Een onderzoeksteam heeft een significante doorbraak bereikt in de ontwikkeling van time-of-flight positronemissietomografie (TOF-PET). In een studie die op 7 augustus 2026 werd ingediend, rapporteren de wetenschappers een coincidence time resolution (CTR) van 108,6 picoseconden – een waarde die de prestaties van huidige commerciële systemen aanzienlijk overtreft en de lang nagestreefde grens van 100 picoseconden nadert.
De uitdaging van tijdsresolutie versus detectie-efficiëntie
Bestaande commerciële TOF-PET-systemen leveren doorgaans een CTR van ongeveer 200 picoseconden of minder, gemeten als volle breedte op halve hoogte (FWHM). Het verbeteren van deze tijdsresolutie is cruciaal voor de beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid van PET-scans, wat op zijn beurt bijdraagt aan een betrouwbaardere ziektedetectie en diagnose. Eerder onderzoek toonde al aan dat machine learning-technieken experimentele toegang kunnen verschaffen tot foton-per-foton aankomsttijden in scintillatiedetectoren, wat de weg vrijmaakt voor nauwkeurigere timingcorrecties researchgate.net.
De weg naar 100 picoseconden CTR kent echter een fundamenteel obstakel. In conventionele detectoren met enkelzijdige uitlezing veroorzaken verschillen in de interactiepositie van fotonen binnen het scintillatorkristal variaties in de fotonentransporttijd (photon transport time spread, PTS) van enkele tientallen picoseconden. Dit fenomeen, dat optreedt in de standaard 20 millimeter dikke scintillatoren, vormt een belangrijke barrière voor verdere verbetering van de tijdsresolutie. Het gebruik van dunnere scintillatoren kan de CTR wel verbeteren, maar gaat ten koste van de detectie-efficiëntie – een onwenselijke afweging in de klinische praktijk. Eerder onderzoek benadrukte al het belang van geavanceerde scintillatoren en uitleesmethoden om deze trade-off te overwinnen frontiersin.org.
De xDetector: een orthogonale benadering
Om deze trade-off te doorbreken, introduceerden de onderzoekers eerder al het concept van de xDetector, een configuratie waarbij scintillatorkristallen orthogonaal gestapeld worden langs de lengteas. Dit ontwerp, dat eerder werd beschreven in een publicatie uit december 2024, maakt het mogelijk om de dikte van de scintillatoren te reduceren tot ongeveer 13 millimeter zonder aan gevoeligheid in te boeten arxiv.org. De xDetector levert bovendien inherent diepte-interactie-informatie (depth-of-interaction, DOI) via hetzelfde uitleesschema.
In het nieuwe onderzoek, uitgevoerd door Arisa Sanzen, Yuya Onishi, Takahiro Moriya, Tomohide Omura en Ryosuke Ota, werd het potentieel van de xDetector verder onderzocht door optimalisaties aan te brengen in de scintillator, de fotodetector en de uitleeselektronica. Daarnaast paste het team een CTR-correctie toe op basis van de driedimensionale interactiepositie binnen het scintillatorkristal. Dit bouwt voort op inzichten uit eerder werk dat de fundamentele grenzen van tijdsresolutie in scintillatiedetectoren onderzocht iop.org.
Resultaten: 108 picoseconden en 10,3 procent verbetering
De resultaten van het onderzoek zijn veelbelovend. Op basis van foutpropagatie berekenden de wetenschappers een CTR van 113,5 ± 2,7 picoseconden FWHM voor de gepaarde xDetector. Vervolgens werd de CTR op vier posities langs de lengteas gemeten door de xDetector handmatig te verschuiven. Na correctie werd een gecorrigeerde CTR van 108,6 ± 1,9 picoseconden FWHM behaald, zo blijkt uit de samenvatting van de publicatie op de preprintserver arxiv.org.
Vergeleken met een conventionele enkelvoudige detector met een 20 millimeter scintillator verbeterde de CTR met gemiddeld 10,3 procent. Deze prestatie onderstreept het potentieel van de xDetector als een veelbelovend detectorconcept voor de volgende generatie PET-scanners.
Betekenis voor de medische beeldvorming
De timingprestatie die met de xDetector zijn aangetoond, kunnen volgens de auteurs leiden tot een verbeterde TOF-PET-beeldkwaliteit en kwantitatieve nauwkeurigheid. Dit zou op termijn kunnen bijdragen aan een betrouwbaardere detectie en diagnose van ziekten dan met de huidige PET-detectoren mogelijk is. Het onderzoek valt onder de vakgebieden Medical Physics en Instrumentation and Detectors, zoals vermeld in de lijst met nieuwe publicaties op het gebied van medische fysica arxiv.org.
De publicatie verschijnt in een periode waarin wereldwijd intensief wordt gewerkt aan het doorbreken van de 100 picoseconden-barrière in TOF-PET-systemen. De combinatie van geoptimaliseerde scintillatoren, fotodetectoren, uitleeselektronica en DOI-gebaseerde timingcorrectie in een orthogonaal gestapelde detectorconfiguratie blijkt een veelbelovende route om deze grens te naderen.