正电子发射断层扫描

正电子发射断层扫描（PET）是一种核医学的功能成像技术，它可以产生身体功能过程的三维成像。此系统检测到的是间接由正电子发射产生的一对γ射线，正电子发射则来自放射性核素或放射性示踪剂，这类物质被引入体内，成为生物学活性分子的一部分。体内的示踪剂三维成像由计算机分析方法建立起来。应用于病人的近代PET-CT扫描仪的三维成像，常通过CT的X射线扫描完成，在同一时间，用同一机器。

如果用来做PET的具有生物学活性的分子是氟脱氧葡萄糖（fluorodeoxyglucose，FDG；一种葡萄糖类似物），那么被成像的示踪剂浓度将表示组织的代谢活性，因为它反映了局部葡萄糖的摄取。应用此种示踪剂，可以探索肿瘤扩展到身体其他部位的转移，这是PET扫描在医学方面用得最多的，几乎有90%用于这个方面。在其他较少数情况下，放射活性示踪剂用于PET，是为了成像组织内其他感兴趣分子的浓度。

“发射和传播”断层摄影术概念最早是在20世纪50年代由D. E. Kuhl等人提出来的。他们的工作导致在宾夕法尼亚大学设计和建造了几台断层照相术的仪器。断层成像技术的进一步发展归功于华盛顿大学的研究人员。

麻省总医院G. L. Brownell等人在20世纪50年代开始的工作，对PET技术的发展作出了相当重要的贡献，这包括首次演示了为医学成像用的湮灭辐射（annihilation radiation）。他们的创新还包括应用光管道和体积分析，这些在PET成像技术的发展中很重要。1961年，J. Robertson等人在美国国家实验室建造了第一台单平面PET扫描装置，它被昵称为“缩头机”（head-shrinker）。

导致接受正电子成像技术的许多因素之一，在于发展了放射性药剂技术，特别是发展了用于标记的二氟脱氧葡萄糖（2-fluoro-2-deoxy-d-glucose，2-FDG），这是在布卢克黑文国家实验室A. Wolf等人的指导下完成的。这项工作是扩展PET应用范围的重大因素。1976年在宾夕法尼亚大学，此化合物由A. Alavi首次应用于两名人类志愿者。脑图像是用通常的（非PET）核扫描得到的，结果演示了该器官中的FDG浓度。往后，此物质被用于比较专用的正电子断层扫描仪，达到了近代仪器的要求。

正电子仪器一个合乎逻辑的扩展是设计二维线圈阵列，PC-1是应用这种观念的第一台仪器，它于1968年设计，1969年落成，1972年产生报告。1970年，第一次报道了以断层模式应用PC-1。这与计算机断层模式有区别，在1970年的报告中有所反映。很快地，参与PET研发的许多人都清楚，在PET的仪器化中，合理的下一个步骤是采用圆形或圆柱形线圈阵列检测器。虽然许多研究人员都在往这个方面努力，但是Robertson和Z. H. Cho两人首次建立了圆圈系统，这是现在使用PET的原型。PET-CT扫描仪归功于D. W. Townsend和R. Nutt，《时代》周刊把他们列入2000年的医学创新报道。

为了实现扫描，一个短寿命的放射活性示踪剂同位素被注射入活体人体，通常注射入血液。示踪剂在化学上结合于生物学活性分子中，注射后需要一个等待时间，等到活性分子浓缩到所感兴趣的组织部位，然后受试者被安放到成像扫描仪上。最常用的分子是FDG。如果用FDG，其等待时间通常为1小时。在扫描过程中，当示踪剂衰减时就记录组织内的浓度。

当放射性示踪剂实现正电子发射衰减（又称正性β衰减）时，它发射一个正电子，正电子是一个与电子符号相反的电荷颗粒。发射的正电子在组织中向前行进很短距离，典型的情况短于1 mm，但与所用同位素性质的不同有关。在此时间内，它丧失动能，当其速度减到某种程度时，可与电子相互作用。

这个相互作用把电子和正电子互相湮灭，产生了一对湮灭（γ）光子。γ光子大致按相反方向前进。当γ光子到达闪烁器时，它被检测可以产生爆发性光，此光可以用光电倍增管或硅雪崩光二极管（Si avalanche photodiode，Si APD）加以检测。此技术依赖于同时或互补地检测一对光子，而这对光子基本上是按相反的方向前进的［在它们的质量中心，它们将会成为准确的相反方向，但由于扫描仪没有办法知道这一点，因此仪器上有一个植入式的轻微误差的容忍（tolerance）］。凡是没有达到时间“成对”的光子，也即不是在时间窗里面的光子，就被忽略。

电子-正电子湮灭的最重要后果，是导致两个能量为511 keV的γ光子，它们大致上按照互成180°的方向发射，因此有可能沿着一条同时发生的直线来定位其来源。这条直线称为反应线（line of response，LOR）。在实际工作中，LOR有一个非零点宽度，因为发射的光子并非绝对相差180°。如果解析时间小于500 ps，而不是大约10 ns，则有可能定位此湮灭的事件到一段圆的弦上，段的长度由检测器的时间分辨所决定。当时间分辨有改进的时候，图像的信噪比可以提高，仅需少数几个事件即可达到同样的成像质量。这个技术现在还不太常用，但是新的PET系统已经在用它了（图10-1）［2］。

