Evaluation of diagnostic, therapeutic and dosimetric applications in nuclear medicine, with the development of computational models and the use of Monte Carlo simulations

Abstract

In the present thesis entitled “Evaluation of Diagnostic, Therapeutic and Dosimetric Applications in Nuclear Medicine, with the Development of Computational Models and the Use of Monte Carlo Simulations” the state of art techniques applied in Nuclear Medicine field are investigated. By exploiting modern tools such as Monte Carlo simulations anthropomorphic computational models and high performance computing clusters, as well as using clinical data, we are assessing several parameters for the optimization and the evaluation of the applied clinical protocols in Nuclear Medicine. Initially, we have performed an extensive literature research for all the topics which are investigated in this thesis. More specifically, the bibliographic investigation includes the history and the description of the emission based imaging techniques (single photon and positron emission - SPECT and PET), as well as the state of the art on the most recent approaches for the creation of realistic Monte Carlo imaging databases. The methods used in modeling clinical and preclinical detection systems are also reviewed. Alongside, the evolution of anthropomorphic computational models development, used in Nuclear Medicine field, is presented. The literature investigation is completed with the study of the dosimetric protocols that are used in clinical practice. There is a detailed analysis and historical review on the calculation of dose point kernels (DPKs) that are commonly used in the diagnostic and therapeutic dosimetry. The theoretical background on dosimetry is completed with the study of the personalized dosimetric factors, such as the calculation of S-values. In the present thesis, the evaluation of the clinical protocols is performed in two main directions. Based on the Monte Carlo simulations “ground truth” we try to optimize: diagnostic / imaging techniques and dosimetric / therapeutic protocols. Analytically, these two main axis are described in Chapters 2 and 3, respectively. In Chapter 2 the description and the results of the modeled imaging systems are presented. Moreover, a comparison study of the realistic intra-tumor heterogeneity PET modeling is performed, based on real clinical data. Finally, a full description of the created simulated imaging database is given, including clinical and preclinical PET and SPECT data. In Chapter 3, we provide for the first time the entire calculation procedure of the DPKs, for three different materials (soft tissue/water, lung and bone) for a set of 13 commonly used radioisotopes. The DPKs were extracted using the GATE Monte Carlo toolkit, which was initially validated for the dosimetry calculation using monoenergetic i) photon (γ), ii) electron (e-) and iii) betta (b-) particles. We continue our internal dose assessment study by calculating the S-values in preclinical applications. The S-values were calculated using whole body bioditributions as a source, while the procedure was validated with previously published data. Accordingly, the whole-body (heterogeneous source) S-values were extracted for the optimization of pediatric nuclear medical applications, so as to accurate calculate the absorbed dose per critical organ of interest. The biodistributions used in the pediatric studies were based on clinical data. The thesis is completed with the discussion and the analysis of the results obtained in each separate section. Future steps are suggested, so as to better exploit the presented results towards their application in clinical practice.