Data-Driven-Respiratory SPECT-Gating for Determination of Liver-Lung-Shunt Fraction
Creators: name: Seidl, Kathrin
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023

description: Ziel und Grundlagen: Bei der selektiven internen Radiotherapie (SIRT) besteht für die Lunge die Gefahr einer erheblichen Strahlenschädigung [Hoe21, Lin94, Leu95]. Aus diesem Grund wird zur Therapieplanung die Leberlungenshuntfraktion (LLSF) eines jeden Patienten prätherapeutisch, beispielsweise mit 99mTc-makro-aggregiertem Albumin (MAA), bestimmt [DGN14]. Diese Studie untersucht den Einfluss der Atembewegung auf die Bestimmung der LLSF und vergleicht die herkömmliche Bestimmungsmethode, die planare Szintigrafien verwendet, mit einer SPECT/CT basierten Bestimmungsmethode mit Atemgating. Material und Methodik: Zur Auswertung wurden fünfzehn von ursprünglich zwanzig Patientendaten herangezogen, welche mit einem 99mTc-MAA SPECT/CT Scan mittels Siemens Symbia T2 akquiriert wurden. Die SPECT Aufnahmen fanden ohne Atemkommando statt. Das SPECT/CT bestand aus einer Einzelbett-Position (~ 40 cm axiales Sichtfeld) und wurde so eingestellt, dass die gesamte Leber und so viel von der Lunge wie möglich, bei freiem Atmen der Patienten, erfasst wurde. Mit Hilfe einer Forschungssoftware wurden die SPECT-Projektionsdaten in ein List-Mode-Format erfasst und retrospektiv in vier Zeitbins, welche unterschiedliche Atemzustände repräsentieren, eingeteilt. Sowohl die Gated-, als auch die Ungated-SPECT-Daten wurden mit einem ordered-subset conjugate-gradient algorithm (1 subset, 24 iterations) rekonstruiert. Anschließend wurde die LLSF in Prozent, als das Verhältnis zwischen pulmonaler und hepatischer Aktivität, berechnet. Dies geschah sowohl für die Gated- als auch für die Ungated-Daten. Hierzu wurden die Leber- und Lungenkompartimente manuell in den CT-Daten mittels ITK-SNAP segmentiert und auf die SPECT-Daten übertragen. Die auf SPECT/CT-Aufnahmen basierten LLSF wurden mit den herkömmlich ermittelten LLSF, welche auf planare Szintigrafien beruhen, verglichen. Ergebnisse: Das durchschnittliche segmentierte Lebervolumen betrug 1948 ± 634 mL (Spannbreite 981 – 3437 mL) und das durchschnittliche Lungenvolumen betrug 1543 ± 646 mL (355 – 2666 mL). Die durchschnittlichen LLSF waren 4,75 ± 2,36 % (1,58 – 9,87 %) für gated und 4,95 ± 2,44 % (1,63 – 10,06 %) für ungated Aufnahmen. Der Korrelationskoeffizient nach Pearson ergab hierfür eine starke positive Korrelation mit 0,993. Betrachtet man den optisch mit den CT-Datensätzen am besten korrelierenden Atemzustand, dann betrug die LLSF für gated Dateien 3,99 ± 2,28 % (1,69 – 9,66 %). Die Spanne, d. h. der Bereich von maximaler bis minimaler LLSF der gated Daten eines Patienten, betrug im Mittel 2,72 ± 2,45 % (0,50 – 8,32 %), was 55,15 ± 34,74 % (5,02 – 144,85 %) der jeweiligen mittleren LLSF entspricht. Für die planaren Szintigrafien ergab sich eine mittlere LLSF von 5,51 ± 3,07 % (1,89 – 14,9 %). Schlussfolgerung: Atembewegungen führen zu einer Ungenauigkeit, welche möglicherweise zu einer Unter- oder Überschätzung der LLSF führt. Eine größere Patientenzahl ist notwendig, um die Relevanz dieses Effektes in der klinischen Praxis zu bestimmen. Vergleicht man jedoch die über alle Zeitbins gemittelten LLSF, so ergab sich in dieser Studie eine gute Korrelation mit der statischen LLSF. Beim Vergleich mit der herkömmlichen planaren Bestimmungsmethode zeigte sich, dass diese tendenziell die LLSF überschätzt. Somit ist die Gefahr einer Unterschätzung der LLSF durch planare Szintigrafien relativ gering, woraufhin eine aufwendigere Bestimmung der LLSF mittels einer SPECT/CT basierten Bestimmungsmethode nicht unbedingt im klinischen Alltag notwendig ist. Ergeben sich jedoch hohe LLSF durch die planare Bestimmungsmethode, welche eine therapeutische Dosisreduktion bewirken würden, so könnte eine SPECT/CT basierte Bestimmungsmethode angewendet werden, um eine mögliche Überschätzung zu detektieren und eine Dosisreduktion zu verhindern.
