清华工物系团队在自准直SPECT高分辨率成像研究领域取得新进展

单光子发射断层成像（SPECT）属于临床四大影像诊断技术之一的核医学影像技术，广泛应用于肿瘤、心血管、神经、内分泌等重大疾病诊断。然而，多年来，SPECT空间分辨率和探测效率严重受限于机械准直器，其成像空间分辨率（临床SPECT分辨率约为1cm）显著落后于其他影像技术。

为此，清华大学工物系团队提出“用探测器做准直器”的创新自准直成像方法，通过使用多层稀疏探测器进行光子准直，解决机械准直器造成光子大量损失的技术瓶颈问题，从而显著提升SPECT空间分辨率和探测效率。该团队2021年在《IEEE医学成像汇刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）上发表了首篇研究论文，提出了自准直成像的概念并验证了自准直SPECT可大幅度提升分辨率和探测效率。

然而，自准直SPECT的准直机理和系统结构与传统SPECT截然不同，因此经典的SPECT分辨率分析方法不再适用，自准直SPECT的高分辨率形成机制尚未明确。该团队的一项最新研究于4月10日发表在《IEEE医学成像汇刊》（IEEE Transactions on Medical Imaging）上，题为“自准直SPECT的投影概率密度函数和采样增强的特性和评估”（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，阐述了SPECT投影概率密度函数（projection probability density function, PPDF）特性和空间采样特性对分辨率的影响规律和作用机理，并应用于自准直SPECT成像性能分析。


针孔SPECT和自准直SPECT的投影概率密度函数（PPDF）示意图

在经典教科书中，SPECT空间分辨率通常定义为PPDF的半高宽（full width at half maximum, FWHM）。然而，本研究表明，PPDF的FWHM并非决定分辨率的唯一因素。通过分析具有特定PPDF的概念性成像系统，研究发现成像系统的空间分辨率同时取决于PPDF的宽度（以FWHM衡量）、边沿陡峭程度（以边沿梯度衡量）和空间采样密度。当PPDF的FWHM更小、边沿梯度更大、空间采样密度更高时，成像系统的空间分辨率更好。通过对比针孔机械准直SPECT和自准直SPECT表明，自准直SPECT的大部分投影概率密度函数具有更小的FWHM和更大的边沿梯度。结合增强采样的数据采集方案，空间分辨率能够得到显著提升。


基于概念成像系统的SPECT分辨率（以冲击响应函数幅值定量表示）特性分析

该研究既是对SPECT成像理论的进一步完善，也是对高分辨率SPECT系统的设计指导。理论计算性能评估和模拟实验图像重建的结果表明，该研究设计的一种自准直小动物SPECT系统在相同成像条件下，其成像性能显著优于多针孔SPECT。


理论计算和模拟实验表明自准直SPECT在相同成像条件下性能显著优于多针孔SPECT

论文第一作者为清华大学工物系2020级博士生张德斌，论文通讯作者为清华大学工物系马天予副教授。美国纽约州立大学布法罗分校的姚如涛（Rutao Yao）教授对研究方案设计作出了重要贡献。论文共同作者还包括清华大学核医学团队的工物系刘亚强研究员和清华长庚医院何作祥教授。研究得到国家自然基金、北京市自然科学基金、清华大学自主科研计划、清华大学精准医学研究院等的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1109/tmi.2023.3265874