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



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


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


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


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)


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


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


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


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


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


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)


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


DVH (Gy) integrali - Tumore

0%

20%

40%

60%

80%

100%

15 20 25 30 35 40

dose (Gy)

% vo

lum

e


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


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

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S-Voxel dosimetry nelle applicazioni cliniche