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.

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.

Neuroimagem na dependência de jogos eletrônicos: uma revisão sistemática

Objetivo: Realizar revisão sistemática de manuscritos que utilizaram a neuroimagem no estudo da dependência de jogos eletrônicos, a fim de identificar as principais regiões cerebrais alteradas. Métodos: Foram realizadas buscas nos seguintes bancos de dados: ScieELO, BVS, Lilacs, Science Direct On Line e PubMed. Não houve data mínima para a pesquisa, sendo considerados os artigos encontrados até julho de 2013. Os descritores utilizados para a presente revisão sistemática da literatura foram: “PET”, “SPECT”, “MRI”, “DTI”, “EEG”, “imaging”, “neuroimaging”, “spectroscopy”, “functional magnetic ressonance”, “structural magnetic ressonance”, “tractography”, “voxel” e “brain”, individualmente cruzados com os descritores “gaming” e “video game addiction”. Resultados: Dos 52 artigos encontrados, 16 foram selecionados: nove usaram fMRI, quatro usaram sRMI, um usou PET e dois usaram EEG. Em relação às alterações funcionais e estruturais, elas foram mais observadas no lobo frontal (córtex pré-frontal dorsolateral, córtex orbitofrontal, giro pré-frontal, giro frontal médio), parietal, temporal (giro para-hipocampal), núcleos da base, tálamo, ínsula e cerebelo. Conclusão: A despeito dos métodos utilizados, os estudos apontaram convergências quanto às reciprocidades cerebrais. Essas alterações neurais são semelhantes às observadas em pacientes dependentes de substâncias e de internet, especialmente durante o estado de fissura. Apesar de apenas recentemente pesquisas de neuroimagem em dependentes de jogos eletrônicos terem sido realizadas, contamos no momento com achados significativos alinhados à compreensão dos mecanismos neurais associados à dependência de jogos eletrônicos e respectiva inserção como categoria nosológica no âmbito psiquiátrico.

Detection of the viable myocardium. A perfusion scintigraphic study, before and after coronary bypass surgery in myocardial infarction patients

OBJECTIVE: To compare single-photon-emission computed tomography (SPECT) imaging scans using 201Tl and 99mTc-MIBI in detection of viable myocardium, in regions compromised by infarction. METHODS: Thirty-two (59.3±9.8 years old and 87% male) myocardial infarction patients were studied. All had Q waves on the ECG and left ventricle ejection fraction of <50%. They underwent coronary and left ventricle angiographies and SPECT before (including 201Tl reinjection) and after coronary artery bypass surgery (CABG). Improvement in perfusion observed after surgery was considered the gold standard for myocardial viability. RESULTS: Among 102 studied regions of the heart, there were 40 (39.2%) areas of transient perfusion defects in the conventional protocol with 201Tl and 52 (51.0%) after reinjection. Therefore, 12/62 (19.4%) more viable regions were identified by reinjection. Using 99mTc-MIBI, only 14 (13.7%) regions with transient defects were identified, all of which were seen also in 201Tl protocols. After surgery, 49 of a total of 93 regions analyzed (52.7%) were viable. Sensitivity, specificity, accuracy, positive and negative prediction values were, respectively, 201Tl SPECT scans - 65.3%, 90.9%, 77.4%, 88.9% and 70.2%, reinjection protocol with 201Tl scans - 81.6%, 81.8%, 81.7%, 83.3% and 80.0%; 99mTc-MIBI SPECT scans - 20.4%, 90.9%, 53.8%, 71.4% and 50.6%. Logistic regression demonstrated that the reinjection protocol with 201Tl was the best predictor of viability (P<0.001). CONCLUSION: Our data suggest the election of 201Tl for viability studies, especially when using the reinjection protocol.

Prognostic value of technetium-99m-labeled single-photon emission computerized tomography in the follow-up of patients after their first myocardial revascularization surgery

OBJECTIVE: To assess the prognostic value of Technetium-99m-labeled single-photon emission computerized tomography (SPECT) in the follow-up of patients who had undergone their first myocardial revascularization. METHODS: We carried out a retrospective study of 280 revascularized patients undergoing myocardial scintigraphy under stress (exercise or pharmacological stress with dipyridamole) and at rest according to a 2-day protocol. A set of clinical, stress electrocardiographic and scintigraphic variables was assessed. Cardiac events were classified as "major" (death, infarction, unstable angina) and "any" (major event or coronary angioplasty or new myocardial revascularization surgery). RESULTS: Thirty-six major events occurred as follows: 3 deaths, 11 infarctions, and 22 unstable anginas. In regard to any event, 22 angioplasties and 7 new surgeries occurred in addition to major events, resulting a total of 65 events. The sensitivity of scintigraphy in prognosticating a major event or any event was, respectively, 55% and 58%, showing a negative predictive value of 90% and 83%, respectively. Diabetes mellitus, inconclusive stress electrocardiography, and a scintigraphic visualization of left ventricular enlargement were significant variables for the occurrence of a major event. On multivariate analysis, abnormal myocardial scintigraphy was a predictor of any event. CONCLUSION: Myocardial perfusion tomography with Technetium-99m may be used to identify high-risk patients after their first myocardial revascularization surgery.

