Τρίτη, 27 Δεκεμβρίου 2011

MR-PET: Μια νέα προσέγγιση στον τομέα της μοριακής απεικόνισης

Περίληψη
Είναι ευρέως αποδεκτό ότι η υπέρθεση των ανατομικών πληροφοριών βελτιώνει τη διαγνωστική αξία της λειτουργικής και μοριακής απεικόνισηςΑυτό αντανακλάται στην επιτυχία των υβριδικών συστημάτων που χρησιμοποιούν συνδυασμό PET και αξονικού τομογράφουΑλλά ο συνδυασμός της τομογραφίας ποζιτρονίων και της μαγνητικής τομογραφίας μπορεί να προσφέρει μεγάλα πλεονεκτήματαόπως υψηλότερη αντίθεση μαλακών ιστών με τις ανατομικές εικόνες της μαγνητικής τομογραφίας με ταυτόχρονη έκθεση σε πολύ χαμηλότερη δόση ακτινοβολίας για τον ασθενήΣυσχετικός απεικόνισης θα ανοίξει νέες συναρπαστικές εφαρμογές στην ογκολογίανευρολογία και την καρδιολογίαΠρος το παρόνη συμβατότηταανιχνευτών PET με μαγνητικά πεδία εξακολουθεί να αποτελεί τεχνική πρόκληση και ο περιορισμός χώρου μέσα στο μαγνήτη έχει σχεδόν επιλυθείΔεν υπάρχει πλήρως ανεπτυγμένο και ώριμο κλινικο MR/PET σύστημα στην αγορά αυτή, αν και αυτή τη στιγμή οι τρεις μεγαλύτεροι κατασκευαστές δηλώνουν διαθεσιμότητα συστημάτων MR-PET.

Εισαγωγή
Συνδυάζοντας λειτουργικά στοιχεία από την πυρηνική ιατρική με ανατομικές πληροφορίες από την αξονική ή την μαγνητική τομογραφία οι λεπτομέρειες καθήλωσης των ιχνηθετών  τηε PETγίνονται όλο και πιο συγκεκριμένεςΣυνδυασμός εικόνας και τεχνικές σύντηξης, έχουν αναπτυχθεί και βελτιστοποιηθεί για την ερμηνεία PETCT και MRI δεδομένωνΕνώ ο συνδυασμός του PET και CT σε μία συσκευή χρησιμοποιείται ήδη σε τακτική βάση στην ογκολογίαο συνδυασμός της ΡΕΤ με MR εφαρμόζεται πολύ περιορισμένα από δύο κατασκευαστές και πάντα σε ερευνητικό στάδιο.
Σε αυτό το άρθρο εξηγείται η πρόσθετη αξία μιας συνδυασμένης MR/PET σε σύγκριση μεπροηγμένες μεθόδους συνδυασμού για τις εικόνες που αποκτώνται ξεχωριστά.
Κατ 'αρχήνμια συνδυασμένη MR/PET εξέταση με ταυτόχρονες μετρήσεις που θα παρέχειλειτουργικές και ανατομικές πληροφορίες ταυτόχρονα στον ίδιο χώρο και χρόνοΣυνδυάζονταιανακρίβειεςοι οποίες συνήθως εμφανίζονται όταν αποκτούνται ξεχωριστά σύνολα δεδομένων μεεπανατοποθέτηση του ασθενούς σε διαφορετική κατάσταση και θέσηγενικά δεν μπορούν ναπροκύψουν με υβριδικό σύστημα απεικόνισηςΕκτός από τις συγκεκριμένες ανατομικέςπληροφορίεςη μαγνητική τομογραφία μπορεί να παράσχει στοιχεία από τα οποία θα εξαχθούν οι συντελεστές εξασθένισης της PET με αποτέλεσμα να να μην απαιτείται η χρήση ραδιενεργών πηγών ή λυχνίας ακτίνων Χ.


