Цифровые двойники аппаратуры для ПЭТ- и ОФЭКТ-визуализации: современное состояние, проблемы и перспективы

Цифровые двойники в ядерной медицине — это основанные на физических моделях цифровые копии систем позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ), синхронизированные с данными о конфигурации сканера и его калибровке и объединяющие проверенные симуляции с этими данными. Цифровые двойники аппаратуры расширяют возможности моделирования систем, позволяя с обратной связью оценивать характеристики детекторов, коллимацию, работу электроники и условия сбора данных. В обзоре обобщены последние разработки цифровых двойников аппаратуры для ПЭТ и ОФЭКТ и рассмотрены области их применения.

Проведён структурированный обзор литературы; применения сгруппированы по шести направлениям: (а) калибровка и оптимизация характеристик системы; (б) прогнозирующее техническое обслуживание и обнаружение неисправностей; (в) коррекция количественных показателей и оптимизация протоколов; (г) дозиметрия и сравнительная оценка методов реконструкции; (д) генерация синтетических данных и обучение искусственного интеллекта (ИИ); (е) проектирование сканеров и оценка геометрии. Особое внимание уделено решениям, объединяющим проверенные модели детекторов и систем в единые рабочие процессы, связанные с данными.

Имеющиеся данные показывают, что цифровые двойники аппаратуры позволяют проводить виртуальную калибровку, оценивать протоколы и сравнивать алгоритмы. С их помощью можно моделировать смещение детекторов и вероятностные отказы аппаратуры — факторы, важные для визуализации с высоким разрешением и исследований на мелких животных. Кроме того, они позволяют оценивать изменения геометрии, компромиссы между дозой и чувствительностью, а также конфигурации с большой осевой протяжённостью поля зрения. Однако существующие решения остаются разрозненными, зависят от компонентов конкретных производителей и имеют ограниченные возможности интеграции телеметрии. Валидация по-прежнему в основном опирается на стандартные процедуры Национальной ассоциации производителей электротехнического оборудования (NEMA) и контроля качества.

Дальнейшее развитие будет зависеть от создания модульных стандартизированных платформ цифровых двойников аппаратуры, учитывающих реалистичное моделирование аппаратуры и её надёжности, а также объединяющих ИИ с физическими моделями. Полноценные цифровые двойники могут повысить стабильность калибровки, обеспечить адаптивное проектирование протоколов, помочь заблаговременно выявлять деградацию компонентов, оптимизировать дозу и ускорить виртуальное прототипирование систем ПЭТ и ОФЭКТ следующего поколения. Введение: Материалы и методы: Результаты: Выводы: