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Projecte Final d’Estudis
MÀSTER
EN
ENGINYERIA BIOMÈDICA
EB
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE
NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA
DOPAMINÉRGICO NIGROESTRIATAL.
INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA
CUANTIFICACIÓN
Barcelona, Junio del 2012
Autora:
Beatriz del Cisne Macas Ordóñez
Directores:
Domènec Ros Puig
Javier Pavía Segura
Realizado en:
Unitat de Biofísica i Bioenginyeria.
Departament de Ciències
Fisiològiques I Facultat de
Medicina (UB)
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
RESUMEN
El análisis de los sistemas de neurotransmisión cerebral se ha convertido en una
importante herramienta para el diagnóstico de enfermedades neurológicas y psiquiátricas,
al estar relacionadas con la alteración del buen funcionamiento en estos sistemas. La
función dopaminérgica presináptica está relacionada con el transportador de dopamina
(DAT) siendo el responsable de
la recaptación de la dopamina desde la hendidura
sináptica. Por tal motivo el DAT sirve como un indicador de la función dopaminérgica
nigroestriatal constituyéndose en un método eficiente de ayuda al diagnóstico precoz de
la enfermedad de Parkinson.
El objetivo del presente trabajo fue el análisis de la influencia del ruido en la cuantificación
de estudios de SPECT. Para el estudio se utilizaron técnicas de simulación Monte Carlo.
El proyecto incluye la cuantificación de estudios de SPECT simulados utilizando modelos
numéricos obtenidos a partir de imágenes de RM de pacientes. Se simularon estudios
con distintas relaciones señal/ruido. La comparación de los valores calculados de la
captación específica estriatal con los valores teóricos permitió evaluar la exactitud y
precisión del método de cuantificación y el efecto del ruido en la cuantificación.
La cuantificación de la captación específica se realizó a partir de la comparación entre la
captación en los núcleos estriatales y una región de referencia de captación no
específica. Debido a que la cuantificación es una técnica dependiente del operador se
realizó un análisis comparativo entre dos métodos, uno automático y otro manual, para la
colocación de pequeños cilindros sobre las regiones de interés estriatales. La
cuantificación de la captación en estos cilindros permitió estimar la captación estriatal.
Los resultados obtenidos muestran que al disminuir el número de cuentas aumenta la
dispersión de los valores calculados de captación específica. Este resultado es más
evidente para valores de captación específica baja, donde la diferencia en muchos de los
casos es notable. Así mismo, la comparación de los resultados obtenidos con el método
automático y el método manual, indica que el método automático puede resultar más
indicado en los casos en los que el ruido presente en las imágenes haga difícil la
colocación manual de los cilindros sobre las regiones estriatales.
1
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
2
3
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
ÍNDICE
RESUMEN
1
ÍNDICE GENERAL
3
INTRODUCCIÓN
5
MEMORIA
7
1. Teoría
7
1.1
Enfermedad de Parkinson
7
1.2
Diagnóstico por la imagen de la EP
8
1.2.1 Introducción a SPECT
9
1.2.2 Formación de la imagen
11
1.2.3 Efectos degradantes en la formación de proyecciones en SPECT
13
1.2.4 Trazadores utilizados en el diagnostico de la enfermedad de
Parkinson
15
1.2.5 Cuantificación de los estudios de SPECT en el sistema
dopaminérgico
16
1.3
Simulación Monte Carlo
16
1.4
Reconstrucción tomográfica en SPECT
17
1.5
Objetivos
19
2 Materiales y métodos
20
2.1
Modelos numéricos
20
2.2
Simulación
20
2.3
Reconstrucción
21
2.4
Normalización
21
2.5
Cuantificación
21
3
Resultados
22
3.1
Simulación
22
3.2
Reconstrucción
23
3.3
Normalización
24
3.4
Cuantificación
25
4
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
4.-Conclusiones y Recomendaciones
35
Agradecimientos
36
Bibliografía
37
Anexos
39
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
INTRODUCCIÓN
La enfermedad de Parkinson (EP), se produce por una disminución o degeneración de
las neuronas dopaminérgicas, generándose síntomas tales como: temblor, rigidez,
bradiquinesia y pérdida de los reflejos posturales.
Hoy en día sigue siendo objeto de investigación conseguir un método efectivo que
permita la curación de la EP, sin embargo se han desarrollado nuevas técnicas de
diagnóstico que posibilitan la pronta detección de la enfermedad. Tal es el caso de la
cuantificación de estudios de SPECT (Single Photon Emission Tomography) del
transportador de la dopamina que contribuye al diagnóstico precoz de la enfermedad.
Las guías de la European Association of Nuclear Medicine (EANM), señalan que el
procedimiento de adquisición de los estudios de SPECT de neurotransmisión cerebral
con ligandos marcados con 123I; deberían recoger un número mínimo de 3’000.000 totales
de cuentas para obtener imágenes óptimas.
Existen diversos parámetros que influyen directamente en la calidad de las proyecciones
obtenidas por SPECT y debido a su elevado grado de sofisticación tecnológica se
requiere un estricto proceso que garantice la confiabilidad de los resultados.
