Application development for personalized dosimetry in pediatric examinations of nuclear medicine based on Monte Carlo simulations and the use of computational models

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Ανάπτυξη εφαρμογής για προσωποποιημένη δοσιμετρία σε παιδιατρικές εξετάσεις Πυρηνικής Ιατρικής βασισμένη σε προσομοιώσεις Monte Carlo και τη χρήση υπολογιστικών ομοιωμάτων» αποσκοπεί στην ανάπτυξη και πιστοποίηση καινοτόμων εργαλείων προσωποποιημένης δοσιμετρίας σε παιδιατρικές εξετάσεις πυρηνικής ιατρικής (SPECT, PET, και multimodal SPECT/PET/CT), καθώς και στη βελτιστοποίηση των θεραπευτικών προσεγγίσεων, χρησιμοποιώντας ανθρωπόμορφα υπολογιστικά ομοιώματα σε συνδυασμό με εξατομικευμένη ανατομική πληροφορία κάθε ασθενούς/εξεταζόμενου. Αρχικά, στο κεφάλαιο 2, πραγματοποιήθηκε εκτενής βιβλιογραφική έρευνα στις εφαρμογές δοσιμετρίας για προ-κλινικές και κλινικές παιδιατρικές ιατρικές διαδικασίες. Η έρευνα συνεχίζεται στο κεφάλαιο 3 με τις πιο ενδεικτικές εφαρμογές: 1) προσομοιώσεις Monte Carlo για την αξιολόγηση παιδιατρικής δοσιμετρίας, 2) υπολογιστικά μοντέλα μικρών ζώων, 3) παιδιατρικά υπολογιστικά μοντέλα που χρησιμοποιούνται ευρέως σε ιατρικές εφαρμογές και 4) τεχνικές Machine Learning οι οποίες παρέχουν εναλλακτικές σύγχρονες μεθόδους για την εκτίμηση εξατομικευμένων απορροφούμενων δόσεων. Καθώς η χρήση των ραδιοφαρμάκων στην απεικόνιση και τη θεραπεία αυξάνεται, καθίσταται πολύ σημαντικό να επιτευχθεί υψηλότερο επίπεδο ακρίβειας στην εσωτερική δοσιμετρία και στις μελέτες μικρών ζώων. Στο κεφάλαιο 4, αρχικά επικυρώσαμε τα εργαλεία και τις μεθόδους, και έπειτα πραγματοποιήσαμε δοσιμετρικούς υπολογισμούς για τη δημιουργία μιας βάσης δεδομένων μικρών ζώων σε εξετάσεις πυρηνικής ιατρικής. Χρησιμοποιήσαμε ευρέως διαδεδομένα ραδιοφάρμακα για να προσδιορίσουμε τους ρυθμούς απορροφούμενης δόσης για διάφορα όργανα ενδιαφέροντος σε προκλινικές μελέτες. Επιπλέον, επεκτείναμε τους δοσιμετρικούς υπολογισμούς για επιπλέον κοινές εξετάσεις ΡΕΤ και SPECT, έτσι ώστε να παρουσιάσουμε τον αντίκτυπο του μεγέθους ενός οργάνου στον υπολογισμό της απορροφούμενης δόσης. Στην συνέχεια μελετήσαμε παιδιατρικές κλινικές εφαρμογές πυρηνικής ιατρικής. Με βάση τις προηγούμενες επικυρωμένες μεθόδους για τον υπολογισμό απορροφούμενης δόσης ανά όργανο, οι οποίες λαμβάνουν υπόψη τη συγκεκριμένη ανατομία των ασθενών, υπολογίσαμε τους "ειδικούς ρυθμούς απορροφούμενης δόσης" (SADRs) για κάθε όργανο σύμφωνα με συγκεκριμένες βιοκατανομές παιδιατρικών ασθενών για διάφορα ραδιοφάρμακα. Οι υπολογιστικοί τομογράφοι (ΥΤ) έχουν πλέον ενσωματωθεί και σε πολυτροπικά συστήματα απεικόνισης πυρηνικής ιατρικής (multimodal PET/CT and SPECT/CT) και η επίδραση τους στην έκθεση ακτινοβολίας έχει αυξηθεί δραματικά, ειδικά σε παιδιατρικές εφαρμογές. Προκειμένου να ποσοτικοποιήσουμε την επίδραση αυτή, πραγματοποιήσαμε δοσιμετρικούς υπολογισμούς σε ανανεωμένα και ευρείας χρήσης παιδιατρικά πρωτοκόλλα εξετάσεων κεφαλής, στήθους και κοιλίας/πυέλου. Σημαντικές διαφορές αναφέρονται στις απορροφούμενες δόσεις ανά όργανο και ανά τύπο σώματος ασθενούς. Ο στόχος αυτής της διατριβής είναι η δημιουργία μιας προσωποποιημένης παιδιατρικής βάσης δεδομένων δοσιμετρίας για εφαρμογές Πυρηνικής Ιατρικής και Υπολογιστικής Τομογραφίας και στη συνέχεια η αντιστοίχιση κάθε νέου παιδιατρικού ασθενούς με το «καλύτερο» ανατομικό μοντέλο αυτής της βάσης δεδομένων σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά των εσωτερικών οργάνων του. Η βάση αυτή θα προσφέρει ακριβέστερη αξιολόγηση δόσης οργάνων σε σχέση με άλλες μεθόδους.