高能正电子成像技术是现代医学影像技术重要的组成部分。正电子成像利用回旋加速器生产的发射正电子的放射性核素诸如体内产生的湮没辐射γ光子构成影像。正电子是与普通电子相类似的一种粒子，带一个正电荷。正电子只能瞬态存在，很快与组织中的负电子相结合产生湮没辐射（annihilation），湮没辐射产生2个能量相等（511keV）、方向相反的γ光子。因此，正电子成像实际上是511keVγ光子成像。正电子放射性核素可构成人体各部位的任何影像，包括平面影像、动态影像、断层影像及全身影像。正电子断层显像主要用于心血管疾病、脑神经疾病和肿瘤的诊断。近2年文献报道，正电子断层显像在肿瘤诊断中的应用占75%～80%，对肿瘤的良、恶性鉴别诊断，肿瘤分期，放化疗后疗效观察及判断肿瘤复发与转移均有重要价值。
一、正电子及正电子放射性核素
正电子（positron）是与电子（负电子）相似的一种带电粒子。正电子带一个正电荷，有一定质量和能量。正电子所带能量的大小决定了正电子在组织中的消失射程。正电子有2种产生方式：一种是高能γ光子与原子核相互作用产生对子效应（正电子和负电子）；一种是正电子放射性核素在β+衰变中产生正电子。
正电子放射性核素可由回旋加速器、直线加速器或正电子放射性核素发生器产生，医学上所用的正电子放射性核素多由回旋加速器产生。这种加速器体积小，结构紧凑，自带射线屏蔽装置，多安装在医院，称为医用回旋加速器（medicalcyclotron）。
回旋加速器用射频场（radiofrequencyfield）和磁场（magneticfield）加速带电粒子，如质子、氘核等。回旋加速器的主要部件为2个半圆形的真空电极盒，射频电场的正、负极加在2个真空盒的电极上，极性可以互换；磁场的作用是保持粒子运动在圆形轨道上。离子源产生的质子、氘核在真空盒中不断加速，每加速1次，轨道的半径增加1次，粒子的速度（能量）也增加。粒子不断螺旋运动，当达到预定能量时，在偏转极作用下射出真空盒。除上述基本结构外，现代医用回旋加速器还有靶系统、束流引出及诊断调节控制系统、计算机自动操作控制系统等。加速器的主要指标有粒子能量、束流强度、靶数目及粒子种类。
二、正电子成像设备的发展历史
正电子成像历经近半个世纪的发展，已从50年代初期正电子脑肿瘤定位显像发展到现在的多环、多层面全身断层显像。从机型上，正电子显像设备经历了3个阶段：正电子扫描机、正电子γ照相机及正电子发射计算机断层（PET）机；从影像类型上分，起初为正电子平面影像，X-CT机问世以后发展为断层影像，近几年又发展成为全身断层影像。
从50年代初至60年代末的20年，为正电子成像的初期阶段，主要是正电子平面显像。其中，1950年初，Wrenn、Good、Handler、Sweet和Brownell等人用正电子放射性核素做脑肿瘤定位显像；1960年初，Anger等人研制出了正电子γ照相机，用高能准直器及厚晶体可获得511keV单光子的正电子放射性核素平面影像。这一时期正电子显像设备发展缓慢，机型单一，用途局限，虽然也有正电子发射断层的尝试，但由于没有好的数据处理系统及未使用滤波反投影技术，最终未获得成功。
1972年，英国EMI公司HounsfieldGN发明了X-CT机。这一新技术一出现就受到了放射学及核医学界的极大重视，奠定了现代医学影像学基础。正电子成像设备也受CT技术的刺激有了快速发展，正电子发射计算机断层(PET)机问世，初期为NaI晶体的多晶体正电子发射计算机断层仪。这一时期的主要机型有美国华盛顿大学的PETT，Montreal神经研究所的Positome，还有洛杉矶加州大学的PET。初期阶段的PET为单环，空间分辨率为25mmFWHM，灵敏度50000CPS/(Ci/ml)。第1台商业PET机是由美国EG&GDrtee公司生产的ECATⅡ，它是以PETTⅢ为原型研制出来的，由66个NaI探头组成圆形六角阵列，每个探头可与对侧的11个探头进行符合；机架有转动和平动两种运动，以达到多点取样的目的。
