1.1.5 PET/SPECT：功能代谢
"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，让我们进入发射断层成像的世界：PET 与 SPECT。它们不只回答“长什么样”，更试图回答“在做什么”——代谢、灌注、受体分布、炎症活性等。
🔬 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：SPECT（单光子发射计算机断层成像）
如果说 PET 像是在捕捉“成对的湮灭光子”，那么 SPECT 则更像是在“收集单个γ光子的方向性信息”。它同样属于发射断层成像，但物理与系统实现有显著差异。
SPECT 的核心原理：单光子 + 准直器
SPECT 常用核素发射的是单个γ光子（例如 140 keV 的 Tc-99m）。难点在于：探测器接收到一个光子时，你并不知道它从哪里来。
为了解决“方向未知”的问题，SPECT 依赖关键部件：准直器（collimator）。
- 准直器由大量细小孔道组成，只允许满足几何方向的光子进入探测器
- 代价是：绝大多数光子会被吸收掉 → 灵敏度较低、采集时间较长
💡 为什么 SPECT 空间分辨率往往不如 PET？
PET 的符合探测天然给出一条 LOR（响应线），而 SPECT 需要靠准直器“筛方向”。准直器孔径越小，方向越准、分辨率越好，但灵敏度越低；孔径越大，灵敏度提高但分辨率变差——这是一个典型的系统折中。
SPECT 系统长什么样？
经典 SPECT 系统是γ相机（gamma camera） + 旋转采集：
- γ相机通常由闪烁晶体（如 NaI(Tl)）、光电倍增管等组成
- 相机绕患者旋转，采集多角度投影（类似 CT 的“从不同角度拍照”）
- 之后通过重建算法获得 3D 放射性分布
随着多模态发展，临床常见 SPECT/CT：
- CT 用于解剖定位
- CT 也可用于 SPECT 的衰减校正（尤其对深部结构的定量更关键）
常用 SPECT 核素与示踪剂（示例）
| 核素/示踪剂（例） | 典型能量 | 半衰期（约） | 常见用途 |
|---|---|---|---|
| Tc-99m（MDP、MIBI 等） | 140 keV | 6 h | 骨显像、心肌灌注、甲状腺/肾功能等 |
| I-123 | 159 keV | 13 h | 甲状腺、神经递质相关检查 |
| Tl-201 | 70–80 keV（X射线） | 73 h | 心肌灌注（历史上常见） |
| In-111 | 171/245 keV | 67 h | 炎症/标记白细胞等 |
⚠️ 影像定量的“难点”
SPECT 的定量通常更“难”一些：能量更低、散射更明显，且准直器/系统响应更复杂，因此衰减校正、散射校正、系统响应建模对定量影响更大。
SPECT 的重建：从 FBP 到 OSEM
与 CT/PET 类似，SPECT 也经历了从解析到迭代的路径：
- FBP（滤波反投影）：实现简单，但对噪声敏感，伪影较明显
- OSEM（有序子集期望最大化）：更符合计数统计（泊松噪声），也更容易融合衰减/散射/系统响应模型，临床更常用
SPECT 的临床价值（为什么仍然重要）
虽然 PET 发展迅速，但 SPECT 仍然非常重要，原因很现实：
- 可及性更高：不依赖回旋加速器（很多 SPECT 核素来源于发生器或供应链更成熟）
- 成本更低：设备与检查成本通常更友好
- 特定检查生态成熟：例如骨显像、部分心肌灌注方案等
🔍 PET vs SPECT：一张表说清楚
| 特性 | PET | SPECT |
|---|---|---|
| 探测对象 | 湮灭产生的成对 511 keV 光子 | 单个 γ 光子（能量随核素而异） |
| 方向信息来源 | 符合探测给出 LOR | 准直器提供方向选择 |
| 灵敏度 | 通常更高 | 通常更低（准直器损失大量光子） |
| 空间分辨率 | 通常更好（系统不同而不同） | 通常略差（与准直器强相关） |
| 定量能力 | 相对更成熟 | 也可定量，但对校正/建模更敏感 |
| 临床组合 | PET/CT、PET/MRI | SPECT/CT |
💡 关键要点总结
- PET 的本质：利用正电子湮灭产生的 511 keV 光子对，通过符合探测得到 LOR，再重建示踪剂分布。
- PET 的优势：灵敏度高、定量能力强，融合成像（PET/CT、PET/MRI）极大提升定位与临床价值。
- SPECT 的本质：单光子成像，通过准直器获得方向信息；系统响应与校正更复杂，但可及性与成本优势明显。
- 两者共性：都是“看功能”的发射断层成像；区别主要来自“光子如何被探测与定位”的物理机制。