Entwicklungen in der Hybridbildgebung

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1 Entwicklungen in der Hybridbildgebung Andrea Schaefer Klinik für Nuklearmedizin, Universitätsklinikum des Saarlandes, Homburg/Saar Technischer Überblick PET Technische Überblick CT Klinische Anwendungen PET/CT PET/MR Technische Möglichkeiten und Herausforderungen Klinische Anwendungen PET/MR

2 HYBRIDBILDGEBUNG Die Hybridbildgebung vereint moderne nuklearmedizinische und radiologische Modalitäten in einem Gerät und erlaubt dadurch sowohl die Struktur als auch die Funktion von Organen im ganzen Körper darzustellen. SPECT CT PET CT PET MR Perfusions-Myokardszintigraphie - Schwächungskorrektur Sentinel-Lymphnode-Diagnostik des Zervixkarzinoms 2

3 Prinzip Nuklearmedizin Prinzip Röntgendiagnostik Strahlenquelle = Patient Strahlenquelle = Röntgenröhre PositronenEmissionsTomographie ComputerTomographie Applikation einer radioaktiven Substanz Externe Strahlenquelle Emission Transmission Funktion metabolische Bildgebung Darstellung von Stoffwechsel Änderung im Stoffwechsel (früher) Anatomie morphologische Bildgebung Darstellung von Läsionen anatomische Veränderung (später)

4 HYBRIDBILDGEBUNG - SYSTEM Aufbau PET/CT CT an der Frontseite PET an der Rückseite Durchgehender Patiententunnel

5 PET/CT SYSTEME TOSHIBA Acquiduo SIEMENS mct PHILIPS Ingenuity TF Erstes kommerzielles System (2001): GE Discovery LS GE Discovery PET/CT 710 Hitachi Sceptre3 5

6 PositronenEmissionsTomographie PET Tomographisches Verfahren der Nuklearmedizin Verwendung von Positronenemittern Detektion von Vernichtungsstrahlung Messung in Koinzidenz Bestimmung absoluter Aktivitätskonzentrationen im Gewebe nach Schwächungs- und Streukorrektur mittels CT-Daten D1 e + E = m c 2 D2 Schwächungskoeffizienten aus CT ermöglichen PET-Quantifizierung PET/CT

7 AUFBAU PET Detektoren Szintillationskristall BGO, L(Y)SO Detektorsize (mm) 4.0-6,675 Block-Design 6*6 13*13 Anzahl Ringe Gesamtzahl Detektoren Schichtdicke (mm) Energiefenster (kev) Ringdurchmesser (cm) Patientendurchmesser (cm) 70-85

8 PET SZINTILLATIONSKRISTALL NaI:Tl BGO GSO:Ce LSO:Ce LYSO Dichte (g/cm³) 3,67 7,13 6,7 7,4 Eff. Kernladungszahl Wellenlänge (ns) Lichtausbeute (% NaI) Abklingzeit (ns) Schwächungslänge bei 511 kev 2,6 1,2 1,5 1,1 Dichte Empfindlichkeit; Abklingzeit Impulsrate, Lichtausbeute - Auflösung State-of-the-art PET/CT: L(Y)SO

9 PET - LICHTSENSOR Empfindlichkeit vs. Magnetfeld Photomultipliertubes (PMT) ja Avalanche- Photodiode (APD) nein Quantum efficiency 20% 70% Signal rise time (ns) ~1 ns ~5 ns Verstärkung Bis 10 6 Bis 10 3 Hochspannung >1000V V Temperaturabhängigkeit <<1% pro K ~ 3% pro K Größe mm 5 * 5 mm² (S. Ziegler, TU München, Klinik für Nuklearmedizin) 9

10 PET - AUFLÖSUNGSVERBESSERUNG Verbesserung der Auflösung Einsatz kleinerer Einzelkristalle Mathematische Methoden integriert in Rekonstruktionsprozess HI-REZ detector 169 x (4.0 x 4.0 mm) Messmethoden: TOF T. Beyer et al, The future of hybrid imaging PET/CT; Insights Imaging (2011) 2: Siemens, Erlangen

