CN205031282U - 一种用于体外细胞放射性核素实验的平板pet系统 - Google Patents

Abstract

一种用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，包括数据采集模块，其包括两组平行相对放置的PET探测平板以探测到细胞样品所发射的γ光子；数据处理模块，获取PET探测平板接收的γ光子的能量信息，位置信息及时间信息并进行符合处理以得到投影数据；图像重建模块：处理投影数据以获得重建图像；以及细胞培养板固定模块以将细胞培养板设于两PET探测平板之间，机械控制模块用于调整细胞培养板与两组PET探测平板的相对位置使得细胞培养板位于平板PET系统的视野范围的中心位置处。其进一步提高了PET灵敏度，能够探测到更低活度样品，更适应体外细胞实验的条件，还可获得更多的数据，得到更高的图像信噪比，提高定量的准确性。

Description

一种用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统

技术领域

本实用新型属于医疗器械领域，涉及一种正电子发射断层成像系统。

背景技术

在新药开发，疗效评估等研究中，通常在进行在体的动物实验之前，会先进行细胞的体外核素摄取实验，而体外细胞实验的结果会直接作为动物实验的依据，因此，体外细胞实验能否得到精确的实验数据对动物实验来说尤为重要。

在细胞的体外核素摄取实验中，由正电子标记的放射性核素示踪剂被广泛应用。通过得到细胞对于被放射性核素(如：¹¹C(质量数为11的碳核素),¹⁸F(质量数为18的氟核素))标记的化合物，即示踪剂的摄取量，能够反映细胞的生理信息。放射性核素标记的化合物能够被细胞摄取，并在细胞内发生放射性衰变，产生正电子与细胞内原有的负电子结合，并发生湮灭形成γ光子。

根据这一原理，现在有的技术利用γ放射免疫计数仪来对实验样本进行测量，推算出细胞对于放射性标记物的摄取量，由此可以反映出细胞的生理信息。但是利用γ放射免疫计数仪来进行测量的方法往往有以下不足：(1)在测量细胞中显像剂的剩余量时需要对细胞孔板中的每一个孔中的细胞分别进行消化，清洗，收集并用γ放射免疫计数仪测量γ计数，得到每个孔中的γ计数。实验操作十分复杂，需要用到大量的重复的人工操作。(2)实验中样品不能在同一时间被检测到，由于此实验为放射性核素的实验，放射性核素随着时间的推移其活度会逐渐衰减，因此为了得到更加准确的值，需要对多组实验样本的实验结果进行校正。(3)不能进行动态测量；(4)由于细胞实验采用的是γ放射免疫计数仪来测量，而后续的在体的小动物的实验采用的是小动物PET来测量，因此实验的成果无法直接被转化，需要经过一系列的理论分析才能实现从离体实验的结果转化到在体实验的结果。

CN201310745055一案的专利申请公开了一种快速测定细胞的放射性结合能力的方法，提出了通过PET扫描的方式来测定细胞与放射性标记物结合的放射性摄取值，并通过计算所述待测定细胞的放射性摄取值与放射性标记物总摄取值的比例，进而评价所述细胞与放射性标记物的结合能力。此方法相对于使用γ放射免疫计数仪进行测定而言，省却了通过γ计数仪检测方法中的细胞和培养液需要转移到放免管中进行检测的步骤，简化了操作步骤、也降低了人为操作因素的影响，但是由于体外细胞实验的待测样品是细胞，而在体实验的待测体是人或者小动物，从待测样品活度来说，体外细胞实验待测样品活度远小于在体实验的待测样品活度。因此专用于人体或者小动物的PET灵敏度并不能完全适应体外细胞实验，由于灵敏度方面的不足，直接应用专用于人体或者小动物的PET进行体外细胞实验检测时，最终成像的质量并不能有效的满足实验的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种平板PET系统，其专门用于细胞体外核素实验，灵敏度高。

为达到上述目的，本实用新型的解决方案是：

本实用新型公开了一种用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，包括：

数据采集模块，所述数据采集模块包括两组相对设置的PET探测平板，所述每组PET探测平板的面积不小于对应的细胞培养板的面积设置以探测到所述细胞培养板每个孔内的细胞样品所发射的γ光子；

数据处理模块：获取所述PET探测平板接收的γ光子的能量信息，位置信息及时间信息，并且利用上述信息进行符合处理以得到投影数据；

图像重建模块：处理所述投影数据以获得重建图像；

以及一细胞培养板固定模块，以将所述细胞培养板设置于所述两PET探测平板之间；

一机械控制模块，所述机械控制模块用于调整所述细胞培养板与所述两组PET探测平板的相对位置以使得所述细胞培养板位于所述两组PET探测平板的视野范围的中心位置处。

所述PET探测平板的长度L范围为15cm～30cm，宽度W范围为10cm～25cm，所述两组PET探测平板之间的间距D范围为1cm～5cm。

所述每个PET探测平板包括多个均匀分布的基础探测单元，所述每组基础探测单元包括闪烁晶体条、耦合所述闪烁晶体条的光电转换器件以及连接晶体条和光电转化器件的光导；

优选的，所述晶体条厚度设置范围为10mm～30mm；

优选的，所述晶体条的材料设置为锗酸铋；

优选的，所述闪烁晶体条与所述光电转换器件为一对一的耦合或一对多的耦合。

所述细胞培养板固定模块包括用于放置所述细胞培养板的至少一组夹持结构、用于固定所述夹持结构的支撑支架、以及至少一组连接结构，所述连接结构的数量对应所述夹持结构设置以将每组夹持结构分别安装于所述支撑支架上。

