大家都知道， CT具有很高的分辨率，那什么是PET呢？PET全称叫正电子成像，原理是把能发射正电子的放射性核素打到身体里。PET-CT集合两种超能力，对于治疗疾病，它有什么神奇之处呢？

出品："SELF格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）

以下内容为上海联影医疗科技有限公司安少辉演讲实录：

什么是PET-CT

我是做影像设备的，今天跟大家讲一讲我们做探测器产品研发的故事。

大家经常会去医院，现在医院的很多工作都是流程化的，即便你感冒了，去医院后，有两件事情也是必须要做的，一个是验血，一个是拍片，拍片就会用到影像设备。

为什么患病了都需要拍片检查呢？因为拍片是在不打开人身体的情况下，就能够看到你身体内部组织变化的最有效的手段，它可以给医生提供辅助信息，帮助医生来做判断。

大家可能听过很多影像设备，比如CT、核磁（MRI），但PET-CT可能听得就比较少了，这是一种对脑功能成像以及人体内部成像都有一些特殊检查效果的技术。

PET-CT概念图

PET-CT的工作流程，是让病人先经过一个CT探测器，再经过一个PET探测器，先后生成两张图像，再经过高精度的信息融合，得到一副图像，最终给医生提供一些有益的成像诊断信息。

基于成像原理，CT可以达到很高的分辨率。不过，CT的探测只侦测人体内部某一组织结构的密度，通过密度来将组织的情况反映到图像上。

PET全称叫正电子成像，原理是把能发射正电子的放射性核素打到身体里。例如常用的核素是葡萄糖，打入身体里后，因为人体的细胞、组织都需要进行能量交换，它们进行能量交换的时候会吸收糖分，根据细胞的活跃度，葡萄糖就能在人体内部有所分布。这样PET就可以得到全身组织代谢的活跃度信息。

如果有的地方葡萄糖浓度比较高，那就说明这个地方的细胞活跃性比较强。同理，如果有的地方出现功能退化，那么这个地方葡萄糖的浓度就会比较低，说明细胞的活跃性比正常人低。

PET-CT就是结合PET和CT的成像优势一次性对人体进行成像，可以既定位又定量的反应组织代谢情况的设备。

2015年以来，很多人都在谈论精准医疗，什么叫精准医疗？实际上是指，有些人虽然病症一样，但是发病机理不同，医生要通过对个体的差异化治疗来达到最好的治疗效果。

举个例子，现在我们经常会看到这样的新闻，说某某某又发现了一个能攻克什么癌症的药物，这个药物已经通过认证，以后大家可以购买。但实际上，该药物只是对某一基因突变引起的癌症有效，不一定适用于所有的同病症癌症病人。

那么，怎么证明这个药是有用的？其实PET- CT就是一个很好的辅助工具。

PET发展史-新旧对比

PET在20世纪60年代被发明，不过那时技术落后，探测孔径非常小，只能容纳病人的头部做扫描。随着技术的发展，现在的PET已经能将孔径做到很大了，基本能对病人进行全身的扫描。

PET发展史-新旧对比

早期探测用的晶体材料尺寸都很大，但现在我们已经可以实现毫米量级的多根晶体拼成的阵列，这样一来，探测的分辨率高了很多。

PET技术刚开始远没有CT普及得那么快，因为从原理上来说，它的分辨率没有办法做到很高。

但是PET-CT被发明出后，加上PET的探测器技术进一步提高，现在的图像已经能够把脑部里面结构最复杂的很细节的东西反映出来了。

uEXPLORER 探索者的诞生

跟大家分享一个数据：美国每年新增癌症患者大概160万，中国每年新增癌症患者大概420万。

而PET-CT每百万人的平均享有量，2012年美国大概是5台，日本大概是3台，中国只有0.1台。

2017年的时候，每百万人平均享有PET-CT的数量，中国到了0.3台，但是同时，美国涨到了8台。所以，我们的人均拥有量是远远落后的。

刚才提到PET-CT在国内目前每百万有0.3台，现行主要的国际厂商是西门子、飞利浦和GE等。

我所在的公司从2011年开始涉足这一领域，并于2013年推出了第一代PET-CT产品，适用于在医院里做常规的人体扫描。

我想跟大家介绍的一款特殊产品叫uEXPLORER，就是探索者的意思，因为这台机器是全球第一台，之前从来都没有出现过。

uEXPLORER

这台设备，我们叫它“人体内部的哈勃望远镜”。它可以实现全身所有组织3D实时成像。它的结构也是将CT和PET放在一起，但是PET的轴向长度达到了两米，基本能覆盖人全身，所以我们也叫它两米PET。

那么它跟传统PET到底有什么不一样呢？

现在医院常用的PET比较短，一般一二十厘米长，不能覆盖人体的各个位置。但是给病人注射的药物是在全身分布的，因此要获得全身的影像，PET就需要给每一个部位拍一张照片，然后把这些照片拼接起来，形成一张整体照片，这相当于一个PS的过程。

