Calculation of S-values and their uncertainties for Nuclear Medicine

Almeida, Ana Margarida Rocha

http://hdl.handle.net/10400.5/98219

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Authors

Almeida, Ana Margarida Rocha

Advisor(s)

Fernández-Varea, José Maria

Ferreira, Brígida da Costa

Abstract(s)

A medicina nuclear é um campo que engloba técnicas de imagem médica para diagnóstico e terapia de patologias oncológicas, nomeadamente PET e SPECT, nas quais o princípio fundamental se prende com a deteção da distribuição de radiofármacos dentro do corpo humano. Estes são substâncias ativas, geralmente, compostas por dois componentes: um radionuclídeo, que é responsável pela emissão de radiação, e um composto farmacológico não-radioativo, cuja função é direcionar o radionuclídeo até às células-alvo. Os radiofármacos podem ser administrados ao paciente por via intravenosa, via oral, via respiratória ou por injeção direta na área de interesse. O decaimento radioativo do radionuclídeo provoca a emissão de radiações ionizantes (raios γ, partículas α ou β) que pode ser útil para a criação de imagem médica ou para tratamento de tumores por meio de destruição de células tumorais. A escolha do radiofármaco tem em consideração o objetivo (diagnóstico ou tratamento) e depende de diversos fatores, como o tipo de emissão do isótopo, a energia da radiação e o tempo de semi-vida. A dosimetria interna em medicina nuclear tem por objetivo estimar a dose administrada em lesões ou tumores, garantindo que a dose nos órgõas críticos não tenha excedido os limites aceitáveis. Em 1988, o MIRD (Medical Internal Radiation Dose), organizado pela Society of Nuclear Medicine, propôs um método para estimativa da dose absorvida, combinando os dados de distribuição biológica do radiofármaco com as propriedades físicas dos radionuclídeos. De acordo com o formalismo MIRD, os S-values são valores que quantificam a energia absorvida por unidade de massa e por decaimento radioativo. Estes valores são calculados tendo em consideração o esquema de decaimento do radionuclídeo, a distância em relação à fonte radioativa e as dimensões do alvo (neste caso, pode ser um órgão ou tecido). Esta dissertação visa atualizar as tabelas atualmente disponíveis para S-values, recorrendo a bases de dados atualizadas para os esquemas de decaimento dos isótopos, bem como utilizando a versão mais recente do programa PENELOPE para simulações Monte Carlo. Este estudo realiza uma análise detalhada dos S-values tanto a nível de vóxeis quanto a nível celular. No que diz respeito aos S-values calculados em voxel (volume element), os valores considerados como referência e aceites pela comunidade científica foram publicados pelo MIRD Committee, em 1998, tabelando valores para cinco radionuclídeos e para dois valores distintos de dimensão de voxel. Estes valores foram calculados e tabelados com base numa geometria cúbica (11×11×11 vóxeis), subdividida em cubos menores, os vóxeis. Dado que a emissão da fonte radioativa é isotrópica, apenas foi considerado o octante positivo da geometria, visto que os restantes valores podem ser calculados a partir deste, de acordo com a simetria cúbica. Neste estudo, foi aplicada uma metodologia semelhante; contudo, a dose absorvida não foi calculada para cada voxel individualmente do octante, mas sim agrupando os vóxeis segundo as distâncias a que se encontravam do centro da fonte radioativa. Assumindo que os vóxeis que são equidistantes da fonte absorvem a mesma quantidade de energia, os S-values foram calculados como a média da dose absorvida em cada grupo de vóxeis. Com a geometria considerada, foram identificadas 45 distâncias distintas ao centro, o que possibilita uma redução das tabelas de 216 para 45 valores de S-values. De forma a comparar os valores simulados com os valores de referência, foram realizadas simulações dos mesmos radionuclídeos (32P, 89Sr, 90Y, 99mTc e 131I), utilizando vóxeis cúbicos com dimensões de 3 mm e 6 mm. Neste estudo, foram utilizadas duas bases de dados para o esquema de decaimento dos isótopos: PenNuc e DECDATA. Os resultados das simulações indicam algumas discrepâncias em relação aos valores publicados pelo MIRD Committee, independentemente da base de dados utilizada. Os desvios em relação aos valores de referência são menores para os radionuclídeos 99mTc e 131I. Em relação aos resultados das simulações em que fonte de radiação continha 32P, 89Sr ou 90Y, são notórias diferenças mais acentuadas, com desvios percentuais na ordem dos 70-90%. Quando a fonte radioativa contém 32P, foi aplicada a metodologia do MIRD Committee, de forma a excluir a possibilidade das diferenças verificadas se deverem à simplificação dos cálculos. Verificou-se que as variações se mantinham e, portanto, são devidas a outras modificações. Em suma, a avaliação de Svalues a nível de vóxeis sugere que, apesar da aplicação de uma metodologia simplificada, a atualização dos valores tabelados introduziu variações nos S-values. Para atingir todos os objetivos desta dissertação, foram disponibilizadas tabelas de S-values calculadas aplicando a mesma metodologia para dois novos radionuclídeos com relevância para a Medicina Nuclear, 177Lu e 153Sm. Adicionalmente, foram publicadas tabelas para os setes radionuclídeos em questão, considerando três novas dimensões de voxel que atualmente são utilizadas em equipamentos médicos (2.26 mm, 4.52 mm e 9.04 mm). Em relação aos S-values a nível celular, foram consideradas duas abordagens:simulações diretas de Monte Carlo e Dose Point Kernel, utilizando como fontes radioativas quatro radionuclídeos (67Ga, 123I, 111In e 201Tl). Em ambas as abordagens, foi aplicada uma geometria, que consiste em duas esferas concêntricas a representar a estrutura de uma célula, com trinta e nove possíveis combinações de raio da célula e respetivo núcleo. Foram também analisadas duas situações distintas: uma em que o núcleo consistia simultaneamente na fonte e alvo da radiação (N ← N) e outra em que a fonte de radiação se encontrava no citoplasma e o alvo no núcleo da célula (N ← Cy). No cálculo de S-values recorrendo a simulações diretas de Monte Carlo, foram efetuadas simulações para cada combinação de raio da célula e raio do núcleo, bem como uma para cada combinação fonte-alvo, resultando num número total de 936 simulações. Os resultados foram comparados com valores publicados recentemente, cuja metodologia se assemelha bastante à utilizada neste estudo. Verificou-se que, no caso N ← N, os valores calculados com a base de dados DECDATA se aproximavam mais dos valores considerados como referência, com desvios percentuais máximos entre 2-6%. Para a mesma combinação fonte-alvo, os valores calculados com PenNuc eram geralmente inferiores que os considerados como referência, com desvios entre 8-20%. Na situação N ← Cy, os resultados, para ambas as bases de dados, apresentam variações menores que 7%. Os valores apresentados não têm em consideração o caso do radionuclídeo 67Ga. Excecionalmente, em ambas as combinações fonte-alvo, os resultados calculados para 67Ga com a base de dados PenNuc refletem maiores divergências (entre 37% e 42%). De um modo geral, os desvios percentuais são geralmente maiores nos valores calculados para N ← N do que para N ← Cy e os resultados obtidos com a base de dados DECDATA estão em maior conformidade com os valores de referência. A segunda metodologia para o cálculo de S-values a nível celular envolve a utilização de Dose Point Kernel que, através de fatores geométricos, calcula a dose absorvida para qualquer combinação de raio da célula e do respetivo núcleo. Ao incorporar expressões analíticas, também é possível, com esta abordagem, obter valores para qualquer combinação fonte-alvo. Com esta metodologia, foi necessário efetuar apenas uma simulação para cada um dos radionuclídeos considerados. Por sua vez, os Svalues calculados foram comparados com valores publicados pelo MIRD Committee, em 1993. Esta comparação permitiu verificar a existência de divergências, uma vez que, apesar dos valores calculados pelo MIRD Committee serem obtidos utilizando metodologias analíticas semelhantes, estes assentam em modelos físicos distintos e simplificados. Os valores encontrados no âmbito desta dissertação foram calculados de modo a seguir aproximadamente as metodologias previamente implementadas que demonstram ser, atualmente, referências em medicina nuclear. As diferenças observadas nos valores prendem-se com a utilização de uma versão mais recente do programa PENELOPE para as simulações Monte Carlo, bem como a utilização de bases de dados que contenham atualizações científicas. Deste modo, conclui-se que os valores previamente publicados se encontravam desatualizados, denotando-se grandes divergências em relação aos valores calculados neste estudo. Por fim, todos os S-values calculados foram tabulados e publicados nesta dissertação.

