Giriş

Nükleer Tıp görüntüleme, vücuda çoğunlukla intravenöz yoldan uygulanan radyonüklit işaretli farmasötik ajanlardan gelen fotonları algılayarak görüntüler oluşturma yöntemidir. Bu radyofarmasötikler, doku veya organlardaki fizyolojik fonksiyonları tespit etmek için belirli bir hedefe yönlendirilecek şekilde tasarlanmıştır. Görüntüleme teknikleri, dedektöre gelen gama ışınlarının algılanmasına ve bu ışınların yayınımının noktasal koordinatlarının belirlenmesine dayanır. Görüntülemede, kamera tarafından dedekte edilen her bir fotonun enerjisini belirlemek ve ayrıca birincil olaylar ve saçılma nedeniyle meydana gelen ikincil olaylar arasında ayrım yapabilmek önem arz etmektedir.

Nükleer Tıpta gama kamera, tek foton emisyonlu bilgisayarlı tomografi (SPECT) ve pozitron emisyon tomografisi (PET) gibi çeşitli modalitelerle birlikte bunların bilgisayarlı tomografi (BT) ve manyetik rezonans (MR) görüntüleme cihazlarını içeren hibrit bileşenleri (SPECT/BT, PET/BT ve PET/MR) Nükleer Tıp görüntüleme cihazları olarak kullanılmaktadır. Bu cihazlar, organların hem iki boyutlu “planar” görüntüsünü hem de üç boyutlu “tomografik” görüntüsünü gösterebilecek biçimde tasarlanmıştır. Bunun yanında hibrit sistemlerle birlikte morfolojik görüntüleme imkanı sunarak fizyolojik bulguların anatomik lokasyonu hakkında da detaylı bilgiler sunmaktadır.

Günümüzün modern kameraları, dijital sinyal işleme tekniklerine ve yüksek performanslı yazılımlara dayanan donanımsal ve yazılımsal çözümlerle birlikte sunulmaktadır. Bu çözümlerle, uzaysal çözünürlük iyileştirmesi, gürültü azaltma, foton saçılım ve foton azalım düzeltmeleri, hasta dozunun düşürülmesi ve daha kısa tarama süresi gibi avantajlar sağlanabilmektedir. Ayrıca günümüzde çok çekirdekli işlemcilere sahip bilgisayar ve bilgisayar kümelerinin yer aldığı görüntüleme sistemleriyle paralel görüntü işleme algoritmalarının ve yazılımlarının kullanılmasına olanak sağlanmış ve bu sayede görüntü rekonstrüksiyon işlemlerindeki hesaplama hızları da önemli ölçüde artırılmıştır.

Tarih boyunca, özellikle nükleer kardiyoloji alanında, radyonüklit teknolojisinin, görüntüleme araçlarının ve hesaplama tekniklerinin gelişimi sürekli olarak evrim geçirmiştir; çünkü kardiyak çalışmalarındaki miyokart perfüzyon sintigrafilerinin (MPS) ana dezavantajlarından biri, görüntü kalitesini korumak ve radyasyon dozunu kontrol altında tutmak için gereken uzun tarama süresidir. Bunun sonucunda sistemsel ve hasta kaynaklı nedenlerle oluşan görüntü artefaktları doğru tanı koyma noktasında zorluklar yaşatmaktadır. Bu uzun prosedürler ve zorluklar, hastaların konforu ve laboratuvar verimliliği üzerinde ek negatif etkilere
sahiptir (1). Bu nedenle, Nükleer Tıpta kullanılan görüntüleme modaliteleri son yıllarda sofistike yazılım algoritmalarının, iteratif (tekrarlayıcı) rekonstrüksiyon yöntemlerinin ve yapay zeka entegrasyonunun geliştirilmesine tanık olmuştur. Bütün bu gelişmelerin hepsi tanı doğruluğunu artırmaya, çekim süreç ve analizlerini hızlandırmaya, hasta dozunu azaltmaya ve kişiye özel hasta bakımına katkıda bulunmuştur. Bugün nükleer kardiyoloji, kardiyovasküler görüntülemenin dinamik ve ayrılmaz bir bileşeni olarak durmakta ve daha doğru, verimli ve hasta odaklı sağlık çözümlerinin geliştirilmesinde önemli bir rol oynamaktadır. Bu derlemede, nükleer kardiyoloji alanında kullanılan yeni görüntüleme sistemleri ve yazılımlardaki en son gelişmelerin sağlık profesyonellerine ve okuyuculara aktarılması amaçlanmaktadır.

Donanımsal Yenilikler

Nükleer Tıp uygulamalarında, görüntülemesi yapılan organ veya dokudaki (bundan sonra organ denilecektir) radyofarmasötik tutulum bölgeleri görüntülenerek; organın sorumlu olduğu fonksiyonu yerine getirmesi, fonksiyonu yerine getirme miktarı gibi bilgiler elde edilmektedir. Kalitatif ve kantitatif özellikteki fonksiyonel bilgiler radyofarmasotikten doğrudan gama bozunumu sonucu veya annihilasyon etkileşimi yapacak olan pozitron salınımının dolaylı olarak oluşturduğu gama fotonlarının dedektörde durdurularak görüntüye dönüştürülmesi sayesinde elde edilir. Nükleer Tıp uygulamalarında sistemlerden beklenen başlıca özellikler enerji ayırma gücü, uzaysal rezolüsyon (uzaysal ayırma gücü) ve sayım hassasiyetinin yüksek olmasıdır. Genel bir kavram olan ayırma gücü, ifade edilmek istenen özelliğin (örneğin; enerji, frekans, objeler arasındaki uzaysal mesafe vb.) iki farklı değerinin görüntüleme sistemi tarafından ayrı değerler olarak algılanmasıdır. Sistemin oluşturduğu düşük sayısal değer üstün özelliğin olduğunu ifade eder. Uzaysal ayırma gücü; iki ayrı obje konum olarak yakınlaştıkça objeler ayırma gücü sınırında iki ayrı obje olarak kayıt edilebilse de, ayırma gücü sınırı altındaki bir mesafede görüntüde tek bir obje olarak görüntülenecektir. Dolayısıyla görüntülenmek istenen anatomik objenin sistemin uzaysal ayırma gücü sınırı üzerinde olması gerekir. Enerji ayırma gücü de benzer olarak iki farklı enerjinin sistem tarafından çözme gücüdür. Sayım hassasiyeti ise aktivite başına sistemin oluşturduğu sayım hızıdır ve birimi cpm/MBq olarak verilmektedir.

Görüntüleme sisteminin sahip olduğu dedektör, kolimatör ve diğer sistem ekipmanlarına bağlı olarak belirtilen özellikler etkilenmektedir. Örneğin SPECT sistemindeki kolimatör seçimi düşük enerji yüksek rezolüsyonlu kolimatör ise ayırma gücü iyileşirken sistem hassasiyetinde azalma meydana gelmektedir. Azalan hassasiyetin kompanse edilmesi için hastaya uygulanan aktivite miktarının artırılması bir yöntemdir; ancak artan radyoaktiviteye bağlı olarak hasta dozu da aynı oranda artacaktır. Diğer bir yöntem ise projeksiyon başına görüntüleme süresinin artırılmasıdır. Burada hasta dozu değişmemekle birlikte çekim süresi artmakta ve hasta hareketine bağlı görüntü artefaktları oluşmasına neden olabilmektedir.

Görüntüleme sistemlerinde gama fotonları durdurulur ve bilgisayar hafızasında görüntüye dönüştürülür. Radyasyon dedektörü olarak gerek PET gerekse SPECT sistemlerinde kullanılan sintilasyon dedektörlerinin genel özellikleri Tablo 1’de verilmektedir. Tablo 2’de ise aynı amaçlı sistemlerde kullanılan yarı iletken malzemelerin özellikleri verilmektedir.

Gama kamera veya Anger kamera olarak nitelendirilen sistemler, gama ışınlarını elektronik sinyallere dönüştürerek, hastadaki radyoaktivite dağılımının görüntülenmesini sağlar. Geleneksel olarak bir sintilasyon kristaliyle gama ışınları görünür bölgede önce ışığa, ardından da elektronik sinyale dönüştürülür. Anger tarafından geliştirilen pozisyonlama mantığı ile de kristal yüzeyinde gama ışını etkileşim merkezlerinin konumu aynı zamanda etkileşim yapan gama fotonu enerjisi belirlenir. Görüntü kontrastı radyoaktif maddenin vücuttaki dağılımını vermektedir. Genel amaçlı çift dedektör SPECT sistemlerinde görüntülemede 45° sağ anterior oblik ile 45° sol posterior oblik arasında 180°’lik yarım yay boyunca projeksiyon görüntüleri alınmaktadır. Her dedektör 90°’lik hasta alanını tarayarak tek dedektörlü sistemlere göre iki kat daha kısa sürede görüntüleme tamamlanabilmektedir.

Kalp bulunduğu vücut bölgesi gereği SPECT sistemlerinin dönme merkezi ile tam uyum içerisinde değildir. Ayrıca kalp çekimlerinde sağ anterior oblikten sol posterior obliğe kadar 180°’lik yarım yay boyunca alınan projeksiyonlardan zıt yönde olan projeksiyon sayımları kalbin daha uzak olduğu konumdan gelen projeksiyon bilgisini taşımaktadır. Dolayısıyla buradan gelen bilgiler daha fazla atenüasyon ve saçılma içermektedir. Bu da görüntüde gürültünün artmasına ve çözünürlüğün azalmasına sebep olur. Bu nedenle genel amaçlı sistemlerin kalp sintigrafisinde kullanılması yerine, kalbin görüntülenmesine özgü sistemler günümüzde klinik uygulamalarda yerini almaktadır. Bu sistemlerin getirdiği temel yenilikler dedektör teknolojisi, kolimatör, sistem elektroniği ve kesit görüntüsü oluşturma algoritmaları şeklindedir. Aynı zamanda bu sistemlere özgü olarak hasta pozisyonlaması, çekim süresinde kısalma, kullanılan radyofarmasotik aktivitesinde azalma ve görüntü kalitesinde iyileşme sağlanmaktadır (3).

Kardiyak sintigrafisine özgü geliştirilen başlıca sistemler D-SPECT, Discovery NM530c, Cardius Digirad, IQ-SPECT, CardiArc tasarımlarıdır (Canton, MI) (4). Sistemlerin genel özellikleri Tablo 3’te geleneksel sistem olan NaI kristal ve fotoçoğaltıcı tüplerle (photomultiplier tubes - PMTs) birlikte verilmektedir (5). Sintilasyon kristalinde oluşan görünür bölgedeki sintilasyon fotonları dalga boyuna uygun optik foton-elektronik dönüştürücüler kullanılır. Talyum dop edilmiş sezyum iyodür kristali Cs(Tl) pik emisyon dalga boyu olan 550 nm sintilasyon fotonları için silikon fotodiyot kullanılır. NaI(Tl) kristalinin emisyon fotonları ise 340 nm pik emisyon foton dalga boyu için PMTs tercih edilir (6).

Kullanılan kristaller, materyallerinde yapılan değişikliklerle enerji ayırma gücü, rezolüsyon ve hassasiyette üstün iyileşmeler sağlamaktadır. Özellikle yarı iletken dedektör teknolojisi olan kadmiyum çinko tellürit (cadmium zinc tellurite - CZT) kristallerinin enerji ayırma gücünün ve rezolüsyonun geleneksel sisteme oranla yüksek olması başlıca avantajıdır. Bunun yanında enerji ayırma gücünün daha iyi olması görüntüde saçılan radyasyonda %30 azalma sağlamaktadır. Görüntüdeki bulanıklığın, gürültünün azalması, rezolüsyonun artması kenar keskinliğinin artmasında önemli avantajlar sağlanmış olur. Ancak maliyeti yüksek olan yarı iletken dedektörlerin ticari nedenlerden dolayı kalınlıkları geleneksel sisteme göre daha ince üretilir. Dedeksiyon etkinliğini doğrudan etkilemesinden dolayı da Anger SPECT (A-SPECT) sistemleriyle kıyaslanabilir hassasiyette olmasına neden olur.

