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Dosimétrie 3D en radiothérapie vectorisée à l’aide de facteurs S à l’échelle du voxel.
Thésard: DIEUDONNE Arnaud
(Contact)
Lieu de la thèse:
Laboratoire LITIS, Université de Rouen
Laboratoire LITIS, Université de Rouen
Soutenance: le 12/05/2008
à CRLCC Henri Becquerel de Rouen
Mots clés (FR): radiothérapie vectorisée, dosimétrie, facteur S-voxel, quantification TEMP
Résumé (FR):
La radiothérapie vectorisée est un domaine en plein essor dans le traitement des cancers, notamment avec le développement des vecteurs basés sur des anticorps. Le développement de ces nouveaux traitements, que l’on appelle radio-immuno-thérapie, nécessite la réalisation d’études dosimétriques afin d’évaluer l’efficacité et/ou la toxicité des traitements de manière quantitative, par l’évaluation de la dose absorbée.
Le but de nos travaux était de développer une méthodologie de calcul de dose absorbée en radiothérapie vectorisée, applicable en clinique, à partir de données de biodistribution 3D de la radioactivité par Tomographie d’Emission Mono-Photonique (TEMP) et d’un calcul du dépôt d’énergie. La première application de notre méthodologie a été le traitement du Lymphome Non-Hodgkinien (LNH) par ibritumomab tiuxetan marqué à l’yttrium (Y90). Nous avons cherché à optimiser à chaque étape la méthodologie, et à l’implémenter sous forme d’outil informatique grâce à la plateforme de traitement d’images ImageJ.
Les régions d’intérêt (ROI) ont été définies sur les données TDM, à l’aide d’un algorithme de segmentation, basé sur les fonctions de croyance, développé au sein de notre laboratoire (thèse Peng Zhang). Cet algorithme a été adapté à notre problématique et comparé à la segmentation manuelle par la definition des ROI des poumons, du foie, de la rate et des reins, chez 10 patients. Cette comparaison a montré une différence moyenne sur le volume de l’ordre de 6% et un indice de concordance de 0,90.
Le calcul des données de biodistribution repose sur la modélisation de la biocinétique du vecteur. Ce calcul permet d’estimer le nombre de désintégrations radioactives ayant eu lieu au sein d’une source. Deux étapes sont nécessaires, la quantification et l’a justement du modèle de biocinétique sur les données quantitatives. La méthodologie de quantification que nous avons développée s’appuie sur les travaux menés au sein de notre laboratoire (thèse Karine Assié) pour la quantification TEMP de l’indium 111 (In111), à visée de dosimétrie de l’Y90-ibritumomab tiuxetan. L’111 In, émetteur gamma, étant utilisé pour évaluer la biodistribution d’Y90, émetteur beta pur. En particulier, nous avons mis en évidence la supériorité de la méthode de correction de l’effet de volume partiel (EVP) de Rousset par rapport à la méthode des coefficients de recouvrements. Notre méthodologie permet de corriger les données TEMP des biais altérant l’acquisition (diffusion, atténuation, EVP) et de les reconstruire, avec une précision sur la quantification de 10%. Une fois la quantification réalisée, l’outil d’a justement du modèle de biocinétique que nous avons développé, permet d’appliquer un des trois modèles mono, bi ou tri-exponentiels sur les données tomoscintigraphiques et de calculer le nombre de désintégrations ayant eu lieu au cours du traitement.
Le calcul du dépôt d’énergie permet à partir du nombre de désintégrations, de déterminer la dose absorbée. Nous avons, pour cette étape, opté pour une application du schéma du comité du MIRD (Medical Internal Radiation Dose) à l’échelle du voxel (pamphlet no 17 ). Nous avons développé une méthodologie permettant un calcul des facteurs S pour toute taille et forme de voxel, basé sur des facteurs à échantillonnage fin, avec une densité de tissu de 1,04 g.cm−3 . Les facteurs S ainsi calculés sont utilisés pour le calcul de dose, avec un temps de calcul très inférieur aux méthodes Monte Carlo, tout en ayant
des résultats très proches sur la dose absorbée (écarts <1% pour les cas testés). Les facteurs S ont été calculées à un échantillonnage fin, par simulation Monte Carlo, pour les radionucléides suivants : F18, Y90, Tc99m, In111, Lu177, I123, I131, Re186 et Tl201.
