Methods for image-based dosimetry and radiobiological modelling in radionuclide therapy

Abstract

In radionuclide therapy (RNT), radioactive pharmaceuticals are administered for therapeutic purposes. Dosimetry, i.e. the estimation of the absorbed dose to various targets, can potentially lead to a better understanding of the therapeutic effects in RNT and allow for individualization of the therapy. However, dosimetry is seldom used in RNT clinical practice, and several problems degrade the information obtained from the measurements. This thesis comprises studies investigating the accuracy of gamma-camera based dosimetry and methods for subsequent radiobiological modelling through the calculation of the biologically effective dose (BED).
   Image-based activity quantification and absorbed-dose estimation are discussed in Papers III, IV, and VI. In Paper III, a pharmacokinetic (PK) model of the radiopharmaceutical ¹⁷⁷Lu-DOTATATE is used in combination with anthropomorphic computer phantoms to generate realistic spatial and temporal activity distributions that can be used as input for Monte Carlo simulations of gamma-camera images. The technique is demonstrated to be useful for accuracy assessment of image-based dosimetry. In Paper IV, the phantom-PK-model complexes are used to study uncertainty propagation in SPECT/CT-based renal dosimetry in ¹⁷⁷Lu-DOTATATE therapy. A range of uncertainty sources are modelled in the processing of the images and the combined uncertainty in renal absorbed dose is estimated to be approximately 6 %. In Paper VI, the accuracy of estimated tumour volumes and activity concentrations are considered for three automatic delineation methods. The accuracy is demonstrated to vary as a function of tumour size and reconstruction settings.
   Radiobiological modelling is considered in three papers. In Paper I a consistent theoretical framework for BED calculation including repair modelling is constructed. In Paper II, the equations are given a formulation suitable for numerical implementation, thus providing a flexible tool for use with non-standard absorbed-dose rate or repair functions. The agreement with analytical expressions is excellent. In Paper V, a formula is derived for BED in fractionated RNT with overlapping absorbed-dose rate functions. This is applied to a case where the originally prescribed activity would violate the local activity-handling regulations. Fractionation is demonstrated to result in a higher tumour BED than that resulting from a reduction of the total administered activity.

Abstract (Swedish)

Strålbehandling är en av de vanligaste metoderna för att behandla cancer. I den mest använda formen av strålbehandling används en strålkälla utanför kroppen, så kallad extern strålterapi. Ett alternativ är att ge behandlingen med hjälp av ett läkemedel till vilket man har kopplat ett radioaktivt ämne, så kallad radionuklidterapi. Det radioaktiva läkemedlet ansamlas i tumören och ger där en intern form av strålbehandling. Tyvärr tas läkemedlet aldrig upp bara i tumören utan vissa friska organ bestrålas också. Vilka friska organ som bestrålas och därmed sätter gränsen för hur mycket av läkemedlet som kan ges beror på hur det fördelas i kroppen i kombination med räckvidden hos strålningen som emitteras av det radioaktiva ämnet. Ett sätt att kunna maximera den totala mängden aktivitet som ges är att försöka uppskatta stråldosen till olika organ, så kallad dosimetri, hos varje patient. Med dosimetri behöver behandlingen avbrytas först då man riskerar att ge en stråldos sådan att risken för skador på friska organ anses vara oacceptabelt hög.
   I denna avhandling ingår studier av en dosimetrimetod där en så kallad gammakamera används för att ta tredimensionella bilder av aktivitetsfördelningen i en patient och efterföljande beräkning av stråldoser till organ. Framför allt betraktas ett läkemedel som heter ¹⁷⁷Lu-DOTATATE. Det friska organ som begränsar mängden aktivitet vid behandlingar med detta läkemedel är njurarna. Genom simuleringar av gammakamerabildtagningen och efterföljande stråldosberäkningarna undersöks vilka begränsningar som finns i bildbaserad dosimetri och vilken osäkerhet som är förknippad med de värden som beräknas. Denna kunskap är nödvändig för att i framtiden kunna tolka eventuella samband mellan uppskattad  stråldos och effekterna av behandlingen. Utöver stråldosen är det känt att det finns andra aspekter som också är viktiga för den biologiska effekten vid strålterapi. En sådan aspekt är hur lång tid det tar att ge stråldosen. En utdragen bestrålning är mindre skadlig än om samma stråldos ges under än kortare tidsperiod. Detta är viktigt i radionuklidterapier eftersom bestrålningshastigheten där styrs av det för varje patient unika upptaget och omfördelningen av läkemedlet som funktion av tid, med en varierande bestrålningshastighet som följd. Dessutom är denna bestrålningshastighet väsentligt lägre än den som används i de flesta andra former av strålterapi.
   I denna avhandling ingår tre arbeten som behandlar en matematisk formalism för att kunna ta hänsyn till varierande bestrålningshastigheter genom beräkning av en kvantitet som kallas för biologiskt effektiv dos (BED). Detta leder till utvecklingen av ett verktygför att göra numeriska BED-beräkningar för godtyckliga bestrålningsmönster. Likaledes härleds ett BED-uttryck för upprepade behandlingar inom ett kort tidsintervall, så kallad fraktionerad radionuklidterapi. Detta uttryck används för att undersöka effekten på BED av förändringar i ett fraktioneringsschema.
   Förhoppningen är att de presenterade arbetena ska bidra till en mer tillförlitlig och tolkningsbar dosimetri inom radionuklidterapier med i förlängningen säkrare och effektivare behandlingar som följd.

• author: Gustafsson, Johan
• supervisor: Katarina Sjögreen Gleisner; Michael Ljungberg
• opponent: Professor Frey, Eric C., Johns Hopkins University, Baltimore, USA
• organization: Medical Radiation Physics, Lund
• publishing date: 2016
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Radiology, Nuclear Medicine and Medical Imaging
• keywords: radionuclide therapy, dosimetry, biologically effective dose, 177Lu-DOTATATE
• pages: 98 pages
• defense location: Strålterapihusets föreläsningssal, 3 våningen
• defense date: 2016-05-12 13:00:00
• ISBN: 978-91-7623-744-1
• ISBN: 978-91-7623-743-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 5d677cf6-ad4a-4728-8dce-dd5a67e6b30c
• date added to LUP: 2016-04-13 11:49:05
• date last changed: 2018-11-21 21:22:50