3. 1.成长中的深圳湾先进分子影像团队（AMIL-SZBL）

14. 1.1 简介

15.         2022年4月底，深圳湾实验室生物医学工程研究所的科研场地装修完毕，我们开始启动实验室建设。2022年7月下旬，我们招收的第一批研究生、招聘的工程师等成员开始进入课题组。团队的绝大部分成员们，都是进入课题组后才开始了解PET。大家夜以继日地学习和工作，在巨大的压力下快速成长。在一年多的时间内，团队在系统仿真、图像重建、机械设计、探测器设计、电子设计、软件设计、动物实验、探针研发等PET系统所有关键技术的研发中，陆续取得重大突破和进展。

16.         到今天，团队已经完成了全部核心技术的研发：探测器空间分辨率（突破0.25mm）、时间分辨率（突破150ps）等关键技术指标达到世界顶尖水平；新一代电子系统的性能指标超过预期，使我们能够从容的设计从全球最小到最大的各种先进PET系统；系统仿真设计、高性能图像重建算法、物理校准算法全线贯通，新一代超分辨和动态成像算法研发取得长足的进展。

17.         在这一征途中，我们团队有5套先进的PET系统陆续进入成像测试阶段，其中包括了深圳首台高性能小动物PET/CT（已经完成260多例动物实验）、全球首台小鼠穿戴式PET（已经完成10余例清醒和麻醉小鼠成像）、深圳首台高性能小动物PET/MRI（完成成像测试，正在进行系统集成测试）、全球首台人脑穿戴式可移动TOF-PET（完成包括Hoffman脑模体在内的所有成像测试，等待伦理）、高分辨率高灵敏度人脑DOI-TOF-PET（完成模体成像测试）。这些工作越来越受到国内外同行的关注。我们相信，AMIL-SZBL团队终将破蛹成蝶，成长为具备全球竞争力的先进PET技术研发团队。

1.2 我们的目标

        我们的主要目标是在下一代高性能PET、PET/CT和PET/MRI的核心技术和方法上取得重大进展。这些进步旨在增强癌症、神经系统疾病和心血管疾病的临床诊断和治疗解决方案。另一个目标是开发可穿戴和移动大脑TOF-PET，解决传统静态大脑成像技术固有的局限性。这一目标旨在实现清醒、活跃、参与任务和自然环境中的动态全脑功能成像，从而为神经科学研究和阿尔茨海默病（AD）和帕金森病（PD）等主要脑疾病的临床诊断提供新的工具。

1.3 我们的经验

        美国劳伦斯伯克利国家实验室（现代核医学的发祥地）：与美国两院院士、美国工程院常务主席Budinger博士、Derenzo博士（著名Derenzo模体以他的名字命名）、Moses博士等现代TOF-PET技术的奠基人，共同从事高性能TOF-PET研发工作16年，任终身科学家（Career Scientist）。两项重大国际合作项目的发起成员（OpenPET核影像电子系统标准项目、全人体EXPLORER PET项目）。主持了314ps Tachyon I TOF-PET 探测器和系统（PMT  TOF-PET时间分辨率的世界纪录）、127ps超高时间性能Tachyon II TOF-PET 探测器（率先在实用PET探测器时间性能批量测试中，突破150ps瓶颈）、世界首台的连续晶体环PET、250ps人体全身TOF-PET/CT等先进PET探测器和成像系统的研发；参与世界首台反应深度乳腺癌症诊断PET系统、超高灵敏度类球形体脑部PET、前列腺癌症诊断PET系统、超声-PET等先进PET成像系统的研发。累计发表论文 170余篇，申请专利 60余项。

        深圳湾实验室：组建了首个“仪器研发—探针研制—临床应用”一体的PET分子影像合作创新团队、创建了深圳湾首个临床合作中心（深圳湾-中大七院共建分子影像中心）、支持了深圳湾实验室孵化的首家公司、研发了超高分辨率的0.25mm PET探测器（已知全球最小的微截面晶体阵列探测器）、研发了0.5mm分辨率PET系统、研发了深圳首台高分辨小动物PET/CT、研发了世界首台穿戴式小鼠PET和首台可穿戴移动式人脑TOF-PET。正在研发的项目还包括超高性能全脑PET、深圳首台小动物PET/MRI和世界首台具备DOI功能的宽景TOF-PET/CT等。

