幽灵般的人体成像技术——PET
2019/12/13 10:07:36 生物流BioStream
PET (Positron Emission Tomography)，中文为正电子发射断层扫描，是医疗诊断和科学研究常用的无创成像技术。凭借放射性示踪剂的点点光亮，PET魔术般地深入到了生命体的代谢层面。
本文将从放射性同位素开始，一步步揭开PET额头上神秘的面纱。
PET全身扫描
什么是放射性同位素？
在元素周期表里，元素按照质子数从小到大排列。质子和中子在强相互作用力的禁锢下，组成了原子核。
原子核中，质子数决定了元素的性质，只要质子不变，元素还是原来的元素。中子数“随意”增减，都不会改变元素。拥有不同中子数、相同质子数的同一种元素，互称同位素。
比如碳(C)，已知共有15个同位素。这些同位素的质子数都为6，但中子数从2变化到16。
碳的三种同位素，它们具有相同的质子数
虽然碳有这么多同位素，但不是每一个都稳定。其中稳定的只有碳12和碳13，分别有6个和7个中子。两者具有大致相当的质子数和中子数，这是它们稳定的原因。
碳的其他同位素因为拥有相对较多的质子或中子，强相互作用力无法稳定地将他们全部都固定在原子核里，它们便处于不稳定状态。不稳定就会暴乱，暴乱的方式就是放射性衰变，因此这些不稳定的同位素也称为放射性同位素。
通过放射性衰变，不稳定的碳原子核最终变成质子数和中子数大致相当的稳定状态。
太多质子或中子会导致放射性同位素不稳定
放射性衰变
常见的放射性衰变有三种：α，β，γ衰变，其中β又分为β-和β+衰变。
一，α衰变
如果原子核里的中子和质子数量过多，体积过大，质子之间相互排斥的电磁力使得短程的强相互作用力无法再将所有的核子绑定在一起，这时就会发生α衰变。原子核会抛弃一个α粒子以达到平衡的状态。α粒子由2个中子和2个质子组成，也就是He原子。
由于原子核失去了两个质子，一个新的元素因此产生。新元素的原子序数减少了2。
拥有92个质子的铀238，经历α衰变后释放失去2个质子和2个中子，变成只有90个质子的钍(Th)
二，β-衰变
当原子核中子过多时，会发生β-衰变。β-衰变使一个中子衰变成一个质子和一个电子(以及一个反中微子)，总电量守恒。质子保留在原子核内，而电子被释放。这一过程中原子核减少了一个中子，增加了一个质子，从而使放射性元素序列增加1。
C14中子数较多，它会发生β-衰变，增加一个质子，释放一个电子，变成更稳定的氮14
三，β+衰变
当同位素质子过多时，会发生β+衰变。β+衰变使一个质子变成一个中子和一个正电子(以及一个中微子)，同样总电量守恒。β+衰变过程中原子核质子减少1，同样生成一个新元素。
碳11衰变变身成硼11，并释放出一个正电子
比如，PET常用的C-11同位素，其原子核有6个质子和5个中子，质子数相对较多，不稳定。它会发生β+衰变，变成硼元素，同时释放一个正电子。
PET成像正是利用了β+衰变。
四，γ衰变
经过α或β衰变的原子核通常还不太稳定，它会释放多余的能量来达到最终的稳定状态。多余的能量会以高能电磁波γ射线的形式释放出去，该过程称为γ衰变。
γ衰变并不改变原子核的质子数、中子数以及原子序列。
PET检测正负电子产生的γ湮灭射线
β+衰变会释放正电子，正电子在经历非常短暂的飞行后，会与人体组织中带负电的自由电子相遇，碰撞湮灭，同时释放出两个飞行方向相反的光子，即高能γ射线。
正负电子碰撞湮灭产生反向飞行的γ射线
γ射线是一种电磁波，波长小于0.01埃，穿透力极强，对人体和环境都有伤害。因此，必须用高密度物质来阻挡， 同时检测。
