高端医学放射影像设备关键成像新技术与应用

医学CT、PET和PET-CT作为高端医学放射影像设备的杰出代表，为人类肿瘤早期数字化诊断带来革命性影响。然而，其临床应用仍面临高X线电离辐射和低空间分辨率带来的随机性癌症诱发和疾病高误诊率等难题。

为此，斯坦福大学、密西根大学及西门子、通用等公司长期从事相关研究。该团队十余年来亦瞄准这些难题开展关键成像技术攻关。

囿于已有商用成像技术多采用解析或半解析重建方案，未从数据本源特性入手利用数据采集系统统一建模原理与优化理论，该项目的核心发明思想是：创建基于数据本源特征和数据采集系统建模耦合驱动的最优化迭代重建模式。面向CT、PET和PET-CT三大成像模态，构建相应成像过程中多阶段数据特征刻画模型，以实现低剂量、高分辨、高精度关键成像技术。

主要技术发明点如下：

（一）开拓了数据本源特征分析与统一建模方法。囿于成像任务和模态不同，分别采用任务驱动的大量重复实验进行数据本源特征分析，提出了低光子量投影数据统计分布模型；构建了高分辨范例图像数据典型结构特征分布模型，以及动态成像中的投影序列/图像序列相关性特征分析模型等；构建了跨模态图像之间的非线性映射关系和不同模态间多维特征映射模型。上述模型构建源于特定成像任务和模态，部分成像新技术性能实现近60%的提升。

（二）拓建了数据-系统耦合驱动高分辨成像技术。直面医学CT和PET-CT成像难题，将上述数据本源特征分析耦合数据采集系统模型一并纳入高分辨图像迭代重建模式。如基于低光子投影数据统计与范例图像典型结构特征模型的弱辐射CT高分辨成像技术，使辐射剂量较常规检查降低50%以上；基于距离和特征相似性约束的PET高分辨成像，信噪比较国际已有方法提升近30%；基于模态映射的PET高分辨成像，消除了50%以上图像噪声与伪影。

（三）创新了高精度信号采集与专用系统校正技术。基于硬件的高精度信号采集与专用系统校正是确保高分辨成像精度的先决条件。如针对颅骨扫描需避免眼睛X线直射，提出了区域自适应螺旋扫描数据采集技术，保护眼睛的同时辐射剂量降低近30%；如针对焦点偏移成像分辨率下降，提出了焦点偏移误差预估系统校正技术，使成像分辨率提升近10%；如针对PET假阳性问题，提出了基于信息散度距离的PET-CT衰减校正技术，误诊率大幅降低。

在国家973计划与科技支撑计划等项目支持下，该项目建立了高端医学放射影像设备关键成像新技术研究体系，突破国外技术封锁，产生70件自主知识产权，其中发明专利41件；发表SCI论文92篇；部分成果获广东省技术发明一等奖。

与影像企业联合攻关，打破国际垄断，研发中国首款64层CT及128层高端CT、PET、PET-CT等产品，先后取得CFDA和FDA认证。近三年，产品销售近2000台，销售额达22.7亿元，创利润超11亿元，每年完成近数千万人次影像检查，经济和社会效益显著。

院士鉴定评价：低剂量CT成像技术处于国际领先水平；查新报告表明：除本项目组外，国内外无同类系统性研究报道。

医学CT、PET和PET-CT作为高端医学放射影像设备的杰出代表，为人类肿瘤早期数字化诊断带来革命性影响，但其临床应用仍面临高X线电离辐射和低空间分辨率带来的随机性癌症诱发和疾病高误诊率等难题。为此，斯坦福大学、密西根大学及西门子、通用等公司长期从事相关研究，该团队十余年来亦瞄准这些难题开展关键成像技术攻关。囿于已有商用成像技术多采用解析或半解析重建方案，未从数据本源特性入手利用数据采集系统统一建模原理与优化理论，该项目的核心发明思想是：创建基于数据本源特征和数据采集系统建模耦合驱动的最优化迭代重建模式，面向CT、PET和PET-CT三大成像模态，构建相应成像过程中多阶段数据特征刻画模型，以实现低剂量、高分辨、高精度关键成像技术。主要技术发明点如下： (一)开拓了数据本源特征分析与统一建模方法囿于成像任务和模态不同，分别采用任务驱动的大量重复实验进行数据本源特征分析，提出了低光子量投影数据统计分布模型；构建了高分辨范例图像数据典型结构特征分布模型，以及动态成像中的投影序列/图像序列相关性特征分析模型等；构建了跨模态图像之间的非线性映射关系和不同模态间多维特征映射模型。上述模型构建源于特定成像任务和模态，部分成像新技术性能实现近60%的提升； (二)拓建了数据-系统耦合驱动高分辨成像技术直面医学CT和PET-CT成像难题，将上述数据本源特征分析耦合数据采集系统模型一并纳入高分辨图像迭代重建模式，如基于低光子投影数据统计与范例图像典型结构特征模型的弱辐射CT高分辨成像技术，使辐射剂量较常规检査降低50%以上；基于距离和特征相似性约束的PET高分辨成像，信噪比较国际已有方法提升近30%；基于模态映射的PET高分辨成像，消除了50%以上图像噪声与伪影； (三)创新了高精度信号采集与专用系统校正技术基于硬件的高精度信号采集与专用系统校正是确保高分辨成像精度的先决条件。如针对颅骨扫描需避免眼睛X线直射，提出了区域自适应螺旋扫描数据采集技术，保护眼睛的同时辐射剂量降低近30%；如针对焦点偏移成像分辨率下降，提出了焦点偏移误差预估系统校正技术，使成像分辨率提升近10%；如针对PET假阳性问题，提出了基于信息散度距离的PET-CT衰减校正技术，误诊率大幅降低。 在国家973计划与科技支撑计划等项目支持下，该项目建立了高端医学放射影像设备关键成像新技术研究体系，突破国外技术封锁，产生70件自主知识产权，其中发明专利41件；发表SCI论文92篇；部分成果获广东省技术发明一等奖。与影像企业联合攻关，打破国际垄断，研发中国首款64层CT及128层高端CT、PET、PET-CT等产品，先后取得CFDA和FDA认证。近三年，产品销售近2000台，销售额达22.7亿元，创利润超11亿元，每年完成近数千万人次影像检查，经济和社会效益显著。院士鉴定评价：低剂量CT成像技术处于国际领先水平；查新报告表明：除本项目组外，国内外无同类系统性研究报道。