正电子发射体层成像（positron emission tomography，PET）是目前比较先进的影像诊断方法之一，已成为颅脑疾病诊断的重要方法。PET技术被称为“活体生化成像”，可以从分子水平观察人体组织的生理、病理、生化及代谢等改变，可以早期、灵敏、准确地诊断和指导治疗多种疾病。

PET扫描仪是由探头、扫描床、电子柜、操作工作站、分析工作站及打印设备等组成。其核心部分是探测器，由晶体、光电倍增管或光电转换器、放大和定位电子线路组成。探测器最前端的晶体通过光电偶合连接于光电倍增管的阴极面，光电倍增管连接放大和定位电路。

PET显像原理是把正电子核素标记的药物作为示踪剂引入机体内，这些正电子核素在衰变过程中发射正电子，正电子在组织中运行很短距离（1～3mm），即与周围物质中的自由电子相互作用，发生湮灭辐射，发射出一对方向相反、能量相等（511keV）的γ光子。几乎所有的PET都是用探测技术在相反方向上同时探测两个511keV的γ光子。由于正电子在发生湮灭前的射程很短，所以利用探测γ光子的方法可以对体内发射正电子的放射性核素进行定位。正电子湮灭辐射中产生的两个γ光子几乎同时击中探头中对称位置的两个探测器，每个探测器接受到γ光子后产生一个电脉冲，电脉冲信号输入符合线路进行符合甄别，可以选择和限制进入探头的γ射线，挑选真的符合事件，这种方法称为电子准直，可以避免使用沉重的铅或钨准直器，极大地提高了探测的灵敏度和空间分辨率。PET探测是利用围绕患者呈环形的数百对互成180°方向排列并与符合线路相连的探测器来探测湮灭辐射光子，从而探测到释放出光子的时间、位置、数量和方向，通过计算机系统对上述信息进行采集、存储、运算、数／模转换和影像重建，从而获得颅脑的正电子核素的断层分布图。凡代谢率高的组织或病变，在PET上呈明显的高代谢，而代谢率低的组织或病变在PET上呈低代谢。

PET图像采集包括发射扫描和透射扫描。发射扫描方式有2D采集、3D采集、静态采集、动态采集等。透射扫描的目的是对发射扫描数据进行衰减校正，传统PET采用 ⁶⁸Ge进行衰减校正，获得人体组织衰减系数图。PET图像重建常采用有序子集最大期望值法（ordered subsets expectation maximization，OSEM），属于代数迭代类方法，是建立在两种迭代重建方法基础上的图像重建方法，优点为分辨率较高，重建的图像解剖结构清楚、伪影少，但数据计算量大，需要时间长。PET结构复杂，需要较多的质量控制和校正方法来保证PET扫描仪处于最佳工作状态，从而使获得的数据和图像准确可靠，包括空扫、符合计时校准、光电倍增管增益调节、归一化校准和井型计数器校准。

代谢显像是核医学显像的一项重要内容，在分子核医学领域中，葡萄糖代谢显像是目前最为成熟的分子影像技术，并已广泛应用于临床诊断。葡萄糖代谢显像剂为 ¹⁸氟-脱氧葡萄糖（ ¹⁸F-FDG），其应用前景良好，美国Wagner教授在第43届核医学年会上将 ¹⁸F-FDG命名为“世纪分子”。

