S-Voxel dosimetry nelle applicazioni cliniche
Transcript of S-Voxel dosimetry nelle applicazioni cliniche
S-Voxel dosimetry nelle
applicazioni cliniche
quando ?
quali informazioni ?
come usarle ?
limiti ?
Attività uniformemente distribuita
Attività disuniforme
Qual è la representatività della dose media ?
Voxel dosimetry: quando ?
Dose
pro
file
(Gy)
Tumour edge
10
20
30
40
50
60
0 0.5 1
90Y 177Lu
mean dose
(cm)
Botta F et al. EJNMMI 2008, 35(2):S201
→ influenzata dalla distribuzione dell’attività
→ radionuclide dipendente
Hp: uniform activities in spheres for equal
mean doses
attività uniforme…dose uniforme?
> UNIFORMITA’ all’interno dentro: dose ≈ dose media
177Lu
90Y > dose al centro bordo: dose < dose media
90Y vs. 177Lu: diverso contributo da cross-fire
→ influenzata dalla geometria
il caso più semplice: SFERA
R=0.62 cm - 131I
1,0E+00
5,0E+04
1,0E+05
1,5E+05
2,0E+05
2,5E+05
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
raggio (cm)
dose
(eV
/g)
R=0.62 cm - 90Y
1,0E+00
2,0E+05
4,0E+05
6,0E+05
8,0E+05
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
raggio (cm)
dos
e (e
V/
g)
mean dose inside the cavity (OLINDA, sphere model) sphere edge
Absorbed dose profile for 131I and 90Y from the sphere centre
voxel dosimetry quando:
→ Attività uniformemente distribuita, a volte
→ Attività disuniforme, sempre
non sempre la dose media è rappresentativa …
in linea di principio in entrambi i casi potrebbe essere utile
disporre della mappa di dose
noi…
Radiofarmaci: distribuzione sistemica e locoregionale
177Lu-DOTATATE
Radioimmunoterapia Zevalin
177Lu-DOTATATE
Trattamenti locoregionali intracranici
SIRT
calibrazione indiretta
conteggi totali immagine/regione = Attività somministrata
mappa cnts% ≡ mappa A%
IART - Intra-Operative Avidination for Radionuclide Therapy
Istituto Europeo di Oncologia, Milano
3D-Dosimetry and radiobiological evaluations in early breast cancer patients undergoing Intraoperative-Avidination-for-Radionuclide-therapy (IART®)
Ferrari M, et al. JNM, suppl 2011- SNM congress 2011
Anticipated boost with 90Y-biotin irradiating the residual mammary gland immediately after surgery:
Shortened External Beam Radiation Therapy (EBRT)
1 h 4 h 20 h 40 h
* is desired irradiation to the target (effect) attainable?
* safety with respect to normal tissues?
Dosimetry in IART
Istituto Europeo di Oncologia, Milano
Accurate dosimetry in IART® is necessary to tailor the subsequent EBRT (# fractions, Gy/fraction) to properly
complete the therapy
“standard” dosimetry:
* Number of disintegrations (ND) sequential planar images * Assumptions spherical shape & uniform distribution
* Sphere S-factors (OLINDA)
AVERAGE DOSE in the target
∑ ←⋅=i
i0
)sourceS(targetNDA
(target)D
iso 50% → target area (surgical bed)
iso 30% → target + surrounding area
iso 10% → whole area involved
“Voxel” dosimetry di un caso IART
Dalle immagini 2D whole-body…
1) determinazione di ND totale nella regione di interesse
t (h) A %6 10.4
10 11.012 11.214 11.220 11.0
25 10.7
30 10.3
T1/2 fis= 64.2 h,
λfis= 0.011 h-1
90Y
isoroi 10%
curva biologica nella zona di interesse “iso10%” →
“Voxel” dosimetry di un caso IART
= 6.98 h
curva biologica attività- tempo biologica
6
7
8
9
10
11
12
0 10 20 30 40 50 60
t (h)
A%
12.7%
(0.017+0.011)
6.7%
(0.222+0.011) = +
