Der Nuklearmediziner 2007; 30(1): 31-41
DOI: 10.1055/s-2006-955216
Molekulare Bildgebung

© Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York

Möglichkeiten und Grenzen der modernen Schnittbildverfahren (CT, MRT, PET) in der molekularen Bildgebung

Potentials and Limits of Modern Tomographic Methods (CT, MR, PET) in Molecular ImagingM. Hentschel1 , D. Paul2 , E. Moser1 , I. Brink1
  • 1Radiologische Universitätsklinik, Abteilung Nuklearmedizin, Universitätsklinikum Freiburg
  • 2Radiologische Universitätsklinik, Abteilung Röntgendiagnostik, Universitätsklinikum Freiburg
Further Information

Publication History

Publication Date:
14 March 2007 (online)

Zusammenfassung

Die vorliegende Übersichtsarbeit gibt eine Einführung in die Grundlagen der Computertomografie, Magnetresonanztomografie und Positronen-Emissions-Tomografie. Die derzeitigen Möglichkeiten der Methoden hinsichtlich der zeitlichen, Orts- und Kontrastauflösung und der Nachweisempfindlichkeit sowohl in der klinischen Routine als auch für experimentelle Untersuchungen (in vitro, ex vivo) werden vorgestellt. Dabei zeigt sich die CT als die anatomische Referenz-Methode mit fest definierten Kontrastverhältnissen, hoher Ortsauflösung bei geringer Empfindlichkeit (10-2 mol/l) für die funktionelle und molekulare Bildgebung. Die MR ist die anatomische Methode für die Forschung mit variablem Gewebekontrast, physiologischen Bildinformationen, höchster Ortsauflösung und mittlerer Empfindlichkeit (10-3 bis 10-5 mol/l). Die PET ist die Methode mit der höchsten molekularen Empfindlichkeit (10-11-10-12 mol/l), sehr guter Eignung für die molekulare Bildgebung bei allerdings geringer Ortsauflösung.

Abstract

The present survey gives an introduction into the basics of computed tomography, magnetic resonance tomography and positron emission tomography. The current potentials of these methods in relation to their temporal, spatial and contrast resolutions as well as their sensitivities within clinical routine and experimental studies (in vitro, ex vivo) will be presented. Computed tomography constitutes the anatomical reference method with well defined contrast, high spatial resolution but low sensitivity (10-2 mol/l) for functional and molecular imaging. Magnetic resonance tomography represents the anatomical method for research with variable tissue contrast, physiological image information, highest spatial resolution but moderate sensitivity (10-3-10-5 mol/l) for functional and molecular imaging. Positron emission tomography offers good suitability for molecular imaging due to highest sensitivity (10-11-10-12 mol/l). However, the spatial resolution of positron emission tomography is low.

