Voxel-level dosimetry of 177Lu-octreotate: from phantoms to patients

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-2780-8
Title: Voxel-level dosimetry of 177Lu-octreotate: from phantoms to patients
Author: Hippeläinen, Eero
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
HUS Medical Imaging Center, Department of Clinical Physiology and Nuclear Medicine Helsinki University Central Hospital, Comprehensive Cancer Center
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: In radionuclide therapy, the patient is injected with relatively high amounts of therapeutic radiopharmaceutical which localises to target tissue and emits ionising radiation. Unfortunately, a perfectly targeting radiopharmaceutical has not been discovered and part of the radiopharmaceutical accumulates to healthy tissues, which are also thus irradiated. In order to ensure safe use, the absorbed dose of radiation-sensitive organs must be monitored. The focus of this thesis is on patient specific dosimetry of lutetium-177 (Lu-177) labelled somatostatin analogue Lu-177-DOTA-Tyr3-octreotate (Lu-177-DOTATATE) treatments and development of internal dosimetry software. Lu-177-DOTATATE is a radiopharmaceutical that binds to somatostatin receptors and is used to treat patients with metastatic neuroendocrine tumours. Recent studies have shown significant treatment outcome improvements with Lu-177-DOTATATE when compared to previously used somatostatin analogue treatments. However, the kidneys are the healthy organ which receives the highest amount of radiation dose from Lu-177-DOTATATE treatments and could be the organ that limits the number of treatments a patient can tolerate. In addition, absorbed dose to kidneys varies highly from patient to patient and thus patient specific dosimetry is recommended. Despite many years of dosimetry research and the existence of several published scientific dosimetry tools, there is no clinically validated kidney dosimetry software for Lu-177-DOTATATE treatments. The aim of this thesis was to study quantification accuracy of Lu-177 radionuclide using SPECT/CT imaging and to study mean absorbed doses to kidneys and dose distribution characteristics of Lu-177-DOTATATE. A streamlined voxel level absorbed dose software for clinical practice was developed and validated for kidney dosimetry of Lu-177-DOTATATE treatments. The effect of reconstruction methods on Lu-177 quantification accuracy was studied using an anthropomorphic phantom with known Lu-177 sources. Acquired data were reconstructed using different image compensation methods and results were compared with known source activities in the phantom. It was found that Monte Carlo simulation based scatter compensation and SPECT detector response compensation improved Lu-177 quantification accuracy considerably. Similar findings were also observed with data from patients treated with Lu-177-DOTATATE. A Monte Carlo simulation study was carried out to investigate absorbed dose distribution of Lu-177. Two main findings were that electrons emitted by Lu-177 can be assumed to absorb locally when the resolution of the imaging system is taken into account and the photon cross-irradiation can contribute significantly to total absorbed dose especially in the vicinity of highly active volumes. Using Lu-177-DOTATATE patient data, two different kidney absorbed dose calculation methods were compared. Comparing the mean kidney absorbed dose with the estimated maximum absorbed dose, it was observed that Lu-177-DOTATATE accumulates unevenly to kidney causing significantly heterogeneous dose distribution within kidneys. In addition, a simplified imaging protocol was found to be adequate for