Development and assessment of estimate methods for internal dosimetry using PET/CT
Authors:   , López Vilanova Natàlia 
Published: October 2023

The aim of this thesis was to assess and develop internal dose calculations methods in diagnostic and therapeutic nuclear medicine procedures to patients undergone PET/CT explorations. Towards this objective, the accuracy and precision of different classical methods commonly used to estimate internal dosimetry were investigated. Biodistribution studies were used in order to compare these methods. The main study aspects included region-of-interest (ROI) delineation methods, reconstruction algorithms, scatter correction and radiopharmaceutical's biokinetic. Optimization of internal dosimetry in this thesis was completed with the development of a Monte Carlo (MC) technique for estimating the patient-specific PET/CT dosimetry.

The development of a mathematical model using MC techniques allowed us to have a gold standard to which compare classical techniques and study the aspects discussed previously. It was observed that effective dose (ED) estimations were sensitive to whichever delineation ROI method was applied. Furthermore, it was perceived that the biokinetics of the radioligand also influences in the ED estimation. On the other hand, similar quantitative accuracy was found regarding image reconstruction (FBP and OSEM) and scatter correction methods studied (FSC and SSC). Analysis of the impact of inter- and intra-operator variability in dose estimations revealed higher reproducibility in 3D methods in comparison with 2D planar method. The last one, showed the highest interoperator variability, which implies an overestimation of the ED.

In this dissertation, specific routines were developed to be applied with the MC code PENELOPE/penEasy to perform individualized internal dosimetry estimations. Voxel-level absorbed dose maps which include self- and cross-irradiation doses were generated from the morphological and functional patient images. Further parameters such as cumulative organ dose, maximum and minimum voxel organ values, volume of the organ and dose-volume histograms of interest were reported. The model implemented was applied to a theoretical study using simulated PET images of a voxelized Zubal phantom. The results were benchmarked with the ones obtained using the OLINDA/EXM software. The comparison was in good agreement for those organs were both phantoms considered (Zubal and the reference one in OLINDA/EXM) were close.

Undoubtedly, the implementation of a patient-specific internal dosimetry method not only leads to an improvement in diagnostic examinations where the risk could be quantified, but also NM therapy could become more effective in terms that patients
receiving an optimal care.

L'objectiu d'aquesta tesi va ser avaluar i desenvolupar mètodes de càlcul de dosis interna en procediments de diagnòstic i terapèutics de medicina nuclear per a pacients sotmesos a exploracions PET / TC. Amb aquest objectiu, es va investigar l'exactitud i la precisió dels diferents mètodes clàssics utilitzats habitualment per estimar la dosimetria interna. Es van utilitzar estudis de biodistribució per comparar aquests mètodes. Els principals aspectes d'estudi incloïen mètodes de delimitació de la regió d'interès (ROI), algoritmes de reconstrucció, correcció de dispersió i biocinètiques de radiofàrmacs. L'optimització de la dosimetria interna en aquesta tesi es va completar amb el desenvolupament d'una tècnica de Monte Carlo (MC) per a estimar la dosimetria PET / TC específica del pacient. El desenvolupament d'un model matemàtic amb tècniques de MC ens va permetre tenir una referència amb la que comparar les tècniques clàssiques i estudiar els aspectes descrits anteriorment. Es va observar que les estimacions de la dosi efectiva (DE) eren sensibles a qualsevol mètode de delimitació de la ROI aplicada. A més a més, es va percebre que la biocinètica del radiolligand també influeix en l'estimació de la DE. D'altra banda, es va trobar una exactitud quantitativament similar pel que fa a la reconstrucció d'imatges (FBP i OSEM) i els mètodes de correcció de dispersió estudiats (FSC i SSC). L'anàlisi de l'impacte de la variabilitat entre operadors i intra-operadors en les estimacions de dosis va mostrar una major reproductibilitat en els mètodes 3D en comparació amb el mètode planar 2D. Aquest últim, va mostrar la màxima variabilitat entre operadors, la qual cosa implica una sobreestimació de la DE. En aquesta tesi, es van desenvolupar rutines específiques per aplicar-les amb el codi MC PENELOPE / penEasy per a realitzar estimacions de dosimetria interna individualitzades. Es van generar mapes de dosis absorbida a nivell de voxel que incloïen dosis d? autoirradiació i irradiació creuada a partir de les imatges morfològiques i funcionals del pacient. Es van reportar altres paràmetres d?interès com la dosi d'òrgan acumulada, els valors màxims i mínims de l'òrgan i del vòxel, el volum de l'òrgan i els histogrames de dosi-volum. El model implementat es va aplicar a un estudi teòric mitjançant imatges simulades de PET d'un maniquí de Zubal voxelitzat. Els resultats es van comparar amb els obtinguts mitjançant el programa OLINDA / EXM. Es va observar un bon acord per a aquells òrgans semblants entre el maniquí de Zubal i el maniquí de referència del software OLINDA/EXM. Sens dubte, la implementació d'un mètode de dosimetria interna específic per al pacient no només condueix a una millora en les exploracions de diagnòstic on es pot quantificar el risc d?irradiació, sinó que la teràpia amb medicina nuclear podria ser més eficaç en termes que els pacients rebin un tractament òptim.