En el presente proyecto de investigación se pretende realizar un análisis de la influencia
del ruido en la cuantificación de estudios de SPECT. Para ello, se estudiará como se ven
afectados los resultados de la cuantificación al variar el número de cuentas totales
obtenido en la adquisición de los datos.
Para el desarrollo de este trabajo se han utilizado algoritmos desarrollados por el Grupo
d'Imatges Biomédiques de la Universitat de Barcelona (GIB-UB).
5
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
MEMORIA
1. Teoría
1.1 Enfermedad de Parkinson
La enfermedad de Parkinson (EP), está caracterizada por un proceso neurológico,
degenerativo crónico de las vías dopaminérgicas nigroestriatales.
Los síntomas característicos de la EP incluyen: Temblor, Rigidez, Braquinesia (lentitud
del movimiento) y perdida de los reflejos posturales.
La EP está asociada a una degeneración de la sustancia negra (SN) produciendo como
consecuencia la disminución de la dopamina. Esta disminución tiene como resultado un
deficiente control del movimiento que constituye uno de los principales síntomas de la
enfermedad.
Los ganglios basales (GB) están formados por el cuerpo estriado (integrado por los
núcleos caudado y putamen, que son contiguos), globo pálido (GP), sustancia negra
(SN), núcleo subtalámico de Luys (NST), y tálamo óptico (TO), que no se incluye
estrictamente como GB, pero está íntimamente conectado con estas estructuras.
El Globo pálido (GP) y el putamen forman el núcleo lenticular. (Ver Fig. 1.1)
La EP produce una progresiva desaparición de las neuronas dopaminérgicas del sistema
nigroestriatal, con despigmentación y consecuente gliosis, mientras que en las neuronas
supervivientes se ven los cuerpos de Lewy (CL).
Las funciones de los ganglios basales incluyen: mantenimiento de la postura del cuerpo y
extremidades; generación de movimientos espontáneos (parpadeo) y automáticos que
acompañan a un acto motor voluntario (balanceo de brazos al andar). [4]
7
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig 1.1 Ganglios basales
Corte sagital en el que se aprecia el cuerpo estriado (caudado y putamen); globo pálido (GP),
sustancia negra (SN), núcleo subtalámico; tálamo y núcleo rojo.
1.2 Diagnóstico por la imagen de la EP en medicina nuclear
Una característica de las imágenes de medicina nuclear es la detección y caracterización
de trastornos vinculados con alteraciones de la función; esto es importante al considerar
que las anormalidades en la fisiología preceden a los cambios posteriores de estructura
que se observan en las imágenes radiográficas.
La tomografía computarizada por emisión de radiación incluye dos técnicas: Tomografía
por emisión de fotones (SPECT) y Tomografía por emisión de positrones (PET); Estas
técnicas están basadas en la administración de trazas de un compuesto biológicamente
activo que ha sido previamente marcado con algún emisor de positrones (PET) o de
fotones gamma (SPECT).
Tanto PET como SPECT presentan una alta sensibilidad y especificidad y tiene la
capacidad de poner de manifiesto las alteraciones en los ganglios basales, motivo por el
cual son empleadas para determinar el patrón de metabolismo-perfusión cerebral en
diversos estadios de la enfermedad y así también determinar el riesgo de padecer la EP.
Debido a que la técnica de SPECT es más accesible para los entornos hospitalarios, hoy
en día se ha convertido en la mejor elección para diagnosticar la EP.
8
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
1.2.1 Introducción a SPECT
Un tomógrafo para SPECT no es más que una gammacámara de uno o más cabezales
detectores que tiene la capacidad de girar alrededor de un eje central para adquirir una
serie de proyecciones de la distribución del trazador en el interior del paciente, desde
diferentes ángulos.
Una gammacámara es un sistema de detección in vivo que proporciona proyecciones
bidimensionales de la distribución de un trazador emisor gamma que ha sido
administrado previamente al paciente. Estas imágenes reciben el nombre de
gammagrafías.
Una gammacámara está formada por uno o más cabezales detectores montados sobre
un soporte que permite colocar el cabezal detector en cualquier orientación alrededor del
paciente y una estación de trabajo en donde los datos adquiridos serán procesados y
visualizados. (Ver Fig. 1.2)
Fig. 1.2 Gammacámara
En la figura. Se muestra una gammacámara con un cabezal detector de campo rectangular
Cada cabezal detector esta formado por un colimador y un detector basado en un
detector de centelleo sólido (Fig. 1.3). Este detector además de detectar la radiación
gamma es capaz de proporcionar información de la posición en la que se ha producido la
interacción del fotón, la energía cedida por el fotón en la interacción y la dirección de
procedencia del mismo.
9
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 1.3 Cabezal detector
En la figura se muestra el esquema del cabezal detector de una gammacámara de campo circular
a) Corte lateral: colimador (1), cristal de NaI (Tl) (2), guía de luz (3), fotomultiplicadores (4),
blindaje (5).
b) Corte transversal que muestra el recubrimiento del cristal por la red hexagonal de
fotomultiplicadores.
