Influência das características mamárias na cintilografia miocárdica pelo método Monte Carlo

Resúmenes

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

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

ARTÍCULO ORIGINAL

CARDIOLOGIA NUCLEAR

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 imagen^1,2. 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 positivos^5-7. 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 clínica^8-10.

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 C_m es la composición química de una mama, f_a es la fracción en peso de tejido adiposo, C_a es la composición química de tejido adiposo, f_g es la fracción en peso de tejido fibroglandular, C_g es la composición química de tejido fibroglandular, r_m es la densidad de una mama, r_la es la densidad de tejido adiposo y r_g 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 imagen^18-20 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.

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Influência das características mamárias na cintilografia miocárdica pelo método Monte Carlo

Anderson Oliveira; Berdj Aram Meguerian; Cláudio Tinoco Mesquita

Fechas de Publicación

• Publicación en esta colección
  03 Dic 2010
• Fecha del número
  Ene 2011

Histórico

• Revisado
  26 Mayo 2010
• Recibido
  11 Dic 2009
• Acepto
  08 Jun 2010