Aspectos físicos de las imágenes de procesos moleculares

Aspectos físicos f sicos de las imágenes im genes
de procesos moleculares
Gary D. Fullerton, Ph.D.
Malcolm Jones Distinguished Professor of Radiology
Vice-Chair for Research Division
University of Texas Health Science Center at San Antonio
7703 Floyd Curl Drive
San Antonio, Texas 78229-3900
USA

Abstracto
Los métodos de imagen tradicionales de la anatomía
interna evolucionan lentamente a imágenes ndimensionales
de procesos moleculares con
presentaciones de información en maneras no
tradicionales para aplicaciones diagnósticas, terapéuticas
y ciencias básicas.
Esta presentación empieza con los aspectos físicos de las
imágenes moleculares usando técnicas normales de
medicina nuclear (γ-cameras, SPECT y PET) y se extiende a
las aplicaciones mas recientes usando CT, MRI y US.
La extensión desde seres humanos hacia modelos
animales para las investigaciones farmacéuticas cambia el
diseño de los instrumentos con demandas para datos más
cuantitativos.

Tengo buenas y mala noticias para
los estudiantes de física f sica médica m dica
Su profesión cambia mucho y con
acelerada rapidez.
Las imágenes de procesos moleculares
tienen valor muy elevado.
Por esa realidad hay una demanda para el
conocimiento de la técnica y los procesos.
Vamos a ver una demanda creciente sobre
su profesión y su carrera.
Será necesario continuar actualizándose y
estudiando toda la vida.

Cuál Cu l es la fuente de expansión expansi n en el
siglo 21 para imágenes im genes moleculares
Primero discutiremos ejemplos de la creciente expansión
del uso e importancia de importancia de las imágenes
moleculares en la práctica clínica actual.
Vemos que las imágenes moleculares proveen información
sobre la fisiología de órganos del cuerpo humano, de
importancia en decisiones terapéuticas.
El valor de la información justifica la elevación de costos de
las herramientas radiológicas modernas.
Las imágenes biomoleculares mejoran la probabilidad de
que el médico pueda resolver y curar enfermedades por
medio de intervenciones como cirugía, drogas, radiación y
otros métodos.

Imagenes moleculares: ¿Que Que son?
La Comisión de Imagen Moleculares del
American College of Radiology dice: “Molecular
Imaging may be defined as the spatially localized
and/or temporally resolved sensing of molecular
or cellular processes”.
“Las imágenes moleculares se pueden definir
como la detección en espacio y/o tiempo de
procesos moleculares o celulares .”
Imágenes de PET con FDG son un ejemplo de
imágenes moleculares de función

La introducción introducci n de imágenes im genes
moleculares requiere nuevos
paradigmas en Radiología Radiolog
Requiere contribuciones intelectuales de
científicos básicos y clínicos de otras
especialidades
Las colaboraciones científicas son críticas
para el desarrollo de métodos en el uso de
imágenes funcionales
El futuro de la medicina se enlaza con el
desarrollo de interpretaciones clínicas de
este nuevo tipo de información molecular

Métodos todos para cambiar el paradigma
radiológico radiol gico – Quien va a hacerlo?
Hay creciente
convicción en la
comunidad que
las imágenes
moleculares
tendrán
importancia
crítica para el
futuro de la
radiología.

Fundación Fundaci n de la importancia de
imágenes im genes moleculares en medicina
Las imágenes moleculares van a extender
el rango de la radiología para incluir
mediciones del funcionamiento de
órganos.
La expansión de capacidades va a ser
similar a la introducción de medios de
contraste con rayos X.
Posibilidad de imágenes diagnósticas de
enfermedades funcionales en adición a la
detección de los cambios anatómicos.

Reconocimiento de la creciente
importancia con el uso de PET
Cada aniquilación crea un par de fotones que viajan
en una línea en direcciones opuestas.

El uso de PET demanda la introducción
introducci n
de ciclotrones de tipo médico m dico

Emisores de positrones T 1/2
son átomos biológicos
18 F 11 C 13 N
110
min
20
min
10
min
15 O 82 Rb
123
seg
75
seg
Mas largo T 1/2 >> Mas fácil distribución.
Menos largo T 1/2 >> Menos dosis de radiación

Imágenes Im genes de glucosa con F 18 muestra el
uso de azúcar az car en tumores

“Trazadores Trazadores” de Oncología Oncolog
Trazador Función
18 F-FDG Metabolismo de Glucosa
18 F - Metabolismo óseo.
11 C-Methionine Síntesis de Proteínas
18 F-uracil Entrega de Drogas
15 O-CO Capacidad de Drogas (Angiogénesis)
18 F-CEA Receptor + Detección de Tumor
11 C-Estradiol Receptor + Detección de Tumor

18 F-Deoxiglucosa
Deoxiglucosa: :
Entrega normal /Tiempo de espera
• Inyección intravenosa IV.
• Transportado por el plasma a todo del cuerpo.
• Entrega máxima en 90 minutos…en tejido normal.
• Eliminado por la orina en mayor parte en menos
de 40 minutos.
• Adquisición de imágenes luego de 40 minutos
cuando la sangre no tiene actividad

Imágenes moleculares
del cáncer
El número de tumores
primarios y la capacidad
de localizar metástasis
para evaluación de la
progresión del cáncer hace
del PET muy útil para el
pronóstico y para la
selección de los métodos
terapéuticos mas
productivos para el
paciente individual.

