近二十多年來，隨著醫學技術的發展，通過分子影像和解剖影像的融合來診斷疾病被越來越多的人熟知和認可。其中PET/CT(正電子發射計算機斷層掃描設備)是分子影像診斷中的利器, 臨床主要應用于腫瘤、腦和心臟等領域重大疾病的早期發現、分期和分級，對治療計劃的制定有著重要指導作用。那么PET/CT從誕生、發展到現在，都經歷了哪些重要時刻呢?今天我們將從歷史發展的角度介紹PET-CT的誕生和演變。
正電子的發現與醫學應用
這段歷史可以追溯到上世紀三十年代，1932年，美國物理學家Anderson通過對宇宙射線的研究，發現并觀測到了第一個正電子，并因此獲得1936年諾貝爾物理學獎。這為之后正電子在醫學影像中的應用奠定了基礎。同時，對正電子掃描設備的研究也沒有停歇，包括從探測器材料、臨床應用、孔徑、探測器設計等方面，經歷了正電子平面掃描、閃爍晶體探測器、快速晶體掃描、正電子三維掃描和連續進床等幾個重要階段。1953年，美國麻省總院的斯威特(W.H.Sweet)和布朗內爾(G.L.Brownell)發表了一篇關于應用符合探測來定位腦腫瘤的文章，于頭部兩側放置一對NaI檢測器進行符合探測，得出了正電子分布圖(見G. L. Brownell and W. H. Sweet, “Localization of brain tumors with positron emitters,” Nucleonics, 11 (11), 40 –45 (1953))。
圖1 正電子成像儀，左Dr. Brownwell，右Dr. Aronow
1960年代后半期，來自華盛頓大學的Terpogossian、Phelps和來自加利福尼亞大學的Edward Hoffman等設計出一種帶鉛準直器的探測器，此為初期的正電子平面掃描機，可惜當時的檢測結果不甚理想。1966年，伽馬相機的發明人Anger用兩個閃爍相機在不使用傳統準直器的情況下探測正電子湮滅的輻射光子，從而設計出了正電子照相機的技術模型，同時也創立了符合探測方法。但此時，正電子探測成像仍然停留在醫學應用的初級階段，即二維成像，技術的限制制約了正電子成像的發展。一直到1970年代，醫學影像技術迎來了一個重要的進展 — 計算機斷層技術，該技術可以通過大量的數據，利用數學計算法則重現斷層影像。華盛頓大學的Dr. Terpogossian 教授和Dr. Phelps受到了第一臺CT機的啟發，結合過去十幾年對正電子成像的研究，開始在正電子探測中應用這一重要技術，改進正電子掃描的顯像質量，也顯示了該技術對于影像發展的無限生命力。1976年，第一臺商品化PET成功面市。
圖2 第一臺商品化PET
發展機遇和PET/CT的成型
在這個階段，正電子探測設備的發展迎來了新的挑戰，如何更高效率地探測正電子，如何最小化NaI晶體物理化學特性帶來的弊端。一種閃爍晶體BGO(鍺酸鉍)出現在科學家們的視野，當一定能量的γ射線或帶電粒子進入BGO晶體時，它能發出藍綠色的熒光，記錄熒光的強度和位置，就能計算出入射電子、γ射線等的能量和位置，這就是BGO的“眼睛”作用。同時在晶體背后采用相應波長的光電倍增管接收并轉換成電信號，形成對正電子圖像的采集。1986年，Dr.Casey和Nutt在Knoxville制造出了一臺8環BGO晶體的PET，該設備總共有2048塊BGO晶體，每個晶體單元為6x12x30cm，孔徑為50.5cm，并將研究成果在IEEE(電氣與電子工程師協會期刊)上刊登。此時的PET空間分辨率雖只有7~8mm，但相比之前已有大幅提升。且BGO晶體相比NaI不易潮解，提高了設備的穩定性。
