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學術發展

 磁振造影與骨髓影像及腫瘤血管新生

文•圖/施庭芳(醫學院放射線科教授、台大醫院影像醫學部副主任)

 

 我在1984年自台大醫學系畢業,留在母校醫學院及醫院的放射線科,也二十年了,算來也不是很短的日子。記得剛進科內的時候,在台大醫院西址第七講堂旁的電腦斷層攝影室,有一檯0450型最早的CT scan,主要進行頭部及全身的掃描,吸引許多臨床醫師及放射科醫師的興趣;那時掃描一張影像的時間很長,所以常常可以講一個笑話再回來看影像。

 到了第三年住院醫師時,科內新購了一台CT(Somaton DRH),號稱當時最快速、高級的機型,當時我為它的功能及電腦運算為之瘋狂!加上對血流動力的興趣,開啟了我對醫學研究之門,於是進行了一項早期腦缺血的研究,利用快速的動態攝影去測定腦組織血流量的減少與中風癒後的關係;後來幸運的發表在放射線學門的頂尖期刊-Radiology (1988)。這份成果,對當時仍在受訓階段的我,的確是很大的鼓勵;不但激發我對學術研究的信心及熱情,也堅持了往後致力於研究的毅力。

 1988年,我奉派出國進修,前往美國加州大學洛杉磯分校的醫學中心,學習磁振造影學及骨骼肌肉的影像診斷,建立了我往後研究領域的方向。回台大之後,也適逢第一台高磁場的磁振造影儀啟用。在當時,磁振造影掃描開始應用於人體,對於其所表現的訊號(signal intensity),與人體各項解剖結構及生理病理的意義仍不清楚,所以需投入大量的時間精力,建立正常的數據,以及各種疾病診斷的依據。磁振造影最大的特點,除了無輻射線外,可以調整不同的脈衝程式(pulse sequence),利用與體內氫原子的共振,表現出不同的訊號,而反應出各種生理或病理的組織變化。所以磁振造影為生命科學或醫學帶來了重大的突破。我個人認為它最大的優勢,在於呈現出以往無法被透視或偵測的組織成份。以骨骼及椎體為例,以往的X光攝影或電腦斷層,都只注重在骨骼硬體的部份-包括骨外殼皮質及骨小樑等的礦物質部份;然而,存在骨小樑之間的骨髓造血成份及其骨髓幹細胞-生命現象最重要的成份,卻無法以活體的方式被呈現或探討。磁振造影首度呈現出人體的骨髓影像(bone marrow image)(圖1)。骨髓影像的探討在醫學領域中對病人的幫助是非常大的,我在早期的研究著重於疾病的探討及鑑別診斷等,包括:(1)以磁振造影分析脊椎體壓迫性骨折(compression fracture)的成因,並作鑑別診斷。(2)對於良性壓迫性骨折或惡性癌細胞骨轉移,以磁振造影分析其血流灌注及血管新生,並作區別。(3)壓迫性骨折的磁振造影表現,血液灌流(Blood Perfusion)的測定,壓迫性骨折後的癒合不全或骨壞死,以磁振造影與手術病理變化加以對比並探討癒合的過程。(4)感染性脊椎炎(vertebral osteomyelitis)的診斷及鑑別診斷;進一步探討骨髓炎的特殊影像表現及其解剖學結構相關的致病機轉。

 在陸續完成具臨床意義的研究後,我逐漸投入骨髓的基礎研究。首先,建立兩項研究平台(a)以動態磁振掃描(dynamic MR scanning)測量椎體骨髓血液灌流(vertebral bone marrow perfusion);(b)磁共振頻譜(proton MR spectroscopy)測定骨髓內脂質與水分子的化學成份(bone marrow lipid and water content)。首先,對於椎體血流灌注的探索,在靜脈注射Gadolinium顯影劑後,利用前述之動態磁振造影,以每0.5秒作一次掃描,將椎體訊號隨時間的變化加以量化,描續出Time-Intensity Curve,再利用bi-compartment pharmacokinetic model,計算出人體椎體血流的相對量。首先,在66位受試者中,測量其正常椎體的血流灌注,發現它們和年齡及性別有非常大的關係:年紀小於50歲以下者,其椎體血流明顯高於50歲以上者;而女性在50歲以後,血流灌注急遽下降,而男性的變化則緩慢不明顯;這一項發現可以解釋一部份骨骼的老化過程,而且也明顯地和荷爾蒙的變化有關(Radiology 2001, July)。再者,椎體血流灌注的測量,可發展到臨床應用,例如骨髓病變的血管新生,或是以曲線圖型的種類區別良性骨折及惡性腫瘤的差異性(JMRI 2002)。對於以訊號表現的血流強度,另外設計軟體,將之呈現出彩色的動靜脈灌流圖譜(圖2)。其次,基於前述老化對骨髓血流灌注的降低,考慮到老年病患的藥物使用也可能對骨血流灌注有影響,故選定鈣離子阻隔劑(Calcium Channel Blocker)對正常受試者進行研究,發現受試者在藥物使用後,心跳、血壓顯著改變,同時他們的骨髓血流灌注也明顯下降;所以推測降血壓藥物的使用可造成血液重新分佈(redistribution)而影響到骨髓血流灌注(Radiology 2004, Apr)。然而,椎體血流灌注是否和骨質疏鬆的致病機轉有關,或是影響骨小樑的質與量以及長期服用心血管藥物是否影響骨質密度,則須進一步探討。之後,再以69位女性病患為研究對象,以前述之方法測定其腰椎血流灌注及雙能量X光骨質密度儀(Bone Mineral Density, BMD, gm/cm2)。發現骨質密度與血流灌注呈現顯著的正相關(Radiology 2004, Oct)。所以,血流灌注之減少可能是骨質疏鬆的原因之一。另外,我們也探討了86位患者其頸動脈的intima-media thickness和椎體血流灌注,發現有顯著的負相關,間接顯示動脈粥狀硬化(atherosclerosis)引起之血流灌注減少可能是引起骨質疏鬆之機轉之一(JMRI, 2004)。動態血流灌注的評估(dynamic tissue perfusion),不只在骨髓的研究具有其意義,對於腫瘤血管新生(tumor angiogenesis)也提供活體(in vivo)的研究方法;它不同於超音波或血管攝影,而著重在血流inflow, outflow及血管內、外與組織間質的平衡,所以更具灌流(perfusion)的生理意義。近年,我將其推廣應用在肝細胞腫瘤、子宮頸癌、肺癌、急性骨髓性胞癌及多發性骨髓瘤,都有良好的結論(圖3),對於癌症的探討,提出image angiogenesis(影像表現之血管新生)新觀念,在癌症治療的追蹤評估以及癒後的判斷,將有重要意義!

