Simultaneous multiparametric functional PET-MRI of the prostate for improved diagnosis and advanced radiotherapy treatment planning

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1 CCC Research Cluster Funding Project 2011: Simultaneous multiparametric functional PET-MRI of the prostate for improved diagnosis and advanced radiotherapy treatment planning T. Helbich, P. Brader - Radiology D. Georg Radiation Oncology M. Mitterhauser Nuclear Medicine W. Birkfellner - Medical Physics Functional capabilities of cancer development Altered Metabolism [ 18 F]FDG PET MRS Hyperpolarized MRI [ 11 C] Acetae BOLD MRI Angiogenesis [ 18 F]FDG PET DWIBS Bone Scan CT/MRI Proliferation [ 18 F]FLT PET MRS Diffusion MRI Cell Death Metastasis [ 18 F]FDG PET DWIBS Bone Scan CT/MRI Annexin Diffusion MRI Hyperpolarized MRI Hanahan D. et al. Cell 2011;144: Univ.-Prof. Dr. Thomas Helbich 1

2 Hypothesis Simultaneous multiparametric functional imaging of prostate cancer with: MR spectroscopy Diffusion-weighted imaging Contrast-enhanced magnetic resonance imaging and positron-emission tomography improves diagnosis, staging and treatment planning Multipametric PET-MRI DWI molecular capabilities PET metabolism DCE-MRI morphology & angiogenesis MRSI metabolism 2

3 Application to radiotherapy Advanced radiotherapy treatment planning with Intensity modulated photon therapy (IMRT) Particle therapy (protons, Carbon ions) Brachytherapy including dose painting strategies Low LET High LET (C 12 ions) IMRT tailored PET-MRI Fusion Multimodal analysis of image data and clinical findings and image processing for Lesion segmentation, multimodal registration, and import to dose planning systems Tracking of treatment effect by image fusion Fusion of acetate PET and T2-MR in a prostate cancer patient. 3

4 The The Goal Improved IMRT Plans Project partners Radiology: Prof. T. Helbich Prof. P. Brader Radiation Prof. D. Georg Oncology: PD. G. Goldner Nuclear Medicine: Prof. M. Mitterhauser Prof. G. Karanikas Medical Physics: Prof. W. Birkfellner Urology: Prof. M. Marberger Pathology: Prof. M. Susani 4

5 Christian Doppler Labor für Medizinische Strahlenforschung für die Radioonkologie Seit Laborleiter: Dietmar Georg Univ. Klinik für Strahlentherapie / Medizinische Universität Wien Christian Doppler Labor für Medizinische Strahlenforschung für die Radioonkologie 2012 CDL Eröffnung Georg 1 State of the art Präzisions RT basierend auf Snapshot CT Zeit als 4 te Dimension Van Herk Verellen Prinzip des Sicherheitssaumes Funktionelle Bildgebung Neue Strahlenarten 2012 CDL Eröffnung Georg 2 1

6 Ziele und Visionen Individualisierung der Radioonkologie mit Verbesserung der Tumorkontrolle und Verringerung der Nebenwirkungen Integrierter Einsatz multimodaler Bildgebung Integrierter Einsatz Strahlenbiologischer (Er)kenntnisse von Tumor und Normalgeweben Biologisch und technologisch individualisierte bzw. optimierte Strahlenanwendung Konventionelle (Photonen) und neue Strahlenarten (Ionentherapie) inklusive kombinierter Therapien Incidence LENT/SOMA > Dose [Gy] 2012 CDL Eröffnung Georg 3 Arbeitsbereiche (prä klinisch & klinisch) AP1: Multimodales Imaging AP1: Multimodales Imaging AP3: Strahlenbiologie AP2: IGRT Photonen AP3: Strahlenbiologie AP4: Ionentherapie AP2: IGRT Photonen AP4: Ionentherapie 2012 CDL Eröffnung Georg 4 2

7 Ionentherapie Ionentherapie Zentren in Europa in Betrieb Heidelberg ( HIT ) Pavia ( CNAO ) MedAustron dzt. in Bau Focus in der klinischen Anwendung: Protonen und Kohlenstoff Ionen 2012 CDL Eröffnung Georg 5 Unique Strategic Position Spektrum der Strahlenarten Brachytherapie, High Tech Photonen, Ionentherapie Infrastruktur für klinische und prä klinische Forschung Spektrum der Kompetenz des Konsortiums Einbindung einer international führenden Strahlenbiologiegruppe Geographische Lage Basis des Antrags: erfolgreiche und langjährige Kooperationen der beteiligten Partner 2012 CDL Eröffnung Georg 6 3

8 Unternehmenspartner Global player in RO und Neurochirurgie Beschleuniger, Ionentherapie, Bestrahlungsplanung, Bildgeführte Radiotherapie R&D Abteilung, Collaboration Network Global player im Imaging Theragnostic Imaging CT, MR, PET /CT/MR für Radioonkologie R&D Abteilung, Collaboration Network EBG und PEG MedAustron Ionentherapie Krebsbehandlungs und Forschungszentrum Ionentherapieteam in WN 2012 CDL Eröffnung Georg 7 Offizielle CDL Eröffnung am CDL Eröffnung Georg 4

9 Acknowledgements and many others The financial support by the Federal Ministry of Economy, Family and Youth and the National Foundation for Research, Technology and Development is gratefully acknowledged CDL Eröffnung Georg CDL Eröffnung Georg 10 5