锗酸铋（BGO）晶体为PET机探头技术的改进带来了革命性的变化。1980年初，Montreal神经研究所研究出第1台BGO晶体的PET机，开始为单环，以后为双环，代表机型PositomeⅡ，PositomeⅢ。与此同时，瑞典、日本、加拿大和美国其他一些中心也在PET机的发展上做了大量工作，取得不少突破。特别值得提出的是日本岛津公司研制出了可同时用于正电子和单光子断层成像的ECT机，称HeadtomeⅢ。此外，美国休斯顿大学研制出了飞行时间的PET机，机型为TOFPET。这一时期PET机发展的主要特点是技术发展快，机型多，探头材料由NaI晶体转为BGO晶体，空间分辨率和灵敏度都有了很大改善，缺点是仍停留于实验室研究，探头环数有限，临床应用不多。
80年代后期，PET机的发展有了突破性变化，主要特点是探头由分离式BGO晶体向模块式晶体转化，该项专利由西门子公司发明。模块式探头大大提高了PET的空间分辨率和灵敏度，机械稳定性和可靠性也大大改善，为PET机由实验室进入广泛的临床应用奠定了基础。 多环BGO晶体构成的PET机无疑是当前最先进的正电子成像装置，但它价格昂贵，一台好的PET机售价约200万美元。近2年来由于18F－FDG（18F－氟代脱氧葡萄糖）在肿瘤诊断中的广泛应用，促使人们寻找新的正电子成像方法。大量的临床研究证实，在双探头的SPECT机上也可以实现正电子断层成像，而且成像质量、所用18F－FDG的剂量和采集时间均能满足临床要求。SPECT-PET成像有高能准直成像（HEI）及分子符合成像（MCD）两种。MCD机在美国已获FDA通过，数家公司已有商品出售。
三、实现正电子成像的几种方法
根据探测511keVγ光子的方法和使用仪器的类型，正电子成像有以下几种途径。
1．高能准直成像法（high energy collimation imaging，HEI）
高能准直成像是一种单光子探测法，该方法只探测正电子放射性核素湮没辐射时产生的2个511keVγ光子中的一个，因而用普通的单光子发射计算机断层仪就可获得511keV的正电子断层影像。主要的改进是设计专用的511keV高能准直器。511keV高能准直器有以下技术指标：准直器厚度80～100mm，准直器孔直径4mm，壁间隔2.5mm，准直器重约150kg,单孔壁穿透小于5%，准直器视野大小200mm×400mm至250mm×500mm。为了保持探头机械平衡，高能准直成像都采用双头SPECT机，计算机软件设计分高能、低能两档。做511keV高能成像时，计算机自动从低能档换到高能档，此时，机器探测的能量范围从50keV～400keV扩展到100keV～560keV。此外，机器的线性、能量、均匀性校正表均要按511keV制作。
高能准直成像机的优点是价格便宜，SPECT机型不用做大的改动，不损害普通单光子放射性核素（如99Tcm）的使用性能。做心肌断层显像时，可同时得到心肌99Tcm-MIBI灌注像和18F-FDG心肌代谢像，对判断心肌存活情况有很大价值。但高能准直成像空间分辨率和灵敏度都很差，不适宜做脑及肿瘤的正电子断层成像。
2．分子符合探测成像（molecular coincidence detection，MCD）
正电子符合成像已有近30年的历史，早期用Anger型γ照相机和多头系统，近期用双探头SPECT机实现断层成像。符合探测成像近2年受重视的主要原因是18F-FDG被评为1997年最受欢迎的放射性药物。许多生产SPECT机的厂家在双头SPECT机上进行了正电子符合探测成像的开发与研究，取得了重大成功，并已在临床应用中得到了证实，其临床价值和影像质量受到肯定，并且都相继申请或获得了美国FDA的批准。各公司实现符合探测的原理都是相同的，但各公司对这一新技术的命名各不相同。美国ADAC公司和以色列Elscint公司称分子符合探测（MCD）或符合探测（CD），美国Picker公司称正电子符合探测（PCD），法国SMV公司称体积符合采集和重建（VCAR）。