Disfunção erétil: um marcador para alterações da perfusão miocárdica?

OBJETIVO: Investigar a correlação entre alterações da perfusão miocárdica e a presença de disfunção erétil (DE) em homens com suspeita clínica ou diagnóstico já estabelecido de insuficiência coronariana crônica. MÉTODOS: Estudo prospectivo com 287 pacientes que, após responderem o questionário IIEF-5 para diagnóstico e avaliação do grau de DE, foram submetidos a avaliação clínico-cardiológica e a estudo cintilográfico da perfusão miocárdica (tecnécio - 99m sestamibi - gated SPECT), antes e após estresse físico ou farmacológico. RESULTADOS: Em 137 pacientes (47,8%) foi detectado algum grau de disfunção erétil (grupo DE+) e nestes, a idade (60,60±9,84 vs 50,67±9,94 - p<0,001)) foi significativamente maior do que naqueles sem disfunção (grupo DE-). No grupo DE+ houve maior prevalência de hipertensão arterial, diabetes, infarto do miocárdio e coronarioplastia prévios. Independentemente do fator idade, o grupo DE+ teve maior prevalência de alterações da perfusão miocárdica (necrose e/ou isquemia) e de diminuição da mobilidade e do grau de espessamento sistólico do miocárdio ventricular. CONCLUSÃO: Pacientes com DE tem maior probabilidade de apresentar alterações da perfusão e do desempenho miocárdico segmentar, independentemente do fator idade. Na presente amostra, a DE foi considerada não só como um marcador da doença isquêmica do coração, mas também fortemente relacionada à ocorrência de eventos coronarianos maiores como infarto do miocárdio e necessidade de coronarioplastia.

Doença arterial coronariana em diabéticas do tipo 2 assintomáticas: estudo comparativo entre o teste ergométrico, o teste cardiopulmonar e a cintilografia de perfusão miocárdica com dipiridamol na identificação de isquemia

FUNDAMENTO: A doença cardiovascular é a principal causa de morbi-mortalidade nos diabéticos. A isquemia do miocárdio é freqüentemente assintomática levando ao diagnóstico tardio e pior prognóstico. Sabe-se que a mulher diabética tem risco de morte cardiovascular maior em relação ao sexo masculino. OBJETIVO: Avaliar a prevalência de doença arterial coronariana (DAC) em diabéticas assintomáticas. Comparar os resultados do teste ergométrico (TE), do teste cardiopulmonar (TCP) e da cintilografia do miocárdio sob estímulo farmacológico com dipiridamol (CM) com os achados da cinecoronariografia (CINE) verificando o método de maior acurácia na identificação de DAC significativa. MÉTODOS: Foram avaliadas 104 diabéticas que realizaram TE, TCP e CM no período de dois meses da CINE. As cintilografias com MIBI-99mTc foram realizadas pela técnica de gated-SPECT. A análise estatística foi realizada pelos testes x² de Pearson e t de Student, sendo realizada, ainda, análise de regressão logística. RESULTADOS: A prevalência de DAC no grupo estudado foi de 32,7%. No TE, o teste eficaz (p=0,045), a incompetência cronotrópica (p=0,031) e o tempo de esforço realizado (p=0,022) apresentaram associação significativa com DAC. No TCP, o VO2pico e a FC atingida apresentaram associação com DAC (p=0,004 e p=0,025). A maioria das variáveis da CM mostrou importante associação com DAC (todas com p=0,001). CONCLUSÃO: Os resultados obtidos sugerem elevada prevalência de DAC em pacientes diabéticas assintomáticas, devendo ser essa uma população investigada do ponto de vista cardiovascular. Dos métodos diagnósticos não-invasivos que foram empregados, o que mostrou ter maior poder de discriminação em relação às portadoras de DAC foi a CM com dipiridamol.

