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Dr. Kshama WechalekarLead Consultant in Nuclear Medicine

Royal Brompton and Harefield NHS Foundation TrustLondon 

Royal Brompton Hospital

PIOPED criteria –indeterminate results and different probability classifications

Overlap of anatomical segments

‘Shine‐through’ from underlying lung segments

Difficulties in visualising all lung segments

Difficult to interpret in patients with chronic heart and lung disease

Usually non‐diagnostic when chest X‐ray is abnormal

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Stein P, Freeman L et al JNM 2009

Identifies more and smaller mismatches

Has greater specificity & reduces interobserver variability

Improves localisation of defects and their size

Reduce indeterminate interpretation

Does not take longer than planar imaging

Generates images like planar, if desired

EANM Guidelines (2009) strongly recommend SPECT

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Investigators Year & Design Novelty Patients (n) Conclusion

Reinartz et al 2004Comparative VQ SPECT vs. CTPA (4 slice MDCT)

Planar images from SPECT by angular sampling method

83 patients assessed with different modalities.

Planar vs. SPECTSN ‐76%, 97%SP‐ 85%,92%Accuracy‐81%,94%

Miles et al 2009ProspectivePlanar and SPECT VQwith multislice CTPAscored with modified PIOPED for planar

New binary classificationSingle perfusion mismatch of 50%or >of a segment considered +vefor PE, any other pattern –ve.

10095% agreement  rate between VQ SPECT  and CTPANo PE for at least 3 months in –vestudies.

25% categorised as   nondiagnostic20% as low5% as moderateNo  non diagnostic studies on SPECT

Gutte et al 2009Prospective comparison of VQ‐SPECT VQ‐SPECT+Low dose CTCTPA  with MDCT

First study directly comparing different modalities but on same scanner.Krypton‐81m as V agent

81 (38%  PE)Final diagnosis by review of all clinical and imaging tests and 6 months follow up 

Imaging SN SP

SPECT 97% 88%

SPECT+LDCT 97% 100%

CTPA MDCT 68% 100%

Low dose CT provides anatomical information such as atelectesis, emphysema, etc. Therefore abolishing the need for chest radiography and improving Sn, Sp and accuracy.

SPECT VQ is more sensitive owing to the better visualisation of effect of sub‐segmental embolisation

CTPA has a higher specificity due to direct visualisation of intraluminal clots and less prone to conditions that mimic embolism

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Leblanc M, Paul N. 2010

Need for a good ventilation agent

Setting up new protocols and training

Longer time slots initially‐?patient compliance

New hybrid software for analysis and quantification

Gaining expertise in SPECT interpretation

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99mTc‐DTPA Aerosol, Low cost, availability, commonly used, particle diameter of 0.5‐

1μm.

The biological T/2 varies from 80±20 min in healthy nonsmokers to 45±8 

min in healthy passive smokers and 24±9 min in healthy smokers.

Central deposition in airways in COPD patients. 99mTechnegas Finer aerosol, better alveolar penetration and widely available in Europe.

Particle diameter about 0.005–0.2 µm. Distribution remain fixed for duration of study (Biological T/2 of 135 h)

Ideal for SPECT Hydrophobic but tend to grow by aggregation, and should be used within 

10 min of generation.

True gas‐ No artefacts due to central airway deposition. 

T/2 of 13 seconds‐ Inhaled 81mKr disappears from the alveolar space at a 

much faster rate by decay than by exhalation. Regional alveolar 81mKr 

concentration closely proportional to regional ventilation during steady 

breathing.

Gamma energy of 191 keV‐ Ideal for gamma camera, simultaneous dual isotope study with MAA 

Radiation dose‐ Extremely small, safe for children Production‐ 81Ru generator generator (T/2 81 Ru = 4.6 h), generator can be 

used for 1 day.

Disadvantages‐ Limited access, high cost, need for a daily generator. Need for 

continuous inhalation during acquisition.

