nuclear medical applications

36
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 Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik Klinikum rechts der Isar Technische Universität München S. I. Ziegler Nuclear Medical Applications

Upload: others

Post on 07-May-2022

4 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Nuclear Medical Applications

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

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Technische Universität München

S. I. Ziegler

Nuclear Medical Applications

Page 2: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Radiopharmaceuticals

• Selection of the pharmaceutical according to the organ-

specific question

• Labelling of pharmaceuticals with radioactive isotopes

External detection possible

• Radiopharmaceuticals must not affect the metabolism

2

Page 3: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Mechanisms of Tracer Imaging

3

Mechanism Example

Distribution in a body compartment Blood pool scintigraphy, cystography

Leaking from the vascular

compartment

Gastrointestinal bleeding

Passive diffusion Distribution in the tissue along a concentration

gradient

Capillaries blocking Lung perfusion scintigraphy (Tracer Ø > 20 µm)

Adsorption Skeleton scintigraphy (Tc-99m-diphosponates on the

surface of hydroxylapatite)

Active transport Thyroid scintigraphy, MIBG-scintigraphy, FDG - and

AS-PET

Metabolic trapping FDG in cell because of selective blocking of glucose

Phagocytosis Liver, spleen and bone marrow scintigraphy Ø < 10µm

Receptor bond Selective binding of ligands and receptors e.g. in

tumours and brain

Antigen- antibody reaction Radioimmunoscintigraphy

Page 4: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Thyroid Scintigraphy with Tc-99m Pertechnetate

4

normal result autonomous adenoma

Page 5: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

5

131I – Scintigraphy

metastatic

thyroid carcinoma

Page 6: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Basics of skeletal scintigraphy

• Binding of technetium-phosphate

complexes or fluorides to new built

bone matrix

• Examination of regional bone

conversion (“metabolism“)

skeletal metastases of a prostate carcinoma

-

HO P C P OH

O

OH

- -

O

OH

- -

H

OH

- -

-

HDP

6

Page 7: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Typical Questions for Imaging

• Does a malignant tumor exist?

(differential diagnosis)

• How far has the disease spread?

(staging)

• Is the initiated therapy effective?

(therapy control)

7

Page 8: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

O

18 F

CH2OH

OH

hexokinase

GLUT-3

GLUT-5

O

HOCH 2

OH

OH

OH

18 F

GLUT-2,4,7

OH OH

G6-phosphate-

isomerase X

X

CH2OPO32-

GLUT-1

FDG-uptake depends on:

1. GLUT-expression

2. hexokinase-expression

tumor cell

[18F]FDG (2-[18F]Fluoro-2-Deoxy-Glucose)

8

Page 9: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

FDG PET of a Normal Person

Brain

Kidney

Bladder

9

Page 10: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

48 year old patient

malignant lymphoma

PET: Example FDG-PET

10

Page 11: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

FDG PET Gastric Carcinoma Responder

before CTx day14 3 months after CTx

Response prediction

11

Page 12: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

before CTx Day 14

Response-Vorhersage

FDG PET Gastric Carcinoma Non-Responder

3 months after CTx

12

Page 13: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

protein synthesis

amino acid transporter

tumor cell

transferase

protein degradation

proteins

NH 3 +

COO -

11 C H 3

S

O 18

F NH 3 +

COO -

X

[11C]Methionin / [18F]F-Ethyl-Tyrosine

13

Page 14: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

[18F]FDG-PET versus [11C]MET-PET

astocytoma, recurrence

14

Page 15: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Comparison of methionine and the

amino acid analog FET

SUV 0 5 SUV 0 4

MRT (T1-Gd) MET-PET FET-PET

Residual tumor after partial resection of a glioblastoma

Weber, Wester et al. Eur J Nucl Med (2000) 15

Page 16: Nuclear Medical Applications

MR/PET Simultaneous Acquisition

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Bed Position 1

Bed Position 2

Bed Position 3

Page 17: Nuclear Medical Applications

Clinical Example: Cervical Lymphoma

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

MR/PET Munich (TUM/LMU), funded by the DFG

Page 18: Nuclear Medical Applications

Hybrid PET/MR imaging in oncology: treatment planning in patients with liver metastases

