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Quantitative MRT

Arbeitsgruppe 8.13

Simultane PET-MR-Bildgebung

Die simultane Positronen-Emissions-Tomographie (PET) – Magnetresonanz-(MR)-Bildgebung kombiniert die ausgezeichnete Sensitivität von PET mit der Vielseitigkeit und Flexibilität von MRT. PET-MR erlaubt es, Stoffwechselprozesse auf molekularer Ebene zu verfolgen und liefert zusätzlich hochaufgelöste anatomische Bilder mit exzellentem Weichteilkontrast und Informationen über Blutfluss und mikroskopische Gewebestrukturen in einer Untersuchung. Dies macht PET-MR zu einem besonders in der Onkologie und Kardiologie vielversprechenden Verfahren.

Im Gegensatz zu PET-CT erlauben simultane PET-MR-Verfahren die gleichzeitige PET- und MR-Datenaufnahme. Dies ermöglicht eine optimale Kombination dieser komplementären Daten. (MR: 3D-Cine-Aufnahme, PET: Standard-FDG-Scan, Daten sind Teil einer Studie an Hunden)

Schwächungskorrektur

Auf Grund der unterschiedlichen Dichte von verschiedenen Gewebearten kommt es zu einer unterschiedlichen Schwächung des PET-Signals auf dem Weg zum Detektor (z. B. hat Knochen eine höhere Dichte als Lunge und führt zu einer stärkeren Schwächung). Die Schwächungskorrektur kompensiert diesen Effekt mit Hilfe von Schwächungsbildern und erlaubt so eine quantitative PET-Untersuchung.

Für simultane PET-MR-Scans im Thorax oder Abdomen werden diese Schwächungsbilder in einer Atemanhaltephase aufgenommen. Der PET-Scan erfolgt aber während normaler Atmung, was zu Fehlern zwischen Schwächungsbildern und PET Daten führen kann. Wir arbeiten an neuen Verfahren, die es erlauben, die Schwächungsbilder während normaler Atmung aufzunehmen, ohne die Qualität der PET-Quantifizierung zu beeinträchtigen. Zusätzlich liefern diese Methoden Bewegungsinformationen, die für bewegungskompensierte MR- und PET-Bildrekonstruktionen verwendet werden können.  

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Für PET-MR werden die Daten für die Schwächungskorrektur (attenuation correction, AC) mit Hilfe von Multi-Echo-Sequenzen bestimmt. Diese erlauben die Unterscheidung und Klassifizierung der Bilddaten in Fettgewebe (Fat), Weichteilgewebe (Soft), Luft im Körper (Air in) und Luft außerhalb des Körpers (Air out). Die Koeffizienten für die Schwächungskorrektur werden dann basierend auf dieser Klassifizierung zugeordnet.

Für die Schwächungskorrektur im Abdomen werden die MR-Daten während einer Atemanhaltephase aufgenommen (Standard). Dies kann zu Fehlern in der PET-Rekonstruktion führen, da die PET-Daten während normaler Atmung aufgenommen werden. Wir arbeiten an Verfahren, die die Schwächungskorrekturdaten während freier Atmung aufnehmen (Dixon-RPE). Aus diesen Daten werden dann Bewegungsfelder bestimmt, die sowohl für eine bewegungskompensierte MR- als auch PET-Bildrekonstruktion verwendet werden können.

Bewegungskompensierte Bildrekonstruktion

Die simultane Aufnahme von MR- und PET-Daten ermöglicht ganz neue Ansätze für die bewegungskompensierte Bildrekonstruktion. Bewegungsinformation kann von einer Modalität auf die andere übertragen werden und MR- und PET-Daten können kombiniert werden, um die Genauigkeit bei der Bestimmung von Bewegungsinformation zu verbessern.

In der Kardiologie kann PET-MR z. B. verwendet werden, um sowohl Atem- als auch Herzbewegung zu bestimmen und zu korrigieren. Dies führt zu einer Verbesserung der PET-Quantifizierung um über 30 %.

Weitere Informationen zur Bewegungskompensation

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Das “delayed contrast-enhanced (DCE)”-MR-Bild (PSIR) zeigt Fibrose im Myokard (weiße Ellipse, apical SA slice). Die Fibrose korreliert sehr gut mit dem geringen FDG-Signal des PET-Scans sowohl vor (obere Zeile) als auch nach (untere Zeile) Kompensation der Herzbewegung mittels bewegungskompensierter PET-Bildrekonstruktion.

Ohne Bewegungskorrektur erscheint jedoch der anteriore und inferiore Teil des Myokards (mid-ventricular SA slice) im Vergleich zum Rest des Myokards ein verringertes FDG-Signal zu haben. In den DCE-MR-Bildern lassen sich an diesen Stellen aber keine pathologischen Unregelmäßigkeiten feststellen. Dies deutet darauf hin, dass die Verringerung des Signals durch Bewegungsartefakte entstanden ist. Nach der bewegungskompensierten PET-Bildrekonstruktion (untere Zeile) unter der Verwendung von hochaufgelösten 3D-MR-Bewegungsinformationen zeigen der anteriore und der inferiore Teil des Myokards normale FDG-Werte.

Klinische Anwendungen

Die simultane PET-MR-Bildgebung liefert eine Reihe von komplementären diagnostischen Informationen und verspricht ein wichtiges Verfahren für die Krebsdiagnose und Krebsbehandlung, aber auch für kardiale Anwendungen zu werden.

