abc Arquivos Brasileiros de Cardiologia Arq. Bras. Cardiol. 0066-782X 1678-4170 Sociedade Brasileira de Cardiologia - SBC São Paulo, SP, Brazil SkPzwcDYMSVG8kkGtj7zFfx 00003 S0066-782X2011000100003 S0066-782X(11)09600103 10.1590/S0066-782X2010005000162 Artigos Originais Influência das características mamárias na cintilografia miocárdica pelo método Monte Carlo Oliveira Anderson Meguerian Berdj Aram Mesquita Cláudio Tinoco Rio de Janeiro Rio de Janeiro Universidade Federal Fluminense Instituto Nacional do Câncer Comissão Nacional de Energia Nuclear Brazil 01 2011 96 1 08 12 26 05 2010 11 12 2009 08 06 2010 This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

FUNDAMENTO: Pela redução da especificidade associada à perda de informação, a influência da atenuação das mamas é de fundamental importância em estudos de perfusão do miocárdio. Entretanto, apesar de vários estudos terem sido realizados ao longo dos últimos anos, pouco se tem evoluído para determinar com acurácia a influência das características das mamas sobre a qualidade da cintilografia miocárdica, evitando exposições adicionais de radiação às pacientes. OBJETIVO: O objetivo deste estudo é quantificar a atenuação de fótons pelas mamas, em estudos de perfusão do miocárdio com 99mTc, de acordo com diferentes tamanhos e composições. MÉTODOS: Cada mama foi assumida como sendo um cubo composto de tecido adiposo e fibroglandular. Os dados referentes aos fótons de 99mTc foram analisados em um modelo de Monte Carlo. Variamos a espessura e a composição das mamas e analisamos as interferências na atenuação. Foi empregado o software EGS 4 para as simulações. RESULTADOS: Fixando a espessura de uma mama, a variação da sua composição acarreta um acréscimo máximo de 2,3% no número de fótons atenuados. Em contrapartida, mantendo-se uma composição do tecido mamário fixa, a diferença na atenuação de fótons foi de 45,0%, sendo em média de 6,0% para cada acréscimo de centímetro na espessura da mama. CONCLUSÃO: A simulação por Monte Carlo demonstrou que a influência das espessuras das mamas na atenuação de fótons em cintilografias do miocárdio com 99mTc é muito maior do que a influência das suas composições.

 Mama traumatismo por reperfusão miocárdica método Monte Carlo 03 12 2010

Influência das características mamárias na cintilografia miocárdica pelo método Monte Carlo

Influence of breast characteristics in myocardial scintigraphy through the Monte Carlo method

Anderson Oliveira; Berdj Aram Meguerian; Cláudio Tinoco Mesquita

Comissão Nacional de Energia Nuclear, Hospital Pró-Cardíaco, Instituto Nacional do Câncer, Universidade Federal Fluminense, Universidade Gama Filho, Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Correspondência

RESUMO

FUNDAMENTO: Pela redução da especificidade associada à perda de informação, a influência da atenuação das mamas é de fundamental importância em estudos de perfusão do miocárdio. Entretanto, apesar de vários estudos terem sido realizados ao longo dos últimos anos, pouco se tem evoluído para determinar com acurácia a influência das características das mamas sobre a qualidade da cintilografia miocárdica, evitando exposições adicionais de radiação às pacientes.

OBJETIVO: O objetivo deste estudo é quantificar a atenuação de fótons pelas mamas, em estudos de perfusão do miocárdio com 99mTc, de acordo com diferentes tamanhos e composições.

MÉTODOS: Cada mama foi assumida como sendo um cubo composto de tecido adiposo e fibroglandular. Os dados referentes aos fótons de 99mTc foram analisados em um modelo de Monte Carlo. Variamos a espessura e a composição das mamas e analisamos as interferências na atenuação. Foi empregado o software EGS 4 para as simulações.

RESULTADOS: Fixando a espessura de uma mama, a variação da sua composição acarreta um acréscimo máximo de 2,3% no número de fótons atenuados. Em contrapartida, mantendo-se uma composição do tecido mamário fixa, a diferença na atenuação de fótons foi de 45,0%, sendo em média de 6,0% para cada acréscimo de centímetro na espessura da mama.

CONCLUSÃO: A simulação por Monte Carlo demonstrou que a influência das espessuras das mamas na atenuação de fótons em cintilografias do miocárdio com 99mTc é muito maior do que a influência das suas composições.

Palavras-chave: Mama/cintilografia, traumatismo por reperfusão miocárdica, método Monte Carlo.

ABSTRACT

BACKGROUND: By reducing the specificity associated with loss of information, the influence of attenuation of the breasts is very important in myocardial perfusion studies. However, although several studies have been conducted over the past years, little has been developed to determine accurately the influence of the characteristics of the breasts on the quality of myocardial scintigraphy, avoiding additional exposure to radiation.

OBJECTIVE: The purpose of this study is to quantify the attenuation of photons by the breasts, in myocardial perfusion studies with 99mTc according to different sizes and compositions.

METHODS: Each breast was assumed to be a cube composed of fibroglandular and adipose tissue. The data related to 99mTc photons were analyzed in a Monte Carlo model. We varied the thickness and composition of breasts and analyzed the interference in attenuation. The EGS 4 software was used in the simulations.

RESULTS: Setting the thickness of a breast, the variation of its composition causes a maximum increase of 2.3% in the number of photons attenuated. By contrast, maintaining a fixed composition of breast tissue, the difference in photon attenuation was 45.0%, averaging 6.0% for each additional centimeter in the breast thickness.

CONCLUSION: Monte Carlo simulation showed that the influence of the thickness of the breasts in the attenuation of photons in myocardial scintigraphy with 99mTc is much greater than the influence of their compositions.

Key words: Breast/radionuclide imaging; myocardial reperfusion; injury: Monte Carlo method.

