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正子斷層造影簡介

鄭澄意

正子斷層造影( Positron Emission Tomography, 以下簡稱PET )是目前醫界診斷癌症、心臟病及神經精神疾病具有突破性意義的重要診斷工具,而其在基因治療等尖端醫學上也扮演一重要角色。正子斷層造影顧名思義是一種依靠正子的作用而得到的電腦斷層檢查,屬於核子醫學影像診斷。PET與一般大家比較熟悉,在放射科做的電腦斷層檢查(CT)或磁振掃描(MRI)基本上並不相同,而所謂的正子是一種帶正電荷的電子,必須由一種可以放射出正子的同位素藥物(正子藥劑)經衰變的過程而產生。

正子斷層造影的原理:

正子藥劑經靜脈注射入人體後,經衰變的過程產生的正電子在體組織中運行不到1毫米的距離,即與帶負電荷的電子撞擊相互抵消毀滅(物理學上稱互毀作用,annihilation),互抵消毀滅後質量不見了,於是以能量的方式放出來,而放出來的能量是以兩道(方向相反,呈180度)加馬射線呈現,而每一道加馬射線的能量為511 仟電子伏特(keV)。正子斷層造影儀(即執行PET的儀器; 又稱PET掃描儀)可同時偵測這些成對的加馬射線,利用電腦重組正子同位素在組織或器官內分佈的圖像。

正子藥物:
     主要的正子放射同位素有氧-15(15O)、氮-13(13N)、 碳-11(11C)及氟-18(18F),這些同位素可合成許多體內存在或需要的代謝分子,如葡萄糖、胺基酸等,可作為研究探討人體正常或病態的代謝功能。目前在臨床上最常使用的正子同位素藥物是[18F]去氧葡萄糖([18F]2-fluoro-2-deoxy-D-glucose, 簡稱FDG)。上述四種短半衰期的正子同位素是經由迴旋加速器製造出來的,因半衰期短,因此正子斷層掃描設備通常都設置在迴旋加速器附近,方便取得檢查用藥。 

臨床應用:

PET檢查最重要的臨床價值在於PET目前醫學新科技中能早期診斷癌症的工具,對於轉移性癌細胞其原發性病灶之偵測癌症分期的評估(staging)癌症手術前作正確的評估(需不需要手術?還能不能手術?是否直接化學治療或放射治療對患者比較合適)與手術後效果的評估與追蹤化學治療及放射治療前作正確的評估及治療後效果的評估與追蹤。此外,PET對於心臟疾病及神經精神疾病亦有重要的臨床價值,茲分述如下:

腫瘤的臨床應用:

目前可用於腫瘤正子斷層造影檢查的製劑包括: FDG、氟-18標化胞嘧啶 (thymidine, 簡稱FLT)或膽鹼(choline),以及碳-11標化的乙酸鹽(acetate)或甲硫胺酸(methionine)等。FDG是目前唯一經過衞生署查驗登記核准用於正子斷層檢查的正子藥物,其檢查原理主要係利用惡性腫瘤和正常組織對去氧葡萄糖吸收及留存的程度差異(一般而言,惡性細胞可吸收較多的葡萄糖,且於細胞內存留時間較長)區分其良惡性。FDG注入體內後,多數惡性腫瘤則呈現高度的吸收,正子斷層造影則藉由正子造影儀器自體外偵測,若見異常高度吸收之病灶,則有惡性腫瘤之可能,。FDG在惡性腫瘤的診治上以乳癌、大腸癌、食道癌、淋巴癌、頭頸部癌、黑色素瘤以及甲狀腺癌的幫助最為明確,包括區分病灶良惡性、癌症的分期、復發追踪以及療效評估等。其它的正子藥物如氟化胞嘧啶(用於包括腦瘤等癌症之造影)或氟化膽鹼 (泌尿系統等癌症造影) 以及碳-11標化的乙酸鹽或甲硫胺酸也可應用於不同腫瘤的造影,其臨床價值及效益尚待進一步評估。此外正子斷層造影還可以利用動情素或黃體素衍生物之正子製劑於術前造影評估乳癌組織的動情素或黃體素受器情形,對於乳癌荷爾蒙治療之療效評估亦有相當之參考價值。

