107
Samenvatting en toekomstperspectieven. Deel 1 betreft hartstudies. In hoofdstuk 2 worden methoden ter bepaling van de linker ventriculaire ejectiefraktie beschreven. In het eerste deel, wordt de prestatie en beperkingen van een kleinveld digitale gamma camera met betrekking tot hoge telcapaciteit voor accurate bepaling van de linker ventriculaire functie bij de eerste doorstroming voor radio-nucleaire angiocardiography beschreven. Het kort levend 191Irm (5sec) van een nieuwe hoge opbrengst 191Os/191Irm generator leverde meer dan 1 miljoen werkelijke slagen per seconde daar waar de gemeten verzadiging van de gamma camera 420kcps was. De kleine gezichtsveld (20 cm) gamma camera heeft het voordeel ten opzichte van een grootveld dat er minder activity gemeten wordt en dus ook het activiteits niet-lineaire probleem vermindert. Op een nauwkeurige manier verbeterden wij deze niet-lineaire respons van de gamma camera tot 320kcps door middel van een 191Os referentie bron. In patient studies was de maximum telsnelheid gedurende de linker ventriculaire faze 250 kcps. Het resolutieverlies van het systeem in snelle telmode was 2-3 mm. De reproduceerbaarheid van herhaalde LVEF bepalingen in 2 min-intervallen in 50 patienten was r=0.97 and het gemiddelde verschil=2.08±1.55 EF eenheden. Verder, maakte het gebruik van 191Irm als merkstof voor linker ventriculaire angiography en 201Tl voor myocard perfusie en wandbeweging gelijktijdige bepalingen mogelijk, zowel in rust als gedurende inspanning. In het tweede deel wordt de prestatie van verschillende software programma’s bestudeerd en tevens de invloed van opnamemethode en reconstructieparameters op de ejectiefractie en hartvolumes, vooral bij patienten met een klein hart. In patienten met een hart van normaal volume, LVEF en volume, bepaald door middel van verschillende commerciële software voor kwantitatieve gated SPECT zijn vergelijkbaar. LVEF en volume zijn weinig gevoelig aan wijzigingen in de opnamematrix. Door smoothing (afvlakken) werd het volume aanmerkelijk gewijzigd maar niet de LVEF waarde. Bij kleine harten daarentegen, beïnvloeden zowel het gebruikte programma, de opname matrix als smoothing in belangrijke mate de resultaten van kwantitatieve gated SPECT. Hoge ejectiefraktie waarden worden dikwijls waargenomen. Een grotere matrix en scherpere reconstructie filter worden gesuggereerd om de accuraatheid van de commerciële software te verbeteren, voornamelijk bij patiënten met een klein hart. Hoofdstuk 3 handelt over de kwantificatie van perfusie en metabolisme in het specifieke kader van leefbaar hartweefsel. In het eerste deel beschreven we de ontwikkeling en klinische validering van een methode om de aktiveit van de perfusietracer 99mTc-sestamibi en de vetzuur metabolisme tracer 123I-BMIPP pixel per pixel te kwantificeren, aan de hand van kleur-gecodeerde polaire voorstellingen. Met als basis het opnameverschil tussen sestamibi en BMIPP, wordt de aanwezigheid en uitgebreidheid van normaal, leefbaar en littekenweefsel uitgedrukt in % van het linker ventrikel als geheel en voor de vaatgebieden van de 3 hoofdkransslagaders afzonderlijk berekend en in beeld gebracht. Deze analyse werd toegepast op patiëntengegevens. De inter-observer verschillen in het percentage mismatched oppervlak waren eerder klein, ten hoogste 1.5%. Bij vergelijking
108
met de coronaire anatomie werd een goede overeenkomst vastgesteld tussen een verminderde traceropname en een significante vernauwing van de arterie. In het tweede deel van dit hoofdstuk wordt de invloed van hoog energetische fotonen afkomstig van 123I op het gemeten spectrum gekwantificeerd met collimatoren voor lage energie en middelhoge energie in een fantoom studie. In het derde deel wordt deze scatter invloed aangetoond bij patiënten. Voor deze studie maakten we gebruik van de nieuwe polaire kleur-gecodeerde voorstelling om de uitgebreidheid van leefbaar myocard te kwantificeren, gedefinieerd als mismatching met BMIPP opname lager dan sestamibi. Gezien de bijdrage van scatter in de jodium