符合探测利用了湮没辐射产生的2个γ光子的直线性、同时性这两个特点。直线性即2个γ光子互成180°，探测的基本要求是2个互成180°的探头。双头SPECT机的探头机械结构完全满足这一要求。直线性的另一个优点是对人体内发射出的γ光子进行了电子准直(electrical collimation)，不需要机械准直器，从而大大提高了探测效率。双γ光子的同时性要求采用一种特殊的线路��符合线路。符合线路是核电子学中常用的一种普通线路，核心是高精度时间控制器。所谓同时到达的2个γ光子，总有一定时间差，在MCD探测中，一般将时间差定为15ns。在15ns内进入的2个γ光子视为同时发生的γ光子，予以探测，在15ns外的2个γ光子则不予探测。由于真符合(true coincidence)在总符合中所占比例仅有1%，因此要提高正电子成像的信噪比，单个SPECT的探头计数效率必须很高。SPECT机的最大计数率为100kcps～300keps，而在MCD探测中则要求至少1000keps以上，ADAC机器可达2000kcps。
符合探测成像比高能准直成像分辨率和灵敏度高。空间分辨率可达5～7mmFWHM，比高能准直成像提高1倍，接近PET的空间分辨率。SPECT机符合探测成像的要求，但比PET机价格便宜，可做正电子断层成像和单光子断层成像，达到一机两用的目的。MCD18F-FDG成像可进行身体任何部位的正电子成像，包括脑、心脏及全身各部位的肿瘤成像。当然，MCD的功能及影像质量与PET相比仍有待进一步提高。
3.正电子发射型计算机断层（PET）机
正电子发射型计算机断层（PET）机是正电子成像中最先进、最完善、最高级的仪器。它的影像质量好、灵敏度高、可分辨的病变小，适用面广，可做身体各部位的检查，最大优点是可以获得全身各方位的断层像，对肿瘤转移和复发的诊断尤为有利。
PET机由探头、断层床、计算机及其他辅助部分组成。探头部分是机器的核心，也是耗资最大、影响机器性能最大的部件，主要功能是把注入人体内的正电子放射性核素发射的湮没光子转换成空间位置信号和能量信号，供后面的计算机进行处理，并重建成断层影像。探头由晶体、光电倍增管、前端电子学线路及射线屏蔽装置组成。晶体有NaI晶体和BGO晶体2种，应用最多、最成熟、性能价格比也适中的仍是BGO晶体。晶体后面是光电倍增管，光电倍增管起光－电转换及信号放大的作用。单个晶体与光电倍增管构成分离的探测器，是PET中湮没光子符合探测的基本单位，决定了PET的分辨能力；许多分离探测器排列在360°圆周上，形成环状结构。PET机的分代、纵向视野及性能等多种因素取决于环的多少。第1代PET为单环，第2代为双环和多环，第3代为多环模块结构，第4代为多环、模块、3D结构。分离探测元件占用的光电倍增管多、造价高、灵敏度低、机械稳定性差。80年代中期，西门子公司发明了块状结构探测器（block detector system）。这种结构是在一块大晶体上刻许多槽，把晶体分成4×8或8×8的小矩阵，后面联接4个光电倍增管。这种结构不仅大量节省了光电倍增管，而且改善了光的收集效率，灵敏度和空间分辨率也有所提高。许多模块结构的探测器排列在360°圆周上可以构成不同直径、不同环数的PET，机械稳定性也大大提高，维修探头也很方便。由单一模块构成PET机为8环，如将2个模块并排排列则可构成16环的PET机。目前最多有32环的PET机。
PET机的纵向视野及断层面的数目与环数成正比，断层面数=环数×2－1。单环有1个断层面，双环有3个断层面，24环有47个断层面。在同一环内，探测器与对侧探测器的符合为直接符合（direct coincidence），探测器与相邻环内对侧探测器的符合为交叉符合（cross coincidence）。多环3DPET则为多层面的交叉符合。3DPET的灵敏度大有改善，但散射线的影响更严重，必须加以校正。