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Βελτιστοποίηση διαγνωστικών, θεραπευτικών και δοσιμετρικών πρωτοκόλλων στην Πυρηνική Ιατρική με την ανάπτυξη υπολογιστικών μοντέλων και τη χρήση Monte Carlo προσομοιώσεων» επιχειρείται μία καινοτόμος προσέγγιση στις σύγχρονες διαγνωστικές και θεραπευτικές μεθόδους που της Πυρηνικής Ιατρικής. Με τη χρήση σύγχρονων εργαλείων όπως είναι οι προσομοιώσεις Monte Carlo, τα ανθρωπόμορφα υπολογιστικά ομοιώματα και συστοιχίες υπολογιστών (cluster), σεσυνδυασμό και με την αξιοποίηση κλινικών δεδομένων, πραγματοποιήθηκε μελέτη για την ανάπτυξη και πιστοποίηση μεθόδων και τεχνικών, οι οποίες βελτιστοποιούν τα εφαρμοζόμενα πρωτόκολλα Πυρηνικής Ιατρικής. Αρχικά πραγματοποιήθηκε εκτενής βιβλιογραφική αναζήτηση στα επιμέρους θέματα που διαπραγματεύονται στη διατριβή. Πιο συγκεκριμένα η βιβλιογραφική μελέτη περιλαμβάνει το ιστορικό και την περιγραφή των τεχνικών απεικόνισης Μονοφωτονικής και Ποζιτρονικής υπολογιστικής τομογραφίας (SPECT και PET), καθώς και την παράθεση των πιο σύγχρονων τεχνικών, που χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση ρεαλιστικών προσομοιώσεων με σκοπό τη δημιουργία απεικονιστικών βάσεων δεδομένων, αλλά και τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση κλινικών και προκλινικών συστημάτων ανίχνευσης ακτινοβολίας σε περιβάλλον προσομοίωσης. Παράλληλα μελετήθηκε η ιστορική εξέλιξη των διαφόρων ανθρωπόμορφων υπολογιστικών ομοιωμάτων που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές Πυρηνικής Ιατρικής. Η βιβλιογραφική αναζήτηση ολοκληρώνεται με τη μελέτη των δοσιμετρικών πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται και εφαρμόζονται στην κλινική πράξη. Γίνεται λεπτομερής ανάλυση και ιστορική αναδρομή στον υπολογισμό “σημειακών πυρήνων δόσης” (Dose Point Kernels - DPKs), οι οποίοι εφαρμόζονται στη δοσιμετρία διαγνωστικών αλλά και θεραπευτικών πρωτοκόλλων. Το θεωρητικό υπόβαθρο της δοσιμετρίας συμπληρώνεται με την ανάλυση και την παράθεση προσωποποιημένων δοσιμετρικών παραμέτρων όπως είναι η μέθοδος υπολογισμού των S-values. Στην παρούσα μελέτη πραγματοποιείται διεξοδική ανάλυση για τη βελτιστοποίηση των κλινικών πρωτοκόλλων που εφαρμόζονται στην κλινική πράξη σε δυο βασικούς άξονες. Σε επίπεδο προσομοιώσεων γίνεται προσπάθεια για τη βελτιστοποίηση: διαγνωστικών / απεικονιστικών τεχνικών και δοσιμετρικών / θεραπευτικών προσεγγίσεων. Πιο αναλυτικά οι δυο άξονες που μελετήθηκαν παρατίθενται στα κεφάλαια 2 και 3 αντίστοιχα. Στο 2ο κεφάλαιο αρχικά παρατίθενται οι περιγραφές και τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης των απεικονιστικών συστημάτων που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή. Στη συνέχεια γίνεται αναλυτική περιγραφή και συγκριτική μελέτη για τη ρεαλιστική μοντελοποίηση της ετερογένειας καρκινικών όγκων σε προσομοιώσεις PET, οι οποίες βασίζονται σε πραγματικά κλινικά δεδομένα. Τέλος, παρατίθεται η περιγραφή μιας συνολικής βάσης προσομοιωμένων δεδομένων που συμπεριλαμβάνει φυσιολογικά, καθώς και δεδομένα με ασθένειες απεικονίσεων PET/SPECT τόσο σε προκλινικό όσο και σε κλινικό επίπεδο. Στο 3ο κεφάλαιο αρχικά πραγματοποιείται, για πρώτη φορά, ο υπολογισμός των DPKs σε τρία διαφορετικά μέσα (μαλακός ιστός / νερό, πνεύμονας, οστό) για μία λίστα 13 ραδιοϊσοτόπων που χρησιμοποιούνται στην Πυρηνική Ιατρική. Ο υπολογισμός των DPKs πραγματοποιήθηκε με το πρόγραμμα προσομοιώσεων GATE, το οποίο και πιστοποιήθηκε σε επίπεδο δοσιμετρίας φάσματος καθώς και μονοενεργειακών i) φωτονίων (γ), ii) ηλεκτρονίων (e-) και iii) σωματιδίων β. Στη συνέχεια, έγινε μελέτη για την εξαγωγή των S-values σε προκλινικό επίπεδο, όπου και πραγματοποιήθηκε συγκριτική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων μας με τη βιβλιογραφία. Παράλληλα εξήχθησαν S-values με συγκεκριμένες βιοκατανομές για τον ακριβή υπολογισμό της απορροφούμενης δόσης ανά όργανο κατά την απεικόνιση μυών με SPECT και ΡΕΤ. Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με το πέρασμα από το προκλινικό στο κλινικό επίπεδο, καθορίζοντας τη διαδικασία υπολογισμού των S-values για παιδιατρικές εφαρμογές κάνοντας χρήση κλινικών απεικονιστικών δεδομένων. Στη συγκεκριμένη παράγραφο γίνεται παράθεση των αρχικών αποτελεσμάτων που υπολογίστηκαν σε παιδιατρικά ομοιώματα. Η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με τη συζήτηση και την ανάλυση των αποτελεσμάτων στο 4ο και τελευταίο κεφάλαιο, όπου και παρατίθενται εφαρμογές και μελλοντικά βήματα που κρίνεται αναγκαίο να πραγματοποιηθούν για την περαιτέρω βελτιστοποίηση των πρωτοκόλλων Πυρηνικής Ιατρικής στην κλινική πράξη.