Hybrid Imaging of Infection 9th Annual AFIM Meeting, Haifa May 2011

Ora Israel, MDDepartment of Nuclear Medicine

Rambam Health Care Campus

Technion, Israel Institute of Technology

Haifa, Israel

Positron Emission Tomography ‐ PET

γ 511 kev

γ 511 kev

**F18F18

18F‐FDG 18F‐FDG 18F‐FDG‐6‐P

CELL CELL BLOODBLOOD

Hexokinase

Cell membraneGlucose transporters

Intracellular metabolic trapping of FDG 

FDG [F18 – Fluoro ‐ deoxyglucose]Glucose analog

SPECT/CT

Discovery 670 NM/CT

Discovery 570c NM/CT64

•Radiotracer emits gamma photons • Detectors rotate to gather tomographic data for reconstruction of 3D images.

1st generation 1999

2011 Fast SPECT Acquisition & High‐res CT 

Hybrid ImagingPET/CT (SPECT/CT)

CT PET (SPECT)

Anatomy

PhysiologyCell

Molecular Pathways

PhysiologyOrgans

Anatomy

PhysiologyCell

Molecular Pathways

PhysiologyOrgans

© 2009 J.A.Kennedy

F,51, Lymphoma, Routine follow up after treatment FDG‐PET: Suspicious lesion, lt. pelvis

PET/CT: small LN, previously missed •Precise localization•Precise diagnosis of early recurrence•Early institution of 2nd line chemo 

Almost three decades ago, the Surgeon General of the United States testified to Congress that it was time to "close the book on infectious diseases".…

2011 ‐ Is Infection a Major Healthcare Priority?

• Initial optimism of eradicating infection has faded • Major cause of illness and death in spite of significant advances  in  antimicrobial agents 

• New diseases have emerged, and old infectious diseases in decline have increased frequency

• Infection ‐ account for up to 40% of deaths in older adults,  3rd leading cause in US & 2nd worldwide 

• High priority in researchto improve diagnosis & treatment

40%Infection

Nuclear Medicine Assessing Infection and Inflammation

• Fever of unknown origin

• Osteomyelitis

• Lung infection

• Endocarditis

• Vascular prosthetic infection

• Abdominal infection 

• Assessment of disease activity in IBD

• Kidney/transplant infection 

Radiotracers for Infection Imaging

SPECT Tracers • Gallium‐67• In‐111 & Tc‐99m  Leucocytes• Labeled Human Immunoglobulin• Labeled Antigranulocyte Antibodies• Labeled Peptides

PET Tracers• F18‐FDG (Fluorodeoxy‐Glucose) (PET)• FDG‐labeled Leucocytes

FDG‐PET in Infection & Inflammation

Inflammatory cells & granulation tissue (activated lymphocytes, neutrophils, macrophages)  as well as malignant cells, exhibit high intracellular levels of hexokinase & increased expression of surface glucose transporter proteins with high affinity to FDG

“the blessing of the curse…”

FDG‐imaging – a good alternative for assessment of infection and inflammation 

Nuclear Medicine ProceduresPros:

• Highly sensitive

• Whole body imaging 

• Detection & characterization of  functional alterations

Infectious processes may be visualized in their early phases when anatomic lesions are not yet detectable.

Cons:• Poor  physical characteristics & image quality degradation • Lack of anatomical landmarks • Non‐specificity of tracers

[Conventional] Imaging of Infection

Timely diagnosis: critical for appropriate management

Pros ‐ High resolution imaging• CT: bone destruction, soft tissue changes • MRI: sensitive for osteomyelitis• US: fluid collections 

Cons• limited value in early stages (insignificant/no infection‐related tissue 

changes) • After treatment: difficult differential diagnosis between active and 

indolent morphologic changes • challenging in the presence of: 

• coexisting pathology (eg: fractures, osteo‐arthropathy)• coexisting structural changes related to treatment and/or healing               (eg: bone remodeling, post‐operative  edema, scar, fibrosis)

Tomographic NM Images has Improved Contrast & Resolution

Side‐by‐Side Comparison to CT, US or MRI

Tc‐MDP +       In‐WBC planar +      In‐WBC SPECT +           CT+

S/a partial amputation of lt. calcaneusInfected wound, susp. osteomyelitis

NM (SPECT/PET) & CT Complementary Role in 

Patients with Suspected Infection

SPECT – detection of a suspicious focus CT – precise localization to tissue/organ

