Imaging in neurological and vascular brain diseases (SPECT and SPECT/CT)

Since the first in vivo studies of cerebral function with radionuclides by Ingvar and Lassen, nuclear medicine (NM) brain applications have evolved dramatically, with marked improvements in both methods and tracers. Consequently it is now possible to assess not only cerebral blood flow and energy metabolism but also neurotransmission. Planar functional imaging was soon substituted by single-photon emission computed tomography (SPECT) and positron emission tomography (PET); it now has limited application in brain imaging, being reserved for the assessment of brain death.

Assessment of the quality of brain regions and neuroimaging metrics as biomarkers of Alzheimer’s disease

Alzheimer Disease (AD) is characterized by progressive cognitive decline and dementia. Earlier diagnosis and classification of different stages of the disease are currently the main challenges and can be assessed by neuroimaging. With this work we aim to evaluate the quality of brain regions and neuroimaging metrics as biomarkers of AD. Multimodal Imaging Brain Connectivity Analysis (MIBCA) toolbox functionalities were used to study AD by T1weighted, Diffusion Tensor Imaging and 18FAV45 PET, with data obtained from the AD Neuroimaging Initiative database, specifically 12 healthy controls (CTRL) and 33 patients with early mild cognitive impairment (EMCI), late MCI (LMCI) and AD (11 patients/group). The metrics evaluated were gray-matter volume (GMV), cortical thickness (CThk), mean diffusivity (MD), fractional anisotropy (FA), fiber count (FiberConn), node degree (Deg), cluster coefficient (ClusC) and relative standard-uptake-values (rSUV). Receiver Operating Characteristic (ROC) curves were used to evaluate and compare the diagnostic accuracy of the most significant metrics and brain regions and expressed as area under the curve (AUC). Comparisons were performed between groups. The RH-Accumbens/Deg demonstrated the highest AUC when differentiating between CTRLEMCI (82%), whether rSUV presented it in several brain regions when distinguishing CTRL-LMCI (99%). Regarding CTRL-AD, highest AUC were found with LH-STG/FiberConn and RH-FP/FiberConn (~100%). A larger number of neuroimaging metrics related with cortical atrophy with AUC>70% was found in CTRL-AD in both hemispheres, while in earlier stages, cortical metrics showed in more confined areas of the temporal region and mainly in LH, indicating an increasing of the spread of cortical atrophy that is characteristic of disease progression. In CTRL-EMCI several brain regions and neuroimaging metrics presented AUC>70% with a worst result in later stages suggesting these indicators as biomarkers for an earlier stage of MCI, although further research is necessary.

Implementation of a new reference values database for semiquantification in123I-FP-CIT brain single emission tomography

Brain dopamine transporters imaging by Single Emission Tomography (SPECT) with 123I-FP-CIT (DaTScanTM) has become an important tool in the diagnosis and evaluation of Parkinson syndromes.This diagnostic method allows the visualization of a portion of the striatum – where healthy pattern resemble two symmetric commas - allowing the evaluation of dopamine presynaptic system, in which dopamine transporters are responsible for dopamine release into the synaptic cleft, and their reabsorption into the nigrostriatal nerve terminals, in order to be stored or degraded. In daily practice for assessment of DaTScan TM, it is common to rely only on visual assessment for diagnosis. However, this process is complex and subjective as it depends on the observer’s experience and it is associated with high variability intra and inter observer. Studies have shown that semiquantification can improve the diagnosis of Parkinson syndromes. For semiquantification, analysis methods of image segmentation using regions of interest (ROI) are necessary. ROIs are drawn, in specific - striatum - and in nonspecific – background – uptake areas. Subsequently, specific binding ratios are calculated. Low adherence of semiquantification for diagnosis of Parkinson syndromes is related, not only with the associated time spent, but also with the need of an adapted database of reference values for the population concerned, as well as, the examination of each service protocol. Studies have concluded, that this process increases the reproducibility of semiquantification. The aim of this investigation was to create and validate a database of healthy controls for Dopamine transporters with DaTScanTM named DBRV. The created database has been adapted to the Nuclear Medicine Department’s protocol, and the population of Infanta Cristina’s Hospital located in Badajoz, Spain.

Influence of reconstruction parameters for FBP in semiquantification of brain studies with 123I-FPCIT

Brain dopamine transporters imaging by Single Photon Emission Tomography (SPECT) with 123I-FP-CIT has become an important tool in the diagnosis and evaluation of parkinsonian syndromes, since this radiopharmaceutical exhibits high affinity for membrane transporters responsible for cellular reabsorption of dopamine on the striatum. However, Ordered Subset Expectation Maximization (OSEM) is the method recommended in the literature for imaging reconstruction. Filtered Back Projection (FBP) is still used due to its fast processing, even if it presents some disadvantages. The aim of this work is to investigate the influence of reconstruction parameters for FBP in semiquantification of Brain Studies with 123I-FPCIT compared with those obtained with OSEM recommended reconstruction.

