111年2月淺談正子磁振造影機（PET/MR）原理與應用
正子斷層造影( Positron Emission Tomography, 英文簡稱PET )以下簡稱「正子造影」，主要為功能性影像檢查，藉由正電子(positron) 放射性核種如F-18、O-15、N-13、C-11 的物理特性進行正子蛻變(β+decay) 可釋放出正電子，正電子會立刻與組織中的負電子產生互毀作用(annihilation)後，產生兩個方向相反的511 keV 高能光子輻射線(γ-ray)，再由正子造影儀器接收，經過電腦的影像處理，分析出人體的生理藥物分布立體影像( 下頁圖1)。正子藥物會釋放出正電子，使用不同藥物的生理機轉可以反映出不同組織器官病變的存在、範圍大小與嚴重程度。目前使用氟化去氧葡萄糖正子藥物(F-18 FDG)可用於評估體內器官組織的代謝情形，臨床上可以用於腫瘤造影、心肌存活評估及癲癇病灶定位。因為癌細胞通常會有較高的代謝，因此氟18 標記葡萄糖的攝取會較正常組織來的高，因此利用這個特性作為腫瘤癌症的分期與療效的評估工具，因此中央健康保險局自民國93 年7 月起，開始給付部分疾病正子斷層掃描的檢查費用。其適應症如下：
一、腫瘤部分的適應症：
1. 乳癌、淋巴癌的分期、治療及懷疑復發或再分期。
2. 大腸癌、直腸癌、食道癌、頭頸部癌( 不包含腦瘤)、原發性肺癌、黑色素癌、甲狀腺癌及子宮頸癌的分期及懷疑復發或再分期。
二、非腫瘤部分的適應症：1. 存活心肌偵測：限LVEF ≦ 40% 以下。2. 癲癇病灶術前評估。正子影像需要經過光子衰減校正(attenuation correction) 後，才能提供清晰與定量化的影像，因為輻射強度會隨著距離正子儀器偵檢頭越遠，以及經過體內組織器官的衰減，造影輻射生理訊號而減弱，重建影像中體內組織器官訊號微弱，體表皮膚訊號過強的現象，因而判讀不易( 下頁圖2)，所以需要計算體內組織的直線衰減係數值來做校正。
圖1. 圖a-f 為正子影像產出的流程圖：a. 代表正子核種經過正子蛻變釋放正電子；b. 代表正電子與電子互毀產生方向相反的r-ray；c. 代表正子藥物中常用的氟化去氧葡萄糖(F-18 FDG) 結構式；d. 代表注射正子藥物到體內後，正子偵檢器收集身體的生理代謝訊號；e. 原始正子影像座標圖；f. 利用e 進行影像重建法後產生可以判讀的正子影像。
圖2. 此為同一受試者，a. 代表未經過光子衰減校正的正子影像，b. 代表為經過光子衰減校正訊號後的正子影像。
圖3. 利用狄克森法脈衝波序(Dixon pulse sequence) 可以將身體組織分割不同訊號，左上方為純水訊號(water) 影像，右上方為純脂肪(fat) 影像訊號，正下方為兩者訊號結合重新分隔產生的衰減校正圖譜，包含肺部、脂肪組織、軟組織和背景圖。( 參考來源：Magn Reson Mater Phy (2013) 26:99–113)
西元1997 年美國匹茲堡大學Townsend教授等人將電腦斷層(Computed Tomography, 英文簡稱CT) 和PET 的儀器整合在一起，創造出PET/CT 造影機，可以同時兼顧功能和解剖結構影像。因為利用CT 產生X 光穿透人體不同密度的組織器官，造成X 光不同程度的衰減，再使用電腦影像重建法運算出人體各切面組織密度分布的影像，也就是輻射光子受物質直線衰減程度的衰減修正圖譜(attenuation map)，正好適合當作PET 造影的衰減校正補償資訊，故目前臨床都以PET/CT 造影機應用於臨床檢查，但唯一的缺點是因為CT 穿透掃描多增加了些微的輻射劑量，所以近幾年開始提到使用磁振造影儀(Magnetic Resonance Imaging,英文簡稱MRI) 來做PET 的影像衰減校正與解剖定位，2003 年首部正子/ 磁振造影機(PET/MRI) 高階儀器因而產生。磁振造影儀(MRI) 原理是人體在高磁場環境中，利用無線電波激發體內的氫原子，使其產生共振訊號，經電腦影像重組運算得到高解析度的影像。
