Nederlandse samenvatting –Summary in Dutch–

Nederlandse samenvatting
–Summary in Dutch–
Nucleaire geneeskunde steunt op het gebruik van radioactieve isotopen voor diagnostische en therapeutische doeleinden. Aan de basis
ervan ligt het tracer-principe dat werd ontdekt door George de Hevesy in de jaren 1920. Dit principe gaat uit van de stelling dat radioactieve isotopen kunnen gebruikt worden als een representatieve
tracer voor de stabiele atomen van hetzelde element aangezien beide
dezelfde chemische eigenschappen bezitten. Voor diagnostische toepassingen worden stabiele atomen in farmaca gesubstitueerd door radioactieve isotopen van hetzelfde element, waardoor een zogenaamd
radiofarmacon bekomen wordt. Na toediening aan de patiënt zullen
deze radiofarmaca zich voornamelijk gaan concentreren ter hoogte
van specifieke organen of componenten. Indien een gamma-straler
gebruikt wordt als radioactief isotoop, kan er met behulp van een
gammacamera een tweedimensionale (2D) projectie van de bronverdeling in de patiënt bekomen worden. Bij Single Photon Emission
Computed Tomography (SPECT) wordt er hierin nog een stap verder
gegaan door een eindig aantal van deze projecties te gaan combineren om, na reconstructie, een driedimensionale (3D) weergave van
de bronverdeling in de patiënt te verkrijgen.
Deze techniek kan ook gebruikt worden om gerichte organen of structuren een dermate hoge dosis te geven dat een therapeutisch effect
beoogd wordt. Deze techniek, ook wel Targeted Radionuclide Therapy (TRT) genoemd, wordt voornamelijk gebruikt voor de behandeling van kleine metastasen en uitgezaaide tumorcellen. Een van
de meest veelbelovende isotopen voor gebruik bij TRT is Yttrium90 (90 Y) omwille van zijn fysische en chemische eigenschappen. Zo
xxviii
N EDERLANDSE S AMENVATTING
zendt 90 Y enkel elektronen uit met een maximum energie van 2,28
MeV (gemiddelde energie: 0,935 keV) en het gemiddelde bereik van
3 mm zorgt ervoor dat er een goed gelokaliseerde dosis kan afgeleverd worden ter hoogte van de doelcellen terwijl andere organen
buiten de range van de straling liggen. Daarenboven zorgen de chemische eigenschappen van 90 Y er ook voor dat dit aan veel verschillende radiofarmaca kan gebonden worden. Aan het gebruik van 90 Y
is er echter ook een nadeel verbonden, namelijk zijn zuivere β − straling. Door het gebrek aan β − straling wordt de beeldvorming in het
lichaam van de patiënt bemoeilijkt en moet er gezocht worden naar
alternatieven om de effectieve dosis in de doelcellen en de gevoelige
organen (organs at risk of OAR) nauwkeurig te bepalen. Vandaag
de dag wordt dit in de meeste gevallen gedaan door 90 Y te vervangen door Indium-111 (111 In) in het radiofarmacon. Het gebruik van
een ander element in het radiofarmacon kan de eigenschappen van
de molecule echter wijzigen en zo de dosimetrie onnauwkeurig maken. Een alternatief hiervoor is het detecteren van de bremsstrahlung
fotonen die gevormd worden bij de interactie van de 90 Y electronen
in het lichaam van de patiënt met behulp van een SPECT camera.
Het energiespectrum van deze 90 Y bremsstrahlung fotonen is continu, gaande van slechts enkele eV tot de maximum energie van de
uitgezonden elektronen (2,2 MeV). Ondanks de geringe ruimtelijke
resolutie en gevoeligheid van de 90 Y bremsstrahlung SPECT beelden, heeft deze techniek reeds bevredigende resultaten opgeleverd.
In deze doctoraatsthesis worden de eigenschappen van de 90 Y bremsstrahlung fotonen bestudeerd en wordt er een nieuwe reconstructietechniek voorgesteld om de 90 Y bremsstrahlung SPECT beelden te
optimaliseren.
Bestaande Monte Carlo (MC) SPECT camera modellen bevatten meestal een nauwkeurige beschrijving van de collimator en het kristal,
maar vaak ontbreekt een correct implementatie van het backscatter
compartiment. In het geval van 90 Y bremsstrahlung fotonen kan
deze benadering de nauwkeurigheid van de simulatie beı̈nvloeden.
Daarom wordt er in het eerste deel van deze doctoraatsthesis gekeken naar de invloed van de nauwkeurigheid van de implementatie
van het backscatter compartiment op de accuraatheid van de simulatie van hoge energie isotopen. Om dit te doen werden drie modellen
S UMMARY IN D UTCH
xxix
gesimuleerd: een eenvoudig model (simple model of SM) enkel bestaande uit een collimator en een NaI(Tl) kristal, een intermediair
model (IM) dat ook een vereenvoudigde beschrijving van het backscatter compartiment bevat en een compleet model (CM) dat nauwkeurig alle materialen en geometriën van de gammacamera simuleert. Deze modellen werden geëvalueerd aan de hand van metingen
van puntbronnen (67 Ga, 99m Tc, 111 In, 123 I, 131 I en 18 F) in lucht zonder collimator, in lucht met collimator en in water met collimator.
