2026年3月，深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥课题组在生物医学成像领域期刊Physics in Medicine & Biology上发表了题为“Performance evaluation of S-PET, a compact, LYSO/BGO phoswich detector small animal PET prototype”的研究论文。该工作对顾峥课题组研发的基于LYSO/BGO双叠层作用深度（DOI）探测器的小动物正电子发射断层成像（PET）原型系统——S-PET，完成了全面的性能评估。结果表明，S-PET的峰值灵敏度达14.9%，重建图像空间分辨率为0.78 mm。该系统兼具高空间分辨率与高灵敏度，可满足小鼠、大鼠等小动物活体临床前研究的需求，为生物医药领域的疾病建模、药物开发和疗效评估提供了高性能分子影像平台。

正电子发射断层扫描仪（Positron Emission Tomography, PET）具有非侵入定量成像的能力。临床前PET是专用于小动物活体实验研究的PET成像装置。由于小动物体积小，对其成像的PET系统的空间分辨率和灵敏度的要求远超过临床PET系统。在探测器层面，视差误差和晶体间散射事件（Inter-crystal scatter, ICS）会导致作用位置的定位错误，从而恶化图像质量。提高作用位置分辨的准确性，包括精准的作用深度（DOI）分辨和ICS识别，是研发高性能小动物PET系统的关键。

深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥课题组在生物医学成像领域期刊Physics in Medicine & Biology上发表了题为“Performance evaluation of S-PET, a compact, LYSO/BGO phoswich detector small animal PET prototype”的研究论文。研发的S-PET（图1）采用20个探测器分两环排布，探测器环内径80 mm，轴向视野为104.5 mm，采用小型化、桌面式系统结构。该研究对S-PET系统完成了全面性能评估，包括系统灵敏度、空间分辨率、散射分数、计数率性能及模体和活体动物成像等。

图1 S-PET系统实物图

如图2所示，S-PET采用了LYSO/BGO双叠层闪烁晶体探测器设计，顶层晶体为30×60像素的LYSO晶体阵列，单个晶体尺寸为0.79×0.79×5 mm³，底层为晶体为20×40像素的BGO晶体阵列，单个晶体尺寸为1.22×1.22×7.5 mm³。利用LYSO与BGO闪烁光输出和衰减时间上的显著差异，通过构建电荷积分（QDC）和过阈时间（TOT）的二维查找表（图3），实现了对LYSO、BGO及跨层晶体间散射事件（Cross layer crystal scatter, CLCS）事件的精准区分，提高了作用位置分辨的准确性。光电探测器采用了硅光电倍增管（Hamamatsu MPPC），相比于传统的光电倍增管（PMT），提升了系统的紧凑性和可扩展性。

图2 轴向排列的两个双叠层DOI探测器示意图

图3 二维QDC-TOT直方图，用于构建三区域查找表，以区分LYSO、BGO和CLCS事件

性能评估遵循NEMA NU4-2008标准，对S-PET系统的灵敏度、空间分辨率、噪声等效计数率（NECR）、散射分数、图像质量等关键性能指标进行了全面评估。如图4所示，在350-650 keV能窗下，系统视野中心峰值灵敏度在包含CLCS事件时为14.9%，剔除CLCS事件后仍达到11.9%。LYSO晶体平均能量分辨率为10.7% ± 2.0%，BGO晶体为28.1% ± 4.5%。LYSO-LYSO、LYSO-BGO及BGO-BGO三类符合事件的时间分辨率分别为0.76 ± 0.08 ns、2.06 ± 0.25 ns和3.17 ± 0.46 ns。如图5所示，剔除CLCS事件后，采用空间可变的点扩散函数（PSF）建模的三维有序子集最大期望算法（OSEM）重建时，点源的空间分辨率在0.68 mm至1.13 mm之间，全测量位置的平均空间分辨率为0.78 ± 0.12 mm。

图4 系统灵敏度随轴向位置及不同能窗（能窗上阈值ULD固定为650 keV）的变化：(a)含CLCS事件；(b)不含CLCS事件

图5 不含CLCS事件的重建图像空间分辨率：（a）在FOV轴向中心处；（b）在FOV轴向中心偏移26.1毫米处

如图6，在计数率与散射性能测试中，针对小鼠尺寸模体，在11.9 MBq活度下峰值NECR达237.4 kcps，散射分数13.0%。针对大鼠尺寸模体，在11.9 MBq活度下峰值NECR为110.3 kcps，散射分数23.3%。

图6 S-PET系统计数率随线源活度的变化关系：(a)小鼠尺寸模体；(b)大鼠尺寸模体

NEMA图像质量模体成像结果显示（图7），图像均匀性（Uniformity）为6.3%，水填充和空气填充冷区的溢出比（Spill-over ratio）分别为11.1%和7.9%，1 mm至5 mm直径热圆柱区域的恢复系数（Recovery coefficient）在0.36至0.89之间。

图7 NEMA NU-4图像质量模体的重建图像：(a)均匀区域的横截面；(b)棒状区域的横截面；(c) 棒状区域的冠状面；(d)穿过均匀区域的轮廓线

此外，该系统对0.75 mm直径的热棒源模体可实现清晰分辨（图8）。在活体小鼠 [¹⁸F]FDG成像中（图9），能精准区分心肌、肾脏、肠道等器官的示踪剂摄取，充分验证了其在活体小动物分子影像中的应用价值。

图8 热棒源模体的重建图像：（a）包含CLCS事件；（b）不含CLCS事件；（c）穿过（a）中红线的轮廓线

图9 活体小鼠的 [18F]FDG重建图像

与此前的HiPET系统及多款商用小动物PET系统相比，S-PET凭借更小的晶体像素、更紧凑的探测器环设计，实现了更高的空间分辨率和灵敏度：其峰值灵敏度为14.9%，OSEM重建空间分辨率为0.78 mm，均优于HiPET系统；同时晶体用量更少，降低了系统成本，兼顾了高性能与经济性。该系统的高空间分辨率、高灵敏度特性，为生物医药研究提供了更精准、高效的活体成像工具。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、广东省基础与应用基础研究基金及深圳湾实验室重大项目及概念验证基金的支持。深圳湾实验室生物医学工程研究所顾峥课题组的博士研究生杨航和前博士后何文为本文的共同第一作者，特聘研究员顾峥为本文的通讯作者。

原文信息：

Performance evaluation of S-PET, a compact, LYSO/BGO phoswich detector small animal PET prototype

供稿|顾峥课题组

编辑|鲍 啦

责编|远 山

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