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Tracer Administered

Activity‐(MBq)

Total Effective dose

Suitability for SPECT

99mTc‐MAA  200 2mSv

99mTc‐DTPA 80 0.4mSv

99mTechnegas 40  0.6mSv

81mKr 6000 0.2mSv

Values from ARSAC Notes for Guidance 2006

Technique Effective dose (mSv)

Single Slice LDCT 1mSv

CTPA 4 Slice 4.2mSv

CTPA 16 Slice 14.4 mSv

CTPA 64 Slice 19.9 mSv

Hurwitz et al 2006, ICRP 53, ICRP 80

Initial uncertainty 

about transition

Planar and SPECT 

acquisition sequentially (50 min)

Comparison of true 

planar with derived 

planars from SPECT

Confidence of 

interpreters for derived images

SPECT VQ (25min)

SPECT + LDCT 

(32min)

Plans for dual isotope 13.5 minPatient compliance 

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Explanation of procedure          No motion, tidal breathing Claustrophobia, inability to lie supine Ability to raise arms above head

Ventilation SPECT‐81mKr Adequate mask seal to prevent leakage Use of fan at foot end Avoid initial surge of Krypton 

Perfusion SPECT 99mTc‐MAA 200MBq dose

Parameters Ventilation Perfusion

Camera Dual head camera GE Infinia Hawkeye

Collimator ELEGP

Matrix 128x128

Orbit  360, noncircular, Continuous /step and shoot

Projections  64x2=128

Tracer Krypton MAA

Time per projection 5 sec 10sec

Patient positioning  Supine Inhalation  during  acquisition

Supine

Acquisition Positioning  Supine with arms above the head if possible

LDCT Just before perfusion, arms above head Fixed tube voltage 140kv, Tube current 2.5mA

Current RBH protocol. Dual isotope protocols have described less number of projections

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If aerosols are used for ventilation, V first and then Q with 1:4 ratio of activity

If Kr‐81m is used for V, any order‐ but V first helps.

Simultaneous dual isotope study. (Check for downscatter)

Low dose CT for AC and anatomical localisation. 

Additional Scatter window for AC (Synthetic map)

Respiratory Gating (   total counts but    enhances defects)

Inspection of raw data for motion, wafting artefacts

Reconstruction Iterative‐ OSEM Filter ‐ Butterworth  Normalisation of V to Q data Various softwares for registration and fusion (Hermes multi‐

modality imaging) V and Q data to be co‐registered to each other Co‐registration with LDCT/MDCT‐Motion of diaphragm and 

heart prevent perfect registration. Triangulation in 3 orthogonal planes and MIP images 

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VQ Quotient Identifies areas of mismatches Using a predetermined threshold, Q‐V (3D) Improves diagnostic accuracy Ability to see sub segmental mismatches

Localisation of Defects Orientation of 3D segmental anatomy Identification of defects in 3 orthogonal planes

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Ventilation

Perfusion

Quotient

Pulmonary sarcoidosis on treatment. Recent sudden SOB, CTPA -ve

67 year old female with chronic thrombo-embolism and PHT

Perfusion

Ventilation

Quotient

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Mass within left main bronchus

Ventilation

Perfusion

Quotient

Patient motion –Mis‐registration artefacts

Trapping of ventilation aerosols in emphysematous bullae causing mismatches.(Non‐segmental pattern)

Central deposition of DTPA aerosol in COPD patients.

Wafting artefact 81mKr –reconstruction artefact

MAA injection‐ aggregation of particles.

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Technical Advances‐Multi‐detector cameras and  computing ability

VQ SPECT‐ Improved interpretationSubstantial improvement in accuracyReduced non‐diagnostic rates Ability to do regional quantification

CTPA – High radiation dose, contrast allergyHigh radiation dose to female breast         

VQ SPECT should be the first line investigation           in suspected acute PE

Algorithm for diagnostic imaging of patients suspected of acute PE

Pulmonary embolism guidelines Part 2 EANM 2009

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Advantages AC Some anatomical detail, effusion, tumour, fibrosis. 

Single LDCT for V and Q SPECT Easier to fuse LDCT with MDCT if required.Disadvantages Small increase in time of acquisition and radiation burden  ~ 1mSV{Total effective dose < 4mSv (CTPA~ 10mSv)}

Mis‐registration due to respiration and cardiac motion

Co‐registration of  LDCT to MDCT

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K.Suga et al Annals of Nuclear med 2012

With dual head SPECT system, continuous rotating acquisition mode and pressure sensor respiratory tracking device for monitoring real time respiratory motion and time distance curves.

MDCT performed separately and fused.

Useful technique to resolve SPECT‐CTmis‐registration due to respiratory motion.

Needs training of patients to breathold for 20 sec.

Uses same MAA dose but  longer acquisition time.

Improved understanding of functional and morphological correlation

Occasional dissociation of lung perfusion defect and intravascular clotsIncomplete obstruction of arterial branches by clots (seen on CTPA)

Failure of CTPA in visualising small clot fragments due to partial volume effect or cardiac motion

Insight into other pathologies such as lung infarction, COPD etc.

Proves superiority of Q SPECT.K.Suga et al Annals of Nuclear med 2012

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Mr. H.O.

84 year old male presenting with SOB

Known COPD

Ventilation

Perfusion

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Perfusion SPECT- CT

Ventilation SPECT-CT

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Perfusion

Ventilation

46 year old male

Known small cell lung cancer

For preoperative assessment of lung resection 

MDCT  1 day prior

SPECT VQ  fused with MDCT

Mass effect of tumour on vessels and airways

Possibility of doing lobar quantification

Ventilation

Perfusion

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Lung resection surgery pneumonectomy /lobectomy

Lung volume reduction surgery

Radical radiotherapy field planning.

Lung transplant and lung function after transplant

After surgery for complex congenital heart disease

Predicted post‐op FEV1= FEV1 X Predicted % of remaining lung (after surgery/ radiotherapy)

A  postoperative or post‐RT FEV1= 700ml/min is required to avoid respirator dependence

51 patients with NSCLC 

Potential impact of VQ SPECT over QSPECT alone was assessed to plan high dose RT vs. RT avoidance.

Abnormal VQ SPECT CT in all patients with tumour being most common and COPD as next cause of defect. 

Most defects were matched but 31% patients had reverse mismatch(V<Q) 

Low V regions contribute to low O2 saturation and therefore need to be incorporated in RT plan.

Shuanghu Yuan et al, Ann Arbor , University of Michigan  J Thorac Oncol 2011

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Routine lung function tests           FEV1>1.5 litre suitable for lobectomyFEV1>2.0 litre suitable for pneumonectomy

FEV1<1.5 litre (Lobectomy)< 2.0 litre (Pneumonectomy)

Quantitative lung scan

%ppo FEV1<40%%ppo TLCO<40%

Exercise testing  VO2 max >15ml/kg/min

Surgery%ppoFEV1>40%%ppoTLCO>40%

VO2 max<15ml/kg/min Consider other options

BTS Guidelines 2001

Different techniques have been used to predict post‐operative lung function. These have included various pulmonary function tests and quantitative ventilation/perfusion scintigraphy. In practice, scintigraphy is not widely employed in assessing patients for lobectomy, because of the difficulty in interpreting the contribution of individual lobes to the overall ventilation or perfusion. This may explain why several investigators have reported that the simple calculation using lung segment counting can predict post‐operative FEV1 as accurately as ventilation/perfusion scintigraphy. 

Perfusion scintigraphy is the most widely used method to predict post‐operative lung function in lung cancer patients undergoing pneumonectomy .

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Most  lung cancer patients have MDCT 

PACS, Data import and fusion software

Ability to see finer anatomical details

Future applications

Identification of interlobar fissures. Lobar definition and possibility 

of improving quantification information in preoperative patients. 

Improved understanding of disease processes.

More benefit for non‐PE applications, e.g. lung resection, LVRS, 

radiotherapy planning.

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35% Contribution of RLL towards total perfusion Possible to quantify counts/vol of lung

Acquire Q SPECT+LDCT Co‐register V SPECT to LDCT      Fused dataset

Identify fissures and define lobes on MDCT Fuse LDCT to MDCT

Transfer fissures on SPECT volumes of V and Q Calculate lobar quantification in 3D

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56 Y M

Known Emhysema

New lung mass in RUL

Preoperative assessment

Perfusion SPECT Ventilation SPECT

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05/03/2013

24

Perfusion

Ventilation

Right lung

% Leftlung

%

RUL 6.4 LUL 48.3

RML 17.8

RLL 18.2 LLL 9.3

Total 42.4 57.6

Right lung

% Leftlung

%

RUL 5.4 LUL 34.5

RML 14.9

RLL 27.5 LLL 17.7

Total 47.8 52.2

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Comparison of post-lobectomy FEV1 with predicted FEV1 by planar and SPECT quantification

Spirometry

Surgery

Spirometry

Predicted ppo FEV1

Actual ppo FEV1