PET/MR - utfordringer og potensiale

Transkript

1 PET/MR - utfordringer og potensiale Av Lars Birger Aasheim, MR-fysiker, Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk, NTNU, Trondheim Anna Karlberg, PET-fysiker, Klinikk for Bildediagnostikk, St. Olavs Hospital, Trondheim Pal Erik Goa, førsteamanuensis, Institutt for fysikk, NTNU, Trondheim Asta Håberg, professor, Institutt for nevromedisin, NTNU, Trondheim Sveinung Sørhaug, tittel, Klinikk for Lungemedisin, St. Olavs Hospital, Trondheim Unn-Merete Fagerli, Overlege/Førsteamanuensis, Kreftklinikken, St. Olavs Hospital, Trondheim, Institutt for kreftforskning og molekylær medisin, NTNU, Trondheim Live Eikenes, førsteamanuensis, Institutt for sirkulasjon og bildediagnostikk, NTNU, Trondheim. PET/MR (positron-emisjonstomografi/magnetisk resonans) er en ny medisinsk multimodal avbildningsmetode som gir mulighet til å ta PET- og MR-bilder samtidig i samme skanner. En og samme undersøkelse vil dermed gi både mer og komplementær bildeinformasjon. Norges første og eneste PET/MR-skanner er en gave fra Trond Mohn og ble installert på St. Olavs Hospital i Trondheim høsten Multimodale PET/CT-skannere har eksistert siden slutten av 1990-tallet, og er standarden ved bruk i primærdiagnostikk og terapirespons i mange krefttyper. Bildemodalitetene PET, CT og MR har alle sine styrker og

2 svakheter, og fremstiller forskjellige typer vev (friskt og patologisk) med forskjellig grad av kontrast og nøyaktighet. PET er en molekylær undersøkelse som hovedsakelig brukes til kreftdiagnostikk i klinikken, mens CT og MR avbilder anatomi og fysiologiske prosesser. CT er den foretrukne modaliteten ved undersøkelse av beinvev men også organer i buken og brystet, mens MR gir desidert best framstilling av bløtvev som hjernen. Bruksområder for PET/MR PET/MR-skanneren har et stort potensiale for å kunne kan erstatte PET/CT i en del pasienter, spesielt ved sykdom i deler av kroppen hvor MR i utgangspunktet gir bedre diagnostisk informasjon enn CT. Avanserte MR-metoder som diffusjon, perfusjon og susceptibilitets-avbildning, samt funksjonell-mr og MR-spektroskopi, kan benyttes samtidig med PET-avbildning og gi ny og komplementær informasjon om fysiologiske og metabolske prosesser som man ikke kan få fra en CT-undersøkelse. Sammenlignet med CT medfører heller ikke MR noen strålingsbelastning for pasientene. Dette er avgjørende for pasientgrupper som barn og gravide, og pasienter som trenger gjentatte undersøkelser gjennom behandlingen og oppfølging. I motsetning til PET/CT er også PET/MR-undersøkelsen simultan, noe som gjør at vi kan benytte MR-basert bevegelseskorreksjon av PET-bildene og som kan gi fordeler ved dynamiske undersøkelser. Forskning har vist at PET/MR er spesielt lovende innen felt som nevro-onkologi og i øre-nese-hals cancer, 1 men også innen terapirespons, stråleterapi og maligne sykdommer i abdomen og bekken. 2,3,4 For at metoden skal kunne benyttes til det fulle klinisk, er det imidlertid noen tekniske utfordringer som må løses. Tekniske utfordringer ved PET/MR Hovedgrunnen til at det tok lang tid å utvikle fullintegrert

