[논문 리뷰] Coded Aperture and Compton Imaging for the Development of $^{225}$Ac-based Radiopharmaceuticals

Emily A. Frame, Kondapa N. Bobba외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 15.

Medical Imaging Techniques and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 종양을 가진 마우스에서 225Ac의 자식 뉴클리드인 221Fr (218 keV)와 213Bi (440 keV)를 직접 시각화하고 정량화하기 위해 코딩 야광 및 컴프턴 영상 기법을 처음으로 적용한다. 기존의 생체분포 연구의 한계를 극복하며, 이는 고에너지 감마선 방출을 갖는 225Ac 자식 뉴클리드의 비침습적이고 종단적인 영상 기록을 가능하게 하여, 체외 측정 결과와의 정량적 검증을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 작은 동물에서 225Ac 자식 뉴클리드(221Fr 및 213Bi)의 전임상 영상에 효과적인 방법이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 225Ac 자식 뉴클리드에서 발생하는 고에너지 감마선 방출을 영상화할 때 전통적인 SPECT 및 PET의 민감도와 해상도의 한계를 극복하기 위해.
• 비침습적이고 종단적인 방사의학제제 생체분포 모니터링을 위해 코딩 야광 및 컴프턴 영상 기반의 이중 모odal 영상 시스템을 개발하고 검증하기 위해.
• 체외 생체분포 분 析와의 비교를 통해 영상 결과의 정량적 검증을 제공하기 위해.
• 임상적 전환을 지원하기 위해 자식 뉴클리드 재분포 역학을 개선된 이해를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 코딩 야광 영상 기법을 사용하여 1.5 mm의 스트립 피치와 1.5× 확대율을 가진 마스크를 사용해 221Fr에서 발생하는 218-keV 감마선을 검출하였다.
• 컴프턴 영상 기법을 사용하여 213Bi에서 발생하는 440-keV 감마선을 측정하였으며, 35 mm의 소스-검출기 거리에서 4.1 mm의 공간 해상도를 갖는 위치 감지 검출기를 사용하였다.
• 이중 모달리티 영상기기는 225Ac를 포함한 필라미터와 225Ac 기반 방사의학제제를 투여한 종양을 가진 마우스에서 시험되었다.
• 이미지 복원은 코딩 야광 패tern과 컴프턴 운동역학을 기반으로 소스 분포를 해소하기 위해 탈컨볼루션 기법을 사용하였다.
• 재구성된 이미지에서 활동도를 추출하고, 기관의 체외 측정 결과와의 비교를 통해 정량적 검증을 수행하였다.
• 검출기 기하학, 마스크 설계, 신호 처리 향상(예: 더 낮은 스트립 피치, 더 짧은 스탠오프 거리)을 통해 민감도와 해상도를 최적화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코딩 야광 영상 기법은 작고 동물 모델에서 221Fr의 218-keV 감마선 방출을 효과적으로 검출하고 국소화할 수 있는가?
• RQ2 컴프턴 영상 기법은 213Bi의 440-keV 감마선 방출을 생체 내에서 충분한 공간 해상도와 민감도로 영상화할 수 있는가?
• RQ3 코딩 야광 및 컴프턴 영상에서 도출된 생체 내 활동도는 체외 생체분포 측정 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 영상 기법들은 시간이 지남에 따라 장기, 심장, 폐 등 특정 장기의 흡수 및 재분포를 어느 정도 정밀하게 해소할 수 있는가?
• RQ5 이 영상 시스템은 간, 심장, 폐 등에서의 생체분포 패턴 차이를 감지하고 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• 코딩 야광 영상 기법은 종양을 가진 마우스에서 221Fr를 성공적으로 시각화하였으며, 총 활동도 추정치는 약 299 Bq로 체외 생체분포 결과(217 Bq)와 밀접하게 일치하였다.
• 컴프턴 영상 기법은 213Bi를 약 242 Bq의 활동도 추정치로 검출하였으며, 체외 측정 결과(198 Bq)와 양호한 일치를 보였다.
• 특정 장기에서 높은 흡수를 보인 마우스에서는 코딩 야광 및 컴프턴 영상 기법이 각각 610 Bq와 575 Bq의 221Fr 및 213Bi 활동도를 추정하였고, 체외 분석 결과는 각각 437 Bq와 434 Bq였다.
• 현재 검출기 및 기하학 설정에서 코딩 야광 해상도는 6.9 mm, 컴프턴 해상도는 4.1 mm를 달성하였다.
• 스트립 피치를 줄이기(예: 0.5 mm)와 확대율을 높이기(예: 3×)를 통해 해상도 향상이 가능하며, 이는 코딩 야광 해상도를 최대 75% 향상시키고, 컴프턴 해상도를 최대 50% 향상시킬 수 있다.
• 스탠오프 거리를 줄이고 검출기 패널을 추가함으로써 민감도를 최대 16배 향상시킬 수 있으며, 최적화된 신호 처리 및 더 세밀한 검출기 분할을 통해 추가적인 향상이 가능하다.