高能正電子成像技術是現(xiàn)代醫(yī)學影像技術重要的組成部分。正電子成像利用回旋加速器生產(chǎn)的發(fā)射正電子的放射性核素諸如體內(nèi)產(chǎn)生的湮沒輻射γ光子構成影像。正電子是與普通電子相類似的一種粒子，帶一個正電荷。正電子只能瞬態(tài)存在，很快與組織中的負電子相結合產(chǎn)生湮沒輻射（annihilation），湮沒輻射產(chǎn)生2個能量相等（511keV）、方向相反的γ光子。因此，正電子成像實際上是511keVγ光子成像。正電子放射性核素可構成人體各部位的任何影像，包括平面影像、動態(tài)影像、斷層影像及全身影像。正電子斷層顯像主要用于心血管疾病、腦神經(jīng)疾病和腫瘤的診斷。近2年文獻報道，正電子斷層顯像在腫瘤診斷中的應用占75%～80%，對腫瘤的良、惡性鑒別診斷，腫瘤分期，放化療后療效觀察及判斷腫瘤復發(fā)與轉(zhuǎn)移均有重要價值。
    一、正電子及正電子放射性核素
    正電子（positron）是與電子（負電子）相似的一種帶電粒子。正電子帶一個正電荷，有一定質(zhì)量和能量。正電子所帶能量的大小決定了正電子在組織中的消失射程。正電子有2種產(chǎn)生方式：一種是高能γ光子與原子核相互作用產(chǎn)生對子效應（正電子和負電子）；一種是正電子放射性核素在β+衰變中產(chǎn)生正電子。
    正電子放射性核素可由回旋加速器、直線加速器或正電子放射性核素發(fā)生器產(chǎn)生，醫(yī)學上所用的正電子放射性核素多由回旋加速器產(chǎn)生。這種加速器體積小，結構緊湊，自帶射線屏蔽裝置，多安裝在醫(yī)院，稱為醫(yī)用回旋加速器（medicalcyclotron）。
    回旋加速器用射頻場（radiofrequencyfield）和磁場（magneticfield）加速帶電粒子，如質(zhì)子、氘核等?；匦铀倨鞯闹饕考?個半圓形的真空電極盒，射頻電場的正、負極加在2個真空盒的電極上，極性可以互換；磁場的作用是保持粒子運動在圓形軌道上。離子源產(chǎn)生的質(zhì)子、氘核在真空盒中不斷加速，每加速1次，軌道的半徑增加1次，粒子的速度（能量）也增加。粒子不斷螺旋運動，當達到預定能量時，在偏轉(zhuǎn)極作用下射出真空盒。除上述基本結構外，現(xiàn)代醫(yī)用回旋加速器還有靶系統(tǒng)、束流引出及診斷調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、計算機自動操作控制系統(tǒng)等。加速器的主要指標有粒子能量、束流強度、靶數(shù)目及粒子種類。
    二、正電子成像設備的發(fā)展歷史
    正電子成像歷經(jīng)近半個世紀的發(fā)展，已從50年代初期正電子腦腫瘤定位顯像發(fā)展到現(xiàn)在的多環(huán)、多層面全身斷層顯像。從機型上，正電子顯像設備經(jīng)歷了3個階段：正電子掃描機、正電子γ照相機及正電子發(fā)射計算機斷層（PET）機；從影像類型上分，起初為正電子平面影像，X-CT機問世以后發(fā)展為斷層影像，近幾年又發(fā)展成為全身斷層影像。
    從50年代初至60年代末的20年，為正電子成像的初期階段，主要是正電子平面顯像。其中，1950年初，Wrenn、Good、Handler、Sweet和Brownell等人用正電子放射性核素做腦腫瘤定位顯像；1960年初，Anger等人研制出了正電子γ照相機，用高能準直器及厚晶體可獲得511keV單光子的正電子放射性核素平面影像。這一時期正電子顯像設備發(fā)展緩慢，機型單一，用途局限，雖然也有正電子發(fā)射斷層的嘗試，但由于沒有好的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及未使用濾波反投影技術，最終未獲得成功。
