——　第二部分 国家自然科学基金项目成果巡礼　——

　　正电子发射断层成像仪（Positron Emission Tomography，简称PET）是继超声、CT和MRI之后又一极具应用前景的医学影像技术，已成为癌症临床诊断和治疗指导的最佳手段之一。早期PET的空间分辨率有限，只能对人类和大型动物成像。传统的模数混合PET经历了三十余年的发展，直到2006年由西门子公司推出了对小动物成像的，实现了1.56mm的空间分辨率和7.2%的灵敏度。华中科技大学生命科学与技术学院谢庆国教授及其合作者在科学仪器专项“应用适应性小动物PET的研究与开发”和科技部国际合作重点项目“PET/MRI双模尖端医学成像设备关键部件的研制”的支持下，率先研制出数字PET科学仪器。其空间分辨率高达0.87mm；灵敏度可根据不同的应用调整，从5%起，最高可达26%。

　　传统的PET因其特制的电子电路、固定的几何结构、封闭的系统架构等问题，一直在应用中存在“校正难”、“定量不准”等瓶颈。自上世纪70年代PET设备诞生以来，PET领域的科学家就一直在钻研PET数字化的方法。而PET闪烁脉冲是一种超高速脉冲信号，由上升时间1纳秒左右的上升沿和衰减时间常数40-50纳秒的下降沿组成，它的数字化需要模数转换器件的采样率高达4GSps以上。至21世级初，PET科学家进行了各方面的尝试，仅能采用多种技术“放慢”PET闪烁脉冲之后进行采样，始终无法攻克在数据采集最前端直接将信号数字化这一根本的科学难题。

　　2003年谢庆国教授等人提出了“多电压阈值（Multi-Voltage Thresholds，简称MVT）采样”的数字化方法，为准确实现高速闪烁脉冲的精确数字化提供了理论依据。核科学与技术权威期刊IEEE TNS审稿专家曾评价，“作者提出了一个极端新颖的概念，这一信号处理方法在PET领域具有极大的工程应用潜力。”围绕MVT关键技术，谢庆国团队在青年科学基金“μPET数据获得系统及多约束图像重建方法研究”、面上项目“PET探测器闪烁脉冲特性建模”的支持下，经过近10年的研究，完成了PET闪烁脉冲数字化的理论、方法和技术突破。其中于2009年实现了全数字化的PET探测器，并相继发展出多项核心技术，多篇文章发表在核科学与技术领域权威期刊上（IEEE TNS, vol.59, no.3, pp.498-506, 2012; JINST, 7 T04001, 2012; IEEE TNS, vol.56, no.5, pp. 2607-2613, 2009; IEEE TNS, vol.56, no.5, pp.2678-2688, 2009; NIM-A, vol.602, no.2, pp.618-621, 2009; IEEE TNS, vol.52, no.4, pp.988-995, 2005），获授权、公开和申请中、美、德、日等多国专利超过30件。

　　基于MVT方法和数字PET技术，谢庆国团队持续与海内外多家研究机构展开了电子学、图像重建、系统设计、生物医学基础研究和药物开发应用等多方面的合作研究，已逐渐形成了数字PET的“国际协同创新合作社”。

　　在数字PET中采用的MVT电路板如果能实现芯片化，或可进一步降低系统复杂度及造价，进一步提高系统的集成度及参数的一致性，从而全面提高系统性能及性价比，也因小型化让变结构PET等成为可能。2010年开始，项目合作方之一深圳大学纪震团队在国际上首次采用CMOS工艺研究基于MVT方法的超高速PET闪烁脉冲数字化单芯片系统，并采用TSMC 0.18μm的CMOS工艺设计了基于VDL延时线技术的MVT芯片，电路测量精度可达40皮秒，从工程上验证了MVT方法单芯片化的可行性，且有望进一步拓展MVT方法的应用范围。该芯片于2012年9月成功流片。

　　谢庆国团队发展的数字PET突破了传统PET仪器受制于模拟电路的瓶颈，研制的超高速脉冲数字采集电路具有高可靠性、高稳定性、处理灵活等特点，能实现系统参数的自动化校正。数字PET采用通用元器件，系统升级换代速度快；未来若进一步采用单芯片MVT数字化方案，系统将更为易于集成、小型化以及可解决10万量级通道的一致性；同时采用平板成像和模块化的架构，使PET系统几何结构具备应用适应性特点。

　　谢庆国团队在自然科学基金等项目支持下，陆续完成了从数字PET方法的提出到技术实现，从数字PET探测器核心部件研制到整机集成与动物成像实验的整个研制过程，为促进传统PET进入PET技术数字化时代提供了技术储备。