人工放射性核素衰变时发射出的正电子, 这
种正电子常称为+ 粒子, 而能放出+ 粒子的核衰
变就称为+ 衰变
正电子在真空中的寿命很长, 但在物质中它会
很快损失能量, 当它的速度接近或等于零时, 便与邻
近的自由负电子结合并湮没, 同时放出能量各为
511KeV、飞行方向相反的两个光子。这种光子
称为电子对的湮没辐射光子。正电子在人体组织中
的行程与其能量大小及组织性质有关, 一般最大为
2mm, 因此, 可用正负电子对的湮没辐射事件来定位
产生衰变的正电子放射性核素。
北京正负电子对撞机_百度百科
「陰、陽與正、負」科技與社會（STS） 的省思
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電極- A+醫學百科
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正电子医学成像 - 中国物理C
正 电 子 医 学 成 像
陈百万 赵仁宏 李淑玮
( 潍坊医学院物理系 山东 261042)
自从1932 年发现正电子以来, 已经有70 个年
头了。从上世纪50 年代初开始研究正电子医学成
像以来, 经过半个世纪的历程, 目前正电子医学成像
技术已发展成为现代医学影像技术的独具特色的重
要组成部分, 在医学临床诊断和对生命科学的研究
方面发挥着重要作用。
一、正电子与正电子放射性核素
英国理论物理学家狄拉克于1928 年从理论上
预言了自然界中应当存在着反电子。这种反电子具
有与普通电子( 负电子) 一样的静止质量和相等数量
的电荷。所不同的是它所带的是正电荷, 因此把这
种反电子称为正电子。狄拉克还进一步预言, 正负
电子( 吸收能量大于1. 02MeV 的光子时) 可同时成
对产生, 正负电子对紧密结合后可同时湮没( 并放出
总能量大于或等于1. 02MeV 的光子) 。
狄拉克的预言很快被实验证实了。1932 年, 美
国物理学家卡尔安德逊首先利用云室在宇宙射线
中发现了正电子。他因此而与他人分享了1936 年
的诺贝尔物理学奖。以后的实验发现, 正电子不仅
存在于宇宙射线中, 在某些人工放射性核素的衰变
中也能产生正电子。另外, 利用能量高于1. 02MeV
的射线辐射铅板、金属箔等, 观察到了正负电子对
的出现, 称为电子对效应。在某些实验中也观测到
了一些人工放射性核素衰变时发射出的正电子, 这
种正电子常称为+ 粒子, 而能放出+ 粒子的核衰
变就称为+ 衰变。
在核医学成像中所用的正电子就是+ 衰变放
出的正电子。能产生+ 衰变的核素称+ 衰变核素
或正电子放射性核素, 它可由加速器或正电子放射
性核素发生器产生。正电子成像所用的正电子放射
性核素多由回旋加速器产生。表1 为正电子成像常
用的正电子放射性核素及其半衰期以及生产它所用
的核反应。
正电子在真空中的寿命很长, 但在物质中它会
很快损失能量, 当它的速度接近或等于零时, 便与邻
近的自由负电子结合并湮没, 同时放出能量各为
511KeV、飞行方向相反的两个光子。这种光子
称为电子对的湮没辐射光子。正电子在人体组织中
的行程与其能量大小及组织性质有关, 一般最大为
2mm, 因此, 可用正负电子对的湮没辐射事件来定位
产生衰变的正电子放射性核素。
表1 医学显像用正电子放射性核素
核素半衰期(min) 核反应
11C 20. 3 14N( p, ) 11C
13N 10. 0 16O( p, ) 13N
15O 2. 05 14N( d, n) 15O
15N( p, n) 15O
18F 110 18 O( p, n) 18F
20Ne( d, ) 18 F
注: 反应式中括弧前为靶核, 括弧后为生成核; 括弧中逗号前后