D-SPECT sistemi 16x16 pikselize CZT kristallerinden oluşan dedektör bloğundan 4 adet dikey olarak yan yana yerleştirilmiş 1 dedektöre sahiptir. 160x40 mm boyutlarına sahip olan bu detektörden 9 adet yarım ay şeklindeki gantri içerisine yerleştirilmiştir. Bu sisteme her dedektörü tam kaplayan bağımsız hareket edebilen tungsten (W) malzemeli paralel delikli, kare, yüksek hassasiyet kolimatörler yerleştirilmiştir. Projeksiyonlar arasında 0,4° - 7° arası hareket eden sistemde Stress ve Rest görüntülerin her biri 2-4 dakika arasında elde edilir.

NM530c sisteminde gantri içerisine 19 adet 32x32 pikselize dedektör mevcuttur. Her bir dedektör
80x80 mm boya sahiptir. Bu tasarımda dedektörler çekim boyunca sabittir ve hareket etmezler. Hareketsiz tasarımın bir avantajı da harekete bağlı görüntü artefaktlarının azaltılmasıdır. Kristaller ile hasta arasına 19 adet çoklu pinhol kolimatörler yerleştirilmiştir. Kolimatör boşluklarının her birinin odak noktası kalp kasında olmalıdır. Bunun için klasik sistemlerin aksine hasta pozisyonlamasında kalbin odak noktasına yerleştirilmesi sağlanır. Konvansiyonel tek açıklığa sahip pinhol kolimatörlerin aksine obje boyunda (kalpte) küçültme sağlanır. Rezolüsyon Stress ve Rest görüntüleri 2’şer dakikalık görütüleme süresinde gerçekleştirilebilir. Görüntüler 70x70 piksel boyutunda, liste modunda toplanmakta ve sinogram oluşturulmaktadır (7).

IQ-SPECT sisteminde ise konvansiyonel A-SPECT sistemi NaI(Tl) kristali kullanılmaktadır. Siemens firmasının Nükleer Tıp görüntülemede 2 dedektörlü sistemine astigmatik kolimatör (çok odaklı kolimatör) yerleştirilerek iki dedektör ile 76°’lik konfigürasyonda görüntüler toplanır. Kalbin bulunduğu alan kolimatörün konverjans (iç bükey) kısmına denk geldiği için görüntüde kalp büyütülerek görüntülenir. Torakstaki diğer tutulum bölgeleri ise merkezden uzaklaştıkça paralel olan kolimatörler şeklinde olduğu için obje boyutları bulundukları konuma göre farklı büyütmelerde görüntülenir. Bu, klasik anger kamerasına güncelleme olarak eklenebilen bir yapılandırmadır. Kolimatör tasarımında sistem hassasiyetini artırmak için dedektörler her projeksiyonda 6° hareket etmektedir. Görüntüler 4 dakikalık çekim süresinde elde edilir (8,9).

Digirad Cardius sisteminde 2 veya 3 dedektörlü geometride her dedektörü 212x158 mm boyutunda 768 adet 6,1x6,1 mm boyutlarında pikselize CsI(Tl) sintilatörü bulunur. Genellikle 3 dedektörlü tercih edilen sistemde yan dedektörler, merkezi dedektöre göre 67,5°’lik açıda yerleşimlidir. Tüm dedektör hastaya doğru ve hastadan dışa doğru hareket edebilmektedir. Hasta yerleşiminde oturur pozisyonda eller dedektörlerin üzerinde olacak şekilde, sandalye hareket halindedir. Toraksın 202,5°’lik kesiti bu sistemle birlikte 3 dakikaya kadar kısa bir sürede görüntülenebilmektedir. Sistemlerin görüntüleme düzenleri Şekil 1’de şematik olarak gösterilmektedir.

Yazılımsal Yenilikler

Zaman içinde, yeni nesil sintigrafi cihazlarında yazılımsal bir dizi yenilik ve gelişme olmuştur. Bu yazılımsal yenilikler, görüntüleme kalitesini artırmak, dozları düşürmek, hasta konforunu artırmak ve tıbbi değerlendirmeleri optimize etmek gibi amaçlar doğrultusunda gerçekleştirilmiştir. Genelde hasta hareketleri ve sistem kaynaklı görüntülerde artefaktların meydana gelmesi kaçınılmazdır. Özellikle tomografik görüntülerde bu artefaktlar daha çok karşımıza çıkar ve rekonstrüksiyon işlemleri esnasında çeşitli yazılımlarla düzeltilmeye çalışılır. Gelişmiş görüntü rekonstrüksiyon algoritmaları, dedektörlerin sayım hassasiyetine ve elde edilen görüntünün uzaysal çözünürlüğüne katkıda bulunan katı hal dedektörlü kamera sistemlerinin önemli bir bileşeni olmuştur (11). Bu nedenle moleküler görüntüleme alanındaki yazılımsal gelişmeler çoğunlukla rekonstrüksiyon işlemlerini gerçekleştiren algoritmalarda olmuştur. Bununla birlikte görüntü toplama ve işleme süreçleri için geliştirilmiş özellikle kardiyak görüntülemede söz konusu rekonstrüksiyon algoritmalarını da kullanan ticari olarak mevcut farklı programlar bulunmaktadır.

Tomografik Görüntülemelerde Rekonstrüksiyon Yöntemleri

Filtre Edilmiş Geriye Projeksiyon (FBP)

MPS’de rekonstrüksiyon, radyonüklit dağılımının düzlemsel projeksiyonlarını kullanarak transaksiyel tomografik kesitler oluşturmak için uygulanan matematiksel bir süreçtir. Oluşturulan her bir tomografik kesitteki voksel sayı değeri, perfüzyon ajanı ile miyokart arasındaki konsantrasyona bağlıdır.

