PET/MRI – Towards clinical use in the brain

Abstract

English summary The first positron emission tomography (PET)/magnetic resonance imaging (MRI) system in Norway was installed at St. Olavs Hospital in Trondheim in 2013 as a generous gift from Trond Mohn. This hybrid imaging modality enables simultaneous PET and MRI examinations, providing metabolic and anatomic images in one examination. PET is widely used in oncology, but also increasingly applied in neurology and cardiology. The first clinical PET/MRI systems were introduced in 2010 and this was an exciting extension to PET/computed tomography (CT) systems available from 2001. MRI provides excellent soft tissue contrast and is preferred over CT in body regions where this is of high importance, like the brain. However, no key applications for the system were announced and PET/MRI was hampered by inaccurate MRbased attenuation correction (MRAC) of PET images. Consequently, the system was not used in clinical routine. The aim of this thesis was therefore to evaluate the PET image quality of PET/MRI compared to PET/CT and whether PET/MRI is applicable for clinical brain examinations. First, clinically available and research MRAC methods were evaluated and compared to CTbased AC. This was done for [18F]FDG PET evaluations of patients with suspected dementia, examinations that is increasingly used to support MRI for this patient group. The results showed that the accuracy of a recently implemented clinically MRAC method was acceptable, but the performance was further improved with research MRAC methods. Subsequently, the PET image quality of the PET/MRI system was evaluated in terms of contrast and detectability of small lesions in a phantom study representative for brain imaging. The contrast and detectability were slightly decreased for PET/MRI compared to PET/CT, but the same detectability was obtained for an increased acquisition time for PET/MRI. The results of the two first papers showed that PET/MRI is applicable for brain examinations in clinical routine, like dementia. The potential of PET and hence PET/MRI in neurodegenerative diseases is increasing with recent research and tracer development. In neuro-oncology, a lot of research has been done on glioma and amino acid PET is now recommended to complement MRI for this patient group. For brain metastasis, the literature is still limited, and the diagnostic value of amino acid PET is not yet clear. The last study was therefore conducted to assess whether a promising amino acid PET tracer ([18F]FACBC) would add diagnostic value to MRI in evaluation of brain metastases. The brain metastases showed in general high [18F]FACBC uptake compared to normal brain tissue, but detection of small metastases was limited and inferior to MRI. However, [18F]FACBC PET might detect tumor tissue beyond the tumor volume defined on MRI. The potential for [18F]FACBC PET to differentiation tumor recurrence from radiation-related changes was also investigated, which may be challenging based on MRI, but further studies are required to determine the diagnostic value of [18F]FACBC PET in this situation. The work of this thesis is an important step to further investigations of the potential and applications of brain PET/MRI. Furthermore, PET/MRI is now used in clinical routine for examination of patients with dementia at St. Olavs Hospital based on the results of this thesis.

Norsk sammendrag: Det første positronemisjonstomografi (PET)/magnetisk resonans (MR) systemet i Norge ble installert på St. Olavs Hospital i Trondheim i 2013 og var en generøs gave fra Trond Mohn. Denne avbildningsmodaliteten muliggjør simultan PET- og MR-avbildning og gir dermed både metabolsk og anatomisk informasjon i en og samme undersøkelse. PET er en mye brukt bildemodalitet innen onkologi, men brukes også stadig mer innen nevrologi og kardiologi. De første kliniske PET/MR systemene ble introdusert i 2010 og var et spennende tilskudd til PET/computed tomograohy (CT) som ble lansert i 2001. MR-bilder gir en utmerket bløtvevskontrast og benyttes ofte fremfor CT i kroppsregioner hvor dette er spesielt viktig, som i hjernen. Når PET/MR ble lansert var det fremdeles ikke klart hvilke bruksområder denne modaliteten var spesielt egnet for. I tillegg førte unøyaktig MR-basert attenuasjonskorreksjon (MRAC) av PET-bildene til at denne modaliteten ikke ble brukt i klinisk praksis. Hensikten med arbeidet knyttet til denne avhandlingen var derfor å vurdere PET-bildekvaliteten for PET/MR sammenlignet med PET/CT og hvorvidt modaliteten kan brukes ved kliniske hjerneundersøkelser. Først ble klinisk tilgjengelige og forsknings MRAC-metoder evaluert og sammenlignet med CT-basert AC. Dette ble gjort for [18F]FDG PET-undersøkelser av pasienter med mistanke om demens, en undersøkelse som i økende grad brukes i tillegg til MR i denne pasientgruppen. Resultatene viste at nøyaktigheten for en nylig implementert klinisk MRAC metode var akseptabel, men at forskningsmetoder ga økt nøyaktighet. Videre ble PET-bildekvaliteten for PET/MR vurdert basert på kontrast og deteksjon av små lesjoner. Dette ble utført som en fantomstudie representativ for hjerneundersøkelser. Kontrasten og detekterbarheten var noe redusert for PET/MR sammenlignet med PET/CT, men tilsvarende detekterbarhet ble oppnådd med økt innsamlingstid for PET/MR. Resultatene i de to første studiene viste at PET/MR kan brukes ved kliniske hjerneundersøkelser, som f.eks. ved demens. Potensialet til PET og PET/MR innen nevrodegenerative sykdommer øker med ny forskning og utvikling av nye tracere. Innen nevroonkologi har det blitt utført mye forskning på gliom, og aminosyre PET anbefales nå for å komplementere MR for denne pasientgruppen. Mindre forskning har blitt utført for hjernemetastaser og den diagnostiske verdien av aminosyre PET har ikke blitt avklart. I den siste studien ble det derfor undersøkt hvorvidt en lovende aminosyretracer ([18F]FACBC) ville gi diagnostisk verdi utover en MR-undersøkelse av hjernemetastaser. Hjernemetastasene viste generelt høyt opptak av [18F]FACBC sammenlignet med friskt vev i hjernen, men [18F]FACBC PET var ikke i stand til å detektere små hjernemetastaser i samme grad som MR. [18F]FACBC PET viste dog tendens til å avdekke tumorvev utenfor området definert med MR. Det ble også undersøkt hvorvidt [18F]FACBC PET kan skille mellom tilbakefall av tumorvev og skader fra strålebehandling, noe som er utfordrende med MR, men det kreves mer forskning for å bestemme den diagnostiske verdien av [18F]FACBC PET ved denne problemstillingen. Dette forskningsarbeidet er et viktig skritt for videre forskning på potensialet og bruksområdene for PET/MR i hjernen. I tillegg har denne forskningen ført til at PET/MR nå brukes klinisk ved undersøkelser av pasienter med demens ved St. Olavs Hospital.