清華新聞網(wǎng)1月22日電 單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像（SPECT）是核醫(yī)學(xué)影像的關(guān)鍵技術(shù)，在腫瘤、心血管及神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷與生物學(xué)過(guò)程研究中發(fā)揮著重要作用。然而，傳統(tǒng)SPECT系統(tǒng)依賴(lài)機(jī)械準(zhǔn)直器進(jìn)行成像，絕大多數(shù)光子在準(zhǔn)直過(guò)程中被阻擋和吸收，空間分辨率與探測(cè)效率難以兼顧，是SPECT的核心技術(shù)瓶頸。
針對(duì)這一問(wèn)題，清華大學(xué)工程物理系副教授馬天予提出“以探測(cè)器作為準(zhǔn)直器”的原始創(chuàng)新自準(zhǔn)直SPECT成像方法。該方法利用多層稀疏排布的探測(cè)器對(duì)伽馬光子進(jìn)行有效準(zhǔn)直，從成像機(jī)理上解決機(jī)械準(zhǔn)直器導(dǎo)致光子大量損失的限制，使探測(cè)效率與空間分辨率可以同步提升。團(tuán)隊(duì)于2021年首次提出自準(zhǔn)直SPECT的基本概念并驗(yàn)證其性能優(yōu)勢(shì)，并在2023年的后續(xù)研究中系統(tǒng)闡明了其實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的物理機(jī)理，相關(guān)研究成果均發(fā)表于《IEEE醫(yī)學(xué)成像匯刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）。
圖1.自準(zhǔn)直小動(dòng)物SPECT
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)在兩種成像模式下的關(guān)鍵性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)際同類(lèi)先進(jìn)水平。在高分辨率成像模式下，于直徑10 mm、長(zhǎng)度6mm的圓柱體視野內(nèi)，系統(tǒng)中心探測(cè)效率達(dá)到0.064%，熱圓柱分辨率可達(dá)0.2mm。相比之下，現(xiàn)有商業(yè)小動(dòng)物SPECT系統(tǒng)在相同視野條件下的熱圓柱分辨率不優(yōu)于0.25mm，對(duì)應(yīng)中心探測(cè)效率為0.038%。在通用成像模式下，該系統(tǒng)視野擴(kuò)展為直徑24mm、長(zhǎng)度10mm的圓柱體，中心探測(cè)效率提升至0.08%，并可分辨0.3mm的熱圓柱。與之相比，商業(yè)系統(tǒng)在相同視野內(nèi)的熱圓柱分辨率約為 0.7mm，對(duì)應(yīng)中心探測(cè)效率為0.08%。值得注意的是，在探測(cè)器有效面積僅約為國(guó)際同類(lèi)系統(tǒng)四分之一的條件下，該系統(tǒng)仍實(shí)現(xiàn)了綜合成像性能的顯著提升。
圖2.高分辨率成像模式和通用成像模式的熱圓柱模型成像結(jié)果
小鼠骨顯像結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠清晰分辨細(xì)微骨骼結(jié)構(gòu)中的放射性藥物分布，展現(xiàn)出接近CT空間分辨能力的在體成像效果。
圖3.小鼠骨顯像
目前，研究團(tuán)隊(duì)正進(jìn)一步開(kāi)展系統(tǒng)軸向擴(kuò)展與性能深度優(yōu)化研究。該自準(zhǔn)直SPECT系統(tǒng)為小動(dòng)物高分辨率、快速動(dòng)態(tài)分子影像提供了新的實(shí)現(xiàn)路徑，為生命科學(xué)基礎(chǔ)研究、新藥研發(fā)及臨床前評(píng)價(jià)提供有力的技術(shù)支撐，具有廣闊的應(yīng)用前景。
研究成果以“用于小動(dòng)物成像的高性能自準(zhǔn)直單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像”（A High-Performance Self-Collimation SPECT for Small Animal Imaging）為題，于1月16日發(fā)表于《IEEE醫(yī)學(xué)成像匯刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）。
清華大學(xué)工物系張德斌博士、呂振雷工程師，北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部范鵬等為論文共同第一作者；清華大學(xué)工物系副教授馬天予為論文通訊作者。清華大學(xué)工物系研究員劉亞強(qiáng)、清華大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)院教授何作祥、美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校教授姚如濤對(duì)論文工作亦有重要貢獻(xiàn)。
小動(dòng)物成像實(shí)驗(yàn)在朝陽(yáng)醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科楊敏福教授團(tuán)隊(duì)和北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科支持下完成。研究工作得到北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)研究專(zhuān)題、國(guó)家原子能機(jī)構(gòu)核技術(shù)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/11355674
供稿：工物系
編輯：李華山
審核：郭玲
