大家都知道， CT具有很高的解析度，那什麼是PET呢？PET全稱叫正電子成像，原理是把能發射正電子的放射性核素打到身體裡。PET-CT集合兩種超能力，對於治療疾病，它有什麼神奇之處呢？
出品："SELF格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）
以下內容為上海聯影醫療科技有限公司安少輝演講實錄：
什麼是PET-CT
我是做影像設備的，今天跟大家講一講我們做探測器產品研發的故事。
大家經常會去醫院，現在醫院的很多工作都是流程化的，即便你感冒了，去醫院後，有兩件事情也是必須要做的，一個是驗血，一個是拍片，拍片就會用到影像設備。
為什麼患病了都需要拍片檢查呢？因為拍片是在不打開人身體的情況下，就能夠看到你身體內部組織變化的最有效的手段，它可以給醫生提供輔助信息，幫助醫生來做判斷。
大家可能聽過很多影像設備，比如CT、核磁（MRI），但PET-CT可能聽得就比較少了，這是一種對腦功能成像以及人體內部成像都有一些特殊檢查效果的技術。
PET-CT概念圖
PET-CT的工作流程，是讓病人先經過一個CT探測器，再經過一個PET探測器，先後生成兩張圖像，再經過高精度的信息融合，得到一副圖像，最終給醫生提供一些有益的成像診斷信息。
基於成像原理，CT可以達到很高的解析度。不過，CT的探測只偵測人體內部某一組織結構的密度，通過密度來將組織的情況反映到圖像上。
PET全稱叫正電子成像，原理是把能發射正電子的放射性核素打到身體裡。例如常用的核素是葡萄糖，打入身體裡後，因為人體的細胞、組織都需要進行能量交換，它們進行能量交換的時候會吸收糖分，根據細胞的活躍度，葡萄糖就能在人體內部有所分布。這樣PET就可以得到全身組織代謝的活躍度信息。
如果有的地方葡萄糖濃度比較高，那就說明這個地方的細胞活躍性比較強。同理，如果有的地方出現功能退化，那麼這個地方葡萄糖的濃度就會比較低，說明細胞的活躍性比正常人低。
PET-CT就是結合PET和CT的成像優勢一次性對人體進行成像，可以既定位又定量的反應組織代謝情況的設備。
2015年以來，很多人都在談論精準醫療，什麼叫精準醫療？實際上是指，有些人雖然病症一樣，但是發病機理不同，醫生要通過對個體的差異化治療來達到最好的治療效果。
舉個例子，現在我們經常會看到這樣的新聞，說某某某又發現了一個能攻克什麼癌症的藥物，這個藥物已經通過認證，以後大家可以購買。但實際上，該藥物只是對某一基因突變引起的癌症有效，不一定適用於所有的同病症癌症病人。
那麼，怎麼證明這個藥是有用的？其實PET- CT就是一個很好的輔助工具。
PET發展史-新舊對比
PET在20世紀60年代被發明，不過那時技術落後，探測孔徑非常小，只能容納病人的頭部做掃描。隨著技術的發展，現在的PET已經能將孔徑做到很大了，基本能對病人進行全身的掃描。
PET發展史-新舊對比
早期探測用的晶體材料尺寸都很大，但現在我們已經可以實現毫米量級的多根晶體拼成的陣列，這樣一來，探測的解析度高了很多。
PET技術剛開始遠沒有CT普及得那麼快，因為從原理上來說，它的解析度沒有辦法做到很高。
但是PET-CT被發明出後，加上PET的探測器技術進一步提高，現在的圖像已經能夠把腦部裡面結構最複雜的很細節的東西反映出來了。
uEXPLORER 探索者的誕生
跟大家分享一個數據：美國每年新增癌症患者大概160萬，中國每年新增癌症患者大概420萬。
而PET-CT每百萬人的平均享有量，2012年美國大概是5臺，日本大概是3臺，中國只有0.1臺。
2017年的時候，每百萬人平均享有PET-CT的數量，中國到了0.3臺，但是同時，美國漲到了8臺。所以，我們的人均擁有量是遠遠落後的。
