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呼吸假影對PET/CT影像診斷癌症之影響

台北榮民總醫院核醫部 研究助理吳念芸/主任 王世楨醫師

本文出自癌症新探67期

正子斷層掃瞄( positron emission tomography, PET )於1970年代問世,是一種非侵入性之核子醫學造影技術。正子放射藥物藉由迴旋加速器(cyclotron)產生之後,經由吸入或注射進入體內,根據其化學及生物特性在體內可能發生以下情況:被組織的細胞攝取和聚集、經由組織的細胞清除和排出、參與代謝過程、抑或是簡單地在積存於某些地區等等。由於正子放射藥物會釋放γ 射線穿透組織,因此,可使用放射性偵檢器在體外偵測此放射藥物在體內之分佈,它將隨著時間而有所改變,藉以作為全身器官組織之功能性造影檢查,再根據正常值、變異範圍和某些疾病的異常特點對疾病進行診斷。目前臨床上最常使用的正子放射藥物為氟代脫氧葡萄糖,完整的化學名稱為2-氟-2-脫氧-D-葡萄糖,通常簡稱18FDG,此化合物是一種葡萄糖類似物,葡萄糖為人體能量產生的必須來源,對於癌細胞而言,能量需求較正常細胞大,葡萄糖代謝比正常細胞更加旺盛,因此大部分的18FDG多被腫瘤細胞攝取且停留於細胞內。

目前正子-電腦斷層攝影系統(PET/CT dual-modality)已廣為國內各大醫學中心使用,PET/CT如同名稱所示,是結合了兩種掃描為一體的高科技影像診斷儀器-即正子掃描(PET)及X光電腦斷層掃描(x-ray CT)。現今的PET/CT因CT掃描速度快,大都會要求病人在掃描過程中閉氣或做較淺的呼吸運動,所得到的CT影像在執行衰減校正(attenuation correction)時,常會因和PET影像處於不同的呼吸時期而出現影像錯位(misalignment)假影(圖1),進而低估標準攝取值(Standard uptake values, SUV),錯誤的影像資訊即無法精確地找出病變所在,喪失其檢查之意義。因此,如何校正因呼吸運動而導致的影像假影問題,在目前PET/CT上就顯得非常重要,甚至必須同時考量運動假影與輻射劑量等兩個同時存在的問題。
 
圖1.不同呼吸時期的CT對PET影像執行衰減校正後所產生的影像,圖(A)為使用瞬間呼吸時期的CT影像執行衰減校正;圖(B)為使用平均多個呼吸週期的cine average CT影像執行衰減校正,由圖(A)、(B)可以發現使用瞬間呼吸時期的CT影像執行衰減校正,導致腫瘤對藥物的吸收值較低,由此可知,融合不同呼吸時期的CT和PET影像在診斷腫瘤時確實會影響其正確性 (箭頭處)。
    為了解決呼吸假影問題,有研究團隊提出使用閘控(gated)式呼吸偵測技術配合取像來解決呼吸假影的問題。偵測呼吸的裝置有下列幾種(圖2、圖3):
(1)壓力感測器(pressure sensor):
將一條束腹帶圍在病人腹部處,並於束腹帶和身體間放置壓力感測器,由於呼吸運動時胸腹部會有上下起伏的變化,則吸氣時腹部會變大而去壓迫壓力感測器,藉著此變化而記錄呼吸週期。

(2) 肺計量計(spirometer):
將氣管(air-tube)置放於病人鼻子或嘴巴,病人只能選擇從鼻子或嘴巴單一種呼吸方式,原理為肺部體積會隨著呼吸運動而有變化,主要是偵測呼吸時空氣的流通率,再將訊號轉換成肺部體積的變化來推測呼吸狀況。

(3) 溫度感測器(temperature sensor):
將溫度感測器黏貼於鼻孔旁,偵測原理為人體體溫通常比外界溫度還要高,因此,吐氣時所呼出的氣體也比外界空氣的溫度高,這種偵測器主要是偵測吸氣與呼器間氣體的溫度變化來推測呼吸的狀況。

