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陽電子放出断層撮影（PET）は、放射性トレーサーと呼ばれる放射性物質を用いて、代謝プロセスや血流、局所化学組成、吸収などの生理学的活動の変化を可視化および測定する機能画像診断法です。臨床現場では、がん治療の診断と管理、心臓病学および心臓外科、神経学および精神医学で使用されています。[ 1 ]
PETは一般的な画像診断技術であり、核医学で使用される医療用シンチログラフィー技術です。放射性医薬品（薬剤に結合した放射性同位体）がトレーサーとして体内に注入されます。放射性医薬品がベータプラス崩壊を起こすと陽電子が放出され、陽電子が通常の電子と相互作用すると、2つの粒子が対消滅し、2つのガンマ線が反対方向に放出されます。[ 2 ]これらのガンマ線は2つのガンマカメラで検出され、3次元画像が形成されます。
PETスキャナーは、コンピュータ断層撮影（CT）スキャナーを組み込むことができ、 PET-CTスキャナーと呼ばれます。PETスキャン画像は、同じセッション中に一方のスキャナーで実行されたCTスキャンを使用して再構成することができます。
PETスキャナーの欠点の1つは、初期費用と継続的な運用コストが高いことです。[ 3 ]
PETは、前臨床および臨床現場で使用される医療および研究ツールです。臨床腫瘍学の分野では、腫瘍の画像診断や転移の探索に広く用いられており、また、様々な種類の認知症を引き起こすようなびまん性脳疾患の臨床診断にも使用されています。PETは、正常なヒトの脳や心臓の機能に関する知識の習得と向上、そして創薬開発を支援する研究ツールとしても高く評価されています。PETは、動物を用いた前臨床研究にも使用されています。PETを用いることで、同じ被験者に対して経時的に繰り返し検査を行うことができ、被験者自身を対照群として機能させることが可能となり、特定の研究に必要な動物の数を大幅に削減できます。このアプローチにより、研究に必要なサンプルサイズを削減しつつ、結果の統計的精度を高めることができます。
生理学的プロセスは体内の解剖学的変化をもたらします。PETは生化学的活動や特定のタンパク質の発現を検出できるため、解剖学的変化が目に見えるようになるずっと前に分子レベルの情報を提供できます。PETは放射性標識された分子プローブを使用することでこれを実現しており、プローブは組織によって異なる速度で取り込まれます。その後、異なる解剖学的構造における局所的なトレーサーの取り込みを可視化し、標準化取り込み値などの指標を介して、スキャンで検出された注入された陽電子放出トレーサーの量に基づいておおよそ定量化することができます。[ 4 ]
同時計数検出器を備えた従来のデュアルヘッドガンマカメラを使用してPET画像を取得することは可能です。ガンマカメラPET画像の品質は低く、スキャンの取得に時間がかかります。[ 5 ]
代替的な医用画像診断法には、単光子放出コンピューター断層撮影（SPECT）、コンピューター断層撮影（CT）、磁気共鳴画像法（MRI）、機能的磁気共鳴画像法（fMRI）、および超音波検査などがあります。SPECTはPETと同様の画像診断技術で、放射性リガンドを用いて体内の分子を検出します。
放射性トレーサー[ 18F ]フルオロデオキシグルコース（FDG）を用いたPETスキャンは、臨床腫瘍学で広く用いられています。FDGはグルコースアナログであり、グルコースを利用する細胞に取り込まれ、ヘキソキナーゼ（ミトコンドリア型は急速に増殖する悪性腫瘍で著しく増加します）によってリン酸化されます。[ 6 ]放射性グルコース分子の代謝トラッピングにより、PETスキャンが利用できるようになります。画像化されたFDGトレーサーの濃度は、局所的なグルコース取り込みに対応するため、組織の代謝活性を示します。FDGは、がんが他の身体部位に転移する可能性（がん転移）を調べるために使用されます。がん転移を検出するためのこれらのFDG PETスキャンは、標準的な医療において最も一般的です（現在のスキャンの90%を占めます）。同じトレーサーは、認知症の診断にも使用されることがあります。まれに、通常はフッ素18（18F ）で標識された他の放射性トレーサーが、体内のさまざまな種類の対象分子の組織濃度を画像化するために使用される。[ 7 ]
FDGを生成するためにフッ素18に置換されるヒドロキシ基は、すべての細胞におけるグルコース代謝の次のステップに必要であるため、FDGではそれ以上の反応は起こりません。さらに、ほとんどの組織（肝臓と腎臓を除く）は、ヘキソキナーゼによって付加されたリン酸を除去することができません。これは、リン酸化された糖はイオン電荷のため細胞から出ることができないため、FDGは取り込んだ細胞内に崩壊するまで閉じ込められたままになることを意味します。この結果、正常な脳、肝臓、腎臓、およびワールブルク効果によりほとんどの正常組織よりもグルコースの取り込みが高いほとんどのがんなど、グルコースの取り込みが高い組織が強く放射性標識されます。その結果、FDG-PETは、特にホジキンリンパ腫[ 8 ] 、非ホジキンリンパ腫[ 9 ]、肺がん[ 10 ] [11][ 12 ]の診断、病期分類、および治療のモニタリングに使用できます。