神經精神疾病的臨床應用:

 由於神經精神病變屬功能性改變,腦解剖學上未必出現異常,因此可藉正子造影了解其腦部代謝或神經傳導物質變化反應其疾病的存在機轉,及治療反應。目常用作神經病變診斷包括癲癇症多種認知異常及失智症(包括阿兹海默氏症),運動障礙,腦缺血及出血之診斷、鑑別與預後,其中前二項在美國己獲健保給付。

心臟疾病的臨床應用:

在心肌代謝活動中,正常的心臟(尤其是在饑餓狀態),游離脂肪酸(Free Fatty Acid,FFA)是心肌能量最重要來源,其中長鏈脂肪酸約提供70%心肌所需能量,而碳水化合物僅佔30%,但在進食過後,血中葡萄糖及胰島素濃度增加而游離脂肪酸濃度降低,此時心肌能量的來源則以葡萄糖為主,而在心肌缺氧或胰島素因病理狀態而昇高時,游離脂肪酸在粒腺體中的氧化受到抑制,則心肌立即以增高糖解作用來提高葡萄糖的利用。因此,心肌的代謝活動,隨時因應生理條件與病理狀態而做調整,透過正子斷層造影將心肌利用基質的情形與代謝活動的狀態呈現出來,而心臟正子造影評估心肌代謝活動的正子藥劑目前是以FDG為主,其主要的臨床應用在心肌梗塞後評估心肌梗塞區域的存活心肌,以幫助心臟科醫師選擇最適合病人治療方針。PET檢查包括心臟血流灌注(13 N-NH3 PET)與代謝檢查( FDG PET),如果心臟血流灌注13 N-NH3 PET掃描出現灌注異常,表示局部心肌血流減少。FDG檢查出現代謝降低的現象,表示此局部的心肌泰半壞死結疤,即使作血管汽球擴張或冠狀動脈繞道手術,亦無法改善心臟的功能。如果FDG檢查發現血流灌注減少的地區,仍有代謝活性甚至活性增加,表示心肌缺氧,心肌細胞尚存活,進行擴張術或繞道手術可以改善心臟功能。

PET掃描檢查流程
FDG全身掃描:

 FDG全身掃描主要用於腫瘤檢查。應檢前病患應禁食至少6小時,血糖不要 超過120mg/dl。約5至10毫居里(mCi)的FDG經靜脈注射後,受檢者應靜躺休息45分鐘,俾便FDG在腫瘤內能充分聚積,在正常組織中能充分排除, 並經由腎臟、膀胱排泄,45分時間到,解完尿後,即可躺上掃描台,進行檢查,一般自頭部掃描至大腿上三分之一約需一小時。為減少體組織對加馬射線減弱效應(attenuation effect)的影響,通常會以Ge-68射源另作穿 透掃描(transmission),校正組織減弱效應,需另加約15至30分鐘檢查時間。掃描完畢,即可進行斷層影像重組與分析。如有需要,可測定病灶對FDG 的吸收率,如:標準攝取值(standard uptake value,簡稱SUV)。為針對特定器官的病灶(如肺腫塊)作良惡性鑑別診斷,可另加作局部掃描,檢查時間約20分鐘。 
腦代謝功能FDG檢查: 
    
 受檢者亦需禁食6小時以上,注射5至10mCi之FDG前先測定血糖,如未達120mg/dl ,給予100毫升50%葡萄糖水,30分鐘後再注射FDG。受檢者經注射FDG後,應靜躺於安靜、幽暗的檢查室內45分鐘,再進行腦部掃描。穿透掃描可於FDG掃描前或後 進行,檢查時間約30分鐘。糖尿病患,空腹血糖超過200mg/dl,應先控制好血糖後再作PET檢查。血糖低於200mg/dl者,應檢當天可另給予5個單位的胰島素,促進FDG的吸收。 
 心臟血流灌注與代謝檢查: 
    