剛才提到PET-CT在國內目前每百萬有0.3臺，現行主要的國際廠商是西門子、飛利浦和GE等。
我所在的公司從2011年開始涉足這一領域，並於2013年推出了第一代PET-CT產品，適用於在醫院裡做常規的人體掃描。
我想跟大家介紹的一款特殊產品叫uEXPLORER，就是探索者的意思，因為這臺機器是全球第一臺，之前從來都沒有出現過。
uEXPLORER
這臺設備，我們叫它「人體內部的哈勃望遠鏡」。它可以實現全身所有組織3D實時成像。它的結構也是將CT和PET放在一起，但是PET的軸向長度達到了兩米，基本能覆蓋人全身，所以我們也叫它兩米PET。
那麼它跟傳統PET到底有什麼不一樣呢？
現在醫院常用的PET比較短，一般一二十釐米長，不能覆蓋人體的各個位置。但是給病人注射的藥物是在全身分布的，因此要獲得全身的影像，PET就需要給每一個部位拍一張照片，然後把這些照片拼接起來，形成一張整體照片，這相當於一個PS的過程。
這種模式整機探測效率比較低，因為在掃描人體局部的時候，其他位置放射的光子是探測不到的。
普通設備，一般注射到病人體內的藥物每放出100個光子，真正被儀器探測到有用的光子只有一個。如此一來，為了能夠實現更高清的圖像，醫生可能會給病人多注射一些藥物，從而保證圖像質量能達到診斷的效果。
這些問題其實也是困擾PET行業發展的一個瓶頸。PET業界的人也一直在思考到底怎麼解決探測效率問題。
如何克服這些局限
20世紀90年代，英國科學家Terry Jones提出要做一臺能覆蓋人全身的探測器。可是說起來容易做起來難，資金投入高，技術難度大，也不知道做出來到底有沒有意義。
他的團隊這些年一直在做一些模擬的工作。比如說在計算機上建模，通過得到的模擬數據去分析這樣覆蓋全身設備的意義。
2004年，日本也嘗試做了一臺類似設備，但各種原因導致這臺設備並沒有取得成功。
從2004年開始，Terry和他的合作夥伴就在申請美國國家項目，但一直沒能獲得資助，因為這個設備造價和工程難度都很大，需要詳細的論證。
2015.11IEEE年會首次接觸，15min技術報告；2016.01項目團隊代表首次現場考察
2015年美國排名前三的PET實驗室——勞倫斯伯克利國家實驗室、UC Davis（美國加利福尼亞大學戴維斯分校）和UPenn（賓夕法尼亞大學）聯合申請，終於獲得資助來研發這個設備。隨後，他們（EXPLORER團隊）在全球範圍內徵集工程技術方案。
我們公司2013年推出了第一款國產PET-CT設備，2015年，我們進行了技術升級，替換了一個別人沒用過的器件。
這之前這一器件發展程度並不是很好，但我們一直在努力，直到2015年這個器件有了一個很大的提升，所以同年我們就推出了一款新技術的PET-CT，當時它的軸向視野和解析度都是世界第一。
2015年11月，我們在參加IEEE（國際電氣和電子工程師協會）會議的時候，展出了這款產品，也向EXPLORER團隊的成員做了一個15分鐘的技術報告。
他們聽了以後，認為我們的技術方向代表了未來，而且更容易實現全身同時掃描這個需求。新一代設備推出之後，國內市場風向也迅速變化，採用上代技術的設備基本沒有銷量了，大家都把興趣轉向了這種基於新探測器的PET-CT。
在聽完我們的技術報告三個月後，EXPLORER團隊派代表到了中國，對我們進行現場考察。當時的考察會我也參加了，我們不同部件的負責人分別向他們講解自己的核心技術，包括我做的探測器，還有電子學，重建算法，軟體工作流，外觀工藝設計，等等。
所有這些既展示了我們的實力，也深深打動了他們，所以經過評估，他們最終選取了我們作為工業界唯一的合作夥伴。