3 PET/MR var tekniske utfordringer knyttet til bruk av PETdetektorer i magnetfeltet til MR-skanneren. Dette er nå løst, men en annen utfordring gjenstår: MR-basert attenuasjonskorreksjon av PET-bildene. I en PET-undersøkelse injiseres pasientene med en radioaktiv PET-tracer, som tas opp i visse vev i kroppen avhengig av hvilken type tracer som er benyttet. Den mest vanlige PETtraceren som benyttes i klinikken er 18F-FDG, en glukoseanalog, som tas opp i områder av kroppen som benytter mye energi, som i tumorvev, i hjernen og hjertet. Etter at traceren er tatt opp sender den ut fotoner med energi på 511 KeV som detekteres av PET-detektorene. På veien fra pasientens indre til detektoren som er plassert i en sirkel rundt pasientens kropp vil en del av fotonene absorberes og/eller spres slik at strålingen attenueres, det vil si blir svakere. Forskjellig type vev vil attenuere strålingen i ulik grad; bein attenuerer mest, mens luft attenuerer minst. For å lage korrekte kvalitative og kvantitative PET-bilder må bildene korrigeres for denne attenuasjonen ved å benytte attenuasjonskart av de forskjellige vevstypene med tilhørende attenuasjonsverdier. Ved bruk av PET/CT, benyttes lavdose CTbilder til å danne slike attenuasjonskart. I MR er dette en utfordring, fordi det ikke eksisterer noen direkte sammenheng mellom vevets signalintensitet i MR-bildet og dets attenuerende egenskaper, som er tilfelle for CT. Problemet er delvis løst ved å segmentere MR-bilder i forskjellige vevstyper (luft, lungevev, muskel og fett), der hver vevstype får en forhåndsbestemt attenuasjonsverdi. Med vanlige MRsekvenser er det vanskelig å få signal fra bein, som er til forveksling lik luft i bildene. Siden bein er det vevet som attenuerer strålingen mest, vil det kunne føre til store feil i PET-bildene dersom vi ser bort fra beinvevet i attenuasjonskartene, og studier har vist at vi kan få en underestimering i kvantitative PET-opptak opp mot 25 %. 5

4 Ved å benytte en spesiell MR-sekvens, Ultra short echo time (UTE), er det imidlertid mulig å hente ut signal fra bein. Denne sekvensen kan vi nå benytte i kliniske undersøkelser av hodet på PET/MR-skanneren på St. Olavs Hospital. Tidligere studier har vist at metoden både underestimerer (5-40%) og overestimerer (opp til 11%) PET-opptaket. 6,7 Vi har evaluert en nylig oppdatert UTE-metode i lungecancer- og lymfompasienter hvor vi har sammenlignet den nye MR-baserte metoden med CTbasert attenuasjonskorreksjon, og konklusjonen er at den gir klinisk akseptable resultater i hjernen, men meget unøyaktige resultater i ansikt, hals og nakke. 8 Forskjellen mellom et CT-basert og et MR-basert attenuasjonskart er vist i figur 1, som tydelig viser forskjellen mellom de segmenterte beinstrukturene i disse områdene. UTE-metoden underestimerer beinmengden marginalt i hjerneregionen, mens den overestimerer beinmengden signifikant i hals- og nakkeregionen. I undersøkelser som kun skal se på hjernevev er det derfor mulig å benytte metoden, mens i maligne sykdommer som omfatter lokalisasjon i ansikt, hals eller nakke, vil metoden ikke kunne gi klinisk akseptable resultater. Vi ønsker derfor å jobbe videre for å utvikle robuste metoder for bruk av MR-baserte attenuasjonskorreksjoner i områder med mye bein, spesielt i hodet. PET/MR-forskning på NTNU og St. Olavs Hospital Selv om PET/MR har vist et stort potensiale i mange sykdomsgrupper, så trengs det studier som sammenligner PET/MR med den veletablerte multimodale metoden PET/CT, både klinisk og kvantitativt. PET/MR-forskningsmiljøet på NTNU og St. Olavs Hospital er i gang med flere kliniske studier hvor hovedmålet er å studere hvorvidt PET/MR kan gi bedre diagnostiske undersøkelser enn allerede etablerte metoder som PET/CT eller MR innen følgende områder: Hodgkin og Non-Hodgkin lymfomer, hvor vi spesielt er interessert i subgrupper som primær CNS

