正电子发射断层成像(一种核医学显像技术)

来源：互联网

正电子发射断层成像（英文名：Positron Emission Tomography，PET），别称“派特”，是一种探测摄入人体内的正电子衰变同位素发出的由正电子湮没产生的成对光子的非侵入式三维功能成像技术。其显像技术是用能够发射正电子的短寿命放射性核素标记葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸等生命的基本物质，制成显像剂注入受检者体内，然后进行扫描成像。常用的放射性核素有11C、13N、15O、18F等。

PET利用正电子核素标记葡萄糖等人体代谢物作为显像剂，通过病灶对显像剂的摄取来反映其代谢变化，从而为临床提供疾病的生物代谢信息。PET通常和CT结合使用，PET/CT将PET的功能成像及CT的解剖学信息相结合，在分子水平上显示组织细胞的代谢、功能、血流、细胞增殖和受体分布，广泛应用于肿瘤、心血管疾病、神经功能病变等方面，为临床提供疾病生理和病理诊断信息，已成为不可或缺的重要影像设备。

1932年，美国物理学家安德森通过对宇宙射线的研究，发现并观测到第一个正电子。20世纪60年代后半期，来自美国华盛顿大学的科研人员设计出一种带铅准直器的探测器。1966年，伽马相机的发明人安格用两个闪烁相机在不使用传统准直器的情况下探测正电子湮灭的辐射光子。1970年，医学影像领域迎来重要突破——计算机断层成像（CT）技术。1976年，第一台商品化PET成功问世。中国科学院高能物理研究所自1983年开始研制PET，1986年成功研制出PET样机，1992年和1996年分别成功研制了供临床应用的双环和四环PET扫描仪。2005年，中国成功研制了一台高分辨率动物PET扫描仪Eplus-166。2023年，中国科学院高能物理研究所研制出一台高灵敏度的全景小动物PET/CT。

历史沿革

中国

中国科学院高能物理研究所自1983年开始研制PET，1986年成功研制出PET样机，并得到猕猴脑部重建图像，1992年和1996年分别成功研制了供临床应用的双环和四环聚对苯二甲酸乙二醇酯扫描仪。

2005年，成功研制了一台高分辨率动物PET扫描仪Eplus-166，用于啮齿动物或小型灵长目的成像实验如图 5 所示。2010年在此基础上又研制成功了动物PET/CT扫描仪，并成功实现了生物代谢和生物解剖结构融合成像，使得 PET 影像能够精确匹配到生物结构上。

随后，动物PET扫描仪便作为中国科学院核分析技术重点实验室的动物分子影像研究平台对外开放。自2006年3月开始，已经为我国的数十个医疗机构、高等院校和科研院所等机构提供了小动物PET成像服务，在各个领域都提供了支持，收到医院、生物学研究机构、医药公司等广泛好评，具有重要的科学意义。

2013年前后，国内首台乳腺专用核医学成像设备由中国科学院高能物理研究所研制。2015年，乳腺PE 获得国家食品药品监督管理总局(CFDA)颁发的国家三类《医疗器械注册证》，获准进入市场销售及临床应用，成为国际上首批、国内唯一进入市场的乳腺专用核医学成像设备，并成功在临床上应用，可用于高危人群早期微小原位肿瘤筛查；乳房肿块良、恶性鉴别性诊断；乳腺癌愈后辅助检测。临床上的成像结果对比。

2023年，中国科学院高能物理研究所突破长轴、全视野成像技术，研制出一台直径142.6mm，具有213.8 mm轴向长度，实现高灵敏度的全景小动物PET/CT，并成功完成了小动物动态成像，展示了SD大鼠从尾静脉注射18F-FDG药物后，经心脏到肝、肾的 PET成像过程。该全景小动物PET/CT未来也将为更多的单位提供药物研发、治疗方法评价、肿瘤致病因素研究等的小动物实验。