Ταυτόχρονη απεικόνιση
Ένα επιπλέον πλεονέκτημα της εκτέλεσης ΡΕΤ σε ένα υψηλό μαγνητικό πεδίο είναι η αύξηση της διακριτικής ικανότητας λόγω της περιορισμένης κίνησης των ποζιτρονίων. Αν και αυτό ήταν το κίνητρο για την αρχική έρευνα της συνδυασμένης PET και MR, τώρα το επίκεντρο μετατοπίστηκε στην ταυτόχρονη MR/PET, δεδομένου ότι απαιτούνται πολύ υψηλά μαγνητικά πεδία για να βελτιωθεί η ανάλυση για τα συστήματα PET. Οι χρόνοι μέτρησης για μια ολοκληρωμένη εικόνα στην μαγνητική τομογραφία είναι συνήθως μεγαλύτεροι σε σύγκριση με φυσιολογικές λειτουργίες, όπως η αναπνοή ή κτύπος της καρδιάς. Αυτό είναι παρόμοιο με τηνPET, η οποία διαρκεί συνήθως αρκετά λεπτά ανά θέση κρεβάτι. Στην μαγνητική τομογραφία βέβαια έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα. Μερικά από αυτά βασίζονται στην δυνατότητα της MR για τη μέτρηση σημάτων με αναπνευστικό ή καρδιακό σκανδαλισμό (respiratorycardiac triggering) ή με την βοήθεια παλμών πλοήγησης (navigator). Για παράδειγμα, η θέση του μεσοθωράκιου μπορεί να ανιχνευθεί σε πραγματικό χρόνο με την μαγνητική τομογραφία. Αυτή η πληροφορία μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα στην μαγνητική τομογραφία για την ρύθμιση της επιλεγμένης τομής ή τρισδιάστατης απεικονιζόμενης περιοχής, προκειμένου να ακολουθήσει την κίνηση της ανατομικής δομής, κάτι το οποίο δεν μπορεί να γίνει στην αξονική τομογραφία λόγω της ακτινοβολίας και της μεθόδου λήψεις της εικόνας. Για τηνPET, αυτές οι πληροφορίες μπορεί να χρησιμοποιηθεί αναδρομικά για την καλύτερη μετεπεξεργασία των δεοδομένων σε συνδυασμό πάντα με τα δεδομένα κίνησης των ιστών για τον περιορισμό της ασάφειας κίνησης. Παρόμοιες τεχνικές εφαρμόζονται και στις καρδιολογικές εφαρμογές. Τεχνικές, αναπτύσσονται επί του παρόντος για την PET / CT, μπορεί να αξιοποιηθεί με την κατάσταση στο MR-PET. Βελτιστοποιημένα προγράμματα ανακατασκευής με τεχνικές περιορισμού της ασάφειας της αναπνοής αναπτύχθηκαν για PET / CT συστήματα. Με την εξέλιξη των αλγορίθμων ανακατασκευής στα κλινικά συστήματα PET / CT η χωρική διακριτική ικανότητα είναι της τάξης των μόλις 4 mm σε μελέτες του εγκεφάλου και μικρότερη από 10 mmσε ογκολογικές μελέτες του θώρακα και της κοιλιάς. Η δυνατότητα να συνδυάστουν PET καιMRΙ σε μία μόνο συσκευή προσφέρει σημαντικά βελτιωμένη διακριτική ικανότητα σε σχέση με τα διαθέσιμα PET / CT συστήματα.



Το κύριο πρόβλημα της απεικόνισης PET είναι η χωρική ανάλυση (> 2mm) λόγω της κίνησης των ποζιτρονίων.

