正电子发射断层成像重建算法评述

◇综述与讲座◇摘要正电子发射型计算机断层显像技术（posi-tron emission tomography ，PET ）在中枢神经系统（CNS ）药物研发中发挥重要作用。

PET 可以定量研究CNS 药物在脑组织体液中的生物分布，药代动力学，与靶点相互作用，提供药物浓度与受体占有率的定量关系。

本综述总结了PET 在CNS 药物研发中的定量分析手段，包括药代动力学分析以及受体占有率分析中常用的方法与数学公式。

同时，本综述也总结了PET 在CNS 新药研发中的应用，为后续CNS 的新药研发提供新的思路与方向。

关键词正电子发射型计算机断层扫描；中枢神经系统；新药研发；药代动力学；受体占有率中图分类号：R971文献标志码：A文章编号：1009-2501(2024)03-0316-12doi ：10.12092/j.issn.1009-2501.2024.03.0101背景正电子发射型计算机断层显像（positronemission tomography ，PET ）的基本原理是将正电子（β+）放射性核素（如11C 、13N 、15O 、18F 等）标记的药物，靶向到靶器官或者靶组织，参与人体生理、生化代谢过程。

这些核素在衰变的过程中产生正电子，正电子行进1～2mm 以内，与电子发生湮灭辐射，产生一对飞行方向相反、能量相同的光子［1-2］。

PET 就是通过探测这一对光子来表征衰变的发生。

通过图像重建，获得标记的化合物在体内的分布情况。

PET 灵敏度高，可以追踪到比ED 50值低的药物浓度产生的药理反应，并且由于PET 分析中使用的放射性标记配体的化学量通常为皮摩尔级别，患者受到的辐射暴露也很低［3］。

然而，PET 的不足之处是不能提供某些病灶的精细解剖定位诊断。

而电子计算机断层扫描技术（computed tomography ，CT ）和磁共振成像技术（magnetic resonance imaging ，MRI ）则可以用于人体内部解剖结构的精密成像，因此PET 可与其他分子成像方式相结合以弥补自身不足，如PET-CT 和PET-MRI ，从而可以同时提供详细的解剖学以及功能性方面的数据。

正电子发射型断层成像原理
正电子发射型断层成像（computed tomography，简称CT）是一种常见的医疗影像技术，它是通过收集正电子发射螺旋扫描数据而获得体层模拟图像的技术。

此技术主要分为三个步骤：正电子发射收集，在三维空间中构建体层模型和图像渲染。

正电子发射收集是在正电子发射仪器中产生射线束，由此产生的全角度射线束将被回放给检查者，任何使用的材料都会影响射线的衰减情况，从而产生模拟数据。

接下来，获取的射线束会进行三维空间中的体层模型构建，这其中包括绘制及拟合体层模型表面。

最后，图像渲染会利用获取的体层模型构建出体内情况的模拟图像。

此技术在诊断病理和治疗方面有其重要的价值，对检测癌症的活动性及活动特性更加准确，检出癌细胞变形过度增殖。

此技术广泛应用于发现和检测脑结构及功能异常，以及反映肝肺、肾和其他脏器的结构和血流情况，可以实时显示器官里脏器内的细节状况，为医院提供更为准确、快速的诊断及检测结果。

