Author(s): Salvado, Débora Sofia Almeida Silva
Date: 2012
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/8472
Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
Subject(s): D-SPECT; Reconstrução SPECT; Ferramentas de simulação; Geometria da aquisição; Atenuação; Movimentos respiratórios; Artefactos; Teses de mestrado - 2012
Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica (Radiações em Diagnóstico e Terapia), apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012
O D-SPECT é um sistema de aquisição SPECT (do inglês Single Photon Emission Computed Tomography), desenvolvido especificamente para imagiologia cardíaca e está apenas disponível em alguns países no mundo. Este sistema tem uma configuração curva para se adaptar ao lado esquerdo do torso do paciente, que é onde se localiza o coração. É constituído por 9 detectores CZT (cádmio-zinco-telúrio), montados verticalmente e que têm a possibilidade de rodar individualmente sobre o seu eixo. Esta capacidade permite que sejam utilizados diferentes padrões de aquisição, nomeadamente uma aquisição centrada numa região de interesse pré-definida. A rápida amostragem do FOV (do inglês field of view) permite tempos de aquisição mais curtos ou menor exposição à radiação. As maiores vantagens deste sistema são a elevada sensibilidade, resolução em energia e resolução espacial, que possibilitam a obtenção de imagens cardíacas com qualidade superior comparativamente às imagens obtidas com sistemas SPECT convencionais. Assim, devido à sua geometria de aquisição única e ao design dos detectores, a sensibilidade, resolução e cobertura angular podem variar ao longo do FOV. Além disso, um possível problema na aquisição da imagem é o posicionamento do coração. Uma vez que os pacientes são anatomicamente diferentes uns dos outros, o coração não estará posicionado no mesmo local do FOV para todos eles, podendo introduzir artefactos nas imagens. Um outro problema é o facto de, com o D-SPECT, não ser possível adquirir scans de transmissão, logo não existe informação relativa a mapas de atenuação para efectuar correcção de atenuação. No entanto, este é um ponto crucial, uma vez que os pacientes têm tamanhos e formas diferentes, o que faz com que sejam esperados maiores efeitos de atenuação para pacientes maiores. O movimento do paciente seja ele involuntário, como por exemplo a respiração e os batimentos cardíacos, ou voluntário também impõe alguns problemas na quantificação da imagem SPECT. Em relação a este último ponto, a ausência de sincronismo entre a aquisição da imagem e a distribuição de radiação no paciente podem levar a inconsistências nos dados adquiridos ou a outros efeitos nas imagens relacionados com o tempo. Todos estes problemas influenciam a reconstrução dos dados adquiridos e, em alguns casos, podem mesmo levar à introdução de artefactos nas imagens. Por sua vez, estes artefactos podem ser interpretados como defeitos de perfusão, comprometendo a precisão do diagnóstico clínico. O objectivo deste estudo é então avaliar o sistema D-SPECT, tanto em termos de parâmetros relacionados com a geometria de aquisição, como em termos de efeitos do movimento da respiração na imagem reconstruída. Em específico, pretende-se investigar se parâmetros como a posição do coração no FOV, atenuação, amostragem angular, tempo de aquisição, padrão de respiração e desvio de fase entre a aquisição e o ciclo respiratório afectam a reconstrução do miocárdio. Assim, esta tese foi dividida em dois estudos em separado, um relativo à geometria de aquisição e outro relacionado com os efeitos do movimento coração devido à respiração. Como metodologia geral, foram executados os seguintes passos. Para simular a fonte de actividade, isto é, o coração, foi utilizado o software NCAT que gera fantomas do torso humano. De seguida, uma ferramenta de simulação desenvolvida na University College of London foi utilizada para estimar as projecções: o Simulador D-SPECT. Esta ferramenta teve de ser modificada para possibilitar o estudo de todos os parâmetros já mencionados. Depois, reconstruiu-se cada simulação com o programa utilizado clinicamente no Institute of Nuclear Medicine, que se baseia no algoritmo de reconstrução OSEM (do inglês Ordered Subsets Expectation Maximization). As imagens cardíacas obtidas foram depois co-registadas com uma imagem modelo, reorientadas de acordo com o eixo do coração e analisadas através de gráficos de perfusão (denominados em inglês, bull’s eye plots) e da análise dos valores de COV (coeficiente de variação), R2 e NRMSE (erro quadrático médio normalizado, do inglês Normalized Root-Mean-Square Error) calculados para cada imagem. Em relação ao primeiro estudo, foram simuladas 8 posições diferentes do coração no FOV, deslocando todo o fantoma para posições cada vez mais afastadas dos detectores do D-SPECT. Cada simulação foi efectuada com e sem modelação da atenuação. É importante referir que as imagens simuladas sem modelação de atenuação são semelhantes a imagens obtidas após sofrerem correcção de atenuação, pois não incluem os efeitos da atenuação. Por outro lado, as imagens obtidas com modelação de atenuação são mais semelhantes às obtidas na prática, pois não têm correcção de atenuação. Quanto às projecções, estas foram adquiridas sem ruído, com modelação da resolução e com um padrão de aquisição de varrimento simples de 120 ângulos por detector. As imagens foram posteriormente reconstruídas com 7 iterações OSEM. Os resultados obtidos mostram que a uniformidade e a forma do miocárdio reconstruído são afectadas pela variação da distância miocárdio-detector e pela atenuação. Com atenuação, a actividade decresce com a distância, especialmente para distâncias em que o miocárdio está praticamente fora do FOV. Isto pode resultar de um padrão de atenuação diferente, uma vez que os fotões têm de percorrer trajectórias diferentes no fantoma para chegar aos detectores. Por outro lado, sem atenuação, a distribuição de actividade no miocárdio reconstruído melhora em relação ao obtido com atenuação, mas piora drasticamente para a maior distância miocárdio-detector simulada. Isto