Our first experience with SPECT – CT Image Fusion

WSTĘP
Współczesne metody leczenia nowotworów coraz częściej wymagają informacji nie tylko o położeniu, ale także o zmianach czynnościowych w obrębie guza nowotworowego. Taką informację można uzyskać za pomocą badań scyntygraficznych, w szczególności badań SPECT. Lekarz medycyny nuklearnej, opisujący badanie scyntygraficzne, niejednokrotnie staje przed problemem dokładnej lokalizacji wzmożonego gromadzenia radioznacznika. Badanie SPECT pozwala na uzyskiwanie informacji o funkcji przestrzennego rozkładu znacznika, poprawia kontrast względem scyntygrafii planarnych, jednak nie zawsze rozwiązuje problem lokalizacji ogniska [1], szczególnie jeżeli brak jest fizjologicznego gromadzenia radioznacznika w innych strukturach anatomicznych, stanowiących punkty odniesienia. Tak więc wysoka specyficzność metod obrazowania medycyny nuklearnej, stanowiąca jedną z jej największych zalet, jednocześnie odpowiada za brak informacji anatomicznych. Z drugiej strony badanie tomografii komputerowej (CT) niesie informację o rozkładzie gęstości, ułatwia lokalizację guza i szczegóły jego budowy, lecz bez informacji o czynności guza. Badanie CT ma jednak inne ograniczenia. Często, szczególnie w badaniach wykonanych po leczeniu przeciwnowotworowym, odróżnienie wznowy od zmian popromiennych czy blizn pooperacyjnych nie jest możliwe. Wątpliwości te można co prawda rozstrzygnąć, stosując badanie PET – CT, jednak dostępność tego badania w Polsce jest jeszcze bardzo niewielka, a jego koszty wysokie. Dlatego w pracy podjęto próbę fuzji obrazów uzyskanych klasycznymi metodami medycyny nuklearnej (SPECT) i tomografii komputerowej.
Powstał program komputerowy, który wykonuje obliczenia pozwalające na dopasowanie wyników obu badań, odpowiada za wizualizację oraz kontrolę jakości nałożenia. W pracy przedstawiono jego założenia i pierwsze wyniki.
Zastosowany algorytm bazuje na transformacji afinicznej [2, 3], pozwalającej przy stosunkowo niewielkich założeniach dokonać przekształceń (rotacje, translacje, skalowania) przestrzeni badania SPECT i osadzić go w przestrzeni CT.
W niniejszym artykule pominięto szczegółowy opis matematyczno-informatyczny programu.

METODYKA
Badania obrazowe wykonano przy użyciu dwugłowicowej gammakamery E. CAM DUET firmy SIEMENS oraz 16-rzędowego tomografu komputerowego SOMATOM 16 firmy SIEMENS. Podczas fazy tworzenia programu wykonano szereg badań fantomowych. Samodzielnie zbudowany fantom ma kształt cylindra, w którym umieszczano dreny lub kapilary wypełnione izotopem ⁹⁹Tc. Na fantom naklejono markery z pleksi w kształcie monet z zatopionym punktowo izotopem ⁵⁷Co. Wykonano szereg scyntygrafii SPECT (matryca: 128x128 lub 256x256, 64 projekcje, okno energetyczne 122 [keV] (szerokość 10 proc.) w sumie z 140 [keV] – 15 proc.) oraz tomografii komputerowych (grubość rekonstruowanych warstw w zakresie 1–6 [mm], matryca 512x512) w celu przetestowania poprawności działania programu oraz jego wydajności obliczeniowej. Protokół kontroli jakości nałożenia oparto na obliczaniu i porównaniu odległości między odpowiadającymi sobie punktami referencyjnymi.
W kolejnym etapie wykonano fuzję obrazów uzyskanych od 4 chorych. Wykonano badania SPECT, stosując matrycę 128x128, 64 obrazy po 45 sekund każdy. Okno energetyczne oprócz linii podanego pacjentowi izotopu zawierało dodatkowo linie 122 keV (10 proc.). Następnie wykonano badanie CT warstwami o grubości 1–3 [mm], które posłużyły jako dane wejściowe dla programu wykonującego fuzję.
Informację o pierwszych 4 chorych, podlegających badaniu zebrano w tabeli.

U wszystkich chorych skierowania do fuzji obrazów wynikały z trudności w lokalizacji ognisk gromadzenia widocznych w scyntygrafii SPECT.