利用正电子发射型断层成像技术，医生可以快速地了解病人具体的情况，找出病变结构与位置，以更有针对性和精准的方法进行针对性治疗。

它的应用使医院的诊断和治疗水平更加提高，也为患者带来了莫大的好处。

医学影像处理中PET图像重建技术的应用指南与重建精度分析概述：正电子发射断层成像（PET）是一种非侵入性的医学影像技术，可提供关于人体内部生物过程的详细信息。

PET图像重建技术是PET成像过程的关键步骤，直接影响到影像质量和临床应用的可行性。

本文将介绍PET图像重建技术的应用指南以及重建精度分析，以帮助医学影像从业人员准确理解该技术并应用于临床实践。

一、PET图像重建技术的应用指南1. 原始数据处理： PET图像重建的第一步是对原始数据进行处理。

通常采用的方法是进行数据校正，包括衰减校正、散射校正和随机校正。

这些校正能够减少图像伪影、改善图像质量。

2. 重建算法选择：PET图像重建的核心是选择合适的重建算法。

常见的重建算法包括过滤反投影算法（FBP）、迭代算法和统计重建算法。

FBP算法是最常用的算法之一，它具有计算简单、重建速度快的优点；而迭代算法和统计重建算法则具有更高的重建精度，适合复杂情况下的重建需求。

3. 参数设置：不同的重建算法需要不同的参数设置。

合理的参数设置有助于提高重建质量和图像解剖学准确性。

重建参数包括投影数、迭代次数、滤波器类型和滤波器截止频率等。

4. 图像后处理：PET图像重建后，可能需要进行一些后处理操作，如图像平滑、图像分割和图像配准等。

这些后处理操作可以进一步提高图像质量，增强影像的可读性和准确性。

5. 质量控制：PET图像重建的质量控制是确保影像准确性和一致性的关键步骤。

质量控制应包括对重建图像的主观和客观评价。

主观评价可以根据人眼观察图像的视觉效果进行，客观评价则可以利用一些评价指标，如均匀性、峰值SUV等进行。

二、重建精度分析重建精度是评价PET图像重建质量的关键指标，它可以直接影响到临床诊断的可靠性。

重建精度分析是通过对重建图像与真实图像进行对比来评估重建算法的准确性。

1. 定量分析：定量分析是使用定量指标来评估重建精度。

常见的定量指标包括SUVmax（最大标准摄取值）、SUVmean（平均标准摄取值）、峰值对比度、峰值信噪比等。

核医学成像技术的最新进展核医学成像技术作为现代医学领域的重要组成部分，为疾病的诊断和治疗提供了关键的信息。

近年来，随着科技的不断进步，核医学成像技术取得了一系列令人瞩目的新进展，为医疗实践带来了更强大的工具和更精准的诊断能力。

一、正电子发射断层扫描（PET）技术的改进PET 是核医学成像中最常用的技术之一。

近年来，PET 技术在探测器材料、图像重建算法和临床应用方面都有了显著的改进。

在探测器材料方面，新型的闪烁晶体材料如硅酸镥（LSO）和硅酸钇镥（LYSO）的应用，大大提高了探测器的灵敏度和时间分辨率。

这使得 PET 能够更快速地采集图像，减少患者的扫描时间，并提高图像质量。

图像重建算法的不断优化也是 PET 技术发展的重要方向。

先进的迭代重建算法能够更好地处理噪声和散射，提高图像的对比度和分辨率，从而更清晰地显示病变组织的细节。

在临床应用方面，PET 与计算机断层扫描（CT）或磁共振成像（MRI）的融合技术（PET/CT 和 PET/MRI）已经成为常规。

这些融合技术将功能代谢信息与解剖结构信息完美结合，为肿瘤、心血管疾病和神经系统疾病的诊断和分期提供了更全面、更准确的依据。

二、单光子发射计算机断层扫描（SPECT）技术的创新SPECT 技术虽然不如 PET 那么热门，但也在不断创新和发展。

探测器技术的改进使得 SPECT 的空间分辨率得到了提高。

新型的半导体探测器和多针孔准直器的应用，能够更精确地定位放射性核素的分布，从而提高图像的质量。

同时，SPECT 与 CT 的融合技术（SPECT/CT）也在逐渐普及。

CT提供的解剖结构信息有助于更准确地解释SPECT 图像，特别是在骨骼、心脏和肾脏等部位的成像中具有重要意义。

此外，新的放射性药物的研发也为 SPECT 技术的应用拓展了新的领域。

例如，针对特定肿瘤标志物的放射性药物能够提高 SPECT 对肿瘤的诊断特异性。

三、新型放射性药物的研发放射性药物是核医学成像的关键组成部分。

核医学名词解释题库100题1.核医学：是利用放射性核素诊断、治疗疾病和进行医学研究的学科。

它涉及放射性药物的应用、核素成像技术（如SPECT、PET）以及放射性核素治疗等多个领域，例如通过PET - CT检查肿瘤。

2.放射性核素：是指质子数相同但中子数不同的一类原子，其中不稳定的核素能够自发地放出射线（α、β、γ射线等），并转变为另一种核素，像碘- 131就属于放射性核素。

