2025年11月13日，中国科学院深圳先进技术研究院研究员柳正在深圳核博会核技术融合创新论坛发表《MRI兼容的高性能PET研究及医学应用》主旨报告。
演讲围绕PET与磁共振联合成像展开，强调影像在肿瘤、脑神经疾病和阿尔茨海默症早期诊断中的价值。报告介绍了团队在磁兼容高分辨率PET、小动物与人脑成像系统、9.4T磁共振兼容PET、低成本飞行时间PET和新型闪烁材料方面的研发进展，目标是提升分辨率、降低成本和剂量，并扩大PET的临床与科研应用。
关键点
1. 影像引导在诊疗中的作用（00:00）
报告指出，无论是药物研发还是治疗，最终常常需要影像来定位病灶。团队的特色是将磁共振与PET一起成像，以获得更多结构和功能信息。
2. PET成像的基本原理（00:58）
PET利用正电子与电子湮灭后产生的一对背靠背伽马光子，通过探测这两个伽马光子定位放射性核素在体内的分布，从而获得活度分布和生理功能信息。报告强调，PET具有CT和磁共振不具备的生理信息获取能力，并且灵敏度很高。
3. PET的主要应用方向（01:52）
现阶段PET主要用于肿瘤，也正在脑神经疾病中展现广泛应用前景。在心血管疾病中，PET灌注显像被提到可作为金标准。
4. 脑科学研究需要更高分辨率PET（02:20）
团队关注脑科学和脑机接口等方向，认为理解人脑是相关研究的基础。磁共振分辨率可达到零点几毫米，而传统PET约为三到五毫米，因此团队希望提高PET分辨率，以支持亚毫米级神经核团研究。
5. 阿尔茨海默症早期诊断价值提升（03:19）
报告提到，PET在阿尔茨海默症中的显像已逐步进入一些国家的诊疗标准。由于PET是活体功能成像，可早于磁共振或CT发现结构变化前的异常，在阿尔茨海默症和肿瘤早期诊断中具有意义；同时，阿尔茨海默症因病程长和陪护需求高，带来很大的社会成本。
6. 治疗药物出现推动PET需求（05:03）
过去PET用于阿尔茨海默症诊断较少，一个原因是虽能早期发现但缺少治疗药物。报告称自2022年至2023年前后已有两到三款获FDA批准的阿尔茨海默症治疗药物，因此未来PET或PET/MRI设备需求可能显著增长。
7. 磁兼容小动物PET实现高分辨率（06:00）
团队在重大仪器专项支持下研发了磁兼容小动物PET，可与磁共振联合成像。该仪器全视野分辨率达到0.8毫米，关键在于探测器具备深度测量能力，增加空间信息，使视野边缘也能保持较好分辨率。
8. 小动物系统完成多种成像验证（07:06）
团队使用新仪器进行了大鼠骨扫描、全身代谢、门控图像以及PET与MRI同步融合成像，展示了接近CT细节表现的高分辨率图像，用于脑科学动物模型研究。
9. 人脑磁兼容PET系统研发（07:43）
在深圳市孔雀团队支持下，团队研发磁兼容人脑PET成像系统，使用约十五万个小晶体，并继续采用深度测量技术，使全视野分辨率小于1.4毫米。系统工程量大，还需要解决磁兼容材料、水冷和涡流等问题。
10. 人脑系统模体与人体初步实验（08:43）
系统搭建后，团队进行了模体、兔子和兔骨成像，并通过分辨率模体验证可分辨1.4毫米结构。随后团队成员用较低剂量显像剂进行自身实验，显示该高分辨率系统能看到更多大脑皮层细节，并完成了3T磁共振下PET/MRI同步成像。
11. 9.4T磁共振兼容PET研发（10:08）
团队进一步面向高场磁共振动物研究，开展9.4T磁共振兼容PET研发，采用0.75毫米探测器，目标分辨率为0.6或0.5毫米。由于9.4T磁场更强、空间受限，系统需要做得更薄、更高密度、更高集成，并减少对磁共振均匀性的干扰。
12. 9.4T系统初步验证结果（11:46）
团队展示了点源成像结果，单环系统分辨率达到0.91毫米。测试显示，在9.4T磁共振不运行和运行状态下，PET分辨率没有变化，机器也能正常运行。
13. PET普及受成本制约（12:14）
报告指出，核医学在医院体系中占比较小，PET检查费用较高是重要原因。演讲者提出，如果能用更短轴向长度的PET达到较长系统的效果，就可显著降低晶体和电子学成本。
14. 飞行时间技术提升等效效率（13:15）
为弥补短系统探测效率下降，团队关注飞行时间技术。通过测量一对伽马光子的到达时间差，可更快定位发射位置；临床约200皮秒飞行时间可使全身成像等效效率提升约13.2倍，对人脑成像约提升6.6倍，并改善信噪比。
15. 低成本电子学与高时间分辨率探索（14:34）
团队通过电子学压缩，将16个读出通道压缩为5个通道，同时保持约180皮秒时间分辨率，优于临床常见的约200皮秒。另一个探测器方案用较少读出电路实现1毫米空间分辨率和275皮秒时间分辨率，尝试兼顾低成本、高时间分辨率和高空间分辨率。