WYNIKI
Zauważono, że niejednakowe ułożenie markerów w badaniach oraz niedokładne ich wskazanie w programie komputerowym powoduje znaczące błędy w nałożeniu. Pierwszy problem starano się rozwiązać poprzez możliwie najkrótsze odstępy między badaniami oraz stosowanie tych samych zagłówków i elementów podtrzymujących pacjenta w czasie badania. W programie komputerowym wprowadzono narzędzia, pomagające dokładnie zaznaczyć markery, znajdujące półautomatycznie środek markera. Przykład wykonanego badania fantomowego przedstawiono na ryc. 1. W tym przypadku w badaniu CT fantom został obrócony o 30^o względem osi aparatu oraz względem badania SPECT. Pomimo różnego ułożenia fantomu na aparatach fuzja jest poprawna.

Wartość błędu nałożenia określa maksymalne przesunięcie obrazowanych obiektów w przestrzeni wyznaczonej przez markery i wyliczana jest z porównania odległości punktów referencyjnych w każdym z badań osobno. Przedstawiony program dopuszcza błąd nałożenia do 15 [mm]. Wartość ta nie uwzględnia możliwości niedokładnego nałożenia, ze względu na przemieszczenie obrazowanych struktur w ciele pacjenta w czasie badania, jak i pomiędzy badaniami SPECT i CT, wynikającego z ruchów oddechowych. Błędy te można minimalizować poprzez dobieranie odpowiedniego protokołu akwizycyjnego.

Następnie przebadano pierwszych 4 pacjentów:
1. Pacjent B.A. (ryc. 2.) – 53-letni chory po resekcji rakowiaka krezki esicy z przerzutami do wątroby. Wykonano scyntygrafię ¹³¹I-MIBG i stwierdzono obszar podwyższonego gromadzenia radioznacznika w rzucie wątroby, w linii pośrodkowej ciała w rzucie pępka oraz w podbrzuszu po stronie lewej. Na podstawie wykonanego badania CT oraz następnie fuzji obrazów SPECT – CT uzyskano lokalizację anatomiczną opisywanych w scyntygrafii ognisk. Stwierdzono, że gromadzenie pokrywa się z przerzutami do wątroby oraz z konglomeratem węzłów chłonnych wzdłuż aorty poniżej odejścia tt. nerkowych.

2. Pacjentka K.M. (ryc. 3.) – 50-letnia chora leczona z powodu zróżnicowanego raka tarczycy z przerzutem do trzonu kręgu C6 (po stabilizacji). W wykonanej scyntygrafii ¹³¹I stwierdzono gromadzenie radioznacznika na szyi i nie było możliwe rozróżnienie między gromadzeniem w loży po wyciętych płatach tarczycy i gromadzeniem w przerzucie do kręgosłupa szyjnego. W wykonanym następnie badaniu CT oraz w wyniku fuzji SPECT – CT stwierdzono, że gromadzenie radioznacznika rzutuje się w kręgosłupie, co pokrywa się z patologicznym obszarem w kręgu C6. W badaniu CT nie stwierdzono w loży po amputacji tarczycy obecności struktur heterogennych.

3. Pacjent S.M. (ryc. 4.) – 14-letni chory po usunięciu prawego nadnercza z powodu złośliwego guza chromochłonnego z przerzutami do kości i ektopowym wydzielaniem erytropoetyny, badany dla oceny skuteczności przeprowadzonej terapii ¹³¹I-MIBG. U tego chorego podejrzewano wznowę w nadnerczu prawym, ze względu na utrzymujący się wysoki poziom erytropoetyny i ognisko gromadzenia, widoczne w scyntygrafii wykonanej po terapii MIBG. W wykonanej scyntygrafii uwidoczniono ognisko patologicznego gromadzenia radioznacznika na lewo od linii środkowej ciała. Wykonane badanie CT nie potwierdziło obecności struktur heterogennych. W wykonanej fuzji SPECT – CT stwierdzono, że patologiczne ognisko gromadzenia rzutuje się na przestrzeń pomiędzy górnym biegunem lewej nerki a kręgosłupem. W związku z tym, że w ww. okolicy widoczny jest tylko drobny, niepowiększony węzeł chłonny (ok. 0,5 cm) zdecydowano o wykonaniu badania PET – CT. W tym badaniu widoczny był tylko obszar gromadzenia 18FDG rzutujący się w jelicie cienkim pomiędzy górnym biegunem lewej nerki, a jej wnęką. W związku z tym, że ognisko widoczne w SPECT nie uwidoczniło się w CT i nie wykazuje wyraźnego gromadzenia 18FDG uznano, że jest to resztkowa zmiana po leczeniu, niewymagająca obecnie interwencji chirurgicznej.

