破解“不能动”难题，国产脑PET实现自由动态脑功能成像

破解“不能动”难题，国产脑PET实现自由动态脑功能成像

正电子发射断层成像（PET）能够直接反映人体活体代谢和分子功能，是神经核医学、脑科学研究和脑疾病诊断评估中的重要工具，尽管这一传统成像模式已成熟应用在临床诊断中，但长期存在一个难题，即受试者难以在长时间设备扫描过程保持安静不动。

针对这一问题，近日，深圳湾实验室生物医学工程研究所研究员彭旗宇团队在《核医学杂志》发表最新研究。该研究系统评估了研发团队自主研发的新型头戴随动式脑PET系统的物理性能与人脑成像能力，展示了该技术从传统固定卧位扫描走向清醒、自然、动态脑功能成像的新可能。

该技术有望为阿尔茨海默病等认知障碍、癫痫、帕金森病、精神神经疾病等重大脑疾病的诊断评估、机制研究和疗效监测，儿童等难以长时间安静配合扫描的人群，以及脑机接口、神经调控和多模态脑科学研究提供国产尖端分子影像装备支撑。

破解“不能动”难题

一直以来，脑PET检查通常要求受试者在设备中保持固定卧位或坐位，并尽可能避免头部运动。然而，对儿童、老年认知障碍患者、帕金森病患者等其他难以长时间配合扫描的人群来说，传统脑PET检查更容易受到头动影响，严重时可能导致图像质量下降，甚至影响检查完成率。

此外，许多重要的脑部功能活动并不发生在安静状态下。人脑的交流互动、任务执行、感知刺激、运动准备、行为反应等过程，都更接近清醒、自然和运动状态。传统固定式脑PET在这些场景下开展研究存在明显限制。

为此，研究团队历时4年攻关，提出了一种头戴随动式脑PET系统，他们采用环形头戴式结构，围绕人脑构建成像视野，包含了192个探测器模块，采用高性能闪烁晶体与硅光电倍增管相结合对大脑功能成像进行探测。该系统整机重量约6公斤，可实现受试者在坐姿、站立、头部自然运动和轻度活动状态下开展脑PET成像研究，突破了传统固定卧位PET设备对人体姿态和行为状态的限制。

头戴随动式脑PET系统在坐位扫描、背包式支撑及自然坐姿的使用场景。研究团队供图

其中，探测器是整个系统最核心、最关键的器件，探测器负责捕捉核素释放的伽马光子、转化成图像信号，是设备性能的命门。“这一关键器件的结构设计、读出电子学、系统集成和关键算法均由团队自主研发，彻底规避了知识产权风险。”深圳湾实验室助理研究员、论文共同作者张义彬介绍。

“我们的核心思路是让PET的成像系统围绕头部构建探测视野，并尽可能跟随头部运动，使探测器与脑部之间保持相对稳定的位置关系，让传统脑PET从‘人适应设备’转向‘设备适应人’。”论文通讯作者彭旗宇表示。

实现毫米级高分辨率成像

研究团队根据目前国际上采用的PET行业标准——NEMA NU 2-2018标准，系统评估了头戴随动式脑PET系统的物理性能。

研究结果显示，该系统中心视野空间分辨率为 2.29毫米，灵敏度为 720.2 计数每秒每兆贝克勒尔，峰值噪声等效计数率为 4.67 千计数每秒，散射分数为 29.5%，飞行时间分辨率为 234 皮秒，能量分辨率为 10.8%。在图像质量验证中，该系统能够清晰显示Hoffman脑仿体中的主要脑结构，并可分辨小至 1.7毫米的热杆结构，体现出优秀的高分辨率脑成像能力。

在癫痫患者的脑成像验证中，与临床中常用的主流进口的PET设备（Discovery MI PET/CT扫描仪）相比，新系统对患者的大脑皮层摄取模式清晰、灰质分布边界分明、脑回解剖结构完整，成像效果可与其媲美，且穿戴舒适度与临床可行性表现良好。

这些结果表明，头戴随动式脑PET不仅在设备形态上具有创新性，也具备开展脑专用PET成像临床和脑科学研究所需的基础性能。它使脑分子功能成像从固定检查室走向更开放、更自然、更贴近真实脑活动状态的应用场景成为可能。

为脑疾病诊断打造国产尖端影像设备

脑疾病已成为影响人民生命健康和生活质量的重要挑战。阿尔茨海默病等认知障碍、癫痫、帕金森病、精神神经疾病等重大脑疾病，往往涉及复杂的脑代谢、神经活动和功能网络变化，对早期诊断、精准评估、机制研究和疗效监测提出了更高要求。

PET作为重要的分子影像技术，能够从代谢和分子功能层面观察活体大脑，是理解脑疾病机制和开展精准诊疗的重要工具。但长期以来，高端脑PET设备通常体积大、成本高、部署空间要求高，主要集中在大型医院和高水平研究平台。

对于更广泛的临床机构、基层医疗场景以及公共健康服务体系而言，高质量脑分子影像技术的普及性仍有待提升。

2022年初，彭旗宇结束在美国近20年的教职工作，回国加入深圳湾实验室，聚焦瞄准高端脑成像装备自主研发。四年时间里，他带领团队从探测器实验、机械加工到电路焊接、整机测试、算法研发、软件开发，实现了该系统从0到1的突破。

“这一国产设备采用更加轻量化、紧凑化和场景化的设计，体积小巧，成本相较于其他设备大幅降低。随着该设备的工程化优化、临床验证和转化，有望显著降低脑PET部署门槛，为基层医疗、社区筛查和全球中低收入地区脑健康服务提供新的可能” 彭旗宇表示。

在临床应用方面，该技术有望服务于阿尔茨海默病等认知障碍、癫痫、帕金森病、精神神经疾病等患者群体，尤其是对难以长时间保持安静配合扫描的患者，可能提供更加友好的脑成像方式。对于一些症状具有波动性、状态依赖性或运动影响明显的脑疾病，头戴随动式脑PET也有望为疾病机制研究、诊断评估和疗效监测提供新的观察窗口。

彭旗宇介绍，未来研究将继续围绕头戴随动式脑PET系统性能优化、定量成像、运动校正、多模态同步采集和临床场景验证开展深入研究，推动该技术在神经核医学和脑科学研究中的应用转化。

相关论文信息： https://doi.org/10.2967/jnumed.125.271350

主题：头戴随动式脑PET系统|脑科学研究