5 lymfom og DLBCL i øre, nese og hals region; bruk av PET/MR i staging/klassifisering av mediastinale lymfenoder i lungecancer; bruk av PET/MR i strålingsdoseplanlegging i pasienter med øre-nese-hals tumor; og bruk av PET/MR i prostata, der målet er å finne det diagnostiske potensialet til PET/MR for deteksjon av regionale lymfenode-metastaser og evaluering av tumor-aggressivitet ved bruk av en spesifikk PET-tracer, F18-Fluciclovine. Vi jobber også med å evaluere bildekvalitet på det nye PET/MR-systemet sammenlignet med det godt etablerte PET/CT-systemet, og er spesielt interessert i å fortsette forskningen på de tekniske utfordringene som PET/MRteknologien gir oss: MR-baserte attenuasjonskorreksjonsmetoder og MR-basert bevegelseskorreksjon av PET-data. Konklusjon PET/MR har vist stort potensiale i diagnostikk innen mange krefttyper, og ved bruk av avanserte MR-metoder vil PET/MR kunne tilføre ny klinisk kunnskap, spesielt innen nevrologi og øre-, nese- og halstumor. MR-basert attenuasjonskorreksjon er imidlertid fremdeles et delvis uløst problem, spesielt innen undersøkelser i hodet og andre områder med mye bein. MR-basert attenuasjonskorreksjon ved bruk av en spesiell MR-metode (UTE) har vist klinisk akseptable resultat i hjernevev, men ikke i ansikt, hals og nakke region, og det må jobbes videre med å løse dette problemet før metoden kan utløse sitt kliniske potensiale til det fulle i disse områdene. Figur 1: CT (A) og MR (B) basert attenuasjonskart av hodet. Referanser 1. Covello M, Cavaliere C, Aiello M, Cianelli MS, Mesolella M, Iorio B, Rossi A, Nicolai E. Simultaneous PET/MR head-neck cancer imaging: Preliminary clinical experience and

6 multiparametric evaluation. Eur J Radiol 2015 Apr 25. [Epub ahead of print]. 2. Paulus DH, Thorwath D, Schmidt H, Quick HH. Towards integration of PET/MR hybrid imaging into radiation therapy treatment planning. Med Phys 2014 Jul;41(7): Souvatzoglou M, Eiber M, Takei T, Fürst S, Maurer T, Gaertner F, Geinitz H, Drzezga A, Ziegler S, Nekolla SG, Rummeny EJ, Schwaiger M, Beer AJ. Comparison of integrated whole-body [11C]choline PET/MR with PET/CT in patients with prostate cancer. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2013 Oct;40(10): Reiner CS, Stolzmann P, Husmann L, Burger IA, Hüllner MW, Schaefer NG, Schneider PM, von Schulthess GK, Veit-Haibach P. Protocol requirements and diagnostic value of PET/MR imaging for liver metastasis detection. Eur J Nucl Med Mol Imaging 2014 Apr;41(4): Andersen FL, Ladefoged CN, Beyer T, Keller SH, Hansen AE, Højgaard L, Kjær A, Law I, Holm S. Combined PET/MR imaging in neurology: MR-based attenuation correction implies a strong spatial bias when ignoring bone. Neuroimage 2014 Jan 1;84: KeeremanV, Fierens Y, Broux T, De Deene Y, Lonneux M, Vandenberghe S. MRI-Based Attenuation Correction for PET/MRI Using Ultrashort Echo Time Sequences. J Nucl Med 2010;51: Berker Y, Franke J, Salomon A, et al. MRI-Based Attenuation Correction for Hybrid PET/MRI Systems: A 4-Class Tissue Segmentation Technique Using a Combined Ultrashort-Echo Time/Dixon MRI Sequence. J Nucl Med 2012;53: Aasheim LB, Karlberg A, Goa PE, Håberg A, Sørhaug S, Fagerli UM, Eikenes L. PET/MR brain imaging: evaluation of clinical UTE-based attenuation correction. Eur J Nucl Med Mol

7 Imaging 2015 Apr 22. [Epub ahead of print].