Colimador
El colimador es un dispositivo antepuesto al detector cuya función es la de permitir la
llegada al cristal detector únicamente de aquellos fotones que inciden en una
determinada dirección. De esta forma, cada fotón detectado puede proceder de la
desintegración de cualquier átomo del radioisótopo contenido en una línea que sigue esta
dirección.
Es por este motivo que la imagen resultante es la proyección de la distribución del
trazador en esa dirección.
Un colimador esta caracterizado por su resolución espacial que determina la capacidad
de discriminación de dos puntos separados y su sensibilidad que es la relación existente
entre el número de fotones que llegan a la superficie del detector frente a aquellos que
inciden sobre el colimador.
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Los colimadores más frecuentemente utilizados son los de orificios múltiples, que están
formados por una lámina gruesa de un determinado material de alta densidad,
generalmente plomo, en la que se encuentran distribuidos uniformemente una gran
cantidad de orificios cuya disposición en red en la lámina suelen ser hexagonales. (Fig.
1.4)
Fig. 1.4 Detalle de los orificios de un colimador de orificios paralelos múltiples
Detector
El detector se encuentra dentro del cabezal y contiguo al colimador.
Su función es detectar los fotones gamma que atraviesan el colimador, determinar la
posición de interacción y la energía cedida en la interacción.
Consta de un cristal de centelleo en forma de lámina, una guía de luz y un conjunto de
fotomultiplicadores (PMT). Todos estos elementos se encuentran en el interior de un
contenedor de material de alta densidad que actúa como blindaje frente a la radiación
externa no deseada.
1.2.2 Formación de la imagen
La imagen gammagráfica es una imagen digital bidimensional constituida por una matriz
numérica cuyos elementos se denominan píxeles.
Esta imagen se corresponde con toda o con una parte del cristal detector. Cada elemento
contiene el número de fotones detectados en la superficie del detector que le
corresponde. A cada fotón detectado se le suele denominar como suceso o cuenta.
Cada fotón gamma que interacciona con el cristal del detector, ya sea por efecto
fotoeléctrico o Compton, cede toda o parte de su energía. En el cristal de centelleo, esta
energía se convierte en un gran número de fotones luminosos, proceso conocido como
centelleo.
11
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NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Una fracción de estos fotones incide sobre el fotocátodo de cada fotomultiplicador,
produciendo a su salida una débil señal, que es amplificada mediante un preamplificador.
Como resultado se obtiene un pulso que es mayor en los fotomultiplicadores más
cercanos al lugar donde se ha producido la interacción del fotón con el cristal. (Ver Fig.
1.5)
Fig. 1.5. Determinación de la coordenada de posición del lugar de interacción de un fotón en el
cabezal detector de una gammacámara.
Las señales de salida de todos los fotomultiplicadores se conducen hacia un circuito
suma, que proporciona una señal proporcional a la energía cedida por el fotón.
Al añadir un colimador al detector este último se transforma en un sistema de formación
de imágenes que representan la biodistribución del trazador.
Para que un sistema sea capaz de formar imágenes es necesario que todos los fotones
originados en un punto del objeto únicamente puedan ser detectados en un punto del
detector. Como el colimador permite conocer la dirección de procedencia de cada fotón
detectado, pero no garantiza que en esa dirección se encuentre el átomo que lo ha
emitido a menos que podamos garantizar que no ha habido dispersión entre la emisión y
la detección. Para ello, la energía medida debe corresponderse con la energía de emisión
del fotón.
Las imágenes gammagráficas contienen básicamente dos tipos de información. Por un
lado la de la localización de los fotones que han intervenido en su formación y, en
segundo lugar, la de la actividad del trazador.
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NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
1.2.3. Efectos degradantes en la formación de proyecciones en SPECT
Existen distintos fenómenos físicos asociados a la interacción radiación-materia y a la
respuesta del sistema colimador/detector que degradan las proyecciones adquiridas en
SPECT.
A continuación se presenta una descripción de estas degradaciones.
Atenuación
La atenuación es un fenómeno que consiste en que ciertos fotones que fueron originados
en el interior del paciente y dirigidos a un punto del detector son absorbidos o
dispersados por los tejidos que atraviesan. (Fig. 1.6)
Por lo tanto únicamente una parte de los fotones emitidos podrán llegar al detector. La
atenuación depende de la naturaleza del tejido atravesado, de su espesor y de la energía
de los fotones. De esta forma, los fotones procedentes de aquellas estructuras que
tengan menor cantidad de tejidos interpuestos en su trayectoria al detector, contribuyen
en mayor proporción en la imagen gammagráfica que aquellos que tengan que atravesar
un mayor espesor de tejido.
El efecto de la atenuación de fotones es el responsable de que para obtener la imagen de
un determinado órgano se deba colocar el detector por la parte del cuerpo del paciente
en la que el órgano de estudio se encuentre más próximo a la superficie, minimizando así
el efecto de la atenuación en este órgano.
Fig. (1.6) Atenuación de Fotones
Se observa como los fotones incidentes son absorbidos al atravesar un medio.