In het laatstgenoemde geval wordt er een goede benadering bekomen tussen de met het IM en CM gesimuleerde gevoeligheden en
puntspreidingfuncties (PSFs) in het fotopiek venster en de gemeten
waardes. In het backscatter energievenster echter, overschatten zowel het IM als het CDM de halfwaardebreedte (full width at half
maximum of FWHM) van de gedetecteerde PSF met respectievelijk
52% en 23% waar het SM deze onderschat met 34%. Ook de backscatter piek fluentie wordt overschat met respectievelijk 20% en 10%
door het IM en het CM en onderschat met 60% door het SM. Deze
resultaten tonen aan dat een accurate beschrijving van het backscatter compartiment vereist is voor SPECT simulaties van hoge energie
isotopen wanneer het backscatter energievenster van belang is.
In het tweede deel van deze doctoraatsthesis wordt het gevalideerde gammacameramodel gebruikt om de Monte Carlo simulatie van
90
Y bremsstrahlung fotonen in SPECT te onderzoeken. Aangezien
simulaties van electronen op computationeel vlak zeer veeleisend
zijn, wordt er een snelle manier om de emissie van 90 Y bremsstrahlung fotonen te simuleren voorgesteld, gebaseerd op vooraf bepaalde
bremsstrahlung foton kansdichtheden (probability density functions
PDFs). De evaluatie van deze bremsstrahlung foton simulaties gebeurde in twee stappen. In een eerste stap werd de geldigheid van
de snelle bremsstrahlung foton simulator gecontroleerd. Vervolgens
werden de resultaten van de snelle en analoge simulatie van een 90 Y
puntbron in een met water gevuld fantoom vergeleken. Deze zelfde setup werd vervolgens gebruikt om de nauwkeurigheid van de
bremsstrahlung foton simulaties te controleren door de bekomen resultaten te vergelijken met gemeten data, dit zowel voor de gemeten
als voor de gesimuleerde kansdichtheid. Hiertoe werden zowel de
energiespectra als de PSFs van de in de gammacamera gedetecteerde
xxx
N EDERLANDSE S AMENVATTING
fotonen gebruik. De resultaten toonden aan dat de snelle simulatie verantwoordelijk is voor een overschatting van 5% van de lage
energie fluentie (lager dan 75 keV) van de bremsstrahlung fotonen
gedetecteerd met een gammacamera. De ruimtelijke verdeling van
de gedetecteerde fotonen wordt echter wel op een accurate wijze gereproduceerd met de snelle methode en dit met een verzeventienvoudigde rekensnelheid. Wanneer de gemeten PDFs worden gebruikt in
de simulaties, wordt er een zeer goede overeenkomst gevonden tussen het gesimuleerde en het met een gammacamera gemeten spectrum van fotonen uitgezonden door een puntbron van 90 Y in een met
water gevuld fantoom. Verder wordt er ook en nauwkeurige benadering bekomen van de PSFs van de fotonen in het energievenester tussen 50 en 300 keV, met een onderschatting van 12,4% van
de FWHM en 4,5% van de tiendewaardebreedte (full width at tenth
maximum of FWTM). Ondanks deze beperkte accuraatheid blijkt de
snelle bremsstrahlung foton simulator geschikt te zijn voor de simulatie van bremsstrahlung fotonen die ontstaan in grote homogene
organen, zoals de lever, en die gedetecteerd worden in een gammacamera.
Het derde deel van de doctoraatsthesis is gewijd aan de bremsstrahlung SPECT beeldvorming. Gebruik makend van de in de voorgaande delen gevalideerde simulatiehulpmiddelen, wordt eerst onderzocht wat de beste acquisitieparameters zijn voor beeldvorming
met 90 Y bremsstrahlung fotonen. Daarna wordt er gekeken wat de invloed is van de voornaamste beeldvormingscontaminanten bij beeldvorming met 90 Y bremsstrahlung fotonen. Op basis van deze informatie wordt een nieuwe reconstructietechniek voor bremsstrahlung
SPECT beelden voorgesteld die achtereenvolgens corrigeert voor verstrooiing in het fantoom, attenuatie en interacties met de camera. De
invloed van de voornaamste contaminanten werd bepaald met behulp van een beeldkwaliteit fantoom in termen van beeldherstel en
ruis. Dezelfde metrics werden vervolgens gebruikt om de correctietechnieken die gebruikt worden in het reconstructiealgoritme te evalueren. Hieruit bleek dat verstrooiing in het fantoom, attenuatie en
interactie van de camera het contrasthersel van de 90 Y bremsstrahlung SPECT beelden significant verlagen met een factor 2,1.
In het vierde en laatste deel van deze doctoraatsthesis tenslotte wordt
S UMMARY IN D UTCH
xxxi
de kwantitatieve accuraatheid van de nieuwe reconstructietechniek
geëvalueerd in het kader van de behandeling van leverkanker (hepatocellulaire carcinomas HCC) met 90 Y microsferen. Als eerste evaluatie werd een thorax fantoom gevuld met activiteit op een zodanige
manier dat deze een werkelijke behandeling nabootst. Vervolgens
werd de activiteit in de lever afgeleid uit de bekomen beelden en vergeleken met de werkelijke activiteit. De nieuw voorgestelde reconstructietechniek onderschatte deze activiteit met 20% waar bestaande
reconstructietechnieken een onderschatting van 40% opleveren. Tenslotte werden beelden van 8 patiënten die een behandeling met 90 Y
microsferen ondergingen ook gereconstrueerd met de nieuwe methode en de resultaten hiervan werden vergeleken met de beelden die
gereconstrueerd werden zonder enige correctie. In dit geval toonden de bekomen resultaten aan dat de nieuwe techniek een goede
inschatting leverde van de activiteit in de lever. Ook werd een betere
ruimtelijke resolutie van de verdeling van de activiteit bekomen. Dit
suggereert dat de voorgestelde techniek geschikt is voor toekomstig
gebruik bij dosimetrieën van behandelingen op patiënten.