Introdução

Estudos atuais têm demonstrado uma crescente preocupação com a dose de radiação associada aos procedimentos médicos de imagem1,2. Nos Estados Unidos, a cintilografia de perfusão miocárdica chega a ser responsável por mais de 22,0% da dose efetiva total de radiação para a população de adultos não idosos1. Além disso, em decorrência dos procedimentos médicos de imagem, quase 20,0% dos homens e 18,0% das mulheres recebem doses de até 20 mSv por ano, limite máximo anual permitido para trabalhadores expostos à radiação ionizante3.

Uma das maiores limitações à acurácia da cintilografia miocárdica é a atenuação dos fótons pelos tecidos moles4. Há um consenso de que as técnicas de correção da atenuação reduzam o número de exames de perfusão miocárdica falso-positivos5-7. As técnicas de correção da atenuação dos fótons consistem no uso de fontes externas de radiação acopladas para gerar mapas de correção não uniformes ou no uso de procedimentos matemáticos que permitam a correção de atenuação, sendo que os primeiros são os mais amplamente empregados na prática clínica8-10.

Pelo fato de métodos aplicados para correção da atenuação ocasionarem a exposição a doses adicionais de radiação, estudos de cálculos de dose com aparelhos de cintilografia acoplados a aparelhos de tomografia computadorizada com baixa dose de Raios-X têm sugerido um aumento de até 10,0% na dose efetiva de radiação para cada paciente10.

As técnicas de simulação de Monte Carlo se tornaram muito importantes no estudo da física médica nos últimos 50 anos. Trata-se de uma modelagem matemática utilizada para avaliar vários parâmetros das imagens de medicina nuclear, visto que não existe solução analítica para resolver as equações que descrevem a interação dos fótons com as estruturas atenuadoras não uniformes do corpo e as geometrias complexas dos detectores e colimadores11.

O propósito deste trabalho é determinar a influência da atenuação de fótons pelas mamas, em estudos de perfusão do miocárdio com 99mTc-sestamibi, para mamas de diferentes composições e volumes, levando em consideração fatores, como composição (afetada pela idade) e espessura, utilizando o método de Monte Carlo para empreender a correção de atenuação por procedimentos matemáticos.

Métodos

Todas as simulações foram feitas empregando o código EGS4 (Electron Gamma Shower - versão 4)12. O estudo da atenuação de fótons pelas mamas em estudos de perfusão do miocárdio foi realizado utilizando o 99mTc como fonte de radiação13.

Na posição supina, na qual é realizado o estudo de perfusão do miocárdio, as mamas assumem forma piramidal, que em analogia pode ser simplificada para a forma cúbica. Essa forma foi a adotada na reprodução. O cubo teve seu lado variando de 5 cm a 10 cm, em intervalos de um centímetro, com o objetivo de simularmos mamas de diversos tamanhos.

As mamas são heterogêneas e compostas de diversos componentes de tecidos básicos, os quais têm suas composições elementais conhecidas14. Desde que algumas simplificações possam ocorrer, é aceitável que as mamas sejam adequadamente representadas por uma soma dos seus dois principais componentes: tecido adiposo e tecido fibroglandular. Neste estudo, consideramos a presença apenas desses dois tecidos fundamentais para fim das simulações.

Conhecendo-se a composição química e a densidade de cada um desses compostos, podem-se representar adequadamente as mamas através das equações (1) e (2):

Onde Cm é a composição química de uma mama, fa é a fração em peso de tecido adiposo, Ca é a composição química de tecido adiposo, fg é a fração em peso de tecido fibroglandular, Cg é a composição química de tecido fibroglandular, rm é a densidade de uma mama, ra é a densidade de tecido adiposo e rg é a densidade de tecido fibroglandular.

A partir das equações (1) e (2), foram simuladas 6 tipos de mamas. Tais simulações visaram verificar não só a influência da espessura, como também os efeitos da composição das mamas na atenuação dos fótons. A percentagem de tecido adiposo foi modificada de 0 a 100,0%, em intervalos de 20,0%. Assim, foram adotados 0, 20, 40, 60, 80 e 100,0% de tecido adiposo na composição de uma mama. Consequentemente, 100, 80, 60, 40, 20 e 0,0% de tecido fibroglandular, respectivamente. As densidades e as frações em peso para a composição elemental de tecido adiposo e fibroglandular foram retiradas da ICRU 4414 e são apresentadas no Quadro 1.

Considerando as mamas como sendo compostas apenas de tecido adiposo, foram realizadas 6 simulações. Cada uma para um tamanho diferente da espessura cubo. Em seguida, o procedimento foi repetido para as demais situações. Em todos os casos, foi considerado um feixe de fótons incidindo diretamente em uma mama (cubo) com energia de 140 keV.

A maioria dos equipamentos SPECT utilizam cristais cintiladores de iodeto de sódio com impurezas de Tálio (NaI[Tl]). Uma vez que os fótons precisam perder energia no cristal para serem registrados, apenas uma pequena parcela destes fótons é aproveitada em função das pobres características de detecção do NaI(Tl)15. Além disso, devido à atenuação do meio entre a fonte e o detector, a maior parte dos fótons chega ao cristal cintilador com energia inferior a 140 keV. Por esse motivo, costuma-se adotar uma janela em torno da energia de fotopico. Neste trabalho, foi considerada uma janela de energia16 de 14,0%.

Os dados são apresentados como média ± desvio-padrão. Foram utilizados testes de cálculo do coeficiente de correlação linear para avaliar a associação entre o número de fótons atenuados e as várias espessuras das mamas e suas composições. O teste t de Student para dados não pareados foi utilizado para analisar as médias de fótons não detectados de acordo com a variação de espessura e composição das mamas.

Valores de probabilidade < 0,05 foram considerados estatisticamente significativos.

Resultados

A primeira análise realizada foi a correlação entre a percentagem de fótons que atravessaram as mamas e as espessuras e características destas. A Figura 1 demonstra a relação entre o número de fótons que atravessam as mamas, expressos em percentagem, com suas respectivas energias, em uma mama com tecido 100,0% fibroglandular e diferentes espessuras do tecido. Podemos observar que, na faixa de energia do fotopico do 99mTc (140 keV), a espessura de 5 cm de tecido fibroglandular permite a passagem de 55,7% dos fótons com a energia de 140 keV. Variando tal espessura para 10 cm, a passagem de fótons com 140 keV é reduzida para 30,8%, demonstrando uma redução da ordem de 45,0% dos valores prévios.