Εφαρμογές της MR/PET.
Διάφοροι τομείς της διάγνωσης είναι σίγουρο ότι θα επωφεληθούν από ένα υβριδικό σύστημα MR/PET. Κάποια από αυτά παρουσιάζονται στη συνέχεια.
Η FDG-PET στη διάγνωση της νόσου του Alzheimer είναι μια καθιερωμένη τεχνική, αλλά οι διορθώσεις για την ατροφία σήμερα βασίζονται μόνο σε εκτιμήσεις. Με MR/PET, ακριβής διόρθωση θα είναι δυνατή με χρήση δεδομένων MRI ευθυγραμμισμένων με τα δεδομένα της PET. Σύντηξης των μελετών μετατόπισης των υποδοχέων με PET και λειτουργική μαγνητική τομογραφία (BOLD fMRI) μπορεί να είναι ευεργετική κατά τη μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ της ενεργοποίησης των υποδοχέων και της περιφερειακής αιμάτωσης. Ακόμα και οι επιπτώσεις της αλλαγής της αιμάτωσης σε περιοχές που είναι απομακρυσμένες στις περιοχές των αλλαγών υποδοχέα μπορεί να αξιολογηθεί. Χρησιμοποιώντας την ίδια δοκιμασία για τον ασθενή με λήψη την ίδια ακριβώς στιγμή δεδομένων της PET και της MR είναι δυνατή η ταυτόχρονη μελέτη μέσω της fMRI και της PET με ραδιοϊχνηθέτη O-15.
Μια άλλη σημαντική κλινική περιοχή εφαρμογής του MR-PET στο νευρολογικό τομέα είναι ο ταυτόχρονος προσδιορισμός των λειτουργικά σημαντικών τμημάτων του εγκεφάλου και την οριοθέτηση του όγκου εντοπισμού πριν από τη χειρουργική επέμβαση και ακτινοθεραπεία. Επίσης, MR δεδομένα αιμάτωσης του ασθενούς με εγκεφαλικό επεισόδιο θα μπορούσαν να βελτιωθούν με την συνέργεια λειτουργικών πληροφοριών της ΡΕΤ.
Η ακριβής ανατομική υπέρθεση των πληροφοριών της PET με τις ανατομικές πληροφορίες της MRI σε μία σάρωση θα βελτιώσει σε μεγάλο βαθμό την ακρίβεια εντοπισμού εστιακών αλλοιώσεων.
Στην ογκολογία, εξατομικευμένος σχεδιασμός της θεραπείας παρακολούθηση της θεραπείας είναι θέμα μεγάλου κλινικού ενδιαφέροντος. Ειδικά λειτουργικά στοιχεία πρέπει να συνοδεύονται από ακριβείς ανατομικές πληροφορίες αναφοράς με υψηλή αντίθεση και SNRHPET / CT απεικόνιση ήδη αποδίδει σημαντικά αποτελέσματα. Η υψηλή αντίθεση μαλακών ιστών της μαγνητικής τομογραφίας και η χαμηλότερη έκθεση σε ακτινοβολία δίνει τη δυνατότητα διαρκούς παρακολούθησης και επαναλαμβανόμενων εξετάσεων.
Η καρδιακές εφαρμογές σίγουρα θα βελτιωθούν από την MR/PET προσέγγιση. Καλύτερη εκτίμηση της περιοχής του βιώσιμου μυοκαρδίου, μελέτες των νεκρομένων περιοχών με ιδανική ανατομική και λειτουργική πληροφορία  η οποία έχει ληφθεί σε μία εξέταση θα έδινε μεγάλη σιγουριά στους κλινικούς ιατρούς στην προσπάθεια ανίχνευσης και ερμηνείας των βλαβών της καρδιάς
Παράδειγμα μια προφανής στρατηγική θα πρέπει να συνδυάζει τις εικόνες υψηλής ανάλυσης από την μαγνητική τομογραφία που απεικονίζει το πάχος τοιχώματος και την κίνηση, ουλώδη ιστό, στεφανιαία ανατομία, και το βάρος της πλάκας, και να συνδυάστούμ με πολύ συγκεκριμένα, ποσοτικά στοιχεία σχετικά με τη βιωσιμότητα των ιστών και τη ροή του αίματος.


