Grundlagen der patientenspezifischen Dosimetrie bei Radionuklidtherapien

Zusammenfassung

Eine Abwägung der Risiken einer nuklearmedizinischen Therapie setzt die patientenspezifische Kenntnis der Energiedosis in den kritischen Organen voraus, da der biologische Effekt unter anderem durch die absorbierte Dosis bestimmt wird. Zusätzlich müssen die möglicherweise inhomogene räumliche Verteilung der Nuklide, die zeitabhängigen Dosisraten und die Energien und Emissionswahrscheinlichkeiten der emittierten Teilchen berücksichtigt werden. Ebenso müssen bei der Therapieplanung auch strahlenbiologische Aspekte beachtet werden. Nur dann kann eine verlässliche Dosis-Wirkungsbeziehung aufgestellt werden, die entscheidend für die weitere Entwicklung der Radionuklidtherapie ist. Ursprünglich wurden die absorbierten Strahlendosen für die verschiedenen Gewebe auf der Basis der applizierten Aktivität, der Biokinetik und einfacher Modelle des Menschen berechnet. Die nuklearmedizinische Bildgebung bietet jedoch die Möglichkeit die Biokinetik der verwendeten radioaktiv markierten Substanzen für viele Organe im einzelnen Patienten zu bestimmen. Deshalb wurden inzwischen patientenspezifische Verfahren entwickelt die absorbierte Dosis in den für die eingesetzten Substanzen kritischen Organen zu bestimmen. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden zur Schätzung und Bewertung der absorbierten Dosis sowie radiobiologische Konzepte wie z. B. die Verwendung der Biologisch effektiven Dosis (BED) zur Therapieplanung vorgestellt und diskutiert.

Abstract

A prerequisite for the risk assessment in targeted radiotherapy is the knowledge of the patient-specific absorbed dose in critical organs as the biological effect is determined by the absorbed dose. In addition, one needs to take potential inhomogeneous spatial activity distributions, time-dependent dose rates and the energies and emission probabilities of the emitted particles into account. Radiation biology effects should not be neglected for therapy planning. Combining all these factors leads to a reliable dose-effect relationship which is mandatory for the further development of targeted radiotherapy. In the past the absorbed dose was calculated based upon the administered activity, the biokinetics and upon simplified human models. Today, nuclear medicine imaging provides the opportunity to determine, for many organs, the biokinetics of radioactive labelled pharmaceuticals patient-specifically. Recently, many patient-specific methods have been developed for determining the absorbed dose to critical organs. In the present work several methods for the assessment and the critical appraisal of the absorbed dose as well as radio-biological concepts such as the biological effective dose (BED) for therapy planning will be introduced and discussed.

Dosimetrie - MIRD - Daten-Akquisition - biologisch effektive Dosis

dosimetry - MIRD - data acquisition - biologically effective dose (BED)

