正电子显像（PET）开始于20世纪50年代，PET的发展大体经历了三个发展阶段，合计四代产品：正电子扫描机、正电子γ-照相机、正电子断层成像机（PET），以及PET和其他设备整合成诸如PET/CT等具有复合功能的成像设备。随着PET成像技术的不断发展和普及，为PET图像处理提供了广阔的应用空间。由于PET成像技术是一种分子水平上的功能成像技术，它通过用正电子放射性物质标记后的葡萄糖如18FDG注射到人体。这些标记药物一般都是参与人体生理代谢活动的物质。通过人体的代谢活动，这些药物被输送到人体的各个部位，并且在一些代谢比较旺盛的地方富集起来，而在代谢降低的地方标记物质相对就比较少，标记物质所放出的正电子很快和我们人体组织中的电子发生湮没，放出两个能量相同的γ光子，通过仪器检测到人体不同的位置γ光子强度，γ光子的强度反映了各个位置标记物的多少，从而最终反映出不同位置的代谢水平，我们知道代谢水平的高低和各个位置的功能和状态有很大的关系，比如在肿瘤生长的区域往往细胞的代谢水平比正常的情况偏高，而在老年痴呆病人的脑部区域往往又存在代谢降低的区域，特别是在人类大脑认知的研究中，人类对于外界某一个刺激对应着大脑某一功能区域代谢的升高，这为我们定位人类大脑的不同功能区域和研究人类认知具有很大的作用，所以准确地对PET图像进行处理具有相当大的意义。
我国目前由于条件的限制，对PET图像处理的研究还处于十分初级的阶段，在这一章中我们将提出一种基于小波分析的PET图像处理算法，并对其进行分析。
8.1PET（正电子发射）图像的获取
由于PET医学图像成像的原理和条件比较复杂，因此图像的获取是本书工作的一个重要组成部分，也是比较困难的一部分，特别是功能图像序列的获取。所以本节中我们主要对正电子发射成像的原理和应用作一个简单的介绍。
8.1.1PET成像原理
PET（Positron Emission Tomography）是正电子发射断层成像的英文缩写，是目前最有前途的核医学成像设备。其成像过程包括：把具有正电子发射的放射性同位素标记的药物注入人体，测量参与人体的生理代谢过程的药物分布，对这种分布作出科学的处理和分析，对生理和病理过程作出解释。由于药物参与人体的生理和病理过程，可以通过这些药物在人体内的动态分布来反映人的生理代谢或者病理情况。这里的核心技术包括具有特异性的PET药物、测量湮灭反应产生的511keV的γ-射线符合测量系统、准确反映事件发生在人体内准确位置的定位系统、图像重建和显示的图像处理系统以及对病理进行解释的临床数据分析和处理系统等。PET的物理机制是：参与人体生理和代谢过程的正电子发射核素标记的药物，在参与人体生理和代谢的过程中发射具有特定半衰期和能量的正电子，这些正电子一旦发射即被人体组织慢化，当这个慢化过程使得这些被发射的正电子的平均动能接近人体内大量存在的电子时（这是随机过程，平均几率和温度有关），被电子俘获，并立即发生湮灭反应，基本上在180？方向上生成两个511keV能量的γ-射线光量子。如果在180？方向的对称位置上放置两个具有相同探测效率的γ-射线探测器，就可能同时探测到这个事件。很多事件的累积形成了发生湮灭反应的放射性药物在人体内的浓度分布的数据，这些分布形成的对比度就是PET影像。把系统测量到的PET影像进行分析计算，就可以得到用于对病人进行诊断的定量或者半定量的数据。
所以，实现PET成像的基本条件如下：
1.具有正电子发射衰变的核素，以及可以用该核素标记、对被测脏器或者病灶具有特异性吸收的药物；
2.测量湮灭反应生成的γ-辐射事件的快符合测量系统；
