Gruppeundervisning PET: Læringsmål. Positronemisjonstomografi (PET) Molecular Imaging. Radiofarmaka. Martin Biermann Førstemamanuensis

Transkript

1 Grunnkurs i radiologi: Gruppeundervisning Positronemisjonstomografi (PET) Nukleærmedisinsk diagnostikk med positronstråler Martin Biermann Førstemamanuensis 512 kev 512 kev Kst. seksjonsoverlege, NM/PET-senter Rad. avd., Haukeland universitetssykehus Seksjon for radiologi, Inst. for kirurgiske fag Universitet i Bergen 180 Gruppeundervisning PET: Læringsmål Lære og forstå: særtrekk av PET versus konvensjonell nukleærmedisinsk bildediagnostikk hvordan PET-bilder er tatt hvordan PET påvirker pasientbehandling av onkologiske pasienter 2 Gruppeundervisning PET: Emner Særtrekk av PET: kontrast + helkroppsinformasjon optimal oppløsning + 3-D-informasjon PET-legemidler: F-18-FDG ( workhorse ) Ga-68-DOTATOC NE tumores C-11 cholin ca. prostatae Fusjonsbildediagnostikk: PET-CT Snittbildediagnostikk (tomografi) med positron-emitterende radioaktive nuklider Del av nukleærmedisin = bruk av åpne radioaktive stoff til diagnostikk og/eller terapi Spesielle tekniske krav: svært kortvarige (< 2 t) radionuklider: syklotron, radiokjemi Tc-99m-generator positronstråling: PET skanner gammakamera 3 4 Target cellemembran reseptor transportsystem antigen... Radiofarmaka Carrier biologisk tracer: molekyl med egnet farmakokinetikk Linker/Spacer kovalent binding kompleksbinding... Signaldannelse foton (NM) positron (PET) K. Kopka, Univ.Münster Carrier + linker + signaldannende del kan være én: F-18 PET/NM mer sensitiv enn MR Physiology X Ray Angio MSCT Pump function X-Ray Anatomy Molecular Imaging MRS MRI Echocardiology Biology Nanosystems Protein dynamics Stem cell function Optical Signal transduction NM/PET Gene expression ~10 2 atoms/cell Receptors Metabolism Perfusion B. Nielsen/R. Grüner 5 6 1

2 Positronstråling ( + ) Positroner = anti-elektroner positron bremses i vevet i løpet av 1 2 mm kollisjon med elektron: annihilasjonsstråling E = mc 2 2 fotoner i motsatt retning Gammakamera v. PET kollimator 180 Gammakamera koinsidens-deteksjon PET 7 8 PET v. SPECT PET v. konvensjonell nukleærmedisin SPECT = Single Photon Emission Computed Tomography 30 min for 50 cm 3-D PET v. konvensjonell NM oppløsning 3 5 mm (v. 1 2 cm) inkluderer alltid 3-D informasjon SPECT 30 min for 50 cm 3-D PET alle projeksjoner samtidig: < 25 min for 3-D helkropp 9 10 PET-radionuklider PET-CT Nuklid t 1/2 Produksjon O-15 2 min 14 N(d,n) 15 O N min 12 C(d,n) 13 N C min 10 B(d,n) 11 C F min 18 O(p,n) 18 F små atomer med naturlig forekomst: påvirker ikke biokjemien Ga min generator CT PET d = deuteron = 1p + 1n

3 PET-CT undersøkelse Lav-dose spiral-ct helkropp < 1 min PET helkropp ca. 25 min = 6-8 x ca. 3 min CT for attenueringskorreksjon: sparer tid i forhold til tidligere PET-skannere evt. diagnostisk CT med kontrast 15 cm 6 8 x 15 cm A. Skretting, Oslo 13 F-18-fluorodeoksyglukose (FDG) Druesukker merket med radioaktivt fluor-18 (F-18) Forbrenning av glukose i kroppen er universell: normalt: hjerne, hjerte, muskulatur patologisk: mange solide svulster kreftdiagnostikk!! leukocytter betennelsesscintigrafi FDG Gluc Gluc GlucGluc Gluc Gluc GLUT Hexokinase FDG-P FDG-P FDG-P Gluc-6-P 14 trapping Indikasjoner for F18-FDG: Onkologi Hode/hals-kreft 1,2 Thyreoidea 1 Øsofagus 1,2 Lungecancer (non-small-cell) 1,2 Kolon/rektum 1,2 Lymfom 1,2 Melanom 1,2 flere andre indikasjoner: seminom, osteosarkom 1 Reske (2001) Eur J Nucl Med 28: FDG-PET ved malignt melanom (MM) n = 156 pas. med MM og mistenkt residiv FDG-PET + body CT Modalitet Sensitivitet Spesifisitet Total PET 74 % 86 % CT 58 % 45 % LN PET 88 % 95 % CT 56 % 81% Lunge PET 57 % 92 % PET mer sensitiv og CT 93 % 70 % spesifikk enn CT (unntatt lungene) Fuster (2004) J Nucl Med 45: PET-CT ved malignt melanom n = 250 pasienter PET/CT Sensitivitet: PET/CT 99 % PET 89 % CT 70 % Endret behandling hos 48 % av pasientene Reinhardt (2006) J Clin Oncol 24: Kul i ve. aksille kvinne 51 år Malignt melanom i ryggen OP 8/2006 Histologi: MM (nodulær type) Breslow 3.6 mm Clarks nivå 4 1 mikrosattelitt R0 (0.9 mm) UL ve. aksilla 2009: kul i ve. aksille UL: 1.8 x 1.2 cm cytologi positiv 18 3