beelden en de mogelijke invloed op de berekende hoeveelheid leefbaar weefsel, werd de sestamibi en BMIPP opname berekend zonder correktie, met background en met scatter correktie. Echocardiografische veranderingen in wandbeweging 6 maanden na behandeling werd gebruikt als referentie. De accuraatheid om de evolutie van de regionale contractiliteit bij vervolgonderzoek te voorspellen, was als volgt: 64% indien geen correctie werd toegepast, 79% na correctie voor background en 93% na scattercorrectie. Het vierde deel bevat de abstracten van de artikelen gepubliceerd betreffende klinische toepassingen van de gecombineerde studie van perfusie en metabolisme bij patiënten met chronische linker ventrikeldysfunctie na infarct. Uit deze studies blijkt dat de voorspellende waarde van scintigrafie met sestamibi alleen suboptimaal is om leefbaar weefsel op te sporen, zelfs bij kwantitatieve analyse. Toevoeging van de resultaten van de 123I-BMIPP scintigrafie verbeterde de accuraatheid aanzienlijk en de combinatie van sestamibi en BMIPP beeldvorming gaf de mogelijkheid om leefbaar weefsel bij patiënten met chronische linker ventrikeldysfunctie op te sporen met dezelfde accuraatheid als met 18F-FDG vermeld in de literatuur. Tevens werden identieke resultaten bekomen als bij patiënten in de acute of subacute fase na een hartinfarct met dezelfde gecombineerde sestamibi/BMIPP methode. Wegens de invloed van hoog energetische fotonen in beelden van een jodium-123 gemerkt produkt zoals BMIPP is scatter correctie aanbevolen en dient aandacht besteed te worden aan de gebruikte collimator.
Deel 2 behandelt hersenstudies In hoofdstuk 4 wordt een absolute kwantifikatiemethode voor hersenperfusie beschreven. Methodologisch werd wegens de klinische vraag naar een absolute SPECT parameter, een eenvoudige benadering ontwikkeld, gebruikmakend van gekalibreerde puntbronnen als schalingsfactor, om tomografische beelden voor te stellen als regionale 99mTc HMPAO hersenopname per cm3 hersenweefsel in percent van de geïnjecteerde lipofiele dosis. De methode werd gevalideerd op Jaszczak en Hoffman fantomen, gebruikmakend van een 3detector SPECT systeem met parallelle en fan-beam collimators. Een gemiddelde reproduceerbaarheid van 7.2% werd bekomen in een referentiepopulatie. Toepassing bij 33 gezonde vrijwilligers wees op lichaamsoppervlakte als belangrijkste factor in vergelijking met hersenvolume ter verklaring van de interindividuele variabiliteit. Dezelfde studie benadrukte tevens de noodzaak in longitudinale studies een normalisatie uit te voeren voor het hartritme in rust en suggereerde de afwezigheid van een significante invloed van lichte stress op de regionale 99mTc HMPAO hersenopname. De voorgaande evaluatie van cerebellaire rBU in een gezonde populatie werd uitgebreid tot patiënten lijdend aan demensie van het Alzheimer type (DAT). rBU waarden van cerebellaire operator-bepaalde regios van interesse kunnen worden beschouwd als symmetrisch, reproduceerbaar en stabiel in de tijd in gezonde vrijwillers. Bovendien werd
109
na cumulatieve correcties voor lichaamsoppervlakte en hersenvolume een vergelijkbare en reproduceerbare, absoluut cerebellaire 99mTc HMPAO opname gevonden in de groep DAT patiënten en de groep gezonde vrijwilligers. De voorgestelde bevindingen suggereerden dat het cerebellum een goede keuze is als referentie regio voor de SPECT analyse van patiënten lijdend aan dementie van het Alzheimer type. Hoofdstuk 5: dopamine transporters in het striatum worden quantitatief bepaald. Parkinson’s ziekte wordt gekenmerkt door een hevige degeneratie van dopaminegevoelige neuronen in de grijze stof (dopaminergic neurons in the substantia nigra), met gevolg een verlies van dopamine transporters in nucleus caudata en putamen, in beeld gebracht met 123 I-FP-CIT. Met SPECT, is het goed gekend dat semi-kwantitative analyse van kleine organen zoals het striatum belemmerd wordt door het partiëel volume effekt veroorzaakt door de slechte resolutie van de gamma camera. Voor bronnen met diameters < 12 mm werd een aktiviteit