Die PTB ist Teil eines Konsortiums unter der Leitung der Charité-Universitätsmedizin Berlin, das das erste PET-MR-Gerät für Ganzkörperuntersuchungen in Berlin betreibt. Wir arbeiten dabei mit Dr. Winfried Brenner und Dr. Ralph Buchert von der Abteilung für Nuklearmedizin der Charité zusammen, um Verfahren für dieses neue Gerät zu entwickeln und so schnell als möglich Patienten zugute kommen zu lassen.

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Aktuelle Projekte

Korrektur der Bewegung auf Grund von Atmung und Herzschlag für kardiale PET-MR-Anwendungen

Informationen über die Herzbewegung während der Atmung und des Herzschlags werden in einer 5-minütigen diagnostischen MR-Aufnahme bestimmt und können dazu verwendet werden, die Bildqualität sowohl der MR als auch der PET entscheidend zu verbessern.

Kooperationspartner:
Dr. David Bluemke, Dr. Mark Ahlman, Clinical Center, National Institutes of Health, Bethesda, USA
Dr. Peter Kellman, Dr. Michael Hansen, National Heart, Lung, and Blood Institute, National Institutes of Health, Bethesda, USA

Aufnahme von Schwächungskorrekturdaten in unterschiedlichen Atemzuständen für eine bewegungskompensierte PET-Rekonstruktion

Information über die Schwächung von PET-Signalen auf Grund von unterschiedlichen Gewebedichten sind notwendig, um quantitative PET-Bildgebung durchführen zu können. Für PET-MR-Anwendungen werden diese Schwächungskorrekturdaten mit einer Multiecho-Aufnahme bestimmt. Wir haben ein MR-Aufnahmeverfahren entwickelt, das nicht nur Schwächungskorrekturdaten, sondern auch Bewegungsinformation über die Atmung liefert. Damit kann eine bewegungskompensierte PET-Bildrekonstruktion durchgeführt werden, die zu einer verbesserten Bildqualität und genaueren Quantifzierung führt.

Weitere Informationen zur Bewegungskomensation

 

Kooperationspartner:
Division of Imaging Sciences and Biomedical Engineering, King’s College London, UK
Siemens Healthcare, Research Collaborations, Frimley, UK

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Ausgewählte Literatur

C. Kolbitsch, R. Neji, M. Fenchel, A. Mallia, P. Marsden, T. Schaeffter
Fully integrated 3D high-resolution multicontrast abdominal PET-MR with high scan efficiency
Opens external link in new window Magnetic Resonance in Medicine , (2017).

C. Kolbitsch, M. Ahlman, C. Davies-Venn, R. Evers, M. Hansen, D. Peressutti, P. Marsden, P. Kellman, D. Bluemke, T. Schaeffter
Cardiac and Respiratory Motion Correction for Simultaneous Cardiac PET/MR
Opens external link in new window Journal of Nuclear Medicine 58, 846-852 (2017).

C. Munoz, C. Kolbitsch, A. Reader, P. Marsden, T. Schaeffter, C. Prieto
MR-Based Cardiac and Respiratory Motion-Compensation Techniques for PET-MR Imaging
Opens external link in new window PET Clinics 11, 179-191 (2016).

C. Kolbitsch, R. Neji, M. Fenchel, T. Schaeffter
Respiratory Resolved Attenuation Correction Maps for Motion Compensated PET-MR using Dixon-GRPE
Proceedings of the 24th Annual Meeting of ISMRM, Singapore, Singapore, 879 (2016).

D. Balfour, P. Marsden, I. Polycarpou, C. Kolbitsch, A. King
Respiratory motion correction of PET using MR-constrained PET-PET registration
Opens external link in new window BioMedical Engineering OnLine 14, 85 (2015).

C. Kolbitsch, M. Ahlman, M. Hansen, J. Royuela-del-Val, P. Kellman, D. Bluemke, T. Schaeffter
Respiratory and cardiac non-rigid motion correction for cardiac PET-MR
Proceedings of the 23rd Annual Meeting of ISMRM, Toronto, Canada, 412 (2015).

C. Kolbitsch, C. Prieto, C. Tsoumpas, T. Schaeffter
A 3D MR-acquisition scheme for nonrigid bulk motion correction in simultaneous PET-MR
Opens external link in new window Medical Physics 41, 082304 (2014).

C. Baumgartner, C. Kolbitsch, D. Balfour, P. Marsden, J. McClelland, D. Rueckert, A. King
High-resolution dynamic MR imaging of the thorax for respiratory motion correction of PET using groupwise manifold alignment
Opens external link in new window Med Image Anal 18, 939-52 (2014).

A. Aitken, C. Kolbitsch, T. Schaeffter, C. Prieto
Rapid Acquisition of PET Attenuation Maps from Highly Undersampled UTE Images using Sparse-SENSE Reconstruction
Proceedings of the 21st Annual Meeting of ISMRM, Salt Lake City, USA, 769 (2013).

C. Kolbitsch, C. Prieto, C. Tsoumpas, C. Buerger, T. Schaeffter
T1- And T2-Weighted MR Acquisition for Bulk Motion Correction for Simultaneous PET-MR
Proceedings of the 21st Annual Meeting of ISMRM, Salt Lake City, USA, 3745 (2013).

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Abbestraße 2–12
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