Development of Software Tools Based on Clinical Data and Phantom Studies for Mathematical Simulation Modeling to Assess Brain Perfusion and Improve Image Quality During SPECT/CT with 99mTc-GMPAO

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Purpose: To develop a software package Virtual examination of brain perfusion by the method of SPECT/CT with 99mTc-HMPAO (Teoxime) and its practical application to study the conditions for achieving the best image quality in clinical studies of patients.

Material and methods: The studies were performed using clinical data and the method of computer simulation. Clinical data of single-photon emission computed tomography combined with X-ray computed tomography (SPECT/CT) with 99mTc-hexamethylpropyleneamine oxime (99mTc-Teoxime, produced by DIAMED LLC) of a patient with an ischemic stroke of the right frontal cortex were obtained on a two-detector gamma-camera NM/CT 670 DR GE Discovery (USA) using high-resolution low-energy collimators (LEHR). The measured data were processed using specialized software Q.Brain and Q.Volumetrix MI on a Xeleris 4.0 DR workstation from GE Healthcare (USA) to obtain reconstructed axial tomographic slices. To carry out simulation computer simulation of the procedure of examination of perfusion of GM by the method of SPECT/CT has developed a software package that includes a mathematical Hoffman phantom with the ability to simulate clinical cases of hypoperfusion of different localization and size (Virtual Patient), modeling the collection of “raw” projection data and an image reconstruction program based on the OSEM algorithm (Ordered Subset Expectation Maximization). An important advantage of the mathematical modeling method is the ability to assess the quality of the reconstructed image by calculating the root-mean-square error when compared with a given phantom. In numerical experiments, the dependence of the reconstruction error on the parameters of the OSEM algorithm (on the number of subgroups – subsets, and on the number of iterations) was investigated in order to determine the conditions for achieving the best image quality. A statistical stop criterion was developed and tested.

Results: For the first time, a software package was developed and tested that allows us to investigate errors in the reconstruction algorithm, which is a great difficulty when using clinical research methods. A criterion for stopping iterations is proposed when using the OSEM reconstruction algorithm – minimizing the functional deviation of the chi-square function from the target value, while the detector pixels with non-zero values are combined into blocks according to the 2×2 scheme.

There is a reliable good correlation between the proposed stop criterion and the minimum of the root-mean-square error of image reconstruction. This makes it possible to introduce this criterion into the clinical practice of using computational tools for reconstructing sections of the SPECT to obtain the best image.

The simulation results demonstrated the possibility of reducing the time of data recording, during which the patient must remain motionless, at least twice.

Conclusion: The method of computer simulation developed in this work is a practically useful technology that helps optimize the use of SPECT to achieve the best possible results of brain imaging in patients.

About the authors

N. V. Denisova

National Research Novosibirsk State University; S.A. Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics

Email: nvdenisova2011@mail.ru
Novosibirsk

A. V. Nesterova

National Research Novosibirsk State University; S.A. Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics

Email: nvdenisova2011@mail.ru
Novosibirsk

S. M. Minin

Akademian E.N. Meshalkin NMRC

Email: nvdenisova2011@mail.ru
Novosibirsk

Zh. Zh. Anashbayev

Akademian E.N. Meshalkin NMRC

Email: nvdenisova2011@mail.ru
Novosibirsk

S. E. Krasilnikov

Akademian E.N. Meshalkin NMRC

Email: nvdenisova2011@mail.ru
Novosibirsk

W. Yu. Ussov

Akademian E.N. Meshalkin NMRC

Email: nvdenisova2011@mail.ru
Novosibirsk

References

  1. Juni J.E., Waxman A.D., Devous M.D., Tikofsky R.S., Ichise M., Van Heertum R.L., Carretta R.F., Chen C.C. Society for Nuclear Medicine Procedure Guideline for Brain Perfusion SPECT Using99mTc Radiopharmaceuticals 3.0. J. Nucl. Med. Technol. 2009;37;3:191-195.
  2. Kapucu O.L., Nobili F., Varrone A., Booij J., Vander Borght T., Någren K., Darcourt J., Tatsch K., Van Laere K.J. EANM Procedure Guideline for Brain Perfusion SPECT Using 99mTc-Labelled Radiopharmaceuticals, Version 2. Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging. 2009;36;12:2093-2102. doi: 10.1007/s00259-009-1266-y.
  3. Abadi E., Segars W.P., Tsui B.M.W., Kinahan P.E., Bottenus N., Frangi A.F., Maidment A., Lo J., Samei E. Virtual Clinical Trials in Medical Imaging: a Review. J. Med. Imaging. (Bellingham). 2020;7;4:042805. doi: 10.1117/1.JMI.7.4.042805.
  4. Hoffman 3D Brain Phantom Model BR/3D/P, DATA SPECTRUM Corporation, USA.
  5. Shepp L.A., Vardi Y. Maximum Likelihood Reconstruction for Emission Tomography. IEEE Trans. Med. Imaging. 1982;1;2:113–122. doi: 10.1109/TMI.1982.4307558.
  6. Veklerov E., Llacer J. Stopping Rule for the MLE Algorithm Based on Statistical Hypothesis Testing. IEEE Trans Med Imaging. 1987;6;4:313-319. doi: 10.1109/TMI.1987.4307849.
  7. Nesterova A.V., Denisova N.V. Pitfalls on the Way to Quantify the Severity of Oncological Lesions in Diagnostic Nuclear Medicine. Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki = Journal of Applied Physics. 2022;92;7:1018–1021. doi: 10.21883/JTF.2022.07.52659.331-21 (In Russ.).
  8. Denisova N.V., Terekhov I.N. Computer Simulation of Patient Examination Procedure by the Cardiac SPECT/CT Method. Meditsinskaya Fizika = Medical Physics. 2016;3:87-100 (In Russ.).
  9. Dolya O.P., Klepov A.N., Kurachenko Yu.A., Matusevich E.S. Monte Carlo Simulation of the Sensitivity Function of a Gamma Camera Collimator to Gamma Radiation of an Osteotropic Radiopharmaceutical. Meditsinskaya Fizika = Medical Physics. 2008;2:63-75 (In Russ.).
  10. Kostylev V.A., Kalashnikov S.D., Fishman L.Ya. Emissionnaya Gamma-Topografiya = Emission Gamma Topography. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988. 327 p. (In Russ.).
  11. Kostylev V.A. On the Development and Implementation of Medical Nuclear Physics Technologies in Russia. Meditsinskaya Fizika = Medical Physics. 2007;2:5-17 (In Russ.).
  12. Narkevich B.Ya., Krylov A.S., Ryzhkov A.D., Geliashvili T.M. Dosimetric Support of Radionuclide Therapy. Onkologicheskiy Zhurnal: Luchevaya Diagnostika, Luchevaya Terapiya = Journal of Oncology: Diagnostic Radiology and Radiotherapy. 2023;6;1:66-84. doi: 10.37174/2587-7593-2023-6-1-66-84 (In Russ.).
  13. Lee W.W., K-SPECT Group. Clinical Applications of Technetium-99m Quantitative Single-Photon Emission Computed Tomography/Computed Tomography. Nucl. Med. Mol. Imaging. 2019;53;3:172-181. doi: 10.1007/s13139-019-00588-9.
  14. Képes Z., Mikó M., Kukuts K., Esze R., Barna S., Somodi S., Káplár M., Varga J., Garai I. Imaging with [99mTc]HMPAO - a Novel Perspective: Investigation of [99mTc]HMPAO Leg Muscle Uptake in Metabolic Diseases. Acta Radiol. 2023;64;1:187-194. doi: 10.1177/028418512110636019.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».