Quando fazemos os mesmos cálculos para os fótons com energia menor que a do fotopico (<140 keV), observamos que o aumento de espessura da glândula de 5 cm para 10 cm acarreta um aumento do percentual de fótons que são registrados com energias < 140 keV, efeito contrário ao visto com os fótons de 140 keV. Para a energia de 100 keV, o percentual de fótons registrados passa de 12,2% para 17,2%.

Na Tabela 1, está listada a percentagem de fótons não detectados dentro da janela energética em função da atenuação de uma mama. Nessa tabela, foram consideradas variações na espessura da mama e na composição tecidual desta. Ainda na Tabela 1, vemos que, para uma mesma composição de uma mama, há um acréscimo de quase 6,0% no número de fótons perdidos ao aumentar a espessura da mama de 5 para 6 cm. No entanto, mantendo-se inalterada a espessura, uma variação de 20,0% na composição de tecido glandular não acarreta diferenças significativas no número de fótons perdidos (o valor máximo de perda foi de 0,6%).

Numa situação extrema, ao mudar de uma mama composta apenas de tecido adiposo para uma composta apenas de tecido fibroglandular a perda de fótons aumenta no máximo em 2,3%. Valor, comparativamente, bem menor do que a variação de apenas um centímetro de aumento na espessura de uma mama (Tabela 1).

A perda de fótons chega a ser mais de 36,0% para uma mama de 5 cm de espessura, chegando a 60,5%, quando a mama possui 10 cm de espessura. Tal perda pode induzir a uma área de hipocaptação em áreas que deveriam ser de captação normal.

Houve uma forte correlação, inversamente proporcional, entre a variação do conteúdo glandular mamário e o número de fótons atenuados: r = - 0,999 para espessura de 5 cm e r = -0,989 para espessura de 10 cm.

Comparando as médias dos números de fótons não detectados para as espessuras de 5 e 10 cm, foi observado um aumento significativo nos números de fótons não detectados (35,45 ± 0,68 versus 59,48 ± 0,84); p < 0,00001. Ao compararmos uma variação de um centímetro na espessura, de 5 e 6 cm, foi observado um aumento significativo nas médias dos números de fótons não detectados (35,45 ± 0,68 versus 41,08 ± 0,78), p < 0,00001.

No entanto, ao dobrar o percentual de tecido fibroglandular de 20 para 40,0% (47,62 ± 9,02 versus 48,03 ± 9,04) e de 40 para 80,0% (48,03 ± 9,04 versus 48,77 ± 9,03), as médias dos números de fótons não detectados não sofreram modificação significativas, p = 0,4689 e p = 0,4455, respectivamente. Considerando, ainda, um caso extremo, no qual o percentual de tecido fibroglandular passa de 0 para 100,0% (47,03 ± 8,90 versus 49,15 ± 9,06), não há mudanças estatísticas significativas na média dos números de fótons não detectados, p = 0,3459.

Discussão

Os nossos resultados demonstram que a simulação de Monte Carlo pode ser extremamente útil na análise dos efeitos da atenuação dos fótons em cintilografias do miocárdio com SPECT. Observamos que exames que empregam o 99mTc sestamibi têm como principal determinante para a atenuação de fótons, decorrente da interação com uma mama, a espessura e, em menor grau, a composição.

Uma limitação significativa para obtenção das imagens de perfusão miocárdica pelo método cintilográfico é a frequente presença de artefatos de atenuação nas imagens, decorrentes da interação dos fótons durante a travessia nos tecidos moles corporais. As causas comuns de artefatos de atenuação são as mamas nas mulheres e os tecidos subdiafragmáticos nos homens17.

A técnica de Monte Carlo tem sido amplamente aplicada para estudos da influência das mamas em exames de imagem18-20 e para o cálculo de doses decorrentes de tomografias computadorizadas21 ou de radioterapia22. Estudos com a técnica de Monte Carlo também têm-se mostrado muito valiosos na área de medicina nuclear23. A aplicação dessas simulações à análise dos efeitos da atenuação de fótons em cintilografia do miocárdio pode contribuir para o desenvolvimento da qualidade das imagens e permitem simulações que seriam pouco práticas em estudos experimentais, com exposição à radiação para pacientes e pesquisadores.

O real objetivo da correção de atenuação é diminuir a grande variabilidade na distribuição de contagens nas paredes do miocárdio24. Dessa maneira, uma das aplicações potenciais do nosso estudo é a utilização de índices de atenuação para corrigir os efeitos das mamas sobre a imagem cintilográfica através da geração de fatores de correção unitários. Com tais fatores, poderemos determinar a atenuação para cada tipo de mama, sem a necessidade de exames adicionais. A criação desses algoritmos de atenuação permitirá uma redução, ou até a abolição, de exames adicionais, que têm sido empregados para obtenção dos mapas de atenuação, que, além de expor as pacientes a doses adicionais, aumentam o tempo do exame, maximizando o número de pacientes atendidos ao dia4.

Em conclusão, os resultados demonstraram que a influência das espessuras das mamas na atenuação de fótons em cintilografias do miocárdio com 99mTc é muito maior que a influência das suas composições. Novos estudos, entretanto, devem ser realizados para extrapolar esses dados em modelos de aplicabilidade clínica para correção da atenuação mamária em cintilografias de perfusão miocárdica.

Potencial Conflito de Interesses

Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.

Fontes de Financiamento

O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.

Vinculação Acadêmica

Não há vinculação deste estudo a programas de pós-graduação.

Anderson Oliveira

Rua das Laranjeiras, 43

Laranjeiras - 22240-000

Rio de Janeiro, RJ - Brasil

E-mail:

anderol@oi.com.br

anderson@cnen.gov.br

Artigo recebido em 11/12/09; revisado recebido em 26/05/10; aceito em 08/06/10.

