脑PET是反映脑代谢活动的关键影像手段，但传统脑PET要求受试者在扫描期间保持静止，限制了儿童、癫痫等特殊人群的应用。本研究针对可穿戴脑PET系统SmartBrain，依据NEMA NU 2-2018标准系统评估其物理性能，并通过体模和人体成像验证其成像能力。核心仪器配置包括192个探测器模块（每个模块由6×6的LYSO晶体阵列与3×3硅光电倍增管耦合），以及通道缩减技术、时间飞行（TOF）功能。研究结果显示，SmartBrain在中心视场的空间分辨率达2.29 mm，灵敏度为720.2 cps/MBq，TOF时间分辨率为234 ps，能量分辨率为10.8%，且能清晰分辨Derenzo体模中1.7 mm的细杆，并在Hoffman脑体模和健康志愿者中呈现清晰的脑结构，表明其适用于临床脑研究，并为自然状态下的脑成像提供了新可能。
本文将从系统设计参数出发，按照NEMA NU 2-2018标准依次解析空间分辨率、灵敏度、计数率、图像质量、能量与时间分辨率等指标的测试方法，再通过体模与人体实验说明从物理性能到成像验证的证据链，最后讨论该仪器组合在类似研究中的可借鉴之处。
文章分类
临床转化
- 可穿戴PET
- 脑成像
- NEMA NU 2-2018
- SmartBrain
- 硅光电倍增管
- TOF-PET
正文
实验环节总表
| 实验环节 | 仪器技术 | 解决问题 | 产生数据 |
|---|---|---|---|
| 系统设计 | SmartBrain系统（192个探测器模块，LYSO晶体阵列，硅光电倍增管，通道缩减技术） | 实现可穿戴、轻量化（约6 kg）且具备完整环形的脑PET系统 | 系统参数：内径207.44 mm，轴向视场121 mm，能量窗461～611 keV，符合时间窗1 ns |
| 空间分辨率测量 | 0.25 mm 22Na点源，2D滤波反投影重建，最大似然期望最大化重建 | 评估系统对不同位置点源的成像分辨能力 | 中心视场平均空间分辨率2.29 mm，轴向1.61 mm；离轴位置分辨率变化数据 |
| 灵敏度测量 | NEMA灵敏度体模（5个铝套管），18F-FDG线源，单层重组直方图 | 评估系统对射线的探测效率 | 中心灵敏度720.2 cps/MBq，轴向灵敏度分布 |
| 计数率性能测量 | 定制散射体模（聚乙烯圆柱，线源偏置22 mm），18F-FDG，动态扫描34帧 | 评估系统在高计数率下的真实、随机、散射事件及噪声等效计数率 | 峰值噪声等效计数率4.67 kcps（10.1 kBq/mL），散射分数29.5% |
| 图像质量测量 | 脑尺寸图像质量体模（6个热球，球与背景比9.4:1），OSEM重建 | 评估系统对热球的对比度恢复和背景变异性 | 对比度恢复系数72.9%～89.4%（10～37 mm球），背景变异性11.3% |
| 能量与时间分辨率测量 | 缩放NEMA散射体模，6线源时间校准，TOF直方图分析 | 评估系统能量分辨率和TOF时间分辨率 | 能量分辨率10.8%，TOF分辨率234 ps |
| 体模成像验证 | 多层Derenzo体模，定制Hoffman脑体模，TOF-OSEM重建 | 验证系统对细小结构（1.7 mm）和真实脑解剖结构的分辨能力 | Derenzo图像可分辨1.7 mm细杆；Hoffman图像清晰显示皮层灰质和脑沟 |
| 人体成像验证 | 健康志愿者18F-FDG PET扫描，与DMI PET/CT对比，OSEM重建 | 验证系统在实际人体脑成像中的可行性和图像质量 | 清晰显示皮层摄取和脑沟结构，与DMI图像对比显示更清晰的皮质细节 |
系统设计与硬件配置
该环节解决的核心问题是：如何将传统笨重的PET系统集成为可穿戴设备，同时保证足够的成像性能。SmartBrain采用16边形环形结构，内径207.44 mm，轴向视场121 mm，由192个探测器模块组成（每环32个，共6环）。每个模块包含6×6的LYSO晶体阵列（3×3×5 mm3）和3×3的硅光电倍增管阵列。为减轻重量，系统采用了通道缩减策略，将读出通道从1728个减少到432个，并结合5 mm厚的薄晶体，使总重量控制在约6 kg。这一设计直接决定了系统的灵敏度和空间分辨率，是后续性能评估的基础。
空间分辨率评估
空间分辨率是PET系统最关键的物理指标之一，直接决定图像对细小结构的分辨能力。本研究使用0.25 mm的22Na点源，在轴向视场中心（Z=1/2）和八分之一处（Z=1/8）各8个位置进行60 s采集。数据采用2D滤波反投影重建（无任何校正），并通过三线性插值将体素重采样至0.5 mm各向同性，以满足NEMA标准要求。结果显示，中心视场平均空间分辨率为2.29 mm，轴向分辨率达1.61 mm。研究者还使用最大似然期望最大化算法（1000次迭代）对中心点源数据重建，估计分辨率接近1.7 mm，这与Derenzo体模中可分辨的最小细杆直径（1.7 mm）一致。这一数据证实了系统的高分辨率特性，并为其在脑成像中的应用提供了基础。
灵敏度评估