其他国家

1932年，美国物理学家安德森（P.W.Anderson）通过对宇宙射线的研究，发现并观测到第一个正电子，并因此获得1936年诺贝尔物理学奖。这为之后正电子在医学影像中的应用奠定了基础。同时，对正电子扫描设备的研究也没有停歇，包括探测器材料、临床应用、孔径、探测器设计等方面，设备发展经历了正电子平面扫描、闪烁晶体探测器、快速晶体体扫描、正电子三维扫描和连续进床等几个重要阶段。

1953年，斯威特（W.H.Sweet）和布劳内尔（G.L.Brownell）发表了一篇关于应用符合探测来定位脑肿瘤的文章，文中提到于头部两侧放置一对碘化钠检测器进行符合探测，得出了正电子分布图。

20世纪60年代后半期，来自美国华盛顿大学的特波戈西安（Terpogossian）、菲尔普斯（Phelps）和来自加利福尼亚大学的霍夫曼（EdwardHoffman）等设计出一种带铅准直器的探测器，此为初期的正电子平面扫描仪，可惜当时的检测结果不甚理想。1966年，伽马相机的发明人安格（Anger）用两个闪烁相机在不使用传统准直器的情况下探测正电子湮灭的辐射光子，从而设计出正电子照相机的技术模型，同时也创立了符合探测方法。但此时，正电子探测成像仍然停留在医学应用的初级阶段即二维成像，技术的限制制约了正电子成像的发展。

一直到1970年，医学影像技术迎来了一个重要的进展——计算机断层技术。该技术可以通过大量的数据，利用数学计算法重现断层影像。华盛顿大学的特波戈西安和菲尔普斯受到第一台CT机发明的启发，结合过去十几年对正电子成像的研究，开始在正电子探测中应用这一重要技术，改进正电子扫描的显像质量，也显示了该技术对于影像发展的无限生命力。1976年，第一台商品化PET成功问世。

成像原理

PET利用正电子核素标记葡萄糖等人体代谢物作为显像剂，通过病灶对显像剂的摄取来反映其代谢变化，从而为临床提供疾病的生物代谢信息。

PET是一种先进的医学成像技术，以独特的方式查看身体内部的活动，PET专注于检测身体的代谢活动，而不仅仅是其结构。

首先，PET与核磁共振成像(MRI)不同，MRI是利用磁场和无害的无线电来获得人体内部的详细图像，而不需要使用放射性物质，MRI 通过测量人体组织中水和脂肪的含量来显示不同的生物组织结构，其常用于检测软组织损伤、神经系统疾病和心血管疾病等。

与PET同属射线断层显像的还有单光子发射计算机断层扫描(SPECT)和 X 射线计算机断层扫描(简称 X 射线 CT)。与 PET不同，SPECT 是将发射单光子(γ射线)的核素注入体内，伽马射线透过人体后被闪烁体探测器探测，经过特定的算法和重建，显示单光子核素在体内的分布情况。

而X射线与PET相比，CT不需要注射放射性核素，是利用X射线对人体进行照射，X 射线被组织吸收或衰减后再被探测器捕获，探测器的数据经过计算重建，可以得到不同部位的衰减，最终显示组织器官的密度进而展现生物解剖结构。

PET扫描的核心在于放射性同位素，这些同位素被附着到生物活性分子上，这些生物活性分子就是一种特殊的放射性示踪剂，如葡萄糖，然后被注入患者体内。示踪剂所携带的放射性核素，具有通过衰变发射正电子的属性。正电子是电子的反粒子，两者除所带电荷相反外,其他性质都相同。当正电子在体内运动时，会逐渐损失动能，在动能接近损失完全时，它们会与周围电子相遇而发生作用，这一过程被称为湮没。在湮没过程中，正电子和电子转换成能量，释放出两个能量相等、方向相反的γ射线。