Miocárdio viável pela tomografia computadorizada com Tc-99m (MIBI) sensibilizada por nitroglicerina endovenosa

FUNDAMENTO: A seleção de pacientes com doença coronariana crônica para recanalização baseia-se na detecção do miocárdio comprometido, potencialmente viável. OBJETIVO: Avaliar o miocárdio isquêmico, potencialmente viável pelo SPECT com MIBI sensibilizado por nitroglicerina em dose máxima tolerada. MÉTODOS: Investigamos de forma prospectiva, de abril de 2004 a novembro de 2005, pela tomografia computadorizada por emissão de fóton único SPECT com Tc-99m (MIBI), 40 pacientes (média etária 62 ± 8,9 anos, 30 homens) com obstrtução coronariana demonstrada angiograficamente, e a cintilografia miocárdica foi realizada em repouso e com nitroglicerina endovenosa (EV), iniciando com a dose (1 µg/kg/min) e incremento a cada minuto, até a queda da pressão arterial sistólica em 20 mmHg. A redução da perfusão dos segmentos foi classificada em moderada e severa, e comparada depois da nitroglicerina. Analisamos as variáveis angiográficas, hemodinâmicas e de perfusão miocárdica. RESULTADOS: Analisamos 680 segmentos miocárdicos em repouso: 538 com distribuição homogênea e 142 com hipoperfusão (54 com redução moderada e 88 severa). Depois da nitroglicerina, ocorreu aumento da perfusão em 19 (47,5%) de 40 pacientes. Tornaram-se viáveis 55 de 142 segmentos: 33 (61,1%) com redução moderada e 22 (25%) com redução severa, ambos apresentaram aumento significativo da distribuição do radiofármaco (p < 0,001, qui-quadrado). CONCULSÃO: Dos componentes com Tc-99m, está incluído o Tc-99m-2-methoxy-isobutil-isonitrila (MIBI) que, utilizado com dose otimizada de nitroglicerina EV, pode aumentar a captação do radiofármaco em áreas com hipoperfusão moderada e severa. Os resultados deste estudo sugerem aumento da sensibilidade do Tc-99m (MIBI) pela nitroglicerina para detecção de miocárdio viável.

Infarto do miocárdio causado por lesão arterial coronariana após trauma torácico fechado

Relatamos o caso de um indivíduo do sexo masculino de 29 anos de idade, vítima de um acidente de carro no qual sofreu trauma torácico fechado, evoluindo com insuficiência cardíaca congestiva. O paciente apresentava boa saúde previamente, sem sintomas de doença cardiovascular. Na avaliação inicial, o eletrocardiograma mostrou ondas Q nas derivações precordiais e o ecocardiograma mostrou disfunção ventricular esquerda importante. A angiografia coronária mostrou uma lesão na artéria coronária descendente anterior esquerda (ADE), com acinesia da parede anterior na ventriculografia com contraste. A tomografia computadorizada por emissão de fóton único (SPECT) com Tálio-201 não mostrou viabilidade. O paciente foi mantido em tratamento clínico com boa evolução.

Prevalência de isquemia induzida por estresse mental

FUNDAMENTOS: A cintilografia miocárdica com estresse mental parece induzir isquemia através de uma fisiopatologia particular quando comparada com a cintilografia, utilizando o estresse físico ou farmacológico. OBJETIVO: Avaliar a prevalência de isquemia miocárdica induzida por estresse mental, em pacientes com dor torácica e cintilografia com estresse convencional normal, utilizando 99mTc-Sestamibi. MÉTODOS: 22 PAcientes foram admitidos com dor torácica na emergência, ou foram encaminhados ambulatorialmente ao serviço de medicina nuclear da nossa instituição, onde realizaram cintilografia miocárdica de estresse e repouso sem alterações isquêmicas. Então, foram convidados a realizar uma fase adicional com indução de estresse mental através do conflito de cores (Stroop Color Test) com o objetivo de detectar isquemia miocárdica. Dois cardiologistas e médicos nucleares realizaram a análise cega dos dados perfusionais e consequente quantificação através do SDS (Summed Diference Score), pontuando os segmentos com alteração perfusional após o estresse mental e comparando com a imagem de repouso. A presença de isquemia miocárdica foi considerada com SDS > 3. RESULTADOS: A prevalência de isquemia miocárdica induzida por estresse mental foi de 40% (9 pacientes positivos). Nos 22 pacientes estudados não houve diferença estatística quanto ao número de fatores de risco, alterações hemodinâmicas induzidas pelo estresse mental, uso de medicações, sintomas apresentados, presença ou ausência de doença coronariana e variações da fração de ejeção e volume sistólico final do Gated SPECT. CONCLUSÃO: EM Uma amostra selecionada de pacientes com dor torácica e cintilografia miocárdica convencional normal, a pesquisa de isquemia miocárdica induzida pelo estresse mental através de cintilografia pode ser positiva em até 40% dos casos.

