Computational and experimental methods for imaging and dosimetry in ¹⁷⁷Lu radionuclide therapy : Classical and novel gamma cameras

Abstract

Radionuclide therapy (RNT) is a form of radiotherapy that uses unsealed radioactive sources for the delivery of ionising radiation within a patient's body.
Radiation dosimetry is not used routinely in all centres, and the RNT field can benefit from more data on pharmacokinetics and absorbed doses (ADs).
Consequently, there is a value in developing and investigating methods that facilitates the acquirement of pharmacokinetic data and AD calculation.

Papers I and IV focus on tumour dosimetry in peptide receptor radionuclide therapy (PRRT) with [¹⁷⁷Lu]Lu-DOTA-TATE. In Paper I, a method for tumour dosimetry was developed, with the intention to be applicable to image sets consisting of a combination of planar and single photon emission computed tomography (SPECT) images. Semi-automatic segmentation methods are developed and employed for robustness and to alleviate the operator workload. Evaluation showed that the dosimetry method worked well provided that tumour selection criteria were applied. In Paper IV, this method was applied across all treatment cycles in a larger set of patients, producing a large collection of ADs and pharmacokinetics data for tumours. Analysis showed how the ADs evolved over treatment cycles and how this could be explained by changes in the pharmacokinetic parameters, findings which in the long run could help in the design of new treatment and imaging protocols.

Papers II, III and V focus on a cadmium zinc telluride (CZT)-based hand-held gamma camera and lay the groundwork for its application within RNT. In Paper II, the camera was characterised and the feasibility of using it for ¹⁷⁷Lu imaging was investigated. We found that it was capable of producing useful images and identified appropriate collimators and energy windows. In Paper III, we sought to improve the understanding of how the energy-tailing associated with the CZT-crystal affected ¹⁷⁷Lu imaging with the help of Monte Carlo simulations. The wide range of energies of interest for ¹⁷⁷Lu meant that new model of the camera system had to be developed and tuned to reproduce the camera's behaviour. Through the model, we were able to gain a better understanding of the camera and estimate the interference of higher-energy photons on lower energy windows. In Paper V, we aimed to develop a method with which the camera could be used for activity quantification. This was done by adapting a dual-photopeak method to ¹⁷⁷Lu, a method in which measurements over multiple photopeaks are employed to infer the depth of a source, allowing for activity-quantification with attenuation-correction.

Abstract (Swedish)

Radionuklidterapi är en form av strålbehandling där sjukdom behandlas genom att ett radioaktivt ämne tillförs till kroppen. Typiskt sett består det tillförda ämnet av två sammankopplade komponenter: Dels en radionuklid (radioaktiv variant av ett viss grundämne) och dels ett läkemedel vars egenskaper gör att det tas upp i det sjuka området. Ofta tillförs det radioaktiva läkemedlet via injektion i ett blodkärl, efter vilket ämnet cirkulerar runt i kroppen och ackumuleras företrädesvis i det sjuka området och minimalt i normala organ. Radioisotopen avger joniserande strålning som skadar ett omkringliggande område, och ackumulering av skador till det sjuka området ger radionuklidterapin dess behandlande verkan. Joniserande strålnings interaktion med omgivningen kan mätas genom måttet absorberad dos, som anger den totala mängden energi som joniserande strålning har avgett till massan inom ett område. Ofta används en radionuklid som avger joniserande strålning med lagom kort räckvidd så att den större delen av energin absorberas inom ett närliggande område. Vissa radionuklider kan även avge gammastrålning med längre räckvidd, vilket öppnar för möjligheten att avbilda läkemedlets fördelning med en gammakamera.

Radionuklidterapi är någorlunda unikt jämfört med andra former av strålbehandling, på så sätt att den absorberade dosen till sjuka områden och normala organ avgörs av hur patientens kropp tar upp läkemedlet, något som kan variera mellan patienter. Normala organ riskerar att ta viss skada, beroende på hur läkemedlet tas upp i kroppen samt vilken räckvidd den joniserande strålningen har. Det finns därmed möjlighet till att optimera behandlingen genom att justera mängden radioaktivt läkemedel som injiceras så att maximal behandlingseffekt erhålls med minimala sidoeffekter. Att beräkna den absorberade dosen innebär att det radioaktiva läkemedlets tids-beroende cirkulering i kroppen behöver bestämmas. Denna cirkulering studeras ofta genom bildtagningar med en gammakamera vid ett antal tillfällen. Att utföra upprepade biltagningar och analysera bilderna kan dock vara tid- och resurs-krävande för kliniken, samt obekvämt för patienterna. För närvarande finns det begränsat med evidens för att dosberäkningar kan användas för att ge ett mervärde till behandlingar, och många kliniker använder istället förutbestämda doseringar. Det finns därmed ett värde i att utveckla nya metoder som underlättar dosberäkningar eller studerandet av upptaget av läkemedel, så att mer kunskap kan samlas in inom området. På sikt kan sådan kunskap leda till att individoptimerade behandlingar baserade på dosberäkningar kan introduceras i större utsträckning.

I denna avhandling har mycket fokus lagts på tumörer inom behandling med ett specifikt radioaktivt läkemedel ([¹⁷⁷Lu]Lu-DOTA-TATE). Inom ett arbete utvecklades och undersöktes en metod för dosberäkning inom ett specifikt bildmaterial. I ett senare arbete applicerades denna metod i en större uppsättning bilder, vilket möjliggjorde en studie av läkemedlets upptag inom tumörer och de resulterade absorberade doserna över många återkommande behandlingar. De tre övriga arbetena fokuserar på en handhållen gammakamera och grunderna läggs för att använda denna inom radionuklidterapi. Kameran är av intresse då det är enkelt att utföra bildtagningar med den, vilket innebär att den skulle kunna användas för att studera upptaget av radioaktiva läkemedel med en större mängd bildtagningar än vad som är praktiskt med en vanlig gammakamera. Den handhållna kamerans arbeten handlar inledningsvis om karakterisering genom mätningar och datorsimuleringar för att få en bättre förståelse av hur kameran fungerar. Ett slutligt arbete handlar även om utvecklingen av en metod med vilken den absoluta mängden av upptaget radioaktivt läkemedel kan skattas från mätningar kameran.

• author: Roth, Daniel
• supervisor: Katarina Sjögreen Gleisner; Erik Larsson
• opponent: FD Erlandsson, Kjell, Institute of Nuclear Medicine, UCH, 235 Euston Rd, NW1 2BU London, UK
• organization: Medical Radiation Physics, Lund
• alternative title: Metoder för bildtagning och dosimetri inom radionuklidterapi med ¹⁷⁷Lu : Klassiska och nya gammakameror
• publishing date: 2021
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Physics Topics
• keywords: Radionuklidterapi, [177Lu]Lu-DOTA-TATE, Gammakamera, Aktivitetskvantifiering, Dosimetri, CdZnTe, Monte Carlo, Radionuclide therapy, [177Lu]Lu-DOTA-TATE, Gamma camera imaging, Activity quantification, Dosimetry, CdZnTe, Monte Carlo
• pages: 229 pages
• defense location: Gamla biskopshuset, Lund. Join via zoom: https://lu-se.zoom.us/j/62859661012?pwd=NVVja2tZd0pndzFuU1hWaEZZRC84dz09 passcode: 2020
• defense date: 2021-05-28 09:00:00
• ISBN: 978-91-7895-849-8
• ISBN: 978-91-7895-850-4
• project: Dosimetry in radionuclide therapy
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Disputation Datum: 2021-05-28 Tid: 09:00 Plats: Online streaming (från Gamla Biskopshuset, LU Service, via Zoom) Opponent Namn: Kjell Erlandsson Titel: Dr. Organisation: Institute of Nuclear Medicine, University College London, UK
• id: 9af81f50-b9af-4308-a441-7c806d5ae4c0
• date added to LUP: 2021-04-21 17:24:57
• date last changed: 2021-05-01 02:29:24