 病患檢查前須禁食6小時以上,首先作休息狀態的心肌血流灌注PET掃描, 病患接受靜脈注射約15 mCi的13N-NH3後進行心臟 掃描及穿透掃描;等一階段掃描完畢後,接著靜脈注射冠狀血管擴張劑(通常是dipyridamole)與第二劑的13N-NH3,再作一次心臟掃描,比較此二次掃描,即可得知心肌血流灌注是否異常。第二階段掃描完畢後,給予口服100毫升50%葡萄糖水,30分鐘後注射5-10 mCi FDG,45分鐘後掃描,整套檢查時間約2小時30分。


PET影像分析與影像處理: 
    
 PET影像資料如配合動脈血中正子同位素藥物濃度資料以代謝模式加以運算,可求得單位組織代謝速率,例如:使用FDG可測得每單位組織每分鐘代謝多少分子的葡萄糖, 使用15O-水可測定每單位組織的血流、血量等。不過這些測定需連續抽取動脈血化驗,比較麻煩,只用於研究,較少用於臨床服務。臨床多採用標準攝取值(SUV)或簡單的病灶與正常組織放射活性比。由於PET影像主要提供代謝功能影像,判讀時可能需要放射線電腦斷層(CT)或磁振造影(MRI)參考病灶及器官之相關位置。目視判讀是最常用的方法,但以影像融合方式將解剖結構影像與PET功能影像結合, 更能精確地顯示出異常病灶的位置及代謝異常的程度。目前更有儀器廠將CT與PET結合,可更方便快速地提供融合影像。


PET檢查的輻射劑量:
    
 以FDG為例,一次檢查的輻射劑量約為705毫侖目(mrem),15O-水及 13N-NH3更少,在150至250mrem之譜。此劑量大約相當於上腸胃道X光檢查(500-700mrem),比CT檢查(約在2000-4000 mrem)為少。因正 子同位素半衰期短,所以輻射劑量相對較低,不會造成人體的傷害。


正子造影的發展趨勢:

正子造影基本上可視為分子影像的一環,我們知道,分子影像最重要的目標在探索活體內生物學與生化學的處理過程,以期得到與疾病診斷或治療上相關聯的資料,而正子造影則提供包括葡萄糖代謝影像、細胞增生影像、氧代謝影像、接受體分佈影像及報導基因影像提供重要的分子影像。

除了如前所述正子造影透過FDG了解葡萄糖在正常組織與病灶處的代謝影像外。正子造影最早用來提供癌細胞之細胞增生影像是利用氟-18標化胸腺嘧啶作為示踪劑,當去氧核糖核酸合成時,細胞會攝取胸線嘧啶來合成去氧核糖核酸的雙股,由於示踪物的氟-18會抑制癌細胞內的磷酸化反應,進入細胞內的氟化胸線嘧啶便無法進一步代謝以致不斷積聚累積,因此以正子斷層造影技術便得到病灶內細胞增生及去氧核糖核酸合成活度的指標,目前此種分子影像可以有效的偵測原發性的肝腫瘤。癌細胞另一項特性是比較能夠存活在缺氧的狀態下,此時也比較能抗拒放射治療時所承受到的輻射,氟-18標化azomycin arabinoside (阿拉伯糖的化合物) 是一種非氧化糖解的指標,是一種在動物實驗階段可以評估腫瘤組織在缺氧狀態下的示踪物,利用此種分子影像在放射治療前評估治療效果,從而調整治療計畫是此一分子影像最被期待的研究目標。此外;利用鎵-68標化octreotide (一種八個胺基酸的體抑素類似物) 得到體抑素接受體 (somatostatin receptor) 的影像則是目前偵測神經內分泌腫瘤的新方向。

基因造影是目前研究領域中的核心價值之一,基因影像的發展不僅希望在活體內看到由DNA到蛋白質的生物學過程,也致力於基因治療領域中以分子影像“看到”修補基因缺陷的過程,此一先驅的研究透過氟-18標化penciclovir得以成功的讓報導基因造影在活體內顯現,這可以說是正子造影貢獻在基因治療的起步,在基因治療的進展過程中,正子造影的貢獻値得期待。

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更新時間:2022/1/19 下午 13:37:00
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