met een faktor 3 tot 5 te laag gemeten. Wij hebben een resolutie onafhankelijke methode ontwikkeld die erin bestaat de totale activiteit van het striatum te bepalen en te delen door de gemiddelde hersenaktiviteit, gebruik makend van twee grote interessezones. Wetende dat het volume van het menselijk striatum ongeveer 20 ml is en de werkelijke concentratie van de radioactieve tracer 8 tot 9 keer hoger is in het striatum dan in de rest van het hersenweefsel, is de gemeten verhouding van totale striatale op gemiddelde hersenactiviteit per ml van 150 tot 200 hiermee in overeenstemming. Met de klassieke striatale and occipitale ROIs, bekwamen we een inter-observator variabiliteit van 11.4 % in vergelijking met 3.1% met de resolutie onafhankelijke methode. Aanvullend hebben wij de totale striatale opname uitgedrukt in procent van de ingespoten dosis, gebruik makend van een gamma camera ijkingsfactor. Een goede scheiding werd bekomen tussen normale en Parkinson patiënten met de conventionele en onze methode. Met de methode waarbij de opname in het striatum uitgedrukt werd in procent van de dosis en na correctie door het gewicht van de patiënt werd een betere scheiding waargenomen dan met de conventionele methode. Voor meer accurate anatomische lokalisatie van defecten hebben wij twee bijkomende beelden ontworpen voor visuele interpretatie : een striatum/brain ratio beeld een een opnamebeeld uitgedrukt in % van de ingespoten dosis per ml striataal weefsel. De resolutie onafhankelijke methode is niet gamma camera, beeldopname of reconstructie afhankelijk. Met deze methode kunnen dan ook resultaten van verschillende centra onmiddelijk met elkaar vergeleken worden zonder soft of hardware aanpassingen.
Toekomstsperspectieven. De huidige stroming in conventionele nucleaire instrumentatie en data analyse kan opgesplitst worden in drie belangrijke richtingen: beeldfusie, software ontwikkeling en nieuwe toestellen. De fusie van verschillende beeldvormende technieken wordt de norm in de klinische praktijk. Hybride SPECT camera’s uitgerust met X-straalbuizen (CT) worden verkocht. Initiële pogingen om functionele en anatomische beelden van twee verschillende toestellen te co-registreren onthullen de moeilijkheid om de strukturen in overeenstemming te brengen en zijn te arbeidsintensief voor routinematig gebruik (1). SPECT/CT verhoogt de diagnostieke accuraatheid van SPECT bij verschillende klinische onderzoeken (2). Nietemin blijven co-registratie artefacten tussen emmissie en transmissie beelden mogelijk, vooral bij hartstudies (3). Er is tevens nog discussie pro en contra attenuatiecorrectie bij hartstudies. (4) Daartegenover staat dat semi-quantitative gegevens verbeterd worden door middel van een CT attenuatie map (5,6) en preciese absolute
110
kwantificatie wordt realistisch wanneer tevens scatter en collimator afhankelijke diepte correcties toegevoegd wordt aan de iteratieve reconstructie methode (7,8). Pogingen worden tevens ondernomen om het partiëel volume effect bij kleine strukturen te corrigeren met behulp van anatomische informatie (9). Verbetering van reconstructiealgoritmes was nog steeds een belangrijk onderwerp op de IEEE meeting in Rome 2004. Nieuwe software gaat deel uitmaken van de kliniek. Driedimentionele modellen van de kransslagaders verkregen door twee-dimentionele angiografie en 3D perfusie SPECT beelden worden op elkaar gepast (10). Bewegingsbevroren gated beelden kunnen verkregen worden met behulp van fase tot fase bewegingsvectoren (11). Statistische parametrische mapping (SPM), frequent gebruikt in hersenonderzoek wordt een standaard procedure (12). De belangrijkste vooruitgang in nucleaire geneeskunde dient te komen van nieuwe toestellen en materiaal. Het doel is de intrinsieke ruimtelijke resolutie en energieresolutie te verbeteren (13,14). Nieuw detectormateriaal met betere fysische karakteristieken dan NaI, wat betreft stralingsabsorptie, energieresolutie, licht opbrengst, breekbaarheid en densiteit, zal hoogstwaarschijnlijk NaI kristallen gaan vervangen (15). Positie