Assessing activity and dose values computed by image-based quantification of Y-90 SPECT/CT data

Abstract

Selective internal radiation theraphy (SIRT) ist eine vielversprechende Behandlungsmethode für verschiedene Formen von Leberkarzinomen. Hierbei werden wenige Mikrometer große Y-90-haltige Mikrosphären in die Leberarterie injiziert mit dem Ziel, durch hochenergetische Betastrahlung tumoröses Gewebe zu schädigen. Da sich die Sphären in der Mikrovaskulatur verfangen und permanent in der Leber verbleiben, müssen viele Herausforderungen der Dosimetrie in anderen Formen der molekularen Radiotherapie nicht berücksichtigt werden. Umso wichtiger ist es daher auf eine valide Methode zur Dosisberechnung zurückgreifen zu können. Durch die Verwendung des kontinuierlichen Bremsstrahlungsspektrums kann SPECT/CT Bildgebung betrieben werden, obwohl Y-90 keine Gammastrahlung emittiert. Im Zuge dieser Arbeit wurde die kommerziell verfügbare Software HybridRecon von Hermes Medical Solutions (Stockholm, Schweden), zur Rekonstruktion verwendet. Durch die auf Monte-Carlo Algorithmen gestützte Simulation mit vollständiger Streuungs-, Absorptionsund Kollimator-Modellierung können quantitative Ergebnisse erzielt werden. Messungen an einem Jaszczak und einem NEMA IEC Body Phantom sowie ein Datensatz von SIRT Patienten des AKH Wien (verabreichte Aktivitäten zwischen 0,55 und 2,77 GBq) wurden damit ausgewertet. Da ein großer Einfluss des gewählten Thresholds auf die gemessene Aktivität festgestellt werden konnte, wurde der Datensatz mit mehreren reproduzierbaren Thresholds ausgewertet und die gemessene Gesamtaktivität mit dem tatsächlichen Wert verglichen. Innerhalb der Messunsicherheit wurden überwiegend gute Übereinstimmungen erzielt und somit ein prinzipielles Funktionieren der Rekonstruktion erwiesen. Weiters wurden gemessene und gerechnete Werte für die Aktivitätskonzentration verglichen und ein Unsicherheitsbudget nach den EANM Guidelines wurde erstellt. Mit den bekannten Formeln zur Dosisbestimmung und unter Zuhilfenahme von zusätzlich ermittelten Lebervolumina konnte ein Vergleich zwischen berechneten und gemessenen Dosen durchgeführt werden. Letztere konnte aus der Aktivitätskonzentrationsverteilung der SPECT Bilder ermittelt werden und verschiedene Herangehensweisen zur Auswertung wurden angewandt. Unter Zuhilfenahme eines Korrekturfaktors konnte eine gute Übereinstimmung zwischen gerechneten und gemessenen Dosen beim Body Phantom und plausible Ergebnisse im Patientendatensatz erzielt werden. Für alle Dosen wurde ausschließlich eine lokale Abgabe der Energie angenommen. Zusammenfassend belegt diese Arbeit, dass quantitative Y-90 SPECT Bildgebung funktioniert und glaubhafte Resultate für Aktivitätsund Dosiswerte liefert. Durch die Aufstellung eines Unsicherheitsbudgets und unter Berücksichtigung von Korrekturen steht eine nachvollziehbare Methode zur Verfügung, um Dosisberechnungen vor der Behandlung zu validieren.

Selective internal radiation therapy (SIRT) is a promising treatment for liver carcinoma by injecting Y-90 bearing microspheres in the hepatic artery. Typical challenges of dose calculations involving internal radiotherapy do not apply, as the spheres get trapped permanently in the micro-vessels. Therefore, it is imminently important to determine activity and dose with an accurate and traceable method. As Y-90 is a pure beta-emitter and decays without emitting any gamma radiation conventional SPECT/CT cannot be performed and the continuous bremsstrahlung spectrum must be utilized to acquire SPECT/CT images. In this study the commercially available software package HybridRecon (Hermes Medical Solutions) is used for evaluation of phantom measurements and data from 17 patients treated at AKH Vienna (with Y-90 activities ranging from 0.58 GBq to 2.77 GBq). The Monte Carlo based approach for scatter and attenuation correction and collimator modelling allows quantification and yields activity concentration data. The whole dataset was analyzed and a large influence of the volume of interest threshold selection on the resulting activities was found. To counter this problem a mathematical relation between threshold and activity was introduced. The accuracy of the computed results was verified by comparing applied and measured activities and the underestimation of the activity concentration was quantified. Following the EANM guidelines an uncertainty budget was calculated for all relevant cases considering the influence of the different factors on the resulting uncertainty. Using the established formulae and additional estimations for the tumour volumes pretreatment dose calculations were performed. Those results were compared with dose values obtained from the quantified SPECT images. Different approaches for obtaining dose value from the activity concentration data were evaluated and local deposition of all energy was assumed, because of the very limited range. The comparison showed very good agreement within the uncertainty range for measured and calculated doses for the body phantom and also plausible results for the patient dataset. In conclusion, this study is a proof of concept of quantitative Y-90 SPECT reconstruction with credible results for measured activities in phantoms and patients. Activity concentration values can be obtained from the quantified SPECT images and can be used to compare the internal absorbed dose with pre-treatment calculations. Different factors can be allowed for in an uncertainty budget and therefore a traceable method for activity and dose evaluation is made available. In future studies a Monte Carlo based 3D-dose model including interactions could be envisaged.