UNIVERZA V LJUBLJANI ZDRAVSTVENA FAKULTETA
RADIOLOŠKA TEHNOLOGIJA, 1. STOPNJA
Alen Čuček, Milica Vasić
ARTEFAKTI ZARADI DIHANJA PRI SPECT/CT- PERFUZIJSKI SCINTIGRAFIJI MIOKARDA
Diplomsko delo
RESPIRATORY ARTIFACTS IN SPECT/CT MYOCARDIAL PERFUSION SCINTIGRAPHY
Diploma work
Mentor: pred. dr. Sebastijan Rep Recenzent: izr. prof. dr. Janez Žibert
Ljubljana 2021
ZAHVALE
Iskreno se zahvaljujeva mentorju pred. dr. Sebastijanu Repu za pomoč, potrpežljivost, usmerjanje, čas in strokovne nasvete pri pisanju diplomske naloge.
Zahvaljujeva se tudi recenzentu izr. prof. dr. Janezu Žibertu za pregled najinega diplomskega dela.
Zahvala gre tudi Lidiji Ličen, prof. slovenščine in teologije, za jezikovno urejanje naloge.
Posebno zahvalo izrekava vsem v najinih družinah, ki so nama omogočili študij, naju podpirali in verjeli v naju.
Zahvaljujeva se tudi vsem ostalim, ki so naju med študijem spodbujali in nama bili v oporo.
IZVLEČEK
Uvod: SPECT/CT-perfuzijska scintigrafija miokarda je slikovni postopek v nuklearni medicini, ki ponazarja delovanje srčne mišice oziroma miokarda. Pri zajemanju SPECT/CT- podatkov lahko več razlogov povzroči poslabšanje slike. Najpogostejši vzrok za nastanek artefaktov je gibanje zaradi dihanja. Namen: Namen diplomske naloge je opredeliti, kako artefakti zaradi dihanja pri SPECT/CT-perfuzijski scintigrafiji miokarda vplivajo na kakovost slike in kako se lahko teh artefaktov izognemo oziroma kako preprečimo njihov nastanek. Metode dela: V diplomskem delu smo uporabili deskriptivno metodo s sistematičnim pregledom literature. Vire smo iskali v strokovnih podatkovnih bazah, ki so dostopne na svetovnem spletu. Literaturo smo izbrali z vključitvenimi in izključitvenimi kriteriji. Pregled literature je potekal od oktobra 2020 do aprila 2021. Rezultati:
Predstavljeni so rezultati poteka izbire člankov v sistematični pregled literature. Analizirali smo članke glede lastnosti vzorca in namena ter primerjali protokole slikanja. Analiza člankov je pokazala, da na gibalne artefakte najpogosteje vplivajo intenzivnost dihanja, premiki bolnika in posledično neujemanje med SPECT- in CT-vidnim poljem. Pomembno vlogo ima tudi čas slikanja, ker je s krajšim časom skeniranja manjša možnost za premik oziroma za gibalni artefakt. Razprava in zaključek: Ugotovili smo, da lahko artefakti zaradi dihanja pri SPECT/CT-perfuzijski scintigrafiji miokarda prikrijejo diagnostično pomembne informacije, zato je nujno, da jih kot radiološki inženirji prepoznamo in preprečimo. Preprečimo jih lahko, če uporabimo hitro zajemanje CT-slik in če pacient med preiskavo diha plitvo. V primeru, da pacient diha intenzivneje, je treba uporabiti korekcijo dihanja in korekcijo atenuacije ter upoštevati, da je za boljšo diagnozo pomembna kombinacija obeh. Ugotovili smo, da je učinkovitost metode IACT primerljiva z metodo CACT. Prav tako smo ugotovili, da je metoda za pridobivanje atenuacijskih map z uporabo
»cine« CT-ja enako dobra kot metoda z zadrževanjem diha in da mora biti za učinkovito odpravljanje zamegljenosti zaradi gibanja dihal pri SPECT/CT-perfuzijski scintigrafiji miokarda gibanje zaradi dihanja omejeno na manj kot 2 milimetra. Artefakte zaradi gibanja dihal odpravimo najučinkoviteje, če uporabimo CBCT za pridobitev atenuacijskih map v primerjavi s HCT-jem in SLS-jem. Če uporabljamo HCT, je najbolje, da bolnik ob koncu izdiha zadrži dih.
Ključne besede: SPECT, CT, SPECT/CT, perfuzija miokarda, artefakti zaradi dihanja, preprečevanje respiratornih artefaktov, korekcija artefaktov
ABSTRACT
Introduction: SPECT/CT myocardial perfusion scintigraphy is an imaging procedure in nuclear medicine that illustrates the function of the heart muscle or myocardium. When capturing SPECT/CT data, several reasons may cause artifacts. The most common cause of artifacts is respiratory motion. Purpose: The purpose of this diploma work was to determine how respiratory artifacts in SPECT/CT myocardial perfusion scintigraphy affect image quality and how these artifacts can be avoided or prevented. Methods: In the diploma work we undertook a descriptive method with a systematic review of the literature. We searched for different studies and other information from professional databases available on the Internet. We selected the literature using inclusion and exclusion criteria. A review of the literature took place from October 2020 to April 2021. Results: The results of the selection of articles for systematic review of the literature are presented. We analysed the articles regarding the properties of the sample and purpose, and we compared the imaging protocols.
The analysis of the articles showed that movement artifacts are most often affected by respiratory intensity, patient movements, and the consequent mismatch between the SPECT and CT field of view. The imaging time also plays an important role, namely, the shorter the scan time, the less chance of movement or movement artifact. Discussion and conclusion:
We have found that respiratory artifacts in SPECT/CT myocardial perfusion can disguise diagnostically important information and as such need to be identified and prevented by radiological engineers. They can be prevented by using fast CT imaging and if the patient is breathing shallow during the examination. In case the patient is breathing more intensively, it is necessary to use respiratory motion correction and attenuation correction. The combination of these two is important for a better diagnosis. We found that the effectiveness of the IACT method is comparable to CACT. We also established that the method for obtaining attenuation maps using »cine« CT is as good as breath hold method. For effective elimination of respiratory motion blur in SPECT/CT myocardial perfusion, the respiration movement is limited to less than 2 mm. Respiratory motion artifacts are most effectively eliminated if CBCT is used to obtain attenuation maps compared to HCT and SLS. However, if HCT is used, it is best for the patient to hold his breath at the end of exhalation.