1.4 交流与合作

        基于我们在长期研发工作中，对分子影像技术未来发展趋势的思考，以及对适应这一发展趋势的、世界一流的分子影像技术研究团队的组成架构的思考，我们正努力在深圳湾实验室构建国内首个“仪器研发—探针研制—临床应用”一体的PET分子影像合作创新团队。

        同时，我们期待与全球更多的优秀科研团队、医院、高校和企业建立紧密合作关系，共同解决分子影像领域的科学问题，让先进PET分子影像技术更好地服务于科学和临床，更好地服务于人类的健康事业。

2.正电子发射断层扫描简介（PET）

2.1什么是PET? 

        正电子发射成像（PET）是一种先进的分子影像技术，用于观察人体内生物活性的分子过程和代谢活动。它通过检测放射性标记的生物分子，如葡萄糖、蛋白质、或药物，在体内的分布和浓度来提供有关身体组织和器官功能的信息。临床上广泛应用于肿瘤、脑疾病和心血管系统疾病的诊断，科研上广泛应用于动物成像和药物研发。

2.2 PET 的科学与临床价值

        在已知的分子成像方法中，PET具有最高的分子灵敏度，可以准确检测100皮摩尔以下生物体的代谢过程。 这种灵敏度比 MRI 高大约四个数量级。 由于人体细胞、组织和器官的代谢或功能异常先于临床症状出现，因此 PET 图像通常比 CT 或 MRI 的解剖图像更早地揭示病理特征。 因此，PET 扫描在神经科学研究和阿尔茨海默氏病 (AD)、帕金森氏病 (PD) 和癫痫等主要脑部疾病的诊断中变得不可或缺。 例如，PET分子成像是AD临床诊断的“金标准”，也是唯一能够定量分析活体大脑中Aβ斑块和tau蛋白缠结异常积累的成像技术。 PET成像可在临床诊断前约10～15年准确检测AD病理，在临床前评估和预后评估中发挥着不可替代的作用。

2.3 PET面临的技术挑战

      现代PET显像技术层面的两大难题分别是：分辨率问题和灵敏度问题。而PET显像的性能很大程度上取决于PET探测器的性能。（1）分辨率问题：受到微截面晶体制造和加工、光电测量系统、解码算法等技术的限制，设计实现晶体截面尺寸小于0.5 mm的PET探测器极具挑战性，是PET分子影像技术朝着显微成像的方向发展过程中的主要障碍。（2）灵敏度问题：PET显像受到同位素剂量的限制，因此PET图像的信噪比显著地得低于CT、MRI等解剖学图像。解决这个问题的关键是TOF 飞行时间技术和深度学习技术。TOF技术通过精确测量正电子的湮灭位置，提高系统的有效灵敏度和图像信噪比。由于闪烁光子在晶体内传输时的光损失等方面的影响，现有商品化PET系统的TOF还只能达到200ps左右。我们团队正在开展的250μm以下的超高分辨率、100ps超高时间分辨率、超宽景和超高灵敏度等先进PET探测器和系统技术的研究，将有力地推动PET分子影像技术的发展。

2.4 PET技术发展新趋势：移动成像

     在主动、特定任务和自然环境中使用 PET 进行大脑功能成像在认知研究、大脑功能区研究以及理解和治疗大脑疾病方面具有巨大价值。 然而，目前的脑功能成像，包括PET和MRI，只能在固定位置进行，不能完全满足神经科学和临床研究的需求。 为了满足神经科学研究的需求和脑功能成像的重大趋势，AMIL-SZBL 正在开发首款用于大脑的可穿戴式移动 TOF-PET。 这种创新方法颠覆了传统的固定成像，开创了在活跃、特定任务和更自然的环境中对动物和人类大脑进行功能成像的先河。

3. AMIL-SZBL 正在进行的研究项目

3.1 AMIL-SZBL的主要研究兴趣

    （1）PET核心技术研发。 包括高时间和空间分辨率的伽马探测器技术、核电子学技术、基于深度学习的图像重建和处理技术等技术在内的，先进正电子发射成像（PET）关键核心技术的研发。例如，团队正在进行100ps超高时间分辨率、超宽景和超高灵敏度、250μm以下的超高分辨率等先进PET探测器技术研究，有望推动PET分子影像技术朝着显微成像的方向发展。

