Badanie retrospektywne przeprowadzono na fantomie oraz w kohortzie pięciu pacjentów z przerzutowym, opornym na kastrację rakiem prostaty (mCRPC), leczonych [²²⁵Ac]Ac-PSMA-I&T. Celem było określenie wpływu metod korekcji rozproszenia promieniowania oraz korekcji efektu objętościowego na jakość obrazowania SPECT i dokładność dawkometrii pozyskiwanej z obrazowania post-terapeutycznego. Badanie obejmowało akwizycję SPECT/CT w warunkach niskiej i wysokiej statystyki zliczeń, a także zastosowanie zaawansowanych algorytmów rekonstrukcji obrazu z wykorzystaniem metod transmission-dependent scatter correction (TDSC) oraz energy-window scatter correction (EWSC). Dodatkowo oceniano techniki korekcji efektu objętościowego oparte na algorytmach Richardson-Lucy (RL) oraz Iterative Yang (IY), stosowanych jako post-processing do zrekonstruowanych obrazów SPECT.

Populację badaną w części fantomowej stanowił specjalnie zaprojektowany fantom cylindryczny o pojemności 8,7 litra i średnicy 25 cm, zawierający trzy kule o objętościach 191, 100 i 48 ml, drukowane metodą 3D, które symulowały nerki oraz duże zmiany nowotworowe. Stężenie aktywności w kulach wynosiło 4,2 kBq/ml, a w tle 0,5 kBq/ml, co dawało stosunek 8,1:1, odpowiadający realistycznym warunkom klinicznym. Fantom poddano akwizycji SPECT z wykorzystaniem kollimatora wysokoenergetycznego (HE) na systemie Siemens Symbia T2 SPECT/CT w dwóch scenariuszach: high-count (HC) – 120 sekund na projekcję oraz low-count (LC) – 10 sekund na projekcję, odpowiadającym rzeczywistej statystyce zliczeń obserwowanej u pacjentów około 48 godzin po iniekcji 8 MBq [²²⁵Ac]Ac-PSMA-I&T. Obrazowanie przeprowadzono przy użyciu 32 projekcji z matrycą 128×128 pikseli (4,80×4,80 mm²) w trzech oknach energetycznych: 440 keV (szerokość 20%) dla ²¹³Bi, 218 keV (szerokość 20%) dla ²²¹Fr oraz 78 keV (szerokość 50%) dla promieniowania rentgenowskiego pochodzącego od córek ²²⁵Ac oraz charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego ołowiu z kollimatora. W kohortowej części klinicznej uczestniczyło pięciu pacjentów z mCRPC (zatwierdzenie etyczne 22-0544), u których wykonano post-terapeutyczne SPECT/CT w 24. i 48. godzinie po iniekcji 7,7±0,2 MBq [²²⁵Ac]Ac-PSMA-I&T. Akwizycja obejmowała 32 projekcje z czasem 210 sekund na projekcję oraz niskoenergetyczne CT (110 keV, CareDose, grubość warstwy 3 mm) w celu korekcji osłabienia. U czterech z pięciu pacjentów przeprowadzono ocenę dawkometryczną nerek i zmian nowotworowych zlokalizowanych w obrębie jamy brzusznej.

Jak zoptymalizowano rekonstrukcję obrazów?

Obrazy SPECT rekonstruowano przy użyciu wewnętrznego algorytmu maximum-a-posteriori maximum-likelihood-expectation-maximization (MAP-MLEM) z 100 iteracjami (współczynnik kary β=0,01). Korekcja osłabienia opierała się na niskoenergetycznym CT, a modelowanie rozdzielczości wykorzystywało wstępnie symulowany dwuwymiarowy model funkcji rozmycia punktowego (PSF). Po rekonstrukcji wszystkie obrazy SPECT zostały przefiltrowane w celu redukcji szumu przy użyciu filtru Gaussowskiego o pełnej szerokości w połowie maksimum (FWHM) wynoszącej 30 mm. Współczynniki kalibracyjne do konwersji zmierzonych impulsów na sekundę na voxel (cps/voxel) na stężenie aktywności (Bq/ml) określono oddzielnie dla każdego okna energetycznego i metody korekcji rozproszenia. Pomiar kalibracyjny przeprowadzono przy użyciu tego samego fantomu z usuniętymi kulami 3D w celu zapewnienia jednorodnego rozkładu aktywności o stężeniu 0,5 kBq/ml, stosując protokół HC (32 projekcje, 120 sekund na projekcję). Do korekcji rozproszenia metodą TDSC wykorzystano program Monte Carlo SIMIND (wersja 6.2) do symulacji profili liniowych za płytami wody o różnych grubościach (2-40 cm w krokach co 2 cm) dla wszystkich trzech okien energetycznych. Ogony sygnału rozproszenia dopasowano funkcją mono-eksponencjalną, a stosunek rozproszenia do pierwotnego promieniowania określono jako funkcję długości drogi osłabienia.

