体内的放射性显像剂发射出的每一个正电子在体内移动短距离后与体内的电子遭遇, 将发生湮灭辐射, 产生一对以180°对飞的γ光子, 这一对向相反方向运动的γ光子构成一条响应线。传统的PET探测技术能够探测出这条响应线, 但是这仅仅能够得知在响应线上有湮灭事件的发生, 却无法确切得知湮灭事件的准确位置。

飞行时间技术的原理就是在已知响应线上, 通过测量两个光子到达探测器的时间差, 从而精确得知正电子发生湮灭辐射的精确位置。虽然γ光子以光速传输, 但发生湮灭的位置与探测器的距离不同, 一对光子到达两端探测器的时间一定是不同的, 理论上如果我们能够知道这个时间差, 就能够算出信号在这条响应线上的哪个点上, 也即知道湮灭事件的精确位置, 从而提高病灶的定位精度(图 1)。

图  1  传统PET与飞行时间PET图像形成的示意图

飞行时间技术一直是PET的理想。1966年, Hal O. Anger第一次提出应用飞行时间技术在正电子扫描机上定位正电子的设想。随后, 在20世纪70年代, 许多正电子领域的专家进行了飞行时间技术的理论和实践探索。1982年, 华盛顿大学、德克萨斯大学和CEA-LETI公司造出了飞行时间PET的实验机, 并应用于脑代谢研究^[1]。此后, 各大公司和研究机构开始进行临床型飞行时间PET的研发, 但是限于当时的科技水平, 未能造出可以用于临床的PET。

近10年来, 随着晶体、光电倍增管、电子线路和计算机技术等的突飞猛进, 临床型的飞行时间PET终于有了实现的可能。2005年, 飞利浦公司与宾夕法尼亚大学合作, 率先完成了临床型飞行时间PET的设计和测试, 2006年3月, 飞利浦公司发布了凝聚着业界20多年心血的、拥有飞行时间技术的PET-CT产品: GEMINI TF, 实现了业界追求的梦想^[2]。

临床型飞行时间PET一经推出, 就引起了巨大的反响。在2006年的欧洲放射医学年会上, 飞利浦公司展出的GEMINI TF PET-CT成为最受瞩目的“明星”之一, 众多来自相关领域的专家学者在参观了GEMINI TF的展区后, 纷纷给出了“里程碑”、“重大突破”、“最振奋的技术进步”等评价。

飞行时间PET可以测量源于某个正电子的两个γ光子到达探测器的时间差, 理论上由此可以精确算出正电子的位置。但实际情况是, γ光子飞行时间的测量受到精度的限制, 测量到的γ光子飞行时间有一定的误差, 该误差即为系统时间分辨率, 系统时间分辨率与光速的积即是系统确定湮灭辐射位置的定位精度。因此, 飞行时间技术所测出的并不是正电子湮灭的确切位置, 而是受定位精度限制的、可能发生正电子湮灭的一个圆形区域。系统时间分辨率决定飞行时间技术表现的优劣。

飞行时间PET和非飞行时间PET技术的区别有两点: 一是前者利用γ光子的飞行时间信息将正电子的位置限定在小范围内, 减少了重建该事件涉及到的体素数量^[3], 局部信息量高; 二是前者对重建范围内各体素的信息量有正确的预判使信息分布更合理。由此, 最终使重建图像的信噪比得到提高。

信噪比的提高, 使得PET-CT的主要应用领域——功能代谢检查, 在肿瘤、神经、心脏等方面有了广阔的临床应用前景和优势。飞行时间PET-CT的图像质量解析度大幅提高, 高清的图像有利于发现更小的病灶, 制定更准确的分期治疗方案, 减少误诊和漏诊(图 2)^[4]。迄今为止, 用飞行时间PET-CT发现的最小病灶直径仅为1.9 mm(图 3)^[5]。

图  2  飞行时间PET-CT图像质量示意图（飞行时间PET-CT的高清图像可以清晰见到肝部的转移灶，传统PET-CT未能发现，从而可为患者制定更准确的分期和治疗方案，减少漏诊和误诊。）

图  3  飞行时间PET-CT技术发现肺部1.9 mm的微小肿瘤转移灶

传统PET扫描时间长达30 min, 这成为制约PET-CT受检者流通量的瓶颈。而飞行时间PET-CT可以在9~10 min内完成检查, 并给出高清的诊断图像。例如, 南斯拉夫的POLIKLINIKA MEDIKOL医院每日正常上班时间内可完成24例检查, 222 MBq左右的注射剂量、10 min左右的采集时间, 并且确保了PET-CT图像的高清质量^[6]。扫描时间的缩短, 意味着在同等工作时间范围内, 提高了受检者流通量, 在理论上可以增加受检者数量, 提高设备运转效率, 缩短设备投资回收周期; 从被检者角度考虑, 检查周期的缩短, 同样意味着节约受检者排队等候时间以及上机检查时间, 特别对于病情严重的患者, 提高了其舒适度及依从性。

此外, 飞利浦公司独有专利的变速扫描技术的应用, 可以在一次扫描中根据需要采用不同的扫描速度, 从而进一步缩短扫描时间, 增加受检者流通量。

PET-CT之所以是目前最昂贵的影像学检查方法, 主要原因在于显像剂成本过高, 其成本占到PET-CT扫描总价的1/3。传统PET-CT的显像剂剂量超过370 MBq, 而飞利浦公司第三代的飞行时间PET-CT仅需185~222 MBq, 所用剂量仅为传统PET-CT的一半, 也就是说, 选择飞行时间PET-CT, 成本大大减少, 效益大幅提升。

随着我国医改的推进, 控制医疗成本势在必行, PET和PET-CT的检查费用有可能受到限制, 对于医院而言, 降低PET和PET-CT的运营成本已势在必行。降低运营成本的关键是降低显像剂成本, 飞行时间PET-CT带给医院一种更理想的选择。北京肿瘤医院引进飞行时间PET-CT后, 首例患者只用了170 MBq的¹⁸F-FDG, 医院的杨志主任高兴地称赞这款设备在节省显像剂方面的表现。泸州医学院附属医院的飞行时间PET-CT投入使用以后, 由于该院没有加速器, 需要由重庆购买¹⁸F-FDG, 药物运输过程需要3 h。如果购买1480 MBq的¹⁸F-FDG显像剂到达该院科室时仅能剩下370 MBq, 按照过去的条件, 这些显像剂只够做1例患者, 而使用了飞行时间PET-CT后, 这444 MBq的药物能够完成2例患者的检查, 产出增加了50%。

在临床实际应用中, 飞行时间PET-CT不断证明了其可为用户带来超高清的图像体验、更好的科研应用以及更高的产出能力, 相信其必将引领PET-CT发展的新潮流。