1.1.4 PET与超声成像
"功能成像让我们看到生命的活动，而不仅仅是身体的结构。" —— 医学影像学的新纪元
在前面的章节中，我们了解了CT、MRI和X射线这三种主要的解剖成像技术。现在，让我们探索两种独特的成像模态：PET（正电子发射断层成像）和超声成像。PET是功能成像的代表，能够显示组织的代谢活动；超声则是实时成像的典范，无辐射、便携、经济。这两种技术与前面的解剖成像技术形成了完美的互补。
🔬 第一部分：PET（正电子发射断层成像）
从反物质到医学影像
正电子的发现：反物质的第一次现身
1932年，美国物理学家卡尔·安德森（Carl Anderson）在加州理工学院研究宇宙射线时，在云室中观察到一种奇特的粒子轨迹：它的质量与电子相同，但电荷相反。这就是正电子（positron），人类发现的第一种反物质粒子。安德森因此获得1936年诺贝尔物理学奖。
当时没有人想到，这个看似纯粹的物理学发现，会在几十年后彻底改变医学诊断。
💡 什么是反物质？
反物质是正常物质的"镜像"：正电子是电子的反粒子，反质子是质子的反粒子。当物质与反物质相遇时，会发生湮灭（annihilation），质量完全转化为能量，产生高能光子。这个过程遵循爱因斯坦的质能方程 E=mc²。PET成像正是利用了这一物理现象。
放射性示踪剂：追踪生命的足迹
1943年，匈牙利化学家乔治·德·海韦西（George de Hevesy）因发展了放射性示踪剂技术而获得诺贝尔化学奖。他的开创性工作证明：可以用放射性同位素标记物质，然后追踪它们在生物体内的代谢过程。
这个想法为功能成像奠定了基础：如果我们能用放射性同位素标记葡萄糖，就能看到身体各部位的能量消耗情况。
首台PET扫描仪的诞生
1973年，在华盛顿大学医学院，物理学家迈克尔·菲尔普斯（Michael Phelps）和爱德华·霍夫曼（Edward Hoffman）在米歇尔·特尔-波戈相（Michel Ter-Pogossian）的指导下，制造出了世界上第一台PET扫描仪——PETT I（Positron Emission Transaxial Tomograph）。
这台设备只有一个探测环，扫描一次需要数小时，但它证明了PET成像的可行性。
FDG：PET成像的"燃料"
1976年，在美国布鲁克海文国家实验室，井户辰雄（Tatsuo Ido）、阿尔·沃尔夫（Al Wolf）和乔安娜·福勒（Joanna Fowler）成功合成了¹⁸F-氟代脱氧葡萄糖（FDG）。
FDG是葡萄糖的类似物，会被细胞摄取但不会被完全代谢，因此会在代谢活跃的组织中积聚。由于癌细胞的代谢速率通常是正常细胞的数倍，FDG-PET成为肿瘤诊断的利器。
🎯 为什么癌细胞"喜欢"葡萄糖？
这被称为瓦尔堡效应（Warburg effect）：即使在有氧条件下，癌细胞也倾向于通过糖酵解获取能量，而不是更高效的有氧呼吸。这导致癌细胞对葡萄糖的摄取量远高于正常细胞，使得FDG-PET能够"点亮"肿瘤。
PET成像原理：捕捉湮灭的光芒
正电子湮灭：一场微观的"烟花"
PET成像的核心是正电子湮灭过程：
- 放射性示踪剂注射：将标记有正电子发射核素（如¹⁸F）的示踪剂（如FDG）注射到患者体内
- 正电子发射：放射性核素衰变，释放正电子
- 正电子湮灭：正电子在组织中行进很短距离（约1-2毫米）后，与电子相遇并湮灭
- 光子对产生：湮灭产生两个能量为511 keV的γ光子，以180度相反方向飞出
- 符合探测：PET扫描仪的探测器环同时探测到这对光子，确定湮灭发生的位置