Over the years, there have been notable technological advances in the medical techniques used to diagnose and treat tumour-related pathologies. In nuclear medicine techniques such as PET or SPECT, the use of radiopharmaceuticals that emit ionising radiation is fundamental, both for the acquisition of medical images and for the treatment of tumours. In this field, the distribution of the radiopharmaceuticals in the human body must be evaluated. It is crucial to accurately calculate the absorbed dose in tissues and, to facilitate these calculations, there are tables with S-values that represent the amount of energy absorbed per unit mass per nuclear decay. The overall aim of this study was to update the available tables with S-values calculated using the most recent version of the PENELOPE Monte Carlo code and updated decay databases. S-values were calculated for the decay of various radionuclides within voxels of different sizes. These values were computed by applying a simplified methodology based on a referenced bibliography and using two different radioactive decay databases: DECDATA and PenNuc. For voxel level calculations, the tables were extended to include two additional radionuclides and three more voxel size values. S-values were also calculated at the cellular level using two methodologies: direct Monte Carlo (MC) simulations and Dose Point Kernel (DPK). The values calculated for the two databases were also evaluated. At the cellular level, thirty-nine different combinations of cell and nucleus radii and two different source-target combinations were considered, allowing the calculation of S-values for other combinations due to their additive properties. The S-values calculated at the voxel level and at the cellular level are tabulated and presented in this dissertation.