2020年に行われたホジキンリンパ腫に対するPETの使用に関する研究レビューでは、中間PETスキャンで陰性所見が全生存率と無増悪生存率の向上に関連しているという証拠が見つかりました。ただし、生存率に関する入手可能な証拠の確実性は中程度であり、無増悪生存率に関する確実性は非常に低いものでした。[ 13 ]
他のいくつかの同位体や放射性トレーサーも、特定の目的のために徐々に腫瘍学に導入されつつあります。例えば、11 C標識メトミデート（11C-メトミデート）は、副腎皮質由来の腫瘍の検出に使用されています。 [ 14 ] [ 15 ]また、フルオロドパ（FDOPA）PET/CT（F-18-DOPA PET/CTとも呼ばれる）は、ヨードベングアン（MIBG）スキャンよりも褐色細胞腫の発見と局在化においてより感度の高い代替手段であることが証明されています。 [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]前立腺癌については、前立腺特異的膜抗原（PSMA）標的リガンドを介して送達される放射性核種を用いたPETスキャンの使用への関心が高まっています。この戦略では、1回のスキャンで原発腫瘍と周囲の転移を画像化できます。この組み合わせはPSMAスキャンと呼ばれます。 [ 19 ]
酸素15を用いたPETイメージングは、脳への血流を間接的に測定する。この方法では、放射能信号の増加は血流の増加を示し、これは脳活動の増加と相関すると考えられる。酸素15は半減期が2分と短いため、このような用途には医療用サイクロトロンから直接パイプで送る必要があり、これは困難である。[ 20 ]
FDGを用いたPETイメージングは、脳が通常、ブドウ糖を急速に消費する性質を利用している。標準的なFDG PETによる脳の検査では、脳内の局所的なブドウ糖消費量を測定し、神経病理学的診断に利用できる。
アルツハイマー病などの脳疾患は、脳のグルコースと酸素の代謝を同時に大幅に低下させます。そのため、脳のFDG PETは、アルツハイマー病を他の認知症プロセスから効果的に区別し、アルツハイマー病の早期診断を行うためにも使用できます。これらの用途におけるFDG PETの利点は、その利用可能性が非常に高いことです。さらに、脳内のアルツハイマー病の潜在的なバイオマーカーであるアミロイドβプラークを検出するために、他のフッ素18ベースの放射性トレーサーも使用できます。これらには、フロルベタピル、フルテメタモール、ピッツバーグ化合物B（PiB）、フロルベタベンが含まれます。[ 21 ]
FDGを用いたPETイメージングは、「発作焦点」の局在化にも使用できます。発作焦点は、発作間欠期スキャン中に低代謝として現れます。[ 22 ] PET用にいくつかの放射性トレーサー（すなわち放射性リガンド）が開発されており、ドーパミンD2 / D3受容体用の[ 11C ]ラクロプライド、[ 18F ]ファリプライド、[ 18F ]デスメトキシファリプライドなどの特定の神経受容体サブタイプのリガンド、セロトニントランスポーター用の[ 11C ] McN5652および[ 11C ] DASB 、セロトニン5HT1A受容体用の[ 18F ]メフウェイ、ニコチン性アセチルコリン受容体または酵素基質（AADC酵素用の6- FDOPAなど）用の[ 18F ]ニフェンなどがあります。これらの薬剤は、様々な神経精神疾患および神経疾患の状況下における神経受容体群の可視化を可能にする。
PETは、てんかんの原因となる海馬硬化症の診断にも使用されることがあります。FDG、およびあまり一般的ではないトレーサーであるフルマゼニルとMPPFがこの目的で検討されています。[ 23 ] [ 24 ]硬化症が片側性（右海馬または左海馬）の場合、FDGの取り込みを健康な側と比較することができます。MRIでは診断が難しい場合でも、PETで診断できる可能性があります。[ 25 ] [ 26 ]
ヒト脳内の神経凝集体の非侵襲的生体内PETイメージングのための多数の新規プローブの開発により、アミロイドイメージングは臨床使用に近づいています。初期のアミロイドイメージングプローブには、カリフォルニア大学ロサンゼルス校で開発された[ 18F ]FDDNP [ 27 ]と、ピッツバーグ大学で開発されたピッツバーグ化合物B（PiB）[ 28 ]が含まれます。これらのプローブにより、アルツハイマー病患者の脳内のアミロイドプラークを可視化することができ、臨床医が生前にアルツハイマー病の確実な臨床診断を下すのに役立ち、新しい抗アミロイド療法の開発に役立つ可能性があります。
