Скачать электронную версию статьи (в свободном доступе).
Цель: Развитие метода математического имитационного моделирования в области ядерной медицины и его
практическое применение в исследованиях, направленных на повышение диагностической точности метода
ОФЭКТ/КТ. Рассматриваются базовые принципы метода имитационного математического моделирования в
ядерной медицине и основные модули программного комплекса "Виртуальная платформа для имитационных испытаний метода ОФЭКТ/КТ",
созданного в Лаборатории моделирования в ядерной медицине Новосибирского государственного университета и Институте теоретической и прикладной механики
им. С.А. Христиановича.
Материал и методы: Главными принципами развитого программного комплекса являются реалистичность
математической модели виртуального пациента, точность модели описания физических процессов визуализации,
а также проведение имитационных испытаний, приближенных к клинической практике. Все исследования проводились в сотрудничестве
с врачами-клиницистами Национального медицинского исследовательского центра (НМИЦ) им. академика Е.Н. Мешалкина (Новосибирск)
и НМИЦ кардиологии им. академика Е.И. Чазова (Москва). Выполнена верификация программного комплекса путем сравнения с клиническими
данными. Численные эксперименты показали близкое соответствие между результатами клинических и виртуальных исследований.
В имитационных испытаниях на изображениях были получены те же артефакты,
которые наблюдались на клинических изображениях. Проведены имитационные компьютерные испытания
с использованием программного комплекса "Виртуальная платформа..." в области ядерной онкологии, кардиологии и неврологии, направленные на исследования точности изображений патологических очагов для
оценки возможности перехода к количественной ОФЭКТ, а также на оптимизацию протокола обследования пациентов.
Результаты: Имитационные испытания показали, что для перехода к количественной ОФЭКТ недостаточно
ограничиться разработкой методологии калибровки систем ОФЭКТ для конкретного радионуклида. Существуют проблемы,
без понимания и решения которых невозможно говорить о диагностической точности количественного метода ОФЭКТ.
Такими проблемами являются краевые артефакты, возникающие на изображениях патологических очагов, и правило останова итерационного алгоритма
при достижении значений активности в области интереса (патологического очага), наиболее приближенных к истинным значениям.
Предложен критерий останова на основе модифицированного статистического критерия согласия Пирсона
хи-квадрат. Наблюдается достоверно хорошая корреляция между предложенным критерием останова и минимумом среднеквадратичной
погрешности реконструкции изображения. Результаты имитационного моделирования с целью оптимизации метода ОФЭКТ
при обследовании перфузии головного мозга продемонстрировали возможность сокращения времени записи данных по сравнению
со стандартным протоколом, как минимум, в два раза.
Заключение: Основываясь на полученных результатах, можно сделать вывод о том, что представленный в
данной работе метод компьютерного имитационного моделирования является мощным практическим инструментом в помощь
клиническим исследованиям для оптимизации и разработки количественного метода ОФЭКТ. Дальнейшее развитие программного
комплекса ориентировано также на применения в радионуклидной терапии и тераностике.
Ключевые слова: ядерная медицина, ОФЭКТ/КТ, имитационное компьютерное моделирование, виртуальные клинические испытания
Purpose: To develop the method of mathematical simulation in the field of nuclear medicine and its
practical application in research aimed at improving the diagnostic accuracy of the SPECT/CT method.
The basic principles of the method of mathematical simulation in nuclear medicine and the main modules of the software
package "Virtual Platform for Simulation Tests of the SPECT/CT Method", created
at the laboratory for simulation in nuclear medicine of Novosibirsk State University and the Institute of
Theoretical and Applied Mechanics.
Material and methods: The main principles of the developed software package are the realism of the
‘virtual patient’ mathematical model, the accuracy in modeling of physical processes in visualization, as
well as simulation conducting close to clinical practice. All studies were carried out in collaboration
with clinicians. The software complex was verified by comparison with clinical data. Numerical experiments
have shown a close correspondence between the results of clinical and virtual studies. In simulation tests,
the same errors were obtained on images that were observed on clinical images. Simulation
computer tests were carried out using the software package "Virtual Platform..." in the field of nuclear
oncology, cardiology and neurology, aimed at studying the accuracy of images of pathological foci to assess the possibility of switching to quantitative SPECT, as well as optimizing the protocol for examining patients.
Results: Simulation tests have shown that in order to move to quantitative SPECT, it is not enough to be
limited to the development of a methodology for calibrating SPECT systems for a particular radionuclide.
There are problems without understanding and solving which it is impossible to talk about the diagnostic accuracy
of the quantitative SPECT method. Such problems are edge artifacts that appear on
the images of pathological foci, and the rule of stopping the iterative algorithm when the values of activity
in the area of interest (pathological focus) that are closest to the true values are reached. A stopping
criterion based on Pearson's modified chi-square test of goodness of fit is proposed. There is a significantly
good correlation between the proposed stop criterion and the minimum RMS error of the image
reconstruction. The results of simulation modeling with the aim of optimizing SPECT examinations of
brain perfusion demonstrated the possibility of reducing the data recording time compared to the standard protocol
by at least two times.
Conclusion: The computer simulation method presented in this paper is a practical technology that
contributes to the optimization and development of a quantitative SPECT method to achieve the best
possible results in the imaging of pathological foci. Further development of the software package is
focused on applications in radionuclide therapy and theranostics.
Key words: nuclear medicine, SPECT/CT, computer simulation, virtual clinical trials
DOI: 10.52775/1810-200X-2023-99-3-45-62