Implementation of a deterministic dose calculation method in targeted radionuclide therapy

Abstract

Die gezielte Radionuklidtherapie (Targeted Radionuclide Therapy, kurz TRT) ist eine verhältnismäßig neue Therapieform für die selektive Zerstörung von kleinen bösartigen Tumoren und Mikro-Metastasen. Das grundlegende Prinzip basiert auf der Verabreichung von offenen radioaktiven Stoffen, welche an eine Trägersubstanz gekoppelt sind. Mit Hilfe dieser Tumor suchenden Moleküle werden die Radionuklide genau in der Zielregion deponiert, wo sie die erkrankten Zellen von innen heraus bestrahlen und dadurch zerstören.<br />Teletherapie und Brachytherapie verwenden für die genaue Bestimmung der verabreichten Dosis bewährte Therapie-Planungssysteme um den therapeutischen Nutzen zu maximieren. Für die Radionuklidtherapie gibt es derzeit keinerlei solche Systeme, obwohl seit mehr als fünfzig Jahren etliche Ansätze für eine örtlich differenzierte Dosisberechnung in der TRT existieren. Modernste bildgebende Verfahren wie PET/CT oder SPECT/CT, bieten ein großes Potential zur Entwicklung von hochauflösenden Therapie-Planungssystemen. Prinzipiell gibt es zwei verschiede Ansätze zur Abschätzung der absorbierten Dosis in TRT. Stochastische Methoden wie Monte Carlo Simulationen haben sich als sehr verlässlich erwiesen, benötigen aber für einzelne klinische Szenarien aufgrund der enormen Rechenleistung Laufzeiten von mehreren Stunden und Tagen. Bei täglichen klinischen Anwendungen sind daher nur deterministische Methoden sinnvoll, da Ärzte und Mediziner eine Basis für eine rasche Entscheidungsfindung brauchen. Die vorliegende Arbeit stellt eine deterministische Dosis-Berechnungsmethode für TRT vor, welche auf der Faltung der akkumulierten Aktivitätsmatrix mit dem dose kernel (nuklidspezifisches Faltungskern) des jeweiligen Radionuklids basiert. Die Faltung wird mithilfe der schnellen Fourier Transformation ausgeführt um die Berechnungen weiter zu beschleunigen. Das Voxel-Modell eines kugelförmigen Tumors ist mit unterschiedlichen Radiopharmaka angereichert, wobei sowohl homogene als auch inhomogene Verteilungen untersucht werden. Dasselbe Szenario wurde in MCNP5 modelliert, um die Verlässlichkeit der Faltungsmethode zu untersuchen. Der Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass vor allem bei kurzreichweitigen Radionukliden die vorgestellte Methode eine sehr präzise Berechnung der räumlichen Dosisverteilung in TRT ermöglicht. Ebenso ist eine sehr gute Übereinstimmung in Gebieten mit geringer oder keiner Absorption zu beobachten während in Arealen mit hoher Radionuklidkonzentration die Faltungsmethode mit zunehmender Reichweite der emittierten Teilchen die Dosis bis zu 16% unterschätzt. Zusätzlich werden diskrete dose kernels für zehn Radionuklide präsentiert, welche mit MCNP5 als begleitende Arbeit berechnet wurden und in der Radionuklidtherapie von großer Interesse sind. Sobald ein deterministisches TRT Therapie-Planungssystem routinemäßig angeboten wird, können diese Datensätze für die Durchführung der Faltung verwendet werden. Für den schnellen Zugriff sollten sie in rasch abrufbare Datenbanken gespeichert werden. Die vollständige Liste dieser kernels findet sich im Anhang der Arbeit.

Targeted Radionuclide Therapy (TRT) is a relatively new therapy form for the selective destruction of small malign tumors and micro-metastases. The principle rests upon the administration of unsealed radioactive compounds which are coupled to a carrier vehicle.<br />Through these tumor-seeking tracer molecules the radionuclides are deposited exactly at the target region where they kill the diseased cells by irradiating them from inside. External beam therapy and Brachytherapy employ established treatment planning systems for the accurate determination of the delivered dose in order to maximize the therapeutic benefit. No such systems exist for TRT to date although different dose calculation methodologies have been approached for over fifty years. Especially the state-of-the-art medical imaging techniques like combined PET/CT or SPECT/CT devices offer a great potential for the development of modern therapy planning systems.<br />Principally two different calculation approaches exist for the determination of absorbed dose estimates. Stochastic methods like Monte Carlo calculations are proven to be very reliable but unfortunately they consume huge computation times for a single clinical scenario from hours to days. Therefore only deterministic methods are feasible for daily clinical applications, since the physicians require a basis for fast decision-making.<br />This work introduces a deterministic dose calculation method for TRT which is based on the convolution of the cumulated activity distribution matrix with the particular discrete dose kernel of the emitter. The convolution is accomplished by Fast Fourier Transform in order to speed up the calculation. The voxel model of a spherical tumor is assumed to be enriched with radiopharmaceuticals homogeneously and inhomogeneously, respectively. The same scenario has been implemented in MCNP5 in order to test the reliability of the convolution method. The comparison of the results shows that especially for short range radionuclides the convolution technique is a very precise calculation methodology for the determination of spatially varying dose distribution on voxel level in TRT. The convolution and MCNP5 results also show a very good accordance in regions with a low radionuclide uptake, whereas in areas with high radiopharmaceutical concentration the convolution method underestimates the dose with increasing radiation range of the emitted particles up to 16%.<br />Additionally discrete dose kernels for ten radionuclides of presumable interest for TRT are presented which have been calculated with MCNP5 as accompanying work. Once a deterministic dose calculation system is routinely available, these data can be utilized for performing the convolution. By storing the dose kernels in large data bases, they can be quickly accessible. The complete tabular list of the dose kernels is attached at the end of the thesis as supplementary material in the appendix.<br />