FBP, görüntü rekonstrüksiyonu için geriye projeksiyon ve filtreleme teorilerini birleştiren analitik bir yöntemdir. Bu yöntemde, edinilen projeksiyon bilgisi tüm transvers düzlemden gelen foton sayımlarını içermektedir. Elde edilen sayım profili daha sonra her bir profil örneğine yönlendirilen ışının tüm görüntü piksellerini aynı değere ayarlayarak geri projekte edilir. FBP, bir vokselde toplanan fotonların cihazda kullanılan kolimatörün paralel deliğinden geldiğini varsayar. Dedektöre ulaşan diğer tüm fotonlar ise gürültü veya başka kaynaklardan gelen foton sayımları olarak kabul edilir. FBP algoritması, sonsuz sayıda projeksiyon için iyi bir çözüm sunmaktadır. Ancak, pratikte sınırlı sayıda projeksiyon kullanıldığı zaman, geriye projeksiyon yöntemi ilgili hedef etrafında yıldız şeklinde bir desene neden olan artefakta (“Star artefakt”) yol açar. Bu yıldız deseni şeklindeki artefaktın bir kısmı, frekans alanında projeksiyonları filtrelemek suretiyle azaltılabilmektedir (12). Yıldız artefaktı olarak bilinen bu artefaktı önlemek için yüksek sayıda projeksiyon görüntüsü gereklidir ve geri projeksiyondan önce her projeksiyon görüntüsü bir yokuş filtresi (“Ramp filter”) aracılığıyla filtrelenmelidir. Bu şekilde filtrelenmiş projeksiyonlar kenarları vurgular ve rekonstrüksiyon artefaktlarını azaltır. Daha sonra ek bir düşük geçişli filtre, ki bu genellikle Butterworth veya Hanning filtresi, gürültüyü daha da azaltmak için yaygın olarak uygulanan bir yöntemdir (Şekil 2). En son geri projekte edilen görüntü nihayetinde tüm görünümlerin toplamı olarak alınır. FBP, etkili bir rekonstrüksiyon yöntemi olmasına rağmen düşük kaliteli görüntüler üretebilmektedir. Filtreleme işlemi, görüntülerdeki gürültüyü azaltmakta ve hatta kaldırabilmektedir, ancak bu sefer görüntünün kontrast çözünürlüğünün azalması söz konusudur. Tercih edilen filtre ne kadar düz olursa, görüntü o kadar giderek bulanık hale gelir ve bu da potansiyel perfüzyon kusurlarını tanıma ve ölçmede güvenilirliği etkilemektedir. FBP yönteminin dezavantajları olarak yüksek gürültü içeriği ve yıldız şeklindeki desenler sayılabilirken, avantajı ise analitik bir yöntem olmasından kaynaklı yüksek rekonstrüksiyon hızına sahip olması söylenebilir (1). FBP, 90 yılı aşkın bir süredir var olan görüntü rekonstrüksiyon yöntemidir ve hızlı olması nedeniyle birçok Nükleer Tıp kliniğinde hala kullanılmaktadır.

Tekrarlayıcı (İteratif) Rekonstrüksiyon (IR)

Analitik bir yöntem olan FBP’den farklı olarak, iteratif rekonstrüksiyon yönteminde, radyasyon algılama olayının olasılıksal doğası hesaba katılarak, tüm tomografik sistemin daha gerçekçi bir modelinin oluşturulması amaçlanmıştır. Bu konuda 1970’li yıllarda geliştirilen ilk iteratif rekonstrüksiyon algoritması maksimum olasılık beklenti maksimizasyonu (maximum likelihood expectation maximization - MLEM) algoritmasıdır. Detaylı ve yüksek çözünürlüklü görüntüler elde etmek amacıyla kullanılan MLEM, veri seti ile uyumlu bir olasılık dağılımını bulmaya çalışarak rekonstrüksiyon gerçekleştirir. Bu algoritma, daha önce elde edilemeyen detaylı anatomik yapıları daha iyi gösterebilme potansiyeline sahiptir. Ancak, yavaş işleyiş süreci ve yüksek seviyede bilgisayar hesaplama gücü gereksinimi gibi zorluklar, bu algoritmanın sınırlamalarını oluşturur (13). MLEM, yüksek hesaplama gücü gerektiren bir algoritma olduğundan, hesaplama süreleri zaman alabilmektedir. Ayrıca, gürültüye duyarlı olabilmesi ve başlangıç tahmini kalitesi sonuçları etkileyebilmektedir. Bu nedenle, algoritmanın gelişmiş türevleri ve başka tekniklerle birleştirilmesiyle, MLEM’nin performansı iyileştirilmeye çalışılmıştır. Gelişen teknoloji ile birlikte, MLEM ve benzeri iteratif algoritmalar, Nükleer Tıp görüntüleme alanında daha kesin ve detaylı sonuçlar elde etmek için sürekli olarak optimize edilmektedir.

