TOPEMTOF- PET MRI for prostate cancer diagnosis and follow up

Sezioni partecipanti: Roma1, Gr. Coll. ISS, Genova, Bari, LNS

Il cancro della prostata e’ il piu’ diffuso e la seconda causa di morte per l’uomo. Non esistono tecniche affidabili per la diagnosi la caratterizzazione ed il follow up. Le tecniche in uso (PSA, DRE. Ecografia, MRI, CT) non sono sufficientemente sensibili e/o specifiche. Si fa sempre anche la biopsia, tecnica invasiva ed eseguita “al buio” (unico caso nel campo della diagnosi del cancro). E’ di fondamentale importanza la precisa localizzazione e stadiazione della neoplasia e la valutazione della sua aggressività biologica.

E’ necessario combinare tecniche morfologiche (MRI, trattandosi di tessuto molle) con tecniche funzionali (PET) ed aumentare in modo considerevole le prestazioni dei rivelatori PET in termini di risoluzione spaziale ed efficienza.

Scopo dell’esperimento e’ il progetto e la costruzione di un “sistema Scopo dell’esperimento e’ il progetto e la costruzione di un “sistema diagnostico” costituito da una sonda endorettale PET, compatibile con MRI, diagnostico” costituito da una sonda endorettale PET, compatibile con MRI, che puo’ essere utilizzata in coincidenza con una PET standard esterna e/o che puo’ essere utilizzata in coincidenza con una PET standard esterna e/o con uno o piu’ moduli PET dedicaticon uno o piu’ moduli PET dedicati.

Le performances del sistema sono dominate da quelle del probe endorettale ad alta risoluzione ed alta efficienza vicinissimo alle lesioni. Si possono ottenere quindi risoluzioni spaziali di 1 mm o poco piu’ ed elevata efficienza (PET standard 4 – 6 mm).

La tecnica TOF consente di aumentare l’SNR (NECR) (quindi la rivelabilita’ della lesione), tanto piu’ quanto migliore e’ la risoluzione in timing (≤ 300 ps FWHM). La multimodalita’ in contemporanea con MRI potenzia enormemente le capacita’ diagnostiche del sistema).

Si deve costruire un sistema finalizzato cioe’ nella giusta scala per rendere Si deve costruire un sistema finalizzato cioe’ nella giusta scala per rendere possibile possibile il trasferimento tecnologico.il trasferimento tecnologico.

TOPEM (PET TOF probe, compatible with MRI and MRS for diagnosis and follow up of prostate cancer)

F. Garibaldi - c.d. s. Roma1, 09-07-2010

PSA SENSITIVITY 83%

SPECIFICITY 17%

it is the only it is the only case for cacer case for cacer diagnosisdiagnosis made made from tissue from tissue obtained on a obtained on a blind biopsy !! blind biopsy !!

Prostate cancer is the Prostate cancer is the most common cancer and most common cancer and thethe second leading causesecond leading cause of cancer of cancer death death

The solutionThe solutionPET – TOF MRI endorectal probe, coupled to external detector(s) and/or

standard PET

drawback of the standard PET

- detectors far away from prostate- poor spatial resolution (6 – 12 mm)- poor photon detection efficiency (<1%)- activity ouside the organ -> poor contrast resolution

huge backgroundfrom the bladderCould we reduce or eliminate it?

Multimodality approach is needed

TOF(< 300 ps FWHM ! )

would solve the problem

In practice there is nothing reliable for diagnosis and follow up

Why TOF ?

- TOF provides huge performance increase!Can localize the source along line of flight.With 300 ps FWHM, 4.5 cm (just the dimension of the prostate) (in a certain sense one doesn’t “see” the bladder)- Fast convergence (reduced scan time)

First results from Catania (LNS)

We did better !

Improvements in clicnical images (600 ps)

news from LNS: DOI ~ 1mm and timing ~ 200 ps !!

Limited space for the PET detector

PET detector must not use magnetic materials

-> Could distort MR imagge

PET detector must not emit in MR frequency

Could produce MR image artifacts

MR-compatible PET shielding materials

Could distort MR image

MR gradient field-eddy currents

Could produce noise in detector

Could heat detector

MR RF transmit

Could produce false PET events

MR materials

Will produce more gamma attenuation

- CITRATE that is present in the normal prostate

-CREATINA that may increase in the phlogosis and all the proliferative processes

-COLINE specific for a neoplastic transformation

Effetti della PET su MRI e viceversa

B. Pichler et al. “Simultaneous PET-MRI, a new approach “ Nature Medicine Vol 14, N 4, April 2008

In conclusion, our results confirm that simultaneous PET and high-field-strength MR imaging with LSO-APD–based PET detectors is feasible without sacrifici the quality of images obtained with either system. The next step will be to focus on the evaluation of the full-ring PET insert. While this work was concentrated on small-animal PET/MR imaging, our results can be transferred to a clinical system,where MR imaging is usually performed at a much lower magnetic fieldstrength. The combination of PET and MR imaging can open new opportunities in preclinical research and clinical diagnosis. When nuclear MR spectroscopy is used with MR imaging and PET, trimodal imaging might be possible and thereby add even more information in biomedical research studies, a new way for a new perspectives in molecular imaging

I problemi dell’impatto relativo PET-MRI sono risolti

nostri test primi Settembre a Tor

Vergata

Test measurements of SNR of MRI of different field

Elettronica- Discreta (NINO + HTDC)

- ASIC – 1 front end

- ASIC - 2 (con TDC)

- Elettronica integrata Layout

Milestones concordate per il 2011- 15 Luglio:  test del front end dell'ASIC e sua integrazione nella scheda ibrida- progetto e costruzione della prima scheda ibrida "finale”

OK

- 31 Dicembre: costruzione del probe (prototipo "zero") e dei rivelatore in coincidenza. Studio della risoluzione energetica, risoluzione temporale ed eventualmente della DOI con cristalli a differente ruvidità superficiale

Si e’ costruito il minirivelatore che e’ attualmente in fase di test a Genova con elettronica ibrida

Milestones proposte per il 2012- 15 Luglio 2012

1. progetto e costruzione dell'ASIC che integra il TDC a 32 canali2. progetto e costruzione delle schede della nuova elettronica

miniaturizzata3. caratterizzazione di cristalli (LSO, LYSO, LSF) ,misure DOI + TOF con

PMT veloci e SIPM 4. misure di PDE di SiPM diversi

- 31 Dicembre 20125. prime misure di timing con elettronica discreta (NINO + HTDC)

6. integrazione dell'ASIC nella nuova elettronica, test del sistema, misure preliminari di timing 7. costruzione del contenitore del probe, del sistema di raffreddamento e monitoring della temperatura

Nessuna difficolta’ per le milestones 2, 3, 4, 5 (per 4 e 5 si e’ gia’ fatto molto).Le milestone 1 un finanziamento pari a quello richiesto entita’.

Per la milestone 7, il sistema di raffreddamento e monitoring della temperatura non e’ stato finanziato.

La collaborazione e’ orientata a chiedere un prolungamento dell’esperimento al 2013.Cio’ consentirebbe di costruire un sistema finalizzato cioe’ nella giusta scala per rendere possibile il trasferimento tecnologico.