16. 直接成像是长期目标（16:03）
报告提出PET发展的目标是从无飞行时间、到数百皮秒辅助定位，再到10至20皮秒级直接成像。若时间分辨率达到这一水平，每次探测都可获得近似三维定位，减少甚至无需传统重建，并可能带来约百倍等效探测效率提升，从而降低设备成本和注射剂量。
17. 新材料与电子学推动时间分辨率提升（19:01）
团队与材料研究者合作，关注发光更快的新型闪烁材料。报告提到二维钙钛矿材料相比传统LYSO发光更快、能量更多，实验中达到约120皮秒，另有工作达到约80皮秒；团队也通过芯片读出挖掘LYSO潜力，实现约122皮秒时间分辨率，并认为未来五到十年有希望达到30至50皮秒。
18. 潜在应用扩展到低成本专用系统和联合成像（20:30）
高时间分辨率有望支持低成本专用PET，例如前后平板加内窥式结构，成本可能约为现有人体PET的十分之一，同时分辨率和探测效率更高。团队还在探索康普顿与PET联合成像，用于治疗验证、生物引导以及新的成像应用。
19. 总结：面向神经科学的多模态专用PET（21:33）
演讲最后总结，团队在传统PET基础上研发了多模态人脑专用PET，可为神经科学提供更多应用可能。
时间线
00:00 - 演讲从感谢与背景引入，说明影像在药物、治疗和病灶定位中的关键作用，并提出报告主题是磁共振与PET联合成像的现状和研发。
00:58 - 随后介绍PET的物理原理、功能成像优势以及在肿瘤、脑神经疾病和心血管疾病中的应用。
02:20 - 报告转向团队关注的问题：脑科学研究和阿尔茨海默症诊断需要更高分辨率、更早期的功能影像，同时相关疾病带来巨大的社会负担。
05:03 - 演讲解释阿尔茨海默症治疗药物出现后，早期PET诊断价值和设备需求可能上升。
06:00 - 团队研发工作首先聚焦磁兼容小动物PET，展示高分辨率探测器、动物成像和PET/MRI同步成像成果。
07:43 - 研发进一步扩展到人脑磁兼容PET系统，报告介绍系统结构、磁兼容工程难点、模体实验和低剂量人体初步成像结果。
10:08 - 在高场磁共振方向，团队开展9.4T磁兼容PET研发，并汇报高密度集成设计、初步搭建和磁共振环境下的运行验证。
12:14 - 演讲转入成本问题，指出PET检查和设备昂贵限制普及，并提出通过缩短系统长度和提高等效效率来降低成本。
13:15 - 报告重点说明飞行时间PET的原理和优势，展示其在信噪比、定位收敛和等效探测效率上的提升。
14:34 - 团队介绍降低电子学复杂度的探测器读出方案，尝试在较少通道和较低成本下保持高时间分辨率与空间分辨率。
16:03 - 演讲提出未来直接成像目标：通过极高时间分辨率实现更精确定位，进而降低设备成本、药物剂量和单次检查价格。
19:01 - 为实现该目标，团队与材料方向合作，探索更快闪烁材料和芯片读出方法，以进一步提升时间分辨率。
20:30 - 最后报告展望低成本专用PET、内窥式结构、康普顿与PET联合成像等应用，并总结多模态人脑专用PET在神经科学中的潜力。
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MRI兼容高性能PET研发提速，高分辨率多模态成像瞄准脑科学与精准医学
中国科学院深圳先进技术研究院研究员柳正围绕“MRI兼容的高性能PET研究及医学应用”介绍了团队在高分辨率PET/MRI成像方向的系统性进展。报告指出，无论是放射性药物研发、肿瘤诊疗，还是脑科学研究，最终都离不开影像技术对病灶位置、药物分布和治疗效果的判断。PET能够反映体内放射性活度分布，提供CT和传统MRI难以直接获得的生理与功能信息，并具备纳摩尔级高灵敏度，因此在肿瘤、脑神经疾病和心血管疾病诊疗中具有重要价值。团队的研究重点是将PET与MRI联合，通过多模态信息同时获取结构、功能和代谢图像，服务人体和动物体内肿瘤、脑部结构与功能研究。
在脑科学和阿尔茨海默症诊疗需求推动下，高分辨率PET成为重要发展方向。MRI可提供亚毫米级结构信息，而传统PET空间分辨率通常约为3至5毫米，难以满足神经核团等精细脑结构研究需求。柳正团队希望将PET分辨率提升至亚毫米或接近亚毫米水平，以支撑脑科学、类脑智能、脑机接口以及神经退行性疾病研究。报告特别提到，PET能够在CT和MRI出现明显结构改变前约5至10年发现功能异常，随着多国将PET相关显像纳入阿尔茨海默症诊疗标准，以及有效药物逐步出现，面向早期诊断和长期病程管理的PET/MRI设备需求将明显增加。