Keywords: SPECT, CT, SPECT/CT, myocardial perfusion, respiratory motion artifacts, prevention of respiratory motion artifacts, artifact correction
KAZALO VSEBINE
1 UVOD ... 1
1.1 Teoretična izhodišča ... 2
1.1.1 Nuklearna medicina ... 2
1.1.1.1 Enofotonska emisijska računalniška tomografija (SPECT) ... 3
1.1.1.2 Računalniška tomografija (CT) ... 4
1.1.1.3 SPECT/CT ... 5
1.1.2 Perfuzija miokarda ... 7
1.1.2.1 Respiratorni artefakti pri SPECT/CT-perfuzijskem slikanju miokarda ... 8
1.1.2.2 Artefakti korekcije atenuacije zaradi neusklajenosti med SPECT- in CT- sliko………8
1.1.2.3 Zamegljenost zaradi dihalnega gibanja ... 10
2 NAMEN ... 12
2.1 Raziskovalna vprašanja ... 12
3 METODE DELA ... 13
4 REZULTATI ... 15
4.1 Rezultati poteka izbire dokumentov v sistematični pregled ... 15
4.2 Rezultati analize znanstvene literature ... 16
5 RAZPRAVA ... 21
6 ZAKLJUČEK ... 25
7 LITERATURA IN DOKUMENTACIJSKI VIRI ... 26
KAZALO SLIK
Slika 1: Sodobnejši aparat SPECT/CT ... 7
Slika 2: Ujemanje SPECT- in CT-vidnega polja ... 10
Slika 3: Rezultati izbora člankov v sistematični pregled literature z metodo PRISMA... 15
Slika 4: Neujemanje CT- in SPECT-slike ... 21
Slika 5: Primeri artefaktov zaradi dihanja na CT-slikah ... 22
Slika 6: Primer slike SPECT/CT-perfuzije miokarda... 23
KAZALO PREGLEDNIC
Preglednica 1: Vključitveni in izključitveni kriteriji ... 13
Preglednica 2: Prikaz lastnosti in namena preiskav, zajetih v analizi ... 16
Preglednica 3: Primerjava slikovnih parametrov, uporabljenih za analizo ... 18
Preglednica 4: Prikaz parametrov za korekcijo atenuacije ... 19
Preglednica 5: Primerjava rekonstrukcijskih parametrov ... 20
SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC IN OKRAJŠAV
153Gd Gadolinij
201Tl Talij
2D Dvodimenzionalno
3D Tridimenzionalno
4D Štiridimenzionalno
99mTc Tehnecij
AC Korekcija atenuacije (Atenuation Corection)
CACT Zaporedna slikanja z računalniško tomografijo z nizko dozo za popravke atenuacije (Cine Average Computed Tomography) CBCT Računalniška tomografija, ki uporablja žarke v obliki stožca (Cone-
Beam Computed Tomography) Cm Centimeter
CT Računalniška tomografija (Computed Tomography)
EANM Evropsko združenje za nuklearno medicino (European Association of Nuclear Medicine)
EKG Elektrokardiogram
FBP Filtrirana povratna projekcija (Filtered Back Projection) FDA (Ameriška) Uprava za hrano in zdravila (Food and Drug
Administration)
HCT Spiralna računalniška tomografija (Helical Computed Tomography) IACT Povprečje originalnih in interpoliranih faz slikanja z računalniško
tomografijo (Interpolated Average Computed Tomography)
keV Kiloelektronvolt kV Kilovolt
LEHR Nizkoenergijski visokoločljivi kolimator (Low Energy High Resolution)
LV Levi Ventrikel (prekat) mAs Miliampersekunda
MDCT Računalniška tomografija, ki uporablja več detektorjev (Multidetector Computed Tomography)
min Minuta
MLEM Največja verjetnost pričakovanja maksimizacije (Maximum Likelihood Expectation-Maximization)
mm Milimeter
MPI Slikanje perfuzije miokarda (Myocardial Perfusion Imaging) NCAT Fantom in programsko orodje za modeliranje anatomskih variacij in
gibov pri bolniku (Non Uniform Rational B Splines based Cardiac Torso)
OSEM Maksimizacija predvidevanja urejenih podskupin (Ordered Subset Expectation Maximization)
PET/CT Pozitronska emisijska tomografija z računalniško tomografijo (Positron Emission Tomography with Computed Tomography) PITCH Parameter, ki navadno opisuje hitrost premikanja mize med spiralnim
slikanjem z računalniško tomografijo RF Radiofarmak
s Sekunda
SLS Linijski izvor za skeniranje (Scanning-Line Sources)
SPECT Enofotonska emisijska računalniška tomografija (Single-Photon emission Computed Tomography)
SPECT/CT Enofotonska emisijska računalniška tomografija z računalniško tomografijo (Single Photon emission Computed Tomography with Computed Tomography)
XCAT Fantom za simulacijo gibov pri slikanju v kardiologiji (4D Extended Cardiac Torso)
1
1 UVOD
Nuklearna medicina je specializirano področje medicinske slikovne diagnostike, ki uporablja za oceno telesnih funkcij ter za diagnosticiranje in zdravljenje bolezni radiofarmake (RF). Sledenje tem RF omogočajo zdravnikom posebej zasnovane kamere.
Enofotonska emisijska računalniška tomografija z računalniško tomografijo (SPECT/CT) je slikovna naprava, ki združuje dva sistema, to sta SPECT in CT, ki omogočata pridobitev podatkov vsakega načina v eni preiskavi bolnika. (The Johns Hopkins Medicine, 2021; Buck et al., 2008; Kojima et al., 2004)
Združitev sistemov SPECT in CT je v nuklearni medicini prinesla velik napredek pri diagnosticiranju bolezni. Še posebej je ta napredek viden v nuklearni kardiologiji; velik poudarek je na SPECT/CT-prikazu perfuzije miokarda. Perfuzija miokarda je slikovni postopek v nuklearni medicini, ki ponazarja delovanje srčne mišice oziroma miokarda. Tako se ocenjuje številne bolezni srca, kot so koronarna arterijska bolezen, hipertrofična kardiomiopatija in nepravilnosti gibanja srčne stene. Poleg tega da je slikanje miokardne perfuzije dragoceno diagnostično orodje, gre tudi za zapleten fiziološki slikovni postopek, izpostavljen številnim potencialnim artefaktom, ki lahko omejijo uporabnost preiskave. (Lee et al., 2013; Burrell, MacDonald, 2006)
Poslabšanje slike pri skeniranju je lahko posledica več razlogov. Pomemben vzrok za poslabšanje slike pri bolnikih so respiratorni artefakti, in to zaradi samega dihanja med skeniranjem podatkov. Respiratorni artefakti se običajno kažejo kot artefakti korekcije atenuacije zaradi neujemanja med SPECT- in CT-sliko in artefakti, ki povzročajo zamegljenost zaradi dihalnega gibanja. (Bitarafan Rajabi et al., 2014)
Respiratorni artefakti pri SPECT/CT-perfuziji miokarda povzročijo neenakomerno regionalno porazdelitev radiofarmaka v apeksu, sprednji in spodnji steni srca, kar povzroči napake pri sprejemanju in napačno lokacijo lezije. To lahko povzroči diagnostično neuporabno sliko, kar lahko vodi do napačne diagnoze. Zato je zelo pomembno, da preprečimo artefakte, kar je glavni predmet tega diplomskega dela. (Segars et al., 2009; Seo et al., 2008; Goetze et al., 2007)
Za pisanje diplomskega dela, povezanega z nuklearno medicino, smo se odločili zaradi samega hitrega napredka naprav SPECT/CT in njihovega vedno večjega pomena v nuklearni medicini. Pritegnila nas je tudi sama tema, saj artefakti predstavljajo vsakodnevno težavo
2
pri delu radioloških inženirjev in se jih skušamo izogniti, kolikor se da, zato je poznavanje načinov, kako se jih znebiti oziroma jih preprečiti, ključno za nastajanje diagnostično kakovostne slike.
K obravnavi te teme nas je pritegnilo tudi dejstvo, da v slovenskem jeziku nismo zasledili nobene literature o preprečitvi respiratornih artefaktov pri SPECT/CT-perfuzijski scintigrafiji miokarda.
1.1 Teoretična izhodišča
V teoretičnih izhodiščih je predstavljena nuklearna medicina kot veja v medicinski slikovni diagnostiki. Predstavljena sta sistema SPECT in CT kot samostojni enoti in tudi kot hibridni SPECT/CT-sistem. V delu so predstavljeni glavne značilnosti SPECT/CT-perfuzijske scintigrafije miokarda in respiratorni artefakti.
1.1.1 Nuklearna medicina
Nuklearna medicina je specializirano področje medicinske slikovne diagnostike, ki za oceno telesnih funkcij ter za diagnosticiranje in zdravljenje bolezni uporablja RF. Posebej zasnovane kamere omogočajo zdravnikom sledenje tem RF. Ker rentgenski žarki prehajajo skozi mehko tkivo, kot so črevesje, mišice in krvne žile, ki jih je na običajnem rentgenskem posnetku težko vizualizirati, razen če se uporablja kontrastno sredstvo, kar omogoča jasnejše videnje tkiva, nam nuklearna medicina omogoča vizualizacijo strukture organov in tkiv ter njihovih funkcij. Obseg, v katerem določen organ ali tkivo absorbira RF, lahko kaže na raven funkcije organa ali tkiva, ki se preučuje. Tako se diagnostični rentgen uporablja predvsem za preučevanje anatomije, nuklearna medicina pa se uporablja za preučevanje delovanja organov in tkiv. Med slikanjem se uporabi majhna količina RF. (The Johns Hopkins Medicine, 2021)
RF je sestavljen iz molekul, ki so tesno povezane z radioaktivnim atomom. Te molekule se močno razlikujejo glede na namen skeniranja. Nekateri sledilci uporabljajo molekule, ki v telesu sodelujejo z določeno beljakovino ali s sladkorjem in se lahko celo vključijo v pacientove lastne celice. Za večino diagnostičnih študij v nuklearni medicini se RF aplicirajo intravensko. Nekateri RF se lahko vdihujejo, nekateri se lahko zaužijejo peroralno ali jih
3
apliciramo v organ neposredno. Način aplikacije je odvisen od bolezni, ki jo želimo diagnosticirati. RF so farmacevtski izdelki, saj morajo izpolnjevati standarde FDA o varnosti in ustrezni učinkovitosti za odobreno klinično uporabo. Na voljo je več različnih vrst RF.