Valor diagnóstico da cintilografia miocárdica em pacientes com doença coronariana multiarterial

FUNDAMENTO: A cintilografia de perfusão miocárdica (CPM) é um método não invasivo extremamente útil na avaliação de isquemia em portadores de doença coronária. Entretanto, persiste o conceito de que não seria um bom método para os portadores de doença coronária multiarterial. OBJETIVO: Avaliar o valor da CPM com gated-SPECT na identificação de isquemia induzida por estresse farmacológico em pacientes com diagnóstico de doença coronária obstrutiva multiarterial. MÉTODOS: Foram incluídos 68 pacientes com diagnóstico de doença coronária obstrutiva multiarterial pela cineangiocoronariografia (cine) para realização de CPM sob estímulo farmacológico com dipiridamol. Os exames foram analisados por dois médicos nucleares sem prévio conhecimento do resultado da cine. RESULTADOS: Dos pacientes, 64 (92,8%) apresentaram alteração nas imagens de perfusão e 4 (7,2%) apresentaram perfusão normal, sendo que, destes, três apresentaram alterações funcionais na análise do gated-SPECT. CONCLUSÃO: A CPM mostrou-se de grande valor na identificação de pacientes portadores de doença coronária multiarterial, já que a maioria dos pacientes apresentou alterações perfusionais sugestivas de isquemia.

Cintilografia de perfusão miocárdica e comprometimento cardíaco na fase indeterminada da doença de chagas

FUNDAMENTO: A cintilografia de perfusão miocárdica (CPM) tem sido utilizada na avaliação da cardiopatia chagásica. OBJETIVO: Investigar o valor da CPM com tomografia computadorizada por emissão de fóton único (gated-SPECT) para detectar comprometimento cardíaco precoce em pacientes chagásicos na fase indeterminada, que apresentam anomalias de movimento segmentar detectadas por exame de imagem por Doppler tecidual (IDT) strain derivada. MÉTODOS: Foram incluídos 40 indivíduos (idade média: 25 ± 2 anos, 50% homens) de uma área endêmica da doença de Chagas e com diagnóstico sorológico positivo. Todos foram submetidos à CPM com gated-SPECT de 2 dias (repouso e estresse) e ecocardiografia. RESULTADOS: Trinta indivíduos (75%) apresentaram resultados normais. Em três casos (8%), a CPM apresentou resultado ligeiramente anormal e em sete foi ambígua. Em todos os casos com defeitos reversíveis, os segmentos afetados foram coincidentes com aqueles com anomalias de movimento. Foi encontrada redução na fração de ejeção ventricular esquerda (FEVE) > 5% (ΔLVEF% < -5) pós-estresse em 11 dos 40 indivíduos (28%). Tanto o desvio padrão fasederivado como a largura da banda do histograma mostraram diferença significativa entre o pós-estresse e a fase de repouso. Em ambos os casos, houve ligeira dessincronia em repouso normalizado no pós-estresse. CONCLUSÃO: Uma abordagem estresse-repouso com gated-SPECT é válida para detectar alterações miocárdicas precoces, bem como dessincronia intraventricular na fase indeterminada da doença de Chagas em pacientes com anomalias no movimento segmentar previamente detectadas pela IDT strain derivada.

Dipyridamole stress myocardial perfusion by computed tomography in patients with left bundle branch block

Abstract Background: Functional tests have limited accuracy for identifying myocardial ischemia in patients with left bundle branch block (LBBB). Objective: To assess the diagnostic accuracy of dipyridamole-stress myocardial computed tomography perfusion (CTP) by 320-detector CT in patients with LBBB using invasive quantitative coronary angiography (QCA) (stenosis ≥ 70%) as reference; to investigate the advantage of adding CTP to coronary computed tomography angiography (CTA) and compare the results with those of single photon emission computed tomography (SPECT) myocardial perfusion scintigraphy. Methods: Thirty patients with LBBB who had undergone SPECT for the investigation of coronary artery disease were referred for stress tomography. Independent examiners performed per-patient and per-coronary territory assessments. All patients gave written informed consent to participate in the study that was approved by the institution’s ethics committee. Results: The patients’ mean age was 62 ± 10 years. The mean dose of radiation for the tomography protocol was 9.3 ± 4.6 mSv. With regard to CTP, the per-patient values for sensitivity, specificity, positive and negative predictive values, and accuracy were 86%, 81%, 80%, 87%, and 83%, respectively (p = 0.001). The per-territory values were 63%, 86%, 65%, 84%, and 79%, respectively (p < 0.001). In both analyses, the addition of CTP to CTA achieved higher diagnostic accuracy for detecting myocardial ischemia than SPECT (p < 0.001). Conclusion: The use of the stress tomography protocol is feasible and has good diagnostic accuracy for assessing myocardial ischemia in patients with LBBB.