Optymalizacja badań scyntygraficznych perfuzji mięśnia sercowego wykonywanych za pomocą gammakamery opartej na detektorach półprzewodnikowych na bazie tellurku kadmowo-cynkowego (CZT)

Abstract

Wprowadzenie Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat w kardiologii nuklearnej obserwuje się odchodzenie od gammakamer SPECT ogólnego zastosowania na rzecz wyspecjalizowanych urządzeń, tzw. kamer kardiocentrycznych, zapewniających przede wszystkim dużo większą efektywność obrazowania. Przełomem było zastąpienie kryształów scyntylacyjnych NaI(Tl) detektorami półprzewodnikowymi CZT (tellurek kadmowo-cynkowy). Pierwsza w Europie Środkowo-Wschodniej instalacja skanera kardiologicznego z detektorami CZT, kolimacją zogniskowaną na sercu i układem detektorów pozwalających na przeprowadzenie stacjonarnej akwizycji 3D, miała miejsce w Warszawie, w Wojskowym Instytucie Medycznym (WIM). Cele pracy 1. Analiza ograniczeń skanera CZT, wynikających z zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych, w obrazowaniu pacjentów otyłych. 2. Ocena przydatności stosowania różnych metod pozwalających na redukcję artefaktów wynikających z pochłaniania promieniowania w tkankach miękkich pacjenta: korekcja atenuacji wykorzystująca tomografię komputerową CT z zewnętrznego urządzenia diagnostycznego oraz dodatkowa akwizycja SPECT perfuzji mięśnia sercowego w pozycji na brzuchu. 3. Przeprowadzenie symulacji artefaktów ruchowych i zweryfikowanie możliwości identyfikacji artefaktów na etapie oceny wizualnej oraz możliwości redukcji tych artefaktów. 4. Weryfikacja parametrów czynnościowych lewej komory serca na podstawie badań bramkowanych sygnałem EKG. 5. Ocena jakości badań perfuzyjnych SPECT mięśnia sercowego wykonanych w technologii półprzewodnikowej. Materiał i metody W celu realizacji powyższych zadań wykorzystano bazę badań pacjentów Zakładu Medycyny Nuklearnej WIM (Cele pracy, punkty 1., 2. i 5.), a także przeprowadzono badania z użyciem fantomu antropomorficznego tułowia z wkładką sercową (pkt 3.) oraz fantomu dynamicznego serca, umożliwiającego ustalenie wartości referencyjnych dla frakcji wyrzutowej (pkt 4.). Badania perfuzyjne mięśnia sercowego były opracowywane z wykorzystaniem oprogramowania Myovation (GE) na stacji Xeleris 3.0 lub 3.1. Badania bramkowane SPECT były dodatkowo opracowywane za pomocą aplikacji QGS (Quantitative Gated SPECT, Cedars-Sinai Medical Center). W celu realizacji punktu 3. wykorzystano również oprogramowanie Lister (GE) oraz MDC for Alcyone (Motion Detection and Correction for Alcyone, GE) na stacji Xeleris 3.1. W celu realizacji punktów 1., 2., 3., 5. analizowano badania perfuzyjne serca na podstawie 17-segmentowych map biegunowych z procentowymi wartościami perfuzji oraz przekroje w 3 osiach serca. Dodatkowo, w punkcie 2., analizowano mapy biegunowe z podziałem na ściany serca. Jakość badań perfuzyjnych mięśnia sercowego oceniana była przez czterech niezależnych sędziów (lekarze specjaliści medycyny nuklearnej) w 5-punktowej skali (0–4), gdzie 0 oznaczało obrazy niediagnostyczne, a 4 – obrazy bardzo dobrej jakości. Opracowanie każdego badania z kamery CZT poprzedzone było przeprowadzeniem kontroli jakości skanowania w celu oceny poprawności ułożenia serca w polu widzenia detektorów. Badania na skanerze CZT były wykonywane wg standardowego protokołu klinicznego (badanie na plecach, bez korekcji pochłaniania). W celu realizacji punktu 2. analizowano również badania perfuzyjne wykonane w pozycji pacjenta na brzuchu oraz badania z zastosowaniem korekcji atenuacji na podstawie CT. Do realizacji celów zdefiniowanych w punktach 4. i 5. wykorzystano również badania perfuzyjne SPECT mięśnia sercowego wykonane na konwencjonalnej dwugłowicowej gammakamerze (zarówno bez korekcji, jak i z korekcją pochłaniania promieniowania). Wyniki 1. W niniejszej pracy wykazano, że odsetek badań diagnostycznych wśród pacjentów z otyłością olbrzymią (BMI ≥ 40 kg/m2) wynosi 67% i jest dużo większy, niż to wynika z niektórych doniesień literaturowych. 