[ 11 C]ポリメチルペンテン（PMP）は、アセチルコリンエステラーゼの基質として作用し、アセチルコリン作動性神経伝達物質系の活性を測定するためにPETイメージングで使用される新規放射性医薬品です。アルツハイマー病患者の死後検査では、アセチルコリンエステラーゼのレベルが低下していることが示されています。[ 11 C]PMPは脳内のアセチルコリンエステラーゼ活性をマッピングするために使用され、アルツハイマー病の生前診断や治療のモニタリングに役立つ可能性があります。 [ 29 ] Avid Radiopharmaceuticalsは、PETスキャンを使用してアミロイドプラークを検出するために、より長く持続する放射性核種フッ素18を使用するflorbetapirと呼ばれる化合物を開発し、商品化しました。 [ 30 ]
近年の神経画像診断の進歩は、神経原線維変化の生体内可視化を可能にする[^18F]フロルタウシピル、[^18F]MK-6240、[^18F]RO-948などのタウ特異的PETトレーサーの開発に焦点を当てています。タウイメージングは、アルツハイマー病および関連するタウオパチーにおける疾患の重症度と進行をより直接的に測定することで、アミロイドPETを補完します。これらのトレーサーは、治療反応のモニタリングや、アルツハイマー病と他の認知症との早期鑑別診断の精度向上を目的として、長期研究や臨床試験でますます広く使用されています。また、トレーサーの取り込みを自動的に定量化し、人間の観察者が見逃す可能性のある早期疾患パターンを検出するために、人工知能に基づく画像解析手法も研究されています。
生物学的精神医学において関心のある神経受容体に選択的に結合する多数の化合物が、C-11またはF-18で放射性標識されている。ドーパミン受容体（D 1、[ 31 ] D 2、[ 32 ] [ 33 ]再取り込みトランスポーター）、セロトニン受容体（5HT 1A、5HT 2A、再取り込みトランスポーター）、オピオイド受容体（μおよびκ）、コリン作動性受容体（ニコチン性およびムスカリン性）およびその他の部位に結合する放射性リガンドは、ヒト被験者を用いた研究で成功裏に使用されている。統合失調症、薬物乱用、気分障害、およびその他の精神疾患の患者におけるこれらの受容体の状態を健常対照群と比較して調べた研究が行われている。
PETは、頭蓋内腫瘍、動静脈奇形、その他の外科的に治療可能な疾患の治療のための画像誘導手術にも使用できます。 [ 34 ]
心臓PETは心筋血流の評価に使用でき、冠動脈疾患、心アミロイドーシス、心サルコイドーシスなどの心臓疾患の診断にも使用できます。[ 35 ]また、新しい抗動脈硬化療法の有効性をテストするためにも使用されています。[ 36 ]心臓PETで一般的に使用される放射性トレーサーは、ルビジウム-82、窒素-13アンモニア、酸素-15水です。[ 37 ]
心臓SPECTは心臓病学で一般的に使用される核医学画像診断法ですが、PETはそれに比べて画質が優れており、冠動脈疾患の診断精度が向上しています。[ 38 ] PETはSPECTに比べて技術的に優れているにもかかわらず、どちらのモダリティがより費用対効果が高いかについては議論があります。[ 39 ] SPECTスキャナーは一般的に安価で、設置ベースも広くなっていますが、[ 40 ] PETを使用するとその後の医療利用が少なくなるという研究結果もあります。[ 41 ]
分子イメージング技術による感染症の画像化は、診断と治療経過観察を改善することができます。臨床的には、PETはFDGを使用して細菌感染症を画像化し、感染に関連する炎症反応を特定するために広く使用されています。生体内で細菌感染症を画像化するために開発された3種類のPET造影剤は、[ 18F ]マルトース、[ 42 ] 、 [ 18F ]マルトヘキサオース、および[ 18F ]2-フルオロデオキシソルビトール（FDS）です。[ 43 ] FDSには、腸内細菌科のみを標的にできるという利点があります。
前臨床試験では、新薬を放射性標識して動物に注射することができます。このようなスキャンは生体内分布研究と呼ばれます。時間の経過に伴う薬物の取り込み、保持、排泄に関する情報は、動物を殺して解剖する従来の方法と比較して、迅速かつ費用対効果の高い方法で得ることができます。一般的に、想定される作用部位における薬物の占有率は、標識されていない薬物と放射性標識化合物が特異的にその部位に結合する競合研究によって間接的に推測できます。このようにして、単一の放射性リガンドを使用して、同じ標的に対する多くの潜在的な薬物候補をテストすることができます。関連する技術には、特定の受容体で内因性（自然発生的）物質と競合する放射性リガンドでスキャンして、薬物が天然物質の放出を引き起こすことを示す方法があります。[ 44 ]
