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Transfer of normal 99mTc-ECD brain SPET databases between different gamma cameras

Division of Nuclear Medicine, P7, Ghent University Hospital, De Pintelaan 185, 9000 Ghent, Belgium; Medical Signal and Image Processing Department (MEDISIP), Faculty of Applied Sciences, Ghent University, Belgium
European journal of nuclear medicine and molecular imaging (Impact Factor: 5.11). 03/2001; 28(4):435-449. DOI: 10.1007/s002590000461

ABSTRACT A stereotactic, normal perfusion database is imperative for optimal clinical brain single-photon emission tomography (SPET). However, interdepartmental use of normal data necessitates accurate transferability of these data sets. The aim of this study was to investigate transfer of three normal perfusion databases obtained in the same large population of healthy volunteers who underwent sequential scanning using multihead gamma cameras with different resolution. Eighty-nine healthy adults (46 females, 43 males; aged 20-81 years) were thoroughly screened by history, biochemistry, physical and full neurological examination, neuropsychological testing and magnetic resonance imaging. After injection of 925 MBq technetium-99m labelled ethyl cysteinate dimer (ECD) under standard conditions, 101 scans were acquired from all subjects (12 repeat studies) on a triple-head Toshiba GCA-9300A (measured average FWHM 8.1 mm). Ninety-one sequential scans were performed on a dual-head Elscint Helix camera (FWHM 9.6 mm) and 22 subjects also underwent imaging on a triple-head Prism 3000 (FWHM 9.6 mm). Images were transferred to the same processing platform and reconstructed by filtered back-projection with the same Butterworth filter (order 8, cut-off 0.9 cycles/cm) and uniform Sorensen attenuation correction (=0.09). After automated rigid intrasubject registration, all subjects were automatically reoriented to a stereotactic template by a nine-parameter affine transformation. The databases were analysed using 35 predefined volumes of interest (VOIs) with normalisation on total VOI counts. For comparison, the high-resolution data were smoothed with a 3D Gaussian kernel to achieve more similar spatial resolution. Hoffman phantom measurements were conducted on all cameras. Partial volume effects after smoothing varied between -6.5% and 10%, depending on VOI size. Between-camera reproducibility was 2.5% and 2.7% for the Toshiba camera versus the Helix and the Prism database, respectively. The highest reduction in between-camera variability was achieved by resolution adjustment in combination with linear washout correction and a Hoffman phantom-based correction. In conclusion, transfer of normal perfusion data between multihead gamma cameras can be accurately achieved, thereby enabling widespread interdepartmental use, which is likely to have a positive impact on the diagnostic capabilities of clinical brain perfusion SPET.