• increasingly aggressive treatment of localized liver metastases (partial liver resection, thermoablation, SIRT,…)

• only beneficial for the patient when metastases are limited to liver and exact extent of disease in the liver is known

• MRI for liver imaging, PET to rule out distant metastases

Page 19: Nuclear Medical Applications

Liver imaging in HCC with MR-PET

DWI b 400 DWI ADC map

T2w fatsat MR-PET fusion MIP

Page 20: Nuclear Medical Applications

Hybrid MR-PET in neurooncology

Courtesy Drzezga A, 2011

Page 21: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

[F-18] fluoro-deoxyglucose (FDG) glucose metabolism

[O-15] water blood flow

[F-18] fluoroethyl-Tyrosine (FET) amino acid transport

[C-11] methionin amino acid transport and metabolism

[F-18] feoxy-fluoro-thymidin (FLT) proliferation

[F-18] fluoromisonidazol (FMISO) hypoxia

PET Substances for Oncology

21

Page 22: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

[O-15] water blood flow dementia, ischemia, stroke

[O-15] butanol blood flow

[F-18] FDG glucose metabolism

[F-18] FDOPA presynaptic

dopamine function

parkinson disease

[C-11] methionin amino acid transport

and metabolism

brain tumors

[C-11] flumazenil benzodiazepine-

receptor imaging

epilepsia

PET Substances for Neurology

22

Page 23: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Drzezga et al., Nuklearmedizin TUM 2001

O-15 Water Activation Study

Activation of sensory and motor areas by itching

23

Page 24: Nuclear Medical Applications

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

axial slices, normal result, caudal view

FDG Normal result (slice images)

Page 25: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

transversal example slices, landmarks

ACPC-Linie

Automated definition of stereotactic axis

and landmarks (Neurostat, Univ. of Michigan, USA)

25

Page 26: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

right left

surface projection

Deviation from normal result

Metabolism in Brain (Normal Person)

26

Page 27: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

right left

100%

0%

5

0

Typical Alzheimer‘s Disease

surface projection

difference to normal result

27

Page 28: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

right left

100%

0%

5

0

Early Alzheimer‘s Disease surface projection

Difference to normal result

28

Page 29: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

100%

0%

axial slices, caudal view

Frontal Dementia

29

Arrows: Hypometabolism

Page 30: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

100%

0%

Arrows: Hypometabolism

5

0

difference to normal result

Frontal Dementia surface projection

30

Page 31: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Nuclear cardiology

metabolism/myocardium vitality

pump function

Myocardial

perfusion experimental

methods:

- innervation

- cell-death

- gen expression

31

Page 32: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Myocardium: Slice Images short axis vertical long axis horizontal long axis

32

Page 33: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Page 34: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

ECG-triggered myocardial perfusion

scintigraphy

Measurement of perfusion and function

ED

ES

automatic contour detection 3D-Movie

34

Page 35: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

hibernating

myocardium Scar

NH3

FDG

Myocardial Viability Diagnosis

35

Page 36: Nuclear Medical Applications

Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar Technische Universität München

Nuklearmedizinische Klinik und Poliklinik

Klinikum rechts der Isar

Radiation Exposure

Study Effective radiation

dose (mSv)

PET

18F-FDG (370 MBq) 7.0

13N-NH3 rest/stress (2 x 550 MBq) 2.2

82Rb rest/stress (2 x 740 MBq) 5.0

H215O rest/stress (2 x 740 MBq) 1.4

Transmission 68Ge rod source 0.06 – 0.13

Multislice CT

Calcium scoring 1.5 – 6.2

CT angiography 6.7 – 13.0

CT-based PET attenuation correction 0.23 – 5.66

Whole body CT 14

36