13
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NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Dispersión
La dispersión consiste en la inclusión de fotones que han sido desviados de su dirección
original antes de haber llegado al detector. La inclusión de estos fotones supone una
contaminación en la imagen, ya que se incluye información correspondiente a otra
posición.
Para eliminar este efecto se debería incluir en la imagen aquellos fotones cuya energía
está dentro de la ventana de energía seleccionada, centrada en la energía de los fotones
emitidos.
Este fenómeno depende de las interacciones de la materia dentro del cuerpo o en el
propio detector, así como también del material y espesor de los tejidos atravesados por
los fotones. [5]
Ruido
Todo recuento radiactivo sigue una distribución estadística de Poisson. Debido a que el
contenido de cada celdilla de una imagen digital representa el recuento de los fotones
detectados en su posición, cada píxel de una imagen gammagráfica seguirá una
distribución de este tipo.
Por tal motivo, en las imágenes gammagráficas habrá siempre la presencia de ruido que
será inevitable, sobre todo al tener en cuenta la limitación por cuestiones dosimétricas en
la actividad que se administra al paciente que tiene como consecuencia que el número de
fotones obtenidos en cada píxel sea siempre menor que el deseable. (Ver Fig. 1.7)
Fig. 1.7 Proyecciones de SPECT
Se muestra dos proyecciones de SPECT con un nivel de ruido alto (izquierda) y medio (derecha)
14
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NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Respuesta del sistema (PSF)
La imagen generada por una fuente puntual no es en si un punto, sino una distribución de
intensidades en la matriz de proyección, a lo que se denomina Respuesta Impulsional o
Respuesta del sistema (PSF: Point Spread Fuction) y determina la resolución espacial del
sistema.
Las principales causas de esta degradación corresponden a la imprecisión del sistema en
la determinación de la posición de cada interacción así también del tamaño de los
orificios y dependerá de la distancia entre a la fuente y el colimador. (Ver Fig. 1.8) [5]
Fig. 1.8 Respuesta del sistema a una fuente puntual situada a varias distancias del colimador
1.2.4 Trazadores utilizados en el diagnóstico de la enfermedad de Parkinson
Para estudiar la presinapsis dopaminérgica, que está relacionada con la EP y otros
trastornos del movimiento, se utilizan algunos trazadores análogos a la cocaína que están
marcados con 123I, tales como 123I-FP-CIT (DaTSCAN)
y el 123I-β –CIT.
Este trazador se une al DAT y, por tanto, si existe una mayor concentración de DAT, la
captación será mayor. Así, la medida de la concentración del trazador en una región es
una medida indirecta de la cantidad de transportador que contiene.
La técnica de SPECT usa estos trazadores para analizar in vivo el transportador de la
dopamina.
Una de las desventajas de utilizar el
123
I-β –CIT, fue su lenta cinética ya que requería 24
horas después de su administración, para realizar la adquisición de las imágenes.
15
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NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
El DaTSCAN
tiene una específica y alta afinidad con el transportador de la dopamina
de tal forma que solo requiere un periodo de 3 a 6 horas después de su administración
para adquirir el estudio de SPECT. Esta rápida cinética resulta de gran utilidad en el
diagnóstico de la Enfermedad de Parkinson mediante SPECT.
1.2.5 Cuantificación de los estudios de SPECT en el sistema dopaminérgico.
En la evaluación de los estudios de SPECT, con
123
I-FP-CIT suele realizarse un análisis
cualitativo de las imágenes, debido a que se visualiza fácilmente la captación estriatal, y
puede determinarse si esta captación es normal o está disminuida. Sin embargo, la
cuantificación de la captación específica es útil para corroborar la valoración de estos
estudios, y puede ser útil en aquellos casos en los cuales el análisis visual no es
concluyente.
La cuantificación se realiza mediante el cálculo del índice de captación especifica (SUR:
Specific Uptake Ratio) definido como:
donde Ce corresponde a la concentración media del trazador en las regiones de interés
(ROI: Region of Interest) del estriado y Co representa la concentración media del trazador
en un área de referencia usualmente localizada en la zona occipital de captación no
específica.
En la mayoría de los casos, las ROIs son delimitadas manualmente por un operador, lo
que conduce a unos resultados que dependerán directamente del operador, razón por la
cual es imprescindible que el personal esté cualificado, para así obtener resultados
fiables. [5]
1.3 Simulación Monte Carlo
La simulación Monte Carlo (MC) implica la utilización de una serie de técnicas
matemáticas que requieren el uso de números generados aleatoriamente.
16
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Por medio de técnicas MC fue posible realizar una simulación en la que se disponía de
los mapas de atenuación y actividad permitiendo generarse resultados parecidos al
emplear la técnica de SPECT.
Debido a la naturaleza estocástica de la emisión de radiación, transporte y procesos de
detección, las técnicas de imagen de SPECT y PET, se suelen modelizar mediante
técnicas de simulación MC.
La simulación Monte Carlo aplicada a técnicas de imagen tales como SPECT y PET se
utiliza para diseño y selección de detectores/colimadores, modelización de la respuesta
de los sistemas colimador/detector, estudio del efecto de las degradaciones que afectan
las imágenes, desarrollo y evaluación de métodos de corrección de degradaciones y
diseño y evaluación de protocolos de cuantificación.