人脑代谢非常活跃，葡萄糖几乎是脑组织的唯一能量物质，脑内葡萄糖代谢率的变化能够反映脑功能活动情况。 ¹⁸F-FDG是葡萄糖类似物，具有与葡萄糖相同的细胞转运及己糖激酶磷酸化过程，即进入细胞外液后能够被细胞膜的葡萄糖转运蛋白跨膜转运到细胞内液，然后被己糖激酶磷酸化产生 ¹⁸F-FDG-6-磷酸盐，但是，磷酸化的 ¹⁸F-FDG获得极性后不能自由出入细胞膜，也不能被磷酸果糖激酶所识别而进一步代谢，从而滞留于细胞内。在葡萄糖代谢平衡状态下，磷酸化的 ¹⁸F-FDG滞留量大体上与组织细胞葡萄糖消耗量一致，因而能反映体内葡萄糖的利用和摄取水平，因此，观察和测定 ¹⁸F-FDG在脑内的分布情况，就可以了解疾病状态下葡萄糖代谢的改变，可以应用于癫痫的定位诊断、阿尔茨海默病的诊断和病情评估、脑肿瘤的良恶性鉴别、分期、疗效和预后判断、锥体外系疾病的诊断以及脑生理功能和智能研究等方面。

行PET脑葡萄糖代谢显像要求受检者禁食4小时以上，非糖尿病患者要求血糖在正常水平（6.1mmol/L以下），糖尿病患者血糖应低于11.1mmol/L，视听封闭5min，静脉注射 ¹⁸F-FDG 1.85～3.7MBq（0.05～0.10mCi）/kg后保持安静，45～60min后进行图像采集，扫描范围为1个床位，每个床位采集时间为10min，扫描结束后选择适当的重建参数进行图像重建，获得 ¹⁸F-FDG在脑内分布的横断面、冠状面、矢状面和三维立体影像用于视觉分析和半定量分析。如需定量测定脑局部葡萄糖代谢率，可采用动态采集方式，即一侧肘静脉“弹丸式”注射 ¹⁸F-FDG后立即采集图像，并同时进行对侧肘静脉连续采集动脉化静脉血，1次/15s采集4次，1次/min采集10次，1次/5min采集6次，1次/15min至采集结束。血样经处理和测量放射性获得动脉输入功能参数，可以对 ¹⁸F-FDG利用率进行定量分析。注药后45min再行常规静态显像。

在脑肿瘤代谢显像方面，除葡萄糖代谢显像之外，还有氨基酸代谢显像（ ¹¹C-MET、 ¹⁸F-FET）、核酸代谢显像（ ¹⁸F-FLT）、乏氧代谢显像（ ¹⁸F-FMISO）等。氨基酸代谢显像反映氨基酸的转运、代谢和蛋白质的合成。正常成人大脑内的神经元多为分化终末细胞，没有明显的蛋白质合成代谢，因此正常脑组织呈现低摄取；但是，在脑胶质瘤组织中，肿瘤细胞恶性增殖、生长迅速、蛋白质和RNA的合成加速，表现为高摄取。氨基酸代谢显像在发现脑肿瘤病灶、划定肿瘤浸润范围、术前分级和预后评估、引导脑肿瘤穿刺定位、鉴别肿瘤复发与放射性坏死、检测肿瘤对治疗的反应等方面具有重要价值。研究表明，将其与葡萄糖代谢显像联合应用可以提高脑肿瘤的诊断和分级准确性。核酸代谢显像剂能够参与核酸的合成，反映细胞分裂繁殖速度。乏氧代谢显像剂具有较高的乏氧特异性，在乏氧细胞中的结合率明显高于正常含氧细胞。三种显像的显像方法与葡萄糖代谢显像相同。

神经受体显像是神经核医学的研究前沿，能够观察到CT和MRI等其他影像学方法无法发现的脑内微量受体的存在及其变化，因此具有独特优势。脑受体显像就是利用正电子核素标记特定的配体，鉴于受体与配体的特异性结合特性，利用PET进行脑断层显像，对人脑特定解剖部位受体结合位点进行精确定位和获取受体功能代谢影像，还能够借助生理数学模型，获得定量或半定量指标，如配体与受体特异性结合浓度及其相关代谢参数、脑内受体的分布、密度（数目）和亲和力（功能）参数等，从而对与受体相关的疾病做出诊断，并指导治疗、评价疗效和判断预后。

