Modelado y desarrollo de un sistema de cálculo integrado para aplicaciones en medicina nuclear

Abstract

En la actualidad, la dosimetría en medicina nuclear se realiza utilizando técnicas convencionales a través de cálculos sobre fantomas virtuales estandarizados. Para de- terminar la evolución temporal de la distribución de actividad en regiones de interés, el físico médico utiliza imágenes planares, obtenidas comúnmente de una Cámara Gamma, tomadas a diferentes intervalos de tiempo. Por medio de protocolos inter- nacionales, una vez establecida la actividad sobre los órganos de interés, softwares especializados realizan los cálculos de dosis depositada a nivel de órgano por medio de métodos analíticos o tablas de datos para fantomas estándar. Los valores obte- nidos pueden ser oportunamente mejorados por medio de factores de corrección que dependen de las características del paciente. Esta aproximación al problema suele comprender errores porcentuales del orden de las decenas. Además, el procedimiento completo utilizado en dosimetría planar convencional involucra diferentes pasos que dependen del físico médico. Por esto, es deseable lograr el desarrollo de un sistema con capacidad de automatizar los pasos correspondientes con el objetivo de disminuir los errores debidos al usuario. Actualmente, se realizan grandes esfuerzos en la comunidad científica sobre la dosi- metría a nivel de vóxel con el objetivo de incluir esta resolución espacial en proce- dimientos cotidianos de dosimetría en medicina nuclear. Los nuevos equipamientos y técnicas de imaging dual como PET-CT y SPECT-CT resuelven el problema de la corregistración y la visualización y procesamiento de la distribución de actividad y su relación con la anatomía de forma tridimensional. Esta tesis se focaliza en el desarrollo de un sistema integral capaz de estimar la dosis depositada por radionucleidos a nivel de vóxel utilizando imágenes 3D del paciente. E incluye el procedimiento completo desde el procesamiento de la información anatómica y metabólica, el cálculo dosi- métrico, el análisis y procesamiento de los resultados y los correspondientes modelos teóricos que permiten el cálculo y las aproximaciones. El marco propuesto podría realizar dosimetría paciente-específico de forma realista en terapias modernas como aquellas que involucran marcadores con 177 Lu en péptidos y microesferas coloidales de 90 Y.

Nowadays, it is usually found that dosimetry in nuclear medicine is performed by using conventional techniques through calculations on standardized virtual phantoms. In the order to perform time-dependent activity distributions within the regions of interest, planar information is commonly employed by acquiring images at different times with Gamma Cammeras. Typical procedures for nuclear medicine dosimetry implement softwares that assess dose delivery at organ level by means of analytical calculations or tabulated data based on standarized virtual phantoms. Once absorbed dose values are obtained, it is possible to perform ad-hoc corrections including factors depending on patient characteristics. Accordingly, this type of approach might involve non negligible uncertainties, up to 10 or even more percentage errors. Moreover, it has to be pointed out that conventional planar dosimetry requires to perform successive steps which strongly depend on the user. Hence, in this scenario it might be desirable to formulate an extended theoretical background along with the development of an integrated system capable of automatizing all steps required in dosimetry calculations. Nowadays, there exist some investigations attempting to perform voxel level dosi- metry aimed to take advantage of the improved precision for daily procedures in nuclear medicine dosimetry. Modern facilities allow dual 3D imaging techniques li- ke PET-CT or SPECT-CT tending to solve some drawbacks like co-registration as well as activity and anatomy 3D visualization and processing. This thesis is focused mainly in developing robust theoretical modelling along with associated computation system capable of estimating the dose delivered by radionuclides at voxel level by means of improved approaches using 3D images over a specific patient representa- tion. The proposed framework might attain reliable patient-specific dosimetry for some modern therapy modalities like those involving 177 Lu markers in peptides and 90 Y colloidal microspheres. This thesis presents a complete overview starting with the development of theoretical approaches and including subsequent procedures for anatomic and metabolic information processing, dosimetry calculations along with further data analysis and visualization.