description: Aim and basics: In selective internal radiation therapy (SIRT), lungs are at risk of substantial radiation damage [Hoe21, Lin94, Leu95]. Therefore, for therapy planning, the liver-lung-shunt fraction (LLSF) for each patient is determined with pre-therapeutic imaging, for example, with 99mTc-macro-aggregated albumin (MAA) [DGN14]. This study determines the influence of respiratory motion on LLSF determination and compares conventional planar LLSF determination with a SPECT/CT-based method using respiratory gating. Materials and Methods: Fifteen of originally twenty patients who underwent 99mTc-MAA SPECT/CT scans on a Siemens Symbia T2 system were considered. During SPECT acquisition patients breathed freely. SPECT/CT was performed in a single bed-position (~ 40 cm axial field of view) and was set to include whole liver and as much of the lungs as possible. Using research software, SPECT projection data was acquired in listmode format and retrospectively framed into four time bins which represent different respiratory states. Gated and ungated SPECT data were reconstructed using ordered-subset conjugate-gradient algorithm (1 subset, 24 iterations). Afterwards the LLSF in percent was calculated as the ratio between pulmonary and hepatic activity. This was done for gated and ungated data based on manually segmented liver and lung compartments with ITK-SNAP in CT data which were transferred to the SPECT data. The SPECT/CT based LLSF was compared with the conventional planar determination method. Results: Average segmented liver and lung volumes were 1,948 ± 634 mL (range 981 – 3,437 mL) and 1,543 ± 646 mL (355 – 2,666 mL), respectively. Average LLSF was 4.75 ± 2.36 % (1.58 – 9.87 %) for gated and 4.95 ± 2.44 % (1.63 – 10.06 %) for ungated data. Pearson's correlation coefficient showed a strong positive correlation of 0.993. Considering the best visual fitting respiratory state, LLSF for gated data was 3.99 ± 2.28 % (1.69 – 9.66 %). The span, which is the range from maximum to minimum LLSF of a patient’s gated data, was 2.72 ± 2.45 % (0.50 – 8.32 %), which is equivalent to 55.15 ± 34.74 % (5.02 – 144.85 %) of the respective mean LLSF. The mean LLSF for planar scintigraphy was 5.51 ± 3.07 % (1.89 – 14.9 %). Conclusion: Respiratory movements lead to a bias potentially leading to under- or overestimation of LLSF. A higher number of patients than studied herein is necessary to determine its relevance in clinical practice. However, comparing the LLSF averaged across all time bins showed a good correlation with the static LLSF in this study. A comparison with the conventional planar determination method revealed that this tended to overestimate the LLSF. Thus, the danger of underestimating the LLSF by planar scintigraphy is relatively low, which means that a more complex determination of the LLSF using SPECT/CT-based methods is not absolutely necessary in everyday clinical practice. However, if the planar determination method results in a high LLSF, which would result in a therapeutic dose reduction, a SPECT/CT-based determination method could be used to detect a possible overestimation and prevent underdosing.