这种模式整机探测效率比较低，因为在扫描人体局部的时候，其他位置放射的光子是探测不到的。

普通设备，一般注射到病人体内的药物每放出100个光子，真正被仪器探测到有用的光子只有一个。如此一来，为了能够实现更高清的图像，医生可能会给病人多注射一些药物，从而保证图像质量能达到诊断的效果。

这些问题其实也是困扰PET行业发展的一个瓶颈。PET业界的人也一直在思考到底怎么解决探测效率问题。

如何克服这些局限

20世纪90年代，英国科学家Terry Jones提出要做一台能覆盖人全身的探测器。可是说起来容易做起来难，资金投入高，技术难度大，也不知道做出来到底有没有意义。

他的团队这些年一直在做一些模拟的工作。比如说在计算机上建模，通过得到的模拟数据去分析这样覆盖全身设备的意义。

2004年，日本也尝试做了一台类似设备，但各种原因导致这台设备并没有取得成功。

从2004年开始，Terry和他的合作伙伴就在申请美国国家项目，但一直没能获得资助，因为这个设备造价和工程难度都很大，需要详细的论证。

2015.11IEEE年会首次接触，15min技术报告；2016.01项目团队代表首次现场考察

2015年美国排名前三的PET实验室——劳伦斯伯克利国家实验室、UC Davis（美国加利福尼亚大学戴维斯分校）和UPenn（宾夕法尼亚大学）联合申请，终于获得资助来研发这个设备。随后，他们（EXPLORER团队）在全球范围内征集工程技术方案。

我们公司2013年推出了第一款国产PET-CT设备，2015年，我们进行了技术升级，替换了一个别人没用过的器件。

这之前这一器件发展程度并不是很好，但我们一直在努力，直到2015年这个器件有了一个很大的提升，所以同年我们就推出了一款新技术的PET-CT，当时它的轴向视野和分辨率都是世界第一。

2015年11月，我们在参加IEEE（国际电气和电子工程师协会）会议的时候，展出了这款产品，也向EXPLORER团队的成员做了一个15分钟的技术报告。

他们听了以后，认为我们的技术方向代表了未来，而且更容易实现全身同时扫描这个需求。新一代设备推出之后，国内市场风向也迅速变化，采用上代技术的设备基本没有销量了，大家都把兴趣转向了这种基于新探测器的PET-CT。

在听完我们的技术报告三个月后，EXPLORER团队派代表到了中国，对我们进行现场考察。当时的考察会我也参加了，我们不同部件的负责人分别向他们讲解自己的核心技术，包括我做的探测器，还有电子学，重建算法，软件工作流，外观工艺设计，等等。

所有这些既展示了我们的实力，也深深打动了他们，所以经过评估，他们最终选取了我们作为工业界唯一的合作伙伴。

这台设备说起来好像就是变长了而已，为什么这么多年就做不出来呢？到底难点在什么地方？

设备变长意味着探测器的数量大大增加了，而其中晶体的阵列的一致性就要保证比原来的水平高很多。工艺加工精度，表面处理的细节等都要做得更好。

两米超长轴向视野/超高灵敏度/全身动态采集

其次，机器变长，扫描范围也就增加了。药物进入人体后释放的光子是随机的，入射角度也是大不相同，因此产生的数据量特别大，前端要经过很严格的筛选，才能把有用的数据拿下来，因此海量数据的处理也是一个难点。

再次，PET之所以能够诊断分子级别的功能的细节，是因为它可以做到定量查看细胞的活跃程度。

比如说癌细胞，用普通影像设备做检查，是判断不出它的活性的，但PET-CT可以对癌症细胞的活跃程度进行定量分析。

这个两米的设备在如此长的轴向下，在整个探测器环的范围里要保证所有位置点的成像精确度和一致性，这是很难实现的。

1分钟接近2.4T数据量

关于海量数据处理的难度问题，我简单举例说明。我们公司2015年的那款PET，轴向探测长度为30厘米，现在这个PET是2米长，相当于6～8个PET合在一起的长度，理论上，探测效率会提高8倍。

但实际上，因为机器是连在一起的，不同的部位都可以接收到数据，所以事实上，整机的探测效率相当于一个普通的PET的40倍。

这是什么概念？现在普通PET的扫描需要10-20分钟，40倍的效率意味着uEXPLORER只要15秒就出一张能够满足基本临床诊断要求的全身3D图，这是一个很大的突破。

另外，uEXPLORER里有很多探测器，用了56万根晶体，而普通PET里只有3万根晶体，这两个数量也是不可同日而语的。

用PET-CT进行探测的时候，探测的是光子的响应线，它每次会发一个背靠背的一对的光子，我们要把它们的径迹找出来，响应线在这个机器上是91个billion，也就是910亿的可能。