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Multicenter clinical trial to evaluate the efficacy of correction for photon attenuation and scatter in SPECT myocardial perfusion imaging Circulation 1999 2742 9 21 99 Hendel RC Berman DS Cullom SJ Follansbee W Heller GV Kiat H 6. Garcia EV, Esteves FP. Attenuation corrected myocardial perfusion SPECT provides powerful risk stratification in patients with coronary artery disease. J Nucl Cardiol. 2009; 16 (4): 490-2. Attenuation corrected myocardial perfusion SPECT provides powerful risk stratification in patients with coronary artery disease J Nucl Cardiol 2009 490 2 4 16 Garcia EV Esteves FP 7. Duvernoy CS, Ficaro EP, Karabajakian MZ, Rose PA, Corbertt JR. Improved detection of left main coronary artery disease with attenuation-corrected SPECT. J Nucl Cardiol. 2000; 7 (6): 639-48. Improved detection of left main coronary artery disease with attenuation-corrected SPECT J Nucl Cardiol 2000 639 48 6 7 Duvernoy CS Ficaro EP Karabajakian MZ Rose PA Corbertt JR 8. Corbett JR, Ficaro EP. 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Correção de atenuação para sistemas SPECT e PET Arq Bras Cardiol 2006 21 4 86 Chalela W Meneghetti J. Original Articles Influence of breast characteristics in myocardial scintigraphy through the Monte Carlo method

BACKGROUND: By reducing the specificity associated with loss of information, the influence of attenuation of the breasts is very important in myocardial perfusion studies. However, although several studies have been conducted over the past years, little has been developed to determine accurately the influence of the characteristics of the breasts on the quality of myocardial scintigraphy, avoiding additional exposure to radiation. OBJECTIVE: The purpose of this study is to quantify the attenuation of photons by the breasts, in myocardial perfusion studies with 99mTc according to different sizes and compositions. METHODS: Each breast was assumed to be a cube composed of fibroglandular and adipose tissue. The data related to 99mTc photons were analyzed in a Monte Carlo model. We varied the thickness and composition of breasts and analyzed the interference in attenuation. The EGS 4 software was used in the simulations. RESULTS: Setting the thickness of a breast, the variation of its composition causes a maximum increase of 2.3% in the number of photons attenuated. By contrast, maintaining a fixed composition of breast tissue, the difference in photon attenuation was 45.0%, averaging 6.0% for each additional centimeter in the breast thickness. CONCLUSION: Monte Carlo simulation showed that the influence of the thickness of the breasts in the attenuation of photons in myocardial scintigraphy with 99mTc is much greater than the influence of their compositions.

 Breast myocardial reperfusion, injury Monte Carlo method

Anderson Oliveira; Berdj Aram Meguerian; Cláudio Tinoco Mesquita

Comissão Nacional de Energia Nuclear, Hospital Pró-Cardíaco, Instituto Nacional do Câncer, Universidade Federal Fluminense, Universidade Gama Filho, Rio de Janeiro, RJ - Brazil

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ABSTRACT

BACKGROUND: By reducing the specificity associated with loss of information, the influence of attenuation of the breasts is very important in myocardial perfusion studies. However, although several studies have been conducted over the past years, little has been developed to determine accurately the influence of the characteristics of the breasts on the quality of myocardial scintigraphy, avoiding additional exposure to radiation.

OBJECTIVE: The purpose of this study is to quantify the attenuation of photons by the breasts, in myocardial perfusion studies with 99mTc according to different sizes and compositions.

METHODS: Each breast was assumed to be a cube composed of fibroglandular and adipose tissue. The data related to 99mTc photons were analyzed in a Monte Carlo model. We varied the thickness and composition of breasts and analyzed the interference in attenuation. The EGS 4 software was used in the simulations.

RESULTS: Setting the thickness of a breast, the variation of its composition causes a maximum increase of 2.3% in the number of photons attenuated. By contrast, maintaining a fixed composition of breast tissue, the difference in photon attenuation was 45.0%, averaging 6.0% for each additional centimeter in the breast thickness.

CONCLUSION: Monte Carlo simulation showed that the influence of the thickness of the breasts in the attenuation of photons in myocardial scintigraphy with 99mTc is much greater than the influence of their compositions.

Key words: Breast/radionuclide imaging; myocardial reperfusion; injury: Monte Carlo method.

Introduction

Recent studies have shown a growing concern about the radiation dose associated with medical imaging procedures1,2. In the United States, the myocardial perfusion scintigraphy accounts for over 22.0% of total effective dose of radiation to the non-elderly adult population1. Furthermore, due to the medical imaging procedures, almost 20.0% of men and 18.0% of women receive doses of up to 20 mSv per year, maximum annual allowable limit for workers exposed to ionizing radiation3.

A major limitation to the accuracy of myocardial scintigraphy is the attenuation of photons by soft tissues4. There is a consensus that the attenuation correction techniques reduce the number of false-positive myocardial perfusion examinations5-7. The techniques of attenuation correction of photons consist in using coupled external radiation sources to generate non-uniform correction maps or using mathematical procedures that enable the attenuation correction, while the former are the most widely used procedures in clinical practice8-10.

Because the methods used for attenuation of correction cause exposure to extra doses of radiation, studies of dose calculations with scintigraphic apparatuses coupled to computed tomography devices with low dose of X-rays have suggested an increase of up to 10.0% in the effective radiation dose for each patient10.

Monte Carlo simulation techniques have become very important in the study of medical physics in the last 50 years. This is a mathematical model used to evaluate various parameters of nuclear medicine images, since there is no analytical solution to solve the equations that describe the interaction of photons with non-uniform attenuating structures of the body and the complex geometry of detectors and collimators11.

The purpose of this study is to determine the influence of photon attenuation by the breast, in myocardial perfusion studies with 99mTc-sestamibi for breasts of different compositions and volumes, taking into consideration factors such as composition (affected by age) and thickness, using the Monte Carlo method to undertake the attenuation correction by mathematical procedures.