灵敏度决定了系统对低浓度示踪剂的探测能力，影响图像噪声和扫描时间。按照NEMA标准，使用由5个铝套管组成的灵敏度体模，将充满18F-FDG（5.1 MBq）的聚乙烯管置于视场中心和径向偏移5 cm处，依次移除套管进行10次600 s采集。结果显示，系统在中心位置的灵敏度为720.2 cps/MBq，轴向灵敏度分布呈现中心高、边缘低的特征。尽管灵敏度低于大型临床PET/CT，但配合TOF技术，仍可在低活度条件下获得清晰图像。
计数率性能评估
计数率性能反映系统在高活度条件下的响应能力。由于SmartBrain几何尺寸较小，研究者采用定制散射体模：聚乙烯圆柱（长14 cm，直径10 cm），线源径向偏移22 mm，初始活度41.9 MBq，连续扫描34帧（每帧60 s）直至活度衰减。根据NEMA NU 2-2018无随机估计的分析方法，系统峰值噪声等效计数率为4.67 kcps（对应活度浓度10.1 kBq/mL），散射分数为29.5%。这一结果表明，该系统适用于常规临床活度范围，但高计数率下的性能仍需优化（如缺失堆积校正）。
图像质量评估
图像质量评估采用脑尺寸体模，背景活度浓度4.1 kBq/mL，6个热球直径10～37 mm，球与背景比9.4:1，采集60 min。使用OSEM算法（12次迭代，4个子集）重建，仅进行PSF建模和衰减校正。结果显示，对比度恢复系数为72.9%（10 mm球）至89.4%（37 mm球），背景变异性为11.3%。这一指标验证了系统对小病灶的定量恢复能力，尽管高对比度比可能使恢复系数偏高。
能量与时间分辨率评估
能量分辨率影响散射事件的剔除效率，而TOF时间分辨率则通过定位事件位置来抑制噪声。两者均在缩放NEMA散射体模上测量，使用18F-FDG活度约10.6 MBq。能量分辨率为10.8%（半高全宽），TOF时间分辨率在应用延迟校准后达234 ps。TOF能力的实现显著提升了图像信噪比，尤其是在低活度条件下，是系统性能的关键优势。
体模成像验证
体模成像用多层Derenzo和定制Hoffman脑体模，验证系统的实际成像能力。Derenzo体模包含直径1.5～5.0 mm的热杆，经TOF-OSEM重建，1.7 mm的热杆清晰可辨，谷峰比约0.433，低于瑞利判据阈值0.735，表明明确分离。Hoffman脑体模（外径190 mm，液体填充直径170 mm）模拟灰质摄取、白质和脑室无摄取，重建图像清晰显示皮层灰质和复杂脑沟，与脑解剖结构高度一致。
人体成像验证
人体研究入组一例43岁男性癫痫患者，注射318.2 MBq 18F-FDG后，分别使用DMI PET/CT和SmartBrain进行扫描。DMI扫描在注射后约60 min进行，SmartBrain在190 min后扫描（活度约95.9 MBq）。SmartBrain图像显示清晰的皮层摄取和脑沟结构，且与DMI图像相比，SmartBrain显示了更精细的皮层细节。这一对比证实，即使活度较低、扫描时间较长，SmartBrain仍能提供高质量脑图像，满足临床研究需求。
仪器关系总结
| 关系类型 | 涉及仪器/技术 | 关系说明 |
|---|---|---|
| 流程关系 | 系统设计 → NEMA性能评估 → 体模验证 → 人体成像 | 系统设计决定物理性能，物理性能通过NEMA标准量化，体模验证建立成像能力证据，人体成像最终确认临床转化价值 |
| 互补关系 | 2D滤波反投影与最大似然期望最大化重建 | 滤波反投影提供无校正的客观分辨率基准，最大似然期望最大化结合PSF模型进一步估计内在分辨率极限 |
| 验证关系 | Derenzo体模与空间分辨率测量 | Derenzo体模中1.7 mm细杆的可视化与点源测量估计的1.7 mm分辨率相互印证 |
| 对比关系 | SmartBrain与DMI PET/CT | 人体成像中对比验证SmartBrain的图像质量和细节分辨能力，尽管活度较低，仍显示优越的皮质结构描绘 |
应用参考
对于计划开发或评估可穿戴或专用脑PET系统的研究人员，本研究的仪器组合提供了清晰的参考方案。NEMA NU 2-2018标准测试是系统性能验证的基础，包括空间分辨率、灵敏度、计数率、图像质量、能量与时间分辨率等指标，这些测试所需的点源、体模和重建算法应提前准备。体模验证（特别是Derenzo和Hoffman体模）是连接物理性能与临床图像质量的桥梁，可以直观展示系统对细微结构和解剖细节的成像能力。人体成像对比（与现有PET/CT进行同一受试者对比）则是评估临床可行性的关键步骤，尤其是在考虑示踪剂剂量、扫描时间窗和图像质量时。需要注意的是，本研究中的图像质量体模对比度比（9.4:1）高于NEMA推荐值，可能导致恢复系数偏高，因此与其他系统比较时应谨慎。此外，由于SmartBrain没有CT，衰减校正依赖于CT图像或均匀衰减模型，在临床应用中需明确校正策略。
参考文献
Liu H, Qu W, Liang D, et al. Performance Evaluation of SmartBrain: A Wearable PET System for Human Brain Imaging. Journal of Nuclear Medicine, 2026, 67(8): 1125-1131. doi: 10.2967/jnumed.125.271350.