Sem spadajo oblike elementov, kot so tehnecij, talij, galij, jod in ksenon. Zdravnik specialist nuklearne medicine izbere RF, ki zagotovi najnatančnejše in najzanesljivejše informacije o pacientovi določeni težavi. (NIBIB, 2016)
Ko se RF aplicira pacientu, se zbere v preiskovalnem tkivu in odda sevanje, ki ga zazna detektor sevanja. Najpogostejša vrsta detektorja je kamera gama. Računalnik proizvaja digitalne signale in jih shranjuje, ko kamera gama zazna sevanje. Z zaznavanjem RF v telesu med slikanjem se diagnosticirajo različna stanja, kot so tumorji, okužbe, hematomi, povečanje organov ali ciste. Nuklearno medicino lahko uporabimo tudi za oceno delovanja organov in krvnega obtoka. (The Johns Hopkins Medicine, 2021)
Območje, na katerem se RF kopiči v večjih količinah, se imenuje »vroča točka«. Mesta, na katerih se RF ne absorbira, so na skenirani sliki videti manj svetla in se imenujejo »hladne točke«. Pri ravninskem slikanju ostane kamera gama mirujoča. Nastale slike so dvodimenzionalne (2D). SPECT proizvaja aksialne ravnine slikanega organa, ker se kamera gama vrti okoli bolnika. Te rezine so podobne tistim, ki jih opravi CT. V nekaterih primerih, na primer pri PET-skeniranju, lahko s SPECT-podatki izvedemo tridimenzionalne (3D) slike. (The Johns Hopkins Medicine, 2021)
1.1.1.1 Enofotonska emisijska računalniška tomografija (SPECT)
Preiskava SPECT je razdeljena na dve fazi: akvizicijo (pridobivanje) in procesiranje (predelavo). V fazi akvizicije se kamera gama vrti okoli pacienta v vrsti korakov in za vsakega se dobi ravninska slika, imenovana projekcija. V fazi obdelave se te ravninske slike rekonstruirajo v 3D-slike s pomočjo matematičnih algoritmov. (Fanti et al., 2011)
Skupna rotacija okoli bolnika je običajno 90̊, 180̊ in 360̊. Skupno število projekcij se lahko spreminja od 60 do 128. Podatki SPECT so običajno pridobljeni v matriki 64 x 64, čeprav v nekaterih primerih uporabljamo matrike 128 x 128. (Fanti et al., 2011)
4
V fazi obdelave (procesiranja) obstaja več načinov za rekonstrukcijo 3D-odseka iz ravninske (planarne) slike. Najpogostejša metoda je filtrirana povratna projekcija (FBP), v nekaterih študijah pa so to iterativne metode. Ena med njimi je največja verjetnost pričakovanja maksimizacije oziroma maksimizacija predvidevanja urejenih podskupin (MLEM/OSEM), ki lahko vodi do boljših rezultatov. Prav tako je treba uporabiti matematične slikovne filtre, da se dobi slika primerne kakovosti. Vendar filtri spremenijo surovo sliko, zato je izbira določenega filtra in njegovih parametrov odvisna od fizikalnih lastnosti preiskovalnega organa in namena študije. (Fanti et al., 2011)
Pomembno vprašanje, ki ga je treba upoštevati pri SPECT-u, je atenuacija fotonov v preučevanem organu ali znotraj bolnika. Zaradi atenuacije se lahko slike rekonstruirajo z očitno manj dejavnosti v središču slike, medtem ko je porazdelitev dejavnosti v organu dejansko enakomerna. Atenuacijo lahko popravimo z uporabo matematičnih algoritmov, kot je Changov filter, vendar lahko neprimerna uporaba tega algoritma povzroči neželene učinke, kot je precenjevanje dejavnosti v središču slike. Korekcija atenuacije s transmisijo je optimalen način in ga je mogoče izvesti z zunanjim kapsuliranim virom ali z rentgenskim virom, običajno s CT-jem. (Fanti et al., 2011)
1.1.1.2 Računalniška tomografija (CT)
Postopek pridobivanja slike organov, tkiv oziroma struktur znotraj človeškega telesa z uporabo rentgenskih žarkov je na osnovi različnih atenuacijah, ki jih doživlja sevanje pri prehodu skozi materiale. Ta slika je transmisijska mapa rentgenskih fotonov. V primeru CT- ja se rentgenski vir neprekinjeno vrti okoli pacienta in z detekcijskim sistemom, ki se nahaja za pacientom, se pridobi profil žarka atenuacije (transmisija) znotraj pacienta za vsak kotni položaj. Meritve atenuacije se uporabljajo za ustvarjanje prečnega nabora koeficientov atenuacije z algoritmom FBP ali kake druge tomografske rekonstrukcijske tehnike. Po dodelitvi sive lestvice niza atenuacijskih koeficientov so pridobljene slike, ki predstavljajo anatomijo telesa. Kot pri SPECT-u je tudi za CT-študijo potrebnih več parametrov. V tem primeru so osnovni parametri kV, mAs in PITCH (parameter, ki navadno opisuje hitrost premikanja mize med spiralnim slikanjem). Za rekonstrukcijo slike so matrike običajno 256 x 256 oziroma 512 x 512 z velikostjo piksla 0,5–2,0 mm. Potrebni so tudi matematični filtri;
njihova izbira je odvisna od značilnosti telesa. Za slikanje možganov na primer potrebujemo
5
filtre, ki izboljšajo ostre razlike, medtem ko pri slikanju trebuha potrebujemo filtre, ki so posebej prilagojeni mehkim tkivom. (Fanti et al., 2011)
Uporaba računalniške tomografije z več detektorji (MDCT) se zdaj povečuje. Te naprave omogočajo pridobitve 256–320 hkratnih rezin v samo 0,25–0,35 sekunde časa vrtenja.
Največje število rezin v hibridnih sistemih (SPECT/CT ali PET/CT) je 64. Naprave MDCT zagotavljajo poleg hitrejšega pridobivanja tudi zelo kakovostne slike, vendar pri tem povečajo dozo sevanja pacientu. (Fanti et al., 2011)
1.1.1.3 SPECT/CT
Naprava SPECT/CT je sestavljena iz ene same enote, ki združuje dva sistema, to sta SPECT in CT, ki omogočata pridobitev podatkov vsakega načina v eni preiskavi bolnika. CT-slike lahko uporabimo za korekcijo atenuacije in za anatomsko lokacijo. SPECT/CT je na tržišču dostopen v širokem obsegu, zmogljivost pa je odvisna od komponent nameščenega SPECT- a in CT-ja. V preprostejših sistemih je komponenta CT v bistvu vključena za zagotavljanje korekcije atenuacije. Ti sistemi povzročajo slabšo prostorsko ločljivost in slabšo kakovost slike, vendar zmanjšajo dozo za bolnika. Naprednejši sistemi vključujejo MDCT; tako se lahko izvajajo visoko ločljive CT-preiskave skupaj s kompleksnimi SPECT-preiskavami, kot so CT-koronarna angiografija s SPECT-miokardno perfuzijo. Kljub temu je sistem, ki se običajno uporablja v večini bolnišnic, vgrajena kamera gama z dvema glavama in CT, ki je optimiziran za korekcijo atenuacije in anatomsko lokacijo. V primeru uporabe CT-ja za korekcijo atenuacije SPECT-a je treba ločljivost podatkov CT-ja zmanjšati, da se ujemajo s tistimi iz SPECT-a. Poleg tega da je učinkovita energija rentgenskega žarka približno 70 keV in se atenuacija spreminja glede na energijo, mora biti CT-mapa atenuacije enaka energiji radioaktivnega fotona, uporabljenega v SPECT-u, kar je v večini primerov 140 keV, kar oddaja 99mTc. (Fanti et al., 2011)
Uporaba CT-ja za korekcijo atenuacije nudi več prednosti. Statistični šum, povezan z izmeničnim tokom, je nižji s CT-jem kot z drugimi tehnikami, kot je npr. transmisija z interkapsuliranimi viri, pri kateri je pretok fotonov večji kot pri CT-ju. Skupni čas za izvedbo preiskave se znatno zmanjša zaradi hitrosti pridobivanja CT-slik. Anatomske slike, pridobljene s CT-jem, lahko združimo z emisijskimi slikami za natančno lokacijo RF. (Fanti et al., 2011)
6
SPECT je torej funkcionalen način medicinskega slikanja, ki zagotavlja informacije o 3D- porazdelitvi RF pri bolnikih. Podobno kot planarna scintigrafija zahteva tudi SPECT aplikacijo RF. RF oddaja sevanje gama; to sevanje zaznajo kamere game, ki se vrtijo okoli pacienta. Med vrtenjem se pridobivajo različne projekcije na določenih mestih. Pridobi se več 2D-projekcij, ki se nato rekonstruirajo, da nastanejo 3D-slike. Na koncu dobimo 3D- sliko, ki prikazuje porazdelitev RF. CT zagotavlja visoko ločljivost anatomije telesa z uporabo scintilacijskih ali polprevodniških detektorjev za zaznavanje rentgenskega žarka, ki prehaja skozi telo. (Buck et al., 2008; Kojima et al., 2004)