2. Wykazano przydatność obydwu metod w redukcji artefaktów wynikających z braku korekcji pochłaniania promieniowania w badaniach ze skanera CZT: korekcja atenuacji oparta na skanach CT okazała się przydatna w identyfikacji artefaktów w ścianach dolnej i bocznej serca, a także przegrodzie międzykomorowej; metoda wykorzystująca dodatkową akwizycję z ułożeniem pacjenta na brzuchu okazała się pomocna w ocenie nieprawidłowości perfuzji w ścianie dolnej serca ze względu na redukcję atenuacji przeponowej. 3. W pracy zasymulowano artefakty wynikające z przesunięć i rotacji obrazowanego obiektu w czasie akwizycji. Pokazano, że artefakty ruchowe przybierają charakterystyczny wygląd na mapach biegunowych (np. artefakt powstały w wyniku przesunięcia w osi długiej pacjenta przypomina kształtem motyla) i przekrojach serca, co może ułatwić rozpoznanie artefaktów na etapie wizualnej oceny i zmniejszyć ryzyko błędnej interpretacji wyniku badania. Wykazano, że artefakty ruchowe mogą być skutecznie redukowane za pomocą dedykowanej aplikacji do korekcji ruchu. 4. W pracy wykazano silną korelację między parametrami czynnościowymi lewej komory serca wyznaczonymi dla badań ze skanera CZT i konwencjonalnej gammakamery. Zaobserwowano niewielki trend w kierunku niższych wartości frakcji wyrzutowej uzyskiwanych w badaniach na skanerze kardiologicznym. Wykazano, że wartości mierzonych parametrów zależą zarówno od zastosowanej metody rekonstrukcji obrazów, jak i użytego oprogramowania do analizy badań bramkowanych SPECT perfuzji serca. W przypadku badań ze skanera CZT największą i wysoką zgodność między wyznaczonymi wartościami frakcji wyrzutowych a wartościami referencyjnymi (tj. dla fantomu dynamicznego) uzyskano przy użyciu oprogramowania QGS (Lin’s CCC = 0,973; 95% PU: 0,959–0,982). 5. W pracy wykazano, że badania scyntygraficzne perfuzji serca wykonywane na skanerze kardiologicznym z detektorami CZT są lepszej jakości niż badania wykonywane na dwugłowicowej gammakamerze SPECT. Mimo 3-krotnie krótszej akwizycji i ok. 50-procentowej redukcji dawki w badaniu radioizotopowym, uzyskiwane za pomocą skanera CZT obrazy scyntygraficzne są bardzo dobrej jakości. Wnioski 1. Zastosowane w skanerze CZT rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne nie stanowią podstawy do wykluczenia pacjentów z otyłością olbrzymią z badań na tym urządzeniu. 2. Korekcja pochłaniania wykorzystująca zewnętrzną tomografię komputerową i/lub wykonanie dodatkowej akwizycji w pozycji pacjenta na brzuchu są skutecznymi metodami redukcji artefaktów spowodowanych atenuacją. 3. Artefakty ruchowe mają charakterystyczny wzór na mapie biegunowej serca, co umożliwia identyfikację ruchu pacjenta. Możliwe jest zastosowanie korekcji ruchu albo powtórzenie akwizycji. 4. Skaner CZT pozwala w sposób miarodajny określić frakcję wyrzutową lewej komory serca. 5. Skaner z detektorami półprzewodnikowymi CZT pozwala na uzyskanie znacząco lepszych obrazów perfuzji mięśnia sercowego w porównaniu do badań z konwencjonalnych gammakamer z kryształami NaI(Tl).