每采到一个数据，除了要判断这个数据是不是有效的，还要把它放到一个910亿的数组里面进行计算，所以处理数据非常难。

因为数据量庞大，数据带宽就有300G，相当于一分钟要保证能存2.4T有用的数据，而且这并不包括前端电子学剔除掉的没用数据，如此算来，总的数据大概是2.4T的10倍！这些都是我们需要解决的问题。

2017年5月，局部原型机验收

在做两米PET之前，我们先做了一个长50厘米的局部原型机，放到了UC Davis的一个兽医学院。

当时为了技术对比，Upenn团队也通过订制做了一台长70厘米的设备。我们双方将获得的图像进行对比，很明显，我们的设备分辨率和灵敏度都要高很多，所以EXPLORER团队最终选择了我们的技术。

2018年1月，原型机Mini EXPLORER 安装在UC Davis

图像来源：US Davis VET school

第一幅图是我们装机的图，第二幅是正在扫描一条生病的狗，第三幅图就是这条狗的扫描影像。图像专家说，以前从没见过如此高清晰纹路的腹部扫描图像。

大家看，图像显示狗腹部最下方有两个亮点，那两个亮点表示对应的部位是有一定炎症的。

2018年5月，uEXPLORER硬件完工，上海庆祝会

世界首台全景动态扫描PET-CT uEXPLORER探索者孔径

在做验证样机的同时，团队也在做整机。2018年5月，整机的硬件首次集成完成，这是当时的一些照片。黑色的就是我们整机的所有的探测器，这些模块都是在联影内部加工完成，看起来非常完美。

uEXPLORER的成功，意味着我们已经进入了一个无人区，以前大家都会发表一些文章介绍PET-CT怎么解析图像，怎么处理数据，怎么做校正……。

但这些对uEXPLORER来说都发生了变化，因为uEXPLORER得到的数据和反映的物理现象与以前的规律完全不一样，这也需要我们做很多实验去寻找适合我们的校正算法，去修改原有分辨率的处理方法，等等。

这张图拍的是我们自己做的一个模体，保证在两米范围内都能扫描到的一个模体，这个模体可以注射药物进行模拟扫描验证系统状态。

EXPLORER团队的人员很兴奋，表示自己要亲手搬一搬，特别是对于已经80多岁的Terry 来说，能看到我们这台机器的成功研制，他表示自己的梦想终于实现了。

研发团队

我们的研发团队成员其实都很年轻，相对没有国外的团队有经验，不过我们比较刻苦、勤劳，学习能力也比较强，所有人都想尽最大努力将这台设备研发出来。

图中是《Science》的一个子杂志，讲述了total body两米的事情。整个项目非常具有挑战性。即便基于原有的技术，依然花费了三年才完成。

2018年12月，我们拿到了FDA认证，这也意味着，这台机器不是一台简单的机器。不是仅搭建出来就可以，要作为产品进入医院，能对病人进行扫描，这比单纯制作一台实验机器的要求要高得多。

药物在人体内分布的3D影像图

全球首幅3D实时人体全景图像

大家看这张图，它是全球第一张通过扫描人体而实时获得的药物在人体内分布的3D影像图。

药物从病人手臂注入，随后逐渐进入心脏、血管、脑部等部位，我们可以圈定身体的任何一个部位，查看药物在其中的分布情况。

独有的3mm以下分辨率

通过这张图查看药物注射半小时和一小时后的不同。比如半个小时的时候，药物还在人体的血管里，但一小时后就已经进入到一些关键组织里去了。

新款PET-CT对现在医院的工作流也有借鉴作用。患者众多，医院可能等不了那么长时间，所以有的患者在注射完药物后三四十分钟后就开始接受扫描了。

如果扫得太早，现有的设备是看不出来药物在人体内的真正分布情况的，但我们做的这款PET-CT能看到大腿骨里的脊髓和脑部极细小的情况，这些都是常规PET做不到的，对于进行脑功能研究的科研人员来说，它也是很好的工具。

Human Images Unveiled @ 2018 IEEE MIC & RSNA

2018年11月，我们团队参加了全球最大的核医学设备展。在那次展览上，我们展出了刚才提到的世界第一幅人体3D全景图和一台样机。

会展三天，人头攒动，很多竞争对手和供应商都来看这台设备，他们纷纷评价，uEXPLORER的清晰度基本可以秒杀现在所有同类商用设备。

2018年IOP评选的年度十大科学突破

《Physicsworld》

12月25号，《Physicsworld》杂志将我们的研制评为年度十大科技突破。

探索者PET与传统PET的对比

刚才说过，uEXPLORER不是简单的硬件设备，后续我们还有很多工作要做。2019年3月，我们要把它运到美国，和美国的科研人员合作开发一些应用。我们可以看到这个图像的