Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten | Application
Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten
Registration number: LIVFOU-738871
Forskningsanslag för DOKTORANDER
Application started by: Ida Eriksson, 2017-08-25
Professional title at the time of application: Leg. Sjukhusfysiker
Work place at the time of application: Centralsjukhuset i Karlstad, Onkologikliniken
Last updated / corrected by: Ida Eriksson, 2017-09-04
Application received by: Centrum för klinisk forskning, Värmland
GrantedGranted
Applicant: Ida Eriksson
Leg. Sjukhusfysiker, Område slutenvård

A. Övergripande projektinformation

Sökandes verksamhetstillhörighet

Område slutenvård

Ange arbetsplats

Sjukhusfysik/Nuklearmedicin

Doktorandens arbetstid i organisationen - % av heltid

100

Datum för antagning som doktorand

2010-11-16

Antagen som doktorand vid

Sahlgrenska akademin, Göteborgs Universitet

Tutor

Magnus Båth
Professor, Avdelningen för radiofysik, Diagnostisk strålningsfysik
Sven-Åke Starck
Sjukhusfysiker, Länssjukhuset Ryhov

Datum för planerad eller genomförd halvtidskontroll eller licentiatsavhandling

2014-05-09

Beräknat datum för disputation

2018-10-30

B. Avhandlingens innehåll

Sammanfattning

Nuklearmedicinska gammakameraundersökningar utgör majoriteten av funktionella avbildningar inom bild- och funktionsmedicin. Radioaktiva preparat injiceras i patienten och bildtagning sker med en gammakamera. Bildkvaliteten begränsas av relativt dålig upplösning och brus, där åtgärder för att minska det störande bruset resulterar i en försämrad upplösning. Kompromissen mellan brus och upplösning, kombinerat med att parametrarna historiskt har studerats var för sig, har lett till svårigheter att optimera gammakameraundersökningar.
Begreppet Detective Quantum Efficiency (DQE) kombinerar måtten upplösning och brus med analysmetoder hämtade från signalbehandlingsteori och beskriver på ett objektivt sätt hur effektivt en bilddetektor utnyttjar tillgänglig information. DQE har under senaste decenniet blivit accepterat som det ojämförligast viktigaste kvalitetsmåttet på en röntgendetektor. Trots att användningspotentialen för DQE-begreppet är större för gammakameror är det först nyligen som begreppet har introducerats inom nuklearmedicinen.
Det föreslagna projektet är tänkt att utförligt utvärdera och implementera möjligheten att använda DQE som bas för objektiv optimering av gammakameraundersökningar. Genom såväl datorsimuleringar med Monte Carlo-teknik som bildkvalitetsvärderingar baserade på patientbilder kommer de förbättrade optimeringsmöjligheterna användas för att undersöka möjlighet till bättre bildkvalitet, lägre stråldoser samt kortare undersökningstid

Projektbeskrivning

BAKGRUND
Nuklearmedicinska gammakameraundersökningar utgör majoriteten av de funktionella avbildningar som görs inom bild- och funktionsmedicin. Genom att injicera ett radioaktivt preparat i patienten – där det radioaktiva preparatet antingen i sig självt eller genom att ha fästs vid en lämplig molekyl har egenskapen att ansamlas i det organ som ska undersökas– ges möjligheten att registrera den gammastrålning som sänds ut när preparatet sönderfaller och därigenom få en bild av hur preparatet är fördelat i patienten. En vanlig nuklearmedicinsk undersökning är skelettscintigrafi där den radioaktiva nukliden 99mTc, bunden till en fosfonatförening, injiceras i patienten. Fosfonatföreningen ansamlas i skelettet, framförallt i områden där nybildning av ben sker, t ex p g a benbrott eller tumörer/metastaser i skelettet. Genom att studera den avbildade fördelningen försöker man avgöra om ett upptag avviker från det normala och därmed är patologiskt.

