Das Messgerät zur Erfassung der aus dem Körper austretenden Strahlung bezeichnet man als PET-Scanner. Er ähnelt vom äußeren Aufbau einem aus der Röntgen-Diagnostik bekannten Computer-Tomographen. In seinem Inneren befinden sich jedoch im Unterschied zu diesem eine Vielzahl ringförmig um den Patienten angeordneter Messfühler (Detektoren). Sie wandeln aus dem Körper des zu Untersuchenden paarweise austretende Gamma-Quanten in elektrische Impulse um, die dann in einem Computer-System weiterverarbeitet werden.

Anhand der Gleichzeitigkeit des Auftreffens zweier paarweise ausgesandter Gamma-Quanten erfolgt die Zuordnung zu dem auslösenden Ereignis. Dieses Messprinzip bezeichnet man als Konzidenzmessung. Mit Hilfe von Bild-Rekonstruktionsverfahren und mit entsprechenden Modellen des Stofftransports bzw. -umsatzes gewinnt man dreidimensionale Abbildungen (Schichtaufnahmen) des Stoffwechsels. Zwei Organstrukturen sind dabei noch getrennt wahrnehmbar, wenn sie mindestens etwa einen halben Zentimeter voneinander entfernt sind. Kleinere Objekte werden sichtbar, wenn sie einen intensiven Stoffwechsel aufweisen. Zusätzlich wird in dem PET-Scanner derjenige Anteil der Strahlung berücksichtigt, der vom menschlichen Körper abgefangen wird und so die Messung verfälschen würde. Hierzu wird eine schwache Strahlenquelle kurzzeitig um den Körper bewegt und der Anteil der durchgelassenen Strahlung gemessen (Schwächungskorrektur). Die Positronen-Emissions-Tomographie ermöglicht somit im Gegensatz zu der meist qualitativen Beschreibung physiologischer Vorgänge mit herkömmlichen nuklearmedizinischen Verfahren, z. B. mit der Myokardszintigraphie, eine absolute Quantifizierung - etwa der Gewebsdurchblutung.

Die zeitliche Auflösung von Transportvorgängen z. B. in den Herzbinnenräumen und den großen Blutgefäßen liegt in der Größenordnung einiger Sekunden, bei der Gewebsdurchblutung bei einigen Minuten. Die exakte Messung von Stoffwechselgrößen z. B. des Sauerstoffverbrauchs im Gewebe benötigt einige zehn Minuten. Die Untersuchungsbedingungen, z. B. eine medikamentöse Belastung des Herzens für Durchblutungsuntersuchungen, müssen über diesen Zeitraum konstant gehalten werden. Umgekehrt ist die längste Zeit, über die ein Vorgang wie etwa eine entzündliche Reaktion verfolgt werden kann, durch die schnelle radioaktive Umwandlung der für die Markierung benutzten Atome begrenzt.

Traubenzucker (Glukose) ist die Schlüsselsubstanz im Energiestoffwechsel des Körpers. Ihre radioaktiv markierte Verwandte, die 18-Flour-Desoxy-Glukose (FDG), ist daher gegenwärtig unentbehrlich bei der Tumorsuche, der Abgrenzung von Herzinfarktnarben gegenüber vitalem Herzmuskelgewebe vor kritischen herzchirurgischen Operationen, Herzkathetereingriffen oder einer Herz-Transplantatation. Sie ist hilfreich zur Lokalisation komplexer Hirnfunktionen vor Hirnnoperationen, der Abgrenzung degenerativer Hirnerkrankungen von anderen psychiatrischen Leiden und bei der Diagnose von Hirntumoren.

Der erhaltene Traubenzucker-Stoffwechsel gilt als sicherstes Merkmal für die Intaktheit des Gewebes. Herzmuskelzellen ernähren sich unter normalen Umständen bevorzugt über Fettsäuren. Sie sind ebenfalls in der Lage, Traubenzucker zur Energiegewinnung heranzuziehen. Bei wiederholter Mangeldurchblutung geschieht dies in zunehmendem Maße. In Herzmuskel-Arealen, die von hochgradigen Engstellen der Herzkranzgefäße betroffen sind, sinkt die Durchblutungsreserve, die sich auch mit Hilfe von N-13-Ammoniak messen läßt, deutlich ab. Der Traubenzucker-Stoffwechsel bleibt erhalten, steigt unter Umständen sogar stark an. Man spricht von einem sogenannten „mismatch“ zwischen Durchblutung und Vitalität des Gewebes. Im Ultraschall ist die Wandbewegung dieser Areale meist gestört. Häufig ist überhaupt keine Kontraktilität mehr nachweisbar, sodass man hier eine Herzinfarktnarbe vermuten würde. Nach einer erfolgreichen Wiederherstellung der Durchblutung können sich jedoch solche Areale wieder erholen. Für dieses Phänomen wurde der Begriff des „hibernating myocardium“ d. h. des winterschlafenden Myokards geprägt.

Bei einer malignen Entartung der Zellen teilen sich diese unkontrolliert und setzen große Stoff- und Energiemengen um. Auf der Zelloberfläche finden sich veränderte Transport-Eiweiße. Mit ihrer Hilfe gelangt auch radioaktiv markierter Traubenzucker (FDG) verstärkt in das Zellinnere und macht dadurch bösartige Zellverbände „sichtbar“.

Jeweils die Hälfte der in einer Probe radioaktiven Traubenzuckers zur Markierung benutzten Fluor-Atome wandelt sich innerhalb von ca. zwei Stunden um (Physikalische Halbwertszeit). Dadurch lässt sich diese Substanz über mittlere Entfernungen transportieren. FDG ist somit auch außerhalb von speziellen PET-Zentren für jene Ärzte zugänglich, die zumindest über einen PET-Scanner verfügen (Satellitenkonzept).