3.放射性药物：是指含有放射性核素的用于医学诊断和治疗的一类特殊药物。

这些药物可以被特定的器官或组织摄取，通过检测其放射性来获取相关信息，例如锝[99mTc]标记的药物用于脏器显像。

4.核素显像：是利用放射性核素标记的显像剂在体内的分布情况，通过显像仪器（如γ相机、SPECT、PET）获取体内脏器或组织功能、代谢和结构信息的一种检查方法，比如用SPECT观察心肌血流灌注情况。

5.γ相机：是一种核医学成像设备，它可以对体内放射性药物发出的γ射线进行探测，将射线的能量和位置信息转换为电信号，进而形成二维图像，用于甲状腺、骨骼等部位的显像。

6.单光子发射计算机断层成像（SPECT）：是在γ相机基础上发展起来的断层成像技术，它可以围绕人体旋转采集信息，通过计算机重建得到三维的断层图像，能够更准确地定位病变位置和范围，对脏器功能的评估很有帮助。

7.正电子发射断层显像（PET）：利用正电子发射核素标记的显像剂，在体内发生湮灭辐射产生一对方向相反的γ光子，探测器探测这些光子后经计算机处理重建出断层图像，主要用于肿瘤、神经系统和心血管系统疾病的诊断。

8.PET-CT：将PET和CT两种成像技术有机结合在一起的设备，它既能显示组织的功能代谢信息（PET部分），又能显示解剖结构信息（CT部分），使图像融合，提高了诊断的准确性，如在肿瘤分期中的应用。

9.放射性核素治疗：是利用放射性核素在衰变过程中发射出来的射线（如β射线），对病变组织进行照射，以达到治疗疾病的目的，像碘- 131治疗甲亢就是典型的放射性核素治疗。

SPECT 、PET 、CT 、MR 四类医学影像设备的成像原理简介一、单光子发射断层扫描（简称SPECT ）SPECT 是利用放射性同位素作为示踪剂，将这种示踪剂注入人体内，使该示踪剂浓聚在被测脏器上，从而使该脏器成为γ射线源，在体外用绕人体旋转的探测器记录脏器组织中放射性的分布，放射性的分布，探测器旋转一个角度可得到一组数据，探测器旋转一个角度可得到一组数据，探测器旋转一个角度可得到一组数据，旋转一周可得到若干组数据，旋转一周可得到若干组数据，旋转一周可得到若干组数据，根据这根据这些数据可以建立一系列断层平面图像。

计算机则以横截面的方式重建成像。

些数据可以建立一系列断层平面图像。

计算机则以横截面的方式重建成像。

二、正电子发射断层扫描（Positron Emision Tomograph 简称PET ）：该技术是利用回旋加速器加速带电粒子轰击靶核，通过核反应产生带正电子的放射性核素，并合成显像剂，素，并合成显像剂，引入体内定位于靶器官，引入体内定位于靶器官，引入体内定位于靶器官，它们在衰变过程中发射带正电荷的电子，它们在衰变过程中发射带正电荷的电子，它们在衰变过程中发射带正电荷的电子，这种这种正电子在组织中运行很短距离后，正电子在组织中运行很短距离后，即与周围物质中的电子相互作用，即与周围物质中的电子相互作用，即与周围物质中的电子相互作用，发生湮没辐射，发生湮没辐射，发射出方向相反，能量相等的两光子。

PET 成像是采用一系列成对的互成180排列后接符合线路的探头，在体外探测示踪剂所产生之湮没辐射的光子，在体外探测示踪剂所产生之湮没辐射的光子，采集的信息通过计算机处理，采集的信息通过计算机处理，采集的信息通过计算机处理，显示出靶显示出靶器官的断层图象并给出定量生理参数。

器官的断层图象并给出定量生理参数。

三、X 线计算机断层扫描（Computed Tomography 简称(CT) :它是用X 射线照射人体，由于人体内不同的组织或器官拥有不同的密度与厚度，故其对X 射线产生不同程度的衰减作用，从而形成不同组织或器官的灰阶影像对比分布图，进而以病灶的相对位置、形状和大小等改变来判断病情。

