Attenuation correction in pulmonary and myocardial single photon emission computed tomography.

Abstract

The objective was to develop and validate methods for single photon emission computed tomography, SPECT, allowing quantitative physiological and diagnostic studies of lung and heart. A method for correction of variable attenuation in SPECT, based on transmission measurements before administration of an isotope to the subject, was developed and evaluated. A protocol based upon geometrically well defined phantoms was developed. In a mosaic pattern phantom count rates were corrected from 39-43% to 101-110% of reference. In healthy subjects non-gravitational pulmonary perfusion gradients, observed without attenuation correction were artefacts caused by attenuation. Pulmonary density in centre of right lung, obtained from the transmission measurement, was 0.28 ± 0.03 g ml-1 in normal subjects. Mean density was lower in large lungs compared to smaller ones. We also showed that regional ventilation/perfusion ratios could be measured with SPECT, using the readily available tracer 133Xe. Because of the low energy of 133Xe this relies heavily upon attenuation correction. A commercially available system for attenuation correction with simultaneous emission and transmission, considered to improve myocardial SPECT, performed erroneously. This could lead to clinical misjudgement. We considered that manufacturer-independent pre-clinical tests are required. In a test of two other commercial systems, based on different principles, an adapted variant of our initial protocol was proven useful. Only one the systems provided corrected emission count rates independently on phantom configuration. Errors in the other system were related to inadequate compensation of the influence of emission activity on the transmission study.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I nuklearmedicinska mätningar registreras förekomsten av en radioaktiv substans, vilken tillförts kroppen, via de fotoner som substansen utsänder. I denna studie har använts tomografisk nuklearmedicinsk teknik, SPECT, som ger information om regional fördelning av radioaktivitet i tre dimensioner. Aktivitetsfördelningen avspeglar någon fysiologisk funktion, exempelvis genomblödning. Analys av funktionen försvåras av att den beräknade regionala aktiviteten inte representerar sann aktivitetsfördelning, eftersom fotonerna dämpas, attenueras, av vävnaden. För att kunna korrigera för attenueringen vid studier av hjärta och lunga, krävs kännedom om den individuella fördelningen av vävnader med olika dämpande förmåga. I detta arbete rapporteras möjligheter och svårigheter med attenueringskorrektion vid SPECT för studier av hjärta och lungor. I en transmissions-mätning befinner sig den radioaktiva substansen, källan, utanför kroppen och de fotoner som registreras har passerat genom kroppen. Från en sådan mätning kan man beräkna fördelningen av vävnader med olika dämpande, attenuerande, förmåga. Resultatet används för atttenueringskorrektion av emissionsmätningen. Attenuering innebär absorbtion och spridning av fotoner. Absorberade fotoner detekteras inte. Spridda fotoner kan under vissa omständigheter detekteras och bidraga till den uppmätta aktiviteten. Studie I: Vi tog fram en metod för attenueringskorrektion vid SPECT, som kunde användas vid lungstudier. Metoden baserades på transmissionsmätning av attenueringen med 99mTc eller 57Co som källa. Emissionsmätningen utfördes separat. Hänsyn togs till bidraget från spridd strålning i transmissionen och emissionen. En en-huvuds gammakamera, Maxicamera 400T (General Electric, USA) användes. Metoden utvärderades med hjälp av ett testprotokoll baserat på block med olika täthet, vilka bildade geometriskt väldefinierade fantom. Mätvärden från emitterad aktivitet, som utan korrektion var sänkta med mellan ca 5 och 80%, kunde korrigeras så att felet blev mindre än ca ± 10% av icke attenuerat referensvärde. Studie II: Vi använde attenueringskorrektions metoden i en studie av lungornas genomblödning, med hjälp av 99mTc-MAA. Friska personer studerades i liggande. En en-huvuds gammakamera, GCA-901A/ECT (Toshiba, Japan) användes. Analys gjordes såväl två- som tredimensionellt. Den tvådimensionella metoden var manuell, användarberoende och omfattande endast en mindre del av lungan. Den nya tredimensionella metoden var automatisk, objektiv och omfattade merparten av lungans volym. Lungorna avgränsades med hjälp av transmissionsmätningen. Deras perifera delar uteslöts för att undvika oönskade effekter av gammakamerans begränsade upplösningsförmåga. Attenueringskorrigerad SPECT visade, som förväntat, tilltagande genomblödning i gravitationens riktning, men inga andra riktningsberoende skillnader. Ökningen