Literatur

  • 1 Rudin M, Weissleder R. Molecular imaging in drug discovery and development.  Nature Rev. 2003;  2 123-131
  • 2 Levin C S. Primer on molecular imaging technology.  Eur J Nucl Med Mol Imag. 2005;  32 325-345
  • 3 Shaw D. Studies in physical and theoretical chemistry. In: Fourier Transform NMR Spectroscopy. 2nd ed., Elsevier, Amsterdam 1987
  • 4 Kalender W A. Computed Tomography. Fundamentals, System Technology, Image Quality, Applications. 2nd edition. Publicis Corporate Publishing, Erlangen 2005
  • 5 Kalender W A. X-ray computed tomography.  Phys Med Biol. 2006;  51 R29-R43
  • 6 Engelke K, Karolczak M, Lutz A, Seibert U, Schaller S, Kalender W. Mikro-CT. Technologie und Applikationen zur Erfassung von Knochenarchitektur.  Radiologe. 1999;  39 203-212
  • 7 Harvey C, Dooher A, Morgan J, Blomley M, Dawson P. Imaging of tumour responses by dynamic CT.  Eur J Radiol. 1999;  30 221-226
  • 8 Massoud T F, Gambir S. Review: Molecular imaging in living subjects: seeing fundamental biological processes in a new light.  Genes & Develop. 2003;  17 545-580
  • 9 Hermann S, Stegger L, Levkau B, Schober O, Schäfers M. Molekulare Bildgebung mit szintigraphischen Methoden.  Z Med Phys. 2005;  15 147-154
  • 10 Leach M O. Magnetic resonance spectroscopy (MRS) in the investigation of cancer at the Royal Marsden hospital and the institute of cancer research.  Phys Med Biol. 2006;  51 R61-R82
  • 11 Mallard J R. Magnetic resonance imaging- the Aberdeen perspective on developments in the early years.  Phys Med Biol. 2006;  51 R45-R60
  • 12 Dilcher L, Venator M, Dilcher S. Kleines Handbuch der Kernspinntomografie. Edwin Ferger, Bergisch Gladbach 1997
  • 13 Vlaardingerbroek M T, den Boer J A. Magnetic Resonance Imaging. Springer, Berlin 1996
  • 14 Bachert P. Status und Zukunft der molekularen Bildgebung mit hochauflösender kernmagnetischer Resonanz.  Z Med Phys. 2005;  15 163-168
  • 15 Reimer P, Parizel P M, Stichnoth F A. Klinische MR-Bildgebung. Eine praktische Anleitung. Springer, Berlin 2000
  • 16 Rinck P E. Magnetic Resonance in Medicine. The basic textbook of the European Magnetic Resonance forum. 4th completely revised edition. Blackwell, Berlin 2001
  • 17 Gillies (ed) R J. NMR in physiology and biomedicine. Academic Press, San Diego 1996
  • 18 Gillies R J, Morse D L. In vivo magnetic resonance spectroscopy in cancer.  Annu Rev Biomed Eng. 2005;  7 287-326
  • 19 Mansfield P. Real-time echo-planar imaging by NMR.  Br Med Bull. 1984;  40 187-190
  • 20 Mayr N A, Yuh W T, Magnotta V A, Ehrhardt J C, Wheeler J A, Sorosky J I, Davis C S, Wen B C, Martin D D, Pelsang R E, Buller R E, Oberley L W, Mellenberg D E, Hussey D H. Tumor perfusion studies using fast MRI technique in advanced cervical cancer: a non-invasive predictice assay.  Int J Rad Oncol Biol Phys. 1996;  36 623-633
  • 21 Wlodarczyk W, Hentschel M, Wust P, Noeske R, Hosten N, Rineberg H, Felix R. Comparison of four magnetic resonance methods for mapping small temperature changes.  Phys Med Biol. 1999;  44 607-624
  • 22 Kuroda K, Mulkern R V, Oshio K, Panych L P, Nakai T, Moriya T, Okuda S, Hynynen K, Jolesz F A. Temperature mapping using the water proton chemical shift: self-referenced method with echo-planar spectroscopic imaging.  Magn Res Med. 2000;  43 220-225
  • 23 Hentschel M, Dreher W, Wust P, Röll S, Leibfritz D, Felix R. Fast spectroscopic imaging for noninvasive thermometry using the Pr[MOE-DO3A] complex.  Phys Med Biol. 1999;  44 2397-2409
  • 24 Mäurer J. Hochauflösende MRT von Hauttumoren in vitro und tierexperimentelle Studien zur Kontrastgebung von Gd-DTPA und Gd-DTPA-Polylysin, klinische Ergebnisse unter Verwendung von Gd-DTPA. Habilitationsschrift, Freie Universität Berlin 1994
  • 25 Johnson G A, Cofer G P, Gewalt S L, Hedlund L W. Morpholocic phenotyping with MR microscopy: The visible mouse.  Radiology. 2002;  222 789-793
  • 26 Ciobanu L, Seeber D A, Pennington C H. 3D MR microscopy with resolution 3.7 µm by 3.3 µm by 3.3 µm.  J Magn Res. 2002;  158 178-182
  • 27 Zhang Z, van den Bos E J, Wielopolski P A, de Jong-Popijus M, Bernsen M R, Duncker D J, Krestin G P. In vitro imaging of single living human umbilical vein endothelial cells with clinical 3.0 T MRI scanner.  Magma. 2005;  18 175-185