3.剔除采集到的数值中那些明显的噪声和本底，对原始数据进行预处理；
4.对预处理之后的数据进行重建并显示重建的PET影像；
5.对PET影像进行后处理，满足临床诊断和基础研究的要求；
6.对后处理的PET图像进行分析，得到临床或者研究工作所需要的定量或者半定量数据；
7.医生根据PET影像，处理分析后的数据，结合病人的其他信息，对病人进行诊断，解释得到的影像和数据。
从工作流程来看，PET跟其他医学影像设备差不多。只是实现成像的机制、对比度形成的原理，采集数据的方法，解释和分析数据的模型不同而已。
和其他很多影像设备一样，PET也是量子数有限的复杂的影像测量系统，经过多步过程才能实现成像，对成像数据的进一步分析后才能给出诊断数据。这个过程中需要使用大量高水平的硬件和软件，使得PET变成一个价格昂贵的特殊放射性测量和成像装置。以上描述决定了PET的特点，以及在临床和研究中应用时的优点和弱点。
由于各自采用的技术路线、工艺和用途的不同，产生了世界上丰富多彩的PET产品。医学物理工作者是从事设计、改进这些产品的性能、保证PET正常工作和开发新应用领域的主要力量。参与研发的人员也不仅仅是医学物理工作者，还包括各个学科大量的工程技术人员和医生，正是各个学科人员的共同努力，使得PET影像成为核医学成像中最具发展潜力的一种成像工具，目前仍然在发展之中。所以，无论从事PET本身的研发、性能改进和质量控制，还是对PET影像的解释和应用，都需要具有广泛的跨学科知识。
被成像的病人被置于环的中心，γ-射线探测器被置于这个探测器环上。从病人体内发射的γ-射线被环上的探测器测量。探测器围绕被测样品、以环的几何中心为轴在360°空间处于几何对称的位置上。这里PET也要采取技术措施，限制进入测量系统的非湮灭反应事件，尽可能选择那些通过正电子湮灭反应产生的511keV的γ-射线进入测量系统，以便提高系统的信噪比，降低影像中的噪声和伪影。其中在时间和空间内设定窗口是解决这个问题的主要技术路线。PET对湮灭事件的能量选择是通过设定γ-射线测量系统中的能量窗实现的，因为特定探测器对511keVγ-射线响应具有特定的幅度和脉冲形状，通过设定测量系统的上下阈值，就可以保证511keV的γ-射线事件进入测量系统，但是可以大大减少进入测量系统的偶然符合的“假计数”。
为了限制散射事件，PET还要通过符合电路设置时间窗。因为湮灭反应生成的是基本上180°方向上发射的两个511keV能量的γ-射线光量子，处于对称位置上距离相等的两个探测器可以同时测量湮灭光子事件，因为光子在空气中都以光速传播，需要的时间相等。通过同步测量这个事件，减少在同步发射以外的事件进入探测器系统。所以，如果在测量系统中的电子学系统对信号的探测和处理也完全相同的话，在对称的两个电子学测量通道上同时测量这个事件就可以了。
但是，电子学测量系统定义的“同时”是通过符合电路实现的，符合电路“真符合”窗的时间宽度是PET系统定义的“同时”概念，测量能否做到“同时”，是PET的一个重要技术指标。时间窗设得愈窄，本底去除越干净，可以大大减少本底的干扰。但是，探测器和电路对事件的响应都需要一定的时间。“真符合”窗的宽度不可能设置为零，而且随着事件窗宽度的变窄，电子学系统处理事件的能力越强，需要的电子学电路的技术指标是非常高的，使得PET的成本居高不下。根据目前可以达到的水平，以及系统的造价，PET的符合电路的符合时间在纳秒（nS）量级上。
8.1.2PET成像的作用
由于PET测量的是被放射性同位素标记的放射性药物在体内的空间和时间分布，其中包括用统计学参数表示的分子和基因配体水平的分布信息，所以属于功能和生理方面的成像。但是，PET在空间分辨率方面、解剖学定位能力方面，仍然不能和X-CT以及磁共振成像（MRI）相比，而且今后也不可能和它们相比。
