Application development for personalized dosimetry in pediatric examinations of nuclear medicine based on Monte Carlo simulations and the use of computational models

Abstract

The present thesis, entitled “Application development for personalized dosimetry in pediatric examinations of Nuclear Medicine based on Monte Carlo simulations and the use of computational models”, aims to develop and certify innovative personalized dosimetry tools in pediatric nuclear medicine examinations (SPECT, PET, multimodal SPECT/PET/CT), as well as to optimize therapeutic approaches, using Monte Carlo simulations with high resolution computational anthropomorphic phantoms, enriched with personalized anatomical information of each patient. First, an extensive literature research was performed for the dosimetry applications in preclinical and clinical pediatric medical procedures in Chapter 2. The literature investigation is continued in Chapter 3 with the most indicative applications of: 1) Monte Carlo simulations for estimation of pediatric dosimetry, 2) small animal computational phantoms, 3) pediatric computational phantoms, extensively used for medical applications, and 4) Machine Learning techniques that are used for the assessment of individualized absorbed doses. As the use of radiopharmaceuticals in imaging and therapy is increasing, it becomes important to achieve a higher level of accuracy in internal dosimetry on small animal studies as well. In Chapter 4, first we validated our tools and methods by performing dosimetric calculations to create a small-animal database for nuclear medicine. Commonly used radiopharmaceuticals were examined / studied to define the absorbed dose rates for several organs of interest in preclinical studies. Furthermore, we extended the dosimetric calculations for common PET and SPECT exams, to specify the impact on the absorbed dose calculation by the size of each different organ. Then clinical applications in pediatric nuclear medicine were studied. We used the previous described methods for calculating the absorbed dose per organ that takes into account the specific anatomy of each patient and calculates the “Specific Absorbed Dose Rates” (SADRs) for each organ, according to the specified biodistribution of each radiopharmaceutical. Moreover, as the Computed Τomography (CT) scanners have now been integrated into multi-modality PET/CT and SPECT/CT devices, their impact on radiation exposure, especially in pediatric applications has dramatically increased. In order to quantify this impact, dosimetry simulations and calculations were performed, including updated pediatric protocols of head, chest and abdomen/pelvis exams. When anatomical difference is observed, the difference in the absorbed dose per organ for each body type is reported. The goal of this Ph.D. thesis was a) to create a dosimetry database that contains simulated pediatric data produced by Nuclear Medicine and CT acquisitions, and b) to match any new pediatric patient to the “best” fitted anatomical model of the database according to the characteristics of its internal organs. This method results to a more accurate organ dose assessment.