1.4
Reconstrucción tomográfica en SPECT
Una vez se han obtenido las proyecciones, se procede a la reconstrucción de la
distribución
tridimensional
del
trazador
utilizando
algoritmos
de
reconstrucción
tomográfica.
El objetivo de la reconstrucción tomográfica en SPECT es obtener una distribución
tridimensional a partir de proyecciones que son imágenes bidimensionales.
La forma mas utilizada de resolver este complejo problema es reducirlo a la resolución de
múltiples problemas más sencillos consistentes en obtener la distribución del trazador en
una sección transaxial del objeto partiendo de la parte de las proyecciones que le
corresponde. Es decir una determinada fila de cada una de las proyecciones.
Habitualmente, esta información se agrupa en una imagen que se denomina sinograma,
en la que se apila una misma fila de todas las proyecciones. Se trata de una
representación en la que el eje de abscisas se corresponde con la posición en la fila
(coordenada x de la proyección) y el eje de ordenadas con el ángulo correspondiente a
cada proyección. (Fig. 9)
El algoritmo de reconstrucción más utilizado es el de retroproyección filtrada. Este
método consiste en retroproyectar las proyecciones previamente filtradas por un filtro de
17
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NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
rampa. Al aplicarles el filtro de rampa necesario antes de retroproyectar, el ruido se
magnifica obteniéndose unas imágenes tomográficas inaceptables en la mayoría de los
casos. Es por este motivo que junto con el filtro de rampa debe aplicarse un filtro paso
baja de forma que se amortigüen las altas frecuencias asociadas al ruido.
Fig. 1.9 Reagrupamiento de información al pasar de proyecciones a sinogramas.
La figura muestra dos secciones: una obtenida para un ángulo determinado. i, que corresponde a
la proyección adquirida en este ángulo; la otra corresponde a la fila j y constituye el sinograma de
esta fila.
Para que la reconstrucción sea correcta es necesario asumir que la distribución del
trazador sea estacionaria, de modo que las proyecciones correspondan al mismo objeto.
En caso de que existan movimientos del paciente o que la cinética del trazador sea tal
que la distribución no se haya estabilizado, la reconstrucción no es válida y conduce a
resultados erróneos.
Una vez obtenida la distribución tridimensional del trazador, es posible visualizar
secciones en cualquier orientación (transaxial, sagital, coronal u oblicua).
18
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
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1.5
OBJETIVOS
Objetivo General
 Estudiar el efecto del número de cuentas en la cuantificación de estudios de
SPECT de neurotransmisión en el sistema doaminérgico nigroestriatral.
Objetivos Específicos
 Simular por medio de SimSET estudios de SPECT de neurotransmisión en el
sistema dopaminérgico nigroestriatal

Reconstruir mediante Retroproyección filtrada (FBP) los estudios antes citados y
normalizarlos a un espacio estándar.
 Cuantificar y determinar cómo afecta el ruido en estudios de SPECT.
19
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NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
2. MATERIALES Y MÉTODOS
2.1
Modelos numéricos
Los modelos numéricos utilizados para la simulación fueron obtenidos de una base de
datos de modelos numéricos de actividad y atenuación del Grup d’Imatges Biomèdiques
de la Universitat de Barcelona (GIB-UB). Esta base de datos había sido obtenida a partir
de RM de un grupo control de sujetos normales. Se seleccionaron 3 modelos
representativos del conjunto de la población. Uno de los modelos tenía un volumen del
estriado correspondiente al promedio de la población, otro menor y otro mayor.
2.2
Simulación
La simulación se realizó mediante el simulador Monte Carlo SimSET, modelando la
respuesta del sistema SPECT, para obtener el conjunto de proyecciones en 3 sujetos
distintos.
El
123
I es un radionúclido que tiene una emisión principal de fotones de 159 keV
(abundancia aproximada del 97%) y fotones de energías más altas (abundancia
aproximada del 3%). La sensibilidad del sistema detector para los fotones de alta energía
es mucho mayor que la correspondiente a los fotones de 159 keV, puesto que atraviesan
el plomo del colimador con más facilidad. Por ello, se tuvo que emplear un simulador
adaptado a este radionúclido [1].
En el proceso de simulación fue necesario considerar:
La digitalización de los modelos se realizó utilizando una matriz de 256x156x116, con un
tamaño de vóxel de 0,9375x0,9375x1,5 mm3.
La simulación de los fotones de la emisión principal de 159 keV del
123
I fue realizada de
forma separada de los fotones de alta energía (529keV). Tomando en consideración que
la simulación es aditiva, las proyecciones totales en SPECT se obtuvieron al sumar las
proyecciones obtenidas para las diferentes energías de los fotones.
Para cada uno de los tres modelos numéricos se realizaron 20 simulaciones para 5x105,
2x106 3x106, 4x106 de cuentas y para valores de SUR de 1, 2, 3, 4, 5 y 6.