符合探测技术：时间就是一切
PET扫描仪使用符合探测（coincidence detection）技术：
- 只有在极短时间窗口内（通常<10纳秒）被两个相对的探测器同时探测到的光子对，才被认为来自同一次湮灭事件
- 这条连接两个探测器的直线称为响应线（Line of Response, LOR）
- 通过数百万条LOR的重建，可以得到示踪剂在体内的三维分布图像
常用的放射性示踪剂
| 示踪剂 | 半衰期 | 标记核素 | 主要应用 |
|---|---|---|---|
| ¹⁸F-FDG | 110分钟 | ¹⁸F | 肿瘤、心脏、脑代谢 |
| ¹¹C-甲硫氨酸 | 20分钟 | ¹¹C | 脑肿瘤、蛋白质合成 |
| ¹³N-氨 | 10分钟 | ¹³N | 心肌灌注 |
| ¹⁵O-水 | 2分钟 | ¹⁵O | 脑血流 |
| ⁶⁸Ga-PSMA | 68分钟 | ⁶⁸Ga | 前列腺癌 |
⚠️ 放射性示踪剂的安全性
虽然PET使用放射性物质，但辐射剂量是可控的：
- 一次FDG-PET扫描的有效剂量约为5-7 mSv，相当于1-2次腹部CT
- 示踪剂的半衰期很短（¹⁸F为110分钟），会快速衰变
- 示踪剂用量极少（通常<10毫克），不会产生药理作用
- 孕妇和哺乳期妇女需要特别评估风险收益比
PET与CT/MRI的融合：1+1>2
单独的PET图像只显示功能信息，缺乏解剖细节。2000年，大卫·汤森（David Townsend）团队开发出第一台商用PET-CT扫描仪，被《时代》杂志评为"2000年度医学发明"。
PET-CT的优势：
- CT提供精确的解剖定位
- CT数据用于PET图像的衰减校正，提高定量准确性
- 一次扫描同时获得功能和解剖信息
- 扫描时间从2小时缩短到30分钟
2010年代，PET-MRI开始应用于临床，结合了MRI的优秀软组织对比度和PET的功能成像能力，特别适合脑部和盆腔成像。
现代PET-CT扫描仪，将功能成像与解剖成像完美融合
PET技术的发展历程
| 年代 | 里程碑事件 | 关键技术 | 扫描时间 | 主要应用 |
|---|---|---|---|---|
| 1970s-1980s | 概念验证阶段 | 单环探测器、BGO晶体 | 2-4小时 | 脑代谢研究 |
| 1973：首台PET扫描仪（PETT I） | ||||
| 1976：FDG合成成功 | ||||
| 1990s-2000s | 临床应用普及 | 多环探测器、全身扫描 | 30-60分钟 | 肿瘤诊断与分期 |
| FDG-PET成为肿瘤诊断标准 | ||||
| 1998：FDA批准FDG用于临床 | ||||
| 2000s | 融合成像时代 | PET-CT、LSO晶体 | 15-30分钟 | 肿瘤、心脏、神经 |
| 2000：首台商用PET-CT | ||||
| 时间飞行（TOF）技术 | ||||
| 2010s | 多模态与精准成像 | PET-MRI、数字PET | 10-20分钟 | 精准医学、早期诊断 |
| 2010：首台PET-MRI | ||||
| 全数字PET探测器 | ||||
| 2020s至今 | 全身与超快成像 | 全身PET、AI重建 | <10分钟 | 全身肿瘤筛查 |
| 长轴向视野（LAFOV）PET | ||||
| 超灵敏探测器 |
关键技术突破
| 技术类别 | 技术名称 | 时间 | 核心贡献 | 性能提升 |
|---|---|---|---|---|