Po standardnem protokolu SPECT/CT-ja se najprej opravi SPECT, nato se opravi CT. Med pridobivanjem slike SPECT se kamere gama vrtijo okoli pacienta in tako se pridobivajo projekcije vsakih 3–6° za skupno 180–360° rekonstrukcijo slike. Običajno traja vsaka projekcija približno 15–20 sekund, skupni čas pridobivanja pa je 15–20 minut. Nato se naredi spiralno skeniranje dela telesa, ki ga slikamo. V veliki večini primerov se lahko CT- slikanje izvede brez topograma. (Buck et al., 2008; Kojima et al., 2004)
Na slikanje lahko vpliva precej dejavnikov: atenuacija, sipanje, odziv kolimatorja na detektorju in efekt delnega volumna. Te dejavnike je treba popraviti, da se prikaže pravilna porazdelitev dejavnosti znotraj pacienta. Pri atenuaciji se fotoni v večini absorbirajo s fotoelektričnim efektom ali se fotoni sipajo in jih kamera gama ne zazna. Tako oslabljene projekcije vsebujejo manj dogodkov kot idealne projekcije. Na število zaznanih fotonov vplivata debelina materiala, skozi katerega potujejo fotoni, in njegova narava. Ker imajo različni materiali različne atenuacijske koeficiente, je postopek absorpcije odvisen od materiala ali tkiva. Zato je treba imeti informacije o pacientu za prostorsko porazdelitev atenuacijskih koeficientov za korekcijo atenuacije. (Buck et al., 2008; Kojima et al., 2004)
7
Slika 1: Sodobnejši aparat SPECT/CT (ITN, 2021)
1.1.2 Perfuzija miokarda
Perfuzija miokarda je slikovni postopek v nuklearni medicini, ki ponazarja delovanje srčne mišice oziroma miokarda. Tako se ocenjuje številne bolezni srca, kot so koronarna arterijska bolezen, hipertrofična kardiomiopatija in nepravilnosti gibanja srčne stene. Prav tako se lahko zaznajo regije miokardnega infarkta, tako da se prikaže območje zmanjšane perfuzije v mirovanju. Funkcijo miokarda lahko ovrednotimo tudi z izračunom iztisne funkcije levega prekata srca. Ta pregled se opravi skupaj s testom srčnega stresa. Diagnostične informacije nastanejo z izzivanjem nadzorovane ishemije v srcu s spremenljivo perfuzijo. (Lee et al., 2013)
Perfuzijsko preiskavo miokarda opravimo po intravenski aplikaciji majhnega odmerka RF v mirovanju in po fiziološkem (vadbenem) ali farmakološkem (adenozin, dipiridamol ali dobutamin) stresu. Prvotno se je uporabljal RF 201Tl (talij), vendar so ga nadomestile sintetične spojine, označene s tehnecijem, ki dajejo kakovostnejše slike pri nižji dozi sevanja.
Kot pri drugih posegih v nuklearni medicini tudi pri perfuziji miokarda RF oddaja fotone, ki jih zazna kamera gama. Novejše kamere so opremljene s skenerji z računalniško tomografijo (CT), ki omogočajo kompenzacijo absorpcije fotonov skozi zapleteno in spremenjeno anatomijo (mehko tkivo, pljuča in kosti prsnega koša). (Lee et al., 2013)
8
Po skeniranju se tomografski podatki obdelajo in rekonstruirajo v običajni format. Ker je absorpcija RF sorazmerna s perfuzijo, bodo območja z zmanjšano perfuzijo, kot so ishemični segmenti, prikazana kot območja z manj intenzivno ali odsotno absorpcijo RF. Perfuzijske mape posameznega bolnika lahko primerjamo z referenčno bazo podatkov, ki ustreza spolu, za objektivnejšo in polkvantitativno oceno obsega resnosti perfuzijskih nepravilnosti. Kadar se podatki zajemajo sinhrono s srčnim ciklusom, na primer z elektrokardiogramom (EKG), se lahko oceni tudi regionalna in globalna sistolična funkcija levega prekata. Iz te analize lahko izračunamo končni diastolični in sistolični volumen ter iztisno funkcijo. Miokardna perfuzija se v veliki večini še zdaj izvaja z uporabo SPECT/CT-ja in EKG-»gatinga«, kar dodatno prispeva k zapletenosti preiskave. Artefakti se lahko pojavijo v kateri koli fazi postopka pri slikanju miokardne perfuzije. (Lee et al., 2013; Burrell, MacDonald, 2006)
1.1.2.1 Respiratorni artefakti pri SPECT/CT-perfuzijskem slikanju miokarda
Pri skeniranju srčnega SPECT-a lahko poslabšanje slike povzroči več razlogov: slaba intrinzična ločljivost in občutljivost SPECT-a, sipanje in artefakti atenuacije, določeni premiki, ki povzročijo artefakte, kot so premikanje pacienta, bitje srca in dihanje pacienta.
Navedeni parametri vplivajo na kakovost slike pri srčnem SPECT-u. Respiratorni artefakti so pomemben vzrok za poslabšanje slike pri bolnikih. Običajno se kažejo kot artefakti korekcije atenuacije zaradi neusklajenosti med SPECT-om in CT-sliko ter kot zamegljenost zaradi dihalnega gibanja. (Bitarafan Rajabi et al., 2014)
1.1.2.2 Artefakti korekcije atenuacije zaradi neusklajenosti med SPECT- in CT-sliko
Korekcijo atenuacije na osnovi CT-ja za SPECT motijo artefakti, ki jih običajno ne vidimo na samostojnih SPECT-slikah, ki so popravljene z običajnim transmisijskim posnetkom.
Artefakte pogosto povzroča več razlogov, kot so premikanje pacienta, gibanje dihal in okrnitev. Med navedenimi dejavniki velja, da je najpogostejši razlog za nastanek artefaktov na SPECT/CT-slikah na osnovi CT-ja za korekcijo atenuacije gibanje dihal. Pri SPECT/CT- sistemu se pojavi težava zaradi razlike v hitrost zajema slike med SPECT- in CT-zajemom podatkov, saj se pri CT-ju podatki pridobivajo običajno med enim zadrževanjem diha,
9
medtem ko se SPECT-podatki pridobivajo dlje časa in vključujejo veliko dihalnih ciklov.
Pri CT-ju se navadno dobi 3D-spiralni CT-pregled v enem samem zadržanem dihu v zelo kratkem času. Tako predstavlja SPECT-slika povprečen položaj organov prsnega koša, medtem ko posname CT samo posnetek dihalnega cikla. Zato moramo pri uporabi CT-ja za korekcijo atenuacije upoštevati vpliv dihanja. Dihanje vključuje gibanje diafragme, srca, prsnega koša, trebušnih organov in pljuč. Med vdihom se diafragma skrči, kar sili trebušne organe navzdol in naprej, da se poveča volumen prsnega koša. Rebra se hkrati premikajo navzgor in navzven, kar razširi prsni koš. Med izdihom se zgodi ravno obratno in volumen prsnega koša se zmanjša. Med dihanjem se srce, jetra, želodec, vranica, ledvice in vsi trebušni organi premikajo s prepono. Prepona se med normalnim dihanjem premakne približno 1–2 centimetra. En dihalni ciklus pri zdravem človeku običajno traja približno 5 sekund (2 sekundi za vdih in 3 sekunde za izdih). (Bitarafan Rajabi et al., 2014; Seo et al., 2008; Goetze et al., 2007)
Počasnejše CT-naprave pridobivajo slike dlje časa (dlje skenirajo) in pri tem vključujejo en dihalni ciklus ali več dihalnih ciklusov. Takšne CT-slike omogočajo boljše ujemanje s SPECT-podatki, ki so pridobljeni podobno pri povprečnem dihanju. Vendar so respiratorni artefakti na CT-slikah zaradi daljšega skeniranja vidnejši, zato lahko ti artefakti vplivajo na rekonstruirane SPECT-slike s korekcijo atenuacije na osnovi CT-ja. Hitri večrezni CT-ji lahko pridobijo podatke v nekaj sekundah in tako omogočijo pacientu, da zadrži dih. Pri tem ne pride do gibanja dihal, kar odstrani respiratorne artefakte pri CT-slikah, vendar lahko pride do neujemanja s SPECT-podatki, ki vključujejo povprečno gibanje. Navedena neusklajenost povzroči artefakte na SPECT/CT-slikah. (Seo et al., 2008; Goetze et al., 2007) Pri SPECT/CT-perfuziji miokarda lahko neujemanje med emisijo in transmisijo vpliva na regionalno porazdelitev RF v apeksu, sprednji in spodnji steni srca, kar povzroči napake pri sprejemanju. (Seo et al., 2008; Goetze et al., 2007)
Študije na fantomih in na pacientih so pokazale, da lahko prostorski premiki za več kot 1 piksel med emisijskimi in transmisijskimi podatki ogrozijo kakovost rekonstruirane slike.
