應用適應性PET——Trans-PET系統(tǒng)設計和實現(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)學成像設備，能無創(chuàng)、定量、動態(tài)地評估生物體內(nèi)各器官的代謝水平、生化反應、功能活動。PET因其功能成像的特性而對生化反應非常敏感，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)測與評估，和新型核醫(yī)學示蹤劑及分子探針研究、新藥開發(fā)、靶向治療技術(shù)研究等臨床前生物醫(yī)學基礎研究領域具有獨特的應用價值。目前，隨著PET應用的

2、不斷深入，精確定量、個體診治、靶向治療等應用對PET的性能和結(jié)構(gòu)提出了更高的要求和新的需求。發(fā)展可適應個體化成像對象和拓展應用場景的PET系統(tǒng)成為趨勢之一。
　　現(xiàn)有PET采用專用的電子電路且各子系統(tǒng)相互關聯(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)開發(fā)的重點與難點，針對性地調(diào)整或優(yōu)化往往需要其他部分進行較大的調(diào)整甚至是重新開發(fā)。在實際應用中，成像對象以及應用場景的個體化差異時刻存在。然而，目前的PET系統(tǒng)因為架構(gòu)的限制，若

3、要發(fā)展針對應用優(yōu)化的研究，技術(shù)代價昂貴。針對這一問題，急需系統(tǒng)設計方法上的創(chuàng)新。
　　本論文面向以上應用要求和挑戰(zhàn)，提出針對應用優(yōu)化的PET成像過程和應用適應性PET，并針對現(xiàn)有PET的局限，從系統(tǒng)設計層面尋求突破，提出了應用適應性PET的系統(tǒng)架構(gòu)需求，由此設計了應用適應性PET系統(tǒng)架構(gòu)及搭建了平臺，解決了應用適應性PET發(fā)展的關鍵問題。在此基礎上，論文以臨床前生物醫(yī)學基礎研究領域為應用切入點，研究了應用適應性PET——Trans

4、-PET的系統(tǒng)設計和實現(xiàn)，并通過在仿真平臺和實際系統(tǒng)上分別開展仿真和物理實驗的方法，進行成像性能評估和應用驗證。本論文工作為針對應用優(yōu)化的PET成像提供了關鍵技術(shù)和理論基礎，通過使PET順應上數(shù)字化革命的發(fā)展趨勢，加速應用適應性PET研究的發(fā)展，有望提升PET的應用深度和廣度，促進PET儀器在生物醫(yī)學基礎研究和臨床診療領域的作用。
　　本論文論述了針對應用優(yōu)化的PET應有的成像過程。該過程以應用為出發(fā)點，通過可對PET成像過程的各

5、環(huán)節(jié)進行規(guī)劃或調(diào)整，實現(xiàn)適應個體化成像需求的優(yōu)化成像。該過程的實現(xiàn)要求PET系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和性能設置上具有高度靈活性，即應用適應性PET。為此，在本課題組發(fā)展的PET數(shù)字化方法的基礎上，本論文提出了應用適應性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數(shù)據(jù)，革新PET信息獲取和處理的模式；同時，各子系統(tǒng)模塊化設計且解耦，得以獨立優(yōu)化和升級。由此，設計了由數(shù)字PET探測環(huán)、軟符合模塊和圖像重建模塊三個獨立的子系統(tǒng)構(gòu)成的應用

6、適應性PET系統(tǒng)架構(gòu)。此開放的系統(tǒng)架構(gòu)將為應用適應性PET的發(fā)展提供關鍵技術(shù)?；诖思軜?gòu)，本論文完成了用于進行應用適應性PET研究的平臺建設，通過復用數(shù)字PET探測器，在該平臺上快速完成多種具有不同探測結(jié)構(gòu)的小型系統(tǒng)的集成，展示應用適應性PET系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)勢，并且，對應用適應性PET系統(tǒng)架構(gòu)下集成的PET機器進行了系統(tǒng)層級的驗證。
　　動物PET作為臨床前生物醫(yī)學基礎研究的重要工具之一，被廣泛地應用于新型核醫(yī)學示蹤劑及分子探針研究

7、、新藥開發(fā)、靶向治療技術(shù)研究等領域。在上述工作的基礎上，本論文以臨床前生物醫(yī)學基礎研究領域為應用切入點，在應用適應性PET成像思路下，開展應用適應性PET——Trans-PET的系統(tǒng)設計和實現(xiàn)，重點關注小鼠和大鼠的應用需求，針對性設計和集成了兩種具有不同成像對象適用性的探測結(jié)構(gòu)。因基于應用適應性PET系統(tǒng)架構(gòu)的平臺，這兩種探測結(jié)構(gòu)除了數(shù)字PET探測器數(shù)量和空間排布的不同外，其余硬件裝置均可復用，在實際應用時可快速切換，脈沖信息處理、符合

8、甄別以及圖像重建等部分則通過軟件算法在計算機系統(tǒng)中調(diào)整。通過仿真評估實驗以及物理實驗，考察了所實現(xiàn)的Trans-PET在兩種探測結(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)設計的系統(tǒng)進行應用適應性成像的可行性。并且，通過動態(tài)成像、大鼠腦成像、多只小鼠同時成像、猴腦成像等動物成像案例，本論文進一步證實應用適應性PET滿足設計前的應用需求分析，表明所實現(xiàn)的Trans-PET系統(tǒng)具有成像對象應用優(yōu)化的優(yōu)勢。本論文工作將對應用適應性PET的系統(tǒng)