Cáncer ncer de próstata: pr stata: Imágenes Im genes
moleculares de RM
Es el cáncer mas común después del
cáncer de piel con incidencia similar al
carcinoma del seno.
Es el cáncer en secundo lugar con
consecuencias fatales para los hombres.
“Estadiaje” o conocimiento del nivel de
progresión es crítico en la selección del
mejor tratamiento.
Resonancia magnética con imágenes
anatómicas y espectroscópicas tiene
resultados prometedores.
American Cancer Society Surveillance Statistics, 2002.

Espectroscopia RM del Próstata Pr stata
Que es espectroscopia RM?
– Un método para detectar concentraciones de
compuestos biológicos deiferentes de agua y
lípidos.
– Protones de citrato, colina, creatina, y poliaminas
son detectados con relación a la
anatomía en voxeles de ~0.3cc
– Cada voxel recibe una calificación desde uno
hasta cinco 1-5 (benigno hasta cáncer
maligno).

Cambios Metabólicos Metab licos
Elevación de colina
– Proliferación de células, elevación de la densidad de
células, compuestos de fosfolípidos, y metabolismo de
membranas celulares.
Disminución de citrato
– Metabolismo excepcional de zinc y citrato indica cambios
en la morfología de los conductos
[colina+creatina]/[citrato] crea una medida de
cambios
Disminución de poli-aminas
– Menos entendido, tiene relación a proliferación y función
secretoria.

Cambios Metabólicos Metab licos
Voxel sano: Voxel canceroso:

MRI/MRSI vs. histopatología
histopatolog
Cáncer tiene baja intensidad de señal T2 en la zona periférica

Interpretación Interpretaci n de Espectroscopia
X
X
X
X
X

Próstata
Sano
Canceroso

MRI y MRS
erMRI (endorectal MRI) tiene alta
sensibilidad y baja especificidad
erMRS por otro lado tiene baja
sensibilidad y alta especificidad
La fuerza del examen es justo cuando
hay concordancia entre MRI y MRS
-JMRI 2002; 16: 461-463

El papel de la espectroscopía
espectroscop
Elevar la especificad del diagnóstico
cuando es usada con erMRI
Mejorar la exactitud del exámen
Aumentar la seguridad del radiólogo
Aumentar el valor del diagnóstico en
selección del método de tratamiento
Mejorar la probabilidad de curar al
paciente y promover el retorno a una vida
sana y productiva

Cuál Cu l es el Futuro de
Espectroscopía Espectroscop por RM
Hay estudios multicéntricos actuales con
protocolos de ACRIN usando el metodo de GE
PROSE (GE PROSE package release)
Hay estudios actuales ex-vivo con la meta de
identificar y desarrollar “huellas digitales” mas
específicas de cáncer usando RMS de alto
resolución
Hay estudios actuales evaluando MRS de
pacientes con cáncer y biopsias negativas, para
identificar el blanco de biopsia
Nuevas tecnologías de 3T y de bobinas rígidas
mejoran los resultados
El progreso en los procesos de computación
tiene un efecto positivo en los resultados

Small Animal Imaging at
UTHSCSA
Imágenes de Animales
Pequeños en UTHSCSA
Department of Radiology
Department of Radiology
University of Texas Health Science
Center at San Antonio
San Antonio, Texas USA

Desarrollo de Instrumentos para
Estudios de Modelos Animales
Breakthroughs in Pre-Clinical
Pre Clinical
Imaging at
First
Pre-Clinical
SPECT
at Gamma-Medical Gamma Medical Ideas
First
First
Pre-Clinical
SPECT/CT
First
Pre-Clinical
Tri-Modality
PET/SPECT/CT
2001 2002 2004
Solid-State
SPECT System
Tri-Modality
PET/SPECT/CT
2006

CZT Capacidad de múltiples m ltiples isótopos is topos
Normalized Counts
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
Resolution (% FWHM)
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Energy (keV)
40
30
20
10
0
0 50 100 150 200 250
Cd109
Am241
Co57
Tc99m
In111
Energy (keV)
Normalized Counts
1.1
1
0.9
0.8
0.7
NaI_1.5 0.6
CZT_1.5
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
NaI_2.2
NaI_1.5
CZT
Cd109
Am241
Co57
Tc99m
In111
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
Energy (keV)

Micro SPECT/CT Small Animal Imager
Radiology Department
University of Texas Health Science Center at San Antonio

microSPECT/CT
microSPECT/CT
Gamma camera
X-ray camera
Courtesy Dr. Koji Iwata Gamma Medica
Gamma camera

FLEX Triumph Triumph
Una mirada por dentro
SPECT Camaras
(Retraídas)
NaI/PSPMT
o
CZT
Tubo de Rayos-X
Detector de CT
Camilla para
el animal
Anillo de detectores PET

PET/CT PET/CT
Integrado
FDG Xenograft Tumor Estudio en rata
Observaciones
Captación Captaci de FDG en el tumor es evidente
Centro necrótico necr tico se observa cerca de la tibia
Eliminación Eliminaci hacia la vejiga y concentración concentraci muscular
en el muslo derecho también tambi se observan
Parámetros
Par metros de adquisición adquisici
Rata de 260 gramos
90 μCi Ci FDG en el
momento de imagen
Tiempo de adquisición:
adquisici
15 minutos

X-PET: PET: High Sensitivity
Study
Courtesy of Beth Goins, Ph.D., University of Texas at San Antionio

Spatial Resolution
Data Spectrum Micro Deluxe
Hot Rod Phantom

La tecnología tecnolog a impulsa la transición transici n a
imágenes im genes funcionales
Las instituciones académicas se deben
transformar para adaptarse a un nuevo
paradigma de imagenología.
Esto va a requerir instalaciones similares
al RIC y programas de educación superior
similares al de Ciencias Radiológicas para
promover la colaboración y los estudios
multidisciplinarios.
Habrán beneficios médicos y económicos
debido a estos cambios