    1972年，英國EMI公司HounsfieldGN發(fā)明了X-CT機。這一新技術一出現(xiàn)就受到了放射學及核醫(yī)學界的極大重視，奠定了現(xiàn)代醫(yī)學影像學基礎。正電子成像設備也受CT技術的刺激有了快速發(fā)展，正電子發(fā)射計算機斷層(PET)機問世，初期為NaI晶體的多晶體正電子發(fā)射計算機斷層儀。這一時期的主要機型有美國華盛頓大學的PETT，Montreal神經(jīng)研究所的Positome，還有洛杉磯加州大學的PET。初期階段的PET為單環(huán)，空間分辨率為25mmFWHM，靈敏度50000CPS/(Ci/ml)。第1臺商業(yè)PET機是由美國EG&GDrtee公司生產(chǎn)的ECATⅡ，它是以PETTⅢ為原型研制出來的，由66個NaI探頭組成圓形六角陣列，每個探頭可與對側(cè)的11個探頭進行符合；機架有轉(zhuǎn)動和平動兩種運動，以達到多點取樣的目的。
    鍺酸鉍（BGO）晶體為PET機探頭技術的改進帶來了革命性的變化。1980年初，Montreal神經(jīng)研究所研究出第1臺BGO晶體的PET機，開始為單環(huán)，以后為雙環(huán)，代表機型PositomeⅡ，PositomeⅢ。與此同時，瑞典、日本、加拿大和美國其他一些中心也在PET機的發(fā)展上做了大量工作，取得不少突破。特別值得提出的是日本島津公司研制出了可同時用于正電子和單光子斷層成像的ECT機，稱HeadtomeⅢ。此外，美國休斯頓大學研制出了飛行時間的PET機，機型為TOFPET。這一時期PET機發(fā)展的主要特點是技術發(fā)展快，機型多，探頭材料由NaI晶體轉(zhuǎn)為BGO晶體，空間分辨率和靈敏度都有了很大改善，缺點是仍停留于實驗室研究，探頭環(huán)數(shù)有限，臨床應用不多。
    80年代后期，PET機的發(fā)展有了突破性變化，主要特點是探頭由分離式BGO晶體向模塊式晶體轉(zhuǎn)化，該項專利由西門子公司發(fā)明。模塊式探頭大大提高了PET的空間分辨率和靈敏度，機械穩(wěn)定性和可靠性也大大改善，為PET機由實驗室進入廣泛的臨床應用奠定了基礎。  多環(huán)BGO晶體構成的PET機無疑是當前最先進的正電子成像裝置，但它價格昂貴，一臺好的PET機售價約200萬美元。近2年來由于18F－FDG（18F－氟代脫氧葡萄糖）在腫瘤診斷中的廣泛應用，促使人們尋找新的正電子成像方法。大量的臨床研究證實，在雙探頭的SPECT機上也可以實現(xiàn)正電子斷層成像，而且成像質(zhì)量、所用18F－FDG的劑量和采集時間均能滿足臨床要求。SPECT-PET成像有高能準直成像（HEI）及分子符合成像（MCD）兩種。MCD機在美國已獲FDA通過，數(shù)家公司已有商品出售。
    三、實現(xiàn)正電子成像的幾種方法
    根據(jù)探測511keVγ光子的方法和使用儀器的類型，正電子成像有以下幾種途徑。
    1．高能準直成像法（high energy collimation imaging，HEI）
    高能準直成像是一種單光子探測法，該方法只探測正電子放射性核素湮沒輻射時產(chǎn)生的2個511keVγ光子中的一個，因而用普通的單光子發(fā)射計算機斷層儀就可獲得511keV的正電子斷層影像。主要的改進是設計專用的511keV高能準直器。511keV高能準直器有以下技術指標：準直器厚度80～100mm，準直器孔直徑4mm，壁間隔2.5mm，準直器重約150kg,單孔壁穿透小于5%，準直器視野大小200mm×400mm至250mm×500mm。為了保持探頭機械平衡，高能準直成像都采用雙頭SPECT機，計算機軟件設計分高能、低能兩檔。做511keV高能成像時，計算機自動從低能檔換到高能檔，此時，機器探測的能量范圍從50keV～400keV擴展到100keV～560keV。此外，機器的線性、能量、均勻性校正表均要按511keV制作。