Methods

All simulations were performed using the EGS4 code (Electron Gamma Shower - version 4)12. The study of photon attenuation by the breast in myocardial perfusion studies was performed using 99mTc as a radiation source13.

In the supine position, in which the myocardial perfusion study is conducted, the breasts take a pyramidal shape, which by analogy can be simplified to a cubic form. This form was adopted in the reproduction. The cube had its side ranging from 5 cm to 10 cm at intervals of one centimeter, in order to simulate breasts of different sizes.

The breasts are heterogeneous and composed of several basic tissue components, with known elemental compositions14. Since some simplifications may occur, it is acceptable that the breasts be properly represented by a sum of its two main components: adipose and fibroglandular tissue. In this study, we considered only the presence of these two key tissues for the end of the simulations.

Knowing the chemical composition and density of each of these compounds, we may properly represent the breasts using equations (1) and (2):

Where Cm is the chemical composition of a breast, fa is the fraction of adipose tissue weight, Ca is the chemical composition of adipose tissue, fg is the weight fraction of fibroglandular tissue, Cg is the chemical composition of fibroglandular tissue, rm m is the density of a breast, ra is the density of adipose tissue and rg is the density of fibroglandular tissue.

From equations (1) and (2), we simulated six types of breasts. Such simulations were aimed at checking not only the influence of thickness, but also the effects of the composition of the breasts in the attenuation of photons. The percentage of adipose was changed from 0 to 100.0%, at intervals of 20.0%. Hence, we adopted 0, 20, 40, 60, 80 and 100.0% of adipose tissue in the composition of a breast. Consequently, 100, 80, 60, 40, 20 and 0.0% of fibroglandular tissue, respectively. The densities and weight fractions for the elemental composition of fibroglandular and adipose tissue were taken from ICRU 4414 and are shown in Box 1.

Considering the breasts as being composed solely of adopose tissue, six simulations were performed. Each for a different size of cube thickness. Then, the procedure was repeated for the other situations. In all cases, we considered a beam of photons falling directly into a breast (cube) with energy of 140 keV.

Most SPECT equipment use scintillation crystals of sodium iodide with thallium impurities (NaI [Tl]). Once the photons need to lose energy in the crystal to be registered, only a small portion of these photons is utilized due to the poor detection characteristics of NaI(Tl)15. Furthermore, due to the attenuation of the medium between the source and the detector, most photons reach the scintillation crystal with energy below 140 keV. Therefore, it is customary to adopt a window around the photopeak energy. In this study, we considered an energy window16 of 14.0%.

Data are presented as mean ± standard deviation. Tests were used to calculate the linear correlation coefficient to evaluate the association between the number of photons attenuated and various breast thicknesses and compositions. The Student t test for unpaired data was used to analyze the average of undetected photons according to the varying thickness and composition of the breasts.

Probability values <0.05 were considered statistically significant.

Results

The first analysis was the correlation between the percentage of photons that crossed the breasts and the thicknesses and characteristics of these. Figure 1 shows the relationship between the number of photons crossing the breast, expressed in percentage, with their energies in a breast with 100.0% fibroglandular tissue and different tissue thicknesses. We observe that in the 99mTc (140 keV) photopeak energy range, the thickness of 5 cm of fibroglandular tissue allows the passage of 55.7% of photons with energy of 140 keV. By varying such thickness to 10 cm, the passage of photons with 140 keV is reduced to 30.8%, showing a reduction of approximately 45.0% of previous values.

When we do the same calculations for photons with energy lower than the photopeak (< 140 keV), we observed that increased thickness of the gland from 5 cm to 10 cm leads to an increase in the percentage of photons recorded with energies < 140 keV, an effect opposite to that seen with photons of 140 keV. For the energy of 100 keV, the percentage of photons recorded increases from 12.2% to 17.2%.

Table 1 lists the percentage of undetected photons within the window of energy according to the attenuation of a breast. In that table, we consider variations in breast thickness and tissue composition. In Table 1, we see that for a given composition of a breast, there is an increase of almost 6.0% in the number of photons lost by increasing breast thickness from 5 to 6 cm. However, keeping the thickness unchanged, a variation of 20.0% in the composition of glandular tissue does not cause significant differences in the number of photons lost (the maximum loss was 0.6%).

In an extreme case, by changing from one breast only composed of adipose tissue to one composed of fibroglandular tissue only increases the loss of photons by 2.3% at the most. This value is comparatively much smaller than the variation of only one-centimeter increase in the thickness of a breast (Table 1).

The loss of photons reaches more than 36.0% for a 5 cm breast thickness, reaching 60.5% when the breast is 10 cm thick. Such loss may induce an area of low uptake in areas that should be of normal uptake.

There was a strong correlation, inversely proportional, between the variation of the mammary gland content and the number of photons attenuated: r = - 0.999 for a thickness of 5 cm and r = -0.989 for a thickness of 10 cm.

Comparing the average number of undetected photons for thicknesses of 5 and 10 cm, we observed a significant increase in the numbers of undetected photons (35.45 ± 0.68 versus 59.48 ± 0.84), p < 0.00001. Comparing a variation of one centimeter in thickness, from 5 to 6 cm, we observed a significant increase in the average number of undetected photons (35.45 ± 0.68 versus 41.08 ± 0.78), p < 0.00001.

However, doubling the percentage of fibroglandular tissue from 20 to 40.0% (47.62 ± 9.02 versus 48.03 ± 9.04) and from 40 to 80.0% (48.03 ± 9.04 versus 48.77 ± 9.03), the average number of undetected photons had no significant changes, p = 0.4689 p = 0.4455, respectively. Considering an extreme case in which the percentage of fibroglandular tissue goes from 0 to 100.0% (47.03 ± 8.90 versus 49.15 ± 9.06), there are no statistically significant changes in the average number of undetected photons, p = 0.3459.

Discussion

Our results demonstrate that the Monte Carlo simulation can be extremely useful in analyzing the effects of photon attenuation in SPECT myocardial scintigraphy. We found that tests employing 99mTc sestamibi have as their main determinant factor for the attenuation of photons from the interaction with a breast, the thickness and, to a lesser extent, composition.

