Dosimétrie pour les thérapies par radionucléides 177Lu et 90Y par imagerie et simulations Monte Carlo

Dosimetry for 177Lu and 90Y radionuclide therapies through imaging and Monte Carlo simulations

• Auteur / Autrice : Laure Vergnaud
• Direction : David Sarrut
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal et de l'image
• Date : Soutenance le 06/10/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CREATIS - Centre de Recherche et d'Application en Traitement de l'Image pour la Santé (Lyon ; 2007-....) - Centre de Recherche en Acquisition et Traitement de l'Image pour la Santé / CREATIS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Imagerie Tomographique et Radiothérapie
• Jury : Président / Présidente : Florent Cachin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Sarrut, Florent Cachin, Yuni Dewaraja, John Dickson, Lidia Strigari, Jean-Noël Badel
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yuni Dewaraja, John Dickson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie d'émission monophotonique

Imagerie médicale

Mots clés libres

Imagerie médicale

Tomographie par émission monophotonique - TEMP

Tomodensitométrie - TDM

Lutécium

Yttrium

Radiothérapie interne vectorisée

Radioembolisation

Simulation de Monte-Carlo

Medical Imaging

SPECT - Single Photon Emission Computed Tomography

Tomodensitometry

Dosimetry

Lutetium

Yttrium

Targeted Radionuclide Therapy

Radioembolisation

Résumé

En médecine nucléaire, la radiothérapie interne vectorisée (RIV) consiste à injecter par intraveineuse un radiopharmaceutique qui va venir se fixer aux cellules tumorales grâce à un vecteur sélectionné selon le type de récepteurs sur-exprimés par ces dernières. Bien qu’efficace, les plans de traitement de ces thérapies sont standardisés alors que des études ont montrées que les doses absorbées (énergie absorbée par unité de masse) par les organes à risque et les tumeurs diffèrent d’un patient à un autre. Afin de pouvoir les personnaliser, il est donc nécessaire d’estimer les doses absorbées et de les corréler aux toxicités et à l’efficacité du traitement. Lors de la désintégration du 177Lu, des photons gamma sont émis et sont détectés à l’aide d’une gamma caméra. Une acquisition TEMP est réalisée afin de connaître la biodistribution 3D du radiopharmaceutique à un instant donné qui est nécessaire pour l’estimation des doses absorbées par les régions d’intérêt. Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux aspects quantitatifs et dosimétriques des thérapies au 177Lu et à l’90Y à partir des images TEMP. En RIV, la dosimétrie au 177Lu requière un suivi de la biodistribution du radiopharmaceutique au cours du temps et donc, des acquisitions TEMP post-injection multiples. Cependant, les contraintes cliniques limitent les temps et le nombre d’acquisitions souhaitables. Dans la première contribution, un workflow dosimétrique s’adaptant au nombre d’acquisitions disponibles pour les thérapies au 177Lu-DOTATATE a été proposé comprenant des méthodes de dosimétrie simplifiées qui ont été évaluées par rapport à une méthode de référence (trois acquisitions). La radiothérapie interne sélective (RIS) est un traitement local des lésions hépatiques dans lequel des microsphères d’90Y sont injectées dans l’artère intrahépatique pour détruire les tumeurs. Ce traitement est simulé à l’aide d’une injection de 99mTc associé à des macroaggrégats d’albumine. Une acquisition TEMP est ensuite réalisée puis l’image est reconstruite afin de prédire les doses absorbées et d’adapter l’activité à injecter pour la thérapie. Pendant l’acquisition TEMP, les mouvements respiratoires peuvent impacter l’acquisition mais ne sont pas forcément corrigés au cours de la reconstruction. La seconde contribution a permis d’évaluer l’impact dosimétrique de la correction du mouvement respiratoire dans la reconstruction en comparant les estimations de doses et d’activité à injecter. Récemment, les gamma caméras CZT ont permis de réduire les durées d’acquisition tout en conservant la qualité de l’image. Cependant, elles ne permettent pas toujours d’acquérir les photons de hautes énergies (>200 keV). Dans une troisième contribution, une étude de faisabilité de la quantification au 177Lu (113 keV) a été réalisée sur fantômes et des paramètres de reconstruction optimaux ont été fournis. Ils ont ensuite été utilisés lors d’une étude dosimétrique préliminaire sur patients traités au 177Lu-PSMA.

In nuclear medicine, targeted radionuclide therapy (TRT) involves intravenous injection of a radiopharmaceutical that specifically binds to tumour cells through a selected vector based on the type of receptors overexpressed. This treatment has proven effective for neuroendocrine tumours (NETs) and metastatic castration-resistant prostate cancer. However, treatment plans are standardised despite studies showing variations in absorbed doses (energy absorbed per unit mass) among different patients’ organs at risk and tumours. To personalise these treatments, it is necessary to estimate absorbed doses and compare them with treatment toxicities and efficacy. During the radioactive decay of certain radioisotopes such as 177Lu, gamma photons are emitted and can be detected using a gamma camera. A SPECT acquisition is typically performed to determine the 3D biodistribution of the radiopharmaceutical at a given time point, which is necessary for estimating absorbed doses in the regions of interest. In this thesis, we focused on the quantitative and dosimetric aspects of 177Lu and 90Y therapies using acquired SPECT images. In TRT, dosimetry for 177Lu requires monitoring the biodistribution of the radiopharmaceutical over time, which involves multiple post-injection SPECT acquisitions. However, clinical constraints often limit the availability of desired acquisition times and numbers. Therefore, the primary objective of the first contribution was to provide a dosimetric workflow that can adapt to the available number of acquisitions for 177Lu-DOTATATE therapies in NETs. Several simplified dosimetry methods were proposed and evaluated against a reference method based on three post-injection acquisitions. Selective Internal Radiation Therapy (SIRT) is a local treatment for liver lesions where 90Y microspheres are injected into the intrahepatic artery to destroy the tumours. This treatment is simulated using an injection of 99mTc combined with albumin macroaggregates. A SPECT acquisition is then performed before being reconstructed to predict absorbed doses and adjust the activity to be injected. During the SPECT acquisition, respiratory motion can impact the acquisition but is not necessarily corrected during reconstruction. The second contribution assessed the dosimetric impact of correcting for respiratory motion in the reconstruction by comparing dose and activity estimates for injection. Finally, more recently, CZT gamma cameras have allowed for reduced acquisition times while maintaining image quality. However, they do not always enable the acquisition of high-energy photons (>200 keV) and therefore, the recommended energy peak for 177Lu dosimetry. In a third contribution, a feasibility study of quantification with 177Lu (energy peak at 113 keV) was conducted using phantoms, and optimal reconstruction parameters were provided. These parameters were then used in a preliminary dosimetric study on patients treated with 177Lu-PSMA.