Multimodale beeldanalyse voor dosisberekening in selectieve inwendige radiotherapie

Leverkanker heeft een hoge prevalentie, zowel voor primaire kanker als voor uitzaaiingen. Chirurgie is de gebruikelijke therapie voor levertumoren, maar niet alle patiënten komen ervoor in aanmerking. In de laatste decennia werden verschillende therapeutische alternatieven geïntroduceerd, afhankelijk van de tumorlocatie, de graad van de ziekte en de leeftijd en algemene conditie van de patiënt.

De rol van radiotherapie met externe bestraling is beperkt voor leverkanker, omdat het normale leverparenchym een lage stralingstolerantie heeft. Een oplossing is om het voorstel van Paul Ehrlich (1854-1915) te volgen, “we must learn to shoot microbes with magic bullets'”, en een radionuclide toverkogel te ontwikkelen die de tumor maximaal bestraalt en tegelijk het normale weefsel zoveel mogelijk spaart. De lever heeft een dubbel bloedvoorziening, hij wordt bevloeid door de leverslagader en de poortader. Levertumoren worden voornamelijk bevloeid door de leverslagader, normaal parenchym voornamelijk door de poortader. Selectieve interne radiotherapie (SIRT) maakt gebruik van dit verschil in bloedtoevoer. Bij SIRT worden microsferen, geladen met een hoogenergetische -emittor (bv. yttrium-90 of holmium-166), toegediend via de leverslagader, waardoor ze zich voornamelijk in de tumoren opstapelen. Daardoor kan een dodelijke straling worden toegediend aan de tumoren terwijl het niet-tumoraal leverweefsel grotendeels gespaard wordt.

Zoals hierboven vermeld is de therapie gericht op de tumoren, maar toch kan een gedeelte van de microsferen ook opstapelen in andere weefsels. In Europa is het kwantificeren van de bestraling van het tumor en niet-tumor weefsel een essentieel onderdeel van de behandeling, zowel bij de planning als bij de evaluatie van de therapie. Oudere modellen veronderstellen dezelfde relatieve traceropname in de tumor en het normale weefsel, maar dit is een over-simplificatie, omdat er veel variatie optreedt in de vasculaire anatomie.

Radionuclidentherapie werd traditioneel voorgeschreven op een empirische wijze, maar er zijn aanwijzingen dat met een gepersonaliseerde aanpak betere resultaten kunnen worden behaald. Daarom is het belangrijk om voor elke individuele patiënt een simulatie-onderzoek uit te voeren, om de verdeling van de therapeutische microsferen te voorspellen. Het is eveneens belangrijk om de therapie te evalueren, door de lokale radionuclideconcentraties nauwkeurig te bepalen, om mogelijke ongewenste effecten op de veiligheid en effectiviteit van de therapie te kunnen vaststellen. De bestraling van de weefsels wordt gekwantificeerd als de hoeveelheid geabsorbeerde energie per eenheid van massa. Deze kwantitatieve analyse wordt “dosimetrie” genoemd.

De huidige dosimetrische tools maken geen gebruik van alle vereiste informatie. De meest gebruikte methode, oorspronkelijk ontworpen voor diagnostische onderzoeken, wordt algemeen beschouwd als niet nauwkeurig genoeg voor radionuclidentherapie. De reden is dat die methode steunt op twijfelachtige veronderstellingen: (i) het subject wordt voorgesteld door een wiskunde model, dat niet wordt aangepast aan de individuele morfologie, en (ii) de activiteit wordt verondersteld zich uniform te verspreiden in het orgaan (of deel van het orgaan).

Voxel-gebaseerde dosimetrie houdt daarentegen wel rekening met de patiënt-specifieke morfologie en met de heterogeniteit van de activiteitverdeling. Voxel-gebaseerde dosisbepaling kan gebruikt worden voor therapieplanning, om de te injecteren activiteit te berekenen op basis van de stralingstolerantie van de gezonde weefsels en de vereiste bestraling van de tumor. Een nadeel van voxel-gebaseerde dosimetrie is dat het gesofistikeerde beeldregistratie en segmentatie vereist, om alle informatie over activiteit en anatomie bij elkaar te brengen.

Het doel van deze studie was de ontwikkeling van een dosimetrie-tool die beantwoordt aan de noden van SIRT voor levertumoren. In dit onderzoeksproject werd kwantitatieve multimodale beeldverwerkingssoftware ontwikkeld, geëvalueerd en toegepast, om de dosisberekening te verbeteren voor de planning en verificatie van SIRT. De software is ontworpen om voxel-gebaseerde dosimetrie toepasbaar te maken in de drukke klinische routine. Het meeste onderzoekswerk ging naar het ontwikkelen van beeldregistratie- en beeldsegmentatie-technieken, om een nauwkeurige en volledige verdeling van de geabsorbeerde dosis te kunnen berekenen in klinische relevante regions of interest.