[論文レビュー] Coded Aperture and Compton Imaging for the Development of $^{225}$Ac-based Radiopharmaceuticals

Emily A. Frame, Kondapa N. Bobba+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2022

Medical Imaging Techniques and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、225Acの娘核種221Fr（218 keV）および213Bi（440 keV）を直接可視化および定量的に測定するために、符号化アパーチャーおよびコンプトンイメージングを用いる画期的な試みを実施した。従来の生体分配研究の限界を克服し、これらの高度なガンマ線イメージング技術を用いて、225Acの娘核種再分配を初めて体内で可視化した。非侵襲的で縦断的な放射性医薬剤の挙動モニタリングが可能となり、体内イメージング結果は、切断後の測定結果と定量的に一致した。

ABSTRACT

Targeted alpha-particle therapy (TAT) has great promise as a cancer treatment. Arguably the most promising TAT radionuclide that has been proposed is $^{225}$Ac. The development of $^{225}$Ac-based radiopharmaceuticals has been hampered due to the lack of effective means to study the daughter redistribution of these agents in small animals at the preclinical stage. The ability to directly image the daughters, namely $^{221}$Fr and $^{213}$Bi, via their gamma-ray emissions would be a boon for preclinical studies. That said, conventional medical imaging modalities, including single photon emission computed tomography (SPECT) based on pinhole collimation, cannot be employed due to sensitivity limitations. As an alternative, we propose the use of both coded aperture and Compton imaging with the former modality suited to the 218-keV gamma-ray emission of $^{221}$Fr and the latter suited to the 440-keV gamma-ray emission of $^{213}$Bi. This work includes coded aperture images of $^{221}$Fr and Compton images of $^{213}$Bi in tumor-bearing mice injected with $^{225}$Ac-based radiopharmaceuticals. These results are the first demonstration of visualizing and quantifying the $^{225}$Ac daughters in small animals via coded aperture and Compton imaging and serve as a stepping stone for future radiopharmaceutical studies.

研究の動機と目的

• 小型動物における225Ac娘核種（221Frおよび213Bi）の前臨床的イメージングのための有効な手法の欠如に対処すること。
• 225Ac娘核種が放出する高エネルギーガンマ線をイメージングする際の従来のSPECTおよびPETの感度および分解能の限界を克服すること。
• 非侵襲的かつ縦断的な放射性医薬剤生体分配のモニタリングを可能にする、符号化アパーチャーおよびコンプトンイメージングを組み合わせた二重モダリティイメージングシステムの開発および検証すること。
• 切断後の生体分配解析と比較することで、体内イメージング結果の定量的妥当性を検証すること。
• 臨床応用を支援するため、娘核種再分配ダイナミクスの理解を深めること。

提案手法

• 符号化アパーチャーイメージングは、221Frが放出する218 keVガンマ線を検出するために用いられ、1.5 mmのストリップピッチおよび1.5×の拡大率を持つマスクを採用した。
• コンプトンイメージングは、213Biが放出する440 keVガンマ線を検出するために用いられ、35 mmの放射源-検出器距離で4.1 mmの空間分解能を達成する位置感度検出器を採用した。
• 二重モダリティイメージャは、225Acを含むファントムおよび225Acベースの放射性医薬剤を投与した腫瘍巣を有するマウスでテストされた。
• 画像再構成には、符号化アパーチャーのパターンおよびコンプトン運動学から源分布を解明するためのデコンボリューション技術が用いられた。
• 再構成画像から活動度が抽出され、臓器採取後の計数結果と照合して検証された。
• 検出器の幾何学的配置、マスク設計、および信号処理の最適化を通じて感度および分解能が向上した。具体的には、ストリップピッチの低減およびスタンドオフ距離の短縮が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 符号化アパーチャーイメージングは、小型動物モデルにおける221Frからの218 keVガンマ線の検出および局在化を効果的に行えるか？
• RQ2 コンプトンイメージングは、225Ac娘核種213Biが放出する440 keVガンマ線を体内で十分な空間分解能および感度でイメージングできるか？
• RQ3 符号化アパーチャーおよびコンプトンイメージングによる体内活動度推定値は、切断後の生体分配測定結果とどの程度一致するか？
• RQ4 これらのイメージングモダリティは、時間経過に伴う臓器特異的取り込みおよび再分配をどの程度解像できるか？
• RQ5 肝臓、心臓、肺などの臓器における個体差に起因する生体分配パターンの違いを、このイメージングシステムは検出および定量できるか？

主な発見

• 符号化アパーチャーイメージングは、腫瘍巣を有するマウスにおける221Frの可視化に成功し、総活動度の推定値が約299 Bqに達した。これは切断後の測定結果（217 Bq）とよく一致した。
• コンプトンイメージングは、213Biの検出に成功し、総活動度の推定値が約242 Bqに達した。これは切断後の測定結果（198 Bq）と良好に一致した。
• 臓器への著しい取り込みを示したマウスでは、符号化アパーチャーおよびコンプトンイメージングによる221Frおよび213Biの活動度推定値は、それぞれ610 Bqおよび575 Bqであった。これに対して、切断後の分析では437 Bqおよび434 Bqが得られた。
• 現在の検出器および幾何学的設定下で、符号化アパーチャー分解能は6.9 mm、コンプトン分解能は4.1 mmを達成した。
• ストリップピッチの低減（例：0.5 mm）および拡大率の増加（例：3×）により、分解能の向上が可能である。これにより、符号化アパーチャー分解能は最大75%、コンプトン分解能は最大50%向上する可能性がある。
• スタンドオフ距離の短縮および検出パネルの追加により、感度は最大16倍向上する可能性がある。さらに、最適化された信号処理および細粒度の高い検出器の採用により、さらなる感度向上が期待できる。