 對於骨髓內部微環境,除了上述之血管血流因子及骨小樑外,另有造血組織、脂肪組織及其他微成份。對其化學成份的分析,我們利用磁共振氫頻譜(Proton MR Spectroscopy),在骨髓成功的分析不同ppm之下的各項光譜(spectrum and peak)(Spine 2004, Dec)。骨髓的氫頻譜組成有水(H2O)及脂質(CH2-group),主要頻峰相隔3.1 ppm,其間尚有約十種較小的頻峰;而脂肪或脂質的累積,可能和年紀、血管因子、骨質密度有互動關係,發現脂質與水(Lipid Water Ratio)的比例和骨質密度呈負相關;將年齡因子控制後,脂質頻寬仍和骨質密度呈正相關,所以推論脂質的累積及成份的改變會影響骨小樑的生成。對於磁振氫頻譜除了在骨髓研究外,我也修正其部分參數,將之應用於人體的肌肉及肝臟,可以成功的展示出細胞內外的脂質及結合-CH2及-CH3的比例(圖4)。這項技術對近年來熱門的脂質代謝研究(lipid metabolism),提供新的方向,所以也對愛滋病患、肝臟移植及缺血性骨壞死有進一步的探討。

 放射線及醫學影像,已由原來的型態學研究,逐漸進入生理性、功能性,甚至分子生物的層面,尤其是分子影像(molecular image)與骨髓幹細胞(stem cell)的研究,更是未來發展的方向。身為一位放射線科醫師,只有不斷的進修與學習,才能在浩瀚的醫學領域中生存。我常常開玩笑說一位放射科醫師的人生是黑白的;而我就這樣渡過了二十年的青春歲月。雖然黑與白可以表現最佳的灰階差異,但也盼望未來的人生能有多一點的彩色。(本欄本期策畫/口腔生物科學研究所蕭裕源教授)

 

參考文獻

1.                  Shih TTF, Huang KM. Acute stroke: detection of the changes in cerebral perfusion with dynamic CT Scanning. Radiology 1988;169:469-474.

2.                  Shih TTF, Huang KM, Li YW, Solitary Vertebral Collapse:Distinction between Benign and Malignant Causes using MR Patterns. J. Magn Reson Im. 1999; 9:635-642.

3.                  Chen WT, Shih TTF, Chen RC, Lo SY, Chou CT, Lee JM, Tu HY. Vertebral Bone Marrow Perfusion Evaluated with Dynamic Contrast-Enhanced MR Imaging ─ Significance with Aging and Sex. Radiology 2001;220:213-218.

4.                  Chen WT, Shih TTF, Chen RC, Lo SY, Chou CT, Lee JM, Tu HY. The Blood Perfusion of Vertebral Lesions Evaluated with Gadolinium-enhanced Dynamic MR Imaging: in Comparison with Compression Fracture and Metastasis. Journal of Magnetic Resonance Imaging 2002;15:308-314.

5.                  Shih TTF, Chang CJ, Tseng WYI, Hsiao JK, Shen LC, Liu TW, Yang PC. Effect of Calcium Channel Blocker on Vertebral Bone Marrow Perfusion of the Lumbar Spine. Radiology 2004 231: 24-30.

6.                  Shih TTF, Liu HC, Chang CJ, Wei SY, Shen LC, Yang PC. Correlation of MR Lumbar Spine Bone Marrow Perfusion with Bone Mineral Density in Female Subjects. Radiology; 2004: 233: 121-128.

7.                  Chen WT, Shih TTF. The relationship between vertebral bone marrow blood perfusion and common carotid intima-media thickness in aging adults. Journal of Magnetic Resonance Imaging 2004; 20(5): 811-816.

8.                  Shih TTF, Chang CJ, Hsu CY, Wei SY, Su KC, Chung HW. Correlation of Bone Marrow Lipid Water Content with Bone Mineral Density on the Lumbar Spine. Spine; 2004: 29(24):2844-2850.

9.                 施庭芳(1999),醫學科學叢書:磁振造影於脊椎病變的應用,台北市:國立台灣大學醫學院。

 

施庭芳小檔案

   1984年畢業於台大醫學系,1985至1988年完成放射線科住院醫師訓練,於1988~1996擔任主治醫師及講師一職;並於1989年前往美國加州大學洛杉磯分校醫學中心進修,學習核磁共振影像學,1990年回國後致力於相關研究。1996年升任副教授;2004年升任教授。專長為核磁共振影像學、放射線診斷學、骨骼肌肉放射線學、乳房影像學……等。現任台大醫學院放射線科專任教授;台大醫院影像醫學部副主任及骨骼肌肉影像診斷科主任等職。

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