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    ABSTRACT: A normal perfusion database (NDB) is imperative for the statistical imaging of brain function. This study validates a novel NDB created under the same injection dose and acquisition conditions for three gamma camera systems and evaluates optimal pre-filter parameters for three-dimensional stereotactic surface projections (3D-SSPs). We compared a novel NDB that matched the databases in each of three vendor gamma camera systems with a conventionally constructed NDB (conventional NDB) and a NDB constructed in-house for 3D-SSP. We generated hypoperfused regions where pre-specified volumes were simulated for various areas in SPECT images. The properties of each NDB were evaluated based on the distribution of the standard deviation (SD). Abnormal accumulation regions were validated using Z, extent, and artifactual scores. Detection error was used to evaluate the optimal Butterworth pre-filter cutoff frequency with the perfusion defect rate (PDR) in 3D-SSP. The SD distribution was the same in the novel NDB and in the NDB constructed in-house, and the SD of the peak distribution was 0.08-0.07. The Z and extent scores of the novel DB and the NDB constructed in-house were similar, but increased along with the artifactual scores when using the conventional NDB. Many artifacts appeared in the Z score map when using the conventional NDB. The detection error deviated from the actual value by -1.3% at a cutoff frequency of 0.58 cycles/cm and a PDR of 30%, which was the lowest. The cutoff frequency became lower or higher, and the low-perfusion defect rate increased according to the increasing detection error. The optimal cutoff frequency was between 0.52 and 0.58 cycles/cm. We generated a novel NDB according to the individual devices and compared it with a conventional and a NDB constructed in-house. The Z and extent scores were essentially equal when using the novel DB and the NDB constructed in-house, but considerably differed when using the conventional NDB. The optimal cutoff frequency of the Butterworth filter evaluated from the detection error was in the range of 0.52-0.58 cycles/cm. The detection error increased the perfusion defect rate by <15% and this was undetectable in 3D-SSP. The next step will be to improve the accuracy of the extent of abnormal regions and the sensitivity of the Z score using a novel NDB constructed according to the individual devices.
    Annals of Nuclear Medicine 09/2011; 26(1):16-25. · 1.41 Impact Factor
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    ABSTRACT: La totalité des services français de neurochirurgie est aujourd'hui équipée de systèmes de neuronavigation. Ces systèmes de chirurgie guidée par l'image permettent le lien direct entre le patient, en salle d'opération, et ses images pré opératoires ; c'est-à-dire que le neurochirurgien, en salle d'opération et à tout instant, connaît, à partir d'un point désigné sur le patient par un outil, le point correspondant dans ses images d'IRM ou de Scanner X. Ceci est possible grâce à des localisateurs tridimensionnels et des logiciels de recalage d'images. Les bénéfices de tels systèmes pour le patient ont déjà été montrés. Ils rendent notamment la chirurgie plus sûre et moins invasive. Il est important de considérer le concept de chirurgie guidée par l'image comme un processus qui ne se réduit pas à la seule étape de réalisation du geste chirurgical. Depuis près d'une dizaine d'années, il existe un consensus sur l'importance de l'étape de préparation pour anticiper la réalisation du geste. Ce processus peut aussi inclure des étapes de choix de la stratégie chirurgicale, de simulation ou de répétition du geste et de suivi post opératoire du patient. Chaque étape de ce processus se fonde sur des observations liées au patient, comme ses images pré opératoires, sur des connaissances génériques explicites, comme des livres ou des atlas numériques d'anatomie, et sur des connaissances implicites résultant de l'expérience du chirurgien. Malgré cela, dans les systèmes actuels de chirurgie guidée par l'image, la seule information explicite utilisée est, le plus souvent, réduite à une simple imagerie anatomique. Alors que si l'on introduisait dans ces systèmes les images multimodales du patient, on prendrait mieux en compte la complexité anatomique, physiologique et métabolique des structures cérébrales. Sans compter que dans ces systèmes, la préparation de la procédure chirurgicale se réduit principalement à la définition de la cible et d'une trajectoire d'accès rectiligne. Si l'on considérait la procédure comme une succession d'étapes et d'actions, on permettrait au neurochirurgien de mieux préparer et, donc, de mieux réaliser son geste. Son savoir-faire implicite pourrait être explicité. Enfin, ces systèmes ne tiennent pas compte des déformations anatomiques intra opératoires dues, notamment, au geste chirurgical. Ainsi, les images pré opératoires du patient deviennent rapidement obsolètes et ne correspondent plus à la réalité anatomique du patient. Il existe donc un fossé entre la chirurgie telle qu'elle est vue par ces systèmes et la réalité chirurgicale. C'est ce fossé que je cherche à combler. Mes travaux de recherche se situent dans le domaine du génie biologique et médical. Ils incluent des aspects liés au traitement d'images et à l'informatique médicale. Le domaine d'application est la neurochirurgie. Les méthodes mises en oeuvre dans les travaux que je présenterai s'appuient sur un concept de coopération entre observations et connaissances. Ainsi, sur l'aspect observations, je présenterai l'introduction d'images multimodales du patient, dans le processus chirurgical, qu'elles soient pré ou intra opératoires. Sur l'aspect connaissances, je présenterai une démarche qui permet de formaliser certaines connaissances relatives à la neurochirurgie. La méthodologie de recherche que j'ai utilisée suit une approche itérative, où l'application clinique est centrale. A partir des connaissances médicales, les spécifications d'un nouveau projet sont définies. Ces spécifications entraînent le développement de nouvelles méthodes et leur implémentation par le biais d'un prototype d'application. Ce prototype permet, grâce à une utilisation pré clinique, d'évaluer ces méthodes. Cette implémentation et cette phase d'utilisation autorisent aussi un retour vers la méthode, pour vérifier la pertinence des choix réalisés et pour contribuer à son amélioration. Enfin, cette boucle permet une validation des connaissances initiales et un possible enrichissement de celles-ci. Les objectifs de mes recherches sont donc, à la fois, l'élaboration de nouveaux systèmes d'intérêt thérapeutique et la génération de nouvelles connaissances chirurgicales. Ce document aborde trois domaines principaux : la neurochirurgie guidée par l'image, la neurochirurgie guidée par l'information et la validation des outils de traitement d'images médicales en chirurgie guidée par l'image. Pour chacun de ces domaines, je présenterai le contexte et l'état de l'art, les contributions personnelles apportées au domaine et ses perspectives d'évolution. Dans le premier chapitre, je présenterai comment l'imagerie médicale peut assister la chirurgie. Pour cela, j'introduirai les méthodes de traitement d'images, plus particulièrement le recalage et la fusion d'images médicales. Ces dernières sont incontournables en neurochirurgie guidée par l'image, le principe même de ce type de chirurgie étant cette mise en correspondance géométrique entre repère des images et repère du patient. Puis, je présenterai le principe du processus chirurgical assisté par l'image, en décrivant les différentes étapes mises en jeu dans un tel processus. Je présenterai mes contributions : 1) l'introduction du concept de neuronavigation multimodale et multi informationnelle, et 2) l'introduction du concept de virtualité augmentée, en complément aux approches de réalité augmentée. Dans le deuxième chapitre, je présenterai le concept récent de chirurgie guidée par l'information, qui s'appuie sur une formalisation du processus chirurgical et des connaissances associées. Nous verrons que ce processus peut être étudié selon différents angles, chaque angle d'étude correspondant à un objectif applicatif précis. Je présenterai une méthodologie complète permettant supervision et apprentissage par : 1) la prise en compte, dans le processus de chirurgie guidée par l'image multimodale, de certaines connaissances implicites du chirurgien, notamment liées à son expertise chirurgicale, en les rendant explicites, et 2) la génération de connaissances sur la chirurgie. Les deux premiers chapitres démontrent comment il peut être intéressant de faire coopérer images et connaissances. Dans le troisième chapitre, nous proposerons d'appliquer ce concept de coopération entre observations et connaissances au contexte des déformations anatomiques intra opératoires. Nous montrerons la complexité de ce phénomène, et de ses causes, et les limites des méthodes présentées dans la littérature. Nous décrirons succinctement comment ce concept pourra être appliqué dans le cadre d'un projet de recherche qui débute. Dans le quatrième chapitre, j'insisterai sur l'importance de la validation des outils de traitement d'images en chirurgie guidée par l'image. J'introduirai la terminologie et la méthodologie liées à la validation principalement technique des outils de traitement d'images, en soulignant le besoin de standardisation. Je présenterai mes contributions au domaine : la définition d'une méthodologie standardisée pour la validation des méthodes de recalage d'images médicales, basée sur la comparaison avec une référence. Je terminerai, dans le cinquième chapitre, par une ébauche de description des évolutions à court et à long terme de la chirurgie, s'inspirant des réflexions et résultats des chapitres précédents.