4 Kvantitering Standardized uptake value (SUV): Fyll en helkroppsfantom (70 kg) med F-18-FDG (400 MBq), vent 1 t, og måle radioaktivitetskonsentrasjon med PET-skanner: SUV = 1 bløtvev < 1 blodpool lever 2 tumores 2 25 Metabolic rate (f. eks. mg glukose/cm 3 * min) måling av radioaktivitet i blodprøver ( input funksjon ) + matematisk modellering 19 handler om Nukleærmedisin og PET Kontrast H e l k r o p p s informasjon 20 PET og thorakotomi ved lungecancer FDG-PET m. 70 år ca. coli Hartmann-OP PET påvirker behandlingen hos 20 % av pasienter Højgaard (2004) Tidsskr Nor Laegeforen 124:1074 stoma colon resisert prospektiv randomisert studie ved Univ. i Amsterdam non-small lungecancer PET (Siemens Exact HR+) van Tinteren (2002) Lancet 359: rektumstump FDG-PET m. 70 år ca. sigmoidei. Hartmann-OP Colon-cancer residiv i stoma metastase i bekkenet? n = 23 pas. etter reseksjon av cancer coli n = 31 lesjoner: 16 residiver + 9 arr + 6 primærlesjoner PET, CT, biopsi (finnål/endokopisk) CT PET Sensitivitet PET 93 % Takeuchi (1999) Br J Surg 86:

5 Ultralyd kv. 55 år PTC OP 2006 FNB: Papillær thyroideacancer! 400 x L. Helgeland HUS 25 FDG-PET ved residiv av ca. thyreoidea n = 27 pas. HUS 6/2009 1/2011 Ultralyd, I-131 SPECT-CT, FDG-PET inkl. KM- CT hals, UL-veiledet FNB av 1 indekslesjon Positiv hos 17/27 pas. (63 %): 11 pas. med 18 lymfeknutemetastaser 3 pas. med lokalresidiver 4 pas. med fjernmetastaser (lunge + skjelett) 8 «falsk» positive lesjoner i FDG-PET: 6 inflammatoriske LK (FNB), 1 paralaryngealt (OP), 1 lunge (kontroll CT) Upstaging hos 8 pas.: 6 kir., 1 RTx, 1 laser-tx Biermann M, Brauckhoff M, Soc. of NM 2011 (submitted) 26 FDG-PET mann 24 år, lymfom Fremtiden Restvitalitet Stråleterapi CT (HUS) koronal PET koronal CT koronal CT + PET 27 Radiumh. Oslo 28 Fremtiden Doseplanlegging med PET-CT Nye PET-tracere C-11-cholin/acetat prostatacancer Ga-68-DOTATOC nevroendokrine svulster F18-FDOPA medullær thyreoideacancer C-11-5-HTP nevroendokrine svulster F-deoksytymidin (FLT) hjernetumorer C-11-HED sympatisk nervesystem C-11-metionin hjernetumorer, parathyreoidea Kombinasjon av tracere/modaliteter 29 Doseplanlegging med PET-CT Haukeland

6 Hver radiofarmakon sin egen modalitet C11-cholin m. 66 yrs., prostate cancer F-18-FDG C-11-cholin Ga-68-DOTATOC ant. coronal post. Univ. Münster C11-cholin m. 66 år, ca. prostatae C11-cholin m. 70 år, ca. prostatae CT CT PET PET-CT axial ant. koronal post. 2 skjelettmetastaser PET-CT Univ. Münster 33 lymfeknutemetastase Univ. Ulm 34 Ga-68-DOTATOC mann 40 år, karsinoid Ga-68-DOTATOC mann 40 år, karsinoid ant. koronale snitt post. Univ. Essen ant. koronale snitt post. Univ. Essen

