PET (Positron Emission Tomography)，中文為正電子發射斷層掃描，是醫療診斷和科學研究常用的無創成像技術。憑借放射性示蹤劑的點點光亮，PET魔術般地深入到了生命體的代謝層面。

本文将從放射性同位素開始，一步步揭開PET額頭上神秘的面紗。

PET全身掃描

在元素周期表裡，元素按照質子數從小到大排列。質子和中子在強相互作用力的禁锢下，組成了原子核。

原子核中，質子數決定了元素的性質，隻要質子不變，元素還是原來的元素。中子數“随意”增減，都不會改變元素。擁有不同中子數、相同質子數的同一種元素，互稱同位素。

比如碳（C），已知共有15個同位素。這些同位素的質子數都為6，但中子數從2變化到16。

碳的三種同位素，它們具有相同的質子數

雖然碳有這麼多同位素，但不是每一個都穩定。其中穩定的隻有碳12和碳13，分别有6個和7個中子。兩者具有大緻相當的質子數和中子數，這是它們穩定的原因。

碳的其他同位素因為擁有相對較多的質子或中子，強相互作用力無法穩定地将他們全部都固定在原子核裡，它們便處于不穩定狀态。不穩定就會暴亂，暴亂的方式就是放射性衰變，因此這些不穩定的同位素也稱為放射性同位素。

通過放射性衰變，不穩定的碳原子核最終變成質子數和中子數大緻相當的穩定狀态。

太多質子或中子會導緻放射性同位素不穩定

常見的放射性衰變有三種： α，β，γ衰變，其中β又分為β-和β 衰變。

一，α衰變

如果原子核裡的中子和質子數量過多，體積過大，質子之間相互排斥的電磁力使得短程的強相互作用力無法再将所有的核子綁定在一起，這時就會發生α衰變。原子核會抛棄一個α粒子以達到平衡的狀态。α粒子由2個中子和2個質子組成，也就是He原子。

由于原子核失去了兩個質子，一個新的元素因此産生。新元素的原子序數減少了2。

擁有92個質子的鈾238，經曆α衰變後釋放失去2個質子和2個中子，變成隻有90個質子的钍（Th）

二，β-衰變

當原子核中子過多時，會發生β-衰變。β-衰變使一個中子衰變成一個質子和一個電子（以及一個反中微子），總電量守恒。質子保留在原子核内，而電子被釋放。這一過程中原子核減少了一個中子，增加了一個質子，從而使放射性元素序列增加1。

C14中子數較多，它會發生β-衰變，增加一個質子，釋放一個電子，變成更穩定的氮14

三，β 衰變

當同位素質子過多時，會發生β 衰變。β 衰變使一個質子變成一個中子和一個正電子(以及一個中微子），同樣總電量守恒。β 衰變過程中原子核質子減少1，同樣生成一個新元素。

碳11衰變變身成硼11，并釋放出一個正電子

比如，PET常用的C-11同位素，其原子核有6個質子和5個中子，質子數相對較多，不穩定。它會發生β 衰變，變成硼元素，同時釋放一個正電子。

PET成像正是利用了β 衰變。

四，γ衰變

經過α或β衰變的原子核通常還不太穩定，它會釋放多餘的能量來達到最終的穩定狀态。多餘的能量會以高能電磁波γ射線的形式釋放出去，該過程稱為γ衰變。

γ衰變并不改變原子核的質子數、中子數以及原子序列。

β 衰變會釋放正電子，正電子在經曆非常短暫的飛行後，會與人體組織中帶負電的自由電子相遇，碰撞湮滅，同時釋放出兩個飛行方向相反的光子，即高能γ射線。

正負電子碰撞湮滅産生反向飛行的γ射線

γ射線是一種電磁波，波長小于0.01埃，穿透力極強，對人體和環境都有傷害。因此，必須用高密度物質來阻擋， 同時檢測。

用來阻擋和檢測γ射線的物質叫閃爍晶體。PET的閃爍晶體為無機閃爍體，擁有極高的密度和原子數，常用的有BGO（鍺酸铋），LSO（cerium-doped lutetium oxyorthosilicate）等。

