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Technische Universität München Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik Klinikum rechts der Isar Technische Universität München Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik Klinikum rechts der Isar Technische Universität München Technische Universität München
Hybrid Imaging Stephan G. Nekolla and Sibylle Ziegler
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• Basic Nuclear Medicine
• Detectors
• Gamma Camera, SPECT
• Positron Emission Tomography
• Biokinetic Modelling
• Multimodal Imaging
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Aims of Nuclear Medicine
• Diagnostics
Visualisation and quantification of biochemical processes in vivo
• Therapy:
Treatment of pathologic processes based on selective accumulation in body tissues
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Principles of Nuclear Medical Diagnostics
• Tracer principle Radiopharmaceuticals are distributed, metabolized or excreted in the organism according to their structure
• Representation of body functions by:
– Images – Numerical data – Graphs
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Principles of Nuclear Medical Diagnostics
• Tracer principle Radiopharmaceuticals are distributed, metabolized or excreted in the organism according to their structure
• Representation of body functions by:
– Images – Numerical data – Graphs
• But why hybrid imaging?
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Introduction
• Micromodal
• Monomodal
• Multimodal
1e6 2e6 4e6
1-2e6 1-2e6 5e5
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Principles of hybrid devices System design: SPECT/CT vs PET/CT vs PET/MR
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CT
PET
Combination PET – CT
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3D reconstruction FORE + OSEM
CT-based attenuation and
scattering corrections
CT acquisition
Fused image
Upper limit
Lower limit
Topogram
PET image
PETCT
PET/CT Standard Protocol
6/29/16 9
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Change of acquisition durations over time
Year Cardiac PET WB Onco PET Cardiac SPECT Cardiac MRI
1995 60 min 90 min 3h 60 min
2015 60 min 15 min 1h 60 min
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• Time consuming transmission scan (almost as long as the PET scan) was replaced with very fast CT
• Axial scan length increased from 10 cm to 25 cm
• New detector materials are more sensitive
• Iterative image reconstruction improved image quality – -> 5 pts -> 25 pts a day
Change of acquisition durations over time
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Most basic hybrid imaging: attenuation correction
PET NAC PET AC
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A look back: attenuation correction
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PET/CT – Melanoma Patient
6/29/16 14
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Recently featured publications in hybrid nuclear imaging: “The year in cardiology 2015: imaging ” (EHJ 37: 667–675 )
PET-CT in suspected device pocket infection. Example of a positive 18F-FDGPET/CT scan in a patient with pain at the generator pocket site. In: Ahmed FZ, et al. Early diagnosis of cardiac implantable electronic device generator pocket infection using 18F-FDG-PET/CT. Eur Heart J Cardiovasc Imaging 2015;16:521 – 530.
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Hybride MR-PET Bildgebung Onkologie • Indikationen, bei denen MRI und PET synergistisch sind • Logistische Vorteile (one-stop-shop) • Mehrwert durch bessere Koregistrierung, PET-Bewegungskorrektur
basierend auf MR-Signal
CUP SCC in cervical lymph node
Contrast enhanced CT MRI T1w + Gd-DTPA MR-PET image fusion
A. Beer 2010
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Respiratory gating system:
Image taken from http://www.jcu.edu/biology/RESP4.JPG
Pressure sensor
Patient Belt
Computer
Trigger(s)
End expiration
Gate(s)
End inspiration
List Mode Acquisition
+
Respiratory Movement PET/CT
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System Design – „Tandem“ Design Sequentieller Ganzkörper PET-MR
Achieva 3T MRT und PET Gemini TF (Philips)
+ Existierende Technologie verwendbar + Minimale Interferenz zwischen PET und MR
Installed in Mount Sinai NY , Dec 2009
- Großer Raum - Nicht simultan
Vor- und Nachteile :
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MR PET MR/PET
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System Design – „Integriertes“ Design Integrierter Ganzkörper PET-MR für simultane Bildgebung
Delso et al., 2009
+ zeitliche Korrelation von PET und MR + multiparametrische Aufnahmen
+ MR-Bewegungskorrektur
- technisch anspruchsvoll - neue Technologie
Pro‘s and Con‘s
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aim: simultaneous data acquisition
requirements: No influence of MR on PET
detectors? signal transmission?