(Seo et al., 2008)
10
Slika 2: Ujemanje SPECT- in CT-vidnega polja (arhiv KNM UKC LJ)
Osrednje vprašanje pri SPECT/CT-ju je neskladje med SPECT- in CT-sliko, ki je lahko posledica tehničnih težav s strojno ali programsko opremo. Zato je treba redno preverjati ujemanje med SPECT- in CT-vidnim poljem. Pacientovo gibanje v časovnem intervalu med pridobivanjem CT- in SPECT-podatkov lahko povzroči napačno prostorsko registracijo med obema naboroma slik ter lahko vključuje netočno korekcijo atenuacije in napačno korelacijo med anatomskim in funkcionalnim slikanjem. Da bi se izognili tej težavi, proizvajalci običajno zagotovijo programsko opremo za korekcijo in prilagoditev za poravnavo obeh podatkovnih nizov. (Fanti et al., 2011)
1.1.2.3 Zamegljenost zaradi dihalnega gibanja
Četudi je korekcijo atenuacije mogoče doseči popolnoma, lahko dihalno gibanje povzroči artefakte na SPECT-slikah za statični SPECT in EKG-gated SPECT. Za razliko od CT-ja, ki bolnika skenira le nekaj sekund, traja skeniranje SPECT običajno dlje časa, in sicer običajno nekaj minut pri bolnikovem stanju normalnega dihanja. Gibanje prsnega koša (zlasti v bližini prepone) privede do zamegljenosti končne slike. Zamegljeni artefakti bodo povzročili napačno oceno porazdelitve dejavnosti RF, in to zlasti v spodnji in zgornji steni levega prekata (LV), ali bodo povzročili napačno lokacijo lezije. 4D-gating za dihanje se je izkazal
11
kot učinkovito orodje pri zmanjševanju respiratornih artefaktov, zlasti če je premik srca pri dihanju večji od 1 centimetra med samim gatingom. Vendar bo takšen način povzročil povečan šum na sliki zaradi manjšega števila zaznanih fotonov. Zato je treba vedno narediti kompromis med preprečevanjem respiratornih artefaktov in zmanjševanjem šuma na sliki.
(Bitarafan Rajabi et al., 2014; Segars et al., 2009)
12
2 NAMEN
Namen diplomskega dela je s sistematičnim pregledom literature predstaviti artefakte pri slikanju SPECT/CT. Natančneje bomo predstavili artefakte zaradi dihanja, ki nastanejo pri SPECT/CT-perfuzijski scintigrafiji miokarda.
Naš glavni cilj je s sistematičnim pregledom literature opredeliti, kako artefakti zaradi dihanja pri SPECT/CT-perfuzijski scintigrafiji miokarda vplivajo na kakovost slike in kako se lahko teh artefaktov izognemo oziroma kako preprečimo njihov nastanek.
2.1 Raziskovalna vprašanja
Zastavili smo si naslednja raziskovalna vprašanja, in sicer:
kako slikovni protokoli vplivajo na dihalne artefakte;
kakšen je vpliv dihalnih artefaktov na kvaliteto slike;
kako se dihalni artefakti lahko korigirajo.
13
3 METODE DELA
V diplomskem delu smo uporabili deskriptivno metodo s sistematičnim pregledom literature.
Iskali smo strokovne in znanstvene članke ter ostalo literaturo v slovenskem in angleškem jeziku. Osredotočili smo se na literaturo, povezano z nuklearno medicino, s perfuzijo miokarda, s SPECT/CT, z artefakti zaradi dihanja. Sistematični pregled literature je potekal od 26. 10. 2020 do 18. 3. 2021.
Literaturo smo izbrali na podlagi vključitvenih in izključitvenih kriterijev, ki so predstavljeni v preglednici 1.
Preglednica 1: Vključitveni in izključitveni kriteriji Vključitveni kriteriji Izključitveni kriteriji
Članki so napisani v slovenskem ali angleškem jeziku.
Članki niso napisani v slovenskem ali angleškem jeziku.
Članki so dostopni v celoti. Članki niso dostopni v celoti.
Članki so tematsko povezani z diplomsko nalogo.
Članki niso tematsko povezani z diplomsko nalogo.
Članki so razumljivi. Članki niso razumljivi ali vključujejo prezahteven žargon.
Članki imajo dostopen povzetek. Članki nimajo dostopnega povzetka.
Strokovne in znanstvene članke smo za sistematičen pregled iskali z različnimi podatkovnimi bazami, ki so dostopne na svetovnem spletu. Te baze so: Cobiss, Digitalna knjižnica Slovenije (dLib), Repozitorij Univerze v Ljubljani (RUL), Google Učenjak, ScienceDirect, PubMed (NCBI), PubMed Central, Jurnal of Nuclear Medicine (JNM) in Springer.
Najprej smo literaturo iskali v slovenščini, vendar smo hitro ugotovili, da člankov in druge znanstvene literature o teh temah v slovenskem jeziku skorajda ni. V slovenskih podatkovnih bazah smo za iskanje uporabili naslednje ključne besede: SPECT/CT, artefakti, dihanje,
14
perfuzija miokarda, artefakti zaradi dihanja, respiratorni artefakti. Ker smo ugotovili, da literature v slovenščini ni veliko, smo literaturo nato iskali tudi v angleščini. V mednarodnih podatkovnih bazah smo uporabili naslednje ključne besede: SPECT/CT, artifacts, respiratory motion, mycardial perfusion, respiratory artifacts, artifact correction.
Skupno smo dobili 2.837 zadetkov, in sicer 527 v podatkovni bazi ScienceDirect, 12 v bazi PubMed, 158 v bazi PubMed Central in 2.140 v bazi Google Učenjak. Po odstranitvi duplikatov je merila za vključitev v raziskavo izpolnjevalo 1.943 zadetkov. Nato smo podrobneje pogledali njihove naslove in izvlečke ter upoštevali vključitvene in izključitvene faktorje. Tako smo dobili 34 ustreznih zadetkov. Odstranili smo še tiste, ki kriterijem za izbrano področje niso ustrezali v celoti. V sistematični pregled literature smo dokončno vključili 7 zadetkov.
V prvem sklopu diplomskega dela sva oba avtorja skupaj izbrala literaturo in jo pregledala ter napisala uvod s teoretičnimi izhodišči, določila namen naloge in metode dela. V poglavju Rezultati je v tabele vsak vnesel podatke in ugotovitve, pridobljene iz sedmih člankov.
Razpravo, zaključek in izvleček sva napisala skupaj.
15
4 REZULTATI
Rezultati so predstavljeni v dveh sklopih. V prvem sklopu (poglavje 4.1) so predstavljeni rezultati poteka izbire člankov v sistematični pregled literature, v drugem sklopu (poglavje 4.2) pa so predstavljeni rezultati analize pregleda znanstvene literature. Drugi sklop rezultatov se deli na dva dela.
4.1 Rezultati poteka izbire dokumentov v sistematični pregled
Postopek, kako smo prišli do člankov za raziskavo, je podrobno in pregledno prikazan na Sliki 3. Za shematski prikaz uporabljenih podatkovnih baz in odločanja o uporabnosti pregledanih virov smo uporabili metodo PRISMA.
Podatkovna baza ScienceDirect
(n = 527)
Skupno število zadetkov (n = 2837)
Odstranjeni duplikati (n = 894)
Pregled naslovov (n = 1943)
Izključeni zadetki po formalnem pregledu
(n = 1909)
Pregled polnih besedil (n = 34)
Zadetki, vključeni v končno analizo
(n = 7)
Izključeni zadetki po vsebinskem pregledu
(n = 27) Podatkovna
baza PubMed (n = 12)
Podatkovna baza PubMed
Central (n = 158)
Podatkovna baza Google
Učenjak (n = 2140)
Slika 3: Rezultati izbora člankov v sistematični pregled literature z metodo PRISMA Identifikacija zadetkovPregled po kriterijihPodrobnejši pregledVključitev v analizo
16
4.2 Rezultati analize znanstvene literature
V prvem delu drugega sklopa rezultatov smo analizirali članke glede na lastnosti vzorca in namen.
V preglednici 2 so vključeni avtorji in letnica članka ter lastnosti vzorca in namen opisane raziskave v člankih.
Preglednica 2: Prikaz lastnosti in namena preiskav, zajetih v analizi
AVTORJI, LETO LASTNOSTI VZORCA NAMEN
Segars, Tsui, 2005 Meritve so bile izvedene na 4D NCAT-fantomu, na katerem so simulirali različne respiratorne vzorce.
