A képalkotás új fejezetei: korszerű CT és MR képalkotás, hibrid rendszerek. Multimodalitás. Multimodalitás

2011.06.22.

Bevezetés komplexitás - kihívások

A képalkotás új fejezetei: korszerű CT és MR képalkotás, hibrid rendszerek Dr. Berényi Ervin Orvosi Laboratóriumi és Képalkotó Diagnosztikai Tanszék Általános Orvostudományi Kar Debreceni Egyetem

• • • • •

Multimodális képalkotás Molekuláris képalkotás Referencia tér,, navigáció g Képalkotók vezérelt terápia Személyre szabott terápia – személyre szabott diagnosztika - biomarkerek • Eszközös ellátottság • Humán erőforrás

2011. május 2.

Multimodalitás • Anatómia

Multimodalitás • Metabolizmus – MR

– UH – CT – MR

• MRS • fMRI

– PET

• DTI

• Molekuláris képalkotás

• Funkció – MR • fMRI • DWI, DTI

– PET

Flat panel volume CT

– MR – PET – Optikai képalkotás

Flat panel volume CT

1

2011.06.22.

Dual source CT Dual energy CT

A csövek gyorsító feszültsége különböző, 80-140 kV. Mérési mezőjük (FOV/FOM) más (a sugárnyaláb szélessége is eltérő). A gantry rotációs ideje (a 360 fokos körbefordulás időtartama nagyon rövid (0,33 sec).

A legkisebb csőméret a legnagyobb forgási sebességet teszi lehetővé

Hagyományos RTG cső

330 ms-os forgási idő! 16g gyorsulás (80 cm)

StratonTM RTG cső

A készülék két különböző üzemmódban működtethető – az egyik a „dual source”, a másik a „dual energy”. A dual source jelentése „két sugárforrás” (DSCT). Ebben az esetben mindkét röntgencső azonos kV értékkel dolgozik. Dual energy módban lehetőség van a különböző energián röntgensugárelnyeléssel jellemezhető alkotók elkülönítésére

2

2011.06.22.

Flash Spiral Body Teljes vascularis status pár másodpercen belül Image

Aortia dissectio

SOMATOM Definition Flash Flash speed. Lowest dose. Collimation: 128 x 0.6 mm Spatial resolution: 0.33 mm Scan time: 2.0 s Scan length: 575 mm Rotation time: 0.28 s 120 kV, 100 effective mAs

4#

5.8 mSv

Scan Time: 1.6 s

Courtesy of German Heart Center/ Munich, Germany

SOMATOM Definition Flash: 0.33 mm spatial resolution, 1.6 seconds for 685 mm, 0.28 second rotation, 120 kV, 160 mAs / rotation

4D zajcsökkentés és gyorsaság – MPEG megoldás Változatlan képi információ Változó információ

4D zajcsökkentés és gyorsaság – MPEG megoldás

Időbeli képsorok

t1

t2

t3

Courtesy of Deutsches Herzzentrum Munich / Munich, Germany

time

Alacsony felbontás, dinamikus perfúziós információ

Időbeli képsorok

t2

t1

+ Nagy felbontás: Statikus anatómiai információ

t3

time

+

Csökkentett zaj és dózis

3

2011.06.22.

Sub-mSv – szív CT Conventional CTA

ƒ 135-175 ms temporal resolution ƒ 2-10 s scan time ƒ 5.7 – 36.5 mSv dose1

Sub-mSv – szív CT

Flash Spiral Cardio

Eff. dose: 0.9 mSv Scan Time: 350 ms Flash Spiral Cardio

ƒ 75 ms temporal resolution ƒ 250 ms scan time (quarter beat) ƒ Down to < 1 mSv dose, reducing dose by 92%1,2

1: Hausleiter et al, JAMA 2009 Feb 4;301(5):500-7 2: Alkadhi et al, Eur Radiol Sept 2009

Courtesy of Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg – IMP / Erlangen, Germany

SOMATOM Definition Flash: 75 ms temporal resolution, 0.33 mm spatial resolution, 350 ms for 149 mm, 0.28 second rotation, 100 kV, 290 mAs / rotation