完全に意識のあるラットをスキャンできるほど小さい小型動物用PETが構築されました。 [ 45 ]このRatCAP（ラット意識動物用PET）により、麻酔の交絡効果なしに動物をスキャンできます。げっ歯類を画像化するために特別に設計されたPETスキャナー（マイクロPETと呼ばれることが多い）や小型霊長類用のスキャナーは、学術研究や製薬研究向けに販売されています。これらのスキャナーは、単一チップシリコン光電子増倍管を使用するシステムを介して、超小型シンチレーターと増幅アバランシェフォトダイオード（APD）に基づいています。[ 1 ]
2018年、カリフォルニア大学デービス校獣医学部は、小型の臨床用PETスキャナーを、研究目的ではなく臨床目的の動物診断用スキャナーとして導入した最初の獣医学センターとなった。しかし、費用面の問題に加え、伴侶動物における癌転移の検出（この検査法の主な用途）における有用性が限定的であることから、獣医学分野でのPETスキャンは、近い将来、ほとんど利用できなくなると予想される。
PETイメージングは、筋肉や骨の画像化に用いられてきた。FDGは筋肉の画像化に最も一般的に使用されるトレーサーであり、NaF-F18は骨の画像化に最も広く使用されているトレーサーである。
PETは、運動中の骨格筋を研究するための実行可能な技術です。 [ 46 ]また、PETは、皮膚直下の表層筋にしか使用できない筋電図などの技術と比較して、深層筋（大腿中間広筋や小殿筋など）の筋活動データを提供できます。ただし、PETの欠点は、運動終了後に測定する必要があるため、筋活動のタイミング情報が得られないことです。これは、FDGが活性化された筋肉に蓄積するのに時間がかかるためです。[ 47 ]
[ 18F ]フッ化ナトリウムとともに、 PETによる骨イメージングは、静的および動的スキャンを使用して局所的な骨代謝と血流を測定するために60年間使用されてきました。研究者たちは最近、骨転移の研究にも[ 18F ]フッ化ナトリウムを使用し始めました。 [ 48 ]
PETスキャンは非侵襲的ですが、電離放射線への曝露を伴います。[ 3 ] PET神経画像診断や癌患者の管理に最もよく使用される放射性トレーサーの1つであるFDGの典型的な投与量（245 MBq）の場合、[ 49 ]実効放射線量は4.7 mSvです。[ 50 ]
PET-CTスキャンを組み合わせた場合、 CTスキャンによる放射線被ばくは相当な量になる可能性があり、70kgの人 の場合 、スキャンの範囲と使用目的に応じて約3～26mSvに及ぶ。 [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]
一般的なFDG PET-CTスキャンの放射線量は、コロラド州デンバー市で1年間過ごした場合の有効線量（12.4 mSv/年）に匹敵します。[ 54 ]比較のために、他の医療処置の放射線量は、胸部X線検査 で0.02 mSv 、胸部CTスキャンで6.5～8 mSvです。[ 55 ] [ 56 ]民間航空乗務員の平均被ばく量は3 mSv/年で、[ 57 ] IAEAは、原子力エネルギー労働者の全身有効線量は20 mSv/年（5年間平均）であり、特定の年では50 mSvを超えないことを推奨しています。[ 58 ]
PETスキャンで臨床的に使用される放射性物質は、フルオロデオキシグルコース（FDG）と呼ばれる単糖類です。[ 59 ]体内の標的プロセスに応じて、さまざまな画像診断目的で、研究や臨床調査に多くの異なるトレーサーが使用されることがあります。
放射性核種は、グルコース（またはグルコース類似体）、水、アンモニアなど、通常体内で使用される化合物に組み込まれるか、受容体やその他の薬物作用部位に結合する分子に組み込まれます。このような標識化合物は放射性トレーサーとして知られています。PET技術は、PET同位体で放射性標識できる化合物であれば、生きた人間（および他の多くの種）の生物学的経路を追跡するために使用できます。新しい標的分子やプロセスに対する放射性トレーサーは合成され続けています。この記事の執筆時点で、すでに数十種類が臨床で使用され、数百種類が研究に応用されています。2020年、臨床PETスキャンで最も一般的に使用されている放射性トレーサーは、炭水化物誘導体FDGです。この放射性トレーサーは、腫瘍学のほぼすべてのスキャンと神経学のほとんどのスキャンで使用されているため、PETおよびPET-CTスキャンで使用される放射性トレーサーの大部分（95%以上）を占めています。
