Imaging 131 I in mouse phantoms and living mice with the MACACO III+ Compton camera

Technische Samenvatting: Beeldvorming van 131I in muis-fantoommodellen en levende muizen met de MACACO III+ Compton-camera

Probleemstelling
De monitoring van radiofarmaceutische therapie (RPT) en preklinische ontwikkeling is vaak afhankelijk van Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT). Echter, standaard gekollimeerde gammacamera's zijn suboptimaal voor de beeldvorming van jodium-131 (131I), een veelgebruikt therapeutisch radionuclide. De primaire 364-keV gamma-emissie van 131I is hoog genoeg om de pinhole-randen van SPECT-collimatoren (die doorgaans ontworpen zijn voor <300 keV) te penetreren, wat leidt tot beelddegradatie. Hoewel alternatieve strategieën bestaan — zoals het gebruik van 131I-emissies met lagere energie, PET-substituten, of het optimaliseren van de collimatorgeometrie — brengen deze vaak compromissen met zich mee tussen sensitiviteit en resolutie, of vereisen ze complexe opstellingen. Compton-camera's (CC's), die gebruikmaken van elektronische collimatie in plaats van fysieke collimatoren, bieden een potentiële oplossing door zowel efficiëntie als ruimtelijke resolutie te optimaliseren, met name voor fotonenergieën boven de 300 keV. Eerdere iteraties van de MACACO Compton-camera toonden veelbelovende resultaten, maar beschikten niet over het detectoroppervlak dat nodig is voor een hoge sensitiviteit in grotere gezichtsvelden of bij beeldvorming van kleine dieren.

Methodologie
Deze studie evalueerde de MACACO III+, een prototype Compton-camera ontwikkeld door de IRIS-groep, voor de beeldvorming van 131I-distributies in muismodellen. Het systeem bestaat uit twee detectieplannen die gebruikmaken van continue lanthanum(III)-bromide (LaBr3)-kristallen gekoppeld aan Silicon Photomultipliers (SiPM's). Het eerste vlak bestaat uit een enkele detector (25,8 × 25,8 × 5 mm³), terwijl het tweede vlak een 2 × 2-array van vier identieke detectoren bevat, gescheiden door een optimale afstand tussen de vlakken van 60 mm.

De experimentele workflow bestond uit drie afzonderlijke fasen:

1. Monte Carlo-simulaties: Met behulp van GATE v9.2 en een voxelized Digimouse-fantoom werd de prestaties van het systeem gesimuleerd met 131I-activiteit verdeeld over verschillende organen (hersenen, nieren, hart, blaas).
2. Fantoom-beeldvorming: Een vulbaar biomimetisch muis-fantoom (Bio-Mouse) werd geïnjecteerd met een 131I-NaI-oplossing in specifieke organcompartimenten. Twee configuraties werden getest: één met activiteit in de hersenen en de nieren, en één waarbij ook activiteit in het hart en de blaas werd toegevoegd.
3. In Vivo Beeldvorming: Twee levende BALB/c-muizen (ca. 30 g) werden onder anesthesie gebracht en geïnjecteerd met 131I-NaI.

Voor alle experimentele proefdieren werden gegevens verzameld met de MACACO III+ in een enkele projectie gedurende 30 tot 45 minuten. Direct daarna werden dezelfde proefdieren afgebeeld met een commercieel γ-CUBE preklinisch SPECT-systeem (Molecubes) in tomografische modus gedurende 180 minuten. De beeldreconstructie voor de CC maakte gebruik van het Maximum Likelihood Expectation Maximization (MLEM)-algoritme met 50 iteraties en een median filter, uitgaande van een binnenkomende energie van 364 keV en het toepassen van een energievenster van 328–400 keV. De resulterende 2D CC-beelden werden kwalitatief vergeleken met equivalente sneden van de SPECT-tomografische reconstructies.

Belangrijkste Bijdragen

• Validatie van Prototype: Deze studie presenteert de eerste toepassing van de MACACO III+ (met een vergroot tweede detectorvlak) voor de beeldvorming van therapeutische radiofarmaca in kleine dieren.
• Efficiëntievergelijking: Het onderzoek toont aan dat de op LaBr3 gebaseerde CC 2D-beelden kan produceren van 131I-distributies in muizen met acquisitietijden van 30–45 minuten, wat kwalitatief vergelijkbare beeldkwaliteit oplevert met 3-urige tomografische scans uitgevoerd met een commercieel preklinisch SPECT-systeem.
• Beeldvorming bij Levende Dieren: Het artikel rapporteert de eerste beelden van 131I-distributies in levende muizen verkregen met een op LaBr3 gebaseerde Compton-camera, waarbij hoge activiteitsconcentraties in de schildklier en maag succesvol werden gevisualiseerd.
• Karakterisering van Resolutie: De studie bevestigt het vermogen van het systeem om anatomische structuren (bijv. nieren gescheiden door ~1 cm) in fantoommodellen te onderscheiden, waarbij de gereconstrueerde beelden een ruimtelijke resolutie laten zien die dicht bij 4 mm Full Width at Half Maximum (FWHM) ligt voor de 364 keV emissie.

Resultaten

• Simulaties: Gereconstrueerde beelden onderscheidden de nieren duidelijk, en wanneer extra organen werden toegevoegd, waren de hersenen, het hart en de blaas zichtbaar.
• Fantoomstudies: De CC-beelden (45 min acquisitie) vertoonden activiteitsdistributies in de hersenen en nieren die visueel vergelijkbaar waren met de 3-urige SPECT-sneden. Wanneer het hart en de blaas werden toegevoegd, slaagde de CC erin deze compartimenten te onderscheiden, waarbij de nieren herkenbaar bleven ondanks dat ze zich in een andere dwarsdoorsnede bevonden.
• Levende Muizen: In beide levende dieren identificeerden de CC-beelden (30 min acquisitie) duidelijk de activiteit in de schildklier en de maag, wat overeenkwam met de lokalisatie gezien in de 3-urige SPECT-scans. De CC-beelden vertoonden een superieure anatomische conformiteit aan de schildklier in vergelijking met eerdere CC-prototypes.
• Beperkingen: De auteurs merken op dat de beeldstatistieken potentieel verbeterd kunnen worden door de 637-keV emissie op te nemen, hoewel eerder werk suggereert dat de winst marginaal is. De huidige degradatie van de beeldkwaliteit wordt toegeschreven aan het feit dat de 364-keV energie aan de lage kant is van het optimale CC-bereik, en aan interferentie van laag-energetische röntgenstraling en gamma's (30 keV en 80 keV) die energie deponeren in hetzelfde bereik als verstrooide 364-keV fotonen.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert dat de MACACO III+ Compton-camera een belangrijke stap voorwaarts vormt voor preklinische moleculaire beeldvorming, specif kind met name voor therapeutische radionucliden zoals 131I. Door beeldkwaliteit te bereiken die vergelijkbaar is met commerciële SPECT-systemen in een fractie van de tijd (een reductie van 4 tot 6 keer), pakt het systeem de doorvoersnelheid-bottleneck in preklinische studies aan. De auteurs stellen dat deze technologie een veelbelovend instrument is voor de ontwikkeling van 131I-therapieën en de weg vrijmaakt voor verdere exploratie van beeldvorming voor andere therapeutische radiofarmaca, met name alfa-emittenten zoals 225Ac, waar een hoge systeemefficiëntie cruciaal is vanwege de lage geïnjecteerde activiteiten. Het werk legt ook de basis voor toekomstige 3D-beeldvormingsmogelijkheden met behulp van twee CC's geplaatst op 90 graden.