Czy wyniki z fantomu potwierdzają skuteczność TDSC?

Najważniejsze wyniki badania na fantomie wykazały, że metoda TDSC konsekwentnie zapewniała wyższy stosunek kontrastu do szumu (CNR) niż EWSC lub brak korekcji rozproszenia (no SC) we wszystkich trzech oknach energetycznych, zarówno dla scenariusza LC, jak i HC. Średni wzrost CNR dla TDSC w porównaniu z EWSC/no SC wynosił odpowiednio 42% dla 218 keV oraz 33% dla 78 keV w warunkach LC. W przypadku współczynnika odzysku aktywności (RC), TDSC wykazywała istotnie wyższe wartości dla okien energetycznych 218 keV i 78 keV w warunkach LC (odpowiednio 45% i 58% wzrost RC), natomiast dla okna 440 keV metoda EWSC zapewniała porównywalne lub nieznacznie lepsze wyniki (wzrost RC o 15% dla EWSC w LC, różnica poniżej 1% w HC). W badaniu klinicznym zastosowanie TDSC skutkowało statystycznie istotnym wzrostem RBE-ważonych dawek pochłoniętych dla nerek we wszystkich oknach energetycznych: średnio 9±4% dla 440 keV (p=0,0020), 30±29% dla 218 keV (p=0,0059) oraz 35±29% dla 78 keV (p=0,0254). Dla zmian nowotworowych TDSC prowadziła do istotnego wzrostu dawek przy oknach 218 keV (16±8%, p=0,0039) i 78 keV (31±30%, p=0,0156), natomiast dla okna 440 keV zaobserwowano spadek o 4±8% bez istotności statystycznej (p=0,074). Średnie RBE-ważone dawki pochłonięte dla nerek przy użyciu TDSC wynosiły 1,7±0,9 Gy (440 keV), 1,4±0,6 Gy (218 keV) i 1,7±0,7 Gy (78 keV), podczas gdy dla zmian nowotworowych wynosiły odpowiednio 2,9±0,9 Gy, 2,8±1,1 Gy i 3,0±1,3 Gy.

Jak techniki PVC wpływają na jakość obrazowania?

Zastosowanie technik korekcji efektu objętościowego (PVC) przyniosło wyraźną poprawę zarówno RC, jak i CNR we wszystkich badanych oknach energetycznych. Algorytm IY, wykorzystujący segmentację anatomiczną z CT, wykazał większy wzrost RC niż algorytm RL, który jest techniką iteracyjnej dekonwolucji niezależną od informacji anatomicznych. Średni procentowy wzrost RC przy zastosowaniu IY wynosił 142±52% dla 440 keV, 146±56% dla 218 keV oraz 98±28% dla 78 keV, podczas gdy dla RL wzrost ten był mniejszy i wynosił odpowiednio 24±2%, 33±8% oraz 13±2%. Podobnie, wzrost CNR dla IY był wyższy (średnio 262±130% dla 440 keV, 274±127% dla 218 keV, 151±65% dla 78 keV) w porównaniu z RL (10±8%, 40±11% oraz 2±6%). Dla najmniejszej kuli (48 ml) przy zastosowaniu segmentacji izokonturowej RL skutkowało wzrostem RC o 27% dla 440 keV, 37% dla 218 keV i 10% dla 78 keV, oraz wzrostem CNR o 42%, 59% i 16% odpowiednio. Optymalne parametry dla algorytmu RL obejmowały PSF σ wynoszące 1,50 cm dla 440 i 218 keV oraz 1,00 cm dla 78 keV, z liczbą iteracji odpowiednio 7, 15 i 10. Dla algorytmu IY zastosowano domyślne 10 iteracji z połączonymi PSF σ wynoszącymi 1,96 cm (440 i 218 keV) oraz 1,62 cm (78 keV), uwzględniając filtrację Gaussowską przed PVC. W badaniu klinicznym zastosowanie PVC skutkowało znaczącym wzrostem RBE-ważonych dawek pochłoniętych zarówno dla nerek (przy użyciu IY), jak i zmian nowotworowych (przy użyciu RL). Ponadto techniki PVC poprawiły wykrywalność oraz delimitację struktur anatomicznych na obrazach SPECT, co ma istotne znaczenie w kontekście planowania terapii oraz oceny odpowiedzi na leczenie.