  • 28 Hentschel M, Müller F, Brink I. Potentials and limits of combined anatomical and functional imaging modalities. In: Conrad K, Bachmann M, Lehmann W, Sack U (eds). Methods, possibilities and perspectives of pre-symptomatic tumor diagnostics. Pabst Science Publishers, 2005; 297-305
  • 29 Hentschel M, Oellinger H, Siewert C, Wieder H, Hosten N, Wendt O, Lüth T, Boenick U, Felix R. 1H and 31P NMR characterization of a double breast coil for spectroscopic measurements and imaging.  Biomed Technik. 1999;  44 272-277
  • 30 Hentschel M, Wust P, Fähling H, Richter R, Vogl T, Semmler W, Wolf K -J, Felix R. Spektroskopische Eigenschaften einer interstitiellen Miniaturantenne für die 31P MRS.  Strahlenther Oncol. 1996;  172 610-618
  • 31 Zakian K L, Sircar K, Hricak H, Chen H N, Shukla-Dave A, Eberhardt S, Muruganandham M, Ebora L, Kattan M W, Reuter V E, Scardino P T, Koutcher J A. Correlation of proton MR spectroscopic imaging with Gleason score based on Stepp-section pathologic analysis affter raddical prostatectomy.  Radiology. 2005;  234 804-814
  • 32 Hentschel M, Wust P, Wlodarczyk W, Frenzel T, Sander B, Hosten N, Felix R. Non-invasive MR thermometry by 2D spectroscopic imaging of the Pr[MOE-DO3A] complex.  Int J Hyperthermia. 1998;  14 69-82
  • 33 Edelstein W A, Glover G H, Hardy C J, Redington R W. The intrinsic Signal-to-Noise-Ratio in NMR imaging.  Magn Res Med. 1986;  3 604-618
  • 34 Bruker Almanac. Bruker scientific instruments, data sheets, Karlsruhe 1983
  • 35 Kunsch K, Kunsch S. Der Mensch in Zahlen. Eine Datensammlung in Tabellen mit über 20 000 Einzelwerten. 2. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 2000
  • 36 Weissleder R, Moor A, Mahmood U, Bhorade R, Beneviste H, Chiocca E A, Basilion J P. In vivo magnetic resonance imaging of transgene expression.  Nature Med. 2002;  6 351-354
  • 37 Hentschel M, Findeisen M, Schmidt W, Frenzel T, Wlodarczyk W, Wust F R. Is absolute non-invasive temperature measurement by the Pr[MOE-DO3A] complex feasible?.  Magma. 2000;  10 52-59
  • 38 Schäfers K P. Imaging small animals with positron emission tomography.  Nuklearmed. 2003;  42 86-89
  • 39 Wienhard K, Wagner R, Heiss W D. PET Grundlagen und Anwendungen der Positronen Emissions Tomografie. Springer, Heidelberg 1989
  • 40 Wieler H J, Coleman (eds) R E. PET in clinical oncology. Steinkopff, Darmstadt 2000
  • 41 Muehllehner G, Karp J S. Positron emission tomography.  Phys Med Biol. 2006;  51 R117-R137
  • 42 Nutt R. The history of Positron emission tomography.  Mol Imag Biol. 2002;  4 11-26
  • 43 Humm J L, Rosenfeld A, Del Guerra A. From PET detectors to PET scanners.  Eur J Nucl Med Mol Imag. 2003;  30 1574-1597
  • 44 Chatziioannou A F. PET scanners dedicated to molecular imaging of small animal models.  Mol Imag Biol. 2002;  4 47-63
  • 45 Valentin J. Radiation dose to patients from radiopharmaceuticals. (Addendum 2 to ICRP Publication 53) ICRP Publication 80 Approved September 1997
  • 46 Livieratos L, Rajappan K, Stegger L, Schafers K, Bailey D L, Camici P G. Respiratory gating of cardiac PET data in list-mode acquisition.  Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2006;  33 584-588
  • 47 Beyer T, Yau Y Y, Kaepplinger S. PET/CT tomography using a new PET detector material for ultra-fast imaging in clinical oncology.  Electromedia. 2002;  70 151-156
  • 48 Kinahan P E, Townsend D W, Beyer T, Sashin D. Attenuation correction for a combined 3D PET/CT scanner.  Med Phys. 1998;  25 2046-2053
  • 49 Beyer T, Townsend D W, Brun T, Kinahan P E, Charron M, Roddy R, Jerin J, Young J, Byars L, Nutt R. A combined PET/CT scanner for clinical oncology.  J Nucl Med. 2000;  41 1369-1379
  • 50 Burger C, Goerres G, Schoenes S, Buck A, Lonn A H, Schulthess G K von. PET attenuation coefficients from CT images: experimental evaluation of the transformation of CT into PET 511-keV attenuation coefficients.  Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2002;  29 922-927
  • 51 Sanchez-Crespo A, Andreo P, Larsson S A. Positron flight in human tissues and its influence on PET image spatial resolution.  Eur J Nucl Med Mol Imaging. 2004;  31 44-51
  • 52 Shepp L A, Vardi Y. Maximum likelihood reconstruction for emission tomography.  IEEE Trans Med Imag. 1982;  MI-1 113-122
  • 53 Hudson H M, Larkin R S. Accelerated image reconstruction using ordered subsets of projection data.  IEEE Trans Med Imag. 1994;  13 601-609
  • 54 Tarantala G, Zito F, Gerundini P. PET instrumentation and reconstruction algorithms in whole-body application.  J Nucl Med. 2003;  44 756-769