Η τεχνική πρόκληση
Το κύριο πρόβλημα σε συστήματα MR-PET προκύπτει από το γεγονός ότι οι φωτοπολλαπλασιαστές δεν μπορούν να λειτουργήσει μέσα σε μαγνητικό πεδίο, χωρίς υποβάθμιση επιδόσεων. Επιπλέον, υπάρχει πολύ περιορισμένος χώρος στο μαγνήτη για την τοποθέτηση ανιχνευτών PET. Ως εκ τούτου, δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιεί το πρότυπο ανιχνευτή PET, που αποτελείται από κρυστάλλους σπινθυρισμού, συστοιχίες φωτοπολλαπλασιαστών, σε ένα συνδυασμένο MR-PET τομογράφο. Στο UCLA η ομάδα των Cherry et al ξεκίνησε την ανάπτυξη συμβατών ανιχνευτές PET. Η αρχή λειτουργίας του ανιχνευτή βασίζεται στη χρήση των μακρών οπτικών ινών, οι οποίες κατευθύνουν το φως από τους κρύσταλλους σπινθηρισμού εκτός του μαγνητικού πεδίου στους φωτοπολλαπλασιαστές, όπου το πεδίο έχει πέσει κάτω από 10 mT. Με βάση αυτή την τεχνολογία, η πρώτη ταυτόχρονη PET και MR απεικόνιση των ομοιώματος σε 1,5 Τ μαγνητικο τομογράφο με σύστημα PET το οποίο στην ουσία ήταν ένας δακτύλιος ανιχνευτών LSO 54 mm. Η PET είχε κακή απόδοση. ΗMR/PET που αναπτύχθηκε επίσης από την ερευνητική ομάδα του Δρ. Cherry έχει το PET scanner μέσα σε ένα μαγνήτη για τη διευκόλυνση της ταυτόχρονης απεικόνισης. Αν και συστοιχίες σπινθηριστών εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται, το φως σπινθηρισμού μεταφέρεται μέσω οπτικών ινών σε ανιχνευτή πυριτίου που δεν επηρεάζεται από τα μαγνητικά πεδία. Αυτό το νέο σύστημα αποδίδει καλά αποτελέσματα με μικρές παρεμβολές. Στην πρώτη in vivoποντικού μελέτη που πραγματοποιήθηκε πρόσφατα, η MR/PET απέδωσε ποιοτικές εικόνες και απέδειξε τη σκοπιμότητα της συνδυασμένης MR/PET.
Αριστερά. Το συνδυασμένο σύστημα πηνίου RF και ανιχνευτών. Το ποντίκι πειραματόζωο και ο σωλήνας αναισθησία είναι επίσης εμφανής στην εικόνα. Δεξιά: εικόνα της συσκευής της PETτοποθετημένη στο εσωτερικό ενός μαγνητικού τομογράφου 3 T.


Σωλήνας φωτοπολλαπλασιαστή, όπως είναι συνήθως σε συστήματα PET και μια μήτρα APD
Για μεγαλύτερη χωρική κάλυψη των μικροσυσκευών PET στα πειραματικά συστήματα, εμφανίστηκε μια άλλη πιο χρήσιμη μορφή ανιχνευτή, οι φωτοδίοδοι χιονοστιβάδας (Avalance photodiodes - ΑPDs). Έχουν χρησιμοποιηθεί σε πρωτότυπα συστήματα απεικόνισης μικρών ζώων PET για να ανιχνεύουν το φως σπινθηρισμών κρυστάλλους BGO ή LSO κρυστάλλους. Το κύριο πλεονέκτημα είναι ότι λειτουργούν σε υψηλά μαγνητικά πεδία, χωρίς υποβάθμιση των επιδόσεων. Επιπλέον, οι ανιχνευτές ημιαγωγών είναι πολύ συμπαγής, προσφέροντας έτσι την ευκαιρία να δημιουργήσουν πολύ συμπαγής ενότητες με δυνητικά ελάχιστη παρέμβαση στην σχεδίαση του υβριδικού συστήματος. Στο παρακάτω σχήμα  φαίνεται ένας σωλήνας φωτοπολλαπλασιαστή, όπως είναι συνήθως σε συστήματα PET και μια μήτρα APD που χρησιμοποιείται για την ανάγνωση από κρυστάλλους σπινθηρισμών. 


