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 2011. május 2. Bevezetés komplexitás - kihívások Multimodális képalkotás Molekuláris képalkotás Referencia tér, navigáció Képalkotók vezérelt terápia Személyre szabott terápia személyre szabott diagnosztika - biomarkerek Eszközös ellátottság Humán erőforrás Anatómia UH CT MR DTI Funkció MR fmri DWI, DTI PET Multimodalitás Metabolizmus MR MRS fmri PET Molekuláris képalkotás MR PET Optikai képalkotás Multimodalitás Flat panel volume CT Flat panel volume CT 1
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) Straton TM 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
Aortia dissectio Flash Spiral Body Teljes vascularis status pár másodpercen belül Image SOMATOM Definition Flash Flash speed. Lowest dose. 4# 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 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 Courtesy of Deutsches Herzzentrum Munich / Munich, Germany 4D zajcsökkentés és gyorsaság MPEG megoldás 4D zajcsökkentés és gyorsaság MPEG megoldás Változatlan képi információ Változó információ Időbeli képsorok t 1 t 2 t 3 time Alacsony felbontás, dinamikus perfúziós információ Időbeli képsorok t 1 t 2 t 3 time + + Nagy felbontás: Statikus anatómiai információ Csökkentett zaj és dózis 3
Sub-mSv szív CT Sub-mSv szív CT Conventional CTA Flash Spiral Cardio 135-175 ms temporal resolution 2-10 s scan time 5.7 36.5 msv dose 1 75 ms temporal resolution 250 ms scan time (quarter beat) Down to < 1 msv dose, reducing dose by 92% 1,2 Eff. dose: 0.9 msv Scan Time: 350 ms Flash Spiral Cardio 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
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 SOMATOM Definition Flash: 75 ms temporal resolution, 0.33 mm spatial resolution, 0.67 seconds for 290 mm, 0.28 second rotation, 100 kv. Gyermek thorax sedatio nélkül 0.37 s 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 Sedatio nélkül? Stroke Standard Spiral altatott Standard Spiral Nem altatott Flash Spiral Nem altatott 5
Stroke Mismatch - CTP CBV CBF Stroke diagnosztikai stratégiája CTA RadioGraphics 2006; 26:S75 S95 Adaptive 4D Spiral Plus 48 cm dinamikus CTA 50% dózis redukcióval Single dose Dual Energy Konvencionális DE Selectiv Photon Shield DSCT Dual Energy 64 slice 320 slice Definition AS+ Definition Flash Egy kontraszt Morfológiai információ Mindig két kontraszt Morfológiai információ és szöveti karakterizáció Dózis csökkentés 6
Single dose Dual Energy Dózis csökkentés X-CARE Kovencionális Selectiv Photon Shield-del Konvencionális DSCT with X-CARE 80 kv 140 kv overlap 80 kv 140 kv with SPS overlap Szignifikáns spektrum átfedés Az energiák elkülönítése limitált A dózishatásosság limitált Minimális spektrum átfedés 80%-kal jobb energia elkülöníthetőség Dózishatásosság magas! Az emlő sugárterhelése magas Ugyanakkor nem fontos általában a thorax CT vizsgálata során 40%-os dózisreductio az emlők esetében Képminőség megtartott Ideális az érzékeny szervek esetében:emlő, pajzsmirigy, szemlencse Dózis csökkentés X-CARE Adaptive Dose Shield Konvencionális CT Adaptive Dose Shield X-CARE nélkül X-CARE alkalmazásával 40 %-os dózis csökkentés Low dose High dose Dose distribution 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
Perfúzió Endogén kontraszt Arterial Spin Labeling Arterial Spin Labeling ASL High field MR 7T Stroke. 2000;31:680-687. Phase Contrast Imaging Diffúzió DTI - tracking Magnetic Resonance in Medicine 60:1155 1168 (2008) 8
Corticospinal tract Corticopontin tract Middle cerebellar peduncle 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 fmri DW fmri Human Brain Research Center, Kyoto University Phys. Med. Biol. 52 (2007) R57 R90 Human Brain Research Center, Kyoto University Phys. Med. Biol. 52 (2007) R57 R90 9
Molekuláris képalkotás PET 18 F-FDG, 11 C-metionin 11 C- Cholin, 18 F-Fallypride, 11 C- Raclopride Pittsburgh Compound-B ( 11 C-PIB), 18 F-FDDNP MR Szerv és szövetspecifikus kontrasztanyagok fejlesztése Génexpresszió és génterápia képi megjelenítése 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 Fibrin specifikus kontrasztanyagok Őssejt migráció - stroke 7 nappal MCA occlusio után corticalis graft a lesio medialis oldalán MRI a beültetés (A,B) és 1,5 hét után (C,D) Guzman et al. PNAS, 2007 Potenciális multinucleáris MR projectek 7T 23 Na Alzheimer Diffúz Axonális sérülés Arthritis, discopathia 31 P Tumor terápia HIV 17 O Stroke, Alzheimer, tumor, szív 13 C Tejsav térképek tumorban 19 F β-gal aktivitas fluorophenyl - β-galactosidase 13 C succinate imaging Am J Neuroradiol 31:24 33 2010 23 Na MR képalkotás Alzheimer AJNR Am J Neuroradiol 30:978 84 May 2009 23 Na MR képalkotás Glioma 31 P 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
17 O 2 MR képalkotás Célzott molekuláris terápia Disznóagy H 2 17 O perfúzió J Neurosci Methods. 2009 April 30; 179(1): 29 39. Patkányagy H 2 17 O 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 2 T Terranova Earth Field (0,05 mt) Teaching MRI/NMR system 11
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 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 Herzog, H., et al., The current state, challenges and perspectives of MR-PET, NeuroImage (2009), doi:10.1016/j.neuroimage.2009.10.036 12
Biograph mmr 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. 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 Biograph mmr 13
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
PET/SPECT images További lehetőségek T2, PD etc. A multimodalitás fontossága A multimodalis képalkotással szerzett információ nem csak az egyedi adatok összegzését jelenti, hanem ismereteink exponenciális növekedését is SPM images DTI parametric images Precise T1-CT registration 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 LinAc Gammaknife Rotációs gamma sugársebészet MRgHiFUS (MR guieded High intensity Focused Ultrasound) Acusticus neurinoma kezelési terve CT és FIESTA 1 kezelési tervet betenni 15
Trigeminus neuralgia kezelés CT és FIESTA MRIgFUS - agy MRgFUS device for brain treatments MRgFUS vs Sugársebészet ExAblate 3000TM (InSightec, Haifa Israel) XRT MRgFUS Ionizáló sugárzás + - (toxicity) Real-time monitoring - + és kontroll Közvetlen válasz - + (immediate evaluation) Ismételhető - + Delivery of Doxil (liposomal doxorubicin, rats) Concentration tissue) Doxorubicin (ng/g 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Doxorubicin Uptake in Normal Brain Control Sonicated clinically relevant dose¹ 0.1 ml/kg 0.2 ml/kg 0.5 ml/kg Optison Dose tcmrghifu Treat et al., Proceedings ISTU 2006 1 Cummings & McArdle (1986) Magnetic Resonance Center of the University Children's Hospital Zurich 16