用来阻挡和检测γ射线的物质叫闪烁晶体。PET的闪烁晶体为无机闪烁体，拥有极高的密度和原子数，常用的有BGO(锗酸铋)，LSO(cerium-doped lutetium oxyorthosilicate)等。
闪烁晶体和光电检测管
我们知道，属于单个原子的核外电子可以在不同能级之间跃迁。而对于无机闪烁体，电子可以在相邻原子之间转移，电子不再属于某一个固定的原子，而是归整个晶体共有，单个电子的能级也就演变成了晶体的电子能带。晶体能带的低能级为价带，高能级为导带。
当γ射线入射进晶体后，被晶体的价带电子吸收。价带电子便跃迁至高能级的导带，之后又释放光子返回低能态。释放的光子可被跟闪烁晶体相连的光电倍增管检测到。
PET检测信号原理
当大脑内某处的示踪剂释放的γ射线被检测到后，PET是如何判断具体位置呢？
定位放射性同位素
正负电子湮灭产生的γ射线很容易穿透人体组织。随后，它们在到环绕在人体外周的环状闪烁晶体阵列中现形。
由于湮灭产生的两束γ射线诞生时间相同、方向相反，所以它们几乎同时到达各自闪烁晶体，时间差必定非常之小。另外，让它们现形的晶体也必定在一条直线上。
据此，PET限定了一个时间窗口，如果两束γ射线时间大于该时间窗口(通常为6~10纳秒)，则被认为是偶然事件，会被抛弃。通常经过这样严格的筛选，检测到的99%的光子会被排除掉!
而对于那些符合筛选条件的光子对，通过两者到达闪烁晶体的时间差，很容易定位到正负电子碰撞的起始位置。
有了海量的正负电子湮灭位置，科学家便可以模拟出放射性同位素在体内的分布，实现成像。
放射性分子的选择与构建
PET成像并不是直接将放射性同位素原子注射入人体，而是将之融入到一个参与人体代谢的有机大分子中。有机分子的选取多种多样，我们以常用的示踪剂氟代脱氧葡萄糖(FDG)为例来说明。
氟代脱氧葡萄糖中氟18，是一种不稳定的放射性同位素，会发生β+衰变，可以被PET仪器检测到。
氟18的β+衰变释放正电子
氟代脱氧葡萄糖是一种葡萄糖类似物，在体内会被大脑、肾脏、癌细胞等对葡萄糖利用率较高的组织大量吸收。又由于氟元素的“阻挠”，氟代脱氧葡萄糖无法在体内代谢、降解，因此氟代脱氧葡萄糖可以很好让目标细胞和组织显影。
氟半衰期为110分钟，衰变以后生成氧，氧俘获周围组织中的氢离子后氟代脱氧葡萄糖就变成了葡萄糖，继续被人体利用。
氟代脱氧葡萄糖的合成最关键的步骤是放射性同位素F18的生成。F18蜕变自O18，O18是氧的重同位素，它有8个质子和10个中子。重氧水中的氧便是氧18。
用高速质子束轰击重氧水，这会使重氧水中氧18的一个中子变成质子，摇身一变成了拥有9个质子9个中子的放射性同位素氟18。重氧水也随之变成H2(F-18)，H2(F-18)则进一步用于氟代脱氧葡萄糖的化学合成。
重氧水在高速质子束的轰击下变成氟化氢
氟代脱氧葡萄糖注射约一小时后，便在人体组织内分布开来，接着就可以开始PET扫描了。
在FDG示踪剂的显影下，PET扫描到脑肿瘤(深红色部分)
总结
PET成像利用放射性同位素的β+衰变，可以进行无创的成像。虽然病人需要体内注射含有放射性同位素的示踪剂，但其放射总量很少，对人体影响也极其有限。
另外，PET成像只显影放射性同位素的位置和浓度，并不能对人体组织结构成像，因此PET通常会跟人体结构成像技术CT和MRI一起使用。如此一来，放射性同位素聚集的人体组织便一目了然了。
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