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

Resumo Técnico: Imagem de $^{131}$I em Fantasmas de Camundongos e Camundongos Vivos com a Câmera de Compton MACACO III+

Definição do Problema
O monitoramento da terapia com radiofármacos (RPT) e o desenvolvimento pré-clínico dependem frequentemente da Tomografia Computadorizada por Emissão de Fóton Único (SPECT). No entanto, as câmeras gama colimadas padrão são subótimas para a imagem de iodo-131 ($^{131}$I), um radioisótopo terapêutico amplamente utilizado. A emissão gama primária de 364 keV do $^{131}$I é suficientemente alta para penetrar nas bordas dos colimadores de SPECT (tipicamente projetados para <300 keV), levando à degradação da imagem. Embora existam estratégias alternativas — como o uso de emissões de menor energia do $^{131}$I, substitutos de PET ou a otimização da geometria do colimador — estas envolvem frequentemente compromissos entre sensibilidade e resolução, ou exigem configurações complexas. As Câmeras de Compton (CCs), que utilizam colimação eletrônica em vez de colimadores físicos, oferecem uma solução potencial ao otimizar tanto a eficiência quanto a resolução espacial, particularmente para energias de fótons acima de 300 keV. Iterações anteriores da câmera de Compton MACACO demonstraram promessa, mas careciam da área de detector necessária para alta sensibilidade em campos de visão maiores ou em imagens de pequenos animais.

Metodologia
Este estudo avaliou a MACACO III+, um protótipo de câmera de Compton desenvolvido pelo grupo IRIS, para a imagem de distribuições de $^{131}$I em modelos murinos. O sistema consiste em dois planos de detectores utilizando cristais de brometo de lantânio (III) (LaBr$_3$) contínuos acoplados a Fotomultiplicadores de Silício (SiPMs). O primeiro plano compreende um único detector (25,8 × 25,8 × 5 mm³), enquanto o segundo plano apresenta um arranjo 2 × 2 de quatro detectores idênticos, separados por uma distância interplanar ideal de 60 mm.

O fluxo de trabalho experimental envolveu três fases distintas:

1. Simulações de Monte Carlo: Utilizando GATE v9.2 e um fantasma Digimouse voxelizado, o desempenho do sistema foi simulado com atividade de $^{131}$I distribuída em vários órgãos (cérebro, rins, coração, bexiga).
2. Imagem de Fantasma: Um fantasma de camundongo biomimético preenchível (Bio-Mouse) foi injetado com solução de $^{131}$I-NaI em compartimentos orgânicos específicos. Duas configurações foram testadas: uma com atividade no cérebro e rins, e outra adicionando atividade ao coração e bexiga.
3. Imagem In Vivo: Dois camundongos BALB/c vivos (aprox. 30 g) foram anestesiados e injetados com $^{131}$I-NaI.

Para todos os sujeitos experimentais, os dados foram adquiridos utilizando a MACACO III+ em uma única projeção durante 30 a 45 minutos. Imediatamente após, os mesmos sujeitos foram imagens utilizando um sistema SPECT pré-clínico $\gamma$-CUBE comercial (Molecubes) em modo tomográfico por 180 minutos. A reconstrução da imagem para a CC utilizou o algoritmo de Máxima Verossimilhança de Esperança-Maximização (MLEM) com 50 iterações e um filtro de mediana, assumindo uma energia de entrada de 364 keV e aplicando uma janela de energia de 328–400 keV. As imagens 2D resultantes da CC foram comparadas qualitativamente com fatias equivalentes das reconstruções tomográficas de SPECT.

Principais Contribuições

• Validação de Protótipo: Este estudo apresenta a primeira aplicação da MACACO III+ (apresentando um plano de detector ampliado) para a imagem de radiofármacos terapêuticos em pequenos animais.
• Comparação de Eficiência: A pesquisa demonstra que a CC baseada em LaBr$_3$ pode produzir imagens 2D de distribuições de $^{131}$I em camundongos com tempos de aquisição de 30–45 minutos, produzindo uma qualidade de imagem qualitativamente comparável a varreduras tomográficas de 3 horas realizadas com um sistema SPECT pré-clínico comercial.
• Imagem de Animais Vivos: O artigo relata as primeiras imagens de distribuições de $^{131}$I em camundongos vivos obtidas por uma câmera de Compton baseada em LaBr$_3$, visualizando com sucesso concentrações de alta atividade nas regiões da tireoide e do estômago.
• Caracterização de Resolução: O estudo confirma a capacidade do sistema de resolver estruturas anatômicas (ex: rins separados por ~1 cm) em fantasmas, com imagens reconstruídas mostrando uma resolução espacial próxima de 4 mm de Largura Total à Meia Altura (FWHM) para a emissão de 364 keV.

Resultos

• Simulações: As imagens reconstruídas distinguiram claramente os rins e, quando órgãos adicionais foram incluídos, o cérebro, o coração e a bexiga tornaram-se visíveis.
• Estudos de Fantasma: As imagens da CC (aquisição de 45 min) mostraram distribuições de atividade no cérebro e rins que foram visualmente semelhantes às fatias de SPECT de 3 horas. Quando o coração e a bexiga foram adicionados, a CC resolveu com sucesso esses compartimentos, mantendo os rins distinguíveis, apesar de estarem em uma fatia transversal diferente.
• Camundongos Vivos: Em ambos os animais vivos, as imagens da CC (aquisição de 30 min) identificaram claramente a atividade da tireoide e do estômago, coincidindo com a localização observada nas varreduras de SPECT de 3 horas. As imagens da CC demonstraram uma conformação anatômica superior à glândula tireoide em comparação com protótipos anteriores de CC.
• Limitações: Os autores observam que as estatísticas da imagem poderiam potencialmente ser melhoradas incluindo a emissão de 637 keV, embora trabalhos anteriores sugiram ganhos marginais. A atual degradação da qualidade da imagem é atribuída ao fato de a energia de 364 keV estar no limite inferior da faixa ideal para CC e à interferência de raios X e gammas de menor energia (30 keV e 80 keV) que depositam energia na mesma faixa de fótons espalhados de 364 keV.

Significância e Alegações
O artigo afirma que a câmera de Compton MACACO III+ representa um passo significativo para a imagem molecular pré-clínica, especificamente para radioisótopos terapêuticos como o $^{131}$I. Ao alcançar uma qualidade de imagem comparável aos sistemas SPECT comerciais em uma fração do tempo (redução de 4 a 6 vezes), o sistema aborda o gargalo de produtividade em estudos pré-clínicos. Os autores postulam que esta tecnologia é uma ferramenta promissora para o desenvolvimento de terapias com $^{131}$I e motiva a exploração futura para a imagem de outros radiofármacos terapêuticos, particularmente emissores alfa como o $^{225}$Ac, onde a alta eficiência do sistema é crítica devido às baixas atividades injetadas. O trabalho também estabelece as bases para futuras capacidades de imagem 3D usando duas CCs posicionadas a 90 graus.