ND10 = numero totale di disintegrazioni per unità di attività somministrata che avvengono entro la zona “isoROI10%”
1) determinazione di ND totale nella regione di interesse
fit: A% (t) =A1*exp(-a1⋅t)- A2*exp(-a2⋅t) A1 = 12.7 % a1= 0.017 h-1
A2 = 6.7 % a2 = 0.222 h-1
λfis = 0.011 h-1
ND10 (h) = τ10
immagine SPECT: mappa cnts ↓
mappa A%
↓ mappa ND
matrice: 64 x../ 128…/256…
2) determinazione di NDvoxel h
ND10 = 6.98 h → Questi ND si distribuiranno spazialmente in ÷ alla distribuzione di attività
iso10%
NDvoxel i = = A % voxel i × ND10
cnts voxel i
cnts tot iso10%
× ND10
Matlab: immagine → matrice
• isolare la matrice iso10% (maschera)
• sommare i cnts entro iso10%
• normalizzare iso10% vs. cnts tot = matrice A%voxel,i (cnts %)
• moltiplicare la matrice A% x ND10
3) determinazione dei fattori S-voxel
Dimensioni del voxel: 0.442 3 cm3
90Y: range massimo β- : 1.12 cm → corrispondente al più a 3 voxel
matrice dei fattori S (simulazione MC):
1 ottante di almeno (?) da 4 voxel, da copiare…
90Y: β- emettitore puro
• Costruire file matrice dei
fattori S.mat 0.882 1.324 cm
Matlab:
S_90Y_6x6_442.mat matrice S (Gy/GBq⋅s)
Per confronto: E media per disintegrazione / massavoxel
S = 1.73 (Gy/GBq s)
val(:,:,1)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 6 6.9E-01 9.7E-02 2.1E-03 3.1E-06 8E-07 5E-07 9.7E-02 2.5E-02 7.3E-04 1.8E-06 7E-07 4E-07 2.1E-03 7.3E-04 2.2E-05 1.0E-06 6E-07 4E-07 3.1E-06 1.8E-06 1.0E-06 7E-07 5E-07 3E-07 8E-07 7E-07 6E-07 5E-07 4E-07 3E-07 5E-07 4E-07 4E-07 3E-07 3E-07 2E-07
val(:,:,2)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 6 9.7E-02 2.5E-02 7.3E-04 1.8E-06 7E-07 4E-07 2.5E-02 7.8E-03 2.5E-04 1.3E-06 7E-07 4E-07 7.3E-04 2.5E-04 7.5E-06 9E-07 6E-07 4E-07 1.8E-06 1.3E-06 9E-07 6E-07 4E-07 3E-07 7E-07 7E-07 6E-07 4E-07 3E-07 3E-07 4E-07 4E-07 4E-07 3E-07 3E-07 2E-07
val(:,:,3)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 6 2.1E-03 7.3E-04 2.2E-05 1.0E-06 6E-07 4E-07 7.3E-04 2.5E-04 7.5E-06 9E-07 6E-07 4E-07 2.2E-05 7.5E-06 1.2E-06 7E-07 5E-07 3E-07 1.0E-06 9E-07 7E-07 5E-07 4E-07 3E-07 6E-07 6E-07 5E-07 4E-07 3E-07 2E-07 4E-07 4E-07 3E-07 3E-07 2E-07 2E-07
val(:,:,4)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 6 10 -5 x 3.1E-01 1.8E-01 1.0E-01 7E-02 5E-02 3E-02
1.8E-01 1.3E-01 9E-02 6E-02 4E-02 3E-02 1.0E-01 9E-02 7E-02 5E-02 4E-02 3E-02 7E-02 6E-02 5E-02 4E-02 3E-02 3E-02 5E-02 4E-02 4E-02 3E-02 3E-02 2E-02 3E-02 3E-02 3E-02 3E-02 2E-02 2E-02
val(:,:,5)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 6 10 -6 x 8E-01 7E-01 6E-01 5E-01 4E-01 3E-01
7E-01 7E-01 6E-01 4E-01 3E-01 3E-01 6E-01 6E-01 5E-01 4E-01 3E-01 2E-01 5E-01 4E-01 4E-01 3E-01 3E-01 2E-01 4E-01 3E-01 3E-01 3E-01 2E-01 2E-01 3E-01 3E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-01
val(:,:,6) Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 6 10 -6 x 5E-01 4E-01 4E-01 3E-01 3E-01 2E-01
4E-01 4E-01 4E-01 3E-01 3E-01 2E-01 4E-01 4E-01 3E-01 3E-01 2E-01 2E-01 3E-01 3E-01 3E-01 3E-01 2E-01 2E-01 3E-01 3E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-01 1E-01
Ci sono tanti valori ≈ 0
S_90Y_4x4_442.mat val(:,:,1)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 6
6.9E-01 9.7E-02 2.1E-03 3.1E-06 8E-07 5E-079.7E-02 2.5E-02 7.3E-04 1.8E-06 7E-07 4E-072.1E-03 7.3E-04 2.2E-05 1.0E-06 6E-07 4E-073.1E-06 1.8E-06 1.0E-06 7E-07 5E-07 3E-078E-07 7E-07 6E-07 5E-07 4E-07 3E-075E-07 4E-07 4E-07 3E-07 3E-07 2E-07
