PET-CT之PET的发展历程

　　PET的发展，目前经历了近三十余年的时间。期间历经了数次重大的突破。本文主要从技术变革的角度，对这一历程作了简单回顾，并对未来PET技术可能的发展趋势作了预测。

　　PET是Positron Emission Tomography的缩写，汉语名称为正电子发射计算机断层仪。PET与CT结合在一起，及组成了目前医学影像中超高档的产品PET/CT。PET是利用放射性核素示踪剂，无创伤地进行显像以反映脏器的功能，血流和代谢变化。由于脏器的任何由疾病引起的解剖结构变化之前均会发生血流功能和代谢的变化，因而PET具有发现疾病早期的功能代谢改变的能力，为治疗赢取珍贵的时间。

　　从表面看，PET扫描仪的外形在这些年并没改变多少。但事实上PET所使用的技术和方法已经发生了革命性的变化。不少人对一些概念的提出、完善做出了重要的贡献，并努力使其具有实用性。PET的发展过程，就是不断提高空间分辨率、灵敏度、和PET系统的计数率特性的过程。除此以外，计算能力上的巨大进步（从模拟电路到复杂的数字电路的转换）也在现代PET系统中得到了广泛的应用，并且也对这些进展起到了增进作用。

　　第一次突破：从局部显像到浑身PET成像

　　在80年代，很多PET研究集中在脑或者心脏，PET的设计在轴向视野的覆盖面上也限于这些器官的范围，数据采集在一个床位即可完成。尽管现在回头看将检查床连续移动、床位之间互相重叠通过扫描仪应该是一个非常直观的想法，但当时提出和实施这个概念长期地改变了PET的应用范围。通过PET浑身显像，打开了系统性疾病，特别是原发和继发肿瘤诊断的大门。

　　浑身显像也因而直接促成初期PET浑身肿瘤扫描的发展和相关检查费用在美国可以报销。更为令人激动的是，专家预见未来PET浑身扫描的比重还会增加，其在检测一些基于分子、DNA/RNA或者免疫作用的治疗，以及感染性疾病、不稳定斑块及炎症疾病中会起到关键作用。

　　第二次突破：从二维PET到三维PET

　　在具有可以进行浑身显像的能力的初期，PET数据的采集方式为二维，使用的晶体主要是BGO（鍺酸铋，Bismuth Germanate，BGO）晶体。该晶体的特点是阻截511kev光子的能力强，可是其散射分数较高，晶体的时间分辨率也较差，为300ns之久。由于当时可供选择的晶体有限，使用BGO晶体的系统都在相邻的晶体环之间装有可以自动伸缩的铅挡板，以减少来自于周围晶体环的散射线。

　　系统在进行二维方式数据采集时，铅挡板伸出，系统只接受来自于同一个和相近数个环的湮没辐射（Annihilation）数据并形成有效符合线。二维系统的特点是灵敏度、散射分数、随机符合低。由于灵敏度很低，用二维数据采集方式进行浑身显像时，早期的系统需要近一小时左右的时间，病人不适度比较高，在进行浑身扫描时提供的临床PET图像不够令人满意。

　　临床实践证明二维数据采集方式较适合于局部显像，如心脏和脑组织的扫描。因而，核医学临床需要工业界提供扫描速度更快、散射和随机符合较低、图像质量更好的PET系统。这一需求强力推动了三维数据采集PET系统和新晶体的研发。

　　虽在九十年代早期，人们就已经强烈意识到人体PET成像非常大程度上一直受限于其二维采集方式的低灵敏度，但如何选择用于PET的晶体陷入一个两难窘境。当时可供选择的晶体包括NaI（Tl）和 BGO（鍺酸铋，Bismuth Germanate，BGO），前者传统上用于伽马相机。

　　两者都没有理想的特性。BGO有较高的阻止性能，对511kev光子提供好的探测效率，但其较慢的衰减时间和低光输出量引起其时间分辨率和能量分辨较差。基于BGO晶体的PET系统在三维模式时其图像质量非常明显受限于其过长的死时间、高随机符合和高散射。NaI（Tl） 晶体能量分辨率非常好（因而可以使用高能窗减少三维数据中的散射成份），并且成功应用到了数个纯三维系统中，但其时间分辨率依然相对较差，死时间长，其阻止性能也相对比BGO要差。因而，新晶体，特别是LSO「Cerium doped lutetium oxyorthosilicate（铈）硅酸镥」 及其相关的材料如LYSO「Cerium and yttrium doped lutetium oxyorthosilicate（钇、铈）硅酸镥」 ，就成了当时的一大突破。这些晶体密度高，更透明，更快，拥有杰出的时间分辨率和良好的能量分辨率，并且这些晶体的阻止性能比BGO只差点。

　　这些良好的晶体特点结合快速电路，显著提高了三维 PET扫描仪系统的性能。由于这些晶体要比BGO透明，因而新系统允许每个光电倍增管（PMT）解码定位更多的晶体探测单元，这样就部分地控制了在PET系统使用更多的晶体引起成本增加的不利趋势。

　　九十年代后期出现的三维PET系统去除了在早期二维PET中使用的铅栅，使得探测环之间也可以发生符合事件，这样就在没有增加晶体容量的前提下，使得灵敏度有了5~7倍的提高。 同时良好的能量分辨率和时间分辨率，使BGO三维系统的缺点被基于快速新晶体如LSO和GSO的PET系统非常好抑制。

　　在新一代的PET系统，脉冲可以叠加在更短的时间内，三维 PET高灵敏度带来的优势得到更好的体现。此外，有很多人在改良现有二维系统以引入三维数据采集能力及探索更好利用三维数据方面做出了贡献，例如现在的市场上基于BGO晶体的系统，也整合了三维数据采集能力，但系统较高的散射分数的和较宽随机符合时间窗对图像质量的进一步提升造成了非常大的障碍。从技术角度看，BGO晶体退出历史舞台是必然的。

　　但勿庸置疑，现有的基于新一代晶体的PET系统，即便是在三维模式下，其较终的临床图像依然不见得完全能实现其在分辨率方面的潜力（FWHH，一般为 4–6 mm）。因为灵敏度依然是一些LSO-PET系统的主要的限制因素。为了达到临床要求的信噪比，其重建后的分辨率只能设定在8~12mm范围内。因而，如何提高系统的灵敏度的挑战依然存在。

　　此外，源于三维采集方式的数据，包含了大量的系统几何信息、散射及随机符合，如何在算法中包含繁多的校正因素，是一个非常大的挑战。滤波反投影（Filtered backprojection）及基于该方法的三维重建算法，具有线性、运算速度快的特点，但在数据统计特性较差（源于原始数据量低和归一化、衰减校正、随机校正带来的影响）及不当采样过程中会产生显著的伪影。

　　这些算法同时过于简单地用完美的类-点探头（point like detectors）的概念模拟系统的几何特征，同时对于包含不同计数的投影数据（projection elements）都用同样的权重进行处理。由于以上原