Ocena przydatności fuzji obrazów scyntygraficznych SPECT z CT w

Ocena przydatności fuzji obrazów
scyntygraficznych SPECT z CT w pracy klinicznej
Borys D.1 Panek R.3 Gorczewski K.3,5 Steinhof K.2 Psiuk-Maksymowicz K.4
Instytut Automatyki, Politechnika Śląska w Gliwicach, Gliwice 44-100, ul. Akademicka 16 2 Zakład Radiodiagnostyki 3 Zakład
Medycyny Nuklearnej i Endokrynologii Onkologicznej, Centrum Onkologii – Instytut im. M. Skłodowskiej – Curie, Oddział w
Gliwicach 4 Department of Physics, Göteborg University 5 Department of Neuroradiology, Univesity Hospital Tuebingen
E-mail: [email protected]
1
Badania fantomowe
Wstęp
Terminem fuzja określamy fakt łączenia
dwóch lub więcej obiektów w celu
uzyskania
komplementarnej
lub
rozszerzonej informacji.
W naszej pracy jako obiekt fuzji posłużyły
wyniki badań medycznych – z jednej strony
badanie SPECT, czyli badanie funkcjonalne
niosące informację o procesach na
poziomie komórkowym, a z drugiej obrazy
anatomiczne wysokiej rozdzielczości, czyli
CT. Celem fuzji było połączenie informacji
niesionych osobno przez oba badania w
celu precyzyjniejszej lokalizacji procesów
patologicznych wykrytych podczas badania
scyntygraficznego, a przez to podniesienie
wartości diagnostycznej tych wyników.
Z powodu braku anatomicznych punktów
odniesienia w obrazach scyntygraficznych
zastosowano
metodę
opartą
na
wykorzystaniu
zewnętrznych
punktów
referencyjnych
(point-based
method).
Szczególnie problematyczne są scyntygrafie
pacjentów podczas prowadzonej terapii
promieniotwórczym jodem, gdyż bardzo
często obserwuje się w nich jedynie
pojedyncze ogniska gromadzenia.
Znane są metody używania jako szkieletu
na markery różnych dodatkowych struktur,
jednak my zdecydowaliśmy się na prostsze
rozwiązanie - umieszczanie markerów
bezpośrednio na ciele pacjenta.
Wstępne wyniki uzyskano na obiektach fantomowych, a następnie, po stwierdzeniu prawidłowości działania programu,
rozpoczęto testy w praktyce klinicznej. Jako jeden z fantomów wykorzystano cylindryczny fantom z pleksi, z umieszczonymi
wewnątrz sześcioma kapilarami tak, aby tworzyły dwa trójkąty ortogonalne względem siebie. W kapilarach znajdował się
izotop 99mTc, dzięki czemu widoczne były one w badaniu scyntygraficznym. Na całości umieściliśmy 4 markery. Obraz ze
scyntygrafii kodowany jest kolorem, w tym przypadku zastosowano dodawanie obrazów (możliwe są również inne operacje
jak odejmowanie, mnożenie itp.).
Rys 1. Przykład wyniku fuzji na obiekcie fantomowym
Pacjenci
Protokół badania pacjenta przy użyciu półautomatycznej fuzji został zastosowany w wyselekcjonowanej grupie pacjentów,
u których rozpoznano guzy endokrynne. Guzy te stanowią interesującą grupę nowotworów układu pokarmowego. Wspólną
ich cechą jest fakt, że oprócz objawów miejscowych mogą również dawać objawy związane z czynnością hormonalną. Ocena
stopnia zaawansowania nierzadko stanowi problem zarówno dla radiologów jak i dla klinicystów. Dotychczas wykonano fuzje
obrazów pacjentów z wykorzystaniem izotopów: 131I, 123I, 111In oraz 99mTc. Szczególnie przydatne okazało się zastosowanie
fuzji w przypadku stosowania radiojodu. Ze względu na wysoka selektywność gromadzenia bardzo trudno wnioskować o
jego położeniu.
Matematyczne podstawy
fuzji
Fuzja dokonywana jest za pomocą
programu wykorzystującego transformacje
afiniczne.