(4) 即時呼吸位置管理閘控系統 (real-time position management respiratory gating  system, RPM system):
此偵測方式為偵測病人呼吸時胸腔位置的起伏變化。使用時於病人胸腹部上放置可以反射紅外線的追蹤器,並在床尾架設一台裝有紅外線發光器的數位攝影機,藉由紅外線發光器放出紅外線,病人身上的追蹤器將紅外線反射並被數位攝影機記錄下來,再將所記錄的影像經過影像處理,即可獲得呼吸運動的波形。
上述(1)、(2)、(3)呼吸偵測裝置皆為較粗糙的量測方法,唯有RPM系統較為精準而被少數的應用於研究。
 
圖2.偵測呼吸的裝置。圖(A)為壓力感測器,圖(B)為肺計量計,圖(C)為溫度感測器。
 
圖3.即時呼吸位置管理閘控系統。將右圖的追蹤器放置在病人腹部上,再由RPM發射紅外線感應追蹤器上兩灰點的移動位置並且記錄下來,此移動的位置變化即為病人呼吸運動的週期變化。

呼吸假影的解決方法漸漸地開始搭配呼吸偵測裝置,目前解決呼吸假影的方法分為兩類,由於呼吸週期的波形橫軸為時間,縱軸為振幅(amplitude),所以分為呼吸時期閘控(phase gating)和振幅閘控(amplitude gating)。

1.時期閘控(phase gating)
由呼吸偵測器所獲得的波形,將影像根據橫軸的時間軸來畫分各時期的影像,例如:4D PET/CT和Cine CT技術。Nehmeh et al.研究團隊於2004年提出使用4D PET/CT掃描方式來解決呼吸假影的問題,其原理是利用RPM系統追蹤並記錄病人於掃描4D-CT與4D-PET時的呼吸週期,最終將選取位於相同呼吸週期下的4D-CT與4D-PET影像進行衰減校正與影像重組。文獻中證明使用4D PET/CT方法可有效解決影像錯位。但是此方法掃描一個病患即需1-2個小時(含病人的準備時間),再加上龐大的影像資料量,使影像後處理(image post-processing)既繁瑣又耗時。更重要的是4D PET/CT掃描有一先決條件,即為病人呼吸必須維持穩定,以確保追蹤器所偵測的訊號之準確性,倘若病人呼吸週期無法維持穩定時,此方法反而造成更大誤差,因此無法廣泛的適用於臨床上。
直至2005年Tinsu Pan et al.提出cine CT掃描模式應用於PET/CT造影,其原理是獲得平均呼吸週期的CT影像(cine average CT, CACT)。文獻中比較CACT影像和臨床預設的CT影像做為衰減校正來源之結果,證實使用CACT做為衰減校正除了可大幅減少呼吸假影外,亦可獲得較正確的SUV值,能擁有更精確的診斷資訊。然而使用cine CT執行胸腔掃描時,每節段需接受X光球管旋轉10圈所給予的輻射劑量,與傳統CT的穿透性掃描相比,其吸收劑量仍是高出許多,因此,此方法對受試者或病患會帶來更多劑量風險,。

2.振幅閘控(amplitude gating)
由呼吸偵測器所獲得的波形,將影像根據縱軸的振幅來畫分各時期的影像,例如:DIBH CT。Nehmeh et al.研究團隊提出深呼吸-憋氣(deep-inspiration breath-hold, DIBH)的掃描技術,此原理為當病人處於深呼吸-憋氣的狀態下進行CT和PET的掃描,影像收集過程中皆使用RPM系統進行偵測振幅的變化,如此一來,CT和PET皆可獲得位於相同呼吸振幅位置的影像,DIBH的掃描結果將和臨床HCT的影像進行比較,發現DIBH掃描技術可獲得較高的SUV值以及正確的影像資訊,但是需要病人在掃描過程中聽從技術員的指示配合呼吸調控,假使病人無法完全配合則此技術將容易失敗。
截至目前為止,許多文獻皆證明使用amplitude gating技術可較有效地解決呼吸假影的問題,但是,卻都有一個共通的缺點,即為執行PET掃描時需花費較長的掃描時間來收集足夠的影像資訊,病人長時間位於檢查床上可能會導致病人因為不耐煩而移動造成移動假影,此外,目前一般商業化的PET/CT造影儀並未搭載amplitude gating的掃描技術,再者,RPM系統造價昂貴,並不是每家醫院都能負擔,而RPM系統須架設於檢查床上,這或許會帶給病人壓迫感。因此,如何克服呼吸假影對腫瘤診斷的影響仍需繼續研究,找出可以解決假影又適合應用於臨床的技術,帶給病人更大的福祉。


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