這臺設備說起來好像就是變長了而已，為什麼這麼多年就做不出來呢？到底難點在什麼地方？
設備變長意味著探測器的數量大大增加了，而其中晶體的陣列的一致性就要保證比原來的水平高很多。工藝加工精度，表面處理的細節等都要做得更好。
兩米超長軸向視野/超高靈敏度/全身動態採集
其次，機器變長，掃描範圍也就增加了。藥物進入人體後釋放的光子是隨機的，入射角度也是大不相同，因此產生的數據量特別大，前端要經過很嚴格的篩選，才能把有用的數據拿下來，因此海量數據的處理也是一個難點。
再次，PET之所以能夠診斷分子級別的功能的細節，是因為它可以做到定量查看細胞的活躍程度。
比如說癌細胞，用普通影像設備做檢查，是判斷不出它的活性的，但PET-CT可以對癌症細胞的活躍程度進行定量分析。
這個兩米的設備在如此長的軸向下，在整個探測器環的範圍裡要保證所有位置點的成像精確度和一致性，這是很難實現的。
1分鐘接近2.4T數據量
關於海量數據處理的難度問題，我簡單舉例說明。我們公司2015年的那款PET，軸向探測長度為30釐米，現在這個PET是2米長，相當於6～8個PET合在一起的長度，理論上，探測效率會提高8倍。
但實際上，因為機器是連在一起的，不同的部位都可以接收到數據，所以事實上，整機的探測效率相當於一個普通的PET的40倍。
這是什麼概念？現在普通PET的掃描需要10-20分鐘，40倍的效率意味著uEXPLORER只要15秒就出一張能夠滿足基本臨床診斷要求的全身3D圖，這是一個很大的突破。
另外，uEXPLORER裡有很多探測器，用了56萬根晶體，而普通PET裡只有3萬根晶體，這兩個數量也是不可同日而語的。
用PET-CT進行探測的時候，探測的是光子的響應線，它每次會發一個背靠背的一對的光子，我們要把它們的徑跡找出來，響應線在這個機器上是91個billion，也就是910億的可能。
每採到一個數據，除了要判斷這個數據是不是有效的，還要把它放到一個910億的數組裡面進行計算，所以處理數據非常難。
因為數據量龐大，數據帶寬就有300G，相當於一分鐘要保證能存2.4T有用的數據，而且這並不包括前端電子學剔除掉的沒用數據，如此算來，總的數據大概是2.4T的10倍！這些都是我們需要解決的問題。
2017年5月，局部原型機驗收
在做兩米PET之前，我們先做了一個長50釐米的局部原型機，放到了UC Davis的一個獸醫學院。
當時為了技術對比，Upenn團隊也通過訂製做了一臺長70釐米的設備。我們雙方將獲得的圖像進行對比，很明顯，我們的設備解析度和靈敏度都要高很多，所以EXPLORER團隊最終選擇了我們的技術。
2018年1月，原型機Mini EXPLORER 安裝在UC Davis
圖像來源：US Davis VET school
第一幅圖是我們裝機的圖，第二幅是正在掃描一條生病的狗，第三幅圖就是這條狗的掃描影像。圖像專家說，以前從沒見過如此高清晰紋路的腹部掃描圖像。
大家看，圖像顯示狗腹部最下方有兩個亮點，那兩個亮點表示對應的部位是有一定炎症的。
2018年5月，uEXPLORER硬體完工，上海慶祝會
世界首臺全景動態掃描PET-CT uEXPLORER探索者孔徑
在做驗證樣機的同時，團隊也在做整機。2018年5月，整機的硬體首次集成完成，這是當時的一些照片。黑色的就是我們整機的所有的探測器，這些模塊都是在聯影內部加工完成，看起來非常完美。
uEXPLORER的成功，意味著我們已經進入了一個無人區，以前大家都會發表一些文章介紹PET-CT怎麼解析圖像，怎麼處理數據，怎麼做校正……。