Registrering av gammastrålning görs med en gammakamera, i vilken strålningen passerar en kollimator (som skapar upplösningen i bilden) och därefter växelverkar i en kristall. Läget för varje växelverkan som deponerar energi inom ett visst energiintervall (s k energifönster) bestäms och ökar pixelvärdet i motsvarande läge på bilden. Bildkvaliteten som fås vid gammakameraavbildning, d v s möjligheten att använda bilden till korrekt diagnostik, beror av ett flertal faktorer. På grund av slumpmässiga fluktuationer i det radioaktiva ämnets sönderfall samt växelverkan och detektion i gammakameran kommer alla gammakamerabilder innehålla en betydande mängd brus (s k kvantbrus). Kvantbruset kan reduceras dels genom att förändra avbildningssituationen (antingen med ökad mängd injicerad aktivitet i patienten – och därmed ökad patientstråldos – eller med längre undersökningstid) och dels genom att optimera gammakamerans inställningar. Möjligheter till det senare ges främst genom att användaren kan variera energifönstrets bredd och position och välja en passande kollimator. Energifönstrets storlek och placering avgör vilken fördelning mellan primärfotoner (som man vill detektera) och spridda fotoner (som ger en sämre bild och som man inte vill detektera) som erhålls i bilden. Generellt gäller dock att åtgärder för att minska det störande kvantbruset i bilden resulterar antingen i en försämrad upplösning (ökad oskärpa) och därav också en försämrad bildkvalitet eller nära nog orealistiska undersökningstider. De olika inställningar som är möjliga för en gammakamera leder sålunda till en kompromiss mellan upplösning och brus.

Historiskt har bildkvalitetsparametrarna upplösning och brus analyserats var för sig. Detta har lett till svårigheter att optimera nuklearmedicinska gammakameraundersökningar, vilket i sin tur har lett till att patienter som genomgår gammakameraundersökningar får en högre mängd injicerad aktivitet (en högre stråldos) än vad som egentligen är nödvändigt. Svårigheten att optimera undersökningar har också lett till längre undersökningstider och sämre bildkvalitet än vad som är optimalt.
Även inom röntgendiagnostiken har begrepp som upplösning och brus använts för att beskriva bildkvalitet. På senare år har man dock genom att kombinera begreppen upplösning och brus med begrepp hämtade från signalbehandlingsteori (som t ex Fourieranalys) skapat begreppet Detective Quantum Efficiency (DQE) som på ett objektivt sätt beskriver i hur stor utsträckning ett röntgensystem utnyttjar den information som finns tillgänglig i strålningsfältet som den utsätts för (se t ex Dobbins 2000). På detta sätt har helt nya möjligheter att optimera röntgensystem skapats. DQE har under senaste decenniet kommit att bli accepterat som det ojämförligast viktigaste kvalitetsmåttet på en röntgendetektor. Måttet används såväl av tillverkare av röntgenutrustningen (för att optimera konstruktionen av detektorn) som av forskare (för att optimera strålkvaliteten som används för en röntgenundersökning) och som av användare av utrustningen (för att säkerställa att funktionen är oförändrad över tid). Denna etablering av DQE – som är av störst relevans då kvantbruset är dominerande – inom röntgendiagnostiken har skett trots två allvarliga invändningar: 1) för många röntgenundersökningar är det inte kvantbruset i bilden som stör utan patientens överlagrade anatomi (jämför de förbättrade diagnostikmöjligheter som uppstår vid datortomografi trots det avsevärt högre kvantbruset i en CT-bild jämfört med en slätröntgenbild) och 2) möjligheten att använda DQE för att optimering av röntgenundersökningar är begränsad eftersom endast strålkvaliteten kan påverkas (röntgendetektorn känslighet kan inte påverkas).

Inom nuklearmedicinen är DQE ett i stort sett okänt begrepp, trots att de två ovan nämnda invändningarna mot användningen av måttet inte gäller för gammakameror då: 1) kvantbruset är betydligt mer framträdande i en gammakamerabild än i en röntgenbild och därmed stör granskaren betydligt mer och 2) möjligheten att använda DQE för att optimera gammakameraundersökningar är mycket god eftersom ett flertal parametrar som påverkar DQE för en gammakamera, såsom val av kollimator och energifönster, kan påverkas av användaren. Möjligheterna att använda DQE för att optimera nuklearmedicinska gammakameraundersökningar torde därför vara mycket goda. Relativt nyligen (Starck et al. 2005) beskrevs också hur DQE kan användas för att bestämma insamlingseffektiviteten hos ett gammakamerasystem på ett objektivt sätt och hur detta mått kan användas för att optimera nuklearmedicinska undersökningar.