所述每组夹持结构包括一侧开口矩形固定框架、封闭所述开口的移动横杆，所述固定框架以及移动横杆的内边框设有凹槽且所述移动横杆的两端沿所述固定框架的两长边往返移动以卡接固定不同尺寸的细胞培养板；

优选的，所述每组夹持结构还包括多个弹簧夹，所述弹簧夹夹持连接所述细胞培养板与所述固定框架、移动横杆以辅助进行所述细胞培养板在夹持结构上的固定；

优选的，所述每组连接结构包括一卡持件以及一锁固件，所述支撑支架对应所述连接结构设有开孔，所述卡持件一端与所述夹持结构固定连接，一端穿过所述开孔后经由所述锁固件固定于所述支撑支架上；

优选的，所述卡持件包括一连接直杆、位于所述连接直杆尾端的连接螺栓，所述锁固件包括垫圈以及一卡环，所述连接直杆首端与所述夹持结构固定连接，所述连接直杆的尾端穿过所述开孔后，所述卡环与所述连接螺栓紧固连接以实现所述夹持结构的固定；

优选的，所述支撑支架上平行设有多排开孔以实现多组夹持结构的安装与固定。

所述两组PET探测平板分别与所述支撑支架的嵌套连接以在所述机械控制模块的驱动下沿所述支撑支架的外边缘上下移动。

所述机械控制模块包括一控制单元以及与所述控制单元通信连接的一升降单元，所述升降单元与其中一组PET探测平板固定连接以接受所述控制单元的驱动调整与其相连PET探测平板的高度，使得所述细胞培养板位于所述两组PET探测平板的视野范围的中心位置处；

优选的，所述控制单元为控制电路，所述升降单元为一机械臂，所述机械臂一端与所述控制电路通信相连，另一端与其中一组PET探测平板固定连接以接受所述控制电路的驱动调整所述两组PET探测平板的间距；

优选的，所述机械控制模块还包括一位置指示单元以指示所述平板PET系统的FOV中心位置及边界位置；

进一步的，所述位置指示单元为定位激光灯。

所述图像重建模块包括：

预处理子模块：对所述投影数据进行前期处理并输出至图像重建子模块；

图像重建子模块：依据所述预处理子模块发送的数据进行图像重建，包括动态重建子模块和静态重建子模块，所述静态重建子模块用于形成三维图像，所述动态重建子模块用于形成带有时间信息的四维图像；

以及后处理子模块：后处理子模块将对图像重建子模块重建的图像进行后期图像处理；

优选的，所述动态重建子模块的图像重建包括以下过程，传入重建图像每一帧的时间间隔T，利用形成的投影数据中的每对事件发生的时间信息，将这些投影数据时间间隔T划分为一组，分别对每一组的图像进行图像重建，最后形成带有时间信息的四维图像；

优选的，所述预处理子模块中的前期处理包括数据重组、几何校正、均一化校正中的一种或多种。

所述用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统还包括清洗模块，所述清洗模块设置于所述数据采集模块侧边以用来辅助清洗细胞培养板中的培养基及示踪剂或其他需要被清洗的物质；

所述用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统还包括参数输入模块，所述参数输入模块与所述图像重建模块通信相连以用于确定选择动态重建模式或静态重建子模式，以及设置动态成像模式中动态图像每一帧的时间间隔。

由于采用上述方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型公开了一种专门用于体外细胞实验的平板PET系统，其针对现有的平板PET结构进一步改进，从而可达到以下效果：

(1)灵敏度提高，可以帮助拓宽可探测细胞数量的极限，为体外细胞实验的进一步研究提供更为有利的工具；

(2)由于灵敏度的提高，使得信噪比得到提高，从而使得定量准确度也得到提高，可计算出理论数据(由于该系统产生的噪声是随机噪声，在灵敏度高时，系统获得的信号功率变大，假设系统获得的信号功率提高了n倍，而噪声的功率则仅提高了√n倍，则根据信噪比的定义S/N，其中S表示信号，N表示噪声，可知信噪比提高了√n倍。)。

(3)灵敏度的提高还可以极大地缩短探测所需要的时间，这样，首先可以加快整体实验进程，实验操作人员将用更短的时间完成实验；第二、实验操作人员会受到更小的辐射；第三，由于该实验中放射性药物的放射活度是随着时间变化的，在更短的时间内完成扫描，将极大的降低因为放射性药物的活度随时间变化带来的误差；第四，动态扫描中，能设置更小的时间间隔，得到更加精细的动态扫描数据。

(4)由于对数据采集模块的进一步改善，降低了系统的探测面积，减少了使用材料，极大地降低了构建系统的成本，可以以低成本和低系统开发复杂度实现一个体外细胞检测装置，甚至只有一对传统的环形PET的基础探测单元的情形(即5.3x5.3cm²的成像视野)，同样可以实现检测。

附图说明

图1为本实用新型所示的用于体外细胞核素实验平板PET系统的结构示意图；

图2为图1所示实施例中数据采集模块的结构示意图；

图3为图1所示实施例中细胞培养板在数据采集模块上的安装示意图；

图4为在96细胞孔板中细胞铺板结构示意图；

图5为仿真放射源设置示意图；

图6(a)环形PET仿真实验结果；

图6(b)平板PET系统仿真实验结果；

图7为细胞培养板与细胞培养板固定模块的安装结构示意图；

图8为夹持结构的结构示意图；

图9为图8所示示意图的正视图；

图10为图8所示结构图中弹簧夹与细胞培养板边缘的连接结构放大图；

图11为连接结构的结构示意图；

图12为体外细胞核素的摄取量确定实验的工作流程图；

其中，数据采集模块100、PET探测平板110、数据处理模块200、图像重建模块300、细胞培养板固定模块400、夹持结构410、固定框架411、移动横杆412、弹簧夹413、支撑支架420、连接结构430、连接直杆431、连接螺栓432、垫圈433、卡环434、机械控制模块500。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例对本实用新型作进一步的说明。