 
Σωλήνας φωτοπολλαπλασιαστή, όπως είναι συνήθως σε συστήματα PET και μια μήτρα APD.Είναι εμφανής η διαφορά στο μέγεθος των δύο συστημάτων.


Η Siemens αρχικά το 2007 παρουσίασε τα πρώτα αποτελέσματα αυτής της προσέγγισης χρησιμοποιώντας ένα πηνίο εγκεφάλου με τους συνδυασμό κρυστάλλων LSO και APD ανιχνευτών.


 Το σύστημα Brain PET της Siemens το οποίο τοποθετείται μέσα σε μαγνητικό τομογράφο 3Τ. Στην κάτω σειρά παρατηρούμε απεικόνιση του εγκεφάλου με την συνδυασμένη αυτή μέθοδο.


Ο συνδυασμός PET και  μαγνητικής τομογραφίας παρουσιάζει πέντε τεχνικές προκλήσεις:
1. Η ανάγκη για ανιχνευτές που λειτουργούν σε υψηλό μαγνητικό πεδίο
2. Ομοιομορφίας πεδίου καλύτερη από 1 ppm
3. περιορισμός παρεμβολών RF.
4. σχεδιασμός, υλικά και μέγεθος της θωράκισης
5. και φυσικά το κόστος


Οι δύο πρώτες κλινικές που εγκατέστησαν συστήματα MR-PET εγκαταστάθηκαν από τη Philips στις ΗΠΑ (Mount Sinai Medical http://www.mssm.edu/research/labs/imaging-science-laboratories/facilities) και στην Ευρώπη (Γενικό Πανεποστημιακό Νοσοκομείο της Γενεύης http://www.hug-ge.ch/hug_cite/inauguration_PET_IRM.html). Κύριες κλινικές εφαρμογές της MR-PET είναι ογκολογία, καρδιολογία και η νευρολογία. Οι ερευνητικές μελέτες που διεξάγονται αυτή τη στιγμή έχουν κύριο στόχο να κατανοηθούν τα οφέλη της νέας διαγνωστικής μεθόδου.
Προς το παρόν, η Siemens είναι η μόνη εταιρεία που προσφέρει ένα ολοκληρωμένο σύνολο του σώματος και ταυτόχρονη αγορά PET / MRI σύστημα. Το σύστημα αυτό είχε εγκριθεί από το FDA και κυκλοφόρησε για την αγορά των πελατών το 2011. Πάνω από δώδεκα εγκαταστάσεις έχουν γίνει με αυτή την τεχνολογία. Στις ΗΠΑ, 3 εγκαταστάσεις χρησιμοποιούν ήδη την εν λόγω τεχνολογία για τη φροντίδα της έρευνας και της ασθενούς. Στην Ευρώπη, υπάρχουν πολλά περισσότερα συστήματα, με τα περισσότεροι από αυτά στη Γερμανία.
Η General Electric (GE Trimodality) ουσιαστικά προωθεί ένα σύστημα με PET / CT και MRΙ σε δύο συσκευές σάρωσης και ένα κινητό τραπέζι εξέτασης.
Αξίζει να σημειωθεί ότι η Siemens βρίσκεται κοντά στην ολοκλήρωση της ανάπτυξης συστήματος MR/PET με πεδίο 7 και 9.4 Τέσλα.



Figure 3: Δομή ενιαίου υβριδικού τομογράφου MR/PET.




Ο ενιαίος υβριδικός τομογράφος MR/PET της Siemens Biograph mMR.



Figure 3: Δομή ανοικτού - σειριακού υβριδικού τομογράφου MR/PET.





Ο σειριακός υβριδικός τομογράφος MR/PET της Philips Ingenuity TF.


Επιφάνεια εργασίας χειριστηρίου του συστήματος Siemens Biograph mMR και υπερθεση εικόνων PET και MRI (δεξί παράθυρο).



