文章导读
0.2毫米——这个肉眼难以察觉的尺度，正成为医学影像技术突破的关键节点。清华大学团队研发的自准直SPECT系统，以"用探测器替代机械准直器"的颠覆性思路，成功突破传统技术探测效率与分辨率难以兼得的困局。在直径仅10毫米的视野内，该系统不仅实现了0.2毫米的超高分辨率，同时将探测效率提升至国际先进水平的1.7倍。这项突破意味着未来在肿瘤、心血管等疾病研究中，科研人员将能捕捉到更细微的生物学过程，为精准医疗打开全新的观察窗口。
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单光子发射计算机断层成像（SPECT）是核医学影像的关键技术，在肿瘤、心血管及神经系统疾病的诊断与生物学过程研究中发挥着重要作用。然而，传统SPECT系统依赖机械准直器进行成像，绝大多数光子在准直过程中被阻挡和吸收，空间分辨率与探测效率难以兼顾，是SPECT的核心技术瓶颈。
针对这一问题，清华大学工程物理系副教授马天予提出“以探测器作为准直器”的原始创新自准直SPECT成像方法。该方法利用多层稀疏排布的探测器对伽马光子进行有效准直，从成像机理上解决机械准直器导致光子大量损失的限制，使探测效率与空间分辨率可以同步提升。团队于2021年首次提出自准直SPECT的基本概念并验证其性能优势，并在2023年的后续研究中系统阐明了其实现高分辨率成像的物理机理，相关研究成果均发表于《IEEE医学成像汇刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）。
图1.自准直小动物SPECT
实验结果显示，该系统在两种成像模式下的关键性能指标均达到或优于国际同类先进水平。在高分辨率成像模式下，于直径10 mm、长度6mm的圆柱体视野内，系统中心探测效率达到0.064%，热圆柱分辨率可达0.2mm。相比之下，现有商业小动物SPECT系统在相同视野条件下的热圆柱分辨率不优于0.25mm，对应中心探测效率为0.038%。在通用成像模式下，该系统视野扩展为直径24mm、长度10mm的圆柱体，中心探测效率提升至0.08%，并可分辨0.3mm的热圆柱。与之相比，商业系统在相同视野内的热圆柱分辨率约为 0.7mm，对应中心探测效率为0.08%。值得注意的是，在探测器有效面积仅约为国际同类系统四分之一的条件下，该系统仍实现了综合成像性能的显著提升。
图2.高分辨率成像模式和通用成像模式的热圆柱模型成像结果
小鼠骨显像结果显示，该系统能够清晰分辨细微骨骼结构中的放射性药物分布，展现出接近CT空间分辨能力的在体成像效果。
图3.小鼠骨显像
目前，研究团队正进一步开展系统轴向扩展与性能深度优化研究。该自准直SPECT系统为小动物高分辨率、快速动态分子影像提供了新的实现路径，为生命科学基础研究、新药研发及临床前评价提供有力的技术支撑，具有广阔的应用前景。
研究成果以“用于小动物成像的高性能自准直单光子发射计算机断层成像”（A High-Performance Self-Collimation SPECT for Small Animal Imaging）为题，于1月16日发表于《IEEE医学成像汇刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）。
清华大学工物系张德斌博士、吕振雷工程师，北京空间飞行器总体设计部范鹏等为论文共同第一作者；清华大学工物系副教授马天予为论文通讯作者。清华大学工物系研究员刘亚强、清华大学临床医学院教授何作祥、美国纽约州立大学布法罗分校教授姚如涛对论文工作亦有重要贡献。
小动物成像实验在朝阳医院核医学科杨敏福教授团队和北京清华长庚医院核医学科支持下完成。研究工作得到北京市自然科学基金重点研究专题、国家原子能机构核技术研发计划等项目的支持。
论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/11355674
供稿：工物系
编辑：李华山
审核：郭玲
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