小型数字PET成像关键技术

项目技术性简介：

目前提升PET仪器性能关键的瓶颈是PET在设计上的缺陷——无法数字化。传统PET采用模拟电路或者模拟-数字混合电路进行数据采集和处理，专用的硬件电路和封闭的系统，导致技术和部件的升级换代缓慢；模数PET在几何结构上也是固定的，导致在具体的应用中，存在性能过剩或不足的问题，在此系统框架下，如想提高局部区域性能需求，将导致整体成本成几何级数的剧增。最终导致了这种仪器在应用上的“贵”、“专”与“测不准”三大短板。

项目组取得“三样创新，四项技术”。数字化方法创新，创造了高速闪烁脉冲的MVT采样与处理方法；探测器技术创新，成功模块化智能PET探测器；成像仪器创新，完成了开放式数字化PET系统。四项关键技术：全数字化PET电子学技术；模块化单事件采集的平板探测器技术；自动化PET系统校正技术；应用适应性图像重建技术。由于以上创新和关键技术，使PET系统具有突破的灵活开放性设计，核心指标国际领先。

图1 Trans-PET® BioCaliburnTM小型数字PET

四项关键技术：

1、全数字化PET电子学技术

针对传统PET系统难以实现闪烁脉冲数字化问题，项目组提出新的数字化方法MVT，代替“Shaper+ADC”的传统模式，克服后者难以数字化高速闪烁脉冲的困难，使得获得高时间精确度的数字化采样技术首次应用于PET。该技术为PET设备应用适应性探测器模块变化和自动快速系统校正技术的实现提供了关键核心技术和必备的条件。

图2 MVT方法示意图

2、模块化单事件采集的平板探测器技术

项目组提出的平板探测器技术能够作为基本探测器模组（简称BDM），根据应用需求，组合成不同系统结构。项目组实现的模块化单事件采集探测器性能优异，同时，通过“产-学-研-用”合作，实现了探测器的工程优化和产品化包装，使得每个BDM具有集成度高、适应性强、扩展性高的特点，为系统实时可变结构提供了工程技术基础。

图3 基本探测器模组

3、自动化PET系统校正技术

基于搭建的全数字化数据获得系统和先进的数据处理算法，项目组首次提出一种基于MVT方法的PET闪烁脉冲的数字化基线校正方法，利用闪烁脉冲的先验知识，结合非线性技术和函数逼近理论，并运用创新的数字信号处理算法，对由暗电流、脉冲拖尾以及电压波动等原因造成的基线漂移进行全自动校正，从而有效还原出PET探测器的真实能量分辨率，进而提高重建图像的信噪比和对比度。

图4开放式的Trans-PET全局架构图

4、应用适应性图像重建技术

项目组针对应用适应性PET系统，提出并完成了应用适应性图像重建软件平台。该重建技术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。基于应用适应性探测器和全数字化电子学提供的高精度时间信息，开发完成了基于时间飞行信息的图像重建方法，并创新性地利用检测对象、器官、病灶部位的多模医学成像的先验信息，对PET图像重建进行优化。 

图5 12个月的阿尔茨海默小鼠和12月的野生鼠对比成像

2010年，本项目组已经完成小型数字系统Trans-PET®BioCaliburnTM系列产品的定型设计、工业型试验。2012年，该系统已通过湖北省电子信息产品质量监督检验院的电气安全检测以及关键性能检,与目前市场上主流的商用小动物PET—Siemens公司的Inveon比较，其核心性能全面优于后者。

表1 本项目Trans-PET与主流小动物PET——Inveon关键技术指标对比