 Εικόνες MR/PET ήπατος και μαστών απο το σύστημα Philips Ingenuity TF








 Εικόνες MR/PET θώρακος και whole body απο το σύστημα Siemens Biograph mMR


Ο ρόλος της μαγνητικής τομογραφίας
Αν και η PET / CT έχει δείξει την κλινική της αξία μπορεί να μην είναι το απόλυτο διαγνωστικό εργαλείο σε σχέση με την μαγνητική τομογραφία, η οποία προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα σε απεικονιστικό και σε επίπεδο ποσοτικοποίησης:
1. Η μαγνητική τομογραφία δεν επιβαρύνει τον εξεταζόμενο με έκθεση σε ακτινοβολία.
2. Η χορήγηση ιωδιούχων εν δυνάμει νεφροτοξικών σκιαγραφικών μέσω ή ραδιενεργών ιχνηθετών δεν είναι απαραίτητη.
3. Η μαγνητική τομογραφία προσφέρει  πολύ υψηλότερη αντίθεση μαλακών ιστών. Αυτό έχει αποδειχθεί ότι είναι απαραίτητο σε εφαρμογές απεικόνισης στην νευρολογια, στο μυοσκελετικό, στην καρδιολογία και την ογκολογία (π.χ. ανίχνευση και ταυτοποίηση των εστιακών αλλοιώσεων του ήπατος).
4. Μαγνητική τομογραφία επιτρέπει πρόσθετες τεχνικές, όπως η αγγειογραφία, η λειτουργική μαγνητική τομογραφία (π.χ. μελέτες ενεργοποίησης του εγκεφάλου), φασματοσκοπική απεικόνιση, ολόσωμη απεικόνιση (DWIBS, Τ1, Τ2, STIR), τη διάχυση (DWIDTI) και τεχνικές δυναμικής μελέτης έγχυσης σκιαγραφικών μέσων, σε μία και μόνη εξέταση σε χρόνους σάρωσης που κυμαίνονται από 15 λεπτά έως μία ώρα.
5. Τέλος, η μαγνητική τομογραφία αναδεικνύεται ως ιδιαίτερα συμφέρουσα μέθοδος για τη μοριακή απεικόνιση. Η τεχνική αυτή, ενδεχομένως σε συνδυασμό με την ορθολογική χρήση στοχευμένων θεραπειών, θα μπορούσε να επηρεάσει ριζικά την πρακτική της κλινικής διάγνωσης και θεραπείας, όσο βέβαια οι τεχνολογίες αυτές εξακολουθούν να ωριμάζουν.
Ο συνδυασμός της ΡΕΤ και MRI συσκευές σε ένα ενιαίο υβριδικό σύστημα προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με την PET / CT και η μαγνητική τομογραφία και μόνο.



Σύγκριση της τεχνικής DWIBS και της PET/CT. Η ολόσωμη απεικόνιση με DWIBS παρουσιάζει σημαντικά υψηλότερη ευαισθησία και ειδικότητα (MRI 92%/88% - PET/CT 85%/78%, ευαισθησία / ειδικότητα) (πηγή DrTLafolie, Γενικό Νοσοκομείο Αεροπορίας Laveran, Γαλλία).

Συμπεράσματα
Η MR / PET είναι ένα πολύτιμο κλινικό εργαλείο με το πλεονέκτημα της ελάχιστης έκθεσης σε ακτινοβολία σε σύγκριση με την PET CT. Πολλές καινοτόμες μέθοδοι εξέτασης είναι πλέον διαθέσιμες  στην ογκολογία, την νευρολογία, και την καρδιολογία. Η κατασκευή κλινικών συστημάτων MR / PET  είναι πλέον εφικτή, προσφέροντας τη δυνατότητα για πραγματική ταυτόχρονη PET και MR απεικόνιση ανοίγοντας νέους δρόμους στην διάγνωση.

0 σχόλια :

Δημοσίευση σχολίου