但這些對uEXPLORER來說都發生了變化，因為uEXPLORER得到的數據和反映的物理現象與以前的規律完全不一樣，這也需要我們做很多實驗去尋找適合我們的校正算法，去修改原有解析度的處理方法，等等。
這張圖拍的是我們自己做的一個模體，保證在兩米範圍內都能掃描到的一個模體，這個模體可以注射藥物進行模擬掃描驗證系統狀態。
EXPLORER團隊的人員很興奮，表示自己要親手搬一搬，特別是對於已經80多歲的Terry 來說，能看到我們這臺機器的成功研製，他表示自己的夢想終於實現了。
研發團隊
我們的研發團隊成員其實都很年輕，相對沒有國外的團隊有經驗，不過我們比較刻苦、勤勞，學習能力也比較強，所有人都想盡最大努力將這臺設備研發出來。
圖中是《Science》的一個子雜誌，講述了total body兩米的事情。整個項目非常具有挑戰性。即便基於原有的技術，依然花費了三年才完成。
2018年12月，我們拿到了FDA認證，這也意味著，這臺機器不是一臺簡單的機器。不是僅搭建出來就可以，要作為產品進入醫院，能對病人進行掃描，這比單純製作一臺實驗機器的要求要高得多。
藥物在人體內分布的3D影像圖
全球首幅3D實時人體全景圖像
大家看這張圖，它是全球第一張通過掃描人體而實時獲得的藥物在人體內分布的3D影像圖。
藥物從病人手臂注入，隨後逐漸進入心臟、血管、腦部等部位，我們可以圈定身體的任何一個部位，查看藥物在其中的分布情況。
獨有的3mm以下解析度
通過這張圖查看藥物注射半小時和一小時後的不同。比如半個小時的時候，藥物還在人體的血管裡，但一小時後就已經進入到一些關鍵組織裡去了。
新款PET-CT對現在醫院的工作流也有借鑑作用。患者眾多，醫院可能等不了那麼長時間，所以有的患者在注射完藥物後三四十分鐘後就開始接受掃描了。
如果掃得太早，現有的設備是看不出來藥物在人體內的真正分布情況的，但我們做的這款PET-CT能看到大腿骨裡的脊髓和腦部極細小的情況，這些都是常規PET做不到的，對於進行腦功能研究的科研人員來說，它也是很好的工具。
Human Images Unveiled @ 2018 IEEE MIC & RSNA
2018年11月，我們團隊參加了全球最大的核醫學設備展。在那次展覽上，我們展出了剛才提到的世界第一幅人體3D全景圖和一臺樣機。
會展三天，人頭攢動，很多競爭對手和供應商都來看這臺設備，他們紛紛評價，uEXPLORER的清晰度基本可以秒殺現在所有同類商用設備。
2018年IOP評選的年度十大科學突破
《Physicsworld》
12月25號，《Physicsworld》雜誌將我們的研製評為年度十大科技突破。
探索者PET與傳統PET的對比
剛才說過，uEXPLORER不是簡單的硬體設備，後續我們還有很多工作要做。2019年3月，我們要把它運到美國，和美國的科研人員合作開發一些應用。我們可以看到這個圖像的清晰度比傳統的PET要高很多。
除此之外，我們還要研製一些新藥，除了現在通用的葡萄糖，我們還想用別的藥物來做一些實驗。
比如，有的藥物可以在人體裡持續兩周，因為這臺機器的靈敏度比較高，所以只需要給病人注射很小劑量的藥物，病人就可以在兩周的時間裡一邊服藥一邊做檢查，這樣更利於我們觀察藥物對他的疾病起不起作用。
正因為清晰度大大提高，病人只需要注射非常少的藥就能開始掃描，所以病人做一次全身掃描所受的輻射劑量大為減少，僅相當於他從上海飛到美國單程所受的空中輻射劑量，基本上普通人都可以隨時做檢查。
未來uEXPLORER 的新型應用
雖然我們是在做一個工程化的設備，但還是希望能夠讓我們的技術轉化成一個有意義的工具，既能助力科研，也能惠及大眾。謝謝大家。
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