平板PET作为一项新兴技术，其无论从基本物理过程、硬件装置、系统主要特性和图像重建算法等方面都尚处于研究中，基于平板PET系统在体外细胞测量领域的应用，本实用新型进一步的提供了一种专门用于体外细胞实验的平板PET系统，如图1所示，其包括数据采集模块100，数据采集模块100包括两组相对设置的PET探测平板110以探测到细胞培养板每个孔内的细胞样品所发射的γ光子；数据处理模块200，其获取PET探测平板接收的γ光子的能量信息、位置信息及时间信息，并且对使用这些信息进行符合处理以得到投影数据；图像重建模块300，其对投影数据进行处理以获得重建图像；以及一细胞培养板固定模块400，其用于将细胞培养板设置于两PET探测平板之间，如图7所示，包括用于放置细胞培养板的至少一组夹持结构410、用于固定夹持结构的支撑支架420、以及至少一组连接结构430，连接结构430的数量对应夹持结构410设置以将每组夹持结构410分别安装于支撑支架420上；一机械控制模块500，机械控制模块500用于调整细胞培养板与两组PET探测平板的相对位置以使得细胞培养板位于两组PET探测平板的视野范围的中心位置处。

如图2至图3所示，数据采集模块100包括两组相对设置的PET探测平板110，每组PET探测平板110的面积不小于对应的细胞培养板的面积设置以探测到细胞培养板每个孔内的细胞样品所发射的γ光子。具体而言，每组PET探测平板110包括多个均匀分布的基础探测单元，每组基础探测单元包括闪烁晶体条、耦合闪烁晶体条的光电转换器件以及连接晶体条和光电转化器件的光导。闪烁晶体条可为NaI、LSO、硅酸钇镥闪烁晶体(LYSO)、BaF2、硅酸钆(GSO)和锗酸铋(BGO)等晶体材料制作而成，光电转换器件为光电倍增管(PhotomultiplierTube，以下简称PMT)、位置敏感型光电倍增管(PositionSensitivePhotomultiplierTube，以下简称PSPMT)、微通道板光电倍增管(以下简称MCP-PMT)、雪崩光电二极管(AvalanchePhotoDiode，以下简称APD)、硅光电倍增器(SiliconPhotomultiplier，以下简称SiPM)中的任意一种。闪烁晶体条与光电转换器件之间为一对一的耦合方式或一对多耦合方式(通常采用一对四的耦合)。

本实施例中，每个PET探测平板110的长度L的范围为15cm～30cm，宽度W的范围为10cm～25cm，长宽比(即L/W)3:2，两块PET探测平板110之间的距离D范围为1cm～5cm，这样设置能使得细胞培养板上的每个孔都能用来摆放样品并被PET探测平板110探测到，实现高通量实验，并且极大的提升平板PET系统的灵敏度。

当使用图示实施例中的数据采集模块进行体外细胞检测时，由于上述双平板结构能够完全覆盖细胞培养板，并且能够和细胞培养板的形状相适应，因此能够在得到更大的空间利用率的同时，使得用来重建的数据除了有些角度的投影线的缺失以外没有其他方面的缺失，不会产生显著的伪影和形变。另一方面，还能提高平板PET系统的立体角Ω，从而进一步的增强平板PET的灵敏度。对于PET而言，立体角Ω是以圆锥体的顶点为球心，半径为1的球面被锥面所截得的面积来度量的，度量单位称为“立体弧度”，对于本实用新型所示的数据采集模块的结构，其相对于位于FOV中心的点射源的立体角Ω是:

$\mathrm{\Ω}=8arctan\frac{LW}{D\sqrt{D^2+L^2+W^2}}$

相对于现有的PET平板而言，本实用新型所示的应用于体外细胞测量的平板PET，其结构更为紧凑，就提高几何效率而言，本实用新型所示的PET平板系统的立体角得到提高，从而为提高整个系统的灵敏度做出了最大的贡献，从而可有效的探测到放射性活度极低的实验样本。

相对于一般的环形PET而言，本实用新型所示的PET平板系统的立体角Ω更是大为提高，以LHsystem和本实用新型所示的平板PET系统比较进行说明，在两者有着相同的探测面积的情况下，LHsystem相对于位于FOV中心的点射源的立体角是4π的27％，而本实用新型所示平板PET的相对于位于FOV中心的点射源的立体角是4π的77％。可见结构更加紧凑的平板PET系统的立体角远远大于与之有着相同探测面积的环形PET。

同时，本实用新型所示的平板PET还从单个基础探测单元的探测效率η进行改进，以进一步的提高本实用新型所示的平板PET的灵敏度，探测到更低活度的实验样品。如前，体外细胞实验中，PET的灵敏度高低对于实验样品检测结果的好坏起至关重要的作用，因此为了得到更加准确的值实验样，需要进一步的提高本实用新型所示的平板PET的灵敏度(Sensitivity)。故本实用新型所示的PET探测平板适当的增加了闪烁晶体的厚度D，将厚度范围D设置为10mm～30mm，同时，采用高衰减系数μ的闪烁晶体如LSO或者BGO，从而提高单个探测器的探测效率η＝(1-e^-μD)×Φ。