Sub-mSv – szív CT

Eff. dose: 0.9 mSv Scan Time: 300 ms Flash Spiral Cardio Courtesy of Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg – IMP / Erlangen, Germany

SOMATOM Definition Flash: 75 ms temporal resolution, 0.33 mm spatial resolution, 300 ms for 135 mm, 0.28 second rotation, 100 kV, 370 mAs / rotation

Single source CT

Dual source CT

Triple rule-out: Bilateralis pulmonaris embolia

Scan Time: 0.6 s Eff. dose: 2.3 mSv Temp. resolution: 75 ms Courtesy of Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg – IMP / Erlangen, Germany

SOMATOM Definition Flash: 0.33 mm spatial resolution, 0.6 seconds for 269 mm, 0.28 second rotation, 100 kV, 370 mAs / rotation

4

2011.06.22.

Pulmonaris embolia – perfúziós defektus

Low dose Triple Rule-Out

Scan Time: 0.67 s Temp. resolution: 75 ms Eff. dose: 1.6 mSv 97 kg, BMI 29.9

Courtesy of Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg Institute of Medical Physics/ Erlangen, Germany

Gyermek thorax sedatio nélkül 0.37 s

SOMATOM Definition Flash: 75 ms temporal resolution, 0.33 mm spatial resolution, 0.67 seconds for 290 mm, 0.28 second rotation, 100 kV.

Aortia transpositio

Scan Time: 0.37 s No breath hold No sedation 0.25 mSv Courtesy of Friedrich-Alexander University Erlangen-Nuremberg – IMP / Erlangen, Germany

SOMATOM Definition Flash: 0.33 mm spatial resolution, 0.37 seconds for 146 mm, 0.28 second rotation, 100 kV, 70 mAs / rotation

Courtesy of Hôpital de Jolimont/ La Louvière, Belgium

SOMATOM Definition Flash: 0.33 mm spatial resolution, 0.28 second rotation, 80 kV, 42 eff. mAs

Stroke

Sedatio nélkül? Standard Spiral

Standard Spiral

Flash Spiral

altatott

Nem altatott

Nem altatott

5

2011.06.22.

Stroke

Mismatch - CTP

CBV

Stroke diagnosztikai stratégiája

CBF

CTA

RadioGraphics 2006; 26:S75–S95

Adaptive 4D Spiral Plus 48 cm dinamikus CTA 50% dózis redukcióval

Single dose Dual Energy • Konvencionális

64 slice

320 slice

Definition AS+

Definition Flash

• DE Selectiv Photon Shield

•DSCT Dual Energy

– Egy kontraszt

– Mindig két kontraszt

– Morfológiai információ

– Morfológiai információ és szöveti karakterizáció – Dózis csökkentés

6

2011.06.22.

Dózis csökkentés X-CARE

Single dose Dual Energy • Kovencionális

• Selectiv Photon Shield-del

Konvencionális

– Szignifikáns spektrum átfedés

– Minimális spektrum átfedés – 80%-kal jobb energia elkülöníthetőség

– Az energiák elkülönítése limitált – A dózishatásosság limitált

– Dózishatásosság magas!

Dózis csökkentés X-CARE

ƒ Az emlő sugárterhelése magas ƒ Ugyanakkor nem fontos általában a thorax CT vizsgálata során

40 %-os dózis csökkentés

• Adaptive Dose Shield

Low dose

High dose

Dose distribution

X-CARE alkalmazásával

ƒ 40%-os dózisreductio az emlők esetében ƒ Képminőség megtartott ƒ Ideális az érzékeny szervek esetében:emlő, pajzsmirigy, szemlencse

Adaptive Dose Shield • Konvencionális CT

X-CARE nélkül

DSCT with X-CARE

80 kV 140 kV with SPS overlap

80 kV 140 kV overlap

Konvencionális technológia Dose Shield nélkül

SOMATOM Definition Flash Adaptive Dose Shield alkalmazásával

Vollmar, Kalender - Reduction of dose to the female breast: a comparison of standard-protocol, bismuth-shielded partial and tube-current-modulated CT examinations, Eur Radiol 2008

Iterative Reconstruction in Image Space (IRIS) 60%-os dózis csökkentés a képminőség növekedésével •

Standard Filtered Back Projection

• Iterative Recon. in Image Space

7

2011.06.22.