CT – detection of an anatomic lesionSPECT ‐ confirmed as active infectious process

Correlation of anatomical & functional data obtained from tests performed on different devices, on 

different days, is difficult

In‐WBC SPECT/CTPrecise Localization & Diagnosis

Tc‐MDP

S/a partial amputation of lt. calcaneusInfected wound, susp. osteomyelitis

Planar In‐WBC Osteomyelitis of calcaneus

Hybrid Imaging (SPECT/CT & PET/CT) Assessment of Infection The             Experience

SPECT/CT• Ga‐67: FUO, susp. abscess, osteomyelitis• In‐111/Tc‐99m WBC: vascular graft & 

complicated bone infection

FDG‐PET/CT• Vascular graft infection• Diabetic foot• FUO

Vascular Graft Infection

• Uncommon (0.5‐5%) but  severe complication• Eradication: rarely possible • Prognosis: poor, with life or limb loss (>50% pts)• Diagnosis: early & accurate is challenging • CT: diagnostic procedure of choice; high resolution

FP:  after recent Sx, FN:  low‐grade, early‐stage infection • Delay in treatment: severe complications• Main successful treatment: Sx removing the infected graft           

high morbidity procedure

In‐WBC SPECT/CTSusp. Vascular Graft Infection

M, 57, s/a rt. femoro-popliteal bypassFever, Leucocytosis, Infected surgical wound In‐WBC SPECT/CT: Infected graft

Ga‐67 & WBC SPECT/CT for Diagnosis  and Localization of Infection

Bar‐Shalom et al, J Nucl Med 2006

82 patientsSPECT/CT– better diagnosis & localization in ~50% ptsGa‐67 SPECT/CT contributory in 36% of 47 pts

48% with susp. osteomyelitis23% with susp. soft‐tissue infection

31% with FUOWBC ‐ SPECT/CT was contributory in 63% of 35 pts:

67% ‐ with susp. vascular graft infection 55% ‐ with susp. osteomyelitis

FDG PET/CTSusp. Vascular Graft Infection

s/a rt. femoro‐popliteal bypass graft insertion infected wound, susp. infected graft PET/CT: FDG uptake localized to graft

Dg. of graft involvement confirmed at surgery The infected graft was removed

Diagnostic accuracy of FDG‐PET/CT in vascular graft infection [n= 39 patients]

Keidar et al, JNM 2007

PET/CT + for infection  (n=27): Vascular graft infection (14/16 – 88%)Soft tissue abscess (10/11 – 91%)

PET/CT‐ for infection 12/12 ‐ NED

93%Sensitivity

91%Specificity

88%PPV

96%NPV

Diabetic FootCommon complication in DM

Difficult differential diagnosis: rapidly progressive neuropathic joint vs. osteomyelitis

Osteomyelitis:    ̃1/3  infections, mainly direct spread from contaminated soft tissue

Early diagnosis: clinical challenge & crucial Antibiotic therapy can be curative & prevent amputation

In‐WBC SPECT/CT Diabetic Foot

s/a rt. 5th digit amputation, fever, tenderness at rt. 4th digit

Tc‐MDP

In‐WBC

In‐WBC uptake in soft tissue, plantar aspect rt. footNo evidence for bone involvement

Diabetic Foot67Ga‐SPECT/CT

Diagnosis of bone involvement confirmed at surgery

The Diabetic Foot Initial Experience with FDG‐PET/CT

M, 50, Non‐healing wound in right forefoot Suspected osteomyelitisPET/CT: FDG uptake in bony structure, normal on CTDg: Osteomyelitis ‐ head of 4th metatarsusConfirmed at surgery

Diabetic foot – FDG‐PET/CTF, 43, Non‐healing ulcer, lateral aspect rt. foot suspected osteomyelitis

Focal increased FDG uptake ‐ lateral aspect of rt. foot

Diabetic foot – FDG‐PET/CT F, 43, Non‐healing ulcer, lateral aspect rt. foot suspected osteomyelitis

PET/CT: FDG uptake localized to soft tissue & exclusion of bone involvementNo evidence of osteomyelitis for 11 mo follow up (clinical & imaging) 

PET/CT USING FDG FOR THE EVALUATION OF THE DIABETIC FOOT

Keidar et al, J Nucl Med, 2005 

• PET/CT localized 

75% (12/16) lesions to bone, further confirmed 

19% (3/16) lesions to soft tissue, no further evidence of osteomyelitis

1 lesion, [mild FDG uptake] in neuropathicosteoarthropathy – false positive?