综上，本实用新型所示的数据采集模块，一方面，通过单个探测器的探测效率的提高，提升了整体的探测效率，从而提高了整体系统的灵敏度，另一方面，还进一步改善了立体角，提高了系统的几何效率，从而为提高整个系统的灵敏度做出了最大的贡献。

以下结合蒙特卡洛仿真实验对本实用新型所示的应用于体外细胞实现的平板PET的灵敏度进验证：

本次实验中，选择LHsystem与本实用新型所示的应用于体外细胞实现的平板PET分别进行体外细胞的测量，二者具体结构参数如下表所示：

步骤(1)：按照以下步骤进行细胞培养实现以得到细胞实验中通常需要探测的活度：

a).取实验样品，清除内部培养基，可适当PBS漂洗；

b).加入无糖培养基3ml，置于恒温培养箱中进行饥饿处理30min；

c).量取¹⁸F-FDG于1.5ml离心管中，记录时间及活度，单位选择MBq；

d).待饥饿处理完毕后，加入1ml¹⁸F-FDG于培养皿中，等待细胞吸收30min；

e).细胞吸收完毕后倾倒内部培养液及示踪剂，PBS清洗三遍；

f).加入1ml胰酶消化3min；

g).加入普通培养基终止消化，吹打贴壁细胞制备细胞悬液；

h).将细胞悬液放置离心管中在离心机中用800r/min(转每分钟)的速度离心5min；

i).倾倒上清液，加1.02ml新鲜无糖培养基制备悬液；

j).取20μL细胞悬液于细胞计数板，测量细胞浓度；

l).将细胞浓度调配至10⁶/ml，后通过10倍稀释法制备10⁵/ml、10⁶/ml浓度细胞悬液。

m).在96细胞孔板中细胞铺板情况如图4所示，图中数字代表细胞个数，孔板中细胞个数分别为10⁶，5*10⁵，10⁵，5*10⁴，10⁴，5*10³，10³，5*10²，10²，50个：

(2)根据细胞实验中每个孔板中的放射性活度，抽象出细胞实验的扫描模型，利用蒙特卡洛仿真实验放射源设置如图5所示；

(3)分别使用LHsystem与本实用新型所示的应用于体外细胞实现的平板PET的参数进行仿真：最终得到PET仿真实验结果如图6(a)所示，平板PET系统仿真实验结果如图6(b)所示。

根据蒙特卡洛仿真实验结果，我们将检测效果分为三个等级，一级代表样本能很明显从图像中看出来，二级代表样本勉强能从图像中看出来，三级代表样本完全不能从图像上看出来。可以看出，利用传统的环形PET，1000Bq及以上为一级，200Bq为二级，100Bq及以下为三级，而利用本平板PET系统，100Bq及以上为一级，20Bq为二级，10Bq为三级，即在体外细胞实验中，使用平板PET系统能够比传统的PET探测到更低活度的实验样品(传统的环形PET检测极限为200Bq，而平板PET的检测极限为20Bq)，并且平板PET的检测效果远远优于传统的环形PET(传统的环形PET一级为1000Bq及以上，平板PET一级为100Bq及以上)。

同时，灵敏度的提高可以极大地缩短探测所需要的时间，本次仿真实验中，相同时间内，本平板PET系统所得到的数据量是环形PET所得到的数据量的10倍，也就是说，我们可以缩短10倍的探测时间，这样首先，整体实验进程加快，实验操作人员将用更短的时间完成实验；其次，实验操作人员将接收更少的辐射。同时，由于该实验中放射性药物的放射活度是随着时间变化的，在更短的时间内完成扫描，将极大的降低因为放射性药物的活度随时间变化带来的误差，此外，一方面探测时间的缩短还使得体外细胞的动态扫描成为可能，且若动态扫描中，能设置更小的时间间隔，得到更加精细的动态扫描数据。

采用上述结构的数据采集模块进行体外细胞核素实验时，除进一步的提高灵敏度外，由于极大的降低了系统的探测面积，因此减少了使用材料，极大地降低了构建系统的成本以及系统开发复杂度，甚至可采取只有一对传统的环形PET的基础探测单元的情形，改进后的平板PET系统的造价可降低至几十万至十几万，同时提高了系统的便携性，能够更加灵活性的运用。

数据处理模块200用于获取PET探测平板接收的γ光子的能量信息，位置信息及时间信息，并且利用这些信息对所有事件进行符合处理，形成符合事件，并存储成为投影数据。数据处理模块将由数据采集模块中的光电转换器件输出的脉冲信号进行处理，从中提取γ光子到达探测器的时间信息，位置信息以及能量信息，接下来进行符合判断。符合判断是判断到达探测器的γ光子是否在同一次湮灭事件中产生的过程，若两个γ光子被判断为同一次湮灭事件产生的，则记为一次符合事件，系统将该事件的时间、位置、能量信息存储下来，并且在输出数据中增加一行数据，则最后输出的数据中每一行都代表了一次符合事件，我们将这些数据称为投影数据。通过添加符合时间窗的方法进行时间符合，具体方法为若两个γ光子到达探测器的时间在一定的时间间隔(被称为符合时间窗)内，则将这两个γ光子判断为同一次湮灭事件产生的。设置符合时间窗的范围为10ns。通过添加符合能量窗的方法进行能量符合，具体方法为若两个γ光子的被探测并记录的能量信息在一定的能量范围(被称为符合能量窗)内，则将这两个γ光子进行能量符合。设置符合能量窗的范围为350keV～650keV。