Les différents outils de notre méthodologie permettent un calcul de la dose absorbée lors d’un traitement par radiothérapie vectorisée, avec des temps de traitement compatibles avec les contraintes cliniques.
Les différentes sources d’erreurs de chaque étape devront être étudiées afin d’en évaluer l’impact sur le calcul final de la dose. Des développements sont nécessaires afin d’automatiser au maximum les outils et d’avoir une interface utilisateur conviviale en vue d’une distribution future. L’étape de calcul du dépôt d’énergie sera mise à disposition par l’intermédiaire du comité du MIRD, sous forme de logiciel.
La radiothérapie vectorisée est un domaine en plein essor dans le traitement des cancers, notamment avec le développement des vecteurs basés sur des anticorps. Le développement de ces nouveaux traitements, que l’on appelle radio-immuno-thérapie, nécessite la réalisation d’études dosimétriques afin d’évaluer l’efficacité et/ou la toxicité des traitements de manière quantitative, par l’évaluation de la dose absorbée.
Le but de nos travaux était de développer une méthodologie de calcul de dose absorbée en radiothérapie vectorisée, applicable en clinique, à partir de données de biodistribution 3D de la radioactivité par Tomographie d’Emission Mono-Photonique (TEMP) et d’un calcul du dépôt d’énergie. La première application de notre méthodologie a été le traitement du Lymphome Non-Hodgkinien (LNH) par ibritumomab tiuxetan marqué à l’yttrium (Y90). Nous avons cherché à optimiser à chaque étape la méthodologie, et à l’implémenter sous forme d’outil informatique grâce à la plateforme de traitement d’images ImageJ.
Les régions d’intérêt (ROI) ont été définies sur les données TDM, à l’aide d’un algorithme de segmentation, basé sur les fonctions de croyance, développé au sein de notre laboratoire (thèse Peng Zhang). Cet algorithme a été adapté à notre problématique et comparé à la segmentation manuelle par la definition des ROI des poumons, du foie, de la rate et des reins, chez 10 patients. Cette comparaison a montré une différence moyenne sur le volume de l’ordre de 6% et un indice de concordance de 0,90.
Le calcul des données de biodistribution repose sur la modélisation de la biocinétique du vecteur. Ce calcul permet d’estimer le nombre de désintégrations radioactives ayant eu lieu au sein d’une source. Deux étapes sont nécessaires, la quantification et l’a justement du modèle de biocinétique sur les données quantitatives. La méthodologie de quantification que nous avons développée s’appuie sur les travaux menés au sein de notre laboratoire (thèse Karine Assié) pour la quantification TEMP de l’indium 111 (In111), à visée de dosimétrie de l’Y90-ibritumomab tiuxetan. L’111 In, émetteur gamma, étant utilisé pour évaluer la biodistribution d’Y90, émetteur beta pur. En particulier, nous avons mis en évidence la supériorité de la méthode de correction de l’effet de volume partiel (EVP) de Rousset par rapport à la méthode des coefficients de recouvrements. Notre méthodologie permet de corriger les données TEMP des biais altérant l’acquisition (diffusion, atténuation, EVP) et de les reconstruire, avec une précision sur la quantification de 10%. Une fois la quantification réalisée, l’outil d’a justement du modèle de biocinétique que nous avons développé, permet d’appliquer un des trois modèles mono, bi ou tri-exponentiels sur les données tomoscintigraphiques et de calculer le nombre de désintégrations ayant eu lieu au cours du traitement.