| 探测器 | BGO晶体 | 1980s | 高密度、高阻止本领 | 提高探测效率 |
| 探测器 | LSO/LYSO晶体 | 2000s | 更快衰减时间 | 提高计数率、改善图像质量 |
| 探测器 | 数字SiPM | 2010s | 全数字化、高灵敏度 | 提高时间分辨率、降低剂量 |
| 成像技术 | 时间飞行（TOF） | 2000s | 利用光子到达时间差 | 提高信噪比30-40% |
| 成像技术 | 点扩散函数（PSF）重建 | 2000s | 补偿系统响应 | 提高空间分辨率 |
| 融合成像 | PET-CT | 2000 | 解剖+功能 | 提高诊断准确率、缩短扫描时间 |
| 融合成像 | PET-MRI | 2010 | 软组织对比+功能 | 减少辐射、提高软组织分辨率 |
| AI辅助 | 深度学习重建 | 2010s | 降噪、加速成像 | 降低剂量50%、缩短扫描时间 |
🚀 全身PET：一次扫描，全身尽览
2018年，加州大学戴维斯分校的研究团队开发出EXPLORER全身PET扫描仪，轴向视野长达2米，可以一次扫描覆盖全身。这种长轴向视野（LAFOV）PET的优势：
- 灵敏度提高40倍
- 扫描时间从20分钟缩短到1分钟
- 辐射剂量降低40%
- 可以进行全身动态成像，观察示踪剂在全身的实时分布
这为全身肿瘤筛查、系统性疾病诊断开辟了新的可能。
PET技术的临床意义
| 应用领域 | 典型应用 | 临床价值 | 常用示踪剂 |
|---|---|---|---|
| 肿瘤学 | 肿瘤诊断与分期 | 早期发现、准确分期、评估转移 | ¹⁸F-FDG |
| 疗效评估 | 早期判断治疗反应、调整方案 | ¹⁸F-FDG | |
| 放疗计划 | 精确定位肿瘤边界 | ¹⁸F-FDG、¹¹C-甲硫氨酸 | |
| 神经系统 | 阿尔茨海默病 | 早期诊断、鉴别诊断 | ¹⁸F-FDG、淀粉样蛋白示踪剂 |
| 癫痫 | 定位致痫灶 | ¹⁸F-FDG | |
| 帕金森病 | 多巴胺系统评估 | ¹⁸F-DOPA | |
| 心血管 | 心肌活力评估 | 判断心肌是否可逆性损伤 | ¹⁸F-FDG、¹³N-氨 |
| 心肌灌注 | 评估冠状动脉疾病 | ¹³N-氨、⁸²Rb | |
| 感染/炎症 | 感染灶定位 | 不明原因发热的病因诊断 | ¹⁸F-FDG |
🔊 第二部分：超声成像
从声呐到医学影像
超声波的早期应用
超声波（频率>20 kHz，超出人耳听觉范围）的应用最早可以追溯到第一次世界大战期间的声呐（SONAR）技术，用于探测潜艇。战后，超声技术被用于工业探伤，检测金属内部的裂纹。
但将超声应用于医学诊断，则是一个更大的挑战：人体组织比金属复杂得多，而且需要实时成像。
医学超声的先驱
1942年，奥地利神经学家卡尔·杜西克（Karl Dussik）首次尝试用超声波透射成像来诊断脑肿瘤。虽然这个尝试并不成功（超声无法穿透颅骨），但它开启了医学超声的探索。
1958年，苏格兰格拉斯哥大学的妇产科教授伊恩·唐纳德（Ian Donald）发表了具有里程碑意义的论文，展示了超声在产科诊断中的应用。他与工程师汤姆·布朗（Tom Brown）合作，改进了工业探伤设备，成功地用超声波观察到胎儿和卵巢囊肿。
👶 超声改变了产科学
在超声出现之前，医生只能通过触诊和听诊来评估胎儿状况，很多异常无法在产前发现。超声的出现彻底改变了这一切：
- 确认妊娠和胎儿数量
- 评估胎儿生长发育
- 检测胎儿畸形
- 监测胎盘位置