Estudo da influência do número de ciclos por projecção no cálculo da fracção de ejecção ventricular esquerda em estudos Gated-SPECT

Introdução - Gated-Single Photon Emission Computed Tomography (Gated-SPECT) do miocárdio usa-se cada vez mais na avaliação conjunta da perfusão do miocárdio e da função ventricular esquerda. O objectivo deste estudo é analisar a possível interferência do número de ciclos cardíacos (ciclos/projecção) e contagens totais por aquisição no cálculo da FEVE (fracção de ejecção do ventrículo esquerdo). Material e métodos - Foram incluídos 35 indivíduos a quem foram realizados estudos Gated-SPECT do miocárdio por indicação clínica. Em todos os pacientes foram adquiridos dois estudos em esforço: um com 25 ciclos! projecção (ES-25) e outro com 50 ciclos! projecção (ES-50), e dois estudos em repouso: um com 25 ciclos/projecção (ER-25) e outro com 12 ciclos! projecção (ER-1 2). Os valores da FEVE obtidos nos diferentes estudos foram tratados estatisticamente com o recurso à versão 14 SPSS. Resultados - Não houve diferenças estatisticamente significativas entre os valores de FEVE ES-25 e ES-50 (p=0.504) nem entre os valores de FEVE ER-25 e ER-12 (p=O.243). Conclusão - No caso da nossa amostra, o número de ciclos!projecção e consequentemente as contagens totais por aquisição não parecem ter influência de forma significativa no cálculo da FEVE%, nem em repouso nem após esforço.

Influência de diferentes parâmetros na diminuição da actividade extra-miocárdica nos estudos Gated-SPECT

A imagem de perfusão do miocárdio por tomografia computorizada de emissão de fotão único (SPECT, do acrónimo inglês Single Photon Emission Computed Tomography) é um dos exames complementares de diagnóstico mais indicados na cardiologia clínica. Os dois agentes tecneciados mais utilizados são o 99mTc-tetrofosmina e o 99mTc-sestamibi. Estes permitem avaliar a distribuição do fluxo sanguíneo no músculo cardíaco. O mecanismo de fixação é idêntico nos dois radiofármacos (RF’s). São excretados, do organismo, a partir do sistema hepatobiliar para o duodeno e para o intestino. Assim, o RF está presente tanto no coração como nos órgãos adjacentes. O coração encontra-se localizado sobre o diafragma, logo acima do lobo esquerdo do fígado e nas proximidades do estômago. Deste modo, os fotões difusos provenientes desses órgãos podem interferir com a interpretação das imagens SPECT, principalmente na parede inferior do ventrículo esquerdo, traduzindo-se na redução da razão alvo-fundo e na qualidade da imagem. Deste modo, a sensibilidade e a especificidade da Cintigrafia de Perfusão do Miocárdio (CPM) diminuem. Têm sido descritos na literatura vários métodos e técnicas para minimizar o efeito da actividade extra-miocárdica, como: a aquisição de imagens mais tardias, a ingestão de líquidos ou alimentos ricos em lípidos. Outras técnicas apontam para a alteração do posicionamento do paciente durante a aquisição. Assim, o objectivo deste estudo é identificar o protocolo da CPM a nível nacional e avaliar a percentagem de repetições de exames provocadas pela interferência de actividade extra-miocárdica.

Influence of reconstruction parameters during filtered backprojection and ordered-subset expectation maximization in the measurement of the left-ventricular volumes and function during gated SPECT

A crucial method for investigating patients with coronary artery disease (CAD) is the calculation of the left ventricular ejection fraction (LVEF). It is, consequently, imperative to precisely estimate the value of LVEF--a process that can be done with myocardial perfusion scintigraphy. Therefore, the present study aimed to establish and compare the estimation performance of the quantitative parameters of the reconstruction methods filtered backprojection (FBP) and ordered-subset expectation maximization (OSEM). Methods: A beating-heart phantom with known values of end-diastolic volume, end-systolic volume, and LVEF was used. Quantitative gated SPECT/quantitative perfusion SPECT software was used to obtain these quantitative parameters in a semiautomatic mode. The Butterworth filter was used in FBP, with the cutoff frequencies between 0.2 and 0.8 cycles per pixel combined with the orders of 5, 10, 15, and 20. Sixty-three reconstructions were performed using 2, 4, 6, 8, 10, 12, and 16 OSEM subsets, combined with several iterations: 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 32, and 64. Results: With FBP, the values of end-diastolic, end-systolic, and the stroke volumes rise as the cutoff frequency increases, whereas the value of LVEF diminishes. This same pattern is verified with the OSEM reconstruction. However, with OSEM there is a more precise estimation of the quantitative parameters, especially with the combinations 2 iterations × 10 subsets and 2 iterations × 12 subsets. Conclusion: The OSEM reconstruction presents better estimations of the quantitative parameters than does FBP. This study recommends the use of 2 iterations with 10 or 12 subsets for OSEM and a cutoff frequency of 0.5 cycles per pixel with the orders 5, 10, or 15 for FBP as the best estimations for the left ventricular volumes and ejection fraction quantification in myocardial perfusion scintigraphy.