    高能準直成像機的優(yōu)點是價格便宜，SPECT機型不用做大的改動，不損害普通單光子放射性核素（如99Tcm）的使用性能。做心肌斷層顯像時，可同時得到心肌99Tcm-MIBI灌注像和18F-FDG心肌代謝像，對判斷心肌存活情況有很大價值。但高能準直成像空間分辨率和靈敏度都很差，不適宜做腦及腫瘤的正電子斷層成像。
    2．分子符合探測成像（molecular coincidence detection，MCD）
    正電子符合成像已有近30年的歷史，早期用Anger型γ照相機和多頭系統(tǒng)，近期用雙探頭SPECT機實現(xiàn)斷層成像。符合探測成像近2年受重視的主要原因是18F-FDG被評為1997年最受歡迎的放射性藥物。許多生產(chǎn)SPECT機的廠家在雙頭SPECT機上進行了正電子符合探測成像的開發(fā)與研究，取得了重大成功，并已在臨床應用中得到了證實，其臨床價值和影像質(zhì)量受到肯定，并且都相繼申請或獲得了美國FDA的批準。各公司實現(xiàn)符合探測的原理都是相同的，但各公司對這一新技術的命名各不相同。美國ADAC公司和以色列Elscint公司稱分子符合探測（MCD）或符合探測（CD），美國Picker公司稱正電子符合探測（PCD），法國SMV公司稱體積符合采集和重建（VCAR）。
    符合探測利用了湮沒輻射產(chǎn)生的2個γ光子的直線性、同時性這兩個特點。直線性即2個γ光子互成180°，探測的基本要求是2個互成180°的探頭。雙頭SPECT機的探頭機械結構完全滿足這一要求。直線性的另一個優(yōu)點是對人體內(nèi)發(fā)射出的γ光子進行了電子準直(electrical collimation)，不需要機械準直器，從而大大提高了探測效率。雙γ光子的同時性要求采用一種特殊的線路��符合線路。符合線路是核電子學中常用的一種普通線路，核心是高精度時間控制器。所謂同時到達的2個γ光子，總有一定時間差，在MCD探測中，一般將時間差定為15ns。在15ns內(nèi)進入的2個γ光子視為同時發(fā)生的γ光子，予以探測，在15ns外的2個γ光子則不予探測。由于真符合(true coincidence)在總符合中所占比例僅有1%，因此要提高正電子成像的信噪比，單個SPECT的探頭計數(shù)效率必須很高。SPECT機的最大計數(shù)率為100kcps～300keps，而在MCD探測中則要求至少1000keps以上，ADAC機器可達2000kcps。
    符合探測成像比高能準直成像分辨率和靈敏度高?？臻g分辨率可達5～7mmFWHM，比高能準直成像提高1倍，接近PET的空間分辨率。SPECT機符合探測成像的要求，但比PET機價格便宜，可做正電子斷層成像和單光子斷層成像，達到一機兩用的目的。MCD18F-FDG成像可進行身體任何部位的正電子成像，包括腦、心臟及全身各部位的腫瘤成像。當然，MCD的功能及影像質(zhì)量與PET相比仍有待進一步提高。
    3.正電子發(fā)射型計算機斷層（PET）機
    正電子發(fā)射型計算機斷層（PET）機是正電子成像中最先進、最完善、最高級的儀器。它的影像質(zhì)量好、靈敏度高、可分辨的病變小，適用面廣，可做身體各部位的檢查，最大優(yōu)點是可以獲得全身各方位的斷層像，對腫瘤轉(zhuǎn)移和復發(fā)的診斷尤為有利。