Introduction For the last several years in nuclear cardiology we have been observing a widespread movement from general-purpose to more specialised cardiac-centered SPECT gamma cameras. This is mainly due to the higher imaging efficacy of the latter. The replacement of scintillation crystals NaI(Tl) with semiconductor CZT (cadmium zinc telluride) detectors was a major breakthrough. The first cardiac scanner with CZT detectors, collimation focused on the heart and a fixed array of detectors enabling stationary 3D acquisition in East-Central Europe was installed in the Military Institute of Medicine (Warsaw, Poland). Aims 1. Evaluation of technological and construction limitations of a CZT camera in imaging of obese patients. 2. Evaluation of different methods for a reduction of attenuation artifacts: attenuation correction based on transmission scans from a standalone CT device and additional myocardial perfusion imaging performed with a patient in a prone position. 3. Simulation of motion artifacts, evaluation of their detectability early during the visual analysis and assessment of possibility of their reduction. 4. Examination of the left ventricle functional parameters obtained from ECG-gated acquisitions. 5. Assessment of quality of myocardial perfusion SPECT scans performed with the use of a semiconductor gamma camera. Material and methods Objectives no. 1, 2 and 5 were achieved with the use of the cardiac SPECT scans data base of the Department of Nuclear Medicine of the Military Institute of Medicine (Warsaw, Poland). Experiments with an anthropomorphic torso phantom with a heart insert were also performed (aim no. 3). A dynamic heart phantom was used to determine the reference ejection fraction values (aim no. 4). Xeleris 3.0/3.1 workstation with the Myovation (GE) software was used for image analysis. The ECG-gated scans were additionally assessed with the use of the QGS application (Quantitative Gated SPECT, Cedars-Sinai Medical Center). To achieve aim no. 3 the Lister (GE) application as well as the MDC for Alcyone (Motion Detection and Correction, GE) software package on Xeleris 3.1 workstation were also used. In order to achieve aims no. 1, 2, 3 and 5 cardiac scans were analysed on 17-segment polar maps with the percentage of perfusion and on slices parallel to the three heart axes. To reach aim no. 2 polar maps divided according to the heart walls were also evaluated. The quality of myocardial perfusion SPECT scans was independently assessed by four nuclear medicine specialists on a 5-point scale (0-4) where 0 was given to the lowest-quality images and 4 to the highest. In order to verify the correct heart alignment within the detector field a scan quality control (Scan QC) was performed prior to visual assessment of SPECT CZT images. Acquisition was performed according to a standard clinical protocol for a CZT camera (patient in supine position, no attenuation correction). To achieve aim no. 2 additional prone acquisition and attenuation correction based on transmission scans from a standalone CT device were also performed. To achieve aims no. 4 and 5 myocardial perfusion SPECT scans were also performed on a conventional dual-headed gamma camera (with and without attenuation correction).

Results 1. The study showed that the percentage of diagnostic myocardial perfusion SPECT scans in patients with morbid obesity (BMI ≥ 40 kg/m2) is 67% which is higher than reported in literature. 2. Both assessed artifact reduction methods proved useful. Attenuation correction based on transmission scans from a standalone CT device showed artifacts in the inferior and lateral heart wall and in the septum. Prone acquisitions helped to detect the diaphragmatic attenuation artifacts (seen as abnormal perfusion in the inferior heart wall). 3. Simulation of both axial displacements and rotation showed that these motion artifacts yield characteristic patterns on heart slices and polar maps (e.g. long axis displacement artifact produces a butterfly shape). This may help to identify the motion artifacts early (during the visual analysis phase) and to avoid mistakes in image evaluation. Motion artifacts can be effectively reduced with the use of a dedicated application for motion correction. 4. The study showed a strong correlation between functional heart parameters measured with the use of a CZT camera and a conventional gamma camera. However, ejection fraction values tended to be lower on a CZT scanner. It was revealed that the parameters values depended both on a reconstruction algorithm and software for gated cardiac SPECT analysis. CZT ejection fraction values were closest to the reference standard (determined on a dynamic phantom) when QGS software was used (Lin’s CCC = 0.973; 95% CI: 0.959-0.982). 5. The study revealed that myocardial perfusion scans performed on a cardiac-centered CZT gamma camera present higher quality images that conventional dual-headed gamma camera scans. CZT scans show superior quality regardless a three times shorter acquisition time and a 50% dose reduction. Conclusions 1. Technology and construction of a CZT scanner allows for an effective assessment of patients with morbid obesity. 2. Attenuation artifacts can be effectively reduced with the use of transmission scans from a standalone CT device and/or additional prone imaging. 3. Motion artifacts show characteristic patterns on polar maps which enables their early detection during visual analysis. Motion correction may be then applied or acquisition may be repeated. 4. Left ventricle ejection fraction can be reliably determined with the use of a CZT camera. 5. Gamma cameras with semiconductor CZT detectors yield superior quality images when compared to conventional dual-headed gamma cameras with NaI(Tl) detectors.