Raziskovati, ali pride do respiratornih artefaktov, če CT pridobiva podatke za CT-korekcijo atenuacije počasneje ali hitreje ter kako mora pacient dihati, da se zmanjšajo respiratorni artefakti.
Könik et al., 2013
Gre za fantom trupa, napolnjen z RF 99mTc, za simulacijo perfuzije miokarda. Z računalniškim programom so simulirali dihanje. Na fantomu so bili pritrjeni prsni vsadki za simulacijo ženskih prsi in srčni vsadek za simulacijo srca.
Primerjati tri različne metode za pridobivanje CT-atenuacijskih map za SPECT/CT-perfuzijsko scintigrafijo miokarda in katera od metod je najzanesljivejša pri zmanjševanju respiratornih artefaktov.
Chrysanthou-
Baustert et al., 2015
Slike SPECT/CT so bile pridobljene na fantomu, na katerem so simulirali srčne napake.
Uporaba fantomskega sklopa, ki simulira dihalno gibanje srca, za raziskovanje artefaktov in njihovega vpliva na odkrivanje napak.
17 Dey et al., 2015
Uporabili so fantom NCAT in analizirali uporabo atenuacijskih map, pridobljenih v različnih stanjih dihalnega cikla z amplitudo 2 centimetra.
Ugotoviti razlike z uporabo in brez uporabe korekcije dihanja v navidezni lokalizaciji slikovnega sredstva, ki je bila povzročena na rekonstruiranih emisijskih slikah, kadar se mape atenuacije, ki se uporabljajo za korekcijo atenuacije (s CT), med slikanjem emisije ne ujemajo zaradi razlik v stanju dihal.
Polycarpou et al., 2015
Podatki SPECT/CT so bili pridobljeni z uporabo antropomorfnega fantoma z napihljivimi pljuči in EKG-jem. V miokardno steno levega prekata so bile vstavljene majhne ali velike transmuralne napake.
Slike SPECT/CT so bile pridobljene za vsako od štirih faz dihanja, in sicer od izdiha do vdiha.
Cilj študije je bil ugotoviti vpliv korekcije dihanja na SPECT/CT-perfuzijski scintigrafiji miokarda in na odkrivanje napak s fantomskim sklopom.
Zhang et al., 2016
Na fantomu XCAT, napolnjenim z RF 99mTc, so uporabili amplitudo dihalnih gibov 2, 3 in 4 centimetre. Mape povprečne dejavnosti in atenuacije predstavljajo statični SPECT in CACT, medtem ko predstavljajo mape atenuacije končnega vdiha in končnega izdiha dva spiralna CT-ja (HCT).
Cilj študije je oceniti učinkovitost CACT in IACT na miokardnem perfuzijskem SPECT/CT-u z uporabo računalniške simulacije in fizičnih fantomskih eksperimentov.
Kortelainen et al., 2019
Uporabili so po meri oblikovan srčni fantom, napolnjen z RF 99mTc. Simulirali so premik do 20 milimetrov in ocenjevali napake na šestih anatomsko različnih lokacijah.
Popravek gibanja dihal pri perfuzijskem slikanju miokarda zahteva razvrščanje podatkov o emisijah v dihalna okna, kjer naj bi bilo gibanje znotraj okna zanemarljivo. Vendar ni jasno, koliko gibanja znotraj okna je sprejemljivo. Namen te študije je bil določiti optimalno vrednost preostalega gibanja znotraj okna.
Iz preglednice 2 je razvidno, da je bila večina raziskav izvedena na fantomih in bolnikih. Analiza člankov je pokazala, da je večina raziskav usmerjena v optimizacijo slikovnih protokolov z namenom zmanjševanja ali omejevanja dihalnega artefakta.
18
V drugem delu drugega sklopa rezultatov smo primerjali protokole slikanja. V preglednicah 3–5 so prikazani slikovni parametri, ki so bili uporabljeni pri analizah na fantomu in pri bolnikih.
V preglednici 3 so vključeni avtorji in letnica članka, konfiguracija detektorjev, število kotnih projekcij, čas na projekcijo v sekundah, izbrani kolimator, energijsko okno v odstotkih in velikost matrike.
Preglednica 3: Primerjava slikovnih parametrov, uporabljenih za analizo
AVTORJI, LETO KONFIGURACIJA
DETEKTORJEV
ŠT. KOTNIH PROJEKCIJ
ČAS NA
PROJEKCIJO (s)
KOLIMA- TOR
ENERGIJSKO OKNO (%)
VELIKOST MATRIKE Segars, Tsui, 2005 Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka.
Könik et al., 2013 90 64 20 LEHR 140 ± 20 64 x 64
Könik et al., 2013 90 64 20 LEHR 140 ± 20 64 x 64
Könik et al., 2013 90 64 20 LEHR 140 ± 20 64 x 64
Chrysanthou-Baustert et al., 2015 90 60 20 LEHR 140 ± 20 64 x 64
Dey et al., 2015 Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka.
Polycarpou et al., 2015 90 60 20 LEHR 140 ± 20 64 x 64
Zhang et al., 2016 90 60 25 LEHR 140 ± 20 64 x 64
Kortelainen et al., 2019 90 64 30 LEHR 140 ± 10 128 x 128
Preglednica 3 kaže, da pri primerjavi slikovnih parametrov ni videti odstopanj. Vsi uporabljeni parametri so v skladu s priporočili EANM.
19
V preglednici 4 so vključeni avtorji in letnica članka, metoda korekcije atenuacije (AC), kilovolti, miliampersekunde, velikost matrike, PITCH- vrednost in proizvajalec naprave.
Preglednica 4: Prikaz parametrov za korekcijo atenuacije
AVTORJI, LETO AC kV mAs VELIKOST MATRIKE PITCH PROIZVAJALEC
Segars, Tsui, 2005 CT 140 Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. GE-Hawkeye
Könik et al., 2013 CT 120 52 512 x 512 0,875 Presedenc
Könik et al., 2013 CT 120 5 256 x 256 Ni podatka. Philips BrightView
Könik et al., 2013 153Gd Ni podatka. Ni podatka. 64 x 64 Ni podatka. Forte 153Gd Chrysanthou-Baustert et al., 2015 CT Ni podatka. Ni podatka. 128 x 128 Ni podatka. GE-Millenium Dey et al., 2015 Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka.
Polycarpou et al., 2015 CT Ni podatka. Ni podatka. 128 x 128 Ni podatka. GE-Millenium
Zhang et al., 2016 CT 120 10 512 x 512 1,375 GE-Discovery
Kortelainen et al., 2019 CT 140 20 512 x 512 Ni podatka. Ni podatka.
Preglednica 4 prikazuje metode in parametre za izvedbo korekcije atenuacije (AC). Pri primerjavi parametrov za korekcijo atenuacije so vidna odstopanja. Izbira je v veliki meri odvisna od proizvajalca in metode za korigiranje. Pri novejših SPECT/CT-sistemih se uporablja eno- ali večrezinski CT. Čeprav v literaturi niso navajali celotnih podatkov, lahko sklepamo, da se za korekcijo atenuacije (AC) uporablja nizkodozni CT.
Za AC se lahko uporabljajo tudi linijski izvori (153Gd). Ta metoda je bila uporabna pri starejših SPECT-sistemih in se nekako ni uveljavila.
20
V preglednici 5 so vključeni avtorji in letnica članka, algoritem, ki je bil uporabljen v raziskavi, število iteracij in število subsetov.
Preglednica 5: Primerjava rekonstrukcijskih parametrov
AVTORJI, LETO ALGORITEM ŠTEVILO ITERACIJ ŠTEVILO SUBSETOV
Segars, Tsui, 2005 OSEM 10 8
Könik et al., 2013 OSEM 3 8
Könik et al., 2013 OSEM 3 8
Könik et al., 2013 OSEM 3 8
Chrysanthou-Baustert et al., 2015 OSEM 3 16
Dey et al., 2015 Ni podatka. Ni podatka. Ni podatka.
Polycarpou et al., 2015 OSEM 3 16
Zhang et al., 2016 OSEM 20 in 5* 10 in 6*
Kortelainen et al., 2019 OSEM 8 10
* Uporabljena sta bila dva rekonstrukcijska postopka.
Iz preglednice 5 je vidno, da se večina podatkov, pridobljenih s slikanjem SPECT, obdeluje z iterativnim OSEM-rekonstrukcijskim algoritmom.
Uporaba iterativnega rekonstrukcijskega algoritma vpliva na kvaliteto slik, in to predvsem na mestih, na katerih je akumulacija RF manjša.