Literatur

• 1 Strahlenschutzverordnung (StrlSchV) vom 20. Juli 2001. In: 2001. p. BGBl. I Nr. 38 vom 26.07.2001, S. 1714; ber. 2002 S. 1459; 2018.2006.2002 S. 1869; 2012.2008.2005 S. 2365; 2001.2009.2005 S. 2618
• 2 Adelstein S J, Green A J, Howell R W et al. Absorbed-dose specification in nuclear medicine.  Journal of the ICRU. 2002;  2 1-110
• 3 Bolch W E, Bouchet L G, Robertson J S et al. MIRD pamphlet No. 17: the dosimetry of nonuniform activity distributions - radionuclide S values at the voxel level. Medical Internal Radiation Dose Committee.  J Nucl Med. 1999;  40 11S-36S
• 4 Chiavassa S, Bardies M, Guiraud-Vitaux F et al. OEDIPE: a personalized dosimetric tool associating voxel-based models with MCNPX.  Cancer Biother Radiopharm. 2005;  20 325-332
• 5 Dale R, Carabe-Fernandez A. The Radiobiology of Conventional Radiotherapy and Its Application to Radionuclide Therapy.  Cancer Biother Radiopharm. 2005;  20 47-51
• 6 Dale R G. The application of the linear-quadratic dose-effect equation to fractionated and protracted radiotherapy.  Br J Radiol. 1985;  58 515-528
• 7 Dewaraja Y K, Wilderman S J, Ljungberg M, Koral K F, Zasadny K, Kaminiski M S. Accurate Dosimetry in ¹³¹I Radionuclide Therapy Using Patient-Specific, 3-Dimensional Methods for SPECT Reconstruction and Absorbed Dose Calculation.  J Nucl Med. 2005;  46 840-849
• 8 Erdi A K, Erdi Y E, Yorke E D, Wessels B W. Treatment planning for radio-immunotherapy.  Phys Med Biol. 1996;  41 2009-2026
• 9 Erwin W D, Groch M W, Macey D J, DeNardo G L, DeNardo S J, Shen S. A radioimmunoimaging and MIRD dosimetry treatment planning program for radioimmunotherapy.  Nucl Med Biol. 1996;  23 525-532
• 10 Flux G, Bardies M, Monsieurs M, Savolainen S, Strand S E, Lassmann M. The Impact of PET and SPECT on Dosimetry for Targeted Radionuclide Therapy.  Z Med Phys. 2006;  16 47-59
• 11 Geworski L, Knoop B-O, Hofmann M et al. Überprüfung der Kreuzkalibrierung von Positronen-Emissions-Tomographen zu ihren peripheren Geräten.  Z Med Phys. 2003;  13 109-114
• 12 Glatting G, Kletting P, Reske S N, Kathrin H, Ring C. Choosing the optimal fit function: Comparison of the Akaike Information Criterion and the F-test.  Med Phys. 2007;  34 4285-4292
• 13 Glatting G, Landmann M, Kull T et al. UlmDos - a software tool for voxelbased dosimetry before radionuclide therapy.  Biomed Tech. 2005;  50 94-95
• 14 Glatting G, Landmann M, Kull T et al. Internal radionuclide therapy: The UlmDos software for treatment planning.  Med Phys. 2005;  32 2399-2405
• 15 Glatting G, Landmann M, Wunderlich A, Kull T, Mottaghy F M, Reske S N. Internal radionuclide therapy: Software for treatment planning using tomographic data.  Nuklearmedizin. 2006;  45 269-272
• 16 Glatting G, Lassmann M. Nuklearmedizinische Dosimetrie. In: Krause B-J, Schwaiger M, Buck AK (eds). Nuklearmedizinische Onkologie. 1. ed. Hüthig Jehle Rehm, Landsberg 2007
• 17 He B, Frey E C. Comparison of conventional, model-based quantitative planar, and quantitative SPECT image processing methods for organ activity estimation using In-111 agents.  Phys Med Biol. 2006;  51 3967-3981
• 18 Herzog H, Rösch F, Stöcklin G, Lueders C, Qaim S M, Feinendegen L E. Measurement of pharmacokinetics of yttrium-86 radiopharmaceuticals with PET and radiation dose calculation of analogous yttrium-90 radiotherapeutics.  J Nucl Med. 1993;  34 2222-2226