图10-1　γ射线的发射

一个不稳定的放射性核素的原子核发射正电子。正电子行走一段距离，当它与电子碰撞时就发生湮灭，湮灭后发出两个γ射线，这两个γ射线的行进是准确地按照相对的方向，也就是180°。正电子湮灭的部位就是成像所测到的，可能离开原发点距离数毫米。例如，如果是18 F，则湮灭跟它原发点的平均距离为2 mm，如果是15O，为3 mm。原发点的原子核与质子发生湮灭之间的距离，是PET空间分辨率的绝对限度。（图引自［2］）

在PET扫描中应用的放射性核素，典型地是短半衰期同位素，例如11C（约20 min）、13N（约10 min）、15O（约2 min）、82Rb（82铷）（约1.27 min）。这些放射性核素掺入正常身体所用的化合物中，例如葡萄糖或其类似物、水或氨，或者其他分子，例如结合到受体分子，还有其他药物作用位点。这种标记化合物就称为放射性示踪剂。PET技术可用来追踪人类活体的以及许多其他动物的任何化合物的生物学通路，只要化合物可以被PET同位素放射标记就行了。这种特异的、可用于PET探测的过程，从理论上讲是无限的。用于新的靶分子及新过程的放射性示踪剂在不断增加。到写这一章时，已经有几十个分子在临床上应用，几百个分子被用于研究。当前，用于PET扫描的临床最常用的放射性示踪剂是FDG，这是一个用18F标记的葡萄糖拟似物。此示踪剂基本上用于肿瘤学、神经病学的所有扫描。大量的、约95%的PET-CT扫描都用它。

由于多数正电子发射放射性同位素均为短半衰期的，传统的放射示踪剂的产生是依靠回旋加速器，加速器的位置要紧靠PET仪器。18F的半衰期足够长，因此，用18F标记的放射性示踪剂在商业上可以在另外一个地方产生，然后运输到成像中心来。近来82Rb发生器也变成商业上可用的了。这些发生器含有82Sr（82锶），经过电子捕获后，它衰减产生正电子发射的82Rb。

为了实施正电子发射断层制图术（PET），通常应用的是含有这些放射性核素的化合物，如11C、18F、15O、13N，它们的生物学功能应该跟不含核素的分子是一样的。也就是说，含15O的水与含16O的水是一样的；含18F的脱氧葡萄糖和脱氧葡萄糖在化学上是一样的［2］。

放射性核素需要通过回旋加速器产生，回旋加速器的作用是把质子加到原子核里面去。例如用氢离子冲击氧就可以造成18F。原子核里额外增加了质子，就会形成不稳定的原子核［2］。

这种不稳定的放射性核素可以通过测量额外的自发质子而加以检测。自发质子一出来以后马上分解成为两个粒子。一个是中子，中子就保留在原子核里面，它是稳定粒子，原子核可以含有额外的中子；另一个是质子，它离开原子核出来以后开始运行，以光速前进，在它行进的过程中散发能量。这个质子最终会跟电子碰撞，质子跟电子碰撞导致它们互相湮灭，而且发出两个γ射线（也就是高能量的光子），这两个γ射线恰好按正相反的两个方向运行（图10-2）［2］。

图10-2　围绕着受试者的脑PET扫描仪，它含有γ射线监测器阵列（彩图见图版此处）

（a）只有那些完全按对角线检测到的，也就是相差180°的两个γ射线被检测而记录到。（b）PET产生一个图像，显示神经活性增高（红色）的区，活性增高由放射性核素活性来展示。（图引自［2］）

PET扫描器由一系列γ射线检测器（闪烁晶体耦合到光电倍增管）按线圈阵列组成，检测器围绕着被检测的人体部位，如脑。质子和电子湮灭后所产生的两个γ射线，同时到达一对检测器。因为它们到达的时间是一样的，这样它们就记录为一个事件，而且仅仅是两个γ射线同时检测到的事件［2］。

PET神经成像应用于神经病学，是基于一个假定，就是高放射活性的区与脑的活性有关（图10-3）。真正间接地检测到的是流经脑不同部位的血流。一般说来，两者被认为是相关的，因此可以运用15O来检测。从应用上看，因为正常脑应用葡萄糖是很快的，而在脑的病理状态例如阿尔茨海默病中，脑的葡萄糖和氧代谢就大大降低，所以标准的FDG可用于脑的PET，以测量局部的葡萄糖运用，利用这一点可以成功地把阿尔茨海默病和其他痴呆过程区分开来，也可以作为阿尔茨海默病的早期诊断。用FDG进行PET成像，也可用于定位癫痫的发作部位。在发作间期进行扫描时，癫痫位点似乎是低代谢的。

图10-3　PET神经成像（彩图见图版此处）