圖3 BGO晶體的PET及美國電氣與電子工程師協會期刊文章
1990年代，隨著核醫學的發展，臨床對核醫學圖像的要求日趨提高，3D顯像成為新的熱點，BGO晶體因其余暉時間較長，不利于3D采集，僅在2D為主的PET設備上廣泛使用。且光輸出率低導致采集時間長，全身掃描需30~40分鐘。西門子公司率先研發了一種以镥元素為基礎的LSO(硅酸镥)晶體的探測器材料，LSO僅有約40ns的余暉時間，高光輸出率使其成為適合3D采集的快速晶體。同時大幅提高了采集速度和效率，將全身掃描的時間縮短至10~15分鐘。分辨率提升至4~5mm，PET圖像質量也得到大幅提升。PET因其原理，顯示的是功能影像，其解剖定位精度比不上CT，無法滿足臨床在診斷和治療定位上的需求，于是D.W. Townsend首次提出將PET和CT結合，獲得功能與解剖的融合圖像。1995年，D.W. Townsend的團隊在美國匹斯堡大學開始了研究之旅，歷時3年，300多例臨床試驗，海量數據和圖像，終于在1998年將第一臺60cm孔徑的PET/CT原型機安裝在匹斯堡大學醫學中心。
圖4 第一臺PET/CT原型機
第二年，D.W. Townsend在第46屆核醫學年會上向世人展示了PET和CT的融合圖像，該成果讓從業者們大為振奮，并被評為“年度風云影像”。至此，可以發現PET/CT的發展中存在著一些規律，首先是晶體材料的變化，從易潮解的NaI晶體到性質更穩定的BGO，再到快速晶體LSO，實現了更高的光輸出率、更好的時間分辨率和更穩定的性能。其次是晶體切割越來越精細，這直接影響了空間分辨率的優劣。同時孔徑越來越大，從最初的只能進行腦部掃描發展到可以進行全身掃描，同時也能拓展PET/CT的應用。例如在與放療結合中，PET/CT若孔徑較小，一些輔助設施例如手臂固定支架無法穿過孔徑，會對放療定位工作造成不必要的困擾，西門子醫療PET/CT具有業務唯一的78cm孔徑，對開展PET/CT引導下的放療定位有著重要意義。另外，掃描和重建方式也從二維至三維。那么在未來，PET/CT又會往哪個方向發展呢?
新技術為PET/CT發展帶來活力
PET/CT靜態成像到動態成像的發展，一直是核醫學的重要研究方向。動態PET成像可以提供連續時間點上的示蹤劑分布圖像，揭示示蹤劑活度隨時間的變化規律，無論對于臨床還是科研，都有著重要意義。但由于設備及技術的限制，即使到了今天，4D動態PET基本上還是局限在局部或者單器官。西門子勇于打破傳統，推出了全球也是目前市場上唯一可實現“0”床位連續掃描的FlowMotion 技術，打破了床位對PET檢查的限制，完成了PET全身成像從3D到4D的跨越。區別于傳統床位步進式采集， FlowMotion第一次讓PET 和CT一樣，可以自由自在，任意設置軸向視野，既可實現極小軸向范圍內的聚焦掃描，也可實現任意器官到全身的全覆蓋掃描。同時可以解決傳統采集模式下的端面噪聲問題，更加清晰地顯示病灶。該技術使得PET能夠像CT一樣“螺旋”掃描。
醫學影像設備的發展一直以來都在追求更精細的圖像質量，更低的輻射和更快的掃描速度，PET/CT設備也不例外，無論是從探測器材料、新技術應用、軟硬件的進步都在推動分子影像的發展。自問世以來，PET/CT已充分體現其臨床價值，各類新的核素示蹤劑也把分子影像的發展帶入到了一個新的高度，隨著應用領域的不斷擴大和技術探索的積極創新，PET/CT必將對人類的健康管理發揮重要作用!