可是MRI 本身沒有輻射線訊號，缺乏如CT 可以穿透組織的輻射直線衰減係數資訊，但因為科技突飛猛進，儀器軟硬體獲得大幅改善提升後，磁振造影衰減修正 (magnetic resonance attenuation correction,MRAC) 可以藉由MRI 本身的狄克森法脈衝程序(Dixon pulse sequence) 產生的純水、純脂肪、水加脂肪、水減脂肪4 種組織訊號進行衰減修正( 圖3)，當然還有一些其他的波序可以進行衰減校正的影像重建，目前也都在開發研究中。
由於MRI 優點具有高解析度及良好的軟組織對比度，並有多種脈衝序列影像可以參考，對於鑑別癌症病灶的位置及特性十分有幫助；而PET 對於癌症轉移病灶的偵測相當敏感，故這兩種醫學影像檢查對於癌症的偵測、分期及療效評估相當重要。根據美國麻省總醫院的統計，有約兩成接受PET-CT 檢查的患者，仍需要接受MRI 檢查以評估病情，所以現行的正子造影都是結合電腦斷層定位的PET/CT。而上述需要接受MRI 及PET 檢查的患者，就必須分開接受兩次檢查，需要花費較多的時間，也無法在同一天完成檢查，因此分開取得的兩種影像之間，可能因為身體姿勢擺位的不同，或因兩次檢查相隔了一段時間，出現諸如無法精確定位病灶，或無法表現出一致的影像生理發現的問題。
正子磁振造影機（PET / MR）是當今醫學影像最具獨特性的發明，並於近年逐步改進，成為目前臨床研究與應用的重要工具。台灣目前共有4 台，分別位於台大醫院、台北榮總、三軍總醫院以及林口長庚。它的特性是利用PET/MR 同步取像，提供一機台、一次檢查流程，可在20 到60 分鐘內完成全身PET 與MR 檢查，同步獲取生理解剖及即時性細胞與代謝功能訊息，較傳統檢查更方便與快速。此外，相較於目前臨床常規使用的正子造影與電腦斷層融合影像(PET/CT)，可進一步降低輻射劑量，對軟組織與骨關節系統也有更好的解析度，目前適用於神經退化、精神、疼痛、心血管疾病與腫瘤診療( 圖4)追蹤等。
圖4. 65 歲男性健康檢查發現腫瘤指數( 前列腺特異抗原，PSA)升高， 使用碳-11 醋酸(C-11 Acetate) 正子藥物使用正子磁振檢查(PET/MR)，紅色箭頭為異常吸收區域，經手術診斷為前列腺癌，但未發現有淋巴結或遠處轉移。
參考資料：
1. Pichler, Bernd J., et al. “PET/MRI: paving the way for the next generation of clinical multimodality imaging applications.” Journal of Nuclear Medicine 51.3 (2010): 333-336.
2. Judenhofer, Martin S., et al. “Simultaneous PET-MRI: a new approach for functional and morphological imaging.” Nature medicine 14.4 (2008): 459.
3. Wagenknecht, Gudrun, et al. “MRI for attenuation correction in PET: methods and challenges.” Magnetic resonance materials in physics, biology and medicine 26.1 (2013): 99-113.
4. Valk, Peter E., et al. “Positron emission tomography.” Springer-Verlag London 1 (2003): 5
5. Hofmann, Matthias, et al. “MRI-based attenuation correction for PET/MRI: a novel approach combining pattern recognition and atlas registration.” Journal of nuclear medicine 49.11 (2008): 1875-1883.
出處:核後端雙月刊第七期