MLEM algoritmasının iterasyon sürecini hızlandırmak amacıyla sıralı alt küme beklenti maksimizasyonu (ordered subset expectation maximization - OSEM) algoritması geliştirilmiştir. Esasen OSEM algoritması MLEM’nin gelişmiş bir versiyonudur. Bu algoritma, elde edilen projeksiyonları N alt kümeye böler ve ilk alt kümeden başlayarak MLEM algoritmasını her projeksiyon alt grubuna uygular, önceki alt kümenin sonucunu bir sonraki alt küme için giriş olarak kullanır. Bu şekilde, rekonstrüksiyon süresinde N alt küme sayısı ile orantılı bir hızlanma elde etmek mümkün hale gelir. Bununla birlikte, MLEM’ye dayanmasına rağmen, OSEM rekonstrüksiyonunda aynı maksimum olasılık çözümüne yaklaşıldığı tam olarak net değildir. Ayrıca, alt küme sayısının artmasıyla birlikte görüntü gürültüsünde bir artış meydana gelmektedir. Bu durum, bu parametrenin algoritmada kritik bir nokta olduğunu ve uygulanırken çok dikkat edilmesi gerektiğini öne çıkarmaktadır. İfade edilen bu sınırlamalarına rağmen, hızlı bir rekonstrüksiyon yapma kabiliyeti olması nedeniyle OSEM algoritması Nükleer Tıpta tercih edilen bir rekonstrüksiyon yöntemi haline gelmiştir (1,4,13,14,15). Bu sayede OSEM, MLEM’nin yavaşlığına çözüm sunarak daha hızlı sonuçlar elde edilmesine olanak sağlamıştır. Paralel işleme yeteneklerinin artması ve bilgisayar gücündeki gelişmeler, OSEM’nin daha hızlı ve etkili bir şekilde uygulanabilmesine olanak tanımıştır. Ayrıca alt küme stratejilerinin optimize edilmesi, OSEM’nin performansını artırmış ve klinik uygulamalarda tercih edilmesini sağlamıştır. OSEM ve MLEM algoritmaları günümüzde PET ve SPECT görüntüleme sistemlerinde en yaygın olarak kullanılan iteratif rekonstrüksiyon algoritmalarıdır. İteratif rekonstrüksiyon algoritmalarının genel işlevsel yapısı Şekil 3’te gösterilmektedir.

SPECT-BT/PET-BT Hibrit Sistemlerde Gelişmiş Rekonstrüksiyon Yöntemleri

Hastaya intravenöz yolla verilen ışın kaynağından yayınlanan fotonların çeşitli doku ve organlar tarafından zayıflatılması, sintigrafik görüntülemelerdeki önemli bir kısıtlamadır (16). Bu zayıflatma atenüasyon olarak bilinir. Atenüasyon düzeltmesi (AD) görüntü rekonstrüksiyonu sırasında absorbe olan fotonlar için telafi anlamına gelir. Fotonların atenüasyonu, genellikle miyokardiyal perfüzyon SPECT görüntülerinin nicel doğruluğunu ve yorumlanmasını en çok etkileyen fiziksel faktör olarak kabul edilmektedir (17). Birçok karşılaştırmalı SPECT MPS çalışması, AD’nin tanısal performansı artırdığını, genellikle koroner arter hastalığının (KAH) tespitinde hassasiyet kaybı olmadan belirgin artışlar sağladığını göstermiştir. 2002 yılında Amerikan Nükleer Kardiyoloji Derneği, bu konuyu ele alan ve düzeltilmiş bir görüntü kalitesi ve tanısal doğruluk için heterojen AD için uygun donanım ve yazılım araçlarının kullanılmasını öneren bir açıklama yayınlamıştır (18,19). Bu bağlamda, hibrit sistemler geliştirilmiş olup, bu düzeltme işlemi BT cihazları tarafından gerçekleştirilmiştir. Foton absorbsiyonu için gereken düzeltme, genellikle atenüasyon katsayılarını ölçmeye ve absorbsiyonu matematiksel olarak düzeltmek için kullanmaya izin veren bir BT taramasını içermektedir.

Nükleer Tıp görüntüleme çalışmalarında elde edilen sintigrafik görüntülerin, radyolojik çalışmalardan daha gürültülü olduğu açıktır. Gürültülü sinyaller yüksek frekans özelliklerine sahiptir. FBP rekonstrüksiyonuda rampa filtresi kullanımının yüksek frekanslı sinyalleri artırdığı bilinmektedir. Butterworth filtresi gibi bir düşük geçişli filtre uygulandığında ise gürültü bileşeninin azaldığı, ancak kontrast çözünürlüğünün bozulduğu daha önce ifade edilmişti. İteratif rekonstrüksiyonla ilgili olarak da, daha fazla iterasyonun daha fazla gürültü bileşeni üretmekte olduğu anlaşılmaktadır. Oluşan gürültüyü bastırmak için iterasyon sayısı genellikle sınırlıdır ve sonrasında rekonstrüksiyon filtreleri kullanılmaktadır. Bu filtrelerin uygulanması, görüntülerin düzleşmesini artırabilir ancak normal ve perfüzyon kusurları arasındaki kontrastı azaltabilmektedir. Bu problemin giderilmesi için çeşitli matematiksel yaklaşımlar kullanılarak “gürültü azaltma” ve “çözünürlük iyileştirme” özelliği sunan yeni algoritmalar geliştirilmiştir. Bu algoritmalar FBP rekonstrüksiyonuna kıyasla uzaysal çözünürlüğü ve görüntü kontrastını önemli ölçüde artırabilmektedir (20,21).

SPECT sistem üreticileri, çözünürlük iyileştirme ve gürültü azaltma fonksiyonlarını içeren kendi iteratif rekonstrüksiyon algoritmalarını geliştirmişlerdir. Bu üreticiler ve geliştirdikleri algoritmaların bazıları şunlardır. Philips (Astonish), GE Healthcare (Evolution), Siemens (Flash 3D), Digirad (nSPEED) ve UltraSPECT (wide-beam reconstruction algorithm) (21-24). Ayrıca bu gelişmiş rekonstrüksiyon algoritmalarının kullanıldığı ürünlerde CZT kameralarının kullanılması görüntü kalitelerini daha da artırmıştır.