HYPOTES
Den övergripande hypotesen för hela projektet är att appliceringen av DQE-begreppet på gammakameror leder till förbättrade möjligheter att optimera nuklearmedicinska undersökningar.

FRÅGESTÄLLNINGAR
Det övergripande syftet med det föreslagna projektet är att förbättra nuklearmedicinska gammakameraundersökningar genom att maximera insamlingseffektiviteten och därigenom åstadkomma bilder med bättre diagnostiska möjligheter samtidigt som patientstråldosen och undersökningstiden minskar. För de olika delprojekten kan följande frågeställningar formuleras:

Delprojekt 1: Går det att använda Monte Carlo-tekniken för att bestämma DQE för en gammakamera?
Delprojekt 2: Hur beror DQE av olika relevanta parametrar såsom kollimatortyp, energifönster och bildtagningsdjup?
Delprojekt 3: Vilken systemkonfiguration (inkluderande även ännu ej existerande kombinationer) genererar högst DQE?
Delprojekt 4: Hur relaterar DQE till en mänsklig observatör?

METODER
Monte Carlo-simuleringar
Monte Carlo-simuleringar är en teknik med vars hjälp avancerade fysikaliska system kan modelleras och utvärderas. Monte Carlo-programmet SIMIND (Ljungberg&Strand 1989) är utvecklat för att på ett realistiskt sätt kunna simulera ett komplett gammakamerasystem. Givet en bestämd avbildningssituation och inställning på gammakameran kan SIMIND användas för att skapa artificiella bilder, som med mycket stor noggrannhet liknar riktiga gammakamerabilder. SIMIND har t ex använts för att utvärdera effekten av attenueringskorrektion vid tomografisk avbildning av lungan (Gustafsson et al 1998) och blodflödet i hjärnan (Ärlig et al 2000). I det aktuella projektet är SIMIND bl a tänkt att användas för att simulera de bilder som krävs för att bestämma ett systems DQE, för att på detta sätt kunna undersöka ett stort antal parameterkonfigurationer hos en gammakamera för att komma fram till den optimala inställningen.

Bildgranskningsstudier med mänskliga observatörer
Bildgranskningsstudier med kompetenta granskare är grundläggande för forsknings om bildkvalitet inom medicin. I delprojekt 4 kommer bildgranskningsstudier med mänskliga observatörer att genomföras i form av s k multiple alternative forced choice (MAFC)-experiment (Burgess 1995). I MAFC-experiment presenteras M stycken bilder samtidigt för observatören, där 1 bild innehåller en signal inlagd i en bakgrund och övriga (M-1) bilder endast innehåller en bakgrund (brus). Observatörens uppgift är att försöka identifiera den bild som innehåller signalen. Ett stort antal kombinationer av bilder visas för observatören och baserat på andelen korrekt identifierade signaler i dessa kan observatörens signal-till-brus-förhållande (SNR) beräknas. MAFC-experiment är särskilt lämpliga för studier där datorgenererade bilder används, vilket är fallet i detta projekt.

PLANERADE EXPERIMENT
Det föreslagna projektet innehåller fyra delprojekt tänkta att utförligt utvärdera och implementera möjligheten att använda DQE som bas för objektiv optimering av nuklearmedicinska undersökningar. Genom att optimera gammakameraundersökningar på ett bättre sätt än vad som är gjort hittills kan man förvänta sig att på en och samma gång få bilder med bättre kvalitet till en lägre stråldos till patienten och kortare undersökningstid.

Delarbete 1
I delarbete 1 validerades användningen av SIMIND för att bestämma en gammakameras DQE – vilket är basen för det föreslagna projektet – genom jämförelser med tidigare utförda experimentella bestämningar (Starck et al. 2005). Resultatet visar mycket god överensstämmelse vilket borgar för att projektet går att genomföra.