i gravitationsriktningen var större efter än före attenueringskorrektionen. Skillnader i genomblödning kan med icke attenuerings korrigerad SPECT ses även i andra riktningar än gravitationens. Dessa tolkade vi således som artefakter orsakade av attenueringen. Det finns ett samband mellan vävnadens täthet och förmåga att dämpa, attenuera, fotoner. Därför kan man med hjälp av transmissionsmätningen beräkna vävnadernas täthet. Således studerade vi, i studie I, normal lungtäthet. Ett förväntat genomsnittligt värde, 0.28 g/ml, erhölls för en begränsad central del av lungan. Vid analys av en större andel av lungvolymen, avgränsad med hjälp av täthetsbilden, fann vi att värdet på lungtäthet minskade vid snävare avgränsning. Värdet var då också lägre hos individer med större än med mindre lungor. Vi fann att lungans täthet tilltog i gravitationens riktning. Samtidigt erhölls i liggande högre täthet medialt än lateralt och basalt än apikalt. Studie III: Med hjälp av attenueringskorrektion och täthetsmätning kunde vi använda en lätt tillgänglig radioaktiv gas, 133Xe, för att med SPECT mäta regionala kvoter av ventilation och perfusion i lungorna. Samma typ av gammakamera, GCA-901A/SA-ECT (Toshiba, Japan), som i studie II användes. Den erhållna genomsnittliga kvoten hos normala var 0.56. Detta värde är lägre än förväntat, vilket kan förklaras av gammakamerans begränsade upplösningsförmåga. Förekomsten av olika ventilations/perfusions kvoter inom lungorna, avseende spridning och gradienter, var den förväntade. Genom studie II och III fann vi att attenueringskorrektion är användbart och ibland nödvändigt vid lungfysiologiska studier med SPECT. Studie IV: För kliniska studier på patienter är det praktiskt, och ibland nödvändigt, att utföra transmissionen samtidigt med emissionsmätningen. Sådana metoder för attenueringskorrrigerad SPECT finns numera kommersiellt tillgängliga. Vi använde en sådan kommersiellt tillgänglig metod för hjärtstudier, Vantage 2.0ä, kopplat till en gamma kamera med två kamera-huvuden, ADAC Genesys Vertex (ADAC Laboratories, USA). Vi fann att otillräcklig hänsyn tagits till att emissions-aktiviteten, från 99mTc-sestamibi, i patienten påverkar transmissions-mätningen utförd med 153Gd. Vi kunde visa att denna oönskade effekt, som beror på spridd strålning, är sådan att den under vissa omstädigheter kan leda till kliniska felbedömningar. Studie V: Tillverkaren (ADAC Laboratories, USA) förbättrade metoden som användes i studie IV, nu kallad Vantage 2.0 ExSPECTä. Vi fick samtidigt tillgång till en annan, delvis annorlunda, variant av attenueringskorrektion vid SPECT för hjärtstudier, Siemens Mµsic™, där man använde en gamma kamera med tre kamera-huvuden, Siemens Multispect 3 (Siemens AG, Germany). De två metoderna var olika bl.a. avseende sättet att registrera, och kompensera för, emissions-aktivitetens påverkan på transmissions-mätningen. Transmissionskällan utgjordes av 153Gd respektive 241Am. För emissions-mätningen användes 99mTc. Vi jämförde metoderna i fantomförsök som liknade dem som gjordes i studie I. Betydelsefulla skillnader påvisades mellan de två gammakamera systemen. Emissions-aktiviteten påverkade fortfarande transmissions mätningen med två-huvuds gammakameran, vilket ledde till för liten attenueringskorrektion. Resultatet av korrektionen med tre-huvuds gammakameran var i dessa fantomförsök tillfredställande. Studie IV och V visar att svårigheten att införa attenueringskorrektion vid hjärtstudier med SPECT kan sammanhänga med förekomsten av brister i vissa kommersiellt tillgängliga metoder. Det är således viktigt att utföra relevanta prekliniska tester av de metoder som erbjuds. Studie IV och V visar att för närvarande kan användarna själva behöva utföra dessa tester. Detta är väl genomförbart med relativt enkla blockfantom, vilket visas i studie I och V.

• author: Almquist, Helén
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Bake, Björn, Gothenburg
• organization: Clinical Physiology (Lund)
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cardiac and Cardiovascular Systems; Respiratory Medicine and Allergy
• keywords: Klinisk fysiologi, tomography, medical instrumentation, radiology, Clinical physics, downscatter, myocardial perfustion, ventilation-perfusion ratio, radiologi, pulmonary density, pulmonary perfusion, attenuation correction, SPECT, transmission measurement, tomografi, medicinsk instrumentering
• pages: 116 pages
• defense location: N/A
• defense date: 2000-03-02 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFL-1014-SE
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 25760bb9-511b-4f3e-8321-bc7dd47d9fc4 (old id 41263)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:47:30
• date last changed: 2018-11-21 21:16:20