Çözünürlük İyileştirme Tekniği

Miyokart perfüzyon SPECT’de görüntü kalitesini etkileyen ana faktörlerden biri derinlikten kaynaklı olarak uzaysal çözünürlükte meydana gelen kayıplardır. Bu durumda, obje, paralel delikli kolimatörden ne kadar uzaksa, fotonları kolimatöre yönlendiren paralel delik sayısı o kadar artmış olur ve sonuç olarak derinlikten kaynaklı esas görüntü çevresinde fazla sayım elde edilir ve görüntü bulanıklaşır. Bulanıklaşma olarak görüntüye yansıyan uzaysal çözünürlükteki bozulmanın büyüklüğü doğrudan kolimatörün geometrisine bağlıdır. Bu nedenle, septalar arasındaki kolimatör deliğinin genişliğine ve ters orantılı olarak da uzunluğuna bağlıdır. Bu nedenle rekonstrüksiyon işlemlerinde, görüntüleme sisteminin geometrisini ve emisyon/algılama süreçlerinin fiziksel özelliklerini telafi etmek amacıyla “çözünürlük iyileştirme” teknikleri kullanılabilmektedir (4,22,25,26). Çözünürlük iyileştirme tekniklerinin doğru bir şekilde uygulanabilmesi için detektörün, kolimatörün, hastanın dedektöre olan pozisyonunun ve yörüngenin şekli gibi özelliklere dair spesifik bilgilerin olması gereklidir. Çözünürlük iyileştirme tekniğini içeren yazılımlar OSEM algoritması üzerinde geliştirilmiştir. Bu teknikte, gerçekleştirilen her bir iterasyon ve projeksiyon işleminde, görüntüleme sisteminin dönme merkezi ve dedektör-hasta mesafesi gibi ek parametrelere ihtiyaç duyulmaktadır (1). Yeni görüntüleme cihazlarındaki rekonstrüksiyon algoritmaları, kolimatörlerin ve dedektörlerin modellenmesini ve çözünürlük iyileştirme özelliklerini birlikte içermektedir (27).

Gürültü Düzeltme Tekniği

Sintigrafik görüntülerin düşük sayım istatistiklerine sahip olmaları nedeniyle doğal olarak gürültülü olduğu bilinmektedir. Düşük sayım yoğunluğuna sahip SPECT görüntüleri, gerçek miyokart sinyaline göre benzer veya daha yüksek frekansta gürültü seviyeleri ile karakterizedir. Daha önce de ifade edildiği gibi, FBP, verinin yüksek frekanslı kısmını azaltarak gürültüyü azaltmaktadır. Bu durum, görüntülerin bulanıklaşmasına ve görüntü kontrastının, görüntü çözünürlüğünün ve perfüzyon kusurları ile duvar hareket anormalliklerini tespit etme konusundaki tanı gücünün azalmasına neden olmaktadır. Çözünürlük iyileştirmesi gerçekleştirilirken, gürültü düzeltme teknikleri ile de aynı zamanda gürültünün rekonstrüksiyon sürecinde düzenlenmesi sağlanır. Günümüzdeki yeni SPECT kameralarının üreticileri, iteratif rekonstrüksiyon algoritmalarını kullandıkları cihazlarına çözünürlük iyileştirme ve gürültü düzeltme tekniklerini içeren gelişmiş yazılım yöntemlerini entegre etmişlerdir (14,28,29).

Diğer Gelişmiş Algoritmalar

Geniş Demet Rekonstrüksiyonu (Wide Beam Reconstruction - WBR)

SPECT üreten bazı firmalar kendine özel iş istasyonları için rekonstrüksiyon algoritmaları üretmektedir. Bunlardan bir tanesi de (WBR) algoritmasıdır (19,23,30). Algoritma, hem çözünürlük iyileştirme hem de gürültü düzeltme tekniklerini birlikte içermektedir. Daha önce açıklandığı gibi, görüntüleme sisteminin geometrisi ve kolimatörün boyutları gibi parametreler, çözünürlük iyileştirmeyi gerçekleştirmek için rekonstrüksiyon işleminde kullanılır. Bu yöntem, çeşitli sintilasyon sistemleri hakkında bilgi verildiği sürece eski ve yeni kameralarda uygulanabilir. Bu yöntemde aynı zamanda sintigrafik görüntülerin oluşturulmasındaki Poisson dağılımı modellenerek, gürültü düzeltmesi de sağlanır. Rekonstrüksiyon işleminde uygulanan temel fonksiyon, Poisson dağılımına ait bileşenle birlikte aynı zamanda Gauss dağılımına ait bileşeni de içermektedir. İşlemde iki bileşen farklı ağırlıklarla değerlendirilerek, yüksek frekanstaki veriler ya artırılır ya da düzeltilir. WBR algoritmasıyla yapılan çalışmalarda miyokart perfüzyon görüntülemenin tarama süresinin konvansiyonel görüntülemeye göre yarısı kadar azaldığı rapor edilmiştir (31).

Nokta Dağılım Fonksiyonu (PSF) Modellemesi

Son yıllarda, önde gelen PET üreticileri tarafından sunulan nokta dağılım fonksiyonu (point spread function - PSF) modelleme, ilgi çeken önemli bir algoritma olmuştur. Tomografik rekonstrüksiyon içerisinde PSF modellemenin kullanılması, hem uzaysal çözünürlüğü hem de kontrast iyileştirmeyi artırmaktadır (32). Aynı zamanda gürültüyü yeterince azaltarak lezyon tespitini daha da iyileştirmektedir (33). PSF modellemeyi içeren iteratif algoritmaların, tek başına veya uçuş süresi özellikli cihazlar ile birlikte lezyon tespitini iyileştirdiği gerçeğini sorgulamak için elde çok az veri bulunmaktadır; ancak çeşitli çalışmalar PSF algoritmasının, PET/BT’nin çeşitli malign odakların özellikle küçük boyutlu lezyonların tanısal performansında iyileşme olduğunu göstermiştir (34,35,36). Bu çalışmalar aynı zamanda standart tutulum değeri (standard uptake value - SUV) ölçümlerinde önemli bir artış olduğunu raporlamıştır (37,38,39). Bu durum PSF modellemenin görüntü kusuru üretme riski taşıyabileceği nedeniyle tartışma yaratmaktadır. Söz konusu görüntü kusuru Gibbs artefaktı olarak da adlandırılan kenar aşımı etkisidir ve küçük lezyonlarda kantifikasyon doğruluğundan ödün verebilmektedir (40). Deauville kriterleri kullanılarak F-18 FDG PET/BT ile lenfoma hastalarının tedavi sonrası değerlendirmesine odaklanılarak bu tartışma netleştirilmiş oldu. Aslında, standart OSEM rekonstrüksiyonuyla karşılaştırıldığında, PSF modellemesi küçük tümör lezyonlarında SUV’yi önemli ölçüde artırmakta, ancak büyük lezyonlarda ve karaciğer gibi büyük referans organlarda SUV ölçümlerini orta derecede etkilemektedir. Bununla birlikte, Deauville skoru (DS), Hodgkin dışı lenfomada yanıt verenler (kalan tümör tutulumu > karaciğer) ve yanıt vermeyenler (kalan tümör tutulumu < karaciğer) arasında ayrım yapmak için referans organları kullanır ve PSF modellemesi teoride sistematik olarak DS’yi artırabilir (41).