A significant limitation for obtaining images of myocardial perfusion through scintigraphy is the frequent presence of attenuation artifacts in the images resulting from the interaction of photons during the passage through the soft tissues of the body. Common causes of attenuation artifacts are the breasts in women and subdiaphragmatic tissues in men17.

The Monte Carlo technique has been widely applied to studies on the influence of breast in imaging examinations18-20 and the calculation of doses resulting from computed tomographies21 or radiotherapy22. Studies on the Monte Carlo technique have also been very valuable in the area of nuclear medicine23. The application of these simulations to analyze the effects of photon attenuation in myocardial scintigraphy may contribute to the development of the quality of images and enable simulations that would be little practical in experimental studies with exposure to radiation for patients and researchers.

The real purpose of attenuation correction is to reduce the wide variability in the distribution of counts in myocardial walls24. Hence, one of the potential applications of our study is the use of attenuation indexes to correct the effects of the breasts on the scintigraphic image by generating unit correction factors. With these factors, we can determine the attenuation for each type of breast, without any additional tests. The creation of these attenuation algorithms will enable a reduction or even the elimination of additional tests, which have been used to obtain the attenuation maps, which, besides exposing the patients to additional doses, increase the procedure time, maximizing the number of patients scanned on a day4.

In conclusion, the results showed that the influence of breast thicknesses in the attenuation of photons in myocardial scintigraphy with 99mTc is much greater than the influence of their compositions. New studies, however, should be made to extrapolate these data into models of clinical applicability for correction of breast attenuation in myocardial perfusion scintigraphy.

Potential Conflict of Interest

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

Sources of Funding

There were no external funding sources for this study.

Study Association

This study is not associated with any post-graduation program.

References

Influência das características mamárias na cintilografia miocárdica pelo método Monte Carlo

FUNDAMENTO: Por la reducción de la especificidad asociada a la pérdida de información, la influencia de la atenuación de las mamas es de fundamental importancia en estudios de perfusión del miocardio. Entre tanto, a pesar de que varios estudios han sido realizados a lo largo de los últimos años, poco se ha evolucionado para determinar con precisión la influencia de las características de las mamas sobre la calidad de la cámara gamma miocárdica, evitando exposiciones adicionales de radiación a las pacientes. OBJETIVO: El objetivo de este estudio es cuantificar la atenuación de fotones por las mamas, en estudios de perfusión del miocardio con 99mTc, de acuerdo con diferentes tamaños y composiciones. MÉTODOS: Cada mama fue asumida como siendo un cubo compuesto de tejido adiposo y fibroglandular. Los datos referentes a los fotones de99mTc fueron analizados en un modelo de Monte Carlo. Variamos el espesor y la composición de las mamas y analizamos las interferencias en la atenuación. Fue empleado el software EGS 4 para las simulaciones. RESULTADOS: Fijando el espesor de una mama, la variación de su composición acarrea un aumento máximo de 2,3% en el número de fotones atenuados. En contrapartida, manteniéndose una composición del tejido mamario fija, la diferencia en la atenuación de fotones fue de 45,0%, siendo en media de 6,0% para cada aumento de centímetro en el espesor de la mama. CONCLUSIÓN: La simulación por Monte Carlo demostró que la influencia de los espesores de las mamas en la atenuación de fotones en cámara gamma del miocardio con 99mTc es mucho mayor que la influencia de sus composiciones.

 Mama traumatismo por reperfusión miocárdica método Monte Carlo

ARTÍCULO ORIGINAL

CARDIOLOGIA NUCLEAR

Anderson Oliveira; Berdj Aram Meguerian; Cláudio Tinoco Mesquita

Comissão Nacional de Energia Nuclear, Hospital Pró-Cardíaco, Instituto Nacional do Câncer, Universidade Federal Fluminense, Universidade Gama Filho, Rio de Janeiro, RJ - Brasil

Correspondencia

RESUMEN

FUNDAMENTO: Por la reducción de la especificidad asociada a la pérdida de información, la influencia de la atenuación de las mamas es de fundamental importancia en estudios de perfusión del miocardio. Entre tanto, a pesar de que varios estudios han sido realizados a lo largo de los últimos años, poco se ha evolucionado para determinar con precisión la influencia de las características de las mamas sobre la calidad de la cámara gamma miocárdica, evitando exposiciones adicionales de radiación a las pacientes.

OBJETIVO: El objetivo de este estudio es cuantificar la atenuación de fotones por las mamas, en estudios de perfusión del miocardio con 99mTc, de acuerdo con diferentes tamaños y composiciones.

MÉTODOS: Cada mama fue asumida como siendo un cubo compuesto de tejido adiposo y fibroglandular. Los datos referentes a los fotones de 99mTc fueron analizados en un modelo de Monte Carlo. Variamos el espesor y la composición de las mamas y analizamos las interferencias en la atenuación. Fue empleado el software EGS 4 para las simulaciones.

RESULTADOS: Fijando el espesor de una mama, la variación de su composición acarrea un aumento máximo de 2,3% en el número de fotones atenuados. En contrapartida, manteniéndose una composición del tejido mamario fija, la diferencia en la atenuación de fotones fue de 45,0%, siendo en media de 6,0% para cada aumento de centímetro en el espesor de la mama.

CONCLUSIÓN: La simulación por Monte Carlo demostró que la influencia de los espesores de las mamas en la atenuación de fotones en cámara gamma del miocardio con 99mTc es mucho mayor que la influencia de sus composiciones.

Palabras clave: Mama/cámara gamma, traumatismo por reperfusión miocárdica, método Monte Carlo.

Introducción

Estudios actuales han demostrado una creciente preocupación con la dosis de radiación asociada a los procedimientos médicos de imagen1,2. En los Estados Unidos, la cámara gamma de perfusión miocárdica llega a ser responsable por más de 22,0% de la dosis efectiva total de radiación para la población de adultos no añosos1. Además de eso, a consecuencia de los procedimientos médicos de imagen, casi 20,0% de los hombres y 18,0% de las mujeres reciben dosis de hasta 20 mSv por año, límite máximo anual permitido para trabajadores expuestos a la radiación ionizante3.

