Biograph Vision.X PET/CT性能评估：实现178皮秒超快符合时间分辨率的突破

《IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences》：Performance Evaluation of the Time-of-Flight Biograph Vision.X: A Fast Coincidence Time Resolution PET/CT Scanner

本文针对新一代飞行时间PET/CT系统性能评估需求，研究人员开展了Biograph Vision.X扫描仪的NEMA NU 2-2018标准性能测试研究。结果表明该系统实现了178.7 ps的符合时间分辨率，TOF增益提升至7.5，空间分辨率达3.4-3.5 mm，峰值NECR为291 kcps。这项研究为超快TOF-PET技术的临床应用提供了重要参考依据。

　　

在分子影像技术飞速发展的今天，正电子发射断层成像（PET）作为研究疾病分子通路的利器，已成为临床肿瘤诊断、分期和治疗评估不可或缺的手段。然而，传统PET技术仍面临诸多挑战：图像信噪比有待提升、小病灶检出能力不足、肥胖患者成像质量较差，以及扫描时间较长影响患者舒适度和设备吞吐量。这些问题的核心在于PET系统的时间分辨率限制，而飞行时间（Time-of-Flight, TOF）技术的突破正是解决这些挑战的关键。

近年来，PET技术发展主要围绕三个方向：通过提高时间分辨率优化TOF性能、通过增加轴向覆盖提升系统灵敏度、以及将硅光电倍增管（Silicon Photomultiplier, SiPM）等固态光探测器集成到数字PET系统中。从第一代现代商用TOF-PET系统（Philips Gemini TF）的585 ps时间分辨率，到数字技术引入后的310 ps，再到如今的210 ps左右，技术革新从未停止。而西门子医疗最新推出的Biograph Vision.X PET/CT系统，更是将这一竞争推向了新的高度，旨在实现超快符合时间分辨率（Coincidence Time Resolution, CTR），甚至向"无重建PET成像"的概念迈进。

在此背景下，日内瓦大学医院Habib Zaidi教授团队对Biograph Vision.X PET/CT系统进行了全面性能评估，研究成果发表在《IEEE Transactions on Radiation and Plasma Medical Sciences》上。这项研究不仅为临床医生和设备厂商提供了该系统的详细性能参数，也为未来超快TOF-PET技术的进一步发展奠定了重要基础。

研究人员采用的主要技术方法包括：依照NEMA NU 2-2018标准进行系统性能测试，使用²²Na点源测量空间分辨率，通过铝套管法评估系统灵敏度，利用聚乙烯圆柱体 phantom进行计数率性能测试，并采用图像质量 phantom评估定量准确性。此外，还通过3D Hoffman脑 phantom和临床¹⁸F-FDG脑部及全身研究进行验证性扫描。所有数据均采用有序子集期望最大化（Ordered-Subset Expectation Maximization, OSEM）算法进行重建，并比较了不同重建参数下的图像质量。

空间分辨率

研究团队使用²²Na点源在视野内不同位置测量了系统的空间分辨率。结果显示，在距离视野中心1 cm处，Biograph Vision.X的径向、切向和轴向空间分辨率（半高全宽）分别为3.4、3.5和3.5 mm。与前辈Biograph Vision 600相比，Vision.X在轴向分辨率上表现出轻微改善，特别是在距离视野中心10 cm和20 cm处，改善幅度分别为0.6 mm和0.5 mm。这一改进主要归因于重建算法的升级——从传统的傅里叶重排（Fourier Rebinning, FORE）加滤波反投影（Filtered Backprojection, FBP）改为更精确的三维飞行时间直接逆傅里叶变换（3D Direct Inversion Fourier Transform for TOF, 3D-DIFTOF）解析重建。

计数率性能

计数率性能测试揭示了系统在高活性浓度下的响应特性。Biograph Vision.X在51.2 kBq/mL活性浓度下达到1,230 kcps的真实计数率，在27.2 kBq/mL时达到291 kcps的峰值噪声等效计数率（Noise Equivalent Count Rate, NECR）。与Vision 600相比，Vision.X在稍低的活性浓度下达到了相近的峰值NECR。散射分数在低活性时为35.4%，在峰值NECR时升至36.8%，表明系统在不同计数率下均能保持稳定的性能。

灵敏度和定量准确性

灵敏度测试结果显示，Biograph Vision.X在视野中心和10 cm偏中心处的灵敏度均为19.2 cps/kBq，略高于工厂测量值和Vision 600的报告值。定量准确性方面，在峰值NECR时的平均偏差为4.4%，表明确保了在不同活性浓度下都能获得准确的定量结果。

图像质量

图像质量评估采用NEMA图像质量phantom，包含六个可填充球体和肺等效插入物。结果显示，球体对比度从74.1%（10 mm球体）到91.8%（37 mm球体）不等，背景变异性相应降低。与Vision 600相比，Vision.X在较小球体上表现出更好的对比度。恢复系数曲线显示，结合TOF和点扩散函数（Point Spread Function, PSF）的重建算法能提供最佳的信号恢复能力。

TOF符合时间分辨率和能量分辨率

最引人注目的结果是TOF时间分辨率的显著提升。Biograph Vision.X在5.3 kBq/cc活性浓度下实现了178.7 ps的时间分辨率，在峰值NECR时仅轻微恶化至182.0 ps（恶化幅度仅1.85%）。这一表现明显优于Vision 600的210 ps，使TOF增益从6.2提升至7.5。能量分辨率在511 keV处为8.3%，与Vision 600相当。PET/CT配准误差最大为1.74 mm，表明系统安装和校准良好。

phantom和临床研究验证

3D Hoffman脑 phantom和临床研究进一步验证了系统的临床性能。脑部图像显示，Vision.X在基底节和脑岛区域提供了更好的清晰度和对比度。全身¹⁸F-FDG研究显示，Vision.X在病灶对比度和噪声特性方面有轻微改善，但两种系统的病灶检出能力相当。

研究结论强调，Biograph Vision.X通过专有的高性能探测器电子组装（Detector Electronic Assembly, DEA）技术和优化的数字处理链，实现了目前业界最快的TOF性能。尽管在空间分辨率和计数率性能方面与Vision 600相差不大，但TOF时间分辨率的显著提升（从210 ps到178.7 ps）是其主要突破。这种改进预计将在高体重指数患者成像和低计数情况下发挥更大优势，因为更高的TOF时间分辨率相当于额外的等效计数放大器，使系统对数据校正中的缺陷更加不敏感。

讨论部分指出，该研究的局限性在于仅评估了单台扫描仪的性能，而不同安装地点的多台扫描仪的平均性能数据会更有参考价值。此外，虽然TOF时间分辨率显著提升，但图像重建中使用的TOF bin数量与Vision 600相同，尚未充分发挥这一改进的全部潜力。未来研究将重点评估这一技术优势在临床中的应用价值，特别是在高BMI患者中的表现。

这项研究的意义不仅在于为Biograph Vision.X提供了全面的性能基准，更重要的是展示了超快TOF-PET技术的发展方向。随着时间分辨率向100 ps以下迈进，PET成像技术有望实现质的飞跃，为精准医疗和个性化治疗提供更强大的工具。该研究为临床医生和设备开发者提供了宝贵的技术参考，推动了分子影像技术向更高性能目标迈进。