- 引导羊膜穿刺等操作
超声使产前诊断成为可能，极大地降低了孕产妇和新生儿的死亡率。
实时超声的突破
早期的超声设备只能产生静态图像，需要手动扫描并记录。1970年代，随着电子技术的进步，实时B超（B-mode ultrasound）问世，可以每秒产生数十帧图像，实现动态观察。
这使得超声成为真正的"实时成像"工具，可以观察心脏跳动、血液流动、胎儿运动等动态过程。
超声成像原理：声波的回响
超声波的本质
超声波是一种机械波，需要介质传播，无法在真空中传播。医学超声的频率通常在1-20 MHz之间：
- 低频（1-5 MHz）：穿透力强，用于深部器官（如腹部）
- 高频（7-20 MHz）：分辨率高，用于浅表结构（如甲状腺、血管）
超声波的产生：压电效应
超声探头（transducer）的核心是压电晶体（如锆钛酸铅，PZT）：
- 正压电效应：施加电压→晶体振动→产生超声波
- 逆压电效应：超声波→晶体振动→产生电压
同一个晶体既是发射器又是接收器，交替发射和接收超声波。
医用超声线性阵列探头，内部包含多个压电晶体阵列
超声波与组织的相互作用
当超声波在组织中传播时，会发生：
1. 反射（Reflection）
- 在不同组织界面发生
- 反射强度取决于声阻抗差异
- 这是超声成像的主要信息来源
2. 散射（Scattering）
- 遇到小于波长的结构时发生
- 产生组织的"纹理"信息
3. 衰减（Attenuation）
- 超声波能量随深度逐渐减弱
- 衰减程度与频率成正比
- 限制了超声的穿透深度
4. 折射（Refraction）
- 超声波在界面改变方向
- 可能产生伪像
超声成像模式
| 模式 | 全称 | 显示方式 | 主要应用 |
|---|---|---|---|
| A型 | Amplitude mode | 一维波形图 | 眼科（眼轴长度测量） |
| B型 | Brightness mode | 二维灰阶图像 | 最常用，腹部、产科、心脏等 |
| M型 | Motion mode | 时间-深度曲线 | 心脏瓣膜运动、胎心监测 |
| 彩色多普勒 | Color Doppler | 彩色血流叠加在B型图像上 | 血管、心脏血流 |
| 频谱多普勒 | Spectral Doppler | 血流速度-时间曲线 | 血流动力学评估 |
| 能量多普勒 | Power Doppler | 显示血流能量分布 | 低速血流、肿瘤血管 |
多普勒效应：看见血液的流动
多普勒效应：当声源与观察者相对运动时，观察到的频率会发生变化。在医学超声中：
- 血液向探头流动→频率升高（通常显示为红色）
- 血液背离探头流动→频率降低（通常显示为蓝色）
通过测量频率变化，可以计算血流速度：
其中：v是血流速度，c是声速，Δf是频率变化，f₀是发射频率，θ是超声束与血流方向的夹角。
💡 为什么超声检查需要涂耦合剂？
空气的声阻抗与人体组织差异极大，超声波在空气-皮肤界面会几乎完全反射，无法进入体内。耦合剂（通常是水基凝胶）的作用是排除探头与皮肤之间的空气，确保超声波能够有效传入体内。这就像光学显微镜使用香柏油来提高分辨率一样。
超声技术的发展历程
| 年代 | 里程碑事件 | 关键技术 | 图像质量 | 主要应用 |
|---|---|---|---|---|
| 1940s-1960s | 探索阶段 | A型超声、接触式扫描 | 一维波形 | 脑中线、眼科 |
| 1942：Dussik尝试脑部超声 | ||||