    PET機由探頭、斷層床、計算機及其他輔助部分組成。探頭部分是機器的核心，也是耗資最大、影響機器性能最大的部件，主要功能是把注入人體內(nèi)的正電子放射性核素發(fā)射的湮沒光子轉(zhuǎn)換成空間位置信號和能量信號，供后面的計算機進行處理，并重建成斷層影像。探頭由晶體、光電倍增管、前端電子學線路及射線屏蔽裝置組成。晶體有NaI晶體和BGO晶體2種，應用最多、最成熟、性能價格比也適中的仍是BGO晶體。晶體后面是光電倍增管，光電倍增管起光－電轉(zhuǎn)換及信號放大的作用。單個晶體與光電倍增管構成分離的探測器，是PET中湮沒光子符合探測的基本單位，決定了PET的分辨能力；許多分離探測器排列在360°圓周上，形成環(huán)狀結構。PET機的分代、縱向視野及性能等多種因素取決于環(huán)的多少。第1代PET為單環(huán)，第2代為雙環(huán)和多環(huán)，第3代為多環(huán)模塊結構，第4代為多環(huán)、模塊、3D結構。分離探測元件占用的光電倍增管多、造價高、靈敏度低、機械穩(wěn)定性差。80年代中期，西門子公司發(fā)明了塊狀結構探測器（block detector system）。這種結構是在一塊大晶體上刻許多槽，把晶體分成4×8或8×8的小矩陣，后面聯(lián)接4個光電倍增管。這種結構不僅大量節(jié)省了光電倍增管，而且改善了光的收集效率，靈敏度和空間分辨率也有所提高。許多模塊結構的探測器排列在360°圓周上可以構成不同直徑、不同環(huán)數(shù)的PET，機械穩(wěn)定性也大大提高，維修探頭也很方便。由單一模塊構成PET機為8環(huán)，如將2個模塊并排排列則可構成16環(huán)的PET機。目前最多有32環(huán)的PET機。
    PET機的縱向視野及斷層面的數(shù)目與環(huán)數(shù)成正比，斷層面數(shù)=環(huán)數(shù)×2－1。單環(huán)有1個斷層面，雙環(huán)有3個斷層面，24環(huán)有47個斷層面。在同一環(huán)內(nèi)，探測器與對側(cè)探測器的符合為直接符合（direct coincidence），探測器與相鄰環(huán)內(nèi)對側(cè)探測器的符合為交叉符合（cross coincidence）。多環(huán)3DPET則為多層面的交叉符合。3DPET的靈敏度大有改善，但散射線的影響更嚴重，必須加以校正。
    探測器模塊（detector modules）由BGO槽式結構晶體、光電倍增管及模塊電子學線路組成。模塊電子學線路確定湮沒事件的空間位置、時間信息和能量信息，所有這些信息包含在一個16位的輸出信號中，輸出給環(huán)接收器（ringreciever）。每個模塊有一個環(huán)接收器，其中包含模塊列位置、模塊行位置，以上信息表示湮沒事件發(fā)生在模塊中的空間座標，以及表示事件的時間信息。最后1位表示能量窗，事件位于能量窗內(nèi)為邏輯1，位于能量窗外為邏輯0。
    PET機的計算機硬件和軟件上都與SPECT機無顯著差別，尤其在設計感興趣區(qū)（ROI）、影像處理等方面。PET機硬件方面的主要要求是內(nèi)存容量大、運算速度快。PET機探測的符合線路與計算的事件數(shù)比SPECT機要高得多。因此，PET機中所用的計算機一般為小型機或精簡指令系統(tǒng)（RICS）微機工作站。
    四、正電子斷層成像中的若干技術問題
  1．PET斷層影像的構成
    PET斷層影像的構成與SPECT相同，采用濾波反投影法（FBP），但投影影像的含義及坐標表示法卻有所不同。SPECT原始投影影像為探頭位于不同角度的γ相機平面像，用直角坐標P（x,y）表示。在SPECT中，表示影像中的某一點用x，y兩個位置坐標就可以了。影像重建時將投影影像先濾波，再反投影到同一坐標體系上，即得橫向斷層影像。