Delarbete 2
I delarbete 2 användes SIMIND och metoden framtagen i delprojekt 1 för att bestämma DQE förvanligt förekommande gammakamerasystem och för att undersöka hur DQE beror av olika relevanta parametrar såsom kollimatortyp, energifönster och bildtagningsdjup. För samtliga utvärderade system fann vi de högsta DQE-värdena då den lägre energitröskeln låg runt 130 keV. Vid låga spatiella frekvenser dominerade högkänsliga system medan det vid högre frekvenser visade sig mer fördelaktigt med högupplösande systemegenskaper. Inre upplösning hade störst inverkan på DQE-värdet för ytliga bildtagningsdjup.

Delarbete 3
I delarbete 3 kommer kunskaper från tidigare delprojekt om hur DQE beror på olika parametrar användas för att ta fram den systemkonfiguration som genererar högst DQE. Kollimatorparametrar såsom hållängd, septa, hålform och diameter kommer att varieras tillsammans med kristallegenskaper för att hitta optimal kombination. Genom att använda Monte Carlo-teknik är vi inte begränsade till att undersöka endast befintliga system utan kan modellera kollimatorer med i stort sett vilka egenskaper som helst. Resultaten skulle kunna leda till rekommendationer om hur kollimatorer bör konstrueras för att vara så effektiva som möjligt.

Delarbete 4
För den mänskliga observatören är det väl känt att det inte endast är mängden tillgänglig information i en bild som är av relevans utan även hur denna information presenteras (t e x vilken skärpa det är i bilden och vilken korrelation bruset har). Detta skiljer sig från den ideala observatören, för vilken endast mängden information är av betydelse. Eftersom DQE-begreppet är kopplat till den ideala observatören är det inte självklart att ett system med högre DQE faktiskt leder till ökade detektionsmöjligheter för en mänsklig observatör. I delarbete 4 kommer konsekvenserna av detta att studeras. För ett urval intressanta gammakamerainställningar erhållna i de föregående delarbetena kommer bilder innehållande en simulerad punktkälla – i en i övrigt homogen bakgrund innehållande endast kvantbrus – att skapas med SIMIND. Dessa bilder kommer att användas – både oprocessade så att brusets korrelation är konstant medan skärpan varierar och processade till att ha samma skärpa men olika bruskorrelation – för att studera den mänskliga observatörens möjligheter att detektera objekt i bilder med olika utseende. Bildgranskningsstudier med mänskliga observatörer (MAFC-studier) kommer att genomföras där observatörens uppgift är att lokalisera misstänkt patologi. Preliminärt kommer studier med M=4 att användas (4AFC), vilka har visat sig statistiskt mer effektiva än de enklare – men vanligare – 2AFC-studierna (Burgess 1995). För att undvika bias kommer bilderna att visas blindat och i unika slumpmässiga ordningar för varje observatör m h a mjukvaran ViewDEX (Håkansson et al 2010) som nyligen har anpassats för detektionsstudier inom nuklearmedicin. Observatörer vana vid liknande, tidigare genomförda, bildgranskningsstudier kommer att användas. Resultaten kommer att användas för att bestämma möjligheten för den mänskliga observatören att detektera patologi vid de olika gammakamerainställningarna och hur väl detta stämmer överens med den ideala observatören. På detta sätt kommer möjligheten att använda Monte Carlo-simulering av DQE för att förutsäga den diagnostiska effektiviteten hos en gammakamera att undersökas.

Etik, integritet och sekretess
Inga etiska överväganden blir aktuella, endast datorsimulerade bilder kommer att användas

Klara delarbeten / delrapporter

Eriksson I, Starck S-Å, Båth M. Determination of the detective quantum efficiency of gamma camera systems: a Monte Carlo study. Radiat. Prot. Dosimetry 139, 219-227, 2010. (Delprojekt 1 forskningsplan)

Eriksson I, Starck S-Å, Båth M. Comparison of gamma(Anger) camera systems in terms of detective quantum efficiency using Monte Carlo simulation. Nucl. Med. Commun. 35, 405-415, 2014. (Delprojekt 2 i forskningsplan)

Pågående delarbeten / delrapporter

Delprojekt 3 i forskningsplan

Planerade delarbeten / delrapporter

Se delprojekt 4 i forskningsplan

Klinisk betydelse

Användningen av det för gammakameror nyligen introducerade begreppet DQE ger helt nya möjligheter till optimering av nuklearmedicinska undersökningar. Detta kan leda till såväl bättre diagnostisk bildkvalitet som lägre patientstråldos och kortare undersökningstid. De resultat som uppnås och valideras i projektet kan omedelbart implementeras på nuklearmedicinavdelningar och förväntas påverka optimeringen av gammakamerasystem såväl nationellt som internationellt.