11 PET TIME-OF-FLIGHT Verbesserung der Zeitauflösung TOF für jedes PET-Modell verfügbar 2 ns 495 ps Zugewinn an Empfindlichkeit T. Beyer et al, The future of hybrid imaging PET/CT; Insights Imaging (2011) 2:

12 PET-Auflösung: Vergleich der Methoden BEISPIEL: mct-128, 555 MBq FDG; Gewicht des Patienten: 64 kg T. Beyer, Medical University of Vienna 12

13 ComputerTomographie Detektor Strahlen -quelle CT Tomographisches Verfahren zur Messung des linearen Schwächungskoeffizienten Luft: HU Lunge: HU Wasser: 0 HU Soft Tissue: HU Knochen: HU Modelle in PET/CT Bis 128-Zeilen Auflösung: < 1mm Siemens, Erlangen

14 CT - DREHKOLBENRÖHRE Siemens, Erlangen 14

15 MEHRZEILEN SPIRAL - CT Beginn der 90er: Single-Slice-Spiral-CT Aufnahmezeit s Entwicklung Einschicht-Technik: Abkühlpausen bei großen Abtastvolumina notwendig Spiral-CT (Beginn 90er): möglich durch Entwicklung entsprechender Rekonstruktionsverfahren 1998: Mehrschicht-Technik: Rotationszeit 500 ms, Verkürzung der Volumenaufnahmezeit um Faktor 8 vs. Einzeiler (Rotationszeit 1000 ms) Kalender Kurztitel über WA, Master Computertomographie, > Einfügen > Fußzeile 2006 hinzufügen

16 CT - Mehrzeilendetektorsysteme Anzahl erfasster Schichten/Dicke variabel Gleichförmig strukturiertes 16-zeiliges 4-Schicht Detektorarray (a) Anisotrop aufgebautes 8-zeiliges 4-Schicht-Detektorarray (b) Kalender WA, Computertomographie, 2006 Kalender Kurztitel über WA, Master Computertomographie, > Einfügen > Fußzeile 2006 hinzufügen

17 CT Iterative Rekonstruktionsmethoden niedrigeres Bildrauschen durch iterative Rekonstruktion T. Bayer, Zentrum für Med. Physik und Biomedizin. Technik, Medizinische Universität Wien 17

18 PET/CT KLINISCHE ANWENDUNG PET/CT - Vorteile Hohe diagnostische Genauigkeit In vielen Studien belegt Statistisch signifikant höher als PET o. CT alleine Verschiedene PET-Tracer verfügbar (FDG, DOTA, DOPA, Cholin, PSMA..) PET/CT - Anwendung Primärdiagnostik Therapie-Monitoring Staging und Restaging Therapieplanung Initial nach Chemo

19 PET/CT KLINISCHES BEISPIEL 1 F-18-FDG-PET 250 MBq FDG, 2 min/bp Low Dose CT Fusion PET mit CT F-18-FDG: physiologische Verteilung

20 PET/CT KLINISCHES BEISPIEL WB GTV (defined from FDG-PET) + 8 mm expansion GTV (defined from CT) + 8 mm expansion F-18-FDG bei NSCLC: Integration in die Bestrahlungsplanung

21 PET/CT KLINISCHES BEISPIEL 3 12 min PET 237 MBq FDG Chemoth. NON-RESPONDER F-18-FDG: Staging Restaging Lymphom

22 PET/CT KLINISCHES BEISPIEL 4 PET: Ga-68-DOTANOC 130 MBq, 3 min/bp - MIP Low Dose CT Fusion PET mit CT Ga-68 DOTANOC: Diagnostik neuroendokriner Tumoren