Study of the influence of count’s number in myocardium in the determination of reproducible functional parameters in Gated-SPECT studies simulated with GATE

Myocardial Perfusion Gated Single Photon Emission Tomography (Gated-SPET) imaging is used for the combined evaluation of myocardial perfusion and left ventricular (LV) function. But standard protocols of the Gated-SPECT studies require long acquisition times for each study. It is therefore important to reduce as much as possible the total duration of image acquisition. However, it is known that this reduction leads to decrease on counts statistics per projection and raises doubts about the validity of the functional parameters determined by Gated-SPECT. Considering that, it’s difficult to carry out this analysis in real patients. For ethical, logistical and economical matters, simulated studies could be required for this analysis. Objective: Evaluate the influence of the total number of counts acquired from myocardium, in the calculation of myocardial functional parameters (LVEF – left ventricular ejection fraction, EDV – end-diastolic volume, ESV – end-sistolic volume) using routine software procedures.

A comparison of two attenuation correction methods in 111In-Pentetriotide abdominal SPECT

Tomographic image can be degraded, partially by patient based attenuation. The aim of this paper is to quantitatively verify the effects of attenuation correction methods Chang and CT in 111In studies through the analysis of profiles from abdominal SPECT, correspondent to a uniform radionuclide uptake organ, the left kidney.

Molecular imaging agents for detection of β-amyloid plaques in Alzheimer’s disease

The formation of amyloid structures is a neuropathological feature that characterizes several neurodegenerative disorders, such as Alzheimer´s and Parkinson´s disease. Up to now, the definitive diagnosis of these diseases can only be accomplished by immunostaining of post mortem brain tissues with dyes such Thioflavin T and congo red. Aiming at early in vivo diagnosis of Alzheimer´s disease (AD), several amyloid-avid radioprobes have been developed for b-amyloid imaging by positron emission tomography (PET) and single-photon emission computed tomography (SPECT). The aim of this paper is to present a perspective of the available amyloid imaging agents, special those that have been selected for clinical trials and are at the different stages of the US Food and Drugs Administration (FDA) approval.

Influência de diferentes parâmetros na diminuição da atividade extra-miocárdica nos estudos Gated-SPECT

Introdução – A cintigrafia de perfusão do miocárdio (CPM) é um dos exames complementares de diagnóstico mais indicados na patologia cardiovascular. A atividade extramiocárdica é um problema recorrente na aquisição e avaliação da imagem. Parâmetros como o radiofármaco (RF) administrado, o tipo de esforço, a ingestão de alimentos, o posicionamento e o processamento de imagem influenciam a atividade extramiocárdica na CPM. O objetivo deste estudo é identificar o protocolo da CPM a nível nacional e avaliar a percentagem de repetições das aquisições provocadas por este problema. Metodologia – Para a realização deste estudo, a população selecionada foram os Serviços de Medicina Nuclear (SMN) em Portugal Continental. Foram analisados 15 questionários, respondidos pelos Técnicos Coordenadores dos vários SMN. Foi realizada a associação do comportamento das variáveis, através da estatística descritiva e do Coeficiente de Correlação de Spearman. Resultados – A percentagem de repetições é menor com o uso da 99mTecnécio(Tc)-Tetrofosmina, aquisição de imagens tardias, ingestão de diversos alimentos (água, leite, sumo, pão com manteiga) e com a correção de atenuação. Conclusão – Os resultados obtidos demonstram que a maioria das soluções aplicadas nos SMN resultam numa diminuição das repetições.

Variabilidade introduzida pelo operador no processamento dos estudos Gated-SPECT do miocárdio