val(:,:,2)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 69.7E-02 2.5E-02 7.3E-04 1.8E-06 7E-07 4E-072.5E-02 7.8E-03 2.5E-04 1.3E-06 7E-07 4E-077.3E-04 2.5E-04 7.5E-06 9E-07 6E-07 4E-071.8E-06 1.3E-06 9E-07 6E-07 4E-07 3E-077E-07 7E-07 6E-07 4E-07 3E-07 3E-074E-07 4E-07 4E-07 3E-07 3E-07 2E-07
val(:,:,3)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 62.1E-03 7.3E-04 2.2E-05 1.0E-06 6E-07 4E-077.3E-04 2.5E-04 7.5E-06 9E-07 6E-07 4E-072.2E-05 7.5E-06 1.2E-06 7E-07 5E-07 3E-071.0E-06 9E-07 7E-07 5E-07 4E-07 3E-076E-07 6E-07 5E-07 4E-07 3E-07 2E-074E-07 4E-07 3E-07 3E-07 2E-07 2E-07
val(:,:,4)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 610-5 x 3.1E-01 1.8E-01 1.0E-01 7E-02 5E-02 3E-02
1.8E-01 1.3E-01 9E-02 6E-02 4E-02 3E-021.0E-01 9E-02 7E-02 5E-02 4E-02 3E-027E-02 6E-02 5E-02 4E-02 3E-02 3E-025E-02 4E-02 4E-02 3E-02 3E-02 2E-023E-02 3E-02 3E-02 3E-02 2E-02 2E-02
val(:,:,5)= Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 610-6 x 8E-01 7E-01 6E-01 5E-01 4E-01 3E-01
7E-01 7E-01 6E-01 4E-01 3E-01 3E-016E-01 6E-01 5E-01 4E-01 3E-01 2E-015E-01 4E-01 4E-01 3E-01 3E-01 2E-014E-01 3E-01 3E-01 3E-01 2E-01 2E-013E-01 3E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-01
val(:,:,6) Column 1 Column 2 Column 3 Column 4 Column 5 Column 610-6 x 5E-01 4E-01 4E-01 3E-01 3E-01 2E-01
4E-01 4E-01 4E-01 3E-01 3E-01 2E-014E-01 4E-01 3E-01 3E-01 2E-01 2E-013E-01 3E-01 3E-01 3E-01 2E-01 2E-013E-01 3E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-012E-01 2E-01 2E-01 2E-01 2E-01 1E-01
matrice S (Gy/GBq⋅s)
Σ × = i
i ← voxel k voxel S i voxel ND
A
k voxel D ) (
0
) ( [D/Ao] = [ND] ⊗ [S]
4) Matrice dose / attività somministrata
• convoluzione
• matrice delle dosi/attività
• (matrice dosi, valori medi fra voxel ecc)
• AVH (esportare)
• DVH (esportare)
• figure mappe attività, dosi…
Matlab:
Possibile ipotesi: assenza di trasporto di radiazione oltre il voxel tutta la radiazione emessa viene assorbita all’interno del voxel
S_90Y_1 voxel_442.mat
S = energia per disintegrazione / massa voxel
S = 1.729 (Gy/GBq s) voxel = 0.0864 cm3 → g
Emedia= 0.933 MeV
!!! Approssimazione grossolana !!!!
Vantaggio:
Errore ? Accuratezza dosimetrica ?
Niente più convoluzione, niente più calcoli complessi per i fattori S
4) Matrice dose / attività somministrata
4) Matrice dose / attività somministrata
Gy/GBq mappa 3D
Come usare queste informazioni ?
Occorre scegliere dei parametri rappresentativi, che comunque implicano una “perdita” (sunto) delle informazioni 3D…
5) AVH, DVH…
(“perdita”dell’informazione spaziale)
DVH (Gy) differenziali
1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9%
10%
0 5 10 15 20 25 30 35 40 dose (Gy)
% vo
lum
e
iso50
iso10
iso1050
DVH (Gy) integrali
20%
40%
60%
80%
100%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso50
iso10
iso1050
globale tumore
volume (cc) 1261 201 Dm,voxel (Gy) 11 (4-35) 22 (18-35)
BEDm,voxel (Gy) 12 (4-40) 23 (19-38)
peritum.
1060 8 (4-17) 9 (4-19)
iso10 iso50 iso1050
Dmedia → BEDmedia
Attività
uniformemente distribuita Distribuzione di Attività
(disuniformità)
DVH → BEDVH
che farne?
a questo punto…
ipotesi restrittiva
! ! !
globale tumore
Dmedia,voxel 11 (4-35) 22 (18-35)
BEDmedia,voxel 12 (4-40) 23 (19-38)
peritum.