分别为入射粒子和出射粒子。
二、正电子医学成像及其发展简史
正电子医学成像技术是现代医学成像技术的重
要组成部分, 近几年来由于其固有的特点及潜在的
价值极受人们青睐。正电子医学影像的物理实质是
引入体内的正电子放射性核素在受检部位的浓度
( 或放射性活度) 的分布图像。它是通过在体外探测
正电子核素放出的正电子与组织内的负电子的湮没
辐射光子而成像的, 因此, 正电子医学成像实际上是
正电子与负电子产生的511KeV 湮没辐射光子的
成像。正电子放射性核素可构成人体各部位的任何
影像, 包括平面影像、动态影像、断层影像、3 维影像
及全身影像。目前多采用断层成像法。实现断层成
像的方法有单光子断层法和符合探测法两种。后者
能进行电子准直, 是常用的一种方法。成像仪的机
械结构主要包括探头、断层床、计算机和一些附属设
备。探头和计算机是正电子成像仪的核心。
正电子成像已经历了半个世纪的发展。它已从
20 世纪50 年代初期的正电子脑肿瘤定位显像发展
到现在的多环多层面全身断层显像。在机型的变化
方面, 正电子成像经历了3 个阶段, 即正电子扫描
机、正电子照相机和正电子发射型计算机断层仪
( PET) 。在影像类型的发展上, 最初为正电子平面
14卷2 期(总80 期) 33 影像, X 线CT 问世后发展为断层影像, 近几年又发
展为全身断层影像和3 维重建图像。
从上世纪50 年代初到60 年代末的20 年为正
电子成像的初期阶段。1950 年初出现了正电子放
射性核素脑肿瘤定位显像; 1960 年初美国的安格等
人研制出了正电子照相机。这一时期主要是正电子
平面显像, 尽管也有正电子发射断层的尝试, 但由于
当时没有好的数据处理系统及未采用滤波反投影
法, 最终未获成功。这一时期的特点是发展缓慢, 机
型单一, 用途有限。
70 年代初到80 年代初, 正电子成像有了较快
的发展。受X 线计算机断层( CT) 技术的影响, 1975
年正电子发射型计算机断层仪研制成功。初期阶段
的PET 为单环NaI( Tl) 多晶体PET; 1980 年初出现了
第一台锗酸铋( BGO) 晶体的PET, 开始为单环, 以后
发展为双环。这一时期PET 发展的主要特点是技
术发展快, 机型多, 探头材料由NaI 晶体发展为BGO
晶体, 空间分辨力和灵敏度均有了很大提高。缺点
是仍主要停留在实验室研究阶段, 探头环数不多, 临
床应用较少。
80 年代中期以后, PET 的发展有了突破性的进
展, 并开始广泛用于临床。这一时期的主要特点是
探头由分离的BGO 晶体向模块式晶体转化。模块
式探头大大提高了PET 的空间分辨力和灵敏度, 机
械稳定性和可靠性也大有改善。这一时期开发出了
多环、多层面及3 维PET。这些都为PET 广泛用于
临床打下了基础。
当代的正电子成像是以PET 为典型代表的, 它
也是现代其他正电子成像的基础。这里仅介绍下面
3 种类型的正电子断层仪。
三、正电子发射型计算机断层仪
正电子发射型计算机断层( PECT) 简称正电子
发射断层( PET) 或正电子CT。临床上一般称为
PET。
PET 是20 世纪90 年代以来得到迅速发展和应
用的新一代医学显像技术。由于它能灵敏和正确地
测定活体内分子水平的生理生化指标, 已发展成为
当代医疗和生命科学研究的重要影像设备。
1. PET 原理
PET 用共线对置的探测器采用快速符合技术来
探测正负电子湮没事件释放出的两个方向相反的光子, 由计算机将收集到的数据进行处理, 以重建断
层图像, 再现受检部位某断层面的正电子放射性核
素的放射性分布。目前应用最广泛的图像重建方法
是滤波反投影法。
2. PET 设备的组成