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Ανάπτυξη εφαρμογής για προσωποποιημένη δοσιμετρία σε παιδιατρικές εξετάσεις Πυρηνικής Ιατρικής βασισμένη σε προσομοιώσεις Monte Carlo και τη χρήση υπολογιστικών ομοιωμάτων» αποσκοπεί στην ανάπτυξη και πιστοποίηση καινοτόμων εργαλείων προσωποποιημένης δοσιμετρίας σε παιδιατρικές εξετάσεις πυρηνικής ιατρικής (SPECT, PET, και multimodal SPECT/PET/CT), καθώς και στη βελτιστοποίηση των θεραπευτικών προσεγγίσεων, χρησιμοποιώντας ανθρωπόμορφα υπολογιστικά ομοιώματα σε συνδυασμό με εξατομικευμένη ανατομική πληροφορία κάθε ασθενούς/εξεταζόμενου. Αρχικά, στο κεφάλαιο 2, πραγματοποιήθηκε εκτενής βιβλιογραφική έρευνα στις εφαρμογές δοσιμετρίας για προ-κλινικές και κλινικές παιδιατρικές ιατρικές διαδικασίες. Η έρευνα συνεχίζεται στο κεφάλαιο 3 με τις πιο ενδεικτικές εφαρμογές: 1) προσομοιώσεις Monte Carlo για την αξιολόγηση παιδιατρικής δοσιμετρίας, 2) υπολογιστικά μοντέλα μικρών ζώων, 3) παιδιατρικά υπολογιστικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται ευρέως σε ιατρικές εφαρμογές και 4) τεχνικές Machine Learning οι οποίες παρέχουν εναλλακτικές σύγχρονες μεθόδους για την εκτίμηση εξατομικευμένων απορροφούμενων δόσεων. Καθώς η χρήση των ραδιοφαρμάκων στην απεικόνιση και τη θεραπεία αυξάνεται, καθίσταται πολύ σημαντικό να επιτευχθεί υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας στην εσωτερική δοσιμετρία και στις μελέτες μικρών ζώων. Στο κεφάλαιο 4, αρχικά επικυρώσαμε τα εργαλεία και τις μεθόδους, και έπειτα πραγματοποιήσαμε δοσιμετρικούς υπολογισμούς για τη δημιουργία μιας βάσης δεδομένων μικρών ζώων σε εξετάσεις πυρηνικής ιατρικής. Χρησιμοποιήσαμε ευρέως διαδεδομένα ραδιοφάρμακα για να προσδιορίσουμε τους ρυθμούς απορροφούμενης δόσης για διάφορα όργανα ενδιαφέροντος σε προκλινικές μελέτες. Επιπλέον, επεκτείναμε τους δοσιμετρικούς υπολογισμούς για επιπλέον κοινές εξετάσεις ΡΕΤ και SPECT, έτσι ώστε να παρουσιάσουμε τον αντίκτυπο του μεγέθους ενός οργάνου στον υπολογισμό της απορροφούμενης δόσης. Στην συνέχεια μελετήσαμε παιδιατρικές κλινικές εφαρμογές πυρηνικής ιατρικής. Με βάση τις προηγούμενες επικυρωμένες μεθόδους για τον υπολογισμό απορροφούμενης δόσης ανά όργανο, οι οποίες λαμβάνουν υπόψη τη συγκεκριμένη ανατομία των ασθενών, υπολογίσαμε τους "ειδικούς ρυθμούς απορροφούμενης δόσης" (SADRs) για κάθε όργανο σύμφωνα με συγκεκριμένες βιοκατανομές παιδιατρικών ασθενών για διάφορα ραδιοφάρμακα. Οι υπολογιστικοί τομογράφοι (ΥΤ) έχουν πλέον ενσωματωθεί και σε πολυτροπικά συστήματα απεικόνισης πυρηνικής ιατρικής (multimodal PET/CT and SPECT/CT) και η επίδραση τους στην έκθεση ακτινοβολίας έχει αυξηθεί δραματικά, ειδικά σε παιδιατρικές εφαρμογές. Προκειμένου να ποσοτικοποιήσουμε την επίδραση αυτή, πραγματοποιήσαμε δοσιμετρικούς υπολογισμούς σε ανανεωμένα και ευρείας χρήσης παιδιατρικά πρωτοκόλλα εξετάσεων κεφαλής, στήθους και κοιλίας/πυέλου. Σημαντικές διαφορές αναφέρονται στις απορροφούμενες δόσεις ανά όργανο και ανά τύπο σώματος ασθενούς. Ο στόχος αυτής της διατριβής είναι η δημιουργία μιας προσωποποιημένης παιδιατρικής βάσης δεδομένων δοσιμετρίας για εφαρμογές Πυρηνικής Ιατρικής και Υπολογιστικής Τομογραφίας και στη συνέχεια η αντιστοίχιση κάθε νέου παιδιατρικού ασθενούς με το «καλύτερο» ανατομικό μοντέλο αυτής της βάσης δεδομένων σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά των εσωτερικών οργάνων του. Η βάση αυτή θα προσφέρει ακριβέστερη αξιολόγηση δόσης οργάνων σε σχέση με άλλες μεθόδους.