应用适应性小动物PET的研究与开发

微型正电子发射断层成像仪（Micro Positron Emission Tomography，简称μPET）是生物医学基础研究迫切需要的尖端功能成像仪器。现代μPET成像仪面对不同的应用，采用通用的探测系统和几乎相同的参数设置，进行动物造影，从根本上限制了μPET成像仪在生物医学基础研究中的深入应用。本项目研究根据应用需求折衷性能指标，进行现场系统优化的μPET成像技术。重点研究全数字化技术、单事件模块化技术和全自动系统校正技术，开发新型μPET成像仪样机系统。通过改变探测器组合，设置电子学参数，实施自动快速的应用专用校正，根据应用需求决定的性能指标进行μPET的系统优化。在此框架下，建造超高时间分辨率的全数字平板PET探测器模块，应用到样机系统，实现300ps超高时间分辨率的样机系统。结合不同的空间分辨率、灵敏度和能量分辨率进行折衷，实现不同探测器性能组合的样机系统并能够相互平滑切换。

微型正电子发射断层成像仪（Micro Positron Emission Tomography，简称 µPET）是生物医学基础研究迫切需要的尖端功能成像仪器。现有µPET成像仪面对不同应用，采用通用探测系统和几乎相同的参数设置，从根本上限制了µPET在生物医学基础研究中的深入应用。本项目瞄准可根据具体应用需求实现综合性能最优化的µPET成像系统，围绕其中关键技术进行研究并取得了一系列的成果。其中，在全数字采样方法方面上，本项目组对多电压阈值法进行了优化和重新设计，提高了采样精度，在国际上率先提出并建立了全数字化PET系统框架；在超高性能探测器方面，提出了基于锥形晶体的探测器设计方法以及基于位置信息的校正技术，实现超高时间分辨率，同时提出了基于光子分布信息的位置重建算法，实现超高空间分辨率；在全自动校正技术方面，提出了自动基线校正、智能化的脉冲堆叠处理和能量校正等一系列创新方法，初步实现了系统性能、参数全自动化校正；在应用适应性图像重建技术方面，开发了一套应用适应性图像重建软件平台，能够针对不同的检测对象、不同的探测器结构，采用基于点扩散函数的重建方法获得高空间分辨率、高一致性的PET图像；在应用适应性系统设计方面，提出了多种PET成像方法和系统设计，能根据应用需求，实时调整系统结构，实现成像性能的最优化。以上述工作为基础，本项目组成功研制了全球首台全数字模块化的小动物PET系统——Trans-PET。该系统采用模块化、可定制化设计思想，其中包含模块化的PET数据获得系统和探测器单元、全解耦的软件符合系统、应用适应性的图像重建系统，其核心指标已经达到本项目预期目标。同时，本项目共形成期刊论文13篇，顶尖会议论文15篇。申请国际发明专利11项，国内发明专利14项，授权国内发明专利4项。培养博士研究生15名，其中11人获得IEEE NPSS新人奖。综上所述，项目组圆满完成了任务合同书规定的各项研究内容，并取得了一系列的创新。本项目的研究为PET探测器设计、PET图像重建等环节提供了前所未有的自由度，可望引发对PET系统设计思想及成像方法的重新构建，为以平板PET、变结构PET为代表的新一代PET仪器研究的大规模展开铺平了道路。