Bayesian Penaltı Olasılık (BPL) Rekonstrüksiyonu

Görüntü rekonstrüksiyon sürecine PSF modellemeyi dahil etmenin yanı sıra, daha fazla iterasyon yapılmasına olanak tanımak ve aşırı gürültü artışını engellemek amacıyla iteratif rekonstrüksiyon sürecine başka bir algoritma entegre edilmiştir. Bu algoritma, maksimum olasılık çözümüne daha yaklaşma hedefiyle daha fazla iterasyon gerçekleştirmeyi mümkün kılmakta ve yeniden oluşturulan görüntülerde gürültüyü artırmadan daha iyi kontrast iyileştirmesi sağlamaktadır. Aynı zamanda küçük anormalliklerin tespitine yardımcı olur ve nicelleştirmeyi artırır. Söz konusu algoritma aynı zamanda PSF modellemesini de içerebilen, Bayesian penaltı olasılık (BPL) rekonstrüksiyon tekniğidir ve giderek daha fazla kullanılmaya başlanmıştır. Ancak, yoğunlaşmış bölgelerin belirgin görünümü ve buna bağlı olarak SUV artışları nedeniyle, bazı sağlık sunucu merkezler BPL rekonstrüksiyonunu özellikle lenfoma gibi tüm klinik endikasyonları için benimsememiştir. Bu nedenle az sayıda PET üreticisi BPL rekonstrüksiyonunu uygulamıştır, ancak BPL’nin temel formülasyonu iteratif PET görüntü rekonstrüksiyonu için 1980’lerden beri bilinmektedir. Bu yöntem, her güncelleme sırasında görüntü gürültüsünü en aza indiren bir düzenleme terimi kullanmaktadır. Bu da daha fazla iterasyonun mümkün olmasını sağlar, böylece görüntü, etkili bir yakınsamaya doğru rekonstrükte edilebilir. Böyle bir düzenleme olmadan, yani gereğinden fazla gürültü amplifikasyonu olmadan yeterli görüntü kalitesini sağlamak için yüksek frekanslı sinyallerin iyileştirilmesi pahasına iterasyon sayısının sınırlı olması gerekir (41). BPL rekonstrüksiyonu, OSEM’ye kıyasla tipik olarak daha az ayarlanabilir parametreye sahiptir ve bu da yerel optimizasyonun daha az zaman almasını sağlar (42).

Yapay Zeka

Nükleer Tıp görüntülemede yapay zekanın ilk uygulama alanlarından biri görüntü rekonstrüksiyonudur (44). Görüntü rekonstrüksiyonu, radyoaktivitenin uzaysal dağılımını doğru bir şekilde belirlemek için temsil parametrelerini tahmin etmeyi içermektedir. Bu, tarayıcı/detektör geometrisi, algılama sürecinin fiziksel yönleri, fizyolojik hareket, ölçülen veri gürültüsü gibi çeşitli faktörleri içeren bir modelin kullanılmasını gerektirir. Geçmişte, Nükleer Tıpta görüntü rekonstrüksiyonu filtrelenmiş geri projeksiyona dayanıyordu, ancak günümüzde iteratif yöntemler tercih edilmektedir. Yapay zekanın bu süreçte yer alması, temel bir paradigma değişikliği anlamına gelmektedir. Ölçülen veriler, eğitim verileri kullanılarak öğretilen bir rekonstrüksiyon operatörü aracılığıyla, istenilen görüntünün tahminine eşlenmektedir. Burada cihaza öğretilen verilerin, tüm olası farklı görüntüleme senaryolarını kapsayacak kadar çeşitli ve değişken olması gerekmektedir (45).

Yapay zekadaki son gelişmeler, yüksek düzeyde görüntü işlemeyi mümkün kılmakta ve araştırmacıların dikkatini çekmektedir. Verilerin son yıllarda katlanarak büyümesi ve modern bilgisayar sistemlerinin hesaplama gücünün hızla gelişmesi, görüntü işleme ve analizinde yeni yöntem ve tekniklerin geliştirilmesinde belirleyici faktörler olmuştur. Yapay sinir ağları ve destek vektör makineleri gibi geleneksel ve köklü yapay zeka yöntemlerinden, evrişimli sinir ağları gibi daha karmaşık ve derin ağlara kadar birçok uygulama Nükleer Tıp alanıyla, özellikle de miyokardiyal perfüzyon görüntülemeyle ilgilidir (46,47). Literatürdeki çalışmalara bakıldığında, MPG’de çeşitli hastalıkların tespiti ve sınıflandırılmasının yapay zekanın en önemli uygulamalarından biri olduğu anlaşılmaktadır. Ayrıca görüntüde gürültü azaltma, artefakt giderme ve düşük sayımlı sintigrafilerin rekonstrüksiyonu yapay zekanın önemli uygulama alanları olmuştur (42,47). Yapay zekanın Nükleer Tıp görüntülemedeki kullanımıyla ilgili fikirler halen üretilmeye devam etmekte ve tartışılmaktadır. Ancak bu yöntemin moleküler görüntülemede teşhis ve yorumlama noktasında ilerleyen zamanlarda önemli bir rol oynaması muhtemel görünmektedir.