图像重建模块300将数据处理模块所得到的投影数据处理以获得重建图像，包括预处理子模块310：对投影数据进行前期处理并输出至图像重建子模块；图像重建子模块320：用于依据预处理子模块发送的数据进行图像重建，包括动态重建子模块321和静态重建子模块322，其中，静态重建子模块322用于形成三维图像，动态重建子模块321用于形成带有时间信息的四维图像；以及后处理子模块330：后处理子模块将对图像重建子模块重建的图像进行后期的图像处理。

具体而言，预处理子模块310对投影数据进行前期处理并输出至重建子模块320；前期处理包括数据重组、几何校正、均一化校正中的一种或多种。相比起临床PET实验来说，由于细胞实验的实验样品体积远远小于人体，γ光子在实验样品中的衰减效应和散射效应对的实验结果的影响不大，因此可省略衰减校正和散射校正的步骤，更为简单方便。本实施例中，采取SSRB、MSRB和FORE三种方法进行数据重组；几何校正主要针对PET的几何不一致性进行校正；均一化校正主要针对探测器响应不一致性进行校正。

图像重建子模块320用于依据预处理子模块发送的数据进行图像重建，包括动态重建子模块321和静态重建子模块322，静态重建子模块322用于形成三维图像，动态重建子模块321用于形成带有时间信息的四维图像。如前，应用于体外细胞检测的平板PET除能够获得三维图像之外，由于其具有更优的灵敏度，在获得同样的成像质量的情况下缩短扫描时间，故还能够进行动态测量，得到带有时间信息的数据，即形成四维图像，具体而言，动态重建子模块的图像重建过程中，传入重建图像每一帧时间间隔T参数，利用形成的投影数据中的每对事件发生的时间信息，将这些投影数据按照时间间隔T划分为一组，分别对每一组的图像进行图像重建，最后形成有时间信息的四维图像。由于对每一帧动态图像都进行处理，利用Bi就能表示第i个孔中的细胞对于放射性物质的摄取量，对比分析每一帧动态图像的摄取量的不同得出细胞随着时间变化吸收放射性药物的量的变化曲线。

为了便于操作者与平板PET系统的交互，用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统还包括参数输入模块，参数输入模块与图像重建模块通信相连以用于确定选择动态重建模式或静态重建子模式，以及设置动态成像模式中动态图像每一帧的时间间隔。

如图8至图10所示，细胞培养板固定模块400中，每组夹持结构410包括一侧开口矩形固定框架411、封闭开口的移动横杆412，固定框架411以及移动横杆412的内边框设有凹槽且移动横杆412的两端沿固定框架411的两长边往返移动设置以卡接固定不同尺寸的细胞培养板。

当需要将细胞培养板固定在细胞培养板固定模块400中，首先将移动横杆412从固定框架411中移除，然后将细胞培养板沿固定框架411内边框的凹槽从开口处插入至固定框架411中，在将移动横杆412装配至固定框架411上以密封上述开口并实现细胞培养板的固定。图示实施例中，固定框架411的长边为18cm，短边为12cm,移动横杆412的总长度为18cm，其中，嵌套在固定横杆的短边的部分长度为1cm，即移动横杆412的两端各嵌套了0.5cm，能够满足夹持进行实验的细胞培养板或者培养皿有不同的尺寸。

此外，为了确保细胞培养板的在细胞培养板固定模块400上的固定，每组夹持结构还包括多个弹簧夹，弹簧夹分布在固定框架411以及移动横杆412上并可沿二者的边框移动，其夹持连接细胞培养板与固定框架、移动横杆以辅助进行细胞培养板在夹持结构上的固定。具体而言，当固定框架411与移动横杆412配合将细胞培养板初步固定后，将四组弹簧夹移动至细胞培养板的四角处夹持细胞培养板的四角，如图9所示，弹簧夹的长度不超过1cm，且能正好夹到细胞培养板的角上。

如图11所示，连接结构430包括一卡持件以及一锁固件，支撑支架420对应连接结构430设有开孔，卡持件一端与夹持结构固定连接，一端穿过开孔后经由锁固件固定于支撑支架420上；具体而言，卡持件包括一连接直杆431、位于连接直杆尾端的连接螺栓432，锁固件包括垫圈433以及一卡环434，连接直杆431的首端与夹持结构420(即固定框架)固定连接，连接直杆431的尾端穿过开孔后，经由卡环434与连接螺栓432之间的螺栓连接以实现夹持结构420在支撑支架420上的固定；图示实施例中，每组夹持结构420分别经由两组卡持件以及对应的两组锁固件与支撑支架420之间连接固定，对应的支撑支架420上每排设置两个通孔。

为了满足高通量实验中需要同时对多个细胞培养板进行扫描成像的情况。支撑支架420上平行设有多排开孔以实现多组夹持结构的安装与固定。每排夹持结构固定一块细胞培养板，多组细胞培养板最终可实现上下叠置。

此外，图7所示实施例中，两组PET探测平板分别与支撑支架420的嵌套连接以在机械控制模块的驱动下沿支撑支架420的外边缘上下移动，并通过机械臂使得PET探测平板最终停在合适的位置。且当细胞培养板夹持装置201从细胞培养板固定装置202上取下来时，两组PET探测平板可以从支撑支架420的两端滑出，拆卸方便，可便于搬运与组装。

采取本实用新型所示的细胞板固定模块，一方面，在实验过程中，细胞培养板能够很方便的被固定和拆卸，方便实验操作，加快实验进程的同时，减少了操作人员与细胞培养板接触的时间，减少操作人员所受的辐射；另一方面，系统的便携性、灵活性得到了极大的提高。并且该装置相比起临床PET及小动物PET来说，省去了检测床，更是极大地简化了结构，使得系统更加容易实现。