Perfúzió Endogén kontraszt Arterial Spin Labeling

Arterial Spin Labeling

High field MR – 7T

ASL

Stroke. 2000;31:680-687.

Phase Contrast Imaging

Diffúzió DTI - tracking

Magnetic Resonance in Medicine 60:1155–1168 (2008)

8

2011.06.22.

Middle cerebellar peduncle Corticospinal tract Corticopontin tract

Teljes test MR neurographia Teljes test MR diffúziós képalkotás

Pontin crossing tract

Medial lemniscus

fMRI BOLD Blood Oxygen Dependent Contrast

FcfMRI Functional connectivity fMRI

Resting-state functional connectivity differences in premature children Frontiers in Systems Neuroscience June 2010 Vol 4 doi: 10.3389/fnsys.2010.00023

fMRI DW fMRI

Human Brain Research Center, Kyoto University

Phys. Med. Biol. 52 (2007) R57–R90

fMRI DW fMRI

Human Brain Research Center, Kyoto University

Phys. Med. Biol. 52 (2007) R57–R90

9

2011.06.22.

Molekuláris képalkotás

Őssejt migráció - stroke

• PET – 18F-FDG, 11C-metionin – 11C- Cholin, 18F-Fallypride, 11C- Raclopride – Pittsburgh Compound-B (11C-PIB), 18F-FDDNP

• MR – Szerv és szövetspecifikus kontrasztanyagok fejlesztése – Génexpresszió és génterápia képi megjelenítése • Αvβ3-integrin Αvβ3 integrin (targeted paramagnetic nanoparticules) neovascularization • Transferrin-receptor (Tf-MION probe) • β-galactosidase aktivitás

– SPIO, USPIO, CLIO jelölés • • • •

Apoptosis kutatás Őssejt-kutatás Lymphographia Drug-delivery (cancer tartgeted anti-cancer SPIO nanoparticule containing micelles) • Macrophag jelölés

– Szelektív thrombus képalkotás

• 7 nappal MCA occlusio után • corticalis graft a lesio medialis oldalán • MRI a beültetés (A,B) és 1,5 hét után (C,D)

• Fibrin specifikus kontrasztanyagok

Guzman et al. PNAS, 2007

23Na

Potenciális multinucleáris MR projectek 7T

•

23Na

MR képalkotás Alzheimer

– Alzheimer – Diffúz Axonális sérülés – Arthritis, discopathia

•

31P

– Tumor terápia – HIV

•

17O

•

13C

•

19F

13C

succinate imaging

– Stroke, Alzheimer, tumor, szív – Tejsav térképek tumorban – β-gal aktivitas – fluorophenyl β-galactosidase

23Na

AJNR Am J Neuroradiol 30:978–84 May 2009

Am J Neuroradiol 31:24 –33 2010

MR képalkotás Glioma

31P

MRS A PME csökkenés a terápiás válasz indikátora – non Hodgkin lymphoma

Kezelés előtt

Kezelés után Centre for Functional and Metabolic Mapping, Robarts Research Institute at the University of Western Ontario in London, Ontario, Canada

Large B-Cell Lymphoma Xenografts - SCID Mice - CHOPB Acad Radiol. 2007 December ; 14(12): 1531–1539.

10

2011.06.22.

17O

2

MR képalkotás

Disznóagy – H217O perfúzió

J Neurosci Methods. 2009 April 30; 179(1): 29–39.

Célzott molekuláris terápia

Patkányagy – H217O 9.4 T 0,1 ml voxel 11s NMR Biomed. 2005;18:83–103

Első ultra-low-field agyi MR Los Alamos – Zotev – 2004.

Első ultra-low-field agyi MR Los Alamos – Vadim Zotev – 2007.

46 μT

2T

Terranova Earth Field (0,05 mT) Teaching MRI/NMR system

11

2011.06.22.