8 (4-17)
9 (4-19)
(Gy)
11 21 9 Dmedia
globale tumore peritum. (Gy)
11 23 9 BEDmedia
Radio-Biological quantities able to take into account
the impact of dose distribution heterogeneity
EUBED (Equivalent Uniform BED) Uniform BED delivering the same biological efficacy as the non-uniform one
EUD (Equivalent Uniform Dose) Dmedia
BEDmedia
Standard
Dosimetry
Voxel Dosimetry
Dose (Gy)
BED (Gy)
20.1 ± 3.3
21.9 ± 3.4
23.1 ± 3.9
25.3 ± 4.0
+ 15%
Dose mean, voxels
BEDmean, voxels
EUD
EUBED
21.3 ± 3.5
23.1 ± 3.6
EUBED BED
EUD D
, ~ 0.9
Low heterogeneity
+ 5%
Confronto in un gruppo di pazienti - regione tumorale
A treatment plan from the combined 153Sm and EBRT designed to deliver a tumoricidal dose while delivering < 50 Gy of NTDsum to the spinal cord of a patient with a paraspinal tumor
somma mappe 3D
• impatto dei fattori S
quali fattori S scegliere ?
≠ codici MC, ≠ modelli di trasporto, ≠ diversi risultati ?
quanti voxel per la matrice S ?
Pacilio M, et al. Med Phys, 2009:
approssimazione S – self dose ?
Pacilio M, Lanconelli N, Lo MS, Betti M, Montani L, Torres AL, Coca PM.
dose calculations on spherical & elliptical masses (1 - 500 g), uniform activity of 90Y, 131I, 188Re
For radionuclide simulations, noticeable differences arose in voxel S values, especially in the bremsstrahlung tails, or when a high contribution from electrons with energy of less than 500 keV is involved. In particular, for 90Y the updated codes showed a remarkable divergence in the bremsstrahlung region up to about 90% in terms of voxel S values with respect to the EGS4 code.
≠ codici MC, ≠ modelli di trasporto, ≠ diversi risultati ?
variations were observed up to about 30%, for small source-target voxel distances, when low-energy electrons cover an important part of the emission spectrum of the radionuclide (e.g. 131I). For 90Y and 188Re, the differences among the various codes have a negligible impact within few % on…the absorbed dose; thus either one of the MC programs is suitable to produce voxel S values for radionuclide targeted therapy dosimetry.
However, if a low-energy beta-emitting radionuclide is considered, these differences can affect also dose depositions at small source-target voxel distances, leading to more conspicuous variations about 9% for 131I when calculating the absorbed dose in the volume of interest.
Voxel S values for Y-90, for a voxel size of 3 mm and 6 mm,
as a function of the source-target voxel distance, obtained by several MC codes
3 mm 6 mm
Pacilio M, et al.
Comparison of absorbed dose calculation for unit of cumulated activity, among several MC codes, for Y-90, 3 mm voxel side
spherical & ellitical masses (1-500 g)
Pacilio M, et al.
Comparison of absorbed dose calculation for unit of cumulated activity, among several MC codes, for I-131, 3 mm voxel side
spherical & ellitical masses (1-500 g)
Pacilio M, et al.
quanti voxel per la matrice S ?
