清華新聞網(wǎng)4月14日電 單光子發(fā)射斷層成像（SPECT）屬于臨床四大影像診斷技術(shù)之一的核醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，廣泛應(yīng)用于腫瘤、心血管、神經(jīng)、內(nèi)分泌等重大疾病診斷。然而，多年來(lái)，SPECT空間分辨率和探測(cè)效率嚴(yán)重受限于機(jī)械準(zhǔn)直器，其成像空間分辨率（臨床SPECT分辨率約為1cm）顯著落后于其他影像技術(shù)。
為此，清華大學(xué)工物系團(tuán)隊(duì)提出“用探測(cè)器做準(zhǔn)直器”的創(chuàng)新自準(zhǔn)直成像方法，通過(guò)使用多層稀疏探測(cè)器進(jìn)行光子準(zhǔn)直，解決機(jī)械準(zhǔn)直器造成光子大量損失的技術(shù)瓶頸問(wèn)題，從而顯著提升SPECT空間分辨率和探測(cè)效率。該團(tuán)隊(duì)2021年在《IEEE醫(yī)學(xué)成像匯刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）上發(fā)表了首篇研究論文，提出了自準(zhǔn)直成像的概念并驗(yàn)證了自準(zhǔn)直SPECT可大幅度提升分辨率和探測(cè)效率。
然而，自準(zhǔn)直SPECT的準(zhǔn)直機(jī)理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)SPECT截然不同，因此經(jīng)典的SPECT分辨率分析方法不再適用，自準(zhǔn)直SPECT的高分辨率形成機(jī)制尚未明確。該團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究于4月10日發(fā)表在《IEEE醫(yī)學(xué)成像匯刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）上，題為“自準(zhǔn)直SPECT的投影概率密度函數(shù)和采樣增強(qiáng)的特性和評(píng)估”（Characterization and assessment of projection probability density function and enhanced sampling in self-collimation SPECT），提出了SPECT分辨率分析方法，闡述了SPECT投影概率密度函數(shù)（projection probability density function, PPDF）特性和空間采樣特性對(duì)分辨率的影響規(guī)律和作用機(jī)理，并應(yīng)用于自準(zhǔn)直SPECT成像性能分析。
針孔SPECT和自準(zhǔn)直SPECT的投影概率密度函數(shù)（PPDF）示意圖
在經(jīng)典教科書(shū)中，SPECT空間分辨率通常定義為PPDF的半高寬（full width at half maximum, FWHM）。然而，本研究表明，PPDF的FWHM并非決定分辨率的唯一因素。通過(guò)分析具有特定PPDF的概念性成像系統(tǒng)，研究發(fā)現(xiàn)成像系統(tǒng)的空間分辨率同時(shí)取決于PPDF的寬度（以FWHM衡量）、邊沿陡峭程度（以邊沿梯度衡量）和空間采樣密度。當(dāng)PPDF的FWHM更小、邊沿梯度更大、空間采樣密度更高時(shí)，成像系統(tǒng)的空間分辨率更好。通過(guò)對(duì)比針孔機(jī)械準(zhǔn)直SPECT和自準(zhǔn)直SPECT表明，自準(zhǔn)直SPECT的大部分投影概率密度函數(shù)具有更小的FWHM和更大的邊沿梯度。結(jié)合增強(qiáng)采樣的數(shù)據(jù)采集方案，空間分辨率能夠得到顯著提升。
基于概念成像系統(tǒng)的SPECT分辨率（以沖擊響應(yīng)函數(shù)幅值定量表示）特性分析
該研究既是對(duì)SPECT成像理論的進(jìn)一步完善，也是對(duì)高分辨率SPECT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。理論計(jì)算性能評(píng)估和模擬實(shí)驗(yàn)圖像重建的結(jié)果表明，該研究設(shè)計(jì)的一種自準(zhǔn)直小動(dòng)物SPECT系統(tǒng)在相同成像條件下，其成像性能顯著優(yōu)于多針孔SPECT。
理論計(jì)算和模擬實(shí)驗(yàn)表明自準(zhǔn)直SPECT在相同成像條件下性能顯著優(yōu)于多針孔SPECT
論文第一作者為清華大學(xué)工物系2020級(jí)博士生張德斌，論文通訊作者為清華大學(xué)工物系馬天予副教授。美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校的姚如濤（Rutao Yao）教授對(duì)研究方案設(shè)計(jì)作出了重要貢獻(xiàn)。論文共同作者還包括清華大學(xué)核醫(yī)學(xué)團(tuán)隊(duì)的工物系劉亞強(qiáng)研究員和清華長(zhǎng)庚醫(yī)院何作祥教授。研究得到國(guó)家自然基金、北京市自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、清華大學(xué)精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)研究院等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1109/tmi.2023.3265874
供稿：工物系
題圖設(shè)計(jì)：曾儀
編輯：李華山
審核：郭玲