受体显像剂主要包括多巴胺受体及多巴胺转运蛋白、乙酰胆碱受体、苯二氮 受体、5-羟色胺受体和阿片受体（表1-4-1）。多巴胺受体系统是脑功能活动最重要的系统之一，还可能是运动障碍性疾病及精神疾病治疗药物的主要作用靶点。根据受体亚型分为D ₁和D ₂受体，D ₂受体显像研究更为广泛，常用的显像剂有 ¹⁸F-Fallypride（AV-133）等，受试者静脉注射250MBq ¹⁸F-AV-133后120min采集PET图像，采集时间10min，获得横断面、冠状面、矢状面和三维重建的立体影像，可以用于各种运动障碍性疾病、精神分裂症、认知功能研究和药物作用及疗效评价等。多巴胺转运蛋白（dopamine transporter，DAT）PET显像使用 ¹⁸F-FP-CIT等显像剂，可以与纹状体DAT结合，有助于帕金森病（Parkinson disease，PD）的诊断和鉴别诊断，并且DAT PET显像的低摄取与PD的运动迟缓、强直等症状的严重程度密切相关，而显像正常可以排除PD的可能。 ¹¹C-flumazenil（ ¹¹C-FMZ）是苯二氮 受体显像剂，其显示局部脑区的中枢型苯二氮 受体（cBZR）密度减低，是致痫灶的特征性生化标志。阿片受体PET显像剂，如 ¹¹C-carfentanil（ ¹¹C-CFN）和 ¹¹C-methylnaltrindole（ ¹¹C-MeNTI），可以分别选择性结合μ-阿片肽受体和δ-阿片肽受体，发现致痫灶同侧颞叶皮层摄取增加。

脑组织的血液循环维持其日常功能和代谢平衡，脑血流量减少会出现细胞代谢失常，导致细胞缺血坏死，引起各种神经功能障碍。PET脑血流灌注显像作为核医学的一项重要内容，能够评估各种疾病的脑血流灌注状态，定量测量脑血流量，对缺血性脑血管病、脑肿瘤等的诊断和治疗方案的制定以及治疗效果的评估都具有重要价值。

PET脑血流灌注显像的示踪剂要求分子量小、不带电荷、脂溶性高，能够通过血脑屏障进入脑细胞并稳定滞留，示踪剂进入脑细胞的量与局部脑血流量呈正比，可通过观察脑内各部位放射性摄取情况判断局部脑血流量的变化。受试者摆位要求是眼外眦和外耳道口连线与检查床平面垂直，采用静脉注射 ¹³N-NH ₃·H ₂O 740～925MBq（20～25mCi），5min后进行图像采集，采集1个床位，每个床位采集10min，经过计算机重建获得横断面、冠状面、矢状面和三维立体影像。

由于脑部供血系统具备一定的储备能力，当出现脑血流灌注减低时，颅内血管通过侧支循环、脑血管的自身调节等代偿机制维持脑细胞正常代谢所需，常规的脑血流灌注断层显像以及CT等形态学检测方法较难发现异常，而长期的慢性低灌注会导致不可逆性脑缺血损害，因此，通过负荷试验脑血流灌注显像了解脑血流的反应性变化，可以提高缺血性病变特别是潜在缺血性病变的阳性检出率。常用的负荷试验有：乙酰唑胺试验、二氧化碳吸入试验、运动刺激、Wadas试验、Matas试验和中医针刺等。以乙酰唑胺试验为例，乙酰唑胺能够抑制脑内碳酸酐酶活性，使脑组织中的二氧化碳与水分子结合生成碳酸受阻，导致脑内二氧化碳浓度增高，pH急剧下降，正常情况下，会引起脑血管反射性扩张，局部脑血流量增加20%～30%；而病变部位血管的这种扩张反应很弱，使潜在缺血区和缺血区的脑血流量增高不明显，影像上表现为放射性减低或缺损区。检查采用隔日法，首先是常规PET脑血流灌注断层显像，次日进行负荷显像，方法是静脉注射乙酰唑胺1g（10ml生理盐水溶解），15～20min后注射显像剂，两次显像的采集时间、体位及处理条件要一致，需将两次显像所得的影像进行对比分析。

