Activity Quantification of Yttrium-90: PET as compared to Bremsstrahlung SPECT

Abstract

Introduction: Cancer treatment is a process with continuous development. The most common treatment, within the field of radiation physics, is external radiation therapy, whereas one of the least common methods is Selective Internal RadioTherapy (SIRT). SIRT is a rather novel method for treating liver carcinoma. Microspheres containing 90Y are infused directly into the liver, via the hepatic artery. Seventeen SIRT-treatments have been performed at Skåne University Hospital (SUS) in Lund since the start in December 2010 until today (June 2012).
Due to the work of David Minarik, the activity distribution is today quantified post-treatment in clinical routine with the single photon emission computed tomography camera (SPECT) system. However, recent work performed by Lhommel et. al has shown the ability to use the positron emission tomography (PET) system to create PET-images with 90Y labeled SIR-spheres. Due to the better spatial resolution in the PET-camera, compared to the SPECT-camera, it is of interest to investigate the possibility to use PET instead of SPECT, for activity quantification of SIRT-patients´ liver. A system with a better spatial resolution has the potential to create a more accurate absorbed dose map from the activity distribution within the liver, compared to the SPECT based system used today.

The aim of this thesis is to evaluate whether PET can be used for activity quantification after 90Y microsphere treatments. Once the most suitable camera is chosen, absorbed dose calculation can be performed with the outcome from the activity distribution shown on the PET- or SPECT -images of the liver.

Materials and methods: For this project, three patients have been treated with SIRT and imaged in both the PET- and SPECT-camera. Furthermore, phantom measurements have been performed both with 18F and 90Y.
Results: For all three patients the PET system overestimates the total activity in the liver with about 20%. The SPECT systems result vary between 0% to – 15% compared to the true activity within the liver. However, more corrections are required on the PET-images to be certain that extra counts originating from the crystals within the PET cameras detector, does not contaminate the image with background noise, and thus giving an overestimation in activity quantification of about 20%.

Conclusion: The results indicate that it is possible to use PET to determine the activity distribution within the liver for patients treated with SIRT. However, further investigations are needed to determine whether PET should replace SPECT.

Abstract (Swedish)

En av behandlingsmetoderna mot tumörer i levern på Lunds Universitetssjukhus är SIRT som står för ”Selective Internal RadioTherapy” det vill säga en intern radioterapeutisk behandling, i detta fall specifikt för levern. Behandlingen är cirka tio år gammal och i Lund har den utförts sedan december 2010. Under våren 2012 behandlades tre patienter med SIRT då de inte kan få sina cancertumörer i levern bortopererade av olika skäl. Ofta är det tumörerna metastaserade från en primärtumör i tjocktarmen och som spridit sig och bildat ett blodrikt område vilket därför omöjliggör operation. Även metastaser från primära bröstcancertumörer samt andra endokrina tumörer kan sätta sig i levern. De tumörformer som gagnas av SIRT-behandling är de med en välutvecklad blodförsörjning med många kärl. Det som utnyttjas är det faktum att tumörer (> 20mm diameter) har en blodförsörjning som till minst 80% kommer från leverartären. Detta till skillnad från normal levervävnad som har sin huvudsakliga blodförsörjning från portavenen. Mikroskopiska sfärer (mikrosfärer) innehållande det radioaktiva ämnet Yttrium-90 (90Y) kan då embolisera tumörernas blodförsörjningskanaler. Beta partiklarna emitterade från 90Y sönderfallet kan då på grund av sin förhållandevis långa räckvidd deponera energi i tumörerna. Behandlingen utförs med växelvisa infusioner av mikrosfärer, vatten och kontrastvätska. Först kontrollerar man så att flödet är normalt med kontrastvätska. Sedan administreras SIR-sfärer genom en kateter placerad intraarteriellt vid levern. Därefter fyller man på med vatten för att tömma kateterslangen och slutligen ger man åter kontrastvätska för att kontrollera att flödet ser normalt ut för vidare infusion. Målet med detta projekt var att absolutbestämma den aktivitet av 90Y som man deponerar i levern för att slå ut cancern. Fördelningen av radioaktivitet i levern mäter man idag genom en tomografisk undersökning (SPECT) dagen efter SIRT behandlingen. Syftet var då att undersöka möjligheten att kvantifiera aktiviteten även med en sk PET-kamera. Detta system mäter fotoner annihilerade från en beta plus partikel (positron). Detta är möjligt då det i 32 sönderfall per en miljon emitteras en positron från 90Y. Denna positron växelverkar med en elektron med en annihilation och efterföljande emission av två motsattriktade fotoner. En PET-kamera är dedicerad att detektera koincidenser från dessa två fotoner med en hög noggrannhet. Frågeställningen var då om det är tilläcklig noggrannhet för att kunna aktivitetskvantifiera 90Y i levern. Frågan var också om PET-systemet är mer lämpat än det nuvarande SPECT-system beträffande denna mätning på grund av PET-systemets bättre upplösningsförmåga jämfört med SPECT. Då skulle detta system ge en mer korrekt bild av den absorberade dosen över levern. Resultaten visade att fördelningen av aktivitet var mer välbestämd med ett PET system än motsvarande undersökning med SPECT, detta beror sannolikt på att PET systemet har en bättre spatiell upplösning jämfört med SPECT. Dock fanns det i PET bilderna ett bakgrundsbidrag av händelser orsakade av naturlig radioaktivitet i själva detektormaterialet på PET systemet och som bör korrigeras för innan man med säkerhet kan säga hur kvantitativt noga PET bilderna egentligen är. För de tre SIRT-patienterna i denna undersökning så visade resultaten att aktiviteten av 90Y överskattas med cirka 20% när man mäter i PET kameran. Motsvarande för SPECT visade ett intervall mellan 0 och 15%, detta jämfört med den sanna framräknade aktiviteten. Med andra ord så visade SPECT på en större säkerhet vad beträffar bestämning av den totala 90Y aktiviteten som administrerats i levern.

• author: Andersson, Christian
• supervisor: Cecilia Hindorf; Michael Ljungberg
• organization: Medical Physics Programme
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 3327117
• date added to LUP: 2012-12-20 19:09:11
• date last changed: 2013-09-05 12:21:09