在小动物PET/MRI系统方面，团队在国家自然科学基金重大仪器专项支持下研发磁兼容小动物PET，用于小鼠、猴等动物脑部精细研究。该系统实现约0.8毫米的全视野空间分辨率，可观察小动物脑部细节，并支持全身代谢和门控成像。其关键技术在于探测器具备深度测量能力，能够增加空间定位信息，避免传统PET在视野边缘分辨率下降的问题。大鼠骨扫描结果显示出接近CT的清晰度，团队还完成了PET与MRI融合及同步成像实验，验证了系统在磁共振环境下的工作能力。
在人脑专用PET系统研发上，团队在深圳市孔雀团队支持下进一步推进磁兼容脑PET设备。该系统使用约15万个小晶体，规模接近人体全身PET系统，并通过深度测量技术力争实现全视野小于1.4毫米的空间分辨率。由于设备需在强磁场环境中工作，材料选择、水冷结构和电子系统都必须满足磁兼容要求，例如不能使用大块铜材以避免涡流影响。模体与动物实验表明，该系统可分辨1.4毫米结构；低剂量人体脑部扫描也显示出更多大脑皮层细节。团队还完成了3T人体磁共振环境下的PET/MRI同步成像与图像融合，证明了人脑高分辨率磁兼容PET系统的可行性。
面向更高端的动物模型研究，团队还开展了9.4T高场MRI兼容PET系统研发。高场MRI能够提供更高结构成像分辨率，但9.4T磁场强度约为3T的三倍，对梯度系统、磁体均匀性和PET结构设计提出更高要求。受限于约100至160毫米的可用空间，PET系统必须更薄、更轻、更高密度集成。团队采用0.75毫米级探测器，目标实现约0.5至0.6毫米空间分辨率。目前初步PET系统已完成搭建，单环系统点源成像分辨率达到约0.91毫米；在9.4T磁共振运行和不运行条件下，PET分辨率无明显变化，说明系统能够在高场环境中稳定工作。
报告还重点讨论了PET成本与临床普及之间的关系。目前PET检查费用仍高于CT和MRI，主要成本来自晶体和电子学读出部分。柳正认为，若能够通过飞行时间PET技术提升等效探测效率，就有机会缩短设备长度、降低硬件成本、减少放射性药物剂量，并进一步降低检查费用。飞行时间PET通过测量一对伽马光子到达探测器的时间差来约束湮灭位置，时间分辨率越高，空间定位越准确。当前临床TOF-PET时间分辨率已可达到约200皮秒，可显著提升全身和人脑成像等效效率，并改善图像信噪比和收敛速度。
在低成本高性能PET探测器方面，团队探索电子学通道压缩方案，将传统4×4探测器阵列的16个读出通道压缩为5个通道，包括4个能量通道和1个时间通道，在大幅降低电子学复杂度后仍实现约180皮秒时间分辨率，优于常规临床约200皮秒水平。团队还尝试通过不同读出角分别获取时间信息和空间信息，实现约1毫米空间分辨率和约275皮秒时间分辨率，为未来兼顾高分辨率、低成本和高时间性能的PET系统奠定基础。
柳正进一步提出，PET技术正从无飞行时间辅助阶段，走向200至500皮秒级TOF-PET阶段，未来目标是向10至20皮秒级超高时间分辨率迈进，从而推动PET进入直接成像阶段。当时间分辨率达到能够提供毫米级空间定位能力时，每一次双光子探测都可能直接给出三维位置信息，减少对复杂图像重建的依赖。仿真显示，10皮秒级TOF可在相同数据量下显著提升成像分辨率和图像质量，等效探测效率有望提高至约100倍。若这一目标实现，PET设备可大幅缩短，放射性药物剂量可从常规10至20毫居里降至几百微居里，药物成本也可能从每次数千元降至几十元，使PET检查费用逐步接近CT或MRI水平。
实现超高时间分辨率的关键瓶颈之一是闪烁材料和超快电子学。团队与材料研究者合作探索快时间响应材料，新型二维宽带隙材料在发光速度和光产额方面优于传统LYSO材料，同尺寸条件下时间分辨率可达约120皮秒，而传统LYSO约为180皮秒，近期还有材料研究达到约80皮秒。与此同时，团队通过芯片读出方法挖掘LYSO性能极限，实验实现约122皮秒时间分辨率。随着闪烁体材料和电子学持续进步，未来5至10年有望达到30至50皮秒时间分辨率，这将显著改变PET系统设计和应用模式。
除脑科学和临床诊断外，团队还关注低成本专用PET、放疗和粒子治疗验证以及康普顿与PET联合成像等新方向。低成本专用PET可通过前方平板探测器与内窥式探测结构实现更高分辨率和探测效率，成本有望降至现有人体PET的约十分之一。在质子、重离子等治疗中，影像技术可用于剂量和生物效应验证；康普顿成像与PET联合则可同时观测伽马射线并开展PET生物引导，为治疗验证、剂量监测和新型核医学研究提供支撑。柳正团队围绕深度测量探测器、磁兼容设计、飞行时间技术、读出压缩、快闪烁材料和超快电子学建立了完整技术路线，高分辨率PET/MRI有望在脑科学、阿尔茨海默症早期诊断、肿瘤诊疗和粒子治疗验证等领域发挥更大作用。