23 PET/CT KLINISCHES BEISPIEL 5 15 min PET 307 MBq F-18-Cholin F-18-Cholin: Metastasendiagnostik bei PCA

24 NUK1 PET/CT Neue Tracer 15 min PET 307 MBq F-18-Cholin Ga-68 - PSMA F-18 - Cholin PSMA vs Cholin PSA = 0,01 ng/ml Detektion von Läsionen auch bei niedrigem PSA Höhere SUVmax bei LK- und Knochenmetastasen Hoher Kontrast bei Knochen- und Lebermetastasen aufgrund von niedrigem Hintergrund F-18 - Cholin Vergleich von F-18-Cholin mit 68-Ga-PSMA (Prostataspezifisches Membran Antigen A. Afshar-Oromieh U. Haberkorn; Eur J Nucl Med Mol Img (2014), 41:11-20

25 Folie 24 NUK1 37 Patienten, 5 ohne Anreicherung in PET; 7 Patienten mit nachfolgender Biopsie bestätigen das Ergebnis 10 Patienten mit nachfolgender Radiatio und daraufhin sinkendem PSA NUK;

26 Hybridbildgebung PET/CT Nachteile PET/CT Fehlerbehaftete Schwächungskorrektur bei Verwendung von Metallen Messung erfolgt immer als Sequenz zweier Messungen Bewegungsartefakte durch lange Liegezeit sind möglich Verursachen Fehler in Schwächungskorrektur Verursachen Fehler in physiologischer Verteilung Zusätzliche Strahlenexposition durch die CT Effektive Dosis ca. 1 4 msv bei AC-CT Bis zu 16 msv und mehr bei diagnostischer CT Z.B. bei Verwendung von Kontrastmitteln Kritisch bei wiederholten Nachsorgeuntersuchungen Kritisch bei Untersuchungen von Kindern PET/MR Hoher Weichteilkontrast Keine zusätzliche Strahlenexposition 25

27 MagnetResonanzTomographie MRT Tomographisches Verfahren zur Darstellung der Strukturen des menschlichen Körpers unter Ausnutzung der magnetischen Eigenschaften der Kernspins von Protonen (magnetisches Moment) Magnetische Kernresonanz beruht auf der Absorption und Emission von Energien im Radiofrequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums Grundlage der Bilddarstellung ist die Anzahl-Dichte der Protonen im Gewebe D1 Wasserstoffkerne kreiseln nach Radiofrequenz- Einstrahlung (Anregung) E = m c 2 Signalabstrahlung nach Ende der Anregung

28 PET/MR PET DETEKTOR B = 0 B 0 Pichler BJ Judenhofer MS (2008) Positron Emission Tomograpy/Magnetic Resonance Imaging: The next Generation of Multimodality Imaging? Semin Nuc Med 38(3)

29 PET/MR PET DETEKTOR Empfindlichkeit vs. Magnetfeld Photomultiplier - tubes (PMT) ja Avalanche- Photodiode (APD) nein Quantum efficiency 20% 70% B 0 Signal rise time (ns) ~1 ns ~5 ns Verstärkung Bis 10 6 Bis 10 3 Hochspannung >1000V V Temperaturabhängigkeit <<1% pro K ~ 3% pro K noch nicht verfügbar: Silicon PMT (SiPM) Größe mm 5 * 5 mm² Pichler BJ Judenhofer MS (2008) Positron Emission Tomograpy/Magnetic Resonance Imaging: The next Generation of Multimodality Imaging? Semin Nuc Med 38(3)

30 PET/MR Siemens BrainPET Insert Siemens BrainPET Insert Erstes APD-basiertes PET zur Messung des Gehirns in einer BP Erstes MR/PET zur gleichzeitigen Messung von PET und MR Signalen 29

31 PET/MR Siemens BrainPET Insert Klinisches Beispiel Patient mit Astrozytom Dynamisches Hirn-PET 18 F-Fluoro-Ethyl-Tyrosin Akquisition bis 50 min p.i. Klinisches Beispiel A: PET- Schnittbilder, aufgenommen 20 min p.i. in HR+ PET-Scanner B: BrainPET Schnittbilder aufsummiert min p.i. C: T1-gewichtete MR Schnittbilder (Voxel-Größe: 1*1*1 mm³) D: Regionaler zerebraler Blutvolumen (rcbv) aus Perfusions-gewichteter MR Kurztitel über Master > Einfügen > Fußzeile hinzufügen 12. November

