Obrazowanie wykorzystujące pozytonium stanowi obiecujące rozszerzenie pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Do jego wykorzystania niezbędna jest jednak precyzyjna znajomość zachowania pozytonium, w czym pomagają symulacje Monte Carlo. Zespół z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, we współpracy z  badaczami Uniwersytetu Jagiellońskiego a także z Francji i Austrii, stworzył model, który dokładnie odwzorowuje jego rozpady.

PET to technika obrazowania bazująca na anihilacji pozytonów z elektronami zawartymi w tkankach. Pozytony, to antycząstki, które powstają podczas rozpadu podanego pacjentowi znacznika promieniotwórczego. Zjawisko to powoduje powstanie pary fotonów poruszających się w przeciwnych kierunkach. Detekcja tych par pozwala określić miejsce anihilacji, a więc miejsce, w którym gromadzi się znacznik, wskazując najczęściej zmiany chorobowe. Technika ta umożliwia zarówno obrazowanie kształtu tkanek i organów, jak i ich funkcjonowania, dzięki czemu możliwe jest wykrycie zmian na wczesnym etapie, co zwiększa skuteczność dalszego leczenia.

W ostatnich latach dużym zainteresowaniem cieszą się techniki rozszerzające klasyczny PET, wykorzystujące pozytonium — egzotyczny atom złożony z elektronu i jego antycząstki pozytonu. Zachowuje się on jak maleńka sonda: umieszczony wewnątrz materiału — przeżywa tym dłużej, im więcej wolnej przestrzeni ma wokół siebie. Mierząc ten czas, można określić skład i mikrostrukturę tkanek. Laboratoria wykorzystują tę sondę od dziesięcioleci w ramach techniki PALS (spektroskopii czasów życia anihilacji pozytonów), uzyskują jednak jedynie średnią wartość dla całej próbki. Nowością jest wykonanie pomiaru punkt po punkcie i uzyskanie obrazu przestrzennego.

Aby zapewnić bezpieczeństwo i skuteczność nowych technik obrazowania, konieczne są nowoczesne symulacje i modele, które precyzyjnie opisują zachowanie wykorzystywanych cząstek. Są one potrzebne na etapie projektowania aparatury, rekonstrukcji obrazów, tworzenia algorytmów korygujących i optymalizacji zbierania danych. Jednym z najpowszechniej używanych narzędzi w medycynie nuklearnej jest GATE – otwarty pakiet do symulacji Monte Carlo. Pozwala on na dokładne symulowanie systemów obrazowania, źródeł promieniotwórczych i ich rozpadów 
a także ruchu detektorów. 

Modelowanie rozpadu pozytonium było w nim jednak zaimplementowane w uproszczony sposób: ograniczało się do dwóch kanałów rozpadu — tak, jakby w każdym materiale występował tylko jeden lub dwa rodzaje wewnętrznych przestrzeni. Rzeczywiste materiały zawierają całą ich mieszaninę. Istniejące algorytmy precyzyjnie modelujące rozpad pozytonium były z kolei przystosowane do szczególnych geometrii detektora.

Dlatego grupa naukowców z Narodowego Centrum Badań Jądrowych i z Uniwersytetu Jagiellońskiego, we współpracy z badaczami z Uniwersytetu w Lyonie i IT:U w Linzu oraz Uniwersytetu w Wiedniu, podjęła się opracowania nowego modelu rozpadu pozytonium do ogólnego wykorzystania, zaimplementowanego w strukturze GATE.

– Nowy model stworzyliśmy w ten sposób, aby był elastyczny i modularny. Pozwala użytkownikom na definiowanie nowych kanałów rozpadu i ich parametrów, dzięki czemu możliwe jest oddanie w pełni złożoności rozpadu pozytonium w materii – wyjaśnia dr Wojciech Krzemień z Zakładu Fizyki Wielkich Energii w NCBJ, pierwszy autor publikacji. Nowe rozwiązanie jest szczególnie istotne dla techniki obrazowania czasu życia pozytonium (Positronium Lifetime Imaging, PLI), dla której dokładne symulacje nie były dotychczas dostępne. Zainteresowanie pojawiło się szybko: grupy badawcze ze Stanów Zjednoczonych oraz firmy rozwijające aparaturę obrazującą rozpoczęły już testowanie zaproponowanego modelu.

Testy pokazały, że model prawidłowo odwzorowuje czas życia pozytonium, jego rozpady i właściwości powstających fotonów. Badacze sprawdzili również jego działanie w symulacjach żródeł umieszczonych w fantomie z imitacją tkanek — kość, mięsień, tłuszcz i wodę.

- Nasza implementacja jest w pełni kompatybilna ze standardami GATE oraz publicznie dostępna. Narzędzie to może być wykorzystane do badań różnych metod obrazowania z wykorzystaniem pozytonium – dodaje dr Krzemień.

Opracowane rozwiązanie stanowi pierwszy przystosowany do ogólnego wykorzystania model rozpadu pozytonium. Model może być zastosowany w technikach takich jak PLI czy PET, zarówno do obrazowania medycznego, jak i przemysłowego. W NCBJ narzędzie jest rozwijane dalej w ramach projektu IMPET, ukierunkowanego na zastosowania przemysłowe. 

Obecna postać modelu pozostawia pole do dalszych usprawnień, dzięki którym możliwe będzie symulowanie stanu od emisji pozytonu, poprzez uformowanie pozytonium, aż do jego rozpadu. Już teraz jednak stanowi precyzyjne narzędzie do badania tego egzotycznego atomu.

Pełne wyniki badań są dostępne w publikacji: Krzemień W, Bala M, Dulski K, Zdeb WB, Coussat A, Hiesmayr BC, Klimaszewski K, Obara M, Raczyński L, Shopa RY, A Monte Carlo positronium decay source model with multiple annihilation channels in GATE, Phys Med Biol. 2026, DOI: 10.1088/1361-6560/ae9c83.