mostra que a atenuação é também um factor a ter em conta na qualidade da imagem obtida. Portanto, estes resultados demonstram a importância do posicionamento do paciente aquando da aquisição da imagem D-SPECT e do desenvolvimento de algoritmos de correcção de atenuação, com o intuito de obter imagens de boa qualidade. Em relação ao segundo estudo, utilizou-se o software 4D NCAT para gerar os fantomas do torso humano. A diferença entre este software e o utilizado no estudo anterior é que em vez de se obter apenas um fantoma para efectuar cada simulação, é obtido um conjunto de fantomas (as denominadas frames em inglês). Mais precisamente, são obtidos 32 fantomas num ciclo respiratório. Por defeito, o ciclo respiratório simulado tem um padrão sinusoidal e 5 segundos de duração, o que corresponde a uma respiração tidal. Portanto, os 32 fantomas são repetidos consecutivamente para simular aquisições superiores a 5 segundos. Para cada ângulo de aquisição, a respectiva projecção é estimada pela média das projecções dos fantomas ocorridos durante o intervalo de tempo em que o detector está a adquirir nesse ângulo. Todas as simulações foram realizadas com uma aquisição centrada numa região de interesse definida previamente. Os restantes parâmetros das simulações variaram consoante o parâmetro de aquisição avaliado. Um total de 12 simulações foram realizadas para estudar os efeitos de desfasamento entre a aquisição e o ciclo respiratório. Os resultados obtidos sugerem que um gating respiratório e/ou treino da respiração poderão melhorar as imagens obtidas. Para estudar os efeitos do parâmetro tempo de aquisição, foram efectuadas 7 simulações com tempos de aquisição diferentes e, para a aquisição de 1 minuto, repetiu-se a simulação com 3 amostragens angulares diferentes. Os resultados obtidos mostram que existe um compromisso entre o tempo de aquisição e a qualidade da imagem reconstruída. Por um lado, é possível reduzir a amostragem angular sem comprometer a imagem reconstruída, diminuindo assim o tempo de aquisição. Mas quando o tempo de aquisição é da ordem da duração do ciclo respiratório, a imagem reconstruída apresenta maiores artefactos. Em relação ao padrão do ciclo respiratório, 4 simulações com um padrão de respiração sinusoidal e tempos aquisição diferentes foram comparadas com simulações com um padrão de respiração mais real: padrão de expiração lenta. Os resultados obtidos mostram que um padrão de respiração mais regular contribui para uma melhor qualidade de imagem. No entanto, estes estudos apresentam algumas limitações. O ruído e a dispersão de radiação não são tidos em conta nas simulações realizadas. A influência dos batimentos cardíacos também não está incluída nas simulações, o que poderia contribuir com mais fontes de erro nas imagens cardíacas. No entanto, esta última questão poderia ser resolvida aplicando gating cardíaco. Como trabalho futuro, seria benéfico fazer algumas alterações ao Simulador D-SPECT de modo a incluir estes efeitos, e também realizar um maior número de simulações do que o apresentado nesta tese, para confirmar os resultados. Além disso, seria também interessante comparar os resultados obtidos com os obtidos com um fantoma físico e investigar diferentes padrões de respiração reais e tamanhos de paciente, e novos padrões de aquisição de imagem. Por fim, é de referir que apesar dos efeitos da geometria de aquisição, atenuação e movimento da coração devido à respiração serem foco de muitos estudos científicos relativamente a sistemas SPECT convencionais, não existem estudos semelhantes para o sistema D-SPECT. Deste modo, é aconselhável que sejam feitas mais pesquisas nesta área. Contudo, este estudo já contribui para um melhor conhecimento geral do sistema D-SPECT e mostra que os protocolos clínicos e os diagnósticos podem ser melhorados para benefício do prestador de cuidados de saúde e do paciente.
This thesis focuses the evaluation of a new cardiac-dedicated system only available to a few countries worldwide: the D-SPECT system. It comprises 9 collimated CZT detectors, mounted vertically in a curved configuration that conforms to the left side of the patient’s torso. Each detector is able to rotate independently, allowing for the selection of different scanning patterns. The fast sampling yields reduced scanning times or radiation exposure. Due to its novel design and scanning geometry, unexpected time-related effects may occur, and lead to the inclusion of artefacts in the myocardial reconstructed images. These artefacts can be interpreted as perfusion defects, compromising cardiac assessment. The purpose of this thesis is to investigate critical acquisition parameters of the D-SPECT system, that could lead to artefacts in the reconstructed images. In particular, it was divided into two studies, one regarding geometry-related issues and another related to effects of respiratory motion, namely due to LV-detector distance, attenuation, angular sampling, scanning time, breathing pattern, and phase shift between the acquisition and the respiratory cycle. These issues were tackled using the NCAT software to obtain torso phantoms, a simulation tool to estimate projection data, and the clinical reconstruction procedure to reconstruct these data. Myocardial reconstructed images were assessed via bull’s eye plots, and analysis of COV, R2 and NRMSE values. Results demonstrated the importance of patient positioning, and attenuation correction algorithms, in order to obtain good-quality images. They also showed the compromise between reduced acquisition times and accurate reconstruction, and suggested that respiratory gating and breathing training could be applied to improve results. Although these issues have been the focus of several research work for standard SPECT systems, there are no similar studies for the D-SPECT. Consequently further research in this area would be advisable. In any case, this study provides significant findings related to the D-SPECT system operation, and suggests that clinical protocols and diagnoses can be improved, for the benefit of both the healthcare provider and the patient.