32 PET/MR - GANZKÖRPER Sequentielles Ganzkörper-System Ermöglicht PET mit allen Neuentwicklungen wie z.b TOF Benötigt mehr Raum Sequenz macht längere Untersuchungszeiten notwendig PHILIPS Ingenuity TF PET/MRI (2010) 31

33 PET/MR - GANZKÖRPER Herausforderungen PET-Detektor innerhalb eines starken statischen und eines dynamischen Magnetfeld Keine Störung der Magnetfelder durch PET Keine Störung des PET- Signals durch B H.H. Quick, Integrated PET/MR; J Magn Res Img 39: (2014) Siemens Biograph mmr (2010) Ganzkörper MR PET Stat. Magnetfeld: 3.0 T Magnetlänge: 163 cm Pat. Durchmesser: 60 cm GK-Spulen Axiales FOV: 25,4 cm 32

34 PET/MR - HERAUSFORDERUNGEN PET-Schwächungskorrektur 2-Point-DIXON-Korrektur (Fett und Wasser) Keine gemessenen µ-werte Schlechtes Knochen-Signal Artefakte durch geringes FOV Bewegungsartefakte durch lange Aufnahmezeiten a: non-corrected PET b: in-phase (water) c: opposed-phase (fat) d: PET attenuation map e: AC- PET Methoden zur Korrektur von Knochengewebe sind derzeit in Entwicklung (UTE ultra short echo time) H.H. Quick, Integrated PET/MR; J Magn Res Img 39: (2014) 33

35 PET/MR KLINISCHE ANWENDUNG Klinisches Beispiel 2: Kopf-Hals-Tu Patient (m, 46a), Zungenkarzinom A: CT nach Kontrastmittelgabe B: Fusion FDG-PET mit CT (A) C: T1-Fett-gewichtetes MR (Kontrastm.) D: Fusion FDG-PET mit MR (C) Klinisches Beispiel 1: Patient (m, 56a), Rektumkarzinom, Detektion von Lebermetastasen A: CT nach Kontrastmittelgabe B: Fusion FDG-PET mit CT (A) C: T1-Fett-gewichtetes MR D: Fusion FDG-PET mit MR (C) GK von Schulthess et al, Clinical PET/MRI Applications,Semin Nucl Med 43:3-10 (2013) 34

36 PET/MR KLINISCHE ANWENDUNG Potenziale der PET/MRT in der Diagnostik des Prostatakarzinoms Klinisches Beispiel 3: Patient mit Prostatakarzinom, primäre Radiatio, PSA 9,9 ng/ml, a: MR (T1) nach KM-Gabe b: Fusion PSMA-PET mit MR (a) c: native CT d: Fusion PSMA-PET mit CT (c) Multiparametrische MRT Diagnostik des primären Karzinoms Grundlage für eine bildgestützte Biopsie PET/CT Überlegenheit gegenüber MRT, CT, US in der Rezidivdiagnostik und im Lymphknotenstaging mittels Cholin und PSMA MC. Röthke et al, Potenziale der PET/MR in der Diagnostik des Prostatakarzinoms, Radiologe (2013);

37 PET - HYBRIDBILDGEBUNG Ist die Zukunft optimierter molekularer Bildgebung Liefert exzellente Bildgebung durch Ausnutzen der charakteristischen Merkmale der verschiedenen Modalitäten Ermöglicht die Entwicklung verbesserter diagnostischer/therapeutischer Methoden und steigert dadurch den erhöhten Patienten-Benefit Benötigt finanzielle Ressourcen zur weiteren Entwicklung der Methoden Verursacht relativ hohe Investitionskosten Erfordert die Validierung neuer Methoden in Bezug auf ihre technische Umsetzung und den klinischen Nutzen 12. November

38 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT!