Скачать электронную версию статьи (в свободном доступе).

English Abstract

Цель: Проблема количественной ОФЭКТ на основе оценки стандартизированного уровня накопления радиофармпрепарата SUV (Standardized Uptake Value) в настоящее время не решена: точность этой оценки далеко не всегда достоверна и зависит от технического протокола и установок программного обеспечения. Клинические исследования существенно ограничены в решении этой проблемы изза невозможности оценить точность полученных изображений путем сравнения с истинным распределением радиофармпрепарата (РФП) в органах и тканях пациента. Эффективным подходом к ее решению является метод математического имитационного моделирования с применением цифровых двойников пациентов и вещественных стандартизированных фантомов, а также устройств визуализации ОФЭКТ. Цифровой двойник с заданным распределением РФП служит эталоном для оценки точности реконструированных изображений. Целью данной работы, выполненной на основе метода имитационного моделирования, является исследование влияния установок широко используемого алгоритма реконструкции OSEM (Ordered Subset Expectation Maximization) на точность количественных оценок SUV при ОФЭКТ.
Материал и методы: Исследования проведены с использованием первого отечественного программного комплекса "Виртуальная платформа для имитационных испытаний метода ОФЭКТ/КТ". Виртуальные испытания выполнены с применением цифрового двойника стандартизированного фантома NEMA IEC и цифрового двойника пациента. Моделировался клинический случай ОФЭКТ/КТ-исследования пациента по поводу метастатических поражений костной системы. Точность количественной оценки очагов на реконструированных изображениях определялась с помощью коэффициентов восстановления (Rесоvery Coefficient – RC), которые рассчитывались как отношение максимального значения реконструированной активности в очаге к ее точному значению, изначально заданному в цифровом двойнике (RС_max).
Результаты: Результаты испытаний с цифровым двойником фантома NEMA IEC показали, что достоверные зависимости RС_max от диаметра сфер могут быть получены только для изображений, полученных с применением фильтрации. Без фильтрации поправки RС_max существенно зависят от номера итерации и отношения накопления РФП "очаг/фон", что делает невозможным их клиническое применение. Было получено, что для ОФЭКТ/КТ с коллиматором низкой энергии с препаратами, мечеными ^99mTc, поправки RС_max могут быть существенны для очагов диаметром менее 17 мм. Виртуальные испытания пациента с поражением костной системы показали, что клинические оценки SUV_max для двух выделенных очагов без учета поправочных коэффициентов являются удовлетворительными, поскольку диаметры очагов были порядка 30 мм и полученные значения RС_max равны 1,1 и 1,3. Соответственно, оценки SUV_max в этих очагах занижены в 1,1 и 1,3 раза, однако в случае очагов небольших размеров оценки SUV могут быть занижены более чем в 2–3 раза.
Заключение: Для получения точных количественных оценок активности в очагах поражений при использовании алгоритма реконструкции OSEM рекомендуется: во-первых, использовать алгоритм OSEM со всеми поправками (Attenuation Correction, Scatter Correction, Resolution Recovery), во-вторых, применять пост-фильтрацию для стабилизации решения и в-третьих, использовать поправочные коэффициенты RC, полученные для стандартизированного фантома NEMA IEC для радионуклида и коллиматора, соответствующих клиническому случаю.

Ключевые слова: виртуальные клинические испытания, цифровые двойники, ОФЭКТ/КТ, имитационное компьютерное моделирование, костные метастазы

Реферат

Purpose: The problem of quantitative SPECT based on the assessment of the standardized uptake value (SUV) remains unresolved: the accuracy of this assessment is far from always reliable and depends on the technical protocol and software settings. Clinical studies are significantly limited in addressing this problem due to the inability to assess the accuracy of the obtained images by comparing them with the true distribution of the radiopharmaceutical (RP) in the patient's organs and tissues. An effective approach to solving this problem is mathematical simulation modeling using digital twins of patients and physical standardized phantoms, as well as SPECT imaging devices. A digital twin with a given RP distribution serves as a standard for assessing the accuracy of reconstructed images. The aim of this study, based on the simulation modeling method, is to investigate the effect of the settings of the widely used OSEM (Ordered Subset Expectation Maximization) reconstruction algorithm on the accuracy of quantitative SUV assessments.
Material and methods: The study was conducted using the software package, "Virtual Platform for Simulation Testing of the SPECT/CT Method". Virtual tests were performed using a digital twin of a standardized NEMA IEC phantom and a digital twin of the patient. A clinical case of SPECT/CT examination of a patient with metastatic bone lesions was simulated. The accuracy of quantitative assessment of lesions in reconstructed images was determined using recovery coefficients (RC), which were calculated as the ratio of the maximum value of reconstructed activity in a lesion to its exact value initially specified in the digital twin (RC_max).
Results: Test results with a digital twin of the NEMA IEC phantom showed that reliable curves of the RС_max dependence on sphere diameter can only be obtained for images acquired with filtering. Without filtering, RС_max corrections significantly depend on the iteration number and the radiopharmaceutical accumulation ratio focus-to-background, making their clinical application impossible. It was found that for SPECT/CT with a low-energy collimator and ^99mTclabeled drugs, RС_max corrections can be significant for lesions smaller than 17 mm in diameter. Virtual testing of a patient with bone lesions showed that clinical SUV_max estimates for two selected lesions without correction factors are satisfactory, since the lesion diameters were approximately 30 mm, and the obtained RС_max values were 1.1 and 1.3. Accordingly, SUV_max estimates in these foci are underestimated by 1.1 and 1.3 times, however, in the case of small foci, SUV estimates can be underestimated by more than 2-3 times.
Conclusion: To obtain accurate quantitative estimates of activity in lesion foci when using the OSEM reconstruction algorithm, it is recommended to: firstly, use the OSEM algorithm with all corrections (Attenuation Correction, Scatter Correction, Resolution Recovery), secondly, apply post-filtering to stabilize the solution and thirdly, use the RC correction factors obtained for the standardized NEMA IEC phantom for the radionuclide and collimator corresponding to the clinical case.

Key words: virtual clinical trials, digital twins, SPECT/CT, computer simulation, bone metastases

DOI: 10.52775/1810-200X-2026-109-1-88-94