Jako
że
rozważamy
trójwymiarową przestrzeń możemy zapisać
ogólną postać transformacji jako :
⎡ x′⎤ ⎡ a11
⎢ y′⎥ ⎢a
⎢ ⎥ = ⎢ 21
⎢ z ′ ⎥ ⎢ a31
⎢ ⎥ ⎢
⎣1⎦ ⎣ 0
a12
a22
a32
a13
a23
a33
0
0
a14 ⎤ ⎡ x ⎤
a24 ⎥⎥ ⎢⎢ y ⎥⎥
⋅
a34 ⎥ ⎢ z ⎥
⎥ ⎢ ⎥
1 ⎦ ⎣1 ⎦
(1)
gdzie macierz A zawiera odpowiednie
obroty, translacje i skalowania. Punkt P’
otrzymujemy
przez
wykonanie
tych
wszystkich operacji na pierwotnym punkcie
P przez pomnożenie przez wspomnianą
macierz. Aby móc wyznaczyć elementy
macierzy transformacji A potrzebujemy
minimum
4
punkty
i
tyle
też
umieszczanych jest na ciele pacjenta. Ich
lokalizacja zależy w dużej mierze od
miejsca obrazowania lecz muszą spełniać
warunek aby wszystkie cztery nie
znajdowały się w jednej płaszczyźnie, gdyż
to uniemożliwi wyznaczenie macierzy
transformacji.
Rys 2. Przykład zastosowania klinicznego: fuzja obrazów SPECT-CT, badanie przy użyciu
123I
Analiza błędów
Dla każdej wykonanej fuzji obrazów wyznaczane są błędy nałożenia w postaci rzeczywistych odległości między markerami,
które traktujemy jako wyznacznik przydatności dla każdego przypadku. Zakładamy, iż błąd maksymalny w każdym kierunku
nie może przekroczyć określonej wartości 10mm (rozdzielczość przestrzenna gamma kamery wynosi dla 131I ok. 13mm).
Błędy powstają w wielu etapach procesu przetwarzania. Główne ich źródła to :
• przemieszczenia – związane z faktem, iż badania wykonywane są niejednocześnie
• ruchy oddechowe – markery w okolicy klatki piersiowej oraz przepony są umieszczone w miejscach niestabilnych
• błędy
łędy operatora – podczas lokalizacji markerów na wynikowych obrazach.
Protokół akwizycyjny
Protokół akwizycyjny stworzono w oparciu
o rutynowe procedury diagnostyczne CT
i SPECT. (SPECT: Siemens DUET, matryca
128x128, 64 projekcje/35 do 60 s, autocontour; CT: Siemens Somatom Sensation
16). Oba skany wykonywano tego samego
dnia. Jako punktów referencyjnych użyto
markerów punktowych wykonanych z
pleksi, o kształcie krążka (o średnicy
ok.
2
cm
i
grubości
2
mm)
z zatopionym punktowym źródłem 57Co. Ze
względu na konieczność właściwego
umieszczenia markerów na ciele pacjenta
i odpowiedniego zarejestrowania obrazów
(markery muszą być w polu widzenia CT)
niezbędna jest ścisła współpraca ZMNiEO
(Zakład
Medycyny
Nuklearnej
i
Endokrynologii
Onkologicznej),
Zakład
Radiologii oraz oddziału izotopowego.
Rys 3. Badanie fantomowe z symulacją ruchów oddechowych. Na przekroju strzałkowym widoczne przesunięcie wewnętrznych markerów
obrazujących narządy wewnętrzne (w czerwonym obrysie).
Podsumowanie
Zastosowanie fuzji obrazów SPECT/CT dzięki precyzyjnemu podporządkowaniu obszarów wychwytu izotopu strukturze
morfologicznej pozwala na zwiększenie czułości i swoistości diagnostyki oraz zmniejsza liczbę wyników fałszywie
pozytywnych SPECT.
Istotnym elementem stanowiącym o przydatności wykonanej fuzji obrazów, a zarazem niosącym ryzyko
błędnej interpretacji badań CT i SPECT jest błąd nałożenia obrazów. Jego wielkość jest każdorazowo wyznaczana
dla każdego pacjenta i uwzględniana przy interpretacji wyników fuzji. Część wykonanych fuzji ze względu na uzyskany błąd
jest eliminowana. Kontrola jakości i minimalizowanie głównych przyczyn powstawania błędów jest obiektem dalszych badań
autorów.