一台完整的PET 设备一般都由数据采集系统、
电子计算机系统、图像显示系统及其他附属部分组
成。
数据采集系统包括探头和断层床等。探头部分
是机器的核心, 是决定机器性能的主要部分。其主
要功能是将集中于人体受检部位的正电子放射性核
素发射的正电子而产生的湮没辐射光子置换成空间
位置信号和能量信号, 供后面的计算机系统进行处
理, 并重建断层图像。探头部分主要由闪烁晶体、光
电转换与放大器件( 目前主要用光电倍增管) 和前端
电子学线路等组成。目前较先进的机器设备大多采
用槽式模块结构的BGO 晶体, 构成多环( 可多达32
环) 多层面PET。利用氟化铯( CsF) 晶体荧光衰减时
间短( 0. 005!s) 的特点, 可进行飞行时间测量, 对正
负电子湮没事件准确定位, 以提高空间分辨力和信
噪比。另外, 英国有的实验室正在进行用多丝正比
室作为PET 探测器件的实验和研究工作。
用于PET 的电子计算机一般为具有大容量存
储器的快速计算机。其外部设备有磁盘、磁带和宽
行打印机等。
显示系统可即时观察和记录图像, 另外还带有
一些能进行图像分析的设备。
3. PET 的优点
PET 是正电子成像中最先进、最完善、最高级的
成像设备, 也是当前最重要的大型医学影像设备之
一。
PET 显像的物理特点是灵敏度高( 比磁共振成
像即MRI 高100 多倍) 、分辨力好( 横向分辨力和深
部分辨力都较高) 、图像清晰、且能进行定量分析, 其
适用面广, 可做身体各部位的检查, 并可以获得全身
各方位的断层像。
PET 显像的最大优势在于它是一种代谢功能显
像, 而且是在分子水平上反映人体生理生化指标的
显像。PET 所常用的正电子放射性核素11
C、13
N 和
15O都是人体组织的基本元素, 可标记生理性物质
( 如糖类、氨基酸和脂肪等) ; 而18
F 可替代H、- OH
或其他卤素等标记药物。这些核素都适合生理示踪
要求, 特别适宜作人体生理功能方面的检查和研究。
因此, PET 被誉为生理生化断层术或活体生化显像,
所以, PET 特别有利于疾病的早期诊断( 病变组织的
34 现代物理知识
功能改变早于形态学的改变) 和生命科学的研究。
正电子成像的这一特点是其他任何类型的医学成像
都无法比拟的。
PET 显像的安全性也是它的一大优点。一次全
身PET 检查的照射剂量远小于一个部位的常规XCT
检查。
4. PET 的应用
PET 在经历了漫长的研究应用后, 90 年代开始
进入临床应用, 特别是18F 标记的氟代脱氧葡萄糖
( 18FDG) 的获准临床应用, 大大促进了PET 的临床应
用。在近几年来的PET 检查中, 18FDG 显像占绝大
部分。其主要是在肿瘤学、心脏病学和精神神经学
三大方面的应用。其中以肿瘤学方面应用最多。
PET 可早期发现肿瘤的原发、转移和复发病灶; 鉴别
肿瘤和瘢痕坏死组织; 在肿瘤分期、恶性程度分级和
疗效观察方面有显著优势; 对肺癌、乳腺癌、头颈部
癌、结肠癌、卵巢癌、淋巴瘤和黑色素瘤等的诊断率
在90% 以上。PET 显像是了解冠心病心肌缺血状
况、评价心梗后心肌存活情况的 金标准!。PET 脑
显像可解决癫痫病灶定位、脑血管病脑组织血流储
备和代谢测定、脑部肿瘤恶性程度分级、帕金森氏病
和早老性痴呆的早期诊断和鉴别等其他影像检查所
不能解决的问题。
目前PET 脑显像是研究脑科学的主要手段, 它
可揭示人脑的奥秘, 可观察和研究人在完成不同功
能活动( 如听、看、说话等) 时大脑活跃部位的差异;
在研究大脑神经传递的细微分子变化时, 用PET 可
检测出10- 12mol 浓
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