Machine Learning Algorithms at Myocardial Perfusion Imaging - a Preliminary Study

Introduction: A major focus of data mining process - especially machine learning researches - is to automatically learn to recognize complex patterns and help to take the adequate decisions strictly based on the acquired data. Since imaging techniques like MPI – Myocardial Perfusion Imaging on Nuclear Cardiology, can implicate a huge part of the daily workflow and generate gigabytes of data, there could be advantages on Computerized Analysis of data over Human Analysis: shorter time, homogeneity and consistency, automatic recording of analysis results, relatively inexpensive, etc.Objectives: The aim of this study relates with the evaluation of the efficacy of this methodology on the evaluation of MPI Stress studies and the process of decision taking concerning the continuation – or not – of the evaluation of each patient. It has been pursued has an objective to automatically classify a patient test in one of three groups: “Positive”, “Negative” and “Indeterminate”. “Positive” would directly follow to the Rest test part of the exam, the “Negative” would be directly exempted from continuation and only the “Indeterminate” group would deserve the clinician analysis, so allowing economy of clinician’s effort, increasing workflow fluidity at the technologist’s level and probably sparing time to patients. Methods: WEKA v3.6.2 open source software was used to make a comparative analysis of three WEKA algorithms (“OneR”, “J48” and “Naïve Bayes”) - on a retrospective study using the comparison with correspondent clinical results as reference, signed by nuclear cardiologist experts - on “SPECT Heart Dataset”, available on University of California – Irvine, at the Machine Learning Repository. For evaluation purposes, criteria as “Precision”, “Incorrectly Classified Instances” and “Receiver Operating Characteristics (ROC) Areas” were considered. Results: The interpretation of the data suggests that the Naïve Bayes algorithm has the best performance among the three previously selected algorithms. Conclusions: It is believed - and apparently supported by the findings - that machine learning algorithms could significantly assist, at an intermediary level, on the analysis of scintigraphic data obtained on MPI, namely after Stress acquisition, so eventually increasing efficiency of the entire system and potentially easing both roles of Technologists and Nuclear Cardiologists. In the actual continuation of this study, it is planned to use more patient information and significantly increase the population under study, in order to allow improving system accuracy.

Analysing the usefulness of motion correction software in myocardial perfusion imaging

Introduction Myocardial Perfusion Imaging (MPI) is a very important tool in the assessment of Coronary Artery Disease ( CAD ) patient s and worldwide data demonstrate an increasingly wider use and clinical acceptance. Nevertheless, it is a complex process and it is quite vulnerable concerning the amount and type of possible artefacts, some of them affecting seriously the overall quality and the clinical utility of the obtained data. One of the most in convenient artefacts , but relatively frequent ( 20% of the cases ) , is relate d with patient motion during image acquisition . Mostly, in those situations, specific data is evaluated and a decisi on is made between A) accept the results as they are , consider ing that t he “noise” so introduced does not affect too seriously the final clinical information, or B) to repeat the acquisition process . Another possib ility could be to use the “ Motion Correcti on Software” provided within the software package included in any actual gamma camera. The aim of this study is to compare the quality of the final images , obtained after the application of motion correction software and after the repetition of image acqui sition. Material and Methods Thirty cases of MPI affected by Motion Artefacts and repeated , were used. A group of three, independent (blinded for the differences of origin) expert Nuclear Medicine Clinicians had been invited to evaluate the 30 sets of thre e images - one set for each patient - being ( A) original image , motion uncorrected , (B) original image, motion corrected, and (C) second acquisition image, without motion . The results so obtained were statistically analysed . Results and Conclusion Results obtained demonstrate that the use of the Motion Correction Software is useful essentiall y if the amplitude of movement is not too important (with this specific quantification found hard to define precisely , due to discrepancies between clinicians and other factors , namely between one to another brand); when that is not the case and the amplitude of movement is too important , the n the percentage of agreement between clinicians is much higher and the repetition of the examination is unanimously considered ind ispensable.

A reconstrução tomográfica em SPECT com utilização dos novos métodos iterativos “WBR”: comparação com métodos analíticos

Os métodos utilizados pela Medicina moderna no âmbito da Imagem Molecular e na sua capacidade de diagnosticar a partir da “Função do Orgão” em vez da “Morfologia do Orgão”, vieram trazer á componente fundamental desta modalidade da Imagiologia Médica – A Medicina Nuclear – uma importância acrescida, que se tem traduzido num aumento significativo no recurso á sua utilização nas diferentes formas das suas aplicações clínicas. Para além dos aspectos meramente clínicos, que só por si seriam suficientes para ocupar várias dissertações como a presente; a própria natureza desta técnica de imagem, com a sua inerente baixa resolução e tempos longos de aquisição, vieram trazer preocupações acrescidas quanto ás questões relacionadas com a produtividade (nº de estudos a realizar por unidade de tempo); com a qualidade (aumento da resolução da imagem obtida) e, com os níveis de actividade radioactiva injectada nos pacientes (dose de radiação efectiva sobre as populações). Conhecidas que são então as limitações tecnológicas associadas ao desenho dos equipamentos destinados á aquisição de dados em Medicina Nuclear, que apesar dos avanços introduzidos, mantêm mais ou menos inalteráveis os conceitos base de funcionamento de uma Câmara Gama, imaginou-se a alteração significativa dos parâmetros de aquisição (tempo, resolução, actividade), actuando não ao nível das condições técnico-mecânicas dessa aquisição, mas essencialmente ao nível do pós-processamento dos dados adquiridos segundo os métodos tradicionais e que ainda constituem o estado da arte desta modalidade. Este trabalho tem então como objectivo explicar por um lado, com algum pormenor, as bases tecnológicas que desde sempre têm suportado o funcionamento dos sistemas destinados á realização de exames de Medicina Nuclear, mas sobretudo, apresentar as diferenças com os inovadores métodos, que aplicando essencialmente conhecimento (software), permitiram responder ás questões acima levantadas.