20
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
2.3 Reconstrucción
La reconstrucción se realizó utilizando el algoritmo de retroproyección filtrada (FBP). Para
mejorar la relación seña/ruido y, como paso previo a la recontrucción, las proyecciones
fueron filtradas utilizando un filtro Butterworth bidimensional con una frecuencia de corte
de 0,642 cm-1 y orden del filtro de 5.
2.4
Normalización
La normalización consiste en una serie de modificaciones en las imágenes, que implican
rotación, traslación y realización de pequeñas modificaciones con la finalidad de ajustar
los estudios de los pacientes con los de un patrón de SPECT.
El objetivo de este procedimiento es el de facilitar la ubicación inicial de las ROIs de
forma automática.
2.5
Cuantificación
Una vez se dispone de los estudios en un espacio estándar y definidas las zonas de
interés, es posible realizar la cuantificación.
Para la cuantificación se utilizó un conjunto de 6 cilindros colocados inicialmente de forma
automática. Es posible modificar tanto el tamaño como la posición de cada cilindro, si el
usuario lo considera necesario.
Al ejecutar el proceso de cuantificación se calcula la captación media dentro de cada
cilindro y se calcula la SUR en cada caso, utilizando como referencia una región de
interés de captación no específica situada en la región occipital.
Este proceso fue desarrollado por medio de QuantiDOPA desarrollado por GIB-UB; en el
cual se procesaron los 540 estudios de SPECT, de los que se conocen el valor de SUR
teórica. Con esta información se pudo realizar una comparación los valores de SUR
calculados con respecto a los valores de SUR teórica.
21
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
3. RESULTADOS
3.1
Simulación
Tanto los mapas de atenuación como los de actividad nos proporcionaron la distribución
espacial de coeficientes de atenuación y de actividad necesaria para la simulación.
La Fig. 3.1 muestra secciones axiales de la imagen de RM original y de los mapas de
actividad y atenuación empleados en la simulación. En el mapa de atenuación se aprecia
la división entre tejido cerebral y tejido óseo. En el mapa de actividad se observa la región
cerebral de fondo no específico y los núcleos Caudado y Putamen con una mayor
intensidad asociada a la captación específica.
Fig. 3.1 Imagen de RM de un sujeto control (izquierda) y mapas de actividad (centro) y atenuación
(derecha) del modelo numérico.
En la Fig. 3.2, se muestra el conjunto de proyecciones resultantes de la simulación para
0.5, 2 y 4 millones de cuentas y para valores de SUR de 2, 4 y 6.
De las proyecciones mostradas en la Fig. 3.2 se puede observar que a medida que el
número de cuentas disminuye el ruido aumenta siendo las proyecciones con 4 millones
de cuentas las que permiten una mejor visualización.
22
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.2 Proyecciones resultantes de la simulación con SimSET. Las imágenes se han normalizado
convenientemente para su comparación visual utilizando la misma intensidad y contraste en la
escala de color.
3.2 Reconstrucción
En la Fig. 3.3 Se muestra un corte sagital de la imagen reconstruida a diferentes números
de cuentas con SUR: 2, 4 y 6. En ella se aprecia que a medida que aumenta el numero
de cuentas la imagen es más clara pudiéndose diferenciar de mejor forma los núcleos del
resto del tejido cerebral. Asimismo, para SUR bajas no se diferencia el estriado del tejido
cerebral cuando el número de cuentas es bajo.
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.3 Imagen Reconstruida
3.4 Normalización
La Fig. 3.4 Muestra como la imagen reconstruida es llevada a un patrón de SPECT
denominado Template que es común para todas las imágenes, de tal forma que se
estandariza todas las imágenes a un espacio de trabajo común para todos los casos.
La Fig. 3.4 muestra imagen reconstruida antes de ser normalizada y posteriormente se ve
como se ajusta la imagen al Template seleccionado. Este proceso de normalización fue
llevado a cabo en todos los casos.
24
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.4 Proceso de normalización
3.4 Cuantificación
El proceso de cuantificación se realizó por medio de cilindros colocados en las diversas
áreas de interés, para lo que se empleó un Template que tiene asignado
automáticamente la posición de cada cilindro. Es posible modificar este diseño
prestablecido, variando el radio, la altura y la posición de cada cilindro si el caso lo
amerita. En la Fig. 3.5 se muestra el Template empleado, las posiciones de los distintos
cilindros y la región de referencia.
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.5 Secciones del Template utilizado. Se muestran también las regiones cilíndricas en el
estriado y la región de referencia utilizadas en la cuantificación
Se puede observar en la Fig. 3.6 como quedan colocados los cilindros sobre la imagen
normalizada utilizando el Template descrito.
Fig. 3.6 Colocación automática de los cilindros. Las imágenes se han normalizado
convenientemente para su comparación visual utilizando la misma intensidad y contraste en la
escala de color.
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.7 Colocación manual de los cilindros. Las imágenes se han normalizado convenientemente
para su comparación visual utilizando la misma intensidad y contraste en la escala de color.