At present >50 patients

FDG uptake unrelated to glycaemic state

Diagnostic Performance of FDG‐PET, MRI, Plain X‐raysNawaz et al, MIB 2009

110 patients

FDG MRI X‐rays

Sensitivity 81 91 63

Specificity 93 78 87

PPV 78 56 60

NPV 94 97 88

Accuracy 90 81 81

Fever of Unknown Origin (FUO)

• Fever >38.3ºC, >3 weeks duration• Incidence: 7‐53% (geographic factors, definition) • Final Diagnosis:• Neoplasms ~1/3• Infection ~1/3• Collagen & granulomatous diseases ~1/3• Recent: decrease in patients with final etiology• Functional imaging approach: WBC, Ga‐67, FDG 

FUO Tc‐WBC SPECT/CT 

M, 86, removal infected aortic graft Prolonged fever, persistent bacteremiaSPECT/CT: Infected calcified aortic plaque adjacent to infra‐renal vascular stump

FUO Ga‐67 SPECT/CT

M, 63, NHL, FUO, susp. recurrence SPECT/CT: uptake in gallbladderDg: Cholecystitis

Ga‐67 & WBC SPECT/CT for Diagnosis & Localization of InfectionBar‐Shalom et al, J Nucl Med 2006

82 patients (88 susp. sites)SPECT/CT– better diagnosis & localization in ~50% ptsGa‐67 SPECT/CT contributory in 36% of 47 pts

48% with susp. osteomyelitis23% with susp. soft‐tissue infection

31% with FUOWBC ‐ SPECT/CT was contributory in 63% of 35 pts:

67% ‐ with susp. vascular graft infection 55% ‐ with susp. osteomyelitis

F, 75, FUOFDG‐PET/CT: Osteomyelitis of Rt. Clavicle

Dorsal Soft Tissue Abscess & Septic Arthritis Lt. Shoulder 

F, 21, FUOPolycystic kidneys  

S/a renal transplant – 1 mo

Infected renal cyst

Reactive lymph node

Pelvic Abscess

Diagnostic accuracy of FDG‐PET/CT in FUO [n= 48 patients]

100Sensitivity

81Specificity

85PPV

100NPV

90Accuracy

PET/CT + n=27 TP 22/27Infection: 9 Inflammation: 10Malignancy: 3

FP: 5/27

PET/CT‐TN for focal etiology: 21/21systemic infection (n=6)NED (n=15)

Keidar et al, JNM 2008

Hybrid Imaging‐ the 2nd DecadeEvaluation of Infection

FDG‐PET/CT Monitoring Rx Response Before Rx                     After Rx

e.g.Tuberculosis

Hybrid Imaging ‐ the 2nd DecadeEvaluation of Infection ‐ New tracers

FDG‐WBC PET/CT ‐ Inflammatory Bowel Disease

Foci of active disease terminal ileum& caecum

Hybrid Imaging ‐ The Simple Principle Improved localization of radiotracer foci

SPECT/PETImproved contrast & resolutionHigher lesion detectability & sensitivity

The SPECT/CT and PET/CT cascade  (Adding specificity)

• Precise lesion localization & characterization• Better image interpretation• Higher diagnostic confidence • Accurate diagnosis (localization & extent of disease)• Improved clinical decision making

The Simple Principle ‐ A Big Difference

New (Expensive) Technologies

• Can save healthcare cost if they have a higher diagnostic accuracy

• Most expensive aspect of disease management is the treatment rather than diagnosis

• More accurate diagnosis results in more appropriate and less expensive treatment

“Elements of Danger – The Case of Medical Imaging”

Lauer MS, NEJM August 27, 2009 

“We must approach imaging with … humility”

• Only with a strong evidence base (large body of data coming from well‐powered randomized trials clearly showing net benefit) we should feel comfortable recommending [tests] in spite of the fact that they come with their own elements of danger. 

• “We have to think and talk explicitly about the elements of danger in exposing our patients to radiation.”

Thus, the task is not so much to see what no one has seen yet, but to think what nobody has thought yet, about what everybody sees.

Spinoza 

Thank you!