Avanços da ressonância magnética mamária no diagnóstico do carcinoma da mama

A Ressonância Magnética Mamaria (RMM), ao longo da década, tem demonstrado um franco desenvolvimento no diagnóstico e caracterização do Carcinoma Mamário. O objectivo deste trabalho científico é demonstrar, através de uma revisão bibliográfica, os avanços desta modalidade na avaliação das lesões da mama, tendo em conta as características: elasticidade (Elastografia), bioquímicas (Espectroscopia), celularidade (Difusão) e vascularização (Perfusão). A avaliação destas em consonância com as morfológicas e cinéticas (RMM), permitem um aumento da especificidade da RMM, reduzindo assim o número de biopsias desnecessárias. Contudo estas evoluções técnicas devem estar em consonância com a inovação em questões de software de processamento de Imagem e hardware dos equipamentos de Ressonância Magnética.

Optimização e Validação da Produção de [13n]-Nh3 para Estudos Clínicos de Tomografia por Emissão de Positrões na Avaliação da Perfusão Miocárdica

A par das patologias oncológicas, as doenças do foro cardíaco, em particular a doença arterial coronária, são uma das principais causas de morte nos países industrializados, devido sobretudo, à grande incidência de enfartes do miocárdio. Uma das formas de diagnóstico e avaliação desta condição passa pela obtenção de imagens de perfusão miocárdica com radionuclídeos, realizada por Tomografia por Emissão de Positrões (PET). As soluções injectáveis de [15O]-H2O, [82Rb] e [13N]-NH3 são as mais utilizadas neste tipo de exame clínico. No Instituto de Ciências Nucleares Aplicadas à Saúde (ICNAS), a existência de um ciclotrão tem permitido a produção de uma variedade de radiofármacos, com aplicações em neurologia, oncologia e cardiologia. Recentemente, surgiu a oportunidade de iniciar exames clínicos com [13N]-NH3 para avaliação da perfusão miocárdica. É neste âmbito que surge a oportunidade do presente trabalho, pois antes da sua utilização clínica é necessário realizar a optimização da produção e a validação de todo o processo segundo as normas de Boas Práticas Radiofarmacêuticas. Após uma fase de optimização do processo, procedeu-se à avaliação dos parâmetros físico-químicos e biológicos da preparação de [13N]-NH3, de acordo com as indicações da Farmacopeia Europeia (Ph. Eur.) 8.2. De acordo com as normas farmacêuticas, foram realizados 3 lotes de produção consecutivos para validação da produção de [13N]-NH3. Os resultados mostraram um produto final límpido e ausente de cor, com valores de pH dentro do limite especificado, isto é, entre 4,5 e 8,5. A pureza química das amostras foi verificada, uma vez que relativamente ao teste colorimétrico, a tonalidade da cor da solução de [13N]-NH3 não era mais intensa que a solução de referência. As preparações foram identificadas como sendo [13N]-NH3, através dos resultados obtidos por cromatografia iónica, espectrometria de radiação gama e tempo de semi-vida. Por examinação do cromatograma obtido com a solução a ser testada, observou-se que o pico principal possuia um tempo de retenção aproximadamente igual ao pico do cromatograma obtido para a solução de referência. Além disso, o espectro de radiação gama mostrou um pico de energia 0,511 MeV e um outro adicional de 1,022 MeV para os fotões gama, característico de radionuclídeos emissores de positrões. O tempo de semi-vida manteve-se dentro do intervalo indicado, entre 9 e 11 minutos. Verificou-se, igualmente, a pureza radioquímica das amostras, correspondendo um mínimo de 99% da radioactividade total ao [13N], bem como a pureza radionuclídica, observando-se uma percentagem de impurezas inferiores a 1%, 2h após o fim da síntese. Os testes realizados para verificação da esterilidade e determinação da presença de endotoxinas bacterianas nas preparações de [13N]-NH3 apresentaram-se negativos.Os resultados obtidos contribuem, assim, para a validação do método para a produção de [13N]-NH3, uma vez que cumprem os requisitos especificados nas normas europeias, indicando a obtenção de um produto seguro e com a qualidade necessária para ser administrado em pacientes para avaliação da perfusão cardíaca por PET.