探测器模块（detector modules）由BGO槽式结构晶体、光电倍增管及模块电子学线路组成。模块电子学线路确定湮没事件的空间位置、时间信息和能量信息，所有这些信息包含在一个16位的输出信号中，输出给环接收器（ringreciever）。每个模块有一个环接收器，其中包含模块列位置、模块行位置，以上信息表示湮没事件发生在模块中的空间座标，以及表示事件的时间信息。最后1位表示能量窗，事件位于能量窗内为逻辑1，位于能量窗外为逻辑0。
PET机的计算机硬件和软件上都与SPECT机无显著差别，尤其在设计感兴趣区（ROI）、影像处理等方面。PET机硬件方面的主要要求是内存容量大、运算速度快。PET机探测的符合线路与计算的事件数比SPECT机要高得多。因此，PET机中所用的计算机一般为小型机或精简指令系统（RICS）微机工作站。
四、正电子断层成像中的若干技术问题
1．PET断层影像的构成
PET断层影像的构成与SPECT相同，采用滤波反投影法（FBP），但投影影像的含义及坐标表示法却有所不同。SPECT原始投影影像为探头位于不同角度的γ相机平面像，用直角坐标P（x,y）表示。在SPECT中，表示影像中的某一点用x，y两个位置坐标就可以了。影像重建时将投影影像先滤波，再反投影到同一坐标体系上，即得横向断层影像。
在PET中，孤立的一个空间烁点是毫无意义的，因为湮没辐射γ光子总是成对出现。2个互成180°的探头探测湮没光子构成一条符合线，称线响应（line-of-response，LOR）。LOR在极坐标系中可用2个参数表示，角度Q及半径r，Q和r都是相对视野中心而言的。L（Q，r）构成PET投影影像的基本点。PET中的每一个湮没闪烁点可以有许多条LOR。在极坐标中，以半径为横坐标，以角度为纵坐标，众多的LOR形成一条正弦曲线，众多的闪烁点构成一幅重叠交错的正弦图（sinogram）。正弦图是PET的原始投影影像。正弦图的矩阵大小就是横断断层影像矩阵的大小。正弦图经滤波反投影构成断层影像。
2．真符合、随机符合与散射符合
影响正电子符合探测成像影像质量的一个重要因素是真假符合的区分及校正。真符合（truecoincidence）是构成PET断层影像所需的湮没辐射γ光子。真符合数越多，影像质量越好。真符合γ光子必须具备3个条件：①2个γ光子同时同地发生；②2个γ光子互成180°角度；③2个γ光子能量为511keV。尽管在正电子符合探测中采用了电子准直，去掉了机械准直器，单个探头的探测效率大大提高，但必须注意，真符合数远远低于单个探头的探测数。这是因为符合探测效率为单个探头探测效率的平方。设单探头探测效率为Σ，则符合探测效率为Σ2。理想情况下，Σ=1。由于湮没辐射事件发生的空间位置以及组织的吸收影响，单个探头的探测效率可能仅有0.1或更小，符合探测效率则小于1%，因此，提高探头的探测效率是增加真符合数，增强影像信号的关键。
随机符合（random coincidence）是假符合的一种。它与真符合的主要区别是两个γ光子毫无时间与空间的相互关系，但在符合时间窗内被误认为“同时”发生的2个γ光子而探测下来。随机符合增加影像噪声，严重影响影像对比度。随机符合数NR与单个探头的计数率NA、NB和符合分辨时间t的乘积成正比：NR=2t×NA×NB。减小随机符合有以下几种方法： (1)降低单探头的计数率 在临床应用中减小随机符合就是要控制注入剂量，不是剂量越高，影像质量越好。从随机符合公式中可以看出，随机符合数与单个探头计数率平方成正比，而真符合只与探头计数率一次方成正比。在低计数率时，增加计数，真符合增加明显。在高计数率时，增加计数，随机符合增加明显。
(2)减小符合分辨时间 符合分辨时间与晶体材料、光电倍增管输出脉冲上升时间以及电子学线路分辨时间有关。在机器设计时应统一考虑。
(3)从总符合数中减去随机符合 西门子公司采用延迟时间窗（delayed time window）的办法扣除随机符合。延迟时间窗的时间宽度与采集时间窗相同。因此，在延迟时间窗内测定的随机符合数应与采集符合窗中测定的随机符合数相同。从总符合数中减去延迟窗内的符合数即对随机符合进行了校正。