Iterativna rekonstrukcija izboljša kakovost slik na področjih, na katerih je zaradi manjše akumulacije RF ali zaradi atenuacije manjša količina podatkov. Z večanjem števila iteracij in subsetov vplivamo na kvaliteto slike. Večje kot je število iteracij in subsetov, večja je ločljivost in manjša homogenost slike (večji je šum).
21
5 RAZPRAVA
Namen diplomske naloge je bil s sistematičnim pregledom literature opredeliti, kako artefakti zaradi dihanja pri SPECT/CT-perfuzijskem slikanju miokarda vplivajo na kakovost slike in kako se lahko teh artefaktov izognemo oziroma kako preprečimo njihov nastanek.
Artefakti zaradi dihanja bistveno poslabšajo ali celo prikrijejo diagnostično pomembne informacije. Pomembno je, da znamo radiološki inženirji te artefakte prepoznati in jih tudi odpraviti.
Segars in Tsui (2005) sta ugotovila, da je počasnejše zajemanje podatkov s CT-jem za korekcijo atenuacije pri slikanju SPECT/CT povzročilo izrazitejše respiratorne artefakte, ker je minilo več časa med samim zajemom podatkov. Pacienti se posledično več premikajo in večkrat vdihnejo, kar je povzročilo več artefaktov v primerjavi s hitrejšim CT-skeniranjem.
Raziskala sta tudi, da če izvedemo CT-slikanje v globokem vdihu ali izdihu (torej v eni točki dihalnega cikla), se podatki CT-ja ne ujemajo dobro s podatki SPECT-a, ki so zajeti med celotnim dihalnim ciklom (pacient med zajemanjem podatkov večkrat vdihne in izdihne).
Na podlagi tega je bilo na slikah več respiratornih artefaktov. Da bi se jim izognili, je najbolje, da pacient med preiskavo plitvo diha.
Slika 4: Neujemanje CT- in SPECT-slike (Segars, Tsui, 2005)
Na sliki 4 je prikazano neujemanje CT- in SPECT-slike, ki sta ga raziskovala Segars in Tsui (2005). Slika CT-ja je zajeta ob koncu vdiha, medtem ko je slika SPECT-a zaradi dolgega skeniranja zajeta med celotnim dihalnim ciklusom. Področja neujemanja so vidna na zadnji SPECT/CT-sliki in so obarvana s temno rdečo barvo.
22
Slika 5: Primeri artefaktov zaradi dihanja na CT-slikah (Segars, Tsui, 2005)
Na sliki 5 so prikazani artefakti zaradi dihanja, ki sta jih raziskovala Segars in Tsui (2005) ter se lahko pojavijo na CT-slikah, pridobljenih s počasnejšim CT-jem. V zgornji vrstici so slike bolnikov, pridobljene na aparatu s počasnejšim skeniranjem. Artefakti se na slikah pojavljajo kot proge in prekinitve. V srednji vrstici so simulirane slike, ustvarjene s 4D NCAT-fantomom, ki je med pridobivanjem slike simuliral dihanje. Podobne artefakte, kot so na slikah v zgornji vrstici, lahko vidimo na teh simuliranih slikah. V spodnji vrstici so simulirane slike brez artefaktov iz 4D NCAT brez dihalnih gibov.
Könik in sodelavci (2013) so ugotovili, da so atenuacijske mape, pridobljene s sistemom SLS, imele najslabše rezultate od vseh treh sistemov. Najslabše rezultate, torej največ respiratornih artefaktov, so dobili s fantomom, ki je ponazarjal žensko z velikim oprsjem.
Medtem je bila na sistemu CBCT vidljivost respiratornih artefaktov zmanjšana na minimum.
Sistem CBCT se je pokazal kot najboljši v uniformnosti in pridobivanju podatkov pri ženskih z velikimi prsmi. Malo manj učinkovit sistem za pridobivanje podatkov je HCT, ki je sicer pri moških prikazal boljše rezultate kot CBCT, vendar je pokazal neprimerno velikost organov. Študija je prikazala tudi, da je, če uporabljamo sistem HCT, najbolje, da bolnik ob koncu izdiha zadrži dih.
Chrysanthou-Baustert je skupaj s sodelavci (2015) ugotavljal vpliv artefaktov na odkrivanje srčnih okvar. Gibanje zaradi dihanja je zmanjšalo absorpcijo predvsem v sprednji in spodnji steni. Artefakti na fantomu zaradi neusklajenosti med preiskavami CT in SPECT (pri
23
normalnem dihanju) niso imeli bistvenega vpliva na rezultate. Za boljše slike in diagnosticiranje je v primerih intenzivnejšega dihanja treba uporabiti korekcijo dihanja in korekcijo atenuacije. Artefakti zaradi neusklajenosti med skeniranji CT in SPECT ne vplivajo na odkrivanje napak pri običajnem dihanju, če je LV sočasno registriran na slikah SPECT in CT pred AC.
Dey in sodelavci (2015) so raziskali, da je bilo pri NCAT-fantomu, ki je predstavljal moško anatomijo, lažno zmanjšanje števnosti zaradi dihanja v veliki večini primerov najbolje odstranjeno s korekcijo dihalnega gibanja. Raziskali so, da se je najbolje izogniti korekciji z mapami zadržanega izdiha, ker povzročijo več artefaktov kot mape zadržanega vdiha.
Ugotovili so, da so se zmanjšali preostali artefakti, ko so s togim premikanjem mape atenuacije poravnali območje srca. Pri ženskem fantomu je nastal problem po korekciji gibanja s togo poravnavo mape zaradi neusklajenosti mehkih tkiv dojk. Nazadnje so ugotovili, da je bila metoda za pridobivanje atenuacijskih map z uporabo »cine« CT-ja enako dobra kot metode z zadrževanjem diha.
Polycarpou in sodelavci (2015) so raziskovali vpliv korekcije dihanja na korekcijo atenuacije pri SPECT-slikanju perfuzije miokarda in odkrivanje napak z uporabo premikajočega se fantomskega sklopa s srčnimi napakami. Ugotovili so, da ima korekcija dihanja za posledico enakomernejši privzem in zmanjšanje zamegljenosti gibanja, in to zlasti v spodnjih in sprednjih regijah. Kombinacija korekcije dihanja s korekcijo atenuacije je zmanjšala respiratorne artefakte. Ugotovili so tudi, da je treba slike AC-SPECT s korekcijo dihanja in brez nje istočasno pregledati, da lahko poročamo o majhnih napakah. Ugotovili so tudi, da je kombinacija korekcije dihanja in korekcije atenuacije pomembna za boljšo diagnozo, saj zmanjšuje dihalne artefakte, ki lahko vodijo do napačne interpretacije diagnoze.
Slika 6: Primer slike SPECT/CT-perfuzije miokarda (Polycarpou et al., 2015)
24
Slika 6 prikazuje primer transverzalne (A), koronarne (B) in sagitalne (C) SPECT/CT-slike perfuzije miokarda za povprečnega moškega brez napak, ki so jih pridobili Polycarpou in sodelavci (2015).
Raziskava Zhanga in sodelavcev (2016) je pokazala, da imata tako CACT kot IACT potencial za zmanjšanje dihalnih artefaktov pri SPECT/CT-miokardni perfuziji.
Učinkovitost IACT je bila primerljiva s CACT, s tem da je uporaba IACT še zmanjšala odmerek sevanja na pacienta. Vendar je izboljšanje kakovosti s CACT in z IACT manj očitno pri SPECT/CT-sistemu v primerjavi z njihovimi prejšnjimi študijami s PET/CT- sistemom. Utemeljitev opažanja sta lahko višja ločljivost in večji kontrast pri PET. Omenili so tudi, da lahko slabša ločljivost sistema SPECT povzroči slabše rezultate pri uporabi CT za AC.
Kortelainen in kolegi (2019) so raziskovali pomembne povezave med perfuzijo miokarda v sprednji in spodnji steni srca ter gibanjem dihal. Ugotovili so, da kontrastnost srčnih okvar upada v odvisnosti od gibanja dihal, vendar je bila stopnja upadanja odvisna od lokacije in oblike srčne okvare. Okvare, ki se nahajajo v bližini srčnega vrha, so hitreje izgubile kontrastnost kot tiste na sprednji, spodnji, pregradni in stranski steni srca. Kontrast se je zmanjšal za manj kot 5 odstotkov na vsakem mestu, ko je bila velikost gibanja 2 mm ali manj. Glede na vizualno oceno je prišlo do razlik v perfuziji miokarda, če je bila velikost giba večja od 1 mm, pri vidljivosti srčne okvare pa, če je bila velikost giba večja od 9 mm.
Končna ugotovitev je bila, da mora biti gibanje zaradi dihanja omejeno na manj kot 2 mm, da se učinkovito odpravi zamegljenost gibanja dihal pri SPECT/CT-miokardni perfuziji.