机械控制模块500包括一控制单元510以及与控制单元510通信连接的一升降单元520，升降单元与其中两组PET探测平板固定连接以接受控制单元的驱动调整与其相连PET探测平板的高度，使得细胞培养板位于两组PET探测平板的视野范围的中心位置处；

本实施例中，控制单元510为控制电路，升降单元为机械臂，机械臂一端与控制电路通信相连，另一端与其中一组PET探测平板固定连接以接受控制电路的驱动调整两组PET探测平板的间距，实现平板PET的结构的可调节性特征。这样在进行体外细胞检测实验时，能够根据不同的实验样品来调节双平板间距D，使得待测细胞板尽量处于中心视野处，以适应不同实验的需求。

机械控制模块还包括一位置指示单元以指示平板PET系统的FOV中心位置及边界位置；本实施例中，位置指示单元为定位激光灯。从而在放置细胞培养板时能够进行指示，尽量使得样品位于FOV中心并且不超出FOV边界。

用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统还包括清洗模块，清洗模块设置于数据采集模块侧边用来辅助清洗细胞培养板中的培养基及示踪剂或其他需要被清洗的物质；

以下结合进行体外细胞核素的摄取量确定实验的工作流程对本实用新型所示的应用于体外细胞核素实验的平板PET进行进一步说明，具体步骤如图12所示。

(1)进行细胞培养

(1-1)在适宜条件下培养细胞；

(1-2)在显微镜下选取生长状态合适的细胞；

(1-3)在培养皿中对细胞进行预培养。预培养是为了消耗细胞内原有的会对细胞摄取示踪剂产生影响的物质，因此根据实验使用的示踪剂的不同，预培养的方法也不一样，例如，在¹⁸F-FDG(¹⁸F-FDG是指氟代脱氧葡萄糖，其完整的化学名称为2-氟-2-脱氧-D-葡萄糖，通常简称为FDG)细胞摄取实验中，预处理的方法是将细胞在无糖培养基中培养30min，尽量消耗完细胞内原有的葡萄糖，消除其对细胞摄取¹⁸F-FDG产生的影响；

(2)判断是静态扫描还是动态扫描：

(2-1)若选取静态扫描：

(2-1-1)向培养皿添加适量的适宜放射性活度的示踪剂，并且孵育一段时间；

(2-1-2)将细胞及培养液转移到细胞培养板中；

(2-1-3)判断是否需要计算细胞摄取率，如果要计算细胞摄取率，则包括以下步骤：

(2-1-31)细胞培养板安装步骤：按照前述方法将细胞培养板固定到细胞培养板固定装置上，再将细胞培养板固定装置连接到支架上并固定，根据实验需要利用平板PET系统的机械控制模块调整平板PET系统两个平板之间的间距；

(2-1-32)第一次静态成像：利用数据采集模块进行静态扫描，实验样品中的放射性药物进行衰变形成的γ光子被平板PET系统的数据采集模块检测到，产生的电信号经过数据处理模块进行处理形成投影数据，然后将投影数据利用平板PET系统的图像重建模块进行预处理，图像重建然后进行图像处理后形成图像。

(2-1-33)对重建图像进行感兴趣区(ROI)分析：并根据图像重建后的图像对细胞板的每个孔勾画ROI(regionofinterest，感兴趣区域)，总体勾画原则是使得针对每个孔勾画ROI能够将整个孔包括进去，可采用计算平均值的方式，这种方法适合用于计算细胞摄取率，是按照细胞孔板的形状和尺寸勾画ROI，然后对ROI中的每个像素点的值的求和(由式(1)表示)，即得到清洗前每个孔中的放射性物质的剩余量A，

$A_i=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_n}{V_i}\mathrm{...}\left(1\right)$

在这里用A_i表示第i个孔中未清洗前孔中的放射性物质剩余量，包括细胞摄取的放射性物质的剩余量和留在上清液中的放射性物质的剩余量，其单位是Bq/ml(贝克每毫升，其中贝克(Bq)为放射性物质的放射活度通用计量单位，1Bq＝1次放射性衰变/秒)；

其中I_n表示在清洗前进行平板PET系统扫描并重建后所得的图像中，第i个ROI中的第n个像素点的值，第i个ROI中总共有N个像素点，V_i表示清洗前进行平板PET系统扫描并重建后所得的图像中第i个ROI的体积；

(2-1-34)清洗步骤：利用清洗装置，倾倒内部培养液及示踪剂，然后利用PBS(PBS，全称PhosphateBufferedSaline。在医学词汇中表示磷酸盐缓冲液，用于分子克隆及细胞培养)溶液清洗，并添加新的培养基；

(2-1-35)第二次静态成像：对步骤(2-1-34)中清洗后的细胞培养板进行第二次静态成像，安装步骤同(2-1-31)，第二次静态成像步骤同步骤(2-1-32)。

(2-1-36)对重建图像进行感兴趣区(ROI)分析：根据平板PET系统形成的的图像对细胞板的每个孔勾画ROI(regionofinterest,感兴趣区域)，该步骤应使得ROI勾画与前面(2-1-33)中相同。并采用计算平均值(由式(2)表示)的方式进行感兴趣区(ROI)分析，即得到清洗后每个孔中的放射性物质的剩余量B，

$B_i=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{J}_n}{V_i}\mathrm{...}\left(2\right)$