最近人类基因工程的科研成果，已经把人体基因的排序问题基本解决。但是，这些基因如何相互组合成具有某种特定生物学宏观特征的遗传密码，以及遗传密码在什么条件下才能显性表达，遗传密码及其显性表达和人体内的各种生物大分子，主要是蛋白质分子之间是什么关系；以及遗传密码及其显性表达的水平和能力为什么具有个体的差异；遗传及其环境是如何影响疾病发生和发展的；以及合成各种生物蛋白分子的遗传密码及生物大分子的功能是什么？虽然我们目前还无法回答所有这些问题，但是所有上述不同层次上的人体物质之间是相互作用、互相影响的，而且随时间在发生变化。这些过程都和人的整体特性和健康水平有密切的关系，不能仅仅从某个生物学分子或者基因片断就能判断人的健康状况，但是统计学水平上的变化的确预示了人体的健康状况，早期反映人体健康状况是PET的优势。更不用说，诸如人的思想、意识与这些基因、生物蛋白大分子以及周围环境的影响更是错综复杂，构成了生命科学中尚未被揭示的非常广阔的科学领域。
从长期观测得出的看法是：基因确实对人体内必须的生物蛋白分子的合成具有调控作用，但是环境的影响，主要是生活规律的长期影响更是不可忽略。本身的遗传和环境的共同作用才是决定一个人长期发展过程中可能出现问题的薄弱环节。人的疾病首先开始于人体内的生物大分子的紊乱，较长时间上的紊乱对代谢等生理参数以及心理造成影响，这种影响的累积造成对人的组织和脏器的损害。这种损害以一种特定的方式表现出来。这种表现在个体上有很大的差异。但是总的趋势是在个体最薄弱的环节（可能是生物学基础上的、生理学基础上的或者心理学基础上的）上表现出来。PET还不是对某个具体的分子、具体的基因片断或者基因组合的研究，而是在宏观水平上，即在分子或者基因片断的水平的群体行为。是在统计学水平上对宏观问题的研究和对疾病的诊断。
可能有人会有这样的问题，为什么PET的空间分辨率比X-CT和MRI的空间分辨率差得多，反而能在分子或者基因片断水平上显像呢？这是因为核医学显像的共同特点是放射性药物的特异性显像。即在PET空间分辨率可以显示的体素中，生物物质是很多的，但是PET显示的只是其中非常少的、经过放射性药物标记过的特定的药物在这个体素中的统计平均数及这些数随时间变化的平均值，而同一个体素中存在大量的别的物质，核医学并不能显像这些数量上比能够显示的物质多得多的其他物质，这就是核医学影像的特异性。而CT和MRI是把人体组织中所有可能的物质在空间分辨率的水平上都显示出来了，没有这种特异性，加上个体差异，很容易造成对疾病的误诊。PET依据的是：人体内特定脏器或者组织中基于体素的特定物质的量是可以进行比较的。但是由于PET的空间分辨率比较差，这种分布不可能在人体的解剖学上很准确地确定下来。但是，到目前为止，PET仍然是连接微观和宏观生物学现象的桥梁，是一种有效的研究和疾病诊断的工具，具有非常广阔的应用前途。
除了研究外，PET在临床上的功能主要用于肿瘤、心脏病及神经和精神系统疾病的诊断。从临床角度看，目前大约占70%的工作用于肿瘤，主要内容包括肿瘤的诊断，良恶性鉴别，恶性肿瘤分期、分型，复发、转移的早期诊断和鉴别，治疗方案的选择和化学治疗效果的监测，以及恶变过程的观察和愈后情况的检测。PET在肿瘤学的诊断与研究中主要用于良恶性肿瘤的鉴别。恶性肿瘤具有高度旺盛的糖代谢，在18F-FDG PET显像中呈现明显的放射性浓聚，而良性肿瘤则没有或仅有轻度的葡萄糖聚集，因此PET可用作肿瘤良恶性鉴别。