25
6 ZAKLJUČEK
V diplomskem delu smo uporabili deskriptivno metodo s sistematičnim pregledom literature. Namen je bil opredeliti, kako artefakti zaradi dihanja pri SPECT/CT-perfuzijski scintigrafiji miokarda vplivajo na kakovost slike in kako se lahko teh artefaktov izognemo oziroma kako preprečimo njihov nastanek.
Ugotovi smo, da artefakte zaradi dihanja pri SPECT/CT-perfuziji miokarda preprečimo, če uporabimo hitro zajemanje CT-slik in če pacient med preiskavo diha plitvo. V primeru, da pacient diha intenzivneje, je treba uporabiti korekcijo dihanja in korekcijo atenuacije.
Kombinacija teh dveh je pomembna za boljšo diagnozo, saj zmanjšuje dihalne artefakte, ki lahko vodijo do napačne interpretacije diagnoze. Ugotovili smo, da se, če poravnamo območje srca s togim premikanjem mape atenuacije, zmanjšajo preostali artefakti, ki jih nismo uspeli odpraviti s korekcijo atenuacije in dihanja.
Ugotovi smo, da je učinkovitost metode IACT primerljiva s CACT, s tem da je uporaba IACT zmanjšala še dozo sevanja na pacienta. Prav tako smo ugotovili, da je metoda za pridobivanje atenuacijskih map z uporabo »cine« CT-ja enako dobra kot metode z zadrževanjem diha. Za učinkovito odpravljanje zamegljenosti zaradi gibanja dihal pri SPECT/CT-miokardni perfuziji mora biti gibanje zaradi dihanja omejeno na manj kot 2 mm.
Artefakte zaradi gibanja dihal odpravimo najučinkoviteje, če za pridobitev atenuacijskih map uporabimo CBCT v primerjavi s HCT-jem in SLS-jem. Če pa uporabljamo HCT, je najbolje, da bolnik ob koncu izdiha zadrži dih.
Analiza člankov je pokazala, da na gibalne artefakte najpogosteje vplivajo intenzivnost dihanja, premiki bolnika in posledično neujemanje med vidnim poljem SPECT-a in CT-ja.
Pomembno vlogo ima tudi čas slikanja, saj je s krajšim časom skeniranja manjša možnost za premik oziroma za gibalni artefakt.
Med samim raziskovanjem in pisanjem diplomske naloge nismo naleteli na večje težave.
Malo nas je presenetilo, ker ni bilo skoraj nobene literature v slovenščini, čeprav je precej literature o tej temi v angleškem jeziku.
26
7 LITERATURA IN DOKUMENTACIJSKI VIRI
Bitarafan Rajabi A, Rajabi H, Rastgou F et al. (2014). Influence of respiratory motion correction on quantification of myocardial perfusion SPECT. Journal of Nuclear Cardiology 22 (5): 1019–1030. doi: 10.1007/s12350-014-0031-1.
V besedilu navajamo kot (Bitarafan Rajabi et al., 2014).
Buck A K, Nekolla S, Ziegler S et al. (2008). SPECT/CT. Journal of Nuclear Medicine, 49 (8), 1305–1319. doi: 10.2967/jnumed.107.050195.
V besedilu navajamo kot (Buck et al., 2008).
Burrell S, MacDonald A (2006). Artifacts and Pitfalls in Myocardial Perfusion Imaging.
Journal of Nuclear Medicine Technology, 34 (4), 193–211.
Dostopno na: https://tech.snmjournals.org/content/jnmt/34/4/193.full.pdf <12. 3. 2021>.
V besedilu navajamo kot (Burrell, MacDonald, 2006).
Chrysanthou-Baustert I, Polycarpou I, Demetriadou O et al. (2015). Characterization of attenuation and respiratory motion artifacts and their influence on SPECT MP image evaluation using a dynamic phantom assembly with variable cardiac defects. American Society of Nuclear Cardiology. doi: 10.1007/s12350-015-0378-y.
V besedilu navajamo kot (Chrysanthou-Baustert et al., 2015).
Dey J, Segars W P, Pretorius P H, King M A (2015). Effect of Non-Alignment/Alignment of Attenuation Map Without/With Emission Motion Correction in Cardiac SPECT/CT.
Ieee transactions on nuclear science. doi: 10.1109/TNS.2015.2446895.
V besedilu navajamo kot (Dey et al., 2015).
Fanti S, Farsad M, Mansi, L (2011). Atlas of SPECT-CT. First edition. Berlin: Springer- Verlag Berlin Heidelberg, 10–13. doi: 10.1007/978-3-642-15726-4.
V besedilu navajamo kot (Fanti et al., 2011).
GE Healthcare Introduces Performance SPECT/CT System (2021). Imaging technology news.
Dostopno na: https://www.itnonline.com/content/ge-healthcare-introduces-performance-
27 spectct-system <2. 8. 2021>.
V besedilu navajamo kot (ITN, 2021).
Goetze S, Brown T L, Lavely W C, Zhang Z, Bengel F M (2007). Attenuation Correction in Myocardial Perfusion SPECT/CT: Effects of Misregistration and Value of
Reregistration. Journal of Nuclear Medicine, 48 (7), 1090–1095. doi:
10.2967/jnumed.107.040535.
V besedilu navajamo kot (Goetze et al., 2007).
Kojima A, Tomiguchi S, Kawanaka K et al. (2004). Attenuation correction using asymmetric fanbeam transmission CT on two-head SPECT system. Annals of Nuclear Medicine, 18 (4), 315–322. doi: 10.1007/BF02984470.
V besedilu navajamo kot (Kojima et al., 2004).
Könik A, Kikut J, Lew R, Johnson K, King M A (2013). Comparison of methods of acquiring attenuation maps for cardiac SPECT in the presence of respiratory motion.
Journal of Nuclear Cardiology, 20 (6), 1093–1107. doi: 10.1007/BF02984470.
V besedilu navajamo kot (Könik et al., 2013).
Kortelainen M J, Koivumäki T M, Vauhkonen M J, Hakulinen M A (2019). Effect of respiratory motion on cardiac defect contrast in myocardial perfusion SPECT: a physical phantom study. Annals of Nuclear Medicine. doi: 10.1007/s12149-019-01335-y.
V besedilu navajamo kot (Kortelainen et al., 2019).
Lee J C, West M J, Khafagi F A (2013). "Myocardial perfusion scans". Australian Family Physician. 42 (8): 564–7.
Dostopno na: https://www.racgp.org.au/afp/2013/august/myocardial-perfusion-scans/ <12.
3. 2021>.
V besedilu navajamo kot (Lee et al., 2013).
National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering (2016). Nuclear Medicine.
Dostopno na: https://www.nibib.nih.gov/science-education/science-topics/nuclear- medicine <2. 3. 2021>.
V besedilu navajamo kot (NIBIB, 2016).
28
Polycarpou I, Chrysanthou-Baustert I, Demetriadou O et al. (2015). Impact of respiratory motion correction on SPECT myocardial perfusion imaging using a mechanically moving phantom assembly with variable cardiac defects. American Society of Nuclear Cardiology.
doi: 10.1007/s12350-015-0323-0.
V besedilu navajamo kot (Polycarpou et al., 2015).
Segars W P, Mok S P, Tsui B M W (2009). Investigation of Respiratory Gating in Quantitative Myocardial SPECT. IEEE Transactions on Nuclear Science, 56 (1), 91–96.
doi: 10.1109/TNS.2008.2007739.
V besedilu navajamo kot (Segars et al., 2009).
Segars, W P, Tsui, B M W (2005). Effect of Respiratory Motion in CT-Based Attenuation Correction in SPECT Using Different CT Scanners and Protocols. IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. doi: 10.1109/NSSMIC.2005.1596819.
V besedilu navajamo kot (Segars, Tsui, 2005).
Seo Y, Mari C, Hasegawa B H (2008). Technological Development and Advances in Single-Photon Emission Computed Tomography/Computed Tomography. Seminars in Nuclear Medicine, 38(3), 177–198. doi: 10.1053/j.semnuclmed.2008.01.001.
V besedilu navajamo kot (Seo et al., 2008).
The Johns Hopkins Medicine (2021). What is nuclear medicine.
Dostopno na: https://www.hopkinsmedicine.org/health/treatment-tests-and- therapies/nuclear-medicine <2. 4. 2021>.
V besedilu navajamo kot (The Johns Hopkins Medicine, 2021).
Zhang D, Yang BH, Wu N Y, Mok G S P (2016). Respiratory average CT for attenuation correction in myocardial perfusion SPECT/CT. The Japanese Society of Nuclear Medicine.
doi: 10.1007/s12149-016-1144-1.
V besedilu navajamo kot (Zhang et al., 2016).