Le calcul du dépôt d’énergie permet à partir du nombre de désintégrations, de déterminer la dose absorbée. Nous avons, pour cette étape, opté pour une application du schéma du comité du MIRD (Medical Internal Radiation Dose) à l’échelle du voxel (pamphlet no 17 ). Nous avons développé une méthodologie permettant un calcul des facteurs S pour toute taille et forme de voxel, basé sur des facteurs à échantillonnage fin, avec une densité de tissu de 1,04 g.cm−3 . Les facteurs S ainsi calculés sont utilisés pour le calcul de dose, avec un temps de calcul très inférieur aux méthodes Monte Carlo, tout en ayant
des résultats très proches sur la dose absorbée (écarts <1% pour les cas testés). Les facteurs S ont été calculées à un échantillonnage fin, par simulation Monte Carlo, pour les radionucléides suivants : F18, Y90, Tc99m, In111, Lu177, I123, I131, Re186 et Tl201.
Les différents outils de notre méthodologie permettent un calcul de la dose absorbée lors d’un traitement par radiothérapie vectorisée, avec des temps de traitement compatibles avec les contraintes cliniques.
Les différentes sources d’erreurs de chaque étape devront être étudiées afin d’en évaluer l’impact sur le calcul final de la dose. Des développements sont nécessaires afin d’automatiser au maximum les outils et d’avoir une interface utilisateur conviviale en vue d’une distribution future. L’étape de calcul du dépôt d’énergie sera mise à disposition par l’intermédiaire du comité du MIRD, sous forme de logiciel.
Titre (UK): 3D dosimetry for targeted radiotherapy using S-values at the voxel level.
Mots clés (UK): targeted radiotherapy, dosimetry, voxel S-value, SPECT quantitation
Résumé (UK):
Targeted radiotherapy is an evolving modality in the treatment of cancer, particularly with the development of anti-body vectors. The development of the these new treatments, called radio-immuno-therapy, requires performing dosimetric studies in order to quantitatively evaluate the efficiency and/or the toxicity of these treatments, with the assessment of the absorbed dose.
The aim of our work was to develop a methodology to assess the absorbed dose for targeted radiotherapy, in a clinical environment, based on 3D biodistribution of radioactivity acquired by Single Photon Emission Computerized Tomography (SPECT) and an energy deposition calculation at the voxel level. The first application of our methodology was the treatment of Non-Hogkin Lymphoma (NHL) by yttrium 90 (Y90) labelled ibritumomab tiuxetan. Each step of the methodology has been optimized and implemented, as plugins of the imaging software ImageJ.
The regions of interest (ROI) were defined on the CT data, by an algorithm based on the belief functions, developed in our laboratory (Peng Zhang PhD thesis). This algorithm has been adapted to our case and compared to manual segmentation by defining ROI on lungs, liver, spleen and kidneys of 10 patients. This comparison showed an average difference of 6% on the volume and an overlap index of 0.90.
The calculation of biodistribution data is based on the vector biokinetic modeling. This calculation allows assessing the number of radioactive disintegrations that occurred within the source. This calculation is done in two steps : the quantitation and the fit of the biokinetic model on the quantitative data. The quantitation process that we developed is based on the previous work done in our laboratory (Karine Assié PhD thesis) on indium 111 (In111) SPECT quantitation, to the aim of Y90-ibritumomab tiuxetan dosimetry. The In111, a gamma emitter, is used to evaluate the biodistribution of the Y90, which is a pure beta emitter. We showed particularly the advantages of the partial volume effect (PVE) correction of Rousset compared to the recovery coefficients method. Our methodology allows compensating the effects degrading the SPECT data (scattering, attenuation, PVE) and performing tomographic reconstruction, achieving an error of ±10% on quantitation. Once the quantitation is performed, the fitting tool of the biokinetic model, allows fitting one of the three models mono, bi and tri-exponential on the SPECT data and calculating the number of disintegrations that occurred during the treatment. The calculation of the energy deposition allows calculating the absorbed dose from the number of disintegration. We choose to apply the MIRD (Medical Internal Radiation Dose) at the voxel level (pamphlet no 17). A method has been developed allowing calculating S-values for any voxel size and shape based on S-values at fine sampling, with a density of 1,04 g.cm−3 . These S-values are then used for dose calculation with a calculation time far below Monte Carlo methods, with very closed results on the absorbed dose (differences <1% for simple cases). S-values were calculated by Monte Carlo simulations at a fine sampling for these radionuclides : F18, Y90, Tc99m, In111, Lu177, I123, I131, Re186 et Tl201.