在这里用B_i表示清洗后第i个孔中的放射性物质剩余量，只剩下细胞摄取的放射性物质的剩余量，其单位是Bq/ml(贝克每毫升，其中贝克(Bq)为放射性物质的放射活度通用计量单位，1Bq＝1次放射性衰变/秒)；其中J_n表示在清洗后进行平板PET系统扫描并重建后所得的图像中，第i个ROI中的第n个像素点的值，第i个ROI中总共有N个像素点，V_i表示清洗后进行平板PET系统扫描并重建后所得的图像中第i个ROI的体积；

(2-1-4)如果不需要计算细胞摄取率，则包括以下步骤：

(2-1-41)倾倒细胞培养板内部培养基及示踪剂，然后利用PBS(PBS，全称PhosphateBufferedSaline。在医学词汇中表示磷酸盐缓冲液，用于分子克隆及细胞培养)溶液清洗，并添加新的培养基；

(2-1-42)细胞培养板安装步骤同(2-1-31)，静态扫描步骤同(2-1-32)。

(2-1-43)对重建图像进行ROI分析：对细胞板的每个孔勾画ROI(regionofinterest,感兴趣区域)，总体勾画原则是使得针对每个孔勾画ROI能够将整个孔包括进去,并采用计算平均值的方式进行感兴趣区(ROI)分析(由式(2)表示)，即得到清洗后每个孔中的放射性物质的剩余量B，

在这里用B_i表示第i个孔中未清洗前孔中的放射性物质剩余量，包括细胞摄取的放射性物质的剩余量和留在上清液中的放射性物质的剩余量，其单位是Bq/ml(贝克每毫升，其中贝克(Bq)为放射性物质的放射活度通用计量单位，1Bq＝1次放射性衰变/秒)；其中J_n表示在清洗后进行平板PET系统扫描并重建后所得的图像中，第i个ROI中的第n个像素点的值，第i个ROI中总共有N个像素点，V_i表示清洗后进行平板PET系统扫描并重建后所得的图像中第i个ROI的体积；

(2-2)若选择动态扫描:

(2-2-1)用户输入动态扫描参数，即动态图像每一帧间隔时间T；

(2-2-2)向培养皿添加适量的适宜放射性活度的示踪剂，注意此处并没有等待细胞孵化，添加示踪剂后直接进行下一步；

(2-2-3)将细胞及培养液转移到细胞培养板中；

(2-2-4)细胞培养板安装步骤同(2-1-31)；

(2-2-5)利用平板PET系统的数据采集模块进行动态扫描，此处要求设置扫描时长大于细胞孵化所需要的时长；利用平板PET系统的数据处理模块形成投影数据；根据动态扫描所得时间信息将投影数据每间隔时间T分为一组；利用图像重建模块对每一组投影数据进行图像重建；形成带有时间信息的动态重建图像。

(2-2-6)对动态重建图像中的每一张图像分别进行ROI分析：对细胞板的每个孔勾画ROI(regionofinterest,感兴趣区域)，总体勾画原则是使得针对每个孔勾画ROI能够将整个孔包括进去，要求对每张图像中对同一个孔勾画的ROI是完全相同的，即最后的动态分析是针对同一个孔的在不同时间的细胞对于放射性药物的摄取量的变化进行分析。分析采用计算平均值的方式进行感兴趣区(ROI)分析，即对ROI中的每个像素点的值的求和后除以ROI的体积(由式(3)表示)，即得到在第t时间段清洗前每个孔中的放射性物质的剩余量A_t，

$A_{ti}=\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_{tn}}{V_i}\mathrm{...}\left(3\right)$

在这里用A_ti表示第t时间段第i个孔中未清洗前孔中的放射性物质剩余量，包括细胞摄取的放射性物质的剩余量和留在上清液中的放射性物质的剩余量，其单位是Bq/ml(贝克每毫升，其中贝克(Bq)为放射性物质的放射活度通用计量单位，1Bq＝1次放射性衰变/秒)；其中I_tn表示在清洗前进行平板PET系统扫描并重建后所得的图像中，第t时间段第i个ROI中的第n个像素点的值，第i个ROI中总共有N个像素点，V_i表示清洗前进行平板PET系统扫描并重建后所得的图像中第i个ROI的体积，注意V_i是不随时间变化的；

(2-3)数据分析：

(2-3-1)静态成像：

(2-3-11)需要计算细胞摄取率的情况：

则第i个孔的细胞摄取率＝B_i/A_i(用清洗后只剩下细胞摄取的放射性物质的剩余量(即B_i)，与清洗前总的放射性物质剩余量(包括细胞摄取的放射性物质的剩余量和留在上清液中的放射性物质的剩余量(即A_i)之比即为细胞摄取率)；

(2-3-12)不需要计算细胞摄取率的情况：

利用B_i就能表示第i个孔中的细胞对于放射性物质的摄取量。

(2-3-2)动态成像：

对每一帧动态图像都进行处理，利用B_i就能表示第i个孔中的细胞对于放射性物质的摄取量，由于没有将细胞培养液清洗，所以探测到的是每个孔中的都是细胞培养液中的放射性物质和细胞内中的放射性物质的总和，但是由于孔中的细胞是贴壁分布的，所以能够从图像上分辨出细胞所在的位置，然后对比分析每一帧动态图像的摄取量的不同得出细胞随着时间变化吸收放射性药物的量的变化曲线。