Una de las mayores limitaciones a la precisión de la cámara gamma miocárdica es la atenuación de los fotones por los tejidos blandos4. Hay un consenso de que las técnicas de corrección de la atenuación reduzcan el número de exámenes de perfusión miocárdica falso positivos5-7. Las técnicas de corrección de la atenuación de los fotones consisten en el uso de fuentes externas de radiación acopladas para generar mapas de corrección no uniformes o en el uso de procedimientos matemáticos que permitan la corrección de atenuación, siendo que los primeros son los más ampliamente empleados en la práctica clínica8-10.

Por el hecho de que métodos aplicados para corrección de la atenuación ocasionan exposición a dosis adicionales de radiación, estudios de cálculos de dosis con aparatos de cámara gamma acoplados a aparatos de tomografía computarizada con baja dosis de Rayos-X han sugerido un aumento de hasta 10,0% en la dosis efectiva de radiación para cada paciente10.

Las técnicas de simulación de Monte Carlo se volvieron muy importantes en el estudio de la física médica en los últimos 50 años. Se trata de un modelo matemático utilizado para evaluar varios parámetros de las imágenes de medicina nuclear, visto que no existe solución analítica para resolver las ecuaciones que describen la interacción de los fotones con las estructuras atenuadoras no uniformes del cuerpo y las geometrías complexas de los detectores y colimadores11.

El propósito de este trabajo es determinar la influencia de la atenuación de fotones por las mamas, en estudios de perfusión del miocardio con 99mTc-sestamibi, para mamas de diferentes composiciones y volúmenes, llevando en consideración factores, como composición (afectada por la edad) y espesor, utilizando el método de Monte Carlo para emprender la corrección de atenuación por procedimientos matemáticos.

Métodos

Todas las simulaciones fueron hechas empleando el código EGS4 (Electron Gamma Shower - versión 4)12. EL estudio de la atenuación de fotones por las mamas en estudios de perfusión del miocardio fue realizado utilizando el 99mTc como fuente de radiación13.

En la posición supina, en la cual es realizado el estudio de perfusión del miocardio, las mamas asumen forma piramidal, que en analogía puede ser simplificada para la forma cúbica. Esa forma fue la adoptada en la reproducción. El cubo tuvo su lado variando de 5 cm a 10 cm, en intervalos de un centímetro, con el objetivo de simular mamas de diversos tamaños.

Las mamas son heterogéneas y compuestas de diversos componentes de tejidos básicos, los cuales tienen sus composiciones elementales conocidas14. Desde que algunas simplificaciones puedan ocurrir, es aceptable que las mamas sean adecuadamente representadas por una suma de sus dos principales componentes: tejido adiposo y tejido fibroglandular. En este estudio, consideramos la presencia apenas de esos dos tejidos fundamentales para fin de las simulaciones.

Conociéndose la composición química y la densidad de cada uno de esos compuestos, se pueden representar adecuadamente las mamas a través de las ecuaciones (1) y (2):

Donde Cm es la composición química de una mama, fa es la fracción en peso de tejido adiposo, Ca es la composición química de tejido adiposo, fg es la fracción en peso de tejido fibroglandular, Cg es la composición química de tejido fibroglandular, rm es la densidad de una mama, rla es la densidad de tejido adiposo y rg es la densidad de tejido fibroglandular.

A partir de las ecuaciones (1) y (2), fueron simuladas 6 tipos de mamas. Tales simulaciones buscaron verificar no sólo la influencia del espesor, como también los efectos de la composición de las mamas en la atenuación de los fotones. El porcentaje de tejido adiposo fue modificado de 0 a 100,0%, en intervalos de 20,0%. Así, fueron adoptados 0, 20, 40, 60, 80 y 100,0% de tejido adiposo en la composición de una mama. Consecuentemente, 100, 80, 60, 40, 20 y 0,0% de tejido fibroglandular, respectivamente. Las densidades y las fracciones en peso para la composición elemental de tejido adiposo y fibroglandular fueron retiradas de la ICRU 4414 y son presentadas en el Cuadro 1.

Considerando las mamas como siendo compuestas apenas de tejido adiposo, fueron realizadas 6 simulaciones. Cada una para un tamaño diferente de espesor cubo. En seguida, el procedimiento fue repetido para las demás situaciones. En todos los casos, fue considerado un haz de fotones incidiendo directamente en una mama (cubo) con energía de 140 keV.

La mayoría de los equipamientos SPECT utilizan cristales cintiladores de yoduro de sodio con impurezas de Talio (NaI[Tl]). Una vez que los fotones precisan perder energía en el cristal para ser registrados, apenas una pequeña parte de estos fotones es aprovechada en función de las pobres características de detección del NaI(Tl)15. Además de eso, debido a la atenuación del medio entre la fuente y el detector, la mayor parte de los fotones llega al cristal cintilador con energía inferior a 140 keV. Por ese motivo, se suele adoptar una ventana alrededor de la energía de fotopico. En este trabajo, fue considerada una ventana de energía16 de 14,0%.

Los datos son presentados como media ± desviación-estándar. Fueron utilizados tests de cálculo del coeficiente de correlación lineal para evaluar la asociación entre el número de fotones atenuados y los varios espesores de las mamas y sus composiciones. El test t de Student para datos no pareados fue utilizado para analizar las medias de fotones no detectados de acuerdo con la variación de espesor y composición de las mamas.

Valores de probabilidad < 0,05 fueron considerados estadísticamente significativos.

Resultados

El primer análisis realizado fue la correlación entre el porcentaje de fotones que atravesaron las mamas y los espesores y características de estas. La Figura 1 demuestra la relación entre el número de fotones que atraviesan las mamas, expresados en porcentaje, con sus respectivas energías, en una mama con tejido 100,0% fibroglandular y diferentes espesores del tejido. Podemos observar que, en la franja de energía del fotopico del 99mTc (140 keV), el espesor de 5 cm de tejido fibroglandular permite el pasaje de 55,7% de los fotones con la energía de 140 keV. Variando tal espesor para 10 cm, el pasaje de fotones con 140 keV es reducido a 30,8%, demostrando una reducción del orden de 45,0% de los valores previos.