    在PET中，孤立的一個空間爍點是毫無意義的，因為湮沒輻射γ光子總是成對出現(xiàn)。2個互成180°的探頭探測湮沒光子構成一條符合線，稱線響應（line-of-response，LOR）。LOR在極坐標系中可用2個參數(shù)表示，角度Q及半徑r，Q和r都是相對視野中心而言的。L（Q，r）構成PET投影影像的基本點。PET中的每一個湮沒閃爍點可以有許多條LOR。在極坐標中，以半徑為橫坐標，以角度為縱坐標，眾多的LOR形成一條正弦曲線，眾多的閃爍點構成一幅重疊交錯的正弦圖（sinogram）。正弦圖是PET的原始投影影像。正弦圖的矩陣大小就是橫斷斷層影像矩陣的大小。正弦圖經(jīng)濾波反投影構成斷層影像。
    2．真符合、隨機符合與散射符合
    影響正電子符合探測成像影像質(zhì)量的一個重要因素是真假符合的區(qū)分及校正。真符合（truecoincidence）是構成PET斷層影像所需的湮沒輻射γ光子。真符合數(shù)越多，影像質(zhì)量越好。真符合γ光子必須具備3個條件：①2個γ光子同時同地發(fā)生；②2個γ光子互成180°角度；③2個γ光子能量為511keV。盡管在正電子符合探測中采用了電子準直，去掉了機械準直器，單個探頭的探測效率大大提高，但必須注意，真符合數(shù)遠遠低于單個探頭的探測數(shù)。這是因為符合探測效率為單個探頭探測效率的平方。設單探頭探測效率為Σ，則符合探測效率為Σ2。理想情況下，Σ=1。由于湮沒輻射事件發(fā)生的空間位置以及組織的吸收影響，單個探頭的探測效率可能僅有0.1或更小，符合探測效率則小于1%，因此，提高探頭的探測效率是增加真符合數(shù)，增強影像信號的關鍵。
    隨機符合（random coincidence）是假符合的一種。它與真符合的主要區(qū)別是兩個γ光子毫無時間與空間的相互關系，但在符合時間窗內(nèi)被誤認為“同時”發(fā)生的2個γ光子而探測下來。隨機符合增加影像噪聲，嚴重影響影像對比度。隨機符合數(shù)NR與單個探頭的計數(shù)率NA、NB和符合分辨時間t的乘積成正比：NR=2t×NA×NB。減小隨機符合有以下幾種方法：  (1)降低單探頭的計數(shù)率  在臨床應用中減小隨機符合就是要控制注入劑量，不是劑量越高，影像質(zhì)量越好。從隨機符合公式中可以看出，隨機符合數(shù)與單個探頭計數(shù)率平方成正比，而真符合只與探頭計數(shù)率一次方成正比。在低計數(shù)率時，增加計數(shù)，真符合增加明顯。在高計數(shù)率時，增加計數(shù)，隨機符合增加明顯。
    (2)減小符合分辨時間  符合分辨時間與晶體材料、光電倍增管輸出脈沖上升時間以及電子學線路分辨時間有關。在機器設計時應統(tǒng)一考慮。
    (3)從總符合數(shù)中減去隨機符合  西門子公司采用延遲時間窗（delayed time window）的辦法扣除隨機符合。延遲時間窗的時間寬度與采集時間窗相同。因此，在延遲時間窗內(nèi)測定的隨機符合數(shù)應與采集符合窗中測定的隨機符合數(shù)相同。從總符合數(shù)中減去延遲窗內(nèi)的符合數(shù)即對隨機符合進行了校正。
    散射符合（catering coincidence）是由散射線產(chǎn)生的符合。它主要特點是光子能量小于511keV，且方向不成180°,符合響應線（LOR）隨散射產(chǎn)生的空間位置而變化。散射符合影響影像探測的位置精度，造成PET影像空間分辨率降低，對比度變差。散射分探頭內(nèi)部散射及探頭外部散射。探頭外部散射由人體組織的散射產(chǎn)生。人體組織中散射對影像質(zhì)量影響最大，因為組織中散射線的方向變化不易測定，從而使符合響應線的方向也不易測定。例如組織中某光子散射后的方向與原方向僅差10°，但由此產(chǎn)生的符合響應線與原符合響應線的半徑可能相差85mm以上。探頭內(nèi)散射對影像質(zhì)量影響較小，因為它的能量損失較小，方向變化有限。剩余下能量的光子在同一探頭塊內(nèi)與對側(cè)探頭符合，符合線方向改變不大，因而符合響應線的半徑改變也不大。塊狀結構BGO探測器對消除探頭內(nèi)散射是很有效的。探頭外部散射可通過控制能量窗及其他一些數(shù)學方法加以校正。PET的生產(chǎn)廠家均將散射校正列入自己的系統(tǒng)軟件中。