Referenser

Burgess, A.E. (1995) Comparison of receiver operating characteristic and forced choice observer performance measurement methods. Med. Phys. 22:643-655.
Dobbins, J.T. (2000) Image quality metrics for digital systems. In: Handbook of Medical Imaging. Volume 1. Physics and Psychophysics. SPIE Press: Bellingham.
Gustafsson, A., Bake, B., Jacobsson, L., Johansson, Å., Ljungberg, M. & Moonen, M. (1998) Evaluation of attenuation correction using Monte Carlo simulated lung SPECT. Phys. Med. Biol. 43:2325-2336
Håkansson, M., Svensson, S., Zachrisson, S., Svalkvist, A., Båth, M. & Månsson, L.G. (2010) ViewDEX: an efficient and easy-to-use software for observer performance studies. Radiat. Prot. Dosimetry 139:42-51.
Ljungberg, M. & Strand, S.E. (1989) A Monte Carlo program for the simulation of scintillation camera characteristics. Comput. Meth. Progr. Biomed. 29:257-272.
Starck, S.-Å., Båth, M. & Carlsson, S. (2005) The use of detective quantum efficiency (DQE) in evaluating the performance of gamma camera systems. Phys. Med. Biol. 50:1601-1609.
Ärlig, Å., Gustafsson, Å., Jacobsson, L., Ljungberg, M. & Wikkelsö, C. (2000) Attenuation correction in quantitative SPECT of cerebral blood flow: a Monte Carlo study. Phys. Med. Biol. 45:3847-3859

C. Ekonomisk översikt och äskande

Bidragsgivare

Grants

Centrum för klinisk forskning, Värmland (LIVFOU-549471)
182 000 SEK (applied sum: 182 000 SEK)
Ida Eriksson

2015, Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten.

Centrum för klinisk forskning, Värmland (LIVFOU-375201)
170 400 SEK (applied sum: 170 400 SEK)
Ida Eriksson

2013, Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten.

Centrum för klinisk forskning, Värmland (LIVFOU-229291)
165 400 SEK (applied sum: 165 400 SEK)
Ida Eriksson

2012, Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten.

Centrum för klinisk forskning, Värmland (LIVFOU-217791)
160 600 SEK (applied sum: 160 600 SEK)
Ida Eriksson

2011, Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten.

Regionala forskningsrådet (RFR-229021)
100 000 SEK (applied sum: 249 750 SEK)
Ida Eriksson

2011, Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten.

Centrum för klinisk forskning, Värmland (LIVFOU-110761)
123 443 SEK (applied sum: 123 443 SEK)
Ida Eriksson

2010, Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten.

Centrum för klinisk forskning, Värmland (LIVFOU-149561)
148 500 SEK (applied sum: 148 500 SEK)
Ida Eriksson

2010, Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten.

Regionala forskningsrådet (RFR-153151)
100 000 SEK (applied sum: 215 700 SEK)
Ida Eriksson

2010, Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten.

Forskarstöd

12
DescriptionShort description of the costSum
Lönekostnader25% Sjukhusfysikerlön (inklusive arbetsgivaravgifter och semesterersättning)194 000
Sum 194 000

Ansvarsenhet och löneteam

AE 11308, Slutenvård Karlstad

Decision

Decision date: 2017-11-01

Brief description of each costApplied sumDecision SEKDecision comment
Lönekostnader
25% Sjukhusfysikerlön (inklusive arbetsgivaravgifter och semesterersättning)194 000160 000 
sum194 000160 000 

Förbättring av nuklearmedicinska undersökningar genom maximering av insamlingseffektiviteten | Application, from Centrum för klinisk forskning, Värmland
http://www.researchweb.org/is/liv/ansokan/738871