运载这些正电子核素的示踪药物是生命的基本物质，如葡萄糖、水、氨基酸，或是治疗疾病常用的药物。因此，每一项PET显像的结果实质上是反映了某种特定的代谢物(或药物)在人体内的动态变化，是在分子水平上反映人体是否存在生理或病理变化。临床上最常用的放射性核素是18F-FDG。恶性肿瘤有一个共同的特性就是代谢活性非常高，它是人体内的“强盗”，掠夺性地摄取营养，而葡萄糖是人体细胞（包括肿瘤细胞）能量的主要来源之一，因此，恶性肿瘤摄取的葡萄糖远远多于其它正常组织。利用这一特性，在葡萄糖上标记放射核素氟-18作为显像剂（18F-FDG），将其注入静脉内，经体内循环，恶性肿瘤摄取的18F-FDG远多于正常组织，因此，肿瘤细胞内可积聚大量18F-FDG，经体外扫描显像，可以检测到体内18F分布情况，从而显示肿瘤的部位、形态、大小、数量及肿瘤内的放射性核素分布。

设备组成

PET主机是PET检查的成像部分，由计算机系统、探头（含机架）和电子线路组成。计算机系统接收采集和图像处理的指令，完成对探头和床机械运动的控制，对采集的信号进行处理，重建三维图像。PET探头由若干个探测器排列组成，而每个探测器件又由晶体和光电倍增管（PMT）所组成。晶体的性能及尺寸直接影响探测效率、能量分辨率、灵敏度和空间分辨率。

PET探测器由晶体（crystal）、光电转化器（photomultipliers）等组成。

1、晶体目前用于PET探测器的晶体主要有BGO、LYSO、LSO和LBS四种。其中，LYSO、LSO以及LBS这三类晶体由于含有金属镥（镥），因此余辉时间明显减少。一般认为晶体余辉时间小于80ns就可以实现TOF技术。BGO等晶体余辉时间太长，不能实现TOF技术，即将被淘汰。含镥晶体（LSO、LYSO）也有不足，就是含有自身本底放射性，有效原子序数偏小，会导致射线探测效率降低。LYSO、LSO和LBS这三类晶体在PET探测器中的最佳长度为20mm左右，必须用TOF技术来弥补其探测效率低的固有缺陷。

2、光电转化器目前常见的光电转换器有**光电倍增管（PMT）、硅光电倍增管（SiPM）和数字光子计数（DPC）**三类。

传统的PET探测器采用把单个闪烁晶体耦合在PMT上的办法，PMT是在1951年由雷恩（Wrenn）和斯威特首先提出的，也在PET探测器的历史长河中扮演着极其重要的作用。但是，由于它体积大，易受干扰，需高电压，且会产生热量使温度升高等，导致放大增益有很大偏差（温度升高1℃，增益偏差3%）。

亦称半数字化固化阵列式光电转化器。从其名字就可以看出，其功能和原理依然没有脱离传统光电倍增管的范畴，最多只能算半数字化探测器。其最早用于倒车雷达、质谱仪等信号采集元件，在PET的应用最早在2004年前后。SiPM较传统的PMT而言，采用了半导体集成电路芯片技术。这种半数字化芯片产品体积明显减小，可以做到高度的集成化，同时可以实现PET中关键的TOF技术。但是，模拟信号到数字信号的模数转换依然需要后续ASIC电路来解决，SiPM只是和原来的PMT一样，单纯地进行信号的接收放大，其采集到的高电压通过后续的电路去估算大致的光子计数，并转化成数字信号，一个输出等于所有脉冲的叠加，处理过程依然受到模拟电路的影响。同时，由于SiPM属于硅光元件，即使在外部都没有任何输入的情况下，依然会产生暗电流噪声。

对于温度的敏感性，SiPM虽然略低于PMT，但是受到其模拟元件的本质限制，无法摆脱温度漂移的影响，温度每上升1℃，其增益偏差在3%左右。在采集过程中，随着计数率（输入）的增加，SiPM也经常受到模数转换、带宽限制、噪声干扰等因素的影响，出现响应不及时的情况，也就是通常所说的不应期，或者用PET专用术语——“死时间”问题。此外，目前的SiPM生产商其主要供货对象并不是PET，这主要是受采购数量的制约，导致至今依然没有一台采用SiPM探测器的PET能够实现SiPM探测器和晶体尺寸一致。众多此类产品不得不继续沿用为PMT设计的Block结构，探测器尺寸大大缩小，从而无法实现与晶体一一对应以及晶体的完全覆盖，直接带来的后果就是丢失数据。大量真实的符合事件因为SiPM响应不及时而没被系统有效记录。