10 Studien in Berkeley (LBNL), J.R. Castro, MD, Head clinical studies, Lawrence Berkeley National Laboratory Dzt. Klinischer Fokus: Protonen und Kohlenstoff Ionen 1st He Patient 6/75 1st C Patient 5/77 1st Ne Patient 11/77 1st Ar Patient 3/79 1st Si Patient 11/ He Patienten: 858 Schwerionen: CDL Eröffnung Georg 11 Arbeitspakete AP 1 Multimodality Imaging AP 2 Image Guided Adaptive Radiotherapy AP 3 Tumor and normal tissue effects AP 4 Ion Beam Therapy 4 Post Docs + 5 Ph.D. + 5 M.Sc. + Partner 2012 CDL Eröffnung Georg 12 6

11 Infrastruktur Univ. Klinik für Strahlentherapie ( Core Unit ) High Tech Infrastruktur: Linearbeschleuniger mit IGRT Option, CT, MR, US, Therapieplanung (Photonen, Brachy, p, C 12) Strahlenbiologielabore PC Arbeitsplätze und Büros Partnerinstitute der MedUni Wien (Radiol., NukMed, ZMPBT) PET CT (MR), Hochfeld MR, Computercluster Small Animal Imaging Laboratory Biomedizinische Forschung. Ionentherapie (MedAustron) 2012 CDL Eröffnung Georg 13 Entwicklung in Richtung minimal invasiver Therapien Entwicklungen des letzten Jahrzehnts Räumliche Präzision der Tumordefinition und der Patientenlagerung Räumliche Präzision der Strahlanwendung durch Modulation der Strahlintensität 2012 CDL Eröffnung Georg 14 7

12 Geschichte der Strahlentherapie Strahlentherapie relativ junge Disziplin Ausgangspunkt : Wien vor mehr als 100 Jahren Medizinische Fortschritte waren seit Beginn eng mit der interdisziplinären Medizinischen Strahlenforschung (Medizin Physik Biologie) verknüpft Dez Nov Freund L. Ein mit Röntgen-Strahlen behandelter Fall von Naevus pigmentosus piliferous. Wien Med Wocheschr 47: , 1897 London (1905) Wien (2012) 2012 CDL Eröffnung Georg 15 Bildgeführte Adaptive Radioonkologie Motiviert aus Optimierung Schonender, effizienter & effektiver Normalgewebe Applikationseffizienz Technologieentwicklung Software & Hardware (z.b. GPU basierte SW, Strahlerkopf Beschleuniger, ) Konzeptionelle Entwicklung Biologisch motivierte Targets Adaptive Radiotherapie Klinische Validierung Dosiskonformität Tumordosis Imaging Obs & Opt. Treatment Time 2012 CDL Eröffnung Georg 16 8

13 Strahlenbiologische Forschung Verbessertes Verständnis der klinischen Resultate Tumoransprechen, Imaging Biomaker mittels Multimodaler Bildgebung (z.b. Zusammenhang Hypoxie Stoffwechsel Perfusion) Optimierung der Therapie durch verbessertes Verständnis von Normalgewebsreaktionen Entwicklung Supportiver Therapien Incidence LENT/SOMA > Dose [Gy] Kooperation Dresden (Prof. W. Dörr): Know how Transfer an die MedUni Wien bzw. CDL 2012 CDL Eröffnung Georg 17 Malen nach Zahlen 2012 CDL Eröffnung Georg 18 9

14 Konzept: Dose painting Intensitätsmodulation der Strahlung (IMRT) ermöglicht dose painting & Individualisierung Pinsel Hochenergetische Photonen Brachytherapie Ionen 2012 CDL Eröffnung Georg 19 MedAustron 29 Juli 2011, B. Mößlacher 12 März 2012, B. Mößlacher 2012 CDL Eröffnung Georg 20 10

15 Krebs und Hypoxie (Hockel et al, Cancer Res 1999;59:4525-8) (Kaanders et al, Cancer Res 2002;62: ) (Buffa et al, IJROBP 2001;49: ) (Movsas et al, Urology 2002;60:634-9) 2012 CDL Eröffnung Georg 21 Wissenschaftliches Symposium 13:00 14:30 Session 1 Image guided radiation oncology 13:00 13:15 Technological progress in RO looking back and ahead (D. Georg, MedUni Wien) 13:15 13:30 Multimodal Image Registration as tool RO (W. Birkfellner, MedUni Wien) 13:30 13:45 Advanced imaging methods for radiation oncology (P. Brader, MedUni Wien) 13:45 14:15 Real time MRI guidance in radiotherapy (J. Lagendijk, UMC Utrecht) 14:15 14:30 Adaptive clinical target concepts (R. Pötter, MedUni Wien) 14:30 15:00 Coffee break :45 Session 2 Biologically Motivated Radiotherapy and Ion Beam Therapy 15:00 15:30 The role of PET in head and neck tumors (E. Troost, UMC St.Radboud, Nijmegen) 15:30 16:00 Experimental Radiation Oncology & Normal Tissue Biology (W. Dörr, TU Dresden) 16:00 16:15 Current status of MedAustron (B. Mößlacher, EBG MedAustron) 16:15 16:30 Clinical challenges of Ion Beam Therapy (U. Mock, EBG MedAustron) 16:30 16:45 Closing Remarks (D. Georg / R. Pötter, MedUni Wien) 2012 CDL Eröffnung Georg 22 11