Co mówią wyniki badań postępowania?

Wyniki badania wskazują, że metoda TDSC przewyższa techniki EWSC oraz brak korekcji rozproszenia pod względem poprawy jakości obrazowania SPECT, szczególnie w warunkach niskiej statystyki zliczeń, które są typowe dla obrazowania post-terapeutycznego [²²⁵Ac]Ac. Lepsza wydajność TDSC wynika z generowania bezszelestnych projekcji rozproszenia na podstawie modelu, co zmniejsza całkowity szum obrazu i poprawia dokładność kwantyfikacji. W przypadku okna energetycznego 218 keV, które charakteryzuje się niższym prawdopodobieństwem emisji (11,4% dla ²²¹Fr vs. 25,9% dla ²¹³Bi) i wyższym poziomem szumu, przewaga TDSC była najbardziej wyraźna. Dla okna 440 keV różnice między metodami były mniejsze, co może wynikać z mniejszego wkładu promieniowania rozproszonego w tym oknie energetycznym. Dla okna 78 keV zastosowanie TDSC było szczególnie korzystne ze względu na złożoność tego okna energetycznego, które obejmuje nakładające się emisje rentgenowskie od wielu córek oraz charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie ołowiu z kollimatora, co utrudnia skuteczne zastosowanie metod EWSC. Zastosowanie technik PVC, zarówno RL, jak i IY, przyniosło znaczącą poprawę dokładności kwantyfikacji aktywności, zwłaszcza w przypadku małych struktur anatomicznych, takich jak drobne zmiany nowotworowe. Algorytm IY, wykorzystujący informacje anatomiczne z CT, okazał się bardziej efektywny niż RL, jednak wymaga dokładnej segmentacji struktur, co może być czasochłonne. Algorytm RL, będący techniką post-processingową stosowaną do całego obrazu, jest prostszy w implementacji i nie wymaga segmentacji, co czyni go atrakcyjnym rozwiązaniem w przypadku zmian nowotworowych o nieregularnych kształtach. Dla segmentacji zmian w badaniu klinicznym zastosowano izokontur o wartości 65% dla okien 440 i 218 keV oraz 60% dla okna 78 keV w obrazach po PVC, podczas gdy dla obrazów bez PVC zastosowano próg 80% dla wszystkich okien energetycznych. Filtrację Gaussowską przeprowadzono po RL-PVC, aby zachować spójność kształtu VOI, natomiast przed IY-PVC w celu redukcji szumu przy jednoczesnym zachowaniu ostrych granic segmentowanych regionów.

Podsumowując, badanie to dostarcza dowodów na to, że zaawansowane metody korekcji rozproszenia oraz korekcji efektu objętościowego znacząco poprawiają jakość ilościową i jakościową obrazowania SPECT dla ²²⁵Ac. Wdrożenie tych technik do protokołów post-terapeutycznych może przyczynić się do bardziej precyzyjnej dawkometrii specyficznej dla pacjenta, co z kolei umożliwia optymalizację schematów leczenia i minimalizację ryzyka długoterminowej toksyczności popromiennej. Zastosowanie RBE wynoszącego 5 oraz wartości S z zasobu OpenDose, obejmujących cały łańcuch rozpadu ²²⁵Ac, pozwoliło na oszacowanie dawek pochłoniętych przy założeniu lokalnej depozycji energii wszystkich córek. Dawkometrię oceniano w oparciu o formalizm MIRD z wykorzystaniem mono-eksponencjalnej funkcji do modelowania krzywych aktywność-czas na podstawie dwóch punktów czasowych (24 i 48 godzin po iniekcji). Analiza statystyczna z wykorzystaniem testu rang Wilcoxona potwierdziła istotność różnic w dawkach pochłoniętych między metodami korekcji rozproszenia. Dalsze badania z wykorzystaniem zróżnicowanych modeli anatomicznych, szerszego zakresu stężeń aktywności oraz różnych stosunków aktywności tło-do-sygnału są wskazane w celu potwierdzenia skuteczności i generalizowalności uzyskanych wyników w praktyce klinicznej. Przyszłe badania mogłyby również uwzględnić porównanie z pełnymi metodami korekcji rozproszenia opartymi na Monte Carlo oraz techniki PVC oparte na głębokim uczeniu, które wykazały obiecujące wyniki w obrazowaniu ¹⁷⁷Lu-SPECT.