Et ark med kvanteprikker forbedrer Cherenkov-billeddannelse af strålebehandlingsdosis

Cherenkov-billeddannelse muliggør realtidsvisualisering af strålingsstråler på en patients krop og giver et middel til at evaluere nøjagtigheden af ​​strålebehandlingslevering. Forskere i Kina har nu udviklet en måde at forbedre kvaliteten af ​​Cherenkov-billeder ved at bruge et fleksibelt, ikke-giftigt ark af kulstofkvanteprikker (cQD'er), der er fastgjort til patienten.

Cherenkov-lys produceres, når ladede partikler bevæger sig med en hastighed, der er større end lysets fasehastighed i væv. Signalintensiteten er proportional med den afgivne stråledosis, hvilket afslører den præcise dosis, der afgives under behandlingen. Den optiske billeddannelsesteknik tilbyder høj rumlig opløsning, høj følsomhed og hurtig billeddannelseshastighed sammenlignet med konventionelle metoder til måling af strålingsdosis.

Intensiteten af ​​Cherenkov-emissionen er imidlertid lav, og de udsendte fotoner er spredt og absorberet af væv. På grund af dette har standard-charge-coupled device (CCD) kameraer svært ved at indsamle signalet. I stedet bruges dyrere intensiverede CMOS/CCD-kameraer.

cQD'erne har absorptionsspektