近二十多年来，随着医学技术的发展，通过分子影像和解剖影像的融合来诊断疾病被越来越多的人熟知和认可。其中PET/CT(正电子发射计算机断层扫描设备)是分子影像诊断中的利器, 临床主要应用于肿瘤、脑和心脏等领域重大疾病的早期发现、分期和分级，对治疗计划的制定有着重要指导作用。那么PET/CT从诞生、发展到现在，都经历了哪些重要时刻呢?今天我们将从历史发展的角度介绍PET-CT的诞生和演变。
正电子的发现与医学应用
这段历史可以追溯到上世纪三十年代，1932年，美国物理学家Anderson通过对宇宙射线的研究，发现并观测到了第一个正电子，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，包括从探测器材料、临床应用、孔径、探测器设计等方面，经历了正电子平面扫描、闪烁晶体探测器、快速晶体扫描、正电子三维扫描和连续进床等几个重要阶段。1953年，美国麻省总院的斯威特(W.H.Sweet)和布朗内尔(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，于头部两侧放置一对NaI检测器进行符合探测，得出了正电子分布图(见G. L. Brownell and W. H. Sweet, “Localization of brain tumors with positron emitters,” Nucleonics, 11 (11), 40 –45 (1953))。
图1 正电子成像仪，左Dr. Brownwell，右Dr. Aronow
1960年代后半期，来自华盛顿大学的Terpogossian、Phelps和来自加利福尼亚大学的Edward Hoffman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机，可惜当时的检测结果不甚理想。1966年，伽马相机的发明人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，从而设计出了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年代，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，利用数学计算法则重现断层影像。华盛顿大学的Dr. Terpogossian 教授和Dr. Phelps受到了第一台CT机的启发，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成功面市。
图2 第一台商品化PET
发展机遇和PET/CT的成型
在这个阶段，正电子探测设备的发展迎来了新的挑战，如何更高效率地探测正电子，如何最小化NaI晶体物理化学特性带来的弊端。一种闪烁晶体BGO(锗酸铋)出现在科学家们的视野，当一定能量的γ射线或带电粒子进入BGO晶体时，它能发出蓝绿色的荧光，记录荧光的强度和位置，就能计算出入射电子、γ射线等的能量和位置，这就是BGO的“眼睛”作用。同时在晶体背后采用相应波长的光电倍增管接收并转换成电信号，形成对正电子图像的采集。1986年，Dr.Casey和Nutt在Knoxville制造出了一台8环BGO晶体的PET，该设备总共有2048块BGO晶体，每个晶体单元为6x12x30cm，孔径为50.5cm，并将研究成果在IEEE(电气与电子工程师协会期刊)上刊登。此时的PET空间分辨率虽只有7~8mm，但相比之前已有大幅提升。且BGO晶体相比NaI不易潮解，提高了设备的稳定性。
图3 BGO晶体的PET及美国电气与电子工程师协会期刊文章
1990年代，随着核医学的发展，临床对核医学图像的要求日趋提高，3D显像成为新的热点，BGO晶体因其余晖时间较长，不利于3D采集，仅在2D为主的PET设备上广泛使用。且光输出率低导致采集时间长，全身扫描需30~40分钟。西门子公司率先研发了一种以镥元素为基础的LSO(硅酸镥)晶体的探测器材料，LSO仅有约40ns的余晖时间，高光输出率使其成为适合3D采集的快速晶体。同时大幅提高了采集速度和效率，将全身扫描的时间缩短至10~15分钟。分辨率提升至4~5mm，PET图像质量也得到大幅提升。PET因其原理，显示的是功能影像，其解剖定位精度比不上CT，无法满足临床在诊断和治疗定位上的需求，于是D.W. Townsend首次提出将PET和CT结合，获得功能与解剖的融合图像。1995年，D.W. Townsend的团队在美国匹斯堡大学开始了研究之旅，历时3年，300多例临床试验，海量数据和图像，终于在1998年将第一台60cm孔径的PET/CT原型机安装在匹斯堡大学医学中心。
图4 第一台PET/CT原型机
第二年，D.W. Townsend在第46届核医学年会上向世人展示了PET和CT的融合图像，该成果让从业者们大为振奋，并被评为“年度风云影像”。至此，可以发现PET/CT的发展中存在着一些规律，首先是晶体材料的变化，从易潮解的NaI晶体到性质更稳定的BGO，再到快速晶体LSO，实现了更高的光输出率、更好的时间分辨率和更稳定的性能。其次是晶体切割越来越精细，这直接影响了空间分辨率的优劣。同时孔径越来越大，从最初的只能进行脑部扫描发展到可以进行全身扫描，同时也能拓展PET/CT的应用。例如在与放疗结合中，PET/CT若孔径较小，一些辅助设施例如手臂固定支架无法穿过孔径，会对放疗定位工作造成不必要的困扰，西门子医疗PET/CT具有业务唯一的78cm孔径，对开展PET/CT引导下的放疗定位有着重要意义。另外，扫描和重建方式也从二维至三维。那么在未来，PET/CT又会往哪个方向发展呢?
新技术为PET/CT发展带来活力
PET/CT静态成像到动态成像的发展，一直是核医学的重要研究方向。动态PET成像可以提供连续时间点上的示踪剂分布图像，揭示示踪剂活度随时间的变化规律，无论对于临床还是科研，都有着重要意义。但由于设备及技术的限制，即使到了今天，4D动态PET基本上还是局限在局部或者单器官。西门子勇于打破传统，推出了全球也是目前市场上唯一可实现“0”床位连续扫描的FlowMotion 技术，打破了床位对PET检查的限制，完成了PET全身成像从3D到4D的跨越。区别于传统床位步进式采集， FlowMotion第一次让PET 和CT一样，可以自由自在，任意设置轴向视野，既可实现极小轴向范围内的聚焦扫描，也可实现任意器官到全身的全覆盖扫描。同时可以解决传统采集模式下的端面噪声问题，更加清晰地显示病灶。该技术使得PET能够像CT一样“螺旋”扫描。
医学影像设备的发展一直以来都在追求更精细的图像质量，更低的辐射和更快的扫描速度，PET/CT设备也不例外，无论是从探测器材料、新技术应用、软硬件的进步都在推动分子影像的发展。自问世以来，PET/CT已充分体现其临床价值，各类新的核素示踪剂也把分子影像的发展带入到了一个新的高度，随着应用领域的不断扩大和技术探索的积极创新，PET/CT必将对人类的健康管理发挥重要作用!