• 19 Knoop B O, Geworski L, Hofmann M, Munz D L, Knapp W H. Use of recovery coefficients as a test of system linearity of response in positron emission tomography (PET).  Phys Med Biol. 2002;  47 1237-1254
• 20 Kull T, Ruckgaber J, Weller R, Reske S N, Glatting G. Quantitative Imaging of Yttrium-86 PET with the ECAT EXACT HR⁺ in 2D Mode.  Cancer Biother Radiopharm. 2004;  19 482-490
• 21 Larsson E, Jonsson B A, Jonsson L, Ljungberg M, Strand S E. Dosimetry calculations on a tissue level by using the MCNP4c2 Monte Carlo code.  Cancer Biother Radiopharm. 2005;  20 85-91
• 22 Lehmann J, Hartmann Siantar C, Wessol D E et al. Monte Carlo treatment planning for molecular targeted radiotherapy within the MINERVA system.  Phys Med Biol. 2005;  50 947-958
• 23 Loevinger R, Budinger T F, Watson E E. MIRD Primer for absorbed dose calculations. The Society of Nuclear Medicine, New York 1989
• 24 Lubberink M, Lundqvist H, Westlin J E et al. Positron emission tomography and radioimmunotargeting - aspects of quantification and dosimetry.  Acta Oncol. 1999;  38 343-349
• 25 Mix M, Eschner W. Image Reconstruction and Quantification in Emission Tomography.  Z Med Phys. 2006;  16 19-30
• 26 Niemierko A. Reporting and analyzing dose distributions: a concept of equivalent uniform dose.  Med Phys. 1997;  24 103-110
• 27 O'Donoghue J A. Implications of nonuniform tumor doses for radioimmunotherapy.  J Nucl Med. 1999;  40 1337-1341
• 28 Ogawa K, Harata Y, Ichihara T, Kubo A, Hashimoto S. A practical method for positron-dependent compton-scatter correction in single photon emission CT.  IEEE Transactions on Medical Imaging. 1991;  10 408-412
• 29 Petoussi-Henss N, Zankl M, Nosske D. Estimation of patient dose from radio-pharmaceuticals using voxel models.  Cancer Biother Radiopharm. 2005;  20 103-109
• 30 Prideaux A R, Song H, Hobbs R F et al. Three-Dimensional Radiobiologic Dosimetry: Application of Radiobiologic Modeling to Patient-Specific 3-Dimensional Imaging-Based Internal Dosimetry.  J Nucl Med. 2007;  48 1008-1016
• 31 Sgouros G, Kolbert K S, Sheikh A et al. Patient-Specific Dosimetry for ¹³¹I Thyroid Cancer Therapy Using ¹²⁴I PET and 3-Dimensional-Internal Dosimetry (3D-ID) Software.  J Nucl Med. 2004;  45 1366-1372
• 32 Siegel J A, Thomas S R, Stubbs J B et al. MIRD pamphlet no. 16: Techniques for quantitative radiopharmaceutical biodistribution data acquisition and analysis for use in human radiation dose estimates.  J Nucl Med. 1999;  40 37S-61S
• 33 Stabin M. Nuclear medicine dosimetry.  Phys Med Biol. 2006;  51 R187-R202
• 34 Stabin M G, Sparks R B, Crowe E. OLINDA / EXM: The second-generation personal computer software for internal dose assessment in nuclear medicine.  J Nucl Med. 2005;  46 1023-1027
• 35 Strand S E, Zanzonico P, Johnson T K. Pharmacokinetic modeling.  Med Phys. 1993;  20 515-527
• 36 Vandenberghe S. Three-dimensional positron emission tomography imaging with ¹²⁴I and ⁸⁶Y.  Nucl Med Commun. 2006;  27 237-245
• 37 Walrand S, Jamar F, Mathieu I et al. Quantitation in PET using isotopes emitting prompt single gammas: application to yttrium-86.  Eur J Nucl Med. 2003;  30 354-361
• 38 Weber D A, Eckerman K, Dilman T, Ryman J. Mird: Radionuclide Data and Decay Schemes. Society of Nuclear Medicine 1989
• 39 Wolf I, Zankl M, Scheidhauer K et al. Determination of individual S-values for ¹³¹I using segmented CT data and the EGS4 Monte Carlo code.  Cancer Biother Radiopharm. 2005;  20 98-102
• 40 Zaidi H. Recent developments and future trends in nuclear medicine instrumentation.  Z Med Phys. 2006;  16 5-17