    （2）开发新一代高性能PET、PET/CT和PET/MRI系统以及PET引导下的放射治疗系统，以满足科学和临床需求。 例如，正在进行移动式可穿戴脑部TOF-PET系统的研发，有望颠覆传统静卧成像方法，实现动物及人类在清醒、活动、任务和更自然环境下的全脑的动态脑功能成像，为脑科学研究、重大脑疾病（AD、PD等）的机制研究及临床诊疗，提供全新的工具。

    （3）高性能PET分子影像技术、设备和方法,在癌症、脑部疾病、心血管疾病的机理研究和临床诊治中的应用和转化。 例如，正在研发的心脏专用 TOF-PET 系统，有望为缺血性心脏病、心力衰竭、心脏炎症和瓣膜疾病等重大心血管疾病，提供高性价比的诊断工具。

3.2 高分辨率小动物PET/CT和PET/MRI

        课题组成功研发了深圳首台截面晶体为1 mm的高分辨率小动物PET/CT系统。北京大学、南方医科大学、南方科技大学、中山大学、深圳湾实验室和中科院深圳先进技术研究院等科研单位的不同课题组，采用这台系统进行了260余次的小鼠显像和科学研究，内容涵盖了放射分子探针研发、肿瘤和神经系统疾病的诊断和治疗研究，为大湾区的科学研究提供了先进的技术支持。基于此，AMIL发起了一家致力于小动物PET系统转化的公司。 这是深圳湾实验室成功孵化的第一家企业。

3.3 超分辨PET探测器及系统

        考虑到生物模型中常用的小鼠和大鼠的器官体积远小于人类，因此实现高空间分辨率对小动物PET显像至关重要。微截面晶体构建PET探测器的技术，是实现超高分辨率显微PET分子和功能成像的关键技术。然而，受到微截面晶体制造和加工、光电测量系统、解码算法等技术的限制，设计实现晶体截面尺寸小于0.5 mm的PET探测器极具挑战性。课题组成功研发了晶体截面为0.5 mm的高分辨率PET探测器，实现了小动物PET系统和图像空间分辨率0.5mm的突破。课题组最新研制的基于0.25×0.25×6.25 mm3的微尺寸LYSO: Ce晶体的16×16的晶体阵列PET探测器，是已知晶体截面面积最小的PET探测器，有望推动PET分子影像技术朝着显微成像的方向发展。

3.4可穿戴移动式小鼠PET系统

        传统小动物PET成像时，需要进行麻醉。麻醉剂严重干扰大脑和神经系统的代谢，严重削弱了PET这一分子灵敏度最高的功能成像技术在脑科学研究中的应用。针对脑科学研究的需求，我们团队研发了世界最小的小鼠穿戴式成像系统。有望颠覆小动物深度麻醉下成像的方法，实现小动物在清醒和活动状态下的脑功能的成像，为脑科学研究提供一种强大的工具。

3.5可穿戴移动式人脑TOF-PET系统

        活动、任务和自然环境中的PET脑功能成像，在包括认知研究和脑区功能研究在内的脑科学研究，及脑疾病的机制和诊疗研究中，均具有重大的价值。然而，目前包括PET和MRI脑功能成像都只能在静卧状态下进行，难以满足脑科学研究和临床研究的需求。针对脑科学研究的需求，及脑功能成像技术的重大趋势，我们团队正在研发移动式可穿戴脑部TOF-PET，颠覆传统静卧成像方法，率先实现人类在活动、任务和更自然环境下的脑功能成像。

3.6具备DOI功能的超宽景TOF-PET系统

        传统PET/CT的轴向视野通常为16~24cm，其缺点是系统灵敏度低，覆盖区域小，只能通过多床位图像拼接得到全身的图像，无法进行多器官同时成像。轴向视野为1.4米以上的超宽景TOF PET/CT系统，能够大幅度提高系统灵敏度，能够对人体全身各个器官同时进行动态成像，在科学研究和临床应用上都有很大的潜在价值。我们团队负责开发具有DOI功能的下一代超宽FOV TOF-PET/CT系统。这个工作有望首次在超宽景PET系统中实现DOI功能，推动高分辨率超宽景PET技术及应用的发展。