ほとんどの陽電子放出放射性同位体の半減期が短いため、放射性トレーサーは従来、PETイメージング施設のすぐ近くにあるサイクロトロンを使用して製造されてきました。フッ素18の半減期は十分に長いため、フッ素18で標識された放射性トレーサーは、外部の施設で商業的に製造され、イメージングセンターに輸送することができます。最近では、ルビジウム82ジェネレーターが市販されるようになりました。[ 64 ]これらは、電子捕獲によって崩壊して陽電子放出ルビジウム82を生成するストロンチウム82を含んでいます。
PETスキャンにおける陽電子放出金属同位体の使用については、ランタニドなど上記に挙げられていない元素も含めて検討されている。[ 65 ]
同位体89Zrは、PETカメラを用いた分子抗体の追跡および定量化（「免疫PET」と呼ばれる方法）に応用されている。[ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]
抗体の生物学的半減期は通常数日程度であり、例としてダクリズマブやエレヌマブが挙げられる。このような抗体の体内分布を可視化および定量化するには、PET同位体である89Zrが適している。これは、その物理的半減期が抗体の典型的な生物学的半減期と一致するためである（上の表を参照）。
スキャンを行うには、半減期の短い放射性トレーサー同位体を生体（通常は血液循環系）に注入します。各トレーサー原子は、化学的に生物活性分子に組み込まれています。活性分子が目的の組織に濃縮されるまで待機時間があります。その後、被験者は画像スキャナーに入れられます。この目的で最も一般的に使用される分子はFDGという糖類で、待機時間は通常1時間です。スキャン中、トレーサーが崩壊するにつれて組織濃度が記録されます。
放射性同位体が陽電子放出崩壊（正のベータ崩壊とも呼ばれる）を起こすと、電子の反粒子で反対の電荷を持つ陽電子を放出します。放出された陽電子は組織内を短距離（通常は1 mm未満ですが、同位体によって異なります[ 69 ]）移動し、その間に運動エネルギーを失い、電子と相互作用できる点まで減速します[ 70 ] 。この衝突により電子と陽電子の両方が消滅し、ほぼ反対方向に移動する一対の消滅（ガンマ）光子が生成されます。これらは、走査装置内のシンチレータに到達すると検出され、光電子増倍管またはシリコンアバランシェフォトダイオード（Si APD）によって検出される光のバーストを生成します。この技術は、ほぼ反対方向に移動する一対の光子を同時に、あるいは偶然に検出することに基づいています（重心系では完全に反対方向になりますが、スキャナはこのことを知る術がないため、わずかな方向誤差許容範囲が組み込まれています）。時間的に「ペア」になっていない光子（つまり、数ナノ秒のタイミングウィンドウ内に来ない光子）は無視されます。
電子-陽電子消滅の最も大きな割合は、 互いにほぼ正確に180度の角度で放出される2つの511 keVガンマ光子をもたらします。したがって、それらの発生源を直線上の一致線（応答線、またはLORとも呼ばれる）に沿って特定することが可能です。実際には、放出された光子は正確に180度離れていないため、LORの幅はゼロではありません。検出器の分解能時間が約10ナノ秒ではなく500ピコ秒未満であれば、検出器のタイミング分解能によって長さが決まる弦のセグメントにイベントを局所化することが可能になります。タイミング分解能が向上すると、画像の信号対雑音比（SNR）が向上し、同じ画像品質を達成するために必要なイベント数が少なくなります。この技術はまだ一般的ではありませんが、一部の新しいシステムで利用可能です。[ 71 ]
PETスキャナーで収集される生データは、「同時発生事象」のリストであり、これは一対の検出器による消滅光子のほぼ同時検出（通常は6～12ナノ秒以内の間隔）を表します。各同時発生事象は、陽電子放出が発生した2つの検出器を結ぶ空間上の線（すなわち、応答線（LOR））を表します。
コンピュータ断層撮影(CT) や単光子放出コンピュータ断層撮影(SPECT) データの再構成と同様に、解析手法は一般的に使用されていますが、PET で収集されるデータセットはCT よりもはるかに劣るため、再構成手法はより困難です。同時計数イベントは、シノグラムと呼ばれる投影画像にグループ化できます。シノグラムは、各ビューの角度と傾斜 (3D 画像の場合) でソートされます。シノグラム画像は CT スキャナで取得される投影に類似しており、同様の方法で再構成できます。このようにして得られるデータの統計は、透過断層撮影によって得られるものよりもはるかに劣ります。通常の PET データセットは、取得全体で数百万カウントですが、CT では数十億カウントに達することがあります。これが、PET 画像が CT よりも「ノイズが多い」ように見える原因となっています。 PETにおけるノイズの主な発生源は、散乱（検出された光子のペアのうち、少なくとも1つが視野内の物質との相互作用によって元の経路から逸れ、結果として誤ったLORに割り当てられる）とランダムイベント（2つの異なる消滅イベントから発生した光子が、それぞれの検出器への到着が同時計数タイミングウィンドウ内であったために誤って同時計数ペアとして記録される）の2つです。