90Y
131I
Vediamo un esempio per il nostro caso…
lato voxel: 4.42 mm
range β massimo: 3.3 mm…
vediamo l’eventuale influenza della componente γ
lato ottante da
6 voxel (1+5)
lato ottante da
4 voxel (1+3)
lato ottante da
2 voxel (1+1)
DVH (Gy) differenziali TUMORE - 6, 4, 2 voxel
0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%
10%
15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso50_2vox iso50_4vox iso50_6vox
DVH (Gy) differenziali INTERA REGIONE - 6, 4, 2 voxel
0%1%2%3%4%
5%6%7%8%
15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso10_2vox iso10_4vox iso10_6vox
DVH (Gy) integrali - TUMORE - 6, 4, 2 voxel
0%
20%
40%
60%
80%
100%
15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso50_2vox iso50_4vox iso50_6vox
DVH (Gy) integrali - INTERA REGIONE - 6, 4, 2 voxel
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso10_2vox iso10_4vox iso10_6vox
90Y
90Y
iso50 EUBED EUD
20.38 19.04
20.80 19.41
20.81 19.41
differenze entro 2%
iso10 EUBED EUD
7.07 6.89
7.18 7.00
7.18 7.00
iso50 D m,vox BED m,vox
20.4 (15.5-31.6) 22.0 (16.4-35.3)
20.8 (15.8.2-32.2) 21.5 (17.0-34.7)
20.8 (15.8-32.2) 22.4 (16.7-36.0)
iso10 D m,vox BED m,vox
10.2 (1.4-31.6) 10.7 (1.4-35.3)
10.4 (1.4-32.2) 10.9 (1.4-36.0)
10.4 (1.4-32.2) 10.9 (1.4-36.0)
differenze entro 2%
2 vox
4 vox
6 vox
2 vox
4 vox
6 vox
DVH (Gy) differenziali TUMORE - 6, 4, 2 voxel
0%1%2%3%4%5%6%7%8%9%
10%
15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso50_2vox iso50_4vox iso50_6vox
DVH (Gy) differenziali INTERA REGIONE - 6, 4, 2 voxel
0%
2%
4%
6%
8%
10%
15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso10_2vox iso10_4vox iso10_6vox
DVH (Gy) integrali - TUMORE - 6, 4, 2 voxel
0.0%
0.1%
1.0%
10.0%
100.0%15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso50_2vox iso50_4vox iso50_6vox
DVH (Gy) integrali - INTERA REGIONE - 6, 4, 2 voxel
0.0%
0.1%
1.0%
10.0%
100.0%0 5 10 15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso10_2vox iso10_4vox iso10_6vox
131I
131I
iso50 EUBED EUD
20.74 19.36
20.79 19.40
20.85 19.45
differenze entro 1%
iso10 EUBED EUD
7.36 7.17
7.37 7.18
7.44 7.25
iso50 D m,vox BED m,vox
20.8 (16.4-32.9) 22.4 (17.4-36.9)
20.8 (16.2-32.6) 21.5 (17.4-35.0)
20.8 (16.0-32.3) 22.4 (17.0-36.1)
iso10 D m,vox BED m,vox
10.4 (2.9-33.0) 10.9 (2.9-37.0)
10.4 (2.7-32.5) 10.9 (2.8-36.4)
10.4 (2.6-31.8) 10.9 (2.7-35.5)
differenze entro 1%
2 vox
4 vox
6 vox
2 vox
4 vox
6 vox
Comodità!
→ isotopo e dimensione del voxel
Non c’è, ad oggi, uno studio dedicato…
La risposta potrebbe non essere univoca
L’impatto sulla dose
dipende da
Accuratezza ?
→ distribuzione dell’attività
→ caratteristiche / qualità dell’immagine !!!
approssimazione S–self dose ?
QUALITA’ DELLE IMMAGINI INPUT ??
DA APPROFONDIRE, PER TUTTI I 3 METODI
La risoluzione spaziale delle immagini è tipicamente superiore alle dimensioni del voxel
E’ necessario indagare accuratamente l’impatto di: isotopo metodo di ricostruzione dell’immagine correzioni apportate all’immagine
DVH (Gy) differenziali - Tumore
0%1%2%
3%4%5%6%7%
8%9%
10%
15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso50_Ssito iso50_Sself iso50_Spenel
DVH (Gy) differenziali - intera regione
0%1%
2%3%4%5%
6%7%8%
9%10%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso10_Ssito iso10_Sself iso10_Spenel
DVH (Gy) integrali - Tumore
0%
20%
40%
60%
80%
100%
15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso50_Ssito iso50_Sself iso50_Spenel
DVH (Gy) integrali - intera regione
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0 5 10 15 20 25 30 35 40
dose (Gy)
% vo
lum
e
iso10_Ssito iso10_Sself iso10_Spenel
Confronto fra diversi fattori S nel nostro esempio…
iso50 EUBED EUD EUBED/BEDm,vox EUD/Dm,vox S penelope 22.25 20.67 0.92 0.93
Self-S 21.99 20.45 0.96 0.93 S sito 20.81 19.41 0.93 0.93
Penel/Self 1.01 1.01 0.96 1.00 Penel/Sito 1.07 1.06 1.00 1.00 Self/Ssito 1.06 1.05 1.03 0.99
iso10 EUBED EUD EUBED/BEDm,vox EUD/Dm,vox
S penelope 7.53 7.33 0.64 0.66 Self-S 7.74 7.53 0.67 0.68 S sito 7.18 7.00 0.66 0.67
Penel/Self 0.97 0.97 0.96 0.96 Penel/Sito 1.05 1.05 0.98 0.98 Self/Ssito 1.08 1.08 1.02 1.02
Nel caso IART che avevamo studiato…
bisognerebbe vedere l’impatto in altri casi…
grazie