4. Pacjent D.S. (ryc. 5.) – 52-letni chory leczony z powodu zróżnicowanego raka tarczycy oraz po przebytej operacji raka nerki. W wykonanej scyntygrafii ¹³¹I stwierdzono obecność owalnego ogniska wychwytu radiojodu w śródbrzuszu nieco na lewo od linii pośrodkowej ciała. W wykonanym badaniu CT nie stwierdzono ewidentnych struktur heterogennych w tej okolicy. Fuzja SPECT – CT wykazała, że obszar gromadzenia radioznacznika pokrywa się z nadnerczem lewym, którego przyśrodkowa odnoga jest nieco zniekształcona, pogrubiała i zaokrąglona, jednak bez ewidentnych struktur patologicznych. Dla potwierdzenia wykonano MRI celowane na nadnercza. Badanie MRI wykazało niewielką zmianę w nadnerczu o średnicy ok. 1 cm. Rozpoznano przerzut raka tarczycy do nadnercza.

OMÓWIENIE WYNIKÓW I DYSKUSJA
Program komputerowy dokonujący fuzji obrazów używa markerów zewnętrznych. Zastosowana transformacja afiniczna zakłada skalowanie, obrót oraz translację transformowanych obiektów. W celu jednoznacznego rozwiązania należy posiadać informacje o czterech parach punktów referencyjnych.
Wiele badań dotyczących fuzji obrazów skupia się na obrazowaniu tym sposobem głowy i szyi, dokonując automatycznego nałożenia wykorzystując podobieństwo kształtu obrazowanych struktur [4, 5]. Ponieważ jod promieniotwórczy nie gromadzi się we wszystkich strukturach anatomicznych, w wielu scyntygrafiach wykonanych radiofarmaceutykami znakowanymi tym izotopem, uzyskiwane obrazy CT i SPECT nie mogą zostać dopasowane na podstawie ich podobieństwa. Zaproponowany algorytm jest niezależny od radioznacznika czy miejsca, które jest obrazowane. Umożliwia nałożenie dowolnych badań obrazowych, zakłada jedynie istnienie 4 par punktów referencyjnych. Przeprowadzone badania fantomowe pozwoliły na przetestowanie i optymalizację działania programu. W celu kontroli jakości nałożenia wykorzystano informację o skali pochodzącą z kalibracji geometrycznej aparatów.
Ze względu na założenie korelacji geometrycznej wskazywanych par punktów, najważniejszym czynnikiem wpływającym na jakość nałożenia jest ułożenie pacjenta. Ruchy oddechowe dokonują przesunięcia organów, dlatego obrazowanie struktur brzucha, a w szczególność wątroby jest utrudnione. Praktyczne wdrożenie metody pozwoliło na jednoznaczną odpowiedź na pytania stawiane przez klinicystów, a tym samym na uściślenie rozpoznania i adekwatne zaproponowanie dalszego postępowania.
PIŚMIENNICTWO
1. Nowak S, Rudzki K, Piętka E, Czech E. Zarys medycyny nuklearnej. PZWL, Warszawa 1998.
2. Pavlidis T. Grafika i przetwarzanie obrazów: algorytmy. WN-T, Warszawa 1987.
3. Lansdown J. Grafika komputerowa.
WN-T, Warszawa 1990.
4. Klabbers BM, de Munck JC, Slotman BJ, et al. Matching PET and CT scans of the head and neck area: development of method and validation. Med Phys 2002; 29: 2230-8.
5. Hemler PF, Napel S, Sumanaweera TS,
et al. Registration error quantification of a surface-based multimodality image fusion system. Med Phys 1995; 22: 1049-56.
ADRES DO KORESPONDENCJI
lic. Kamil Gorczewski
Zakład Medycyny Nuklearnej
i Endokrynologii Onkologicznej
Centrum Onkologii
im. Marii Curie-Skłodowskiej
ul. Wybrzeże Armii Krajowej 15
tel. +48 32 278 93 30
faks +48 32 278 93 25
e-mail: milka@io.gliwice.pl

lek. med. Katarzyna Steinhof
Zakład Diagnostyki Obrazowej
Centrum Onkologii
im. Marii Curie-Skłodowskiej
tel. +48 32 278 93 40
e-mail: kasia_steinhof@tlen.pl