DPC应运而生。相较于SiPM单纯放大信号以及包含的所有噪声，并在后续ASIC电路中进行模数转换，DPC芯片通过为每个ADP单元（微米级）设计一套完整的CMOS电路，使其在放大之前即可完成可见光信号能量判断，并将其转换为数字信号。“0101”的数字信号可以直接通过光纤传递给后端采集和处理工作站，不再需要ASIC电路和任何模拟电路，实现了零模拟噪声，也不会对噪声进行放大。由于DPC芯片是第一款专门针对PET设计的探测器芯片，所以每个独立探测器的尺寸就是根据目前广泛使用的晶体切割尺寸设计的，因此实现了探测器和晶体单元的一一对应，而且可以100%覆盖晶体。这种一一对应结构为PET带来的好处是显而易见的：PET光子闪烁定位，第一次实现了直接定位，不再依赖于Block结构的估算方式，极大地提高了PET的定位精度和处理速度。由于采集有效计数的提高，系统的有效灵敏度也得到极大提高，前端硬件设计上的噪声去除避免了长期以来后续软件多次迭代算法的去噪处理，极大地节省了重建的时间。一一对应结构带来的另一个好处是第一次能够通过每个探测器校正，消除晶体本身差异带来的固有均匀性问题，每个探测单元实现归一化的采集放大效果。

正是由于良好的均匀性，后续定量的准确性才能有所保证。此外，由于使用DPC的设备在最前端实现数字化和信号噪声识别，信噪比会有很大提高，其采集通道比在采用SiPM探测器的PET的通道数量高了N个数量级，探测器几乎拥有了无限的带宽，且输入和输出信号始终保持很好的线性关系，可实现1倍以上的最大计数率。因此，数字化的优势就显现出来：一一对应——超高采集效率，100%完全覆盖、无须模拟定位、高密集探测器阵列；一步到位——无须多余迭代，几乎是零仿真噪声、零传输衰减、无限带宽；PET的关键参数TOF的时间分辨率目前可以降到只有310ps。

临床应用

适合人群

肿瘤是中国居民的主要死亡原因之一，2020年中国恶性肿瘤新发病例约450万例，死亡约300万例。早发现、早诊断、早治疗是降低恶性肿瘤病死率、延长生存时间的关键措施。PET通常和CT一起结合使用，PET/CT主要应用于肿瘤学（75%~90%）、心脏病学（10%~20%）、神经系统检查（10%~30%），PET/CT的临床应用如下：

应用

肿瘤显像

PET/CT可用于肿瘤的定性与定位诊断，肿瘤的良、恶性鉴别诊断，肿瘤的临床分期，治疗效果的评价，转移灶的寻找与复发的检测等。对于肿瘤标志物增高或者发现转移灶，而CT、MRI及纤维内镜等临床常规检查未发现原发灶的患者更具有优势。

临床多使用¹⁸F-FDG显像剂，恶性病灶表现为局限性放射性浓聚，即高代谢病灶。绝大多数良性病灶不摄取或轻度摄取¹⁸F-FDG，但也有小部分良性病变（如活动性肺结核、急性炎症等）出现高摄取，出现放射性浓聚影，仔细分析病灶的形态有助于良、恶性的鉴别。