実際には、データの前処理にかなりの時間を要する。具体的には、ランダムな同時計数の補正、散乱光子の推定と減算、検出器のデッドタイム補正（光子の検出後、検出器は再び「冷却」する必要がある）、および検出器感度補正（検出器固有の感度と入射角による感度の変化の両方）などである。
フィルタ逆投影法（FBP）は、投影データから画像を再構成するために頻繁に用いられてきました。このアルゴリズムは、計算リソースの要求が少なく、かつシンプルであるという利点があります。一方、生データに含まれるショットノイズが再構成画像に顕著に現れ、トレーサーの取り込み量が多い領域が画像全体に筋状に現れるという欠点があります。また、FBPはデータを決定論的に扱うため、PETデータに内在するランダム性を考慮しておらず、上記で説明した再構成前の補正をすべて行う必要があります。
統計的尤度ベースのアプローチ：Shepp–Vardi アルゴリズム[ 74 ]のような、統計的尤度ベースの反復期待最大化アルゴリズム[ 72 ] [ 73 ]が、現在では再構成の好ましい方法となっています。これらのアルゴリズムは、統計原理に基づいて、測定データにつながった消滅イベントの可能性のある分布の推定値を計算します。利点は、ノイズプロファイルが改善され、FBP でよく見られるストリーク アーティファクトに対する耐性があることですが、欠点は、コンピュータ リソースの要件が大きいことです。統計的画像再構成技術のもう 1 つの利点は、散乱光子、ランダムな同時計数、減衰、検出器のデッドタイムなど、解析的再構成アルゴリズムを使用する際に事前に補正する必要がある物理的効果を、再構成で使用される尤度モデルに組み込むことができ、追加のノイズ低減が可能になることです。反復再構成は、解析的再構成法で使用されるものよりも高度なスキャナ物理モデルを尤度モデルに組み込むことができるため、再構成画像の解像度の向上をもたらすことも示されており、放射能分布の定量化の改善が可能になる。[ 75 ]
研究によると、ポアソン尤度関数と適切な事前確率（例えば、全変動正則化につながる平滑化事前分布、またはラプラシアン分布につながる）を含むベイズ法は、ウェーブレットまたはその他の領域における正規化に基づく手法（例えば、Ulf GrenanderのSieve 推定器[ 76 ] [ 77 ]や Bayes ペナルティ法[ 78 ] [ 79 ]またはIJ Goodの粗さ法[ 80 ] [ 81 ]など）は、ポアソン尤度関数を含むが事前分布を含まない期待値最大化に基づく手法よりも優れた性能を発揮する可能性がある。[ 82 ] [ 83 ] [ 84 ]
減衰補正：減衰は、体内の放射性トレーサーから放出された光子が、検出器と光子の放出源の間にある組織に吸収されるときに発生します。異なるLORは異なる厚さの組織を通過する必要があるため、光子は異なる減衰を受けます。その結果、体内の深部にある構造は、トレーサーの取り込みが実際よりも低いと再構成されます。定量PETイメージングを使用する場合は、これを補正する必要があります。[ 85 ]
減衰係数を推定するオプションの 1 つは、患者の周りを回転する68 Ge 棒状線源を使用した透過スキャンによるものです[ 86 ]透過スキャンは 511 keV での減衰値を直接測定します 。[ 87 ] PET-CT スキャナでは、CT スキャンからのハウンズフィールド単位を使用して 511 keV 光子減衰係数を推定できます。 [ 88 ] [ 89 ] PET-MRI スキャナでの減衰補正は、MRI 画像には組織の減衰係数に関する情報が直接含まれておらず、スキャナのボアが透過スキャンには狭すぎるため、より困難です。[ 90 ] PET-MRI 減衰係数については、機械学習、MRI または放出データから減衰係数を直接推定するアルゴリズム、およびアトラスベースのアプローチ (MRI スキャンをCT 画像のデータベースに位置合わせする) など、いくつかの方法が提案されています。[ 91 ]
減衰補正された画像は一般的に忠実な表現であるが、補正プロセス自体が大きなアーティファクトの影響を受けやすい。そのため、補正された画像と補正されていない画像の両方が再構成され、一緒に読影されることが多い。[ 92 ]
2D/3D再構成：初期のPETスキャナーは検出器が1つのリングにしか配置されていなかったため、データの取得とその後の再構成は単一の横断面に限定されていました。より新しいスキャナーは複数のリングを備えており、実質的に円筒状の検出器群を形成しています。
