PET 分子显像有三种方法：直接显像、间接显像和替代显像[4] 。
直接显像
直接显像是基于特异性 PET 分子探针与靶分子直接作用而对靶进行显像，PET 影像质量与 PET 分子探针和靶(如酶、受体及抗原决定簇)相互作用直接相关。用正电子核素标记抗体对细胞表面抗原或抗原决定簇进行 PET 显像、用正电子核素标记小分子探针对受体密度或占位进行 PET显像、用 2-18F-2-脱氧-D-葡萄糖(FDG)对糖代谢酶活性进行 PET 显像、用 O-(2-18F-氟代乙基)-L-酪氨酸(FET)对转运体(如 L-型转运蛋白)进行PET显像以及用正电子核素标记寡核苷酸对靶 mRNA 或DNA 进行 PET 显像，均属于直接显像范畴。由于直接显像采用靶特异性探针直接对靶进行显像，方法简便，因而广泛应用于显像特异性分子-遗传学靶的高特异性正电子核素标记分子探针的研究。但是，直接显像需要针对各种靶分子研制特异性的分子探针，不仅耗资，而且耗时[4] 。
间接显像
间接显像是基于特异性 PET 报告探针与相应靶分子报告基因产物作用而间接对感兴趣目标报告基因表达进行显像，因涉及多种因素，较为复杂。报告基因表达 PET 显像是目前最常用的一种间接显像方法，必须具备报告基因和报告探针两因素，且报告探针与报告基因表达产物间应具有特异性相互作用。报告基因表达 PET显像主要有酶报告基因表达 PET 显像和受体(或转运蛋白) 报告基因表达 PET 显像两种方法。由于一种报告基因的特异性报告探针用于该报告基因偶合的各种感兴趣目标基因(如治疗基因)的测定，能对多种不同的生物和分子-遗传学过程进行 PET 显像，不需要针对不同报告基因-报告探针系统研制不同特异性 PET 分子探针；另外，研究报告基因的构建远比研制新的 PET 分子探针简便，且报告基因表达显像比新的 PET 分子探针应用于临床更快。因而间接显像比直接显像耗时少、耗资低[4] ，这是目前导致报告基因表达 PET 显像广泛应用于分子显像研究的主要原因。替代显像不是利用 PET 分子探针和靶的特异性相互作用，而是用现已使用的 PET 显像剂和 PET 显像方法对特异的内源性分子-遗传学过程进行显像，用于对诸如癌症等疾病发生特异的内源性分子-遗传学过程变化所产生的下游生理生化效应进行监测，因而主要用于疾病治疗效果的监测。
替代显像
由于替代显像可应用现已研制成功并已用于人体的PET 分子探针进行分子显像，因而是三种显像方法中最为简便的一种，且耗时耗资最低。另外，因直接显像和间接显像只是用于起始临床研究，而替代显像可直接应用于近期临床研究，从而倍受人们重视。然而，替代显像具有特异性差的缺点[4] 。例如，多巴胺 D2受体(D2R)显像剂 18F-fluoroethylspiperone(18F-FESP)应用于分子显像研究就是一个典型的例子。最初，18F-FESP 是作为对多巴胺 D2 受体进行直接显像的标记配体而研制的，经过数年研究后才被认证为 D2R 显像剂，用于帕金森氏病鉴别诊断。目前，18F-FESP 正用作为 D2R 报告基因 PET 分子探针，用于 D2R 报告基因表达 PET 显像实验研究，进一步用于临床D2R报告基因表达间接显像尚需进一步认证。但是，18F-FESP 却很快用作为替代显像分子探针，用于帕金森氏病疗效监测和新药研究评价。另一个例子就是 FDG，FDG 是一种针对糖代谢酶活性进行直接显像的 PET 显像剂，经过数十年认证后才广泛用于肿瘤、心脏疾病及脑部疾病的鉴别诊断。FDG 也可作为替代显像分子探针，用于肿瘤基因治疗效果的监测，但它对基因表达显像缺乏特异性，因而不能用于肿瘤基因治疗时基因表达的监测。