Cuando hacemos los mismos cálculos para los fotones con energía menor que la del fotopico (<140 keV), observamos que el aumento de espesor de la glándula de 5 cm para 10 cm acarrea un aumento del porcentual de fotones que son registrados con energías < 140 keV, efecto contrario al visto con los fotones de 140 keV. Para la energía de 100 keV, el porcentual de fotones registrados pasa de 12,2% para 17,2%.

En la Tabla 1, está listado el porcentaje de fotones no detectados dentro de la ventana energética en función de la atenuación de una mama. En esa tabla, fueron consideradas variaciones en el espesor de la mama y en la composición tisular de esta. Aun en la Tabla 1, vemos que, para una misma composición de una mama, hay un aumento de casi 6,0% en el número de fotones perdidos al aumentar el espesor de la mama de 5 para 6 cm. Mientras tanto, manteniéndose inalterado el espesor, una variación de 20,0% en la composición de tejido glandular no acarrea diferencias significativas en el número de fotones perdidos (el valor máximo de pérdida fue de 0,6%).

En una situación extrema, al cambiar de una mama compuesta apenas de tejido adiposo para una compuesta apenas de tejido fibroglandular la pérdida de fotones aumenta a lo máximo en 2,3%. Valor, comparativamente, bien menor del que la variación de apenas un centímetro de aumento en el espesor de una mama (Tabla 1).

La pérdida de fotones llega a ser más de 36,0% para una mama de 5 cm de espesor, llegando a 60,5%, cuando la mama posee 10 cm de espesor. Tal pérdida puede inducir un área de hipocaptación en áreas que deberían ser de captación normal.

Hubo una fuerte correlación, inversamente proporcional, entre la variación del contenido glandular mamario y el número de fotones atenuados: r = - 0,999 para espesor de 5 cm y r = -0,989 para espesor de 10 cm.

Comparando las medias de los números de fotones no detectados para los espesores de 5 y 10 cm, fue observado un aumento significativo en los números de fotones no detectados (35,45 ± 0,68 versus 59,48 ± 0,84); p < 0,00001. Al comparar una variación de un centímetro en el espesor, de 5 y 6 cm, fue observado un aumento significativo en las medias de los números de fotones no detectados (35,45 ± 0,68 versus 41,08 ± 0,78), p < 0,00001.

Mientras tanto, al doblar el porcentual de tejido fibroglandular de 20 a 40,0% (47,62 ± 9,02 versus 48,03 ± 9,04) y de 40 para 80,0% (48,03 ± 9,04 versus 48,77 ± 9,03), las medias de los números de fotones no detectados no sufrieron modificación significativa, p = 0,4689 y p = 0,4455, respectivamente. Considerando, aun, un caso extremo, en el cual el porcentual de tejido fibroglandular pasa de 0 a 100,0% (47,03 ± 8,90 versus 49,15 ± 9,06), no hay cambios estadísticos significativos en la media de los números de fotones no detectados, p = 0,3459.

Discusión

Nuestros resultados demuestran que la simulación de Monte Carlo puede ser extremamente útil en el análisis de los efectos de la atenuación de los fotones en cámaras gamma del miocardio con SPECT. Observamos que exámenes que emplean el 99mTc sestamibi tienen como principal determinante para la atenuación de fotones, consecuencia de la interacción con una mama, el espesor y, en menor grado, la composición.

Una limitación significativa para obtención de las imágenes de perfusión miocárdica por el método cintilográfico es la frecuente presencia de artefactos de atenuación en las imágenes, consecuencia de la interacción de los fotones durante la travesía en los tejidos blandos corporales. Las causas comunes de artefactos de atenuación son las mamas en las mujeres y los tejidos subdiafragmáticos en los hombres17.

La técnica de Monte Carlo ha sido ampliamente aplicada para estudios de la influencia de las mamas en exámenes de imagen18-20 y para el cálculo de dosis consecuencia de tomografías computarizadas21 o de radioterapia22. Estudios con la técnica de Monte Carlo también se han mostrado muy valiosos en el área de medicina nuclear23. La aplicación de esas simulaciones al análisis de los efectos de la atenuación de fotones en cámara gamma del miocardio puede contribuir al desarrollo de la calidad de las imágenes y permiten simulaciones que serían poco prácticas en estudios experimentales, con exposición a la radiación para pacientes e investigadores.

El real objetivo de la corrección de atenuación es disminuir la gran variabilidad en la distribución de conteos en las paredes del miocardio24. De esa manera, una de las aplicaciones potenciales de nuestro estudio es la utilización de índices de atenuación para corregir los efectos de las mamas sobre la imagen de cámara gamma a través de la generación de factores de corrección unitarios. Con tales factores, podremos determinar la atenuación para cada tipo de mama, sin la necesidad de exámenes adicionales. La creación de esos algoritmos de atenuación permitirá una reducción, o hasta la abolición, de exámenes adicionales, que han sido empleados para obtención de los mapas de atenuación, que, además de exponer las pacientes a dosis adicionales, aumentan el tiempo del examen, maximizando el número de pacientes atendidos al día4.

En conclusión, los resultados demostraron que la influencia de los espesores de las mamas en la atenuación de fotones en cámaras gamma del miocardio con 99mTc es mucho mayor que la influencia de sus composiciones. Nuevos estudios, entre tanto, deben ser realizados para extrapolar esos datos en modelos de aplicabilidad clínica para corrección de la atenuación mamaria en cámaras gamma de perfusión miocárdica.

Agradecimientos

No hubo financiamiento externo en este estudio.

Potencial Conflicto de Intereses

Declaro no haber conflicto de intereses pertinentes.

Fuentes de Financiamiento

El presente estudio no tuvo fuentes de financiamiento externas.

Vinculación Académica

No hay vinculación de este estudio a programas de postgrado.

Referencias