  • 55 Wienhard K, Eriksson L, Grootoonk S, Casey M, Pietrzyk U, Heiss W D. Performance evaluation of the positron scanner ECAT EXACT.  J Comp Ass Tomogr. 1992;  16 804-813
  • 56 Schäfers K P, Reader A J, Kriens M, Knoess C, Schober O, Schäfers M. Performance evaluation of the 32-module quadHIDAC small-animal PET scanner.  J Nucl Med. 2005;  46 996-1004
  • 57 Hoffman E J, Huang S C, Phelps M E. Quantitation in postron emission computed tomography: 1. Effect of object size.  J Comp Ass Tomogr. 1979;  3 299-308
  • 58 Geworski L. et al . Recovery correction for quantitation in emission tomography: a feasibility study.  Eur J Nucl Med. 2000;  27 161-169
  • 59 Strauss H W, Grewal R K, Pandit-Taskar N. Molecular imaging in nuclear cardiology.  Semin Nucl Med. 2004;  34 47-55
  • 60 Diederich S, Wormanns D. Der pulmonale Rundherd. Neue Konzepte bei einem alten Problem.  Radiologie Up2Date. 2003;  3 301-314
  • 61 Visvikis D, Ell P J. Impact of technology on the utilisation of PET in lymphoma: current and future perspectives.  Eur J Nucl Med Mol Imag. 2003;  30 106-116
  • 62 Brix G, Adam L E, Zaers J, Trojan H, Bellemann M E, Nosske D, Doll J. Reduktion der Strahlenexposition bei PET-Untersuchungen durch Datenakquisition im 3D-Modus.  Nuklearmedizin. 1999;  38 75-79
  • 63 Jägel M, Adam L E, Bellemann M E, Zaers J, Trojan H, Rauschnabel K, Brix G. Untersuchungen des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses an einem modernen PET-System: Messungen am EEC-Ganzkörperphantom.  Nuklearmedizin. 1998;  37 171-176
  • 64 Bailey D L, Jones T, Spinks T J. A method for measuring the absolute sensitivity of positron emission tomographic scanners.  Eur J Nucl Med. 1991;  18 374-379
  • 65 Strother S C, Casey M E, Hoffman E J. Measuring PET scanner sensitivity: relating countrates to image signal-to-noise ratios using noise equivalent counts.  IEEE Trans Nucl Sci. 1990;  37 783-788
  • 66 Higashi K, Clavo A, Wahl R L. Does FDG uptake measure proliferative avtivity of human cancer cells? In vitro comparison with DNA flow cytometry and tritiated thymidine uptake.  J Nucl Med. 1993;  34 414-419
  • 67 Wahl R L. Anatomolecular imaging with 2-deoy-2-[18F] Fluoro-D-Glucose: bench to outpatient center.  Mol Imag Biol. 2003;  5 49-56
  • 68 Oehr P, Gilbert N, Lemmoch H, Ludwig M, Wagner R, Schüller H, Rink H. PET in cell cultures: oncology, genetics, and therapy. In: Oehr P, Biersack H-J, Coleman RE (eds). Chapter 8 in PET and PET-CT in oncology. Springer, Berlin 2004
  • 69 Su H, Forbes A, Gambhir S S, Braun J. Quantitation of cell number by Positron Emission Tomography reporter gene strategy.  Mol Imag Biol. 2004;  6 139-148
  • 70 Jacobs A, Voges J, Reszka R, Lercher M, Gossmann A, Kracht L, Kaestle C, Wagner R, Wienhard K, Heiss W D. Positron-emission tomography of vector-mediated gene expression in gene therapy for gliomas.  Lancet. 2001;  358 727-729
  • 71 Clavo A C, Brown R S, Wahl R L. Fluorodeoxyglucose uptake in human cancer cell lines is increased by hypoxia.  J Nucl Med. 1995;  36 1125-1132
  • 72 Garcia C A, van Nostrand D V, Atkins F, Acio E, Butler C, Esposito G, Kulkarni K, Majd M. Reduction of brown fat 2-deoy-2-[F-18] fluoro-D-glucose uptake by controlling environmental temperature prior to PET scan.  Mol Imaging Biol. 2006;  8 24-29
  • 73 Warburg O. On the origin of cancer cells.  Science. 1956;  123 309-314
  • 74 Brown R S, Leung J Y, Fisher S J, Frey K A, Ethier S P, Wahl R L. Intratumoral distribution of tritiated-FDG in breast carcinoma: Correlation between Glut-1 expression and FDG uptake.  J Nucl Med. 1996;  37 1042-1047
  • 75 Yamada K, Brink I, Bisse E, Epting T, Engelhardt R. Factors influencing [F-18] 2 Fluoro-2-Deoxy-D-Glucose (F-18 FDG) uptake in melanoma cells: The role of proliferation rate, viability, glucose transporter expression and hexokinase activity.  J Dermatol. 2005;  32 316-334
  • 76 Lee J D, Yang W I. et al . Different glucose uptake and glycolytic mechanisms between hepatocellular carcinoma and intrahepatic mass-forming cholangiocarcinoma with increased 18F-FDG uptake.  J Nucl Med. 2005;  46 1753-1759

Dr. rer. nat. M. Hentschel

Abteilung Nuklearmedizin · Universitätsklinikum Freiburg

Hugstetterstr. 55

79106 Freiburg

Phone: +49/7 61/2 70 39 60

Fax: +49/7 61/2 70 39 89

Email: michael.hentschel@uniklinik-freiburg.de

    >