散射符合（catering coincidence）是由散射线产生的符合。它主要特点是光子能量小于511keV，且方向不成180°,符合响应线（LOR）随散射产生的空间位置而变化。散射符合影响影像探测的位置精度，造成PET影像空间分辨率降低，对比度变差。散射分探头内部散射及探头外部散射。探头外部散射由人体组织的散射产生。人体组织中散射对影像质量影响最大，因为组织中散射线的方向变化不易测定，从而使符合响应线的方向也不易测定。例如组织中某光子散射后的方向与原方向仅差10°，但由此产生的符合响应线与原符合响应线的半径可能相差85mm以上。探头内散射对影像质量影响较小，因为它的能量损失较小，方向变化有限。剩余下能量的光子在同一探头块内与对侧探头符合，符合线方向改变不大，因而符合响应线的半径改变也不大。块状结构BGO探测器对消除探头内散射是很有效的。探头外部散射可通过控制能量窗及其他一些数学方法加以校正。PET的生产厂家均将散射校正列入自己的系统软件中。
3.衰减校正（attenuation correction）
衰减校正在PET定量分析中是十分重要的。尽管511keV光子比低能光子在组织的穿透力强、吸收少，但由于符合探测的复杂性，光子在组织中的衰减对影像质量的影响在PET中比在SPECT中严重得多。符合探测效率为2个单探头探测效率的乘积。符合探测的2个光子要通过两个方向，衰减路程加长。任何一个探头灵敏度的下降均会对符合探测效率造成严重影响，从而影响影像空间位置的定位精度和质量。心脏、纵隔、腹部、盆腔的PET断层及MCD常需做衰减校正。全身断层有人认为做衰减校正意义不大。
正电子断层中常用的衰减校正方法是外源穿透校正法。该方法的基本假定是511keV的双光子在组织中L1及L22个路径方向的衰减与单个511KeV的光子在路径L=L1+L2路径上的衰减是相同的。穿透衰减校正可以用单光子探测法，也可用符合探测法。外源既可以是正电子放射性核素，也可以是单光子放射性核素。正电子放射性核素为68Ca（9个月半衰期），单光子放射性核素为137Cs。在PET中，外源装在环形模型内，该模型固定在探头的准直器环内。病人数据采集前先做衰减采集（大约5～10min），然后给病人注入正电子放射性核素进行病人数据采集。除穿透校正外，正电子断层中也有采用其他方法做衰减校正的，如几何校正法、混合校正法、CT、MRI衰减校正法等。这些方法都有一些特殊的要求，在此不作详细介绍。
4.正电子断层的空间分辨及灵敏度
空间分辨和灵敏度是正电子断层的两项重要指标。空间分辨用线源伸展函数（LSF）的半高宽（FWHM）表示，单位为mm。影响空间分辨的主要因素有探测器材料、大小、信号噪声比及探头孔经。高能准直成像的空间分辨主要由准直器决定。最好的SPECT-PET成像，MCD空间分辨为5～7mmFWHM，高能准直器成像为11～15mmFWHM，PET的空间分辨为4～6mmFWHM，但有人报道过2.6mmFWHM的PET。正电子符合探测的空间分辨从理论上讲是有极限的，它受两个因素限制：一个是正电子的射程，另一个是湮没辐射光子不是绝对180°。正电子的射程取决于正电子的能量。正电子从其产生点到与组织中负电子符合湮没，其最大射程可达2mm，这2mm距离是测不准的。另外，湮没辐射γ光子只是准180°，其角度偏差约0.5°。角度偏差也会造成空间位移偏差，其大小与探头孔径半径有关。这个误差也有2～2.5mm。因此，正电子断层空间分辨的极限值为2～2.5mm。正电子断层的灵敏度用一个200mm高，200mm直径的圆柱模型，内充正电子放射性溶液进行测定，单位CPS·mCi-1·ml-1。灵敏度与探测器晶体的厚度、探头的数目、环数多少、光收集效率等有关。在双探头的SPECT-PET中，晶体厚度是一个重要因素，晶体厚度对511keVγ光子的空间分辨影响不大，但对灵敏度影响很大。在MCD中，SPECT机的晶体厚度加厚到1/2英寸或3/8英寸。晶体增厚以后对低能光子（99Tcm）固有空间分辨会有一定影响，但对系统空间分辨力和灵敏度的影响却非常之少，可以忽略不计。
