Development of a portable gamma imaging system for absorbed radiation dose control in molecular radiotherapy

par Carlotta Trigila

Thèse de doctorat en Imagerie médicale et radioactivité

Sous la direction de Yves Charon.

  • Titre traduit

    Développement d’un imageur gamma ambulatoire pour le contrôle de la dose en radiothérapie interne vectorisée


  • Résumé

    La thérapie interne par radionucléides est encore aujourd’hui un domaine peu exploité parmi les différentes modalités de traitement contre le cancer. Son spectre d’applications est toutefois en pleine évolution grâce notamment à l'apparition de nouveaux radiopharmaceutiques émetteurs beta ou alpha (peptides, alpha-thérapie ²²³ Ra, alpha-immunothérapie ²²¹ As,...) (Ersahin 2011). Dans ce contexte, la grande hétérogénéité des doses délivrées et des effets observés, à la fois en terme de toxicité et de réponse, démontrent qu'une dosimétrie personnalisée est essentielle pour optimiser le traitement (Strigari 2011). En pratique clinique, la dosimétrie de la tumeur et des organes à risque (foie, rein, ...) repose sur l’image de la biodistribution et de la cinétique précise du radiopharmaceutique chez chaque patient. Ces images peuvent être réalisées avec un traceur pré-thérapeutique pour planifier le traitement ou après celui-ci, afin de corréler directement les effets observés aux doses délivrées de manière à optimiser le protocole (activité maximum à injecter, intervalle entre les injections). Les contraintes de détection imposées par les protocoles de traitement sont très différentes de celles associées à un examen diagnostique (Flux 2011, Konijnenberg 2011). Les gamma-caméras conventionnelles ne sont ainsi pas adaptées à la détection de fortes activités de rayonnements gamma d'énergies inférieures à 100 keV (²²³ Ra) ou supérieures à 300 keV (¹³¹I, ⁹⁰Y). D’autre part, les fortes activités des traceurs injectés exigent généralement que le patient reste isolé, ce qui le rend donc plus difficilement accessible par les techniques d’imagerie standard. Enfin, la disponibilité de ces systèmes est incompatible avec un échantillonnage temporel précis de la cinétique du traceur, qui joue un rôle très important dans la quantification des doses absorbées. L'objectif de ma thèse était de proposer de nouvelles approches instrumentales visant à renforcer le contrôle de la dose délivrée aux patients lors d'un traitement de radiothérapie moléculaire. Ceci est réalisé en réduisant les incertitudes associées à la quantification de l'activité (et donc au calcul de la dose absorbée) grâce à l'utilisation d'un système d'imagerie compact et hautement optimisé. Il consistait à mettre au point et à optimiser une gamma-caméra mobile miniaturisée à haute résolution spécialement conçue pour améliorer l'évaluation quantitative individuelle de la distribution hétérogène et de la bio-cinétique du radiotraceur avant et après administration du traitement. L'étude était axée sur le traitement des maladies bénignes et malignes de la thyroïde à l'aide de l'¹³¹ I. Le premier prototype de la caméra, avec un champ de vue de 5x5 cm² , consiste en un collimateur à trous parallèles à haute énergie, réalisé en impression 3D et optimisé par simulations Monte Carlo, couplé à un scintillateur inorganique continu, lu par une technologie récente basée sur des matrices de photomultiplicateurs au silicium (SiPM). Ses propriétés intrinsèques, en termes d'énergie et de réponse spatiale, ont été testées avec des sources ponctuelles de ⁵⁷ Co et ¹³³ Ba. Le premier prototype de la caméra a été calibré avec de l'¹³¹ I. La calibration du système conduit à une résolution spatiale globale de (3.14±0.03) mm et à une sensibilité moyenne de (1.23±0.01) cps/MBq, le deux à 5 cm de distance. Nous avons effectué les premières études précliniques avec l'utilisation de différents fantômes thyroïdiens imprimés en 3D, avec et sans nodules, remplis de ¹³¹ I. Des résultats très prometteurs ont été atteints (valeurs de RC proches de l’unité), qui mettent en évidence ses performances adaptées à une quantification précise dans un contexte clinique assez réaliste.


  • Résumé

    Targeted radionuclide therapy is still a developing area among the different treatment modalities against cancer. However, its range of applications is rapidly expanding thanks to the emergence of new radiopharmaceuticals labeled with beta or alpha emitters (peptides, ²²³ Ra alpha-therapy, ²²¹ As alpha- immunotherapy, ...) (Ersahin 2011). In that context, the large heterogeneity of absorbed doses and the range of effects observed, both in terms of toxicity and response, demonstrate that individualized patient dosimetry is essential to optimize this therapy (Strigari 2011). In clinical practice, patient-specific dosimetry of tumors and organs-at-risk (liver, kidney, ...) is image-based and rely on the quantification of radio- pharmaceutical uptake as a function of time. These images can be obtained from either a pre-therapy tracer study or from a previous therapy procedure. The detection constraints imposed by the treatment protocols are very different from those associated with diagnostic imaging. (Flux 2011 Konijnenberg 2011). Thus, conventional gamma cameras are not suited for detecting high activity of gamma emitters with energy below 100 keV (²²³ Ra) or greater than 300 keV (¹³¹ I, ⁹⁰Y ). Moreover, high activities of the injected tracer typically require isolation of the patient, making the use of standard imaging devices difficult. Finally, the availability of these devices is incompatible with an accurate temporal sampling of the kinetics of the tracer, which is a key parameter for the quantification of the absorbed doses. The objective of my thesis was precisely to propose new instrumental and methodological approaches aiming to strengthen the control of the dose released to patients during molecular radiotherapy. This is achieved by reducing the uncertainties associated to activity quantification (and therefore to the absorbed dose calculation) through the use of a compact and highly optimized imaging system. Specifically, the work consisted in the development and optimization of a miniaturized, high-resolution mobile gamma camera specifically designed to improve the individual quantitative assessment of the heterogeneous distribution and biokinetics of the radiotracer before and after treatment administration. The study was focused on the treatment of benign and malign thyroid disease with ¹³¹ I. The first prototype of the mobile camera, with a field of view of 5x5 cm², consists of a high-energy parallel- hole collimator, optimized with Monte Carlo simulation and made with 3D printing, coupled to a 6 mm thick continuous CeBr3 scintillator readout by a recent and well-suited technology based on arrays of Silicon Pho- tomultiplier (SiPMs) detectors. Its intrinsic properties, in term of energy and spatial response, have been tested with collimated point source of ⁵⁷Co and ¹³³Ba. The first feasibility prototype has been then calibrated with a line and five cylindrical sources filled with ¹³¹ I. The system calibration leads to an overall spatial resolution of (3.14±0.03) mm at a distance of 5 cm and a sensitivity that decreases with distance and slightly changes with source size. An average sensitivity of (1.23±0.01) cps/MBq has been found at 5 cm. In order to test the quantification capability of the camera, the first preclinical planar studies involved the use of different 3D-printed thyroid phantoms filled with ¹³¹ I, with and without nodules. Although corresponding to a relatively ideal, but realistic, clinical situation (no superimposition of background activity), the optimized imaging features of the camera leads to very promising results, with activity recovery factors that deviate of around 2% from the unity.


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