The tools of our methodology allows assessing the absorbed dose during a targeted radiotherapy treatment, with a reasonable computation time for clinical practice. The different sources of error of each step will have to be estimated to evaluate their impact on the final dose calculation. Developments are necessary to automate the tools and to have a graphical user interface (GUI) in sight of a future distribution. The energy deposition calculation will be distributed through the MIRD committee as an independent software.
Targeted radiotherapy is an evolving modality in the treatment of cancer, particularly with the development of anti-body vectors. The development of the these new treatments, called radio-immuno-therapy, requires performing dosimetric studies in order to quantitatively evaluate the efficiency and/or the toxicity of these treatments, with the assessment of the absorbed dose.
The aim of our work was to develop a methodology to assess the absorbed dose for targeted radiotherapy, in a clinical environment, based on 3D biodistribution of radioactivity acquired by Single Photon Emission Computerized Tomography (SPECT) and an energy deposition calculation at the voxel level. The first application of our methodology was the treatment of Non-Hogkin Lymphoma (NHL) by yttrium 90 (Y90) labelled ibritumomab tiuxetan. Each step of the methodology has been optimized and implemented, as plugins of the imaging software ImageJ.
The regions of interest (ROI) were defined on the CT data, by an algorithm based on the belief functions, developed in our laboratory (Peng Zhang PhD thesis). This algorithm has been adapted to our case and compared to manual segmentation by defining ROI on lungs, liver, spleen and kidneys of 10 patients. This comparison showed an average difference of 6% on the volume and an overlap index of 0.90.
The calculation of biodistribution data is based on the vector biokinetic modeling. This calculation allows assessing the number of radioactive disintegrations that occurred within the source. This calculation is done in two steps : the quantitation and the fit of the biokinetic model on the quantitative data. The quantitation process that we developed is based on the previous work done in our laboratory (Karine Assié PhD thesis) on indium 111 (In111) SPECT quantitation, to the aim of Y90-ibritumomab tiuxetan dosimetry. The In111, a gamma emitter, is used to evaluate the biodistribution of the Y90, which is a pure beta emitter. We showed particularly the advantages of the partial volume effect (PVE) correction of Rousset compared to the recovery coefficients method. Our methodology allows compensating the effects degrading the SPECT data (scattering, attenuation, PVE) and performing tomographic reconstruction, achieving an error of ±10% on quantitation. Once the quantitation is performed, the fitting tool of the biokinetic model, allows fitting one of the three models mono, bi and tri-exponential on the SPECT data and calculating the number of disintegrations that occurred during the treatment. The calculation of the energy deposition allows calculating the absorbed dose from the number of disintegration. We choose to apply the MIRD (Medical Internal Radiation Dose) at the voxel level (pamphlet no 17). A method has been developed allowing calculating S-values for any voxel size and shape based on S-values at fine sampling, with a density of 1,04 g.cm−3 . These S-values are then used for dose calculation with a calculation time far below Monte Carlo methods, with very closed results on the absorbed dose (differences <1% for simple cases). S-values were calculated by Monte Carlo simulations at a fine sampling for these radionuclides : F18, Y90, Tc99m, In111, Lu177, I123, I131, Re186 et Tl201.
The tools of our methodology allows assessing the absorbed dose during a targeted radiotherapy treatment, with a reasonable computation time for clinical practice. The different sources of error of each step will have to be estimated to evaluate their impact on the final dose calculation. Developments are necessary to automate the tools and to have a graphical user interface (GUI) in sight of a future distribution. The energy deposition calculation will be distributed through the MIRD committee as an independent software.
ajouté par un Visiteur Anonyme le 23/05/2008 consulté 1410 fois 