综上，本实用新型所示的用于体外细胞核素实验的平板PET系统，除具有普通平板PET所具有的高灵敏度带来的各项作用之外，由于其从结构上进一步改进，一方面，PET探测板的设计，使得其灵敏度进一步得到提高，由于灵敏度的大幅度提高，能够使得对于细胞实验的检测极限被拓宽，系统的定量准确性提高同时极大地降低了扫描时间，同时，使用更少的晶体以及光电转换器件，能够有效降低制作成本，且便于移动，系统的便携性和灵活性得到了极大的提高；另一方面，控制模块的设计，使得在实验过程中，细胞培养板能够很方便的被固定和拆卸，方便实验操作，加快实验进程的同时，减少了操作人员与细胞培养板接触的时间，减少操作人员所受的辐射，并且该装置相比起临床PET及小动物PET来说，省去了检测床，更是极大地简化了结构，使得系统更加容易实现。此外，在图像重建子模块中增设动态重建子模块，还可实现直接获取体外细胞随着时间变化吸收放射性药物的量的变化曲线。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本实用新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：包括

数据采集模块，所述数据采集模块包括两组相对设置的PET探测平板，所述每组PET探测平板的面积不小于对应的细胞培养板的面积设置以探测到所述细胞培养板每个孔内的细胞样品所发射的γ光子；

数据处理模块：获取所述PET探测平板接收的γ光子的能量信息，位置信息及时间信息，并且利用上述信息进行符合处理以得到投影数据；

图像重建模块：处理所述投影数据以获得重建图像；

以及一细胞培养板固定模块，以将所述细胞培养板设置于所述两PET探测平板之间；

一机械控制模块，所述机械控制模块用于调整所述细胞培养板与所述两组PET探测平板的相对位置以使得所述细胞培养板位于所述两组PET探测平板的视野范围的中心位置处。

2.根据权利要求1所述的用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：所述PET探测平板的长度L范围为15cm～30cm，宽度W范围为10cm～25cm，所述两组PET探测平板之间的间距D范围为1cm～5cm。

3.根据权利要求1或2所述的用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：所述每个PET探测平板包括多个均匀分布的基础探测单元，所述每组基础探测单元包括闪烁晶体条、耦合所述闪烁晶体条的光电转换器件以及连接晶体条和光电转化器件的光导；

优选的，所述晶体条厚度设置范围为10mm～30mm；

优选的，所述晶体条的材料设置为锗酸铋；

优选的，所述闪烁晶体条与所述光电转换器件为一对一的耦合或一对多的耦合。

4.根据权利要求1所述的用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：所述细胞培养板固定模块包括用于放置所述细胞培养板的至少一组夹持结构、用于固定所述夹持结构的支撑支架、以及至少一组连接结构，所述连接结构的数量对应所述夹持结构设置以将每组夹持结构分别安装于所述支撑支架上。

5.根据权利要求4所述的用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：所述每组夹持结构包括一侧开口矩形固定框架、封闭所述开口的移动横杆，所述固定框架以及移动横杆的内边框设有凹槽且所述移动横杆的两端沿所述固定框架的两长边往返移动以卡接固定不同尺寸的细胞培养板。

6.根据权利要求5所述的用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：所述每组夹持结构还包括多个弹簧夹，所述弹簧夹夹持连接所述细胞培养板与所述固定框架、移动横杆以辅助进行所述细胞培养板在夹持结构上的固定；

优选的，所述每组连接结构包括一卡持件以及一锁固件，所述支撑支架对应所述连接结构设有开孔，所述卡持件一端与所述夹持结构固定连接，一端穿过所述开孔后经由所述锁固件固定于所述支撑支架上；

优选的，所述卡持件包括一连接直杆、位于所述连接直杆尾端的连接螺栓，所述锁固件包括垫圈以及一卡环，所述连接直杆首端与所述夹持结构固定连接，所述连接直杆的尾端穿过所述开孔后，所述卡环与所述连接螺栓紧固连接以实现所述夹持结构的固定；

优选的，所述支撑支架上平行设有多排开孔以实现多组夹持结构的安装与固定。

7.根据权利要求4所述的用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：所述两组PET探测平板分别与所述支撑支架的嵌套连接以在所述机械控制模块的驱动下沿所述支撑支架的外边缘上下移动。

8.根据权利要求1所述用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：所述机械控制模块包括一控制单元以及与所述控制单元通信连接的一升降单元，所述升降单元与其中一组PET探测平板固定连接以接受所述控制单元的驱动调整与其相连PET探测平板的高度，使得所述细胞培养板位于所述两组PET探测平板的视野范围的中心位置处；

优选的，所述控制单元为控制电路，所述升降单元为一机械臂，所述机械臂一端与所述控制电路通信相连，另一端与其中一组PET探测平板固定连接以接受所述控制电路的驱动调整所述两组PET探测平板的间距；

优选的，所述机械控制模块还包括一位置指示单元以指示所述平板PET系统的FOV中心位置及边界位置；

进一步的，所述位置指示单元为定位激光灯。

9.根据权利要求1所述用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：所述图像重建模块包括

预处理子模块：对所述投影数据进行前期处理并输出至图像重建子模块；

图像重建子模块：依据所述预处理子模块发送的数据进行图像重建，包括动态重建子模块和静态重建子模块，所述静态重建子模块用于形成三维图像，所述动态重建子模块用于形成带有时间信息的四维图像；

以及后处理子模块：后处理子模块将对图像重建子模块重建的图像进行后期图像处理。

10.权利要求1所述用于体外细胞放射性核素实验的平板PET系统，其特征在于：还包括清洗模块，所述清洗模块设置于所述数据采集模块侧边以用来辅助清洗细胞培养板中的培养基及示踪剂或其他需要被清洗的物质；

优选的，还包括参数输入模块，所述参数输入模块与所述图像重建模块通信相连以用于确定选择动态重建模式或静态重建子模式，以及设置动态成像模式中动态图像每一帧的时间间隔。