No influence of PET on MR magnetic materials? detectors size?
Technology PET/MR
• Electrical conductivity of semiconductors can be varied by the implantation of impurities (doping)
Avalanche Photodiodes (APDs)
• Moving charged particles, e.g. electrons, are deflected in magnetic fields by the Lorentz force
! PMTs cannot be used inside an MRI scanner
! Solution: Semiconductor photodetectors
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
B = 0 B ≠ 0 B. Pichler et al.
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Y. Shao, S.R. Cherry et al. IEEE TNS 1997 P.K. Marsden et al. Brit. J Radiology 2002
Long light guides and PMTs
Avalanche Photodiodes (APDs)
• APDs offer an alternative to conventional photo detectors
• Basically a p-n-junction, a simple device made out of two specifically doped layers
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
B = 0 B ≠ 0 B. Pichler et al.
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B.J. Pichler et al. J Nucl Med 2006
Experimental PET/MR Systems
10 x 10 LSO crystals (2 x 2 x 12 mm3)
3 x 3 APD matrix (5 x 5 mm2)
LSO-APD block detector
Quadrature TRX coil installed inside the PET insert
PET scanner parameters
Crystal size
1.6 x 1.6 x 4.5 mm³
Crystal material
LSO
Number of detector blocks
10
FOV axial / transaxial
19 mm / 38 mm
Coincidence timing resolution
8 ns
Resolution < 2 mm
PET/MRI Preclinical System
Laboratory for Preclinical Imaging & Imaging TechnologyUniversity of Tübingen, Germany
Pichler et al.
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Insert Design • Siemens BrainPET Prototyp instaled within MAGNETOM Trio
- 23040 LSO Szintillatoren - 1440 APDs
- axial FOV = 19 cm - PET Auflösung = 2.5 mm
Catana et al., MGH Boston
MR/PET Designs: Integrated
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
Siemens Biograph mMR
Munich MR-PET Consortium
Departments of Nuclear Medicine and Departments of Radiology of
Funded by
Biograph mMR • First fully integrated whole-body MR/PET system • Based on a clinical 3 T MR scanner
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Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik
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Attenuation Correction in PET
18F-FDG PET not corrected for attenuation
Attenuation Correction
Standalone PET
PET/CT
PET/MR
?
18F-FDG PET corrected for attenuation
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Segmentation-based attenuation correction using Dixon imaging
fat image water image
PET NAC PET AC u-map
in phase opposed phase
MR based attenuation correction
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Avg ∆SUV lesions: 2.3% Segmented dual-echo Dixon MRI vs. CT
CT-based AC
MRI-based AC
MR MR
Seg CT
Martinez-Möller A, Nekolla SG, et al.; JNM 2009
The method based on segmentation is fast and reliable. Some bias (5-13%) for osseous lesions.
MR-based AC: Dixon imaging for fat/water separation
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Potential new artifacts by MR-AC Patient with hip prosthesis on left side; artifacts misinterpreted as air
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MR based attenuation correction Atlases and pattern recognition Coregistration to MR atlas
+ bones detected - errors in coregistration? - large differences in patients?
Hofmann et al. Eur J Nucl Med 2009 Schreibmann et al. Med Phys 2010
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PET/MR Quantification Challenges
Limited MR FOV Attenuation in coils
Correction needed based on PET data
Include coil models in attenuation maps
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AC – truncation artefacts
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MR-based field-of-view extension in MR/PET: B(0) homogenization using gradient enhancement (HUGE). Blumhagen JO, Ladebeck R, Fenchel M, Scheffler K. Magn Reson Med. 2012 Nov 30.
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Summary Nuclear imaging today offers a wide armamentarium
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SPECT/CT
PET/CT
PET/MRI
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Logistical Issues in Hybrid Imaging: • Human resources
– Cross trained technologists who feel at home in MRI are needed
– Two overlapping shifts with two technologists (0730-1830)
– Tight integration with physicians from radiology department for reading and harmonization of MR imaging protocols
– Standardized protocols – Highly sophisticated hard- and software for
optimal scheduling
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Summary However, this is modulated by other factors
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Local , inter- disciplinary expertise
Cost and time effectiveness
Improved understanding of disease