附件正电子发射/X射线计算机断层成像系统同品种临床评价注册审查指导原则本指导原则旨在指导注册申请人对正电子发射/X射线计算机断层成像系统（下文简称PET/CT）开展同品种临床评价，同时也为技术审评部门审评PET/CT同品种临床评价资料提供参考。

本指导原则是对2020年发布《正电子发射/X射线计算机断层成像系统注册技术审查指导原则》临床评价相关要求的修订。

本指导原则是对PET/CT同品种临床评价的一般要求，申请人需依据产品的具体特性确定其中内容是否适用。

若不适用，需具体阐述理由及相应的科学依据，并依据产品的具体特性对注册申报资料的内容进行充实和细化。

本指导原则是供注册申请人和技术审评人员使用的指导性文件，但不包括审评审批所涉及的行政事项，亦不作为法规强制执行，需在遵循相关法规的前提下使用本指导原则。

如果有能够满足相关法规要求的其他方法，也可以采用，但是需要提供详细的研究资料和验证资料。

本指导原则是在现行法规和标准体系以及当前认知水平下制定的，随着法规和标准的不断完善，以及科学技术的不断发展，本指导原则的相关内容也将进行适时的调整。

一、适用范围本指导原则适用于PET/CT的同品种临床评价工作。

按现行《医疗器械分类目录》[1]，PET/CT分类编码为06-17-02，管—1 —理类别为III类。

拟评价设备的CT部分可以参考《X射线计算机体层摄影设备同品种临床评价技术审查指导原则》[2]。

PET/MR的PET部分的同品种临床评价亦可参考本指导原则中的PET相关章节。

注册申请人需全面评价PET/CT的硬件、软件的功能。

考虑PET/CT功能的多样性，本指导原则仅就PET/CT的医学影像质量，有针对性地提出和规范了临床评价要求。

若拟申报产品与境内已上市产品相比，某关键器件（含软件）具有全新的技术特性，或拟申报产品具有全新的临床适用范围，若不能通过非临床研究数据、人体影像样本数据等证据资料证明申报产品的安全性和有效性，注册申请人需要考虑通过临床试验来获得临床数据。

PET数据重建中的MLEM算法研究正电子发射计算机断层摄影（PET）是一种高分辨率、无创、重要的成像技术，广泛应用于医学、生物学等领域。

PET成像原理是基于正电子释放能量时发生的两个光子的共同探测。

该成像技术的特点是具有高纵向分辨率、高敏感度、较高的空间分辨率和分辨能力。

但是，PET成像过程中存在大量伪影和背景噪声，重建有效的图像是PET成像技术的重点。

目前，PET成像中最流行的重建算法是最大似然期望（MLEM）。

MLEM算法是一种迭代方法，它通过无限次反复重建来逼近最优解。

MLEM对于估计PET图像的所有像素点的值都是独立的，因此数据的计算是非常繁琐的。

为了减少计算量并提高重建的准确性和速度，可以应用各种技术。

首先，可以将数据分为小块，以节省计算机资源。

其次，可以对样本进行必要的预处理，例如对噪声进行滤除，以提高图像质量。

另外，通过使用更适合的数据模型，如基于小波分析的模型，可以更好地适应MLEM算法。

最近的研究表明，将MLEM算法与重建结果的固有分类器相结合，可以有效地改善PET成像的质量。

例如，可以使用支持向量机（SVM）或人工神经网络（ANN）等分类器。

通过这种方法，可以知道基于重建结果的PET图像中的相应区域，它将改善目标检测和边缘检测的能力。

此外，可以使用统计判据，如最大相等差异（MED）或概率误差（PE），来评估重建结果的质量。

总之，MLEM算法是PET图像重建中最常用的算法，但最近的调查表明，与其他算法相比，它受到噪声和计算负担的影响。

因此，使用小波模型和各种分类器，可以提高PET图像的质量和时间效率。

而这些进步为PET成像提供了更好的精度和重要的临床应用前景。