dosimetry purposes and was later adopted clinical practice. Combining previous findings new voxel level dosimetry software was developed. The clinical feasibility of the proposed software was tested with digital phantom simulations and reanalysing patient data from Lu-177-DOTATATE treatments. The software was found to be reliable and to speed up and simplify the dosimetry workflow.Lutetium-177 (Lu-177) -oktreotaattihoito on tehokas hoitomenetelmä levinneisiin neuroendokriinisiin kasvaimiin. Suonensisäisesti annettava Lu-177 -isotoopilla leimattu oktreotaatti sitoutuu kasvaimien pinnalla ilmeneviin somatostatiinireseptoreihin ja Lu-177:n emittoima elektronisäteily tuhoaa syöpäsolukkoa. Paikallisesti ionisoivan elektronisäteilyn lisäksi Lu-177 emittoi myös gammasäteilyä, joka voidaan kuvantaa gammakameralla potilaan ulkopuolelta. Oktreotaatti sitoutuu pieninä määrinä myös terveisiin kudoksiin. Sitoutumaton lääke erittyy munuaisten kautta virtsaan, minkä seurauksena munuaiset voivat saada hoidoista suuren säteilyannoksen. Tämä voi johtaa munuaisten vajaatoimintaan. Munuaisiin kertyvän radiolääkkeen määrä vaihtelee suuresti potilaiden välillä, minkä vuoksi munuaisiin kohdistuvaa säderasitusta tulee seurata potilaskohtaisesti. Tämän väitöskirjan tavoite oli kehittää annoslaskentaohjelma radionuklidihoitoihin keskittyen Lu-177 -oktreotaattihoitoihin. Työssä tutkittiin Lu-177 -aktiivisuuden määrityksen tarkkuutta SPECT-TT-kuvauksilla ja eri kuvarekonstruktiomenetelmien vaikutusta aktiivisuuden määrityksen suorituskykyyn. Monte Carlo -simuloinneilla tutkittiin Lu-177:n elektroni- ja gammasäteilyn annosjakaumia. Kliinisesti käytössä olevilla annoslaskentamenetelmillä vertailtiin Lu-177 -oktreotaattihoidettujen potilaiden munuaisannoksia ja annosten vaihtelua hoitokertojen välillä. Yhdistämällä näiden töiden tulokset kehitettiin uusi potilaan yksilöllisiin SPECT-TT-kuviin perustuva annoslaskentaohjelma. Työssä osoitettiin, että kuvarekonstruktiossa käytettävillä kompensaatiomenetelmillä on huomattava vaikutus Lu-177:n aktiivisuuden määrityksen tarkkuuteen etenkin pienten kohteiden kohdalla. Tarkimmat tulokset saavutettiin yhdistämällä kuvarekonstruktioon vaimennuskorjaus, sirontakorjaus ja kollimaattori-detektori-vastemallinnus. Monte Carlo -simulointien avulla havaittiin elektronisäteilyn kantaman olevan häviävän pieni verrattuna gammakameran erotuskykyyn. Tämän takia SPECT-kuviin perustuvassa Lu-177:n annoslaskennassa voidaankin olettaa elektronien absorboituvan paikallisesti. Toisaalta simuloinneissa havaittiin, että hyvin aktiivisista lähteistä aiheutuu suuri gammasäteilyannos, joka tulisi ottaa huomioon annoslaskennassa. Lu-177 -oktreotaattihoidettujen potilaiden munuaisten säteilyannokset vaihtelivat suuresti. Potilaskuvista määritetyistä annosjakaumista havaittiin, että munuaisten keskimääräinen annos ja maksimiannos erosivat toisistaan tilastollisesti merkitsevästi. Radionuklidihoitojen annoslaskenta on monivaiheinen prosessi, jossa SPECT-kuvaus- ja rekonstruktiomenetelmät ovat keskeisessä asemassa. Tämän lisäksi annoslaskenta- ja analyysimenetelmien tulee olla käyttötarkoitukseen validoituja. Väitöskirjassa esitetty annoslaskentaohjelma mahdollistaa potilaan yksilöllisiin SPECT-TT-kuviin perustuvan annoslaskennan. Ohjelma validoitiin Lu-177 -oktreotaattihoitojen munuaisannoksen määrittämiseen, mutta sen kehittäminen muiden radionuklidien annoslaskentaan on mahdollista. Ohjelmiston kehitys on tehty yhteistyössä HERMES Medical Solution -yrityksen kanssa ja ohjelma tulee kaupallisesti saataville.
URI: URN:ISBN:978-951-51-2780-8
http://hdl.handle.net/10138/228526
Date: 2017-12-02
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record