| 1958：Ian Donald产科超声 | ||||
| 1970s-1980s | 实时成像时代 | 实时B超、线阵/凸阵探头 | 灰阶图像 | 产科、腹部、心脏 |
| 1970s：实时B超问世 | ||||
| 灰阶成像技术 | ||||
| 1980s-1990s | 彩色多普勒时代 | 彩色多普勒、频谱多普勒 | 彩色血流图 | 血管、心脏、产科 |
| 1980s：彩色多普勒成像 | ||||
| 数字化超声系统 | ||||
| 1990s-2000s | 三维成像时代 | 3D/4D超声、谐波成像 | 立体图像 | 产科（胎儿面部）、心脏 |
| 1990s：三维超声重建 | ||||
| 组织谐波成像（THI） | ||||
| 2000s-2010s | 功能成像时代 | 超声造影、弹性成像 | 功能信息 | 肿瘤、肝脏、乳腺 |
| 2000s：微泡造影剂 | ||||
| 剪切波弹性成像 | ||||
| 2010s至今 | 智能化时代 | AI辅助诊断、便携式超声 | 智能优化 | 全科应用、远程医疗 |
| 深度学习图像增强 | ||||
| 掌上超声设备 |
关键技术突破
| 技术类别 | 技术名称 | 时间 | 核心贡献 | 临床价值 |
|---|---|---|---|---|
| 成像技术 | 实时B超 | 1970s | 动态观察 | 实现心脏、胎儿动态成像 |
| 成像技术 | 彩色多普勒 | 1980s | 血流可视化 | 血管疾病诊断、心脏瓣膜评估 |
| 成像技术 | 组织谐波成像（THI） | 1990s | 利用二次谐波 | 提高图像对比度和分辨率 |
| 成像技术 | 3D/4D超声 | 1990s | 立体成像 | 胎儿畸形诊断、心脏结构评估 |
| 造影技术 | 超声造影（CEUS） | 2000s | 微泡造影剂 | 肿瘤血供评估、肝脏病变鉴别 |
| 功能成像 | 弹性成像 | 2000s | 组织硬度测量 | 肝纤维化评估、乳腺肿块鉴别 |
| 探头技术 | 相控阵探头 | 1980s | 电子扫描 | 心脏成像、经颅多普勒 |
| AI辅助 | 深度学习增强 | 2010s | 自动测量、病变检测 | 提高诊断效率和准确率 |
🎯 超声弹性成像：触摸组织的"硬度"
传统上，医生通过触诊来评估组织的硬度（如肿块是硬还是软）。超声弹性成像将这种触诊"数字化"：
- 应变弹性成像：手动压迫组织，观察变形程度
- 剪切波弹性成像：发射"推动脉冲"产生剪切波，测量传播速度来定量评估硬度
这项技术在肝纤维化评估中特别有用，可以无创地替代肝穿刺活检。
超声技术的临床意义
| 应用领域 | 典型应用 | 临床价值 | 技术特点 |
|---|---|---|---|
| 产科 | 胎儿监测 | 评估胎儿生长、检测畸形 | 实时、无辐射、可重复 |
| 产前诊断 | 唐氏综合征筛查、结构异常 | 3D/4D成像 | |
| 心脏 | 超声心动图 | 评估心脏结构和功能 | 实时、多普勒血流 |
| 瓣膜疾病 | 诊断瓣膜狭窄或反流 | 彩色多普勒 | |
| 腹部 | 肝胆胰脾 | 结石、肿瘤、炎症诊断 | 无辐射、便捷 |
| 肝纤维化 | 无创评估肝硬化程度 | 弹性成像 | |
| 血管 | 颈动脉 | 动脉粥样硬化、狭窄评估 | 多普勒血流 |
| 深静脉血栓 | DVT诊断 | 实时压迫试验 | |
| 乳腺 | 肿块鉴别 | 良恶性鉴别 | 弹性成像、造影 |
| 介入引导 | 穿刺活检 | 实时引导针道 | 实时成像 |