Kardiyak Çalışmalarında Görüntü Toplama ve İşleme

Miyokart perfüzyon SPECT KAH veya şüphesi olan hastaların incelenmesi ve değerlendirilmesinde iyi kurulmuş bir tanı tekniği olmuştur. Bu teknik miyokart perfüzyon görüntüleme çalışmalarının yaklaşık %90’ını temsil etmektedir. Genellikle kardiyak SPECT çalışmalarında “stres ve rest” olmak üzere iki veri seti elde edilir. Stres veri seti hastanın bir koşu bandında egzersiz yaparak veya farmakolojik bir stres ajanı uygulanarak elde edilir. Tomografik taramada hastanın tıkalı damarlarının daha iyi görüntülenebilmesi için hastaya radyofarmasötik en yüksek egzersiz anında uygulanır. Rest çalışması ise hastaya aynı gün veya farklı bir günde tam dinlenme koşullarında iken yapılan enjeksiyondan sonra gerçekleştirilir (48).

Kardiyak çalışmalarında veri toplama, en az 180°’lik bir dönüş yayını kapsayan bir, iki veya üç dedektörle donatılmış gama kamera tarafından gerçekleştirilir. Sonrasında elde edilen görüntü verisine FBP veya iteratif rekonstrüksiyon işlemleri uygulanır. Rekonstrüksiyon esnasında görüntü kalitesini artırmak, istenmeyen bazı artefaktları gidermek ve gürültüyü azaltmak için uygun kesme frekansına sahip analitik filtreler uygulanır. Nihayetinde elde edilen kardiyak görüntüler farklı miyokart segmentlerindeki radyoaktivite dağılımının görsel değerlendirilmesine ve hipoperfüzyonun derecesine bağlı olarak bir uzman tarafından sübjektif biçimde yorumlanır. MPS çalışmalarında bu standart bir yaklaşımdır, ancak bu yorum, değerlendirmeyi yapan gözlemcinin uzmanlığının yanı sıra, aynı gözlemcinin farklı zamanlarda getirdiği değerlendirmeler veya farklı gözlemciler arasındaki değerlendirmelerden kaynaklı değişkenlikten her zaman etkilenecektir. Bu değişkenliği azaltmak ve çeşitli miyokart segmentlerindeki radyoaktivite tutulumunu standart hale getirmek için bir dizi program geliştirilmiştir. Bu programlar teorik yapıları ve uygulamaları bakımından, örneğin; sol ventrikülün geometrik modellemesi, 2D ve 3D yaklaşımlar, eşikleme ve segmentasyon, apikal örnekleme, otomasyon derecesi ve kullanıcı müdahalesi, sayı ya da geometri temelli olup olmadığı veya mevcut seçeneklerin kombinasyonu açısından farklılık gösterirler.

Ticari olarak mevcut programlara örnekler arasında; kantitatif perfüzyon ve Gated SPECT (QPS/QGS, Cedars-Sinai Tıp Merkezi, Los Angeles, CA), Emory Kardiyak Toolbox (ECTb, Emory Üniversitesi, Atlanta, GA), Michigan Tıp Merkezi’nde geliştirilen 4D-MSPECT, Gated SPECT kardiyak kantifikasyon (GSCQ, Yale, New Haven, CT) bulunmaktadır. Bu algoritmalar nükleer kardiyak görüntüleme literatüründe nicelik açısından değerlendirilmiş olup bazıları miyokart perfüzyon görüntülemesi ve fonksiyonel parametrelerin ölçülmesinde klinik olarak geniş bir kabul görmüştür. Ayrıca, bunların dışında, görüntü yorumlamaya yardımcı olmak ve görüntü yorumunun kalitesini belirlemek için de bazı yazılım araçları geliştirilmiştir. Bu yazılım araçları, yapay zeka teknikleri olan sinir ağları ve olgu tabanlı yaklaşımlara dayanmaktadır. Bu sayede insan uzmanlarını taklit etmek ve bilgisayar destekli bir hasta teşhisi sağlamak için sezgisel kuralların bilgi tabanına dayanan uzman sistemler geliştirilmiştir. Bu sistemlerde, polar harita veya rekonstrüksiyon edilmiş görüntüler genellikle miyokart görüntülerin okunması ve nicelleştirilmesi için giriş olarak kullanılmaktadır (48).

Sonuç

Nükleer Tıp görüntüleme teknolojilerindeki yazılımsal ve donanımsal ilerlemelerin evrim süreci, başlangıçta basit ve hızlı yöntemlerden karmaşık anatomik yapıları daha etkili bir şekilde gösterebilen, daha hızlı ve etkili tekniklere doğru ilerlemiştir. Bu evrim, yeni görüntüleme sistemleri ile birlikte daha kişiselleştirilmiş, hızlı ve doğru sonuçlar elde etme amaçlarına önemli katkılarda bulunmuştur. Katı hal kameraları ile yeni rekonstrüksiyon yazılımlarının birleşimi, geleneksel gama kameralara kıyasla daha iyi foton duyarlılığı ve yüksek görüntü çözünürlüğü sağlamıştır. Özellikle son yıllarda hasta konforu ve görüntü kalitesine odaklanan yapay zeka temelli algoritmalar, bu alandaki yeniliklere önemli bir ivme kazandırmıştır. Tüm bu gelişmeler bağlamında, özellikle nükleer kardiyoloji alanında, bahsi geçen yazılımsal ve donanımsal ilerlemeler, tanı süreçlerini optimize ederek sağlık profesyonellerine önemli avantajlar sunmakla kalmayıp aynı zamanda hastalara daha etkili ve kişiselleştirilmiş tedavi seçenekleri sunmaktadır. Bu teknolojik ilerlemelerde, özellikle yapay zekanın sağlık sektöründeki uygulanabilirliği ve etkinliği, gelecekte nükleer kardiyolojinin evrimine daha fazla katkı sağlayacağı anlaşılmaktadır.