    3.衰減校正（attenuation correction）
    衰減校正在PET定量分析中是十分重要的。盡管511keV光子比低能光子在組織的穿透力強、吸收少，但由于符合探測的復雜性，光子在組織中的衰減對影像質(zhì)量的影響在PET中比在SPECT中嚴重得多。符合探測效率為2個單探頭探測效率的乘積。符合探測的2個光子要通過兩個方向，衰減路程加長。任何一個探頭靈敏度的下降均會對符合探測效率造成嚴重影響，從而影響影像空間位置的定位精度和質(zhì)量。心臟、縱隔、腹部、盆腔的PET斷層及MCD常需做衰減校正。全身斷層有人認為做衰減校正意義不大。
    正電子斷層中常用的衰減校正方法是外源穿透校正法。該方法的基本假定是511keV的雙光子在組織中L1及L22個路徑方向的衰減與單個511KeV的光子在路徑L=L1+L2路徑上的衰減是相同的。穿透衰減校正可以用單光子探測法，也可用符合探測法。外源既可以是正電子放射性核素，也可以是單光子放射性核素。正電子放射性核素為68Ca（9個月半衰期），單光子放射性核素為137Cs。在PET中，外源裝在環(huán)形模型內(nèi)，該模型固定在探頭的準直器環(huán)內(nèi)。病人數(shù)據(jù)采集前先做衰減采集（大約5～10min），然后給病人注入正電子放射性核素進行病人數(shù)據(jù)采集。除穿透校正外，正電子斷層中也有采用其他方法做衰減校正的，如幾何校正法、混合校正法、CT、MRI衰減校正法等。這些方法都有一些特殊的要求，在此不作詳細介紹。
    4.正電子斷層的空間分辨及靈敏度
空間分辨和靈敏度是正電子斷層的兩項重要指標?？臻g分辨用線源伸展函數(shù)（LSF）的半高寬（FWHM）表示，單位為mm。影響空間分辨的主要因素有探測器材料、大小、信號噪聲比及探頭孔經(jīng)。高能準直成像的空間分辨主要由準直器決定。最好的SPECT-PET成像，MCD空間分辨為5～7mmFWHM，高能準直器成像為11～15mmFWHM，PET的空間分辨為4～6mmFWHM，但有人報道過2.6mmFWHM的PET。正電子符合探測的空間分辨從理論上講是有極限的，它受兩個因素限制：一個是正電子的射程，另一個是湮沒輻射光子不是絕對180°。正電子的射程取決于正電子的能量。正電子從其產(chǎn)生點到與組織中負電子符合湮沒，其最大射程可達2mm，這2mm距離是測不準的。另外，湮沒輻射γ光子只是準180°，其角度偏差約0.5°。角度偏差也會造成空間位移偏差，其大小與探頭孔徑半徑有關。這個誤差也有2～2.5mm。因此，正電子斷層空間分辨的極限值為2～2.5mm。正電子斷層的靈敏度用一個200mm高，200mm直徑的圓柱模型，內(nèi)充正電子放射性溶液進行測定，單位CPS·mCi-1·ml-1。靈敏度與探測器晶體的厚度、探頭的數(shù)目、環(huán)數(shù)多少、光收集效率等有關。在雙探頭的SPECT-PET中，晶體厚度是一個重要因素，晶體厚度對511keVγ光子的空間分辨影響不大，但對靈敏度影響很大。在MCD中，SPECT機的晶體厚度加厚到1/2英寸或3/8英寸。晶體增厚以后對低能光子（99Tcm）固有空間分辨會有一定影響，但對系統(tǒng)空間分辨力和靈敏度的影響卻非常之少，可以忽略不計。