Quantitative analysis of Cherenkov emission imaging

Abstract

Cherenkov emission imaging is a new optical imaging technique in nuclear medicine that takes advantage of the fact that most positron emitting radionuclides have a sufficient energy to produce Cherenkov photons. The Cherenkov photons can then be detected with sensitive CCD camera systems.
Due to the recent demonstration of detectable amounts of Cherenkov light escaping from nuclide bearing mice the interest in Cherenkov radiation has increased. The demonstrated results of animal studies give an implication that it is possible to use the CR phenomenon for medical research and possibly for clinical purposes.

A large plethora of clinically used radiopharmaceuticals for imaging and therapy can be imaged with Cherenkov luminescence imaging (CLI). This means that it is possible to use the method to follow the distribution of these radiopharmaceuticals in vivo, thereby the method could possibly be used as a dosimetry tool in systemic radiation therapy (SRT).

Several research groups have investigated the correlation between CLI and PET-imaging, and an excellent correlation between the bio-distributions obtained with the two methods has been found. Compared to currently used imaging methods such as PET and SPECT, CLI is a simple method which makes it interesting for e.g. screening purposes. The equipment needed for CLI is less expensive than PET and SPECT equipment, meaning that it would be a good alternate method for smaller laboratories with a restricted budget.
The aim of this study is to investigate the possibility for quantitative measurements and to quantitatively analyse the use of Cherenkov emission imaging in optical phantoms and pre-clinical animal models.

This study includes several experiments where the relation between different optical properties of the studied media and the emitted Cherenkov radiation is investigated. The results shown by the work in this thesis are in good agreement with the theoretical expectations and results shown by other research groups.

Cherenkov emission imaging can be used for radionuclide localization in preclinical animal studies, meaning that the method could be used to study selective uptake in superficial tumours. The CLI method could provide us with a low-cost high-throughput alternative to preclinical PET.

Abstract (Swedish)

Avbildning genom detektion av Cherenkovstrålning är en nuklearmedicinsk bildtagningsmetod där man utnyttjar det synliga ljus som kallas Cherenkovstrålning. Detta ljus sänds ut när hastigheten hos en laddad partikel överstiger hastigheten av ljuset i ett visst medium och kan användas för att lokalisera fördelningen av en radionuklid i en kropp.
Syftet med denna studie är att undersöka möjligheten att kvantitativt analysera avbildning med Cherenkovstrålning för att avgöra huruvida metoden kan användas som ett dosimetriskt verktyg vid systemisk strålterapi.

Systemisk strålterapi är en metod för behandling av cancer där radioaktiva isotoper administreras till patienterna för att uppnå celldöd hos tumörcellerna. För att uppnå ett bättre resultat kan radioisotoperna märkas med en monoklonal antikropp som binder till receptorer hos cancercellerna. Vissa typer av cancerceller har visat sig överuttrycka vissa receptorer vilket gör det möjligt att rikta behandlingen mer direkt mot tumören.

För att säkerställa terapeutisk effekt måste man försäkra sig om att radioisotopen ackumuleras i tumören under en tillräckligt lång tid. Det är också viktigt att behandlingen är selektiv så att friska organ kan besparas onödig stråldos. Effektiviteten och specificiteten hos ett isotop-antikropp komplex undersöks rutinmässigt med prekliniska dosimetristudier.

Molekylär bildtagning med nuklearmedicinska bildtagningsmetoder som PET och SPECT möjliggör visualisering av cellfunktion och molekylära processer i levande organismer utan att störa dessa processer. De många modaliteterna inom fältet är applicerbara på bland annat diagnosticeringen av cancer, neurologiska sjukdomar och hjärt-kärlsjukdomar.

Optiska bildtagningsmetoder, såsom fluorescens- och bioluminescensbildtagning, är till skillnad från nuklearmedicinska bildtagningsmetoder lätta att hantera och instrumenten är mycket billigare än de som krävs för PET och SPECT. Av dessa anledningar föredrar många att använda sig av optiska bildtagningsmetoder för att undersöka molekylära processer vid grundläggande och biomedicinska studier. Optiska bildtagningsmetoder har hög känslighet och utmärkt tidsupplösning, men kvantifiering baserad på den optiska signalen är osäker. Metoderna har dock begränsad klinisk tillämpning på grund av absorption och spridning av ljuset när det passerar genom kroppen, vilket leder till låg penetration av vävnad.

På senare tid har det funnits ett ökande intresse för optiska tekniker för avbildning av radioisotoper, tekniker baserade på emission av Cherenkovstrålning. Det är av stort intresse att ytterligare undersöka möjligheten att använda sig av bildtagning med Cherenkovljus som ytterligare ett verktyg för preklinisk dosimetri.

Jämfört med kliniskt använda molekylära bildtagningsmetoder som PET och SPECT är Cherenkov-bildtagning en enkel och kostnadseffektiv bildtagningsmetod, vilket gör metoden intressant för exempelvis screening.
Avbildning med Cherenkovstrålning kan användas för att lokalisera radionuklider i prekliniska djurstudier, detta betyder att metoden skulle kunna användas för att studera selektivt upptag i ytliga tumörer.
Slutligen skulle denna bildtagningsmetod kunna utgöra ett alternativ till preklinisk PET, med lägre kostnad och högre genomströmning.

• author: Olausson, Susanna
• supervisor: Johan Axelsson; Sven-Erik Strand
• organization: Medical Physics Programme
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 3327122
• date added to LUP: 2012-12-20 19:08:52
• date last changed: 2013-09-05 12:21:54