gevoelige fotomultiplicatoren (PSPMT) worden gebruikt samen met pixelgrootte NaI(Tl) kristalen of nieuw scintillatie materiaal zoals CsI(Tl) (16,17). Men rekent erop dat nieuwe detectoren, bestaande uit duizenden kleine kristallen of een semi-conductoren matrix, de sensitiviteit and specificiteit van klinische studies zal verhogen (15,18). Verhoogde detector sensitiviteit maakt ook dynamische tomografische studies mogelijk en genereert meer nauwkeurige kwantitatieve gegevens als input voor compartimentele analyse reeds uitgevoerd met planaire beeldopnames. Kleine heelkundige sondes met CZT semiconductoren of PSPMT worden gebruikt tijdens de operatie om lokale metastases op te sporen (19). Het blijft echter twijfelachtig, of deze kleine toestellen gebruikt voor dierproeven of als heelkundige sondes kunnen ontwikkeld worden tot grote detectoren, voor klinisch gebruik, tegen een aanvaardbare prijs. 1. Keidar Z, Isreal O, Krausz Y. SPECT/CT in tumor imaging: technical aspects and clinical applications. Semin Nucl Med 2003; 33:205-18. 2. Schillaci O, Danieli R, Manni C, Simonetti G. Is SPECT/CT with a hybrid camera useful to improve scintigraphic imaging interpretation? Nucl Med Commun. 2004;25:705-10. 3. Fricke H, Fricke E, Weise R et al. A method to remove artifacts in attenuationcorrected myocardial perfusion SPECT Introduced by misalignment between emission scan and CT-derived attenuation maps. J Nucl Med. 2004;45:1619-25. 4. Figaro E, Wackers F. Should SPET attenuation correction be more widely employed in routine clinical practice? Eur J Nucl Med 2002; 29: 409-415. 5. Grossman G, Garcia E, Bateman T et al. Quantitative Tc99m sestamibi attenuationcorrected SPECT development and multicenter trial validation of myocardial perfusion stress gender-independent normal database in an obese population. J Nucl Cardiol 2004; 11: 239-241. 6. Dondi M, Fagioli G, Salgarello M et al. Myocardial SPECT: what do we gain from attenuation correction (and when)? Q J Nucl Med Mol Imaging 2004; 48:181-7. 7. El Fakhri G, Buvat I, Benali H et al. Relative impact of scatter, collimator response, attenuation and finite spatial resolution corrections in cardiac SPECT. J Nucl Med 2000; 41: 1400-8. 8. Links J, Becker L, Rigo P et al. Combined corrections for attenuation, depth dependent blur and motion in cardiac SPECT: a multicenter trial. J Nucl Cardiol 2000; 7: 414-25. 9. Matsuda H, Ohnishi T, Asada T et al. Correction for partial volume effects on brain perfusion SPECT in healthy men. J Nucl Med 2003; 44: 1243-52.
111
10. Faber T, Santana C, Garcia E et al. Three dimensional fusion of coronary arteries with myocardial perfusion distributions: clinical validation. J Nucl Med 2004; 45: 745-53. 11. Slomka P, Nishina H, Berman D et al. “Motion-Frozen” display and quantification of myocardial perfusion. J Nucl Med 2004; 45: 1128-34. 12. Friston K, Ashburner J, Holmes A and Poline J-B. SPM: Statistical parametric mapping, software for functional neuroimaging. Welcome department of Cognitive Neurology, University College London. 13. Williams M, Goode A, Galbis-Reig V et al. Performance of a PSPMT based detector for scintimammography. Phys Med Biol 2000; 45: 781-800. 14. Loudos G, Nikita K, Uzunoglu N et al. Improving spatial resolution in SPECT with the combination of PSPMT based detector and iterative reconstruction algoritms. Comput Med Imaging Graph 2003; 27: 307-13. 15. Fidler V. Current trends in nuclear instrumentation in diagnostic nuclear medicine. Radiol Oncol 2000; 34: 381-5. 16. Weisenberger A, Kross B, Majewski S et al. Dual low profile detector heads for a restraint free small animal SPECT imaging system. IEEE conference Rome 2004: p136. 17. Pani R, Pellegrini R, Cinti M et al. New devices for imaging in nuclear medicine. Cancer Biother Radiopharm. 2004;19:121-8. 18. Wieczorek H, Goedicke A, Shao L et al. Analytical model for pixellated SPECT detector concepts. IEEE conference Rome 2004: p142. 19. Blevis L, Reznik A. Intra-operative imaging probe using CZT. IEEE conferencence Rome 2004:p197.
