Author(s): Costa, Filipa Alexandra Pina Barrento da Costa
Date: 2012
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/8851
Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
Subject(s): Cardiac Spect; D-SPECT; ROI; Truncation; Extra-cardiac activity; Dynamic SPECT; Teses de mestrado - 2012
Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2012
A tomografia de emissão de fotão único, usualmente conhecido por SPECT (do inglês single photon emission computed tomography), é uma técnica de medicina nuclear que permite diagnosticar doenças derivadas de alterações a nível fisiológico e celular. De forma a obter uma imagem SPECT, um radioisótopo é administrado ao paciente e a distribuição dos fotões emitidos é detectada de forma a criar uma imagem 3D. SPECT é cada vez mais utilizado para estudos cardíacos, no entanto o sistema ainda tem alguma limitações, e como tal novos sistemas de SPECT mais focalizados para exames ao coração foram surgindo. Um novo equipamento que foi criado em 2006, denominado D-SPECT, foi desenvolvido com o objectivo de criar imagens de perfusão de miocárdio com melhor qualidade de imagem, permitindo diagnósticos mais precisos. D-SPECT, ao contrário do sistema SPECT convencional, é constituído por 9 detectores montados verticalmente, criando uma configuração curva, adaptando-se ao tórax de um individuo. Para além da geometria inovadora, D-SPECT permite também a selecção manual de uma região de interesse (RI), permitindo “region centric aquisition” focada no coração. Consequentemente, o sistema pode ser programado de forma a calcular o padrão de scan de acordo com a RI definida, despendendo mais tempo nessa região e menos no restante campo de visão dos detectores. No final, imagens com mais sensibilidade, melhor resolução em energia e resolução espacial são obtidos. Para além disso o tempo de aquisição é reduzido bem como a dose recebida pelo paciente. O sistema SPECT é constituído por uma gantry que roda à volta do paciente, com o objectivo de adquirir numero suficiente de projecções para conseguir reconstruir correctamente uma imagem. A reconstrução tomografica pode ser realizada através de métodos analíticos e iterativos, sendo o último o método com mais vantagens. O D-SPECT utiliza um método iterativo especifico denominado OS-EM (ordered subsets expectation maximization), permitindo incorporar modelos probabilísticos de ruído Poisson e outra características do sistema de medicina nuclear previamente conhecidas. O sistema SPECT permite também adquirir exames ao longo do tempo, possibilitando estudos dinâmicos. Os estudos dinâmicos envolvem a obtenção de imagens em diferentes instantes, desde a injecção do radiofármaco, sendo identificado um pico de actividade nos ventrículos e aurículas, até esse valor baixar, mantendo-se praticamente constante em diferentes órgãos. Desta forma, a distribuição do radiofármaco ao longo do tempo pode ser obtida e estudada com o objectivo de serem criadas curvas de tecido-tempo (TACs do inglês time activity-curves). A elaboração destas curvas permitem retirar parâmetros essenciais para estudos quantitativo que dão informação sobre fluxo sanguíneo, permitindo detectar patologias. No entanto a aquisição dinâmica através do sistema SPECT tende a criar projecções inconsistentes, devido ao facto da gantry rodar ao mesmo tempo que a distribuição de actividade no coração vai-se modificando. Tendo em conta esta informação, a performance do sistema D-SPECT foi avaliada em termos de aquisição tanto estática como dinâmica. A tese foi organizada em três estudos diferentes, O primeiro consistiu em investigar como a performance do D-SPECT era afectada com a modificação de alguns parâmetros que alteram o padrão de aquisição do scan. A não selecção de região de interesse ou a escolha diferentes tamanhos e localizações de RI ( “open sweep”, “region centric aquisition” e apenas a RI) foram estudadas As diferentes formas de aquisição foram analisadas relativamente a possíveis artefactos na imagem reconstruida de forma qualitativa e quantitativa. Este estudo consiste em identificar possíveis problemas que podem surgir devido à nova geometria D-SPECT e "region centric acquisition". O segundo projecto consistiu em identificar se uma fonte de actividade fora da RI possa criar problemas na imagem reconstruida. Actividade que não a cardíaca, pode surgiu devido à radiação se acumular em locais como fígado ou intestinos, que estão perto do coração, e nem sempre podem ser eliminados. A presença de actividade nesses locais pode afectar a imagem reconstruida do coração. O terceiro projecto consistiu na análise de exames dinâmicos. Estes são simulados com o intuito de avaliar se a detecção de diferentes actividades no coração ao longo do tempo de scan, origina artefactos nas imagens adquiridas. A nova geometria do D-SPECT faz com que os 9 detectores, que são pequenos e só conseguem ver parte do coração, detectem zonas distintas do coração em diferentes tempos, ou seja com distribuição de radiofármaco diferente. Tendo em conta que exame é iniciado aquando a injecção do radiofármaco na corrente sanguínea de um individuo, a actividade no coração vai sofrer grandes alterações durante o tempo de exame. Clinicamente, um exame dinâmico demora 6 minutos, sendo 6 segundos em cada frame. Diferentes tempos de scan por frame foram analisados, bem como a diferença entre injecções de radiofármaco, mais lenta ou mais rápida, de forma a identificar possíveis artefactos na imagem reconstruida. Para simular todas as situações previamente descritas foi utilizado um simulador, desenvolvido em Matlab pelo Institute of Nuclear Medicine (INM) no University College Hospital. O simulador permite simular aquisições estáticas, da mesma forma que o D-SPECT clínico adquire, obtendo as projecções, que depois terão de ser reconstruidas pelo mesmo sistema utilizado clinicamente no INM. Contudo, a simulação de aquisição dinâmica não pode ser obtida directamente utilizando o simulador, pelo que alterações tiveram de ser realizadas no programa. A fonte de actividade, que clinicamente é o paciente, foi simulado através da utilização de um fantoma computacional, o NCAT (do inglês NURBS-based cardiac-torso). Este permite criar fantomas com diferentes características fisiológicas e anatómicas. Para o estudo de scans estáticos D-SPECT foi utilizado apenas um fantoma para um determinado scan, enquanto que para simulação de scan dinâmico vários fantomas foram obtidos. Estes foram desenvolvidos através de um input que teve de ser dado ao programa com informação de valores de actividade ao longo do tempo. Resultados obtidos após simulações demonstraram que a escolha de diferentes regiões de interesse, não afectam a performance do sistema D-SPECT, desde que a escolha da RI não seja demasiado pequena. Quando a região de interesse é tao pequena que só mesmo o coração é que é visto pelos detectors, o ventrículo esquerdo do miocárdio não é reconstruindo correctamente, apresentando variabilidade de valores de actividade e achatamento nesse mesmo local. A presença de actividade extra cardíaca aquando aquisição de apenas a RI (projecções truncadas) mostrou criar artefactos no ventrículo esquerdo do miocárdio. Os efeitos tornavam-se mais evidentes com a proximidade da fonte de actividade ao coração e também com o aumento do volume da actividade extra-cardiaca presente. Estes resultados fora obtidos para simulações com modelação de atenuação, estando esta a influenciar as projecções. Quando a atenuação não foi simulada, efeitos de actividade não cardíaca provaram serpraticamente inexistentes, demonstrando a importância de algoritmos de correcção de atenuação. Aquisição dinâmica pelo sistema D-SPECT obteve reconstruções sem grandes artefactos, desde que a actividade presente no coração não fosse demasiado reduzida. Diferentes protocolos dinâmicos foram estudados alterando o tempo de aquisição de cada frame e a velocidade na qual o radiofármaco é injectado na corrente sanguínea. Para simulações sem modelação de atenuação nem ruído, resultados mostraram melhor precisão no cálculo de parâmetros cinéticos e imagens mais bem reconstruidas para protocolos com injecções mais lentas e tempo mais reduzido por frame. O melhor resultado verificou-se para o protocolo de 1.5 segundo por frame e injecção cujo pico de actividade no sangue no interior dos ventrículos e aurículas se mantem elevado durante mais de um minuto (protocolo de injeção mais lento). Simulações com ruído mostraram resultados um pouco diferentes, sendo que, apesar da injecção mais lenta continuar a produzir os melhores resultados, o protocolo de 3 e 6 segundo por frame foram os protocolos com melhores resultados. Resultados para 1.5 segundos por frames mostraram imagens com demasiado ruído devido ao curto tempo que os detectores despendiam para adquirir contagens do coração. Todos os resultados demostraram que o novo sistema de aquisição D-SPECT, estava adequado para adquirir imagens cardíacas sem originar artefactos significativos. Os resultados obtidos deverão ser validados através de um fantoma físico, onde efeitos como atenuação e ruído vão sempre estar presentes. No entanto este trabalho permitiu perceber se isoladamente a escolha de uma região de interesse ou o scan dinâmico criavam problemas nas imagens reconstruidas.
Nowadays, SPECT systems can be used for cardiac studies such as myocardial perfusion imaging and also to perform dynamic scans. However, the system has some drawback and to overcome them, a new technology was created through the development of a new design of photon acquisition system and reconstruction algorithm. D-SPECT uses 9 pixelated detectors and allows a region-centric acquisition, which means that the system is programmed to spend more time acquiring data from a user selected region of interest (ROI) and less on the other body parts. The performance of D-SPECT is evaluated for different acquisition modes. First, the affect of creating different scan patterns to acquire data was studied. It was study if using D-SPECT to scan the whole field of view (FOV), or just the ROI, for different ROI selections. If no difference is detected, scanning just the ROI will obtain images with more sensitivity. The affects of extra-cardiac activity outside the ROI was also analyzed. In addition, radiopharmaceutical changes during a SPECT scan usually produce artifacts on the images, and the same type of affects can also happen with the D-SPECT system. Several scans with different temporal samplings and rates of radiopharmaceutical bolus injection were simulated to study which type of protocol creates the best reconstructed images. A computer simulator was used as well as the NURBS-based cardiac-torso (NCAT) computer phantom. Results suggest that different ROI definitions do not affect the D-SPECT performance, if the selected ROI is not too tight. The increased volume and proximity of extra-cardiac activity produces variability in the myocardium, when attenuation in present. Dynamic D-SPECT acquisitions proved to be performed without major artifact. Better temporal sampling and slower injection rate improved results when no attenuation or noise was modelled. The presence of noise 3sec/frame and 6 sec/frame scans showed improved results.