このようなスキャナからデータを再構築するには、2つのアプローチがあります。
3D技術は、より多くの同時検出と利用が可能になるため感度が高く、ノイズが少ないという利点がある一方で、散乱やランダムな同時検出の影響を受けやすく、より多くのコンピュータリソースを必要とする。サブナノ秒のタイミング分解能を持つ検出器の登場により、ランダムな同時検出の除去性能が向上し、3D画像再構成が有利になった。
飛行時間型PET（TOF PET）：時間分解能が高い（約3ナノ秒）最新のシステムでは、全体的な性能を向上させるために「飛行時間型」と呼ばれる技術が用いられています。飛行時間型PETは、非常に高速なガンマ線検出器とデータ処理システムを利用して、2つの光子の検出間の時間差をより正確に判定します。消滅事象の発生点を正確に特定することは不可能であり（現在の精度は10cm以内 ）、そのため画像再構成が依然として必要です。TOF技術は、特に信号対雑音比において、画質を著しく向上させます。
PETスキャンは、CTスキャンやMRIスキャンと併せて読影されることが増えており、これらの組み合わせ（位置合わせ）によって、解剖学的情報と代謝情報（つまり、構造が何であるか、そして生化学的にどのような働きをしているか）の両方が得られます。PETイメージングはCTなどの解剖学的イメージングと組み合わせることで最も有用になるため、最新のPETスキャナーには、高性能なマルチディテクタ列CTスキャナー（PET-CT）が統合されています。2種類のスキャンは、同じセッション中に患者が2種類のスキャン間で体位を変えることなく連続して実行できるため、2つの画像セットの位置合わせ精度が向上し、 PETイメージング上の異常領域をCTイメージング上の解剖学的構造とより完全に相関させることができます。これは、脳以外の部位でより多く見られる、動いている臓器や解剖学的変動が大きい構造の詳細な画像を表示するのに非常に役立ちます。
ユーリッヒ神経科学・生物物理学研究所では、世界最大のPET-MRI装置が2009年4月に稼働を開始しました。これは 9.4テスラの磁気共鳴断層撮影装置（MRT）とPETを組み合わせたものです。現在、このような高磁場強度では頭部と脳のみを画像化できます。[ 93 ]
脳画像の場合、 N-localizerと呼ばれる装置を使用することで、統合型PET-CTまたはPET-MRIスキャナを必要とせずにCT、MRI、PETスキャンの位置合わせを行うことができます。[ 34 ] [ 94 ] [ 95 ] [ 96 ]
被験者への放射線量を最小限に抑えることは、半減期の短い放射性核種を使用する魅力的な特徴です。PETは、診断技術としての確立された役割に加えて、治療、特に癌治療に対する反応を評価する方法としての役割を拡大しています[ 97 ]。癌治療では、疾患の進行に関する知識の欠如による患者へのリスクは、検査放射線によるリスクよりもはるかに大きくなります。トレーサーは放射性であるため、一般的に妊婦には使用されません[ 98 ] 。
PETの普及を阻む要因は、PETスキャン用の短寿命放射性核種を製造するために必要なサイクロトロンの高コストと、放射性同位体調製後に放射性医薬品を製造するための特殊なオンサイト化学合成装置の必要性にある。陽電子放出放射性同位体を含む有機放射性トレーサー分子は、先に合成してからその中に放射性同位体を調製することはできない。なぜなら、放射性同位体を調製するためにサイクロトロンで照射すると、その有機担体が破壊されてしまうからである。そのため、まず同位体を調製し、次に（FDGなどの）有機放射性トレーサーを調製するための化学反応を、同位体が崩壊する直前の短い時間内に非常に迅速に行う必要がある。このようなシステムを維持できる病院や大学は少なく、ほとんどの臨床PETは、複数の施設に同時に放射性トレーサーを供給できる第三者サプライヤーによって支えられている。この制約により、臨床PETは主に、半減期が110分で使用前に適切な距離まで輸送可能なフッ素18標識トレーサー、または半減期が1.27分のルビジウム82（塩化ルビジウム82として使用）に限定され、後者は携帯型ジェネレーターで生成され、心筋灌流研究に使用されます。近年、統合型遮蔽と「ホットラボ」（放射性同位元素を扱うことができる自動化学ラボ）を備えたオンサイトサイクロトロンが、PET装置とともに遠隔地の病院に導入され始めています。遠隔地のPET装置への同位元素輸送の高コストに対応してサイクロトロンが小型化するにつれて、小型オンサイトサイクロトロンの存在は将来的に拡大していくことが期待されます。[ 99 ]近年、放射性同位元素を供給する放射性医薬品の展開が年間30%増加したことにより、米国ではPETスキャンの不足が緩和されている。 [ 100 ]