En las Figuras: 3.8, 3.9 y 3.10 se pueden observar los valores de SUR calculados para
cada una de las situaciones simuladas con los tres modelos utilizados. En ellas se
observa un comportamiento similar. Por un lado, los valores de SUR obtenidos tienen un
comportamiento lineal frente a los valores teóricos simulados. Por otro lado, se observa
una mayor variabilidad en los resultados a medida que disminuye el número de cuentas.
27
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.8 Sur Teórica con relacion a la Sur calculada para el Sujeto 1
Fig. 3.9 Sur Teórica con relacion a la Sur calculada para el Sujeto 2
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.10 Sur Teórica con relacion a la Sur calculada para el Sujeto 3
Debido al comportamiento similar que se presentó para los casos anteriores en los
sujetos analizados se decidió considerarlos como uno solo (Fig. 3.11). Se observa que a
medida que el número de cuentas aumenta, la dispersión disminuye, por lo tanto se
genera menos variación en cuanto a los resultados obtenidos pudiéndose observar que
para SURs bajas existe un cierto solapamiento en cuanto a resultados lo que en la
práctica podría llevar a confusión en cuanto a los resultados al emplear pocas cuentas en
los estudios de SPECT.
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.11 Sur Teórica con relacion a la Sur calculada para todos los Sujetos analizados
La Fig. 3.12 muestra que en caso de emplear 4 millones de cuentas en diferentes sujetos
existe menor variación en cuanto a los resultados obtenidos por lo que en ninguno de los
casos se genera solapamiento de los valores obtenidos para los diferentes SUR
calculados.
30
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.12 Sur Teórica con relacion a la Sur calculada para 4 millones de cuentas
La Fig. 3.13 muestra el coeficiente de variación obtenido, en el conjunto de estudios
simulados, para cada valor de SUR utilizando el método automático y el manual y les
diferentes niveles de ruido simulados.
Se puede observar que cuando se modifica manualmente las posiciones de los cilindros,
los resultados presentan una menor variabilidad. También se observa que para bajos
niveles de cuentas esta variabilitat no tiene un comportamiento estable debido a la mayor
dificultad por parte del operador en colocar los cilindros.
31
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Fig. 3.13 Coeficiente de variacion en función de valor de SUR teórico
32
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Método Automático
Estriado
Número de cuentas
SUR
2
X
δ
4
δ/x
E Max
%
X
δ
6
δ/x
E Max
%
X
δ
δ/x E Max %
a
b
r
2
4 0,45 0,03
7%
13,63
1,05
0,04
4%
5,55
1,64 0,05 3%
3,95 0,30 -0,14 1,0000
2 0,43 0,04
9%
17,86
1,06
0,05
5%
6,17
1,67 0,06 4%
5,20 0,31 -0,18 1,0000
0,5 0,41 0,05 13%
28,16
1,05
0,09
9%
14,33
1,64 0,10 6%
12,60 0,31 -0,20 0,9995
Caudado
Número de
cuentas
SUR
2
X
δ
δ/x E Max %
4 0,49 0,08 16%
19,58
2 0,46 0,08 16%
32,10
0,5 0,43 0,10 24%
51,79
4
X
δ
δ/x E Max %
1,18 0,09 8%
8,88
1,17 0,10 8%
8,85
1,18 0,16 14%
16,80
6
X
1,85
1,86
1,82
2
δ
0,11
0,13
0,16
δ/x E Max %
a
b
6%
4,69 0,34 -0,18
7%
7,16 0,35 -0,23
9%
14,18 0,35 -0,24
r
0,9999
0,9999
0,9977
X
1,43
1,47
1,46
δ
0,09
0,07
0,11
δ/x E Max %
a
b
6%
8,44 0,25 -0,09
5%
11,24 0,27 -0,13
7%
19,80 0,27 -0,16
r
1,0000
1,0000
0,9999
6
X
1,71
1,83
1,72
δ
0,06
0,06
0,10
δ/x E Max %
a
b
3%
5,53 0,30 -0,10
3%
7,33 0,33 -0,16
6%
10,88 0,32 -0,20
r
0,9999
1,0000
0,9985
6
X
1,99
2,18
1,99
δ
0,07
0,09
0,16
δ/x E Max %
a
b
3%
8,20 0,35 -0,12
4%
10,14 0,39 -0,17
8%
15,10 0,38 -0,25
r
0,9998
1,0000
0,9955
δ
0,09
0,06
0,10
δ/x E Max %
a
b
r
6%
8,44 0,25 -0,09 1,0000
4%
8,58 0,27 -0,14 1,0000
7%
21,56 0,27 -0,15 1,0000
Putamen
Número de
cuentas
SUR
2
X
δ
δ/x E Max %
4 0,41 0,03 7%
11,00
2 0,40 0,04 11%
26,39
0,5 0,38 0,06 14%
29,31
4
X
δ
δ/x E Max %
0,93 0,05 5%
6,63
0,94 0,07 7%
6,71
0,91 0,10 10%
24,10
6
2
Método Manual
Estriado
Número de
cuentas
SUR
X
4 0,50
2 0,51
0,5 0,43
2
δ
δ/x E Max %
0,03 7%
14,20
0,03 6%
18,96
0,05 11%
25,26
X
1,11
1,17
1,12
δ
0,04
0,06
0,07
4
δ/x E Max %
3%
4,80
5%
8,52
7%
12,41
2
Caudado
Número de
cuentas
SUR
X
4 0,58
2 0,61
0,5 0,48
2
δ
δ/x E Max %
0,06 10%
20,35
0,05 8%
15,85
0,10 22%
46,53
X
1,30
1,39
1,32
δ
0,05
0,08
0,13
4
δ/x E Max %
4%
8,01
5%
11,27
9%
18,98
2
Putamen
Número de
cuentas
SUR
2
X
δ
δ/x E Max %
4 0,41 0,03 8%
11,00
2 0,40 0,04 10%
25,97
0,5 0,38 0,05 14%
29,31
4
X
δ
δ/x E Max %
0,93 0,05 5%
6,63
0,95 0,06 6%
7,46
0,92 0,09 10%
23,32
6
X
1,43
1,49
1,46
2
PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
De acuerdo a los resultados obtenidos de las tablas antes presentadas se puede
mencionar que:
Cuando se aplica el método manual en la cuantificación se obtiene una sobrestimación
en los resultados en el caso del caudado y el estriado, mientras que no hay diferencias
entre los valores obtenidos con los dos métodos para el putamen.
