Simultaneous PET/MR in lymph node staging of lung cancer

Studies of lung cancer have shown that many patients have more widespread disease than assessed using today’s staging methods, and there is reason to believe that research on better staging methods may cause better choice of treatment and improved outcome for the patients. Positron emission tomography/computer tomography (PET/CT) is currently the method of choice for lung cancer staging, however, the recently introduced hybrid PET/magnetic resonance (PET/MR) systems have shown potential to improve the staging and detection of lymph nodes in lung cancer compared to PET/CT. There are, however, some technical and methodological issues to be resolved in order to obtain optimal use in a daily clinical setting. The two main technical challenges are improvement of attenuation correction (AC) for PET images, and the development of motion correction methods of PET data by using simultaneously acquired MR data. The attenuation correction at our PET/MR system is based on MR images, which produce segmented AC-maps with four tissue classes with predefined attenuation coefficients, in contrast to CT-based AC-maps that is continuous. The MR-based AC-maps are also affected by the limited field-of-view in MR, which cause truncation of arms. The main aim of this project is to investigate whether PET/MR will improve the accuracy when assessing the extent of disease in lung cancer patients compared to today’s method of choice, PET/CT. Secondary aims are to evaluate and improve MR-based AC of PET images. In order to answer these questions, we have now included 34 lung cancer patients who are examined with PET/CT, as part of normal diagnostic routine, followed by a PET/MR examination, for the purpose of the research project. During the spring and fall of 2017, a nuclear medicine physician and a radiologist will investigate the PET/CT and PET/MR images, and the PET/MR and PET/CT data of the same patients will be compared with a special attention for mediastinal lymph nodes. The results will also be related to histology samples and outcome of the patient. In addition, the physicians will evaluate which MR-sequence is best for lymph node staging. Different MR-based AC methods will also be compared for the same patients. Breath-hold acquisitions of AC-maps are recommended at our PET/MR system. However, we have experienced that many lung cancer patients often have problems with holding their breath. Therefore, we have performed a study to compare free breathing and breath-hold acquisitions of AC-maps. We investigated the reproducibility of the AC-maps in nine healthy volunteers, examined 3 times in each of four scan sessions. After analyzing the AC-maps at a research stay in Vienna (Medical University of Vienna), the results showed that the frequency of artifacts in the lungs due to respiratory and cardiac motion was largely reduced with breath-hold acquisitions compared to free breathing acquisitions. We therefore recommend breath-hold acquisitions of AC-maps at this system if possible. The results of the volunteer study will be sent to the European Journal of Radiology in February 2017.

PET/MR (positron-emisjons-/magnetisk resonans tomografi) er en helt ny medisinsk multimodal avbildningsmetode som gir mulighet til å ta PET- og MR-bilder samtidig i samme skanner. En og samme undersøkelse vil dermed gi både mer og komplementær bildeinformasjon. Multimodale PET/CT-skannere har eksistert siden slutten av 1990-tallet, og er standarden ved bruk i primærdiagnostikk og terapirespons i lungekreft pasienter. Den nye PET/MR skanneren har imidlertid vist et stort potensiale for å kunne forbedre staging og deteksjon av mediastinale lymfeknuter i lungekreft pasienter sammenlignet med PET/CT. Det er derfor et stort behov for studier som sammenligner PET/MR med den veletablerte multimodale metoden PET/CT, både klinisk og kvantitativt. Hovedmålet med studien er derfor å undersøke hvorvidt PET/MR kan forbedre staging av lungekreftpasienter sammenlignet med dagens gullstandard, PET/CT. Selv om PET/MR har vist et stort potensiale, er det en del tekniske og metodologiske utfordringer som må løses for at det nye PET/MR systemet kan benyttes til det fulle klinisk. En av hovedutfordringene er attenuasjonskorreksjon av PET bildene. Alle PET bilder må korrigeres for attenuasjon av stråling for å kunne gi korrekte kvalitative og kvantitative bilder. I PET/CT skannere utføres dette ved å benytte CT bildene til å korrigere for attenuasjonen. I PET/MR skannere er dette betraktelig mer utfordrende, siden det ikke er noen sammenheng mellom attenuasjonen av PET-strålingen og MR-bildene. Et av delmålene med denne studien er derfor å kartlegge i hvor stor grad bruk av MR-basert attenuasjonskorreksjon av PET bilder i thorax området fører til feilkilder i PET bildene. Vi ønsker også å utvikle metoder som kan forbedre attenuasjonskartene for å forbedre bildekvaliteten av PET bildene fra PET/MR skanneren. Foreløpige resultater Silje Kjærnes Øen startet i PhD stillingen på prosjektet i august 2015. Hun vil bli ferdig med opplæringsdelen våren 2016 og har startet med innsamling av data til prosjektet. Vi har innhentet data fra 10 friske frivillige, som har blitt skannet med kun MR, og fra 30 lungekreft pasienter, som har blitt skannet med både PET/CT og PET/MR. Silje Kjærnes Øen har startet analyser av disse dataene fra friske frivillige og lungekreft pasienter. Silje Kjærnes Øen har også hatt et opphold hos biveileder Thomas Beyer i Wien, hvor hun analyserte bildene sammen med med flere av PhD studentene til Thomas Beyer på Center for Medical Physics and Biomedical Engineering, Medical University Vienna. Målet med disse analysene er å dokumentere nøyaktigheten til den MR-baserte attenuasjonskorreksjonen av PET bildene på PET/MR skanneren og hvorvidt denne kan forbedres ved hjelp av nye metoder. Resultatet av disse analysene skal resultere i to studier som skal publiseres i internasjonale tidsskrift i løpet av 2016. Når det gjelder de andre delstudiene i prosjektbeskrivelsen: "MR based Motion correction of PET images", og "Multimodal imaging of lung cancer staging", så er vi i startfasen på disse studiene. Vi har startet innhenting av data også til disse studiene, noe som vil pågå til og med desember 2017.