| 治疗监测 | 消融治疗监测 | 实时、无辐射 |
🔄 第三部分：PET与超声的对比与互补
虽然PET和超声是完全不同的成像技术，但它们在临床实践中形成了有趣的互补关系：
| 特性 | PET | 超声 |
|---|---|---|
| 成像原理 | 正电子湮灭、γ射线探测 | 超声波反射 |
| 信息类型 | 功能成像（代谢、受体分布） | 解剖成像（结构、血流） |
| 时间分辨率 | 低（分钟级） | 极高（实时，毫秒级） |
| 空间分辨率 | 中等（4-6 mm） | 高（0.1-1 mm） |
| 穿透深度 | 全身 | 有限（<20 cm） |
| 辐射 | 有（5-7 mSv） | 无 |
| 造影剂 | 放射性示踪剂 | 微泡造影剂（可选） |
| 成本 | 极高 | 低 |
| 便携性 | 无（大型设备） | 高（可便携） |
| 操作者依赖 | 低 | 高 |
| 典型应用 | 肿瘤分期、疗效评估、神经退行性疾病 | 产科、心脏、腹部、血管、介入引导 |
| 优势 | 全身成像、早期代谢变化、定量分析 | 实时、无辐射、便携、经济、可重复 |
| 局限性 | 辐射、成本高、时间分辨率低、需要回旋加速器 | 操作者依赖、穿透深度有限、骨骼和气体干扰 |
💡 互补的力量
PET和超声在临床实践中常常互补使用：
- 肿瘤诊断：PET发现全身转移灶，超声引导穿刺活检
- 疗效评估：PET评估代谢反应，超声监测肿瘤大小变化
- 心脏疾病：PET评估心肌活力，超声评估心脏结构和功能
- 产科：超声是产前检查的首选（无辐射），PET用于孕妇肿瘤诊断时需谨慎评估
两种技术各有所长，合理选择和组合使用，可以为患者提供最佳的诊断方案。
💡 关键要点总结
PET的历史意义：从1932年正电子的发现，到1973年首台PET扫描仪，再到1976年FDG的合成，PET开创了功能成像的新纪元，使我们能够"看到"组织的代谢活动。
PET成像原理：利用正电子湮灭产生的511 keV光子对，通过符合探测技术重建示踪剂的三维分布。FDG-PET利用癌细胞的高代谢特性，成为肿瘤诊断的利器。
PET技术演进：从早期的单环探测器到现代的PET-CT、PET-MRI融合成像，从数小时的扫描到10分钟的全身成像，PET技术不断进步。全身PET（LAFOV）代表了最新的发展方向。
超声的历史意义：从1942年Dussik的早期尝试，到1958年Ian Donald在产科的成功应用，超声成为最广泛使用的医学影像技术之一，彻底改变了产科学。
超声成像原理：利用超声波在不同组织界面的反射，通过压电效应实现发射和接收。多普勒效应使血流可视化。超声是唯一的实时、无辐射成像技术。
超声技术演进：从A型超声到实时B超，从灰阶成像到彩色多普勒，从二维到三维/四维，从单纯解剖成像到功能成像（弹性成像、造影），超声技术持续创新。
PET与超声的互补：PET提供全身功能信息，适合肿瘤分期和疗效评估；超声提供实时解剖信息，适合动态观察和介入引导。两者结合使用，可以提供更全面的诊断信息。
安全性考虑：PET使用放射性示踪剂，有一定辐射剂量（5-7 mSv），但在可接受范围内；超声完全无辐射，是孕妇和儿童的首选成像方式。
💡 下一步学习
现在你已经了解了四种主要的医学影像模态（CT、MRI、X射线、PET）和一种特殊的成像技术（超声）。在第3章中，我们将深入探讨这些影像的重建算法和图像增强技术。在第2章中，我们将学习医学影像的数据格式标准（如DICOM）和常用的开源工具。