Al comparar los resultados obtenidos con las simulaciones a 4x 106 cuentas con los de
5x105 cuentas se obtienen diferencias significativas para el estriado y caudado, mientras
que para el putamen los resultados resultan similares.
Las dispersiones medias son menores globalmente para el método manual que en el
automático.
A medida que aumenta el número de cuentas los errores medios disminuyen como seria
de esperar, por lo tanto hay un aumento de la dispersión al disminuir el número de
cuentas
Se observa que la presencia del ruido en las imágenes de SPECT aumenta la dispersión
y el error máximo en los resultados.
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
4. Conclusiones y Recomendaciones
Conclusiones

La utilización de técnicas Monte Carlo ha permitido disponer de estudios
simulados de SPECT cerebral de neurotransmisión del sistema dopaminérgico en
condiciones controladas.

La relación entre los valores calculados y teóricos de la captación específica
estriatal es lineal para los distintos niveles de ruido. La variabilidad anatómica no
parece comprometer la relación lineal.

Se ha caracterizado la dependencia de la varianza de los valores de captación
específica estriatal con el número de cuentas de los estudios. Los errores
máximos de la varianza para el conjunto del estriado son del 14% y del 28% para
4 y 0.5 millones de cuentas. Estos errores alcanzan los valores de 20% y 52% en
el caudado y 11% y 29% en el putamen para 4 y 0.5 millones de cuentas. Los
errores son similares en los dos métodos, manual y automático, de
posicionamiento de los cilindros en el estriado.
Recomendaciones

Se recomienda que los estudios de SPECT sean realizados con el adecuado
número de cuentas para de esta forma evitar los problemas que surgen al
emplear pocas cuentas.

En los casos en los cuales la colocación de las ROIs se dificulte esto en SUR
bajas se podría considerar la utilización del método automático para la
cuantificación.

Se recomienda para futuros trabajos buscar valores de normalidad y observar si
estos errores se traducen notablemente en cambios de sensibilidad y
especificidad.
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PROCESAMIENTO DE ESTUDIOS DE SPECT DE NEUROTRANSMISIÓN EN EL SISTEMA DOPAMINÉRGICO
NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
Agradecimientos
En primer lugar quiero agradecer al Dr. Domènec Ros y al Dr. Javier Pavía, por
brindarme la oportunidad para desarrollar mi Proyecto Final de Máster, permitiéndome
formar parte del Departamento de Biofísica y Bioingeniería de la Facultad de Medicina de
la Universidad de Barcelona, logrando iniciarme respecto a un área especifica, la de La
Bioingeniería como es
“El procesamiento de Imágenes Biomédicas”, Gracias por su
tiempo y dedicación.
A mis compañeras del departamento en especial a Berta Martí por haber sido mi guía a lo
largo de este camino gracias por las incontables horas dedicadas a mi trabajo, siempre
recordare su optimismo para hallarle solución a todo. Agradecer también Aida Niñerola
por su apoyo en cuanto a programación, gracias ustedes me llevo un grato recuerdo de
este proyecto.
Finalmente agradecer a uno de motivos para mi superación profesional y personal “Mi
Familia” A mis padres y hermanos.
Gracias ya que pese a la distancia siempre han estado durante estos dos largos años
alejada de casa, apoyándome y dándome la fuerza que necesitaba para seguir, en
especial a mi Madre Beatriz por ser mi inspiración; La mujer mas admirable y luchadora
que conozco; así mismo a gradecer a mi hermana y mejor amiga Janeth gracias por
levantarme y apoyarme siempre.
A todos ustedes Muchas GRACIAS…
36
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NIGROESTRIATAL. INFLUENCIA DEL RUIDO EN LA CUANTIFICACIÓN
BIBLIOGRAFíA
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ANEXOS
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