應(yīng)用適應(yīng)性PET——Trans-PET系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).pdf

1、正電子發(fā)射斷層成像（Positron Emission Tomography，PET）作為一種分子醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，能無(wú)創(chuàng)、定量、動(dòng)態(tài)地評(píng)估生物體內(nèi)各器官的代謝水平、生化反應(yīng)、功能活動(dòng)。PET因其功能成像的特性而對(duì)生化反應(yīng)非常敏感，因而，在腫瘤、心血管系統(tǒng)疾病和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等的早期診斷、治療規(guī)劃、療效監(jiān)測(cè)與評(píng)估，和新型核醫(yī)學(xué)示蹤劑及分子探針研究、新藥開(kāi)發(fā)、靶向治療技術(shù)研究等臨床前生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。目前，隨著PET應(yīng)用的

2、不斷深入，精確定量、個(gè)體診治、靶向治療等應(yīng)用對(duì)PET的性能和結(jié)構(gòu)提出了更高的要求和新的需求。發(fā)展可適應(yīng)個(gè)體化成像對(duì)象和拓展應(yīng)用場(chǎng)景的PET系統(tǒng)成為趨勢(shì)之一。
　　現(xiàn)有PET采用專(zhuān)用的電子電路且各子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，系統(tǒng)架構(gòu)封閉且?guī)缀谓Y(jié)構(gòu)固定，因此，硬件成為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)與難點(diǎn)，針對(duì)性地調(diào)整或優(yōu)化往往需要其他部分進(jìn)行較大的調(diào)整甚至是重新開(kāi)發(fā)。在實(shí)際應(yīng)用中，成像對(duì)象以及應(yīng)用場(chǎng)景的個(gè)體化差異時(shí)刻存在。然而，目前的PET系統(tǒng)因?yàn)榧軜?gòu)的限制，若

3、要發(fā)展針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的研究，技術(shù)代價(jià)昂貴。針對(duì)這一問(wèn)題，急需系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法上的創(chuàng)新。
　　本論文面向以上應(yīng)用要求和挑戰(zhàn)，提出針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的PET成像過(guò)程和應(yīng)用適應(yīng)性PET，并針對(duì)現(xiàn)有PET的局限，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)層面尋求突破，提出了應(yīng)用適應(yīng)性PET的系統(tǒng)架構(gòu)需求，由此設(shè)計(jì)了應(yīng)用適應(yīng)性PET系統(tǒng)架構(gòu)及搭建了平臺(tái)，解決了應(yīng)用適應(yīng)性PET發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，論文以臨床前生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用切入點(diǎn)，研究了應(yīng)用適應(yīng)性PET——Trans

4、-PET的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)在仿真平臺(tái)和實(shí)際系統(tǒng)上分別開(kāi)展仿真和物理實(shí)驗(yàn)的方法，進(jìn)行成像性能評(píng)估和應(yīng)用驗(yàn)證。本論文工作為針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的PET成像提供了關(guān)鍵技術(shù)和理論基礎(chǔ)，通過(guò)使PET順應(yīng)上數(shù)字化革命的發(fā)展趨勢(shì)，加速應(yīng)用適應(yīng)性PET研究的發(fā)展，有望提升PET的應(yīng)用深度和廣度，促進(jìn)PET儀器在生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究和臨床診療領(lǐng)域的作用。
　　本論文論述了針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化的PET應(yīng)有的成像過(guò)程。該過(guò)程以應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)可對(duì)PET成像過(guò)程的各

5、環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)劃或調(diào)整，實(shí)現(xiàn)適應(yīng)個(gè)體化成像需求的優(yōu)化成像。該過(guò)程的實(shí)現(xiàn)要求PET系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能設(shè)置上具有高度靈活性，即應(yīng)用適應(yīng)性PET。為此，在本課題組發(fā)展的PET數(shù)字化方法的基礎(chǔ)上，本論文提出了應(yīng)用適應(yīng)性PET的系統(tǒng)架構(gòu)需求：系統(tǒng)核心從硬件轉(zhuǎn)為軟件且分享信息流上的各類(lèi)數(shù)據(jù)，革新PET信息獲取和處理的模式；同時(shí)，各子系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)且解耦，得以獨(dú)立優(yōu)化和升級(jí)。由此，設(shè)計(jì)了由數(shù)字PET探測(cè)環(huán)、軟符合模塊和圖像重建模塊三個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)構(gòu)成的應(yīng)用

6、適應(yīng)性PET系統(tǒng)架構(gòu)。此開(kāi)放的系統(tǒng)架構(gòu)將為應(yīng)用適應(yīng)性PET的發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)?；诖思軜?gòu)，本論文完成了用于進(jìn)行應(yīng)用適應(yīng)性PET研究的平臺(tái)建設(shè)，通過(guò)復(fù)用數(shù)字PET探測(cè)器，在該平臺(tái)上快速完成多種具有不同探測(cè)結(jié)構(gòu)的小型系統(tǒng)的集成，展示應(yīng)用適應(yīng)性PET系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，并且，對(duì)應(yīng)用適應(yīng)性PET系統(tǒng)架構(gòu)下集成的PET機(jī)器進(jìn)行了系統(tǒng)層級(jí)的驗(yàn)證。
　　動(dòng)物PET作為臨床前生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究的重要工具之一，被廣泛地應(yīng)用于新型核醫(yī)學(xué)示蹤劑及分子探針研究

7、、新藥開(kāi)發(fā)、靶向治療技術(shù)研究等領(lǐng)域。在上述工作的基礎(chǔ)上，本論文以臨床前生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?yàn)閼?yīng)用切入點(diǎn)，在應(yīng)用適應(yīng)性PET成像思路下，開(kāi)展應(yīng)用適應(yīng)性PET——Trans-PET的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)關(guān)注小鼠和大鼠的應(yīng)用需求，針對(duì)性設(shè)計(jì)和集成了兩種具有不同成像對(duì)象適用性的探測(cè)結(jié)構(gòu)。因基于應(yīng)用適應(yīng)性PET系統(tǒng)架構(gòu)的平臺(tái)，這兩種探測(cè)結(jié)構(gòu)除了數(shù)字PET探測(cè)器數(shù)量和空間排布的不同外，其余硬件裝置均可復(fù)用，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可快速切換，脈沖信息處理、符合

8、甄別以及圖像重建等部分則通過(guò)軟件算法在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中調(diào)整。通過(guò)仿真評(píng)估實(shí)驗(yàn)以及物理實(shí)驗(yàn)，考察了所實(shí)現(xiàn)的Trans-PET在兩種探測(cè)結(jié)構(gòu)下的性能特性。結(jié)果揭示了基于這一系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用適應(yīng)性成像的可行性。并且，通過(guò)動(dòng)態(tài)成像、大鼠腦成像、多只小鼠同時(shí)成像、猴腦成像等動(dòng)物成像案例，本論文進(jìn)一步證實(shí)應(yīng)用適應(yīng)性PET滿(mǎn)足設(shè)計(jì)前的應(yīng)用需求分析，表明所實(shí)現(xiàn)的Trans-PET系統(tǒng)具有成像對(duì)象應(yīng)用優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)。本論文工作將對(duì)應(yīng)用適應(yīng)性PET的系統(tǒng)