Introdução – Os estudos Gated – Single Photon Emission Computed Tomography (SPECT) são uma das técnicas de imagiologia cardíaca que mais evoluiu nas últimas décadas. Para a análise das imagens obtidas, a utilização de softwares de quantificação leva a um aumento da reprodutibilidade e exatidão das interpretações. O objetivo deste estudo consiste em avaliar, em estudos Gated-SPECT, a variabilidade intra e interoperador de parâmetros quantitativos de função e perfusão do miocárdio, obtidos com os softwares Quantitative Gated SPECT (QGS) e Quantitative Perfusion SPECT (QPS). Material e métodos – Recorreu-se a uma amostra não probabilística por conveniência de 52 pacientes, que realizaram estudos Gated-SPECT do miocárdio por razões clínicas e que integravam a base de dados da estação de processamento da Xeleris da ESTeSL. Os cinquenta e dois estudos foram divididos em dois grupos distintos: Grupo I (GI) de 17 pacientes com imagens com perfusão do miocárdio normal; Grupo II (GII) de 35 pacientes que apresentavam defeito de perfusão nas imagens Gated-SPECT. Todos os estudos foram processados 5 vezes por 4 operadores independentes (com experiência de 3 anos em Serviços de Medicina Nuclear com casuística média de 15 exames/semana de estudos Gated-SPECT). Para a avaliação da variabilidade intra e interoperador foi utilizado o teste estatístico de Friedman, considerando α=0,01. Resultados e discussão – Para todos os parâmetros avaliados, os respectivos valores de p não traduziram diferenças estatisticamente significativas (p>α). Assim, não foi verificada variabilidade intra ou interoperador significativa no processamento dos estudos Gated-SPECT do miocárdio. Conclusão – Os softwares QGS e QPS são reprodutíveis na quantificação dos parâmetros de função e perfusão avaliados, não existindo variabilidade introduzida pelo operador.

Relação entre função ventricular esquerda e os índices de captação miocárdio/pulmão em estudos Gated-SPECT

Introdução – A tomografia de emissão de fotão simples sincronizada com o sinal eletrocardiográfico (Gated-SPECT) é essencial para a avaliação conjunta da perfusão e da função ventricular esquerda (VE) do miocárdio. Objetivo – Investigar a relação entre a função VE e o índice de captação (IC) miocárdio/pulmão direito (M/PD) e M/P esquerdo (M/PE) nos estudos Gated-SPECT com 99mTc-Tetrofosmina. Metodologia – Amostra de 32 pacientes que realizaram estudos Gated-SPECT por indicação clínica, sendo subdividida em dois grupos: Grupo I (GI) – pacientes com a informação clínica de enfarte agudo do miocárdio (EAM); Grupo II (GII) – pacientes com a informação clínica de isquemia. Por cada paciente adquiriram-se imagens estáticas torácico-abdominais e dois estudos Gated-SPECT do miocárdio (protocolo de um dia esforço/repouso). Nas imagens estáticas definiram-se regiões de interesse (Regions of interest – ROI) para calcular os IC. Nos estudos Gated-SPECT utilizou-se o software Quantitative Gated SPECT/Quantitative Perfusion SPECT para calcular a Fração de Ejeção do Ventrículo Esquerdo (FEVE). Efetuou-se análise estatística descritiva para caracterização da amostra. Aplicou-se o teste de Spearman para avaliar a correlação entre a FEVE e os IC por grupo de pacientes. O Teste de Willcoxon foi usado para comparar FEVE em repouso e em esforço. Resultados – Nos estudos Gated-SPECT em esforço não se verificou correlação estatisticamente significativa entre a FEVE e os IC, para GI e GII; em repouso existe correlação positiva estatisticamente significativa entre a FEVE e os IC, para GI; para GII não se verificou correlação. Na comparação dos valores de FEVE em esforço e repouso nos dois grupos constatou-se a existência de diferenças estatisticamente significativas, sendo a FEVE em EsforçoSPECT (GI e GII).

The influence of count's number in myocardium in the determination of reproducible parameters in Gated-SPECT studies simulated with GATE

Myocardial Perfusion Gated Single Photon Emission Tomography (Gated-SPET) imaging is used for the combined evaluation of myocardial perfusion and left ventricular (LV). The purpose of this study is to evaluate the influence of the total number of counts acquired from myocardium, in the calculation of myocardial functional parameters using routine software procedures. Methods: Gated-SPET studies were simulated using Monte Carlo GATE package and NURBS phantom. Simulated data were reconstructed and processed using the commercial software package Quantitative Gated-SPECT. The Bland-Altman and Mann-Whitney-Wilcoxon tests were used to analyze the influence of the number of total counts in the calculation of LV myocardium functional parameters. Results: In studies simulated with 3MBq in the myocardium there were significant differences in the functional parameters: Left ventricular ejection fraction (LVEF), end-systolic volume (ESV), Motility and Thickness; between studies acquired with 15s/projection and 30s/projection. Simulations with 4.2MBq show significant differences in LVEF, end-diastolic volume (EDV) and Thickness. Meanwhile in the simulations with 5.4MBq and 8.4MBq the differences were statistically significant for Motility and Thickness. Conclusion: The total number of counts per simulation doesn't significantly interfere with the determination of Gated-SPET functional parameters using the administered average activity of 450MBq to 5.4MBq in myocardium.

Avaliação da viabilidade miocárdica pós-enfarte: Gated-SPECT versus Gated-PET

Mestrado em Medicina Nuclear - Ramo de especialização: Tomografia por Emissão de Positrões