PET是定量脑血流量的金标准，常用的显像剂有 ¹⁵O-H ₂O、 ¹³N-NH ₃·H ₂O和 ¹⁸F-FDG等，采用的方法可以分为平衡法、放射自显影法和动力学方法。平衡法是将示踪剂引入人体后，等待其在人体分布达到平衡，即从动脉血输入到局部脑组织的示踪剂等于从静脉带走的和自身物理衰变的之和。放射自显影法采用“弹丸”式静脉注射示踪剂，示踪剂到达脑后采集1min获得1帧图像。动力学法同样采用“弹丸”式注射，示踪剂到达脑后立即开始动态采集，1帧/（5～10）s，采集2min，之后1帧/1min，采集5～10min。但这三种方法都需要连续采集受试者的动脉血，离心处理后测定血浆放射性比活度，进而获得示踪剂浓度随时间变化的动脉输入函数，过程复杂、耗时且有创，不易被患者接受。为此，很多研究采用动力学方法时，利用图像衍生动脉输入函数替代抽血的方式，可以精确、快速、方便、无创地测量脑血流量。

1999年美国第46届核医学年会上发布PETCT原型机成功，展示了PET代谢影像和CT解剖图像的融合，2001年首台商业PET-CT进入临床应用。PET-CT中的CT可为PET提供衰减校正，扫描时间明显缩短，有利于减少运动伪影和减轻患者检查的痛苦；CT的高分辨率图像对PET可疑病灶进行解剖定位，有利于降低PET图像中的假阳性。

然而PET-CT采集数据的本质仍然是PET和CT两个系统独立进行，二者不能同时采集图像，而且CT辐射剂量高，特别不适合孕妇、儿童等。与CT相比，MRI则具有明显优势，一体化PET-MRI实现了全身PET和MRI数据的同步采集，并能获得高清晰的融合图像，现已进入到临床各领域的应用。尤其是对于颅脑疾病而言，MRI具备良好的软组织对比度和空间分辨率，明显优于CT，而且在获得解剖信息的基础上，还可以提供一些功能信息，如弥散成像、灌注成像及MRS等，因此一体化PET-MRI结合了PET信息和MRI信息，对于颅脑疾病的诊断和研究更具有价值。

随着全球人口老龄化的到来，神经退行性疾病日益成为人类的健康负担，PET-MRI能够更加清楚脑组织的精细解剖结构，并可以同步获得功能代谢信息，尤其是结合新型示踪剂的使用，对于多种疾病如阿尔茨海默病、帕金森病的早期诊断、鉴别诊断及探讨其病理学机制具有重要意义。在癫痫的研究方面，一体化PET-MRI可以同步获得解剖、代谢、血流、功能等综合信息，并可自动进行图像精确配准，避免了图像融合技术导致的误差，对于癫痫患者尤其是MRI阴性或者MRI与EEG结果不一致的患者，可以减少颅内电极的使用，对术前无创评估、精确定位致痫灶以及研究发病机制具有重要价值（图1-4-1）。MRI是神经系统肿瘤术前诊断、术后评估、放疗前计划和治疗后评估的不可或缺的工具，尤其加入MRS、灌注成像、弥散成像、fMRI等手段，可以更好地描述各个阶段的脑肿瘤；PET可以提供多种示踪剂（FDG、FLT、FMISO等）显像，能够提供多种代谢信息，因此，同步获得二者数据的一体化PETMRI，对于提高神经肿瘤术前诊断准确率、制订精确的手术计划、改善治疗后评估以及鉴别复发和治疗后改变等都起到十分重要的作用，尤其是能明显减低辐射剂量及节省采集时间，对儿童患者的诊断和随访更具意义。