閃爍晶體和光電檢測管

我們知道，屬于單個原子的核外電子可以在不同能級之間躍遷。而對于無機閃爍體，電子可以在相鄰原子之間轉移，電子不再屬于某一個固定的原子，而是歸整個晶體共有，單個電子的能級也就演變成了晶體的電子能帶。晶體能帶的低能級為價帶，高能級為導帶。

當γ射線入射進晶體後，被晶體的價帶電子吸收。價帶電子便躍遷至高能級的導帶，之後又釋放光子返回低能态。釋放的光子可被跟閃爍晶體相連的光電倍增管檢測到。

PET檢測信号原理

當大腦内某處的示蹤劑釋放的γ射線被檢測到後，PET是如何判斷具體位置呢？

正負電子湮滅産生的γ射線很容易穿透人體組織。随後，它們在到環繞在人體外周的環狀閃爍晶體陣列中現形。

由于湮滅産生的兩束γ射線誕生時間相同、方向相反，所以它們幾乎同時到達各自閃爍晶體，時間差必定非常之小。另外，讓它們現形的晶體也必定在一條直線上。

據此，PET限定了一個時間窗口，如果兩束γ射線時間大于該時間窗口（通常為6~10納秒），則被認為是偶然事件，會被抛棄。通常經過這樣嚴格的篩選，檢測到的99%的光子會被排除掉！

而對于那些符合篩選條件的光子對，通過兩者到達閃爍晶體的時間差，很容易定位到正負電子碰撞的起始位置。

有了海量的正負電子湮滅位置，科學家便可以模拟出放射性同位素在體内的分布，實現成像。

有效的γ射線實現定位

PET成像并不是直接将放射性同位素原子注射入人體，而是将之融入到一個參與人體代謝的有機大分子中。有機分子的選取多種多樣，我們以常用的示蹤劑氟代脫氧葡萄糖（FDG）為例來說明。

氟代脫氧葡萄糖中氟18，是一種不穩定的放射性同位素，會發生β 衰變，可以被PET儀器檢測到。

氟18的β 衰變釋放正電子

氟代脫氧葡萄糖是一種葡萄糖類似物，在體内會被大腦、腎髒、癌細胞等對葡萄糖利用率較高的組織大量吸收。又由于氟元素的“阻撓”，氟代脫氧葡萄糖無法在體内代謝、降解，因此氟代脫氧葡萄糖可以很好讓目标細胞和組織顯影。

氟半衰期為110分鐘，衰變以後生成氧，氧俘獲周圍組織中的氫離子後氟代脫氧葡萄糖就變成了葡萄糖，繼續被人體利用。

氟代脫氧葡萄糖的合成最關鍵的步驟是放射性同位素F18的生成。F18蛻變自O18，O18是氧的重同位素，它有8個質子和10個中子。重氧水中的氧便是氧18。

用高速質子束轟擊重氧水，這會使重氧水中氧18的一個中子變成質子，搖身一變成了擁有9個質子9個中子的放射性同位素氟18。重氧水也随之變成氟化氫，氟化氫則進一步用于氟代脫氧葡萄糖的化學合成。

重氧水在高速質子束的轟擊下變成氟化氫

氟代脫氧葡萄糖注射約一小時後，便在人體組織内分布開來，接着就可以開始PET掃描了。

在FDG示蹤劑的顯影下，PET掃描到腦腫瘤（深紅色部分）

PET成像利用放射性同位素的β 衰變，可以進行無創的成像。雖然病人需要體内注射含有放射性同位素的示蹤劑，但其放射總量很少，對人體影響也極其有限。

另外，PET成像隻顯影放射性同位素的位置和濃度，并不能對人體組織結構成像，因此PET通常會跟人體結構成像技術CT和MRI一起使用。如此一來，放射性同位素聚集的人體組織便一目了然了。

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