7 Ga-68-DOTATOC mann 40 år, karsinoid Ga-68-DOTATOC mann 40 år, karsinoid koronal snitt Univ. Essen Multiple metastaser: cervikalcolumna paratrachealt lever koronal snitt Univ. Essen Mest avanserte nukleærmedisinsk målemetode Fordeler: oppløsning 3 5 mm, 3-D helkroppsinformasjon F-18-fluordesoksyglukose (FDG) som universaltracer : onkologi, betennelsesdiagnostikk, nevrologi Sensitivitet og spesifistet opp til 90 %, påvirker behandlingen hos 20 % av pasientene radiofarmaka kan merkes med natur-identiske elementer: C-11, N-13, O-15 Ulempen: Kostnader: radiokjemi - F-18 halveringstid på 110 min Det nye NM/PET-senteret i Bergen Fremstilling av radiofarmaka Kjernereaktor: I-131 Generator (Tc-99m, Ga-68 ) + sett for merking: Syklotron + Radiokjemi: produksjon 1 2 ganger daglig: F18-FDG

8 Radionuklidproduksjon: syklotron Syklotron akselerer partikler med elektrisk ladning i et sterkt magnetfelt: H - -ioner stripper foil: H + -ioner treffer target Target nuklidproduksjon, f.eks. 18 O + p 18 F + n 43 Radiokjemi: syntese automatisk syntese: synteseenhet, hotcelle kvalitetskontrolle Saha (2005) Basics of PET imaging. Springer, 2005 HO HO F18-FDG OH O F OH 44 Nytt PET-senter i Bergen HUS/UiB 1 Det nye NM/PET-senteret i Bergen PET-CT 4 Hotlab 2 3 QC 1 2 PET-CT Velkommen til PET-senteret Nukleærmedisin 1 SPECT + 1 SPECT-CT syklotron Forskning Aktivitet (F-18) per antall undersøkelser Leveranse (GBq) Tid er kostbar! En leveranse av F-18-FDG maks. 10 for pas. å undersøke per produsjon flere pasienter maks. 20 med 5 pas. 400 per MBq leveranse hver 5640 MBq MBq Radioaktivitet Ustabile atomkjerner omdannes til nye nuklider og emitterer energi i form av stråling Eksponensiell desintegrasjon: A(t) = A(0) e - *t 2200 MBq MBq 850 MBq 400 MBq per pas. 400 MBq 1 pas. / 30 min Antall pasienter 47 phy-astr.gsu.edu Halveringstid t 1/2 = tid der ½ av nuklid/stråling er igjen Aktivitet A(t) = antall desintegrasjoner per tidsenhet 1 Bq = 1/s 1 mci = 37 MBq 48 8

9 Typer av radioaktiv stråling (gamma) = høyenergetiske fotoner elektromagnetisk - ligner røntgenstråling brukes diagnostisk - gammakamera - (beta minus) = hastige elektroner partikkelstråling rekkevidde i vevet maks. 1 2 mm målsøkende terapi b+ (beta plus) = positroner = anti-elektroner etter 1 2 mm kollisjon med 1 elektron: annihilasjonsstråling PET ring skanner (alfa), nøytron kev Tc-99m 140 kev 511 kev 180 Intensity-modulated RTx: Cancer linguae tumorvolum pt3b pn2b tunge hø. side Klinisk målvolum høy dose profylaktisk Optimere doseplaner: A: CT-basert B: PET-CT-basert inkludere alle tumorandeler spare risikoorganer Schwartz (2005) Head Neck 27: Tumorvolum ved plateepitelcancer Metode: 9 pas. med laryngektomi CT, MR, FDG-PET med maske OP-preparatet kryofiksert en bloc Alle modaliteter overestimerte total tumorvolum (TV): PET overestimerte minst 20 % av TV bare sett med PET PET essensielt for doseplanlegging In-111-octreotid-scintigrafi kv. 40 år, dyspepsi Daisne (2004) Radiology 233: t. p.i. ant. 4 t. p.i. ant. In-111-oktreotid SPECT (aksiale snitt) 24 t. p.i. 52 In-111-octreotid-scintigrafi kv. 40 år, dyspepsi Læringsmidler: Litteratur SPECT + MR 24 t. p.i. ant. 4 t. p.i. ant. In-111-oktreotid gastrinom på 8 mm i pankreas SPECT (aksiale snitt) 24 t. p.i oppl For tiden den beste innføringen i faget - pensum 5. oppl Optimal introdukjson for nukleærmedisinere 3. oppl Referanseverk i 2 bind 54 9

10 F18-FDG-PET mann 38 år, medullær thyr.-cancer FDG & FDOPA-PET mann 38 år, medullær thyr.-cancer CT ant. koronale snitt post. Univ. Münster Univ. Münster F-18-FDG F-18-FDOPA PET-Senter Linz FDG & FDOPA-PET mann 38 år, medullær thyr.-cancer C11-5-HPT-PET kvinne 64 år, nevroendokrin tumor 2 metastaser: T12 (kjent) C7 (ukjent) Univ. Münster F-18-FDG PET-Senter Linz F-18-FDOPA Biermann (2007) in: Schober, Heindel: PET-CT, Thieme UMEA Uppsala C11-5-HPT-PET kvinne 64 år, nevroendokrin tumor Multiple levermetastaser Sannsynlig metastase i Th5 (Tc-99m-MDP SPECT negativ) UMEA Uppsala 59 10