其他

1、健康体检

适用人群：亚健康人群，生活不规律、工作压力大、有肿瘤家族史者及肿瘤患者。特点：一次定位检查全身，省时省事；准确率高达90%以上；发现病变超前半年以上。

2、癫痫定位

PET/CT可对癫痫病灶准确定位，为外科手术或伽玛刀切除癫痫病灶提供依据。

3、痴呆早期诊断

PET/CT可用于早老性痴呆的早期诊断、分期，并与其他类型痴呆如血管性痴呆进行鉴别。

4、脑受体研究

PET/CT可用于帕金森病的脑受体分析，进行疾病的诊断和指导治疗。

5、脑血管疾病检查

PET/CT可以敏感地捕捉到缺血性脑血管病发作引起的脑代谢变化，因此可以对短暂性脑缺血发作（TIA）和脑梗死进行早期诊断和定位，并进行疗效评估和预后判断。

6、药物研究

通过PET/CT可进行神经精神药物的药理学评价和指导用药，观察强迫症等患者脑葡萄糖代谢的变化情况，为立体定向手术治疗提供术前的依据和术后疗效随访依据等。

优势

PET/CT作为应用广泛的分子影像学检查方法，联合不同影像手段，优势互补，利用其敏感性及特异性为多种疾病的诊断、分期、治疗决策提供可靠的分子水平依据。随着影像技术、算法、设备的更新，以及新型药物的研发与试用，PET在未来的临床应用中将扮演更加重要的角色。PET/CT作为医学影像检查中高端的功能成像产品，可以对人体组织的功能、代谢和受体分布等进行显像，具有灵敏、准确、特异及定位精确等特点。

发展研究

技术发展

WHO统计结果表明，截至2020年，中国每年因心血管疾病死亡的人数已达到400万人，其中冠状动脉粥样硬化性心脏病更是占据全球前十位死亡原因榜首。此外，虽然随着冠状动脉搭桥术或冠状动脉成形术的广泛应用，心血管疾病的病死率大大降低，但发病率仍居高不下，且其对不可逆的心肌损害无明显改善。

无创的心脏核素显像对心血管疾病的早期识别、疗效监测及预后评价意义重大。不论是什么核素显像方式，只要涉及心脏，门控都是必不可少的。

传统的心电门控显像存在扫描时间长、丢拍、定量参数偏离、医护人员有额外辐射风险等问题。赛诺联合推出的PET心脏时空成像解决方案，可以通过智能心脏运动追踪、TOF双定量重建和深度学习智能降噪等多项独有技术，给临床提供更精准、更量化、更快速的全新PET心脏显像方法，相对于传统的心脏显像方法具有明显的优势。

心脏运动追踪的难度远远超过呼吸运动追踪，不仅因为心脏搏动频率是呼吸频率的5倍，更因为心脏运动同时包含了心脏搏动和呼吸运动。赛诺联合推出的PET心脏时空成像能替代传统复杂的外接心电图门控，并且更加精确，不会出现丢拍、定量参数偏离的现象。

PET 分子影像作为非侵入性检测手段，可以在无创的前提下获取CNS 药物在中枢神经系统内的暴露以及药效，可以为CNS 药物的早期研发提供宝贵的定量信息。PET 在CNS 新药研发中的药代动力学，药效学等方面开始逐步探索和应用，为CNS新药研发提供了新技术及新方法。

PET 分子影像应用于CNS 药物药代动力学特性的评估血脑屏障的存在阻止药物渗透进入脑组织，从而阻止药物在CNS发挥药效。所以在CNS 新药研发的早期，基于PET 分子影像技术可以结合临床前动物实验为新药在人体脑组织生物分布提供前瞻性信息。Mota等为探索普瑞玛尼（pretomanid）治疗结核性脑膜炎的潜力，对普瑞玛尼进行F-18放射性标记，采用PET 分子影像技术对普瑞玛尼在不同临床前种属间的脑组织分布以及动力学进行研究。通过动态PET扫描获取脑组织以及血浆给药后一小时内的放射性-时间曲线。结果显示，普瑞玛尼在小鼠以及兔子中脑组织暴露明显高于血浆暴露量（AUCtissue/AUCplaa>1），且健康动物的脑组织暴露要高于结核性脑膜炎动物模型中的脑组织暴露。研究还发现，普瑞玛尼在脑组织中的暴露量显著高于在脑脊液（CSF）中的暴露。以动物研究为基础，Mota 等还进行了F-18 标记的普瑞玛尼在人体中的首次人体试验，试验人数包括6 位健康受试者，动态PET扫描证实了动物实验中的发现，即普瑞玛尼在人体脑组织中的暴露要显著高于血浆暴露，且普瑞玛尼在脑组织中的暴露要显著高于CSF中的暴露。该研究也指出，CSF 浓度可能并不能很好代表药物在脑组织中的暴露量，这也体现出PET分子影像技术的优势。