Funkcionális MR

Nyitott MR berendezések

MR-PET

Philips

Herzog, H., et al., The current state, challenges and perspectives of MR-PET, NeuroImage (2009), doi:10.1016/j.neuroimage.2009.10.036

MR-PET

Herzog, H., et al., The current state, challenges and perspectives of MR-PET, NeuroImage (2009), doi:10.1016/j.neuroimage.2009.10.036

MR-PET

Herzog, H., et al., The current state, challenges and perspectives of MR-PET, NeuroImage (2009), doi:10.1016/j.neuroimage.2009.10.036

12

2011.06.22.

Biograph mMR

The first MR-friendly PET detectors. We’ve designed the first PET detectors that allow for the full integration of whole-body MR and PET while maintaining the performance of each modality. Our unique mMR PET detector architecture includes integrated cooling features to assure optimal PET performance, as well as specialized shielding to virtually eliminate magnetic field interference in the PET data processing chain.

Biograph mMR

Biograph mMR

Optimized for a strong signal. Attenuation correction of the human body is an essential part of a PET exam. It helps improve the consistency of PET data results across varying tissue densities. With Biograph mMR, attenuation information is collected from MR data during the simultaneous exam. In addition, we’ve re-engineered every relevant component—from our new, PET-compatible Tim® (Total imaging matrix) coils to the mMR Tim Table designed with low attenuation materials—to further ensure high-quality simultaneous exams.

Biograph mMR

13

2011.06.22.

Biograph mMR

Biograph mMR

MR-PET

Herzog, H., et al., The current state, challenges and perspectives of MR-PET, NeuroImage (2009), doi:10.1016/j.neuroimage.2009.10.036

Referencia tér • A multimodalis képalkotás információinak egy térben történő ábrázolásával – – – – –

anatómiai, perfúziós, metabolikus, molekuláris és genetikai információk összegződnek

• A célzott terápia alapvető feltétele egy adott torzításmentes referencia tér – CT – 3D T1W

Frames CT terébe regisztrált DTI, szegmentációk 54 éves ffi, agyi met. ( Gamma Sugársebészeti Központ )

14

2011.06.22.

További lehetőségek PET/SPECT images

• A multimodalis képalkotással szerzett információ nem csak az egyedi adatok összegzését jelenti, hanem ismereteink „exponenciális” növekedését is

T2, PD etc.

SPM images

Precise T1-CT registration

DTI parametric images

A multimodalitás fontossága

Structures defined in the space of a brain atlas

• A multimodalis információk egy adott referencia rendszerben alkalmazva, anatómiai, funkcionális, metabolikus és molekuláris információt közvetítve válnak alapjává a vezérelt terápiáknak

Multimodális virtuális realitás és neuronavigáció • Preoperativ MR (3D, DTI, MRS, fMRI) • Molekuláris képalkotás – PET (FDG, Metionin) – MR

• Intraoperativ UH • Intraoperativ MR • Vezérelt terápiák – Radiosebészet – Fókuszált UH

Képalkotók által vezérelt terápia • Sugársebészeti beavatkozások

Acusticus neurinoma kezelési terve CT és FIESTA • 1 kezelési tervet betenni

– LinAc – Gammaknife – Rotációs gamma sugársebészet

• MRgHiFUS (MR guieded High intensity Focused Ultrasound)

15

2011.06.22.

Trigeminus neuralgia kezelés CT és FIESTA

MRIgFUS - agy

MRgFUS device for brain treatments

MRgFUS vs Sugársebészet ExAblate 3000TM (InSightec, Haifa Israel)

• Ionizáló sugárzás (toxicity) • Real-time monitoring és kontroll • Közvetlen válasz (immediate evaluation) • Ismételhető

Delivery of Doxil (liposomal doxorubicin, rats)

Doxorubicin Concentration (ng/g tissue)

Doxorubicin Uptake in Normal Brain

XRT +

MRgFUS -

-

+

-

+

-

+

tcMRgHIFU

7000 6000

Control Sonicated

5000 4000 3000

“clinically relevant” dose¹

2000 1000 0 0.1 ml/kg

0.2 ml/kg

0.5 ml/kg

Optison Dose Treat et al., Proceedings ISTU 2006

1Cummings

& McArdle (1986)

Magnetic Resonance Center of the University Children's Hospital Zurich

16