Accuracy of Quantification for Renography with 99mTc-MAG3: A Study on Virtual and Clinical Data

Abstract

Aim: Renography with 99mTc-MAG3 is one of the most common nuclear medicine examinations. It’s extensive use justifies a thorough investigation of the methods used to accurately determine the split renal function, for instance with regard to background subtraction and correction for renal depth differ- ences. Previous studies on this subject have been made, mainly on patient image data, thus the ”true” values have not been possible to determine. In this study, both patient images and images from virtual patients obtained from Monte Carlo simulations have been used in the analysis in order to determine the most accurate method for quantitating the split renal function.

Method: Initially, a transmission measurement was performed with a 57Co flood source and an anthropomorfic phantom (KYOTO KAGAKU) filled with water. The phantom was then filled with an activity concentration correspond- ing to the uptake in a real patient and an activity quantification was performed. Additionaly, twenty sets of simulated dynamic renography images obtained from a gamma-camera simulation of an anthropomorphic digital XCAT phantom to- gether with 25 dynamic patient studies were used for analysis. The split renal function was calculated from the images using three different types of ROIs for background correction; (a) distant perirenal ROI (2 pixels wide and 4 pixels outside the kidney ROI) (b) adjacent perirenal ROI (2 pixels wide and 1 pixel outside the kidney ROI) and (c) adjacent lateral ROI (2 pixels wide and 1 pixel outside the kidney ROI). Distant and adjacent perirenal ROIs were applied with an automated program, adjacent lateral ROI was both automatically and manually drawn. To determine which background correction method that gave the most accurate results, the kidney and the background ROIs were drawn in all simulated images with split renal functions ranging from 50-50% to 90-10%. The background ROI that gave the most accurate result in the simulated images was then used in a separate study to investigate the improvement of applying the geometrical-mean (GM) correction on anterior/posterior images from pa- tient studies. The operator dependence was also studied by comparing results obtained with manually drawn and with automatically generated ROIs.

Results: The deviation from the true uptake values was smallest when us- ing the distant perirenal ROI. The largest error was associated with the lateral ROI. The GM method, in contrast to assessment with solely posterior images, corrects for kidneys which are placed at different depths in the body. The use of automatically placed ROIs showed more reproducible results without the intra- operator variability.

Discussion: The use of virtual images in conjunction with patient studies was found to be very useful for estimating uncertainties associated with back- ground correction, operator dependence and the use of the GM method. The method which was most accurate and hence suitable to use in clinical routine was the GM method with automatically drawn, distant perirenal background ROIs.

Conclusions: The result of this study supports the use of distant ROIs when calculating the split renal function, preferably applied with an automated ROI program. The GM method is recommended as a standard method in the clinic.

Popular Abstract (Swedish)

Njurarna har en renande funktion i kroppen. De ser till att blodet är fritt från
olika ämnen och att kroppen gör sig av med restprodukter. Dessutom produc- erar binjurarna hormoner och reglerar blodtrycket. Detta är bara några av de många egenskaper som njurarna har. Eftersom njurarna har en viktig roll i många processer i kroppen kan en nedsatt njurfunktion ha flera olika typer av symptom som trötthet, högt blodtryck och sämre aptit. För att få information om njurarnas funktion kan en så kallad renografi göras.

Vid en nuklearmedicinsk undersökning används ett läkemedel som märks med en radioaktiv isotop, ett så kallat radiofarmaka. Detta radiofarmaka in- jiceras i patienter för att undersöka funktionen av olika organ i kroppen. Beroende på vilket organ som önskas undersökas, används olika radioaktiva läkemedel. Efter injektionen tas bilder med en gammakamera, denna samlar in bilder dy- namiskt (i en tidssekvens). Sammanlagt fås 84 bilder, varje bild består av ett antal pixlar och varje pixel har ett numeriskt värde som motsvarar de counts i bilden som motsvarar isotopupptaget. Vid utvärderingen definineras ett om- råde; ett så kallat ”region of interest” (ROI) runt varje njure och värdena som fås i dessa ROI används för att uppskatta upptaget i njuren. Sedan görs även en korrektion för upptag i andra delar av kroppen, detta görs genom att lägga så kallade bakgrunds ROI som omgärdar njuren i bilden och som kan ritas på olika sätt. De värden som fås efter denna korrektion plottas sedan som en funktion av tiden. Sättet att utföra och utvärdera renografi kan variera från sjukhus till sjukhus trots att undersökningen funnits inom sjukvården under en längre tid. I denna studie har vi jämfört olika bakgrunds-ROI för att korrigera för aktivitetsupptag i bakgrunden. Vi har också utvecklat ett automatiserat sätt att lägga ROI runt njuren i bilden och jämfört detta med att lägga dem manuellt, vilket idag är standard på många sjukhus. Vi började med att göra en så kallad aktivitetskvantifiering med ett antropomorfiskt fantom. Det antropo- morfa fantomet är gjort av plexiglas och efterliknar en del av överkroppen hos en människa, innehållande lever, njurar och en del av ryggraden. Organen är ihåliga och kan fyllas med vatten blandat med ett radioaktivt ämne. Genom att mäta aktiviteten innan bildtagning och beräkna aktiviteten utifrån bilderna kan en jämförelse mellan mätningen och beräkningen göras, för att besämma hur nära sanningen man kan komma. Vi har även använt oss av virtuellt fram- tagna datapatienter där vi på förhand defininerat njurens funktion genom att i föroväg bestämma hur mycket av det radioaktiva ämnet som skall tas upp av njurarna. På så sätt har vi kunnat bestämma vilken korrektionsmetod och utvärderingsmetod som är bäst. Vi har därefter gjort en patientstudie på 25 patienter och i dessa bilder applicerat den bakgrunds-ROI som gav det bästa resultatet i bilderna från de virtuella patienterna.

Standardundersökningen görs med en detektor under patienten; vi har även undersökt om resultatet av utvärderingen blir bättre med ytterligare en detek- tor ovanför patienten vid bildtagningen (anterior= över och posterior= under). Bilder i anterior och posterior position används för att beräkna det sk. geometriska medelvärdet, vilket gör att uppskattningen av upptaget i njurarna blir oberoende av njurarnas placering (i djupled). Denna metod tar alltså hän- syn till njurens position vilket standardundersökningen inte gör.

Utifrån resultaten föreslår vi att ett geometriskt medelvärde ska beräknas på bilder från alla patienter, eftersom det finns en risk för över- eller under- skattning av njurarnas funktion om insamlingen sker med endast en detektor under patienten. Studien har visat att då vi placerar bakgrunds-ROI en bit bort från njuren så får vi en mer korrekt beräkning av njurens funktion, fram- förallt för höger njure och då funktionen är nedsatt. Resultaten visar även att man kommer närmare de faktiska värdena på ett digitalt fantom om man lägger bakgrunds-ROI automatiskt jämfört med manuellt.

• author: Ceric, Irma
• supervisor: Marie Sydoff; Jolanta Bartosik; Michael Ljungberg; Gustav Brolin
• organization: Medical Radiation Physics, Lund
• course: MSFM31 20151
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 8891005
• date added to LUP: 2016-09-07 11:55:38
• date last changed: 2016-09-07 11:55:38