设备创新

除了赛诺联合推出的PET心脏时空成像技术外，GE、西门子股份公司、飞利浦、联影医疗、东软医疗、永新医疗以及明峰医疗系统股份有限公司等在PET/CT领域也有不少进展。

GE带来了全新五维全息影像平台，实现了PET/CT精准一站式成像。基于最先进的超高单晶体灵敏度硬件设计，五维全息影像平台（超级迭代至清成像平台）真正实现全面提升PET/CT图像信噪比、分辨率、定位精度、微小病灶探测能力及清除病灶伪影等多项能力，助力精准诊疗一体化及高端影像组学研究的前沿应用。

PET/CT在肿瘤的精准诊疗中扮演着重要的角色，其中PET/CT的定量技术发挥了巨大的作用。如今面临的难题是如何在现实现定量的基础上提升定量技术的精度及准确性。对此西门子在整个影像流程中都采取了独特的定量技术，在设备采集端西门子推出了后数字PET/CT-BroadQuantification技术，它拥有业界最高TOF时间分辨率，可达到214ps，真正实现光子冻结及广域高清，大幅提高了设备采集端的精度。

VereosPET/CT的数字光子计数探测器能够极大地释放PET的数字TOF技术潜能，从源头实现变革模拟，去伪存真，跨越式提升PET/CT图像质量、缩短扫描时间、降低辐射剂量，有效拓宽科研应用边界，同时集成飞利浦浦星云工作站智能化、自动化和高度互联的图像后处理系统，助力高效精准诊疗。

uMIPanorama是联影医疗推出的最新一代全数字化PET/CT系统，该设备基于uExcel技术平台打造，TOF时间分辨率、轴向视野自由扩展等核心系统性能指标在国际上领先；AI全智能化工作流程让扫描更加快速便捷，双模态AI迭代重建技术实现PET/CT扫描辐射剂量的“双低”。

东软医疗自主研发的超高性能（超高集成、超强兼容）ASIC芯片，搭配SiPM，通过数字化解决方案，实现了超高的TOF时间分辨率。该方案显著提升图像质量、缩短扫描时间并降低注射剂量。同时，基于数字化，该方案创新实现PET/CT设备的彻底无源，除去日常质控和时间校准，设备的季度校准也无需棒源、水模注药等放射源。

永新医疗的多模态动物专用PET/SPECT/CT产品的技术创新主要集中于两方面：一方面是工程层面，主要包括DOI深度探测、ASIC芯片、定量重建、药代动力学技术；另一方面是临床层面，主要包括临床前分子影像的应用范围，以及医工结合助力核医学科研发展。

明峰医疗推出超高端全数字化ScintCarePET/CT750T，其搭载第四代MF全数字化PET探测器，具有403.2mm超宽的轴向视野，23.5cps/kBq灵敏度，380psTOF时间分辨率，可实现更快的扫描速度、更精准的图像质量、更高效的临床体验和更智能的临床应用。

参考资料 >

探秘PET：正电子发射断层成像如何‘看见’疾病.北京大学国际医院神经外科.2026-03-06

[核技术利用]什么是PET检查?.国家核安全局.2026-02-28

正电子发射断层成像.术语在线.2026-03-06

Positron Emission Tomography and Computed Tomography (PET-CT) Scans.cancer.2024-01-30

正电子发射断层成像技术.现代物理知识.2026-02-28