フッ素18の半減期は約2時間であるため、この放射性核種を含む放射性医薬品の調製済み投与量は、勤務時間中に複数回の半減期を経て崩壊する。そのため、残存投与量（単位体積あたりの放射能）の頻繁な再校正と、患者のスケジュールに関する綿密な計画が必要となる。
放出断層撮影と透過断層撮影の概念は、1950 年代後半にDavid E. Kuhl 、Luke Chapman、Roy Edwardsによって導入されました。彼らの研究は、ワシントン大学医学部、そして後にペンシルベニア大学でいくつかの断層撮影装置の設計と構築につながりました。[ 101 ] 1960 年代と 70 年代には、ワシントン大学医学部のMichel Ter-Pogossian、Michael E. Phelps、Edward J. Hoffmanらによって断層撮影イメージング装置と技術がさらに開発されました。[ 102 ] [ 103 ]
1950年代からマサチューセッツ総合病院でゴードン・ブラウネル、チャールズ・バーナム、および彼らの同僚が行った研究は、 PET技術の開発に大きく貢献し、医療画像診断のための消滅放射線の最初の実証も含まれていました。 [ 104 ]ライトパイプの使用や体積分析などの彼らの革新は、PETイメージングの展開において重要でした。1961年、ブルックヘブン国立研究所のジェームズ・ロバートソンとその同僚は、「ヘッドシュリンカー」というニックネームで呼ばれる最初のシングルプレーンPETスキャンを構築しました。[ 105 ]
陽電子イメージングの普及に最も大きく貢献した要因の一つは、放射性医薬品の開発でした。特に、アル・ウルフとジョアンナ・ファウラーの指導の下、ブルックヘブン研究所のグループによって開発された標識2-フルオロデオキシ-D-グルコース（FDG - 1968年にプラハのチャールズ大学の2人のチェコ人科学者によって初めて合成され、記述された） [ 106 ]は、PETイメージングの範囲を拡大する上で大きな要因となりました。[ 107 ]この化合物は、1976年8月にペンシルベニア大学でアバス・アラヴィによって2人の健常なボランティアに初めて投与されました。通常の（PETではない）核スキャナーで得られた脳画像は、その臓器におけるFDGの濃度を示しました。その後、この物質は専用の陽電子断層撮影スキャナーで使用され、現代の手順が確立されました。
陽電子計測機器の論理的な拡張は、2 次元アレイを 2 つ使用する設計でした。PC-I はこの概念を使用した最初の機器で、1968 年に設計され、1969 年に完成し、1972 年に報告されました。コンピュータ断層撮影モードとは区別される断層撮影モードでの PC-I の最初の応用は 1970 年に報告されました。[ 108 ] PET 開発に関わっていた多くの人々にとって、円形または円筒形の検出器アレイが PET 計測機器の論理的な次のステップであることはすぐに明らかになりました。多くの研究者がこのアプローチを採用しましたが、James Robertson [ 109 ]とZang-Hee Cho [ 110 ]は、現在の PET の形状のプロトタイプとなったリングシステムを最初に提案しました。最初のマルチスライス円筒形アレイ PET スキャナは、1974 年にTer-Pogossian 率いるグループによってマリンクロット放射線研究所で完成しました。 [ 111 ]
デビッド・タウンゼントとロナルド・ナットによるPET-CTスキャナーは、 2000年にタイム誌によって年間最優秀医療発明に選ばれた。 [ 112 ]
カナダでは、PETスキャンの資金提供は州によって異なります。オンタリオ州では、2025年10月現在、PETスキャンオンタリオプログラムの一環として資金提供されるPETスキャンについては、患者に費用はかかりません。このプログラムは、スキャンが患者に利益をもたらし、他の画像検査よりも優れているという十分な証拠がある適応症に対する定期的なPETサービスに資金を提供します。[ 113 ]
米国では、PETスキャンの費用は場所、施設の種類、保険の種類によって大きく異なります。メディケアの2026年の支払いデータによると、全身PETスキャンの全国平均総費用は872ドルで、メディケアの適用後、患者は約174ドルを支払います。[ 114 ]
英国では、国民保健サービスが対象となる患者にPET-CTスキャンを無料で提供しています。[ 115 ]
オーストラリアでは、対象となるPETサービスに対してメディケアの補助金が利用可能です。[ 116 ]
PETシステムの全体的な性能は、Jaszczakファントムなどの品質管理ツールによって評価できます。[ 117 ]
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