像的作用。
下面来看看具体的研究结果：
- Siemens biograph vision PET/CT 系统验证：依据 NEMA 协议对 Biograph Vision Pixelated 晶体进行全面验证，详细计算并分析了灵敏度、散射分数和噪声等效计数率（NECR）等关键指标。结果显示，模拟值与实验数据高度吻合，灵敏度差异低于 9%，NECR 峰值差异在 3% 以内 ，证明了模拟方法的可靠性。不过，在空间分辨率方面，模拟结果存在一定程度的低估，这主要归因于模拟框架中未考虑光学光子的影响以及图像重建算法（选择最大似然期望最大化（ML - EM）迭代算法）的差异。
- Monte Carlo 模拟 PET 植物成像
- 原子组成对重建图像强度的影响：利用 GATE 模拟的植物模型，通过 CASToR 进行图像重建。研究发现，在植物叶片中引入少量氮、钾、钙和磷等元素，对重建图像强度的影响微乎其微。
- 重建图像的对比度：研究对比了不同放射性示踪剂在植物模型叶片中的成像对比度。结果表明，在两种背景活度浓度下，18F和11C的对比度均高于15O 。同时，18F在 100 kBq/cc 活度浓度下可能达到对比度改善的饱和点，而11C在较高活度水平下仍能保持较高对比度，是优化 PET 成像质量的有力候选示踪剂。
- 植物模型密度对重建图像强度的影响：研究表明，随着植物叶片密度的增加，重建图像的强度显著上升，两者呈正相关关系。这意味着在 PET 成像时，需要根据植物组织的密度差异优化成像方案，以获取更准确的图像信息。
- 放射性示踪剂对重建植物模型图像的影响：研究不同放射性示踪剂对植物模型成像的影响时发现，含有18F、11C和13N的叶片与含有15O和30P的叶片在图像清晰度上存在显著差异。且图像强度会随着放射性示踪剂半衰期缩短和发射正电子最大能量升高而降低，这为根据研究需求选择合适的放射性示踪剂提供了重要依据。
- 不同同位素在植物中的正电子射程：通过计算不同同位素（18F、11C、15O和30P ）在不同密度植物材料中的平均正电子射程（Rmean?）和最大正电子射程（Rmax?），发现正电子射程受同位素种类、介质密度和正电子能量等因素影响。30P的正电子射程最大，18F最小 ，且随着植物密度增加，正电子射程减小。
- 植物成像中的正电子射程校正：研究 3T 磁场对不同同位素在密度为0.1g/cm3植物中的正电子射程影响发现，磁场会使正电子在湮灭前绕磁场线螺旋运动，导致湮灭端点分布在磁场方向上拉长。在植物模型成像实验中，施加 1T 磁场可使15O的重建图像强度提高六倍，11C提高三倍，显著提升了成像质量。
研究结论和讨论部分指出，利用 GATE 模拟对 Biograph Vision 系统按照 NEMA 协议进行验证，其结果与实验数据高度相符，证实了该系统作为 GATE 模型用于植物成像研究的可靠性，为后续研究提供了有力工具。研究还发现，植物模型的原子组成对成像结果影响较小，但植物密度和放射性源的选择显著影响图像强度。正电子射程受多种因素影响，且随着植物密度增加而减小。此外，磁场的应用能够显著提升图像分辨率，增强成像质量。这一系列发现强调了正电子射程在植物成像中的关键作用，同时凸显了将 PET 与磁共振成像（MRI）相结合的潜力。通过磁场应用改善空间分辨率和图像质量，有望推动对复杂植物生理过程的深入研究，为植物科学领域的发展开辟新的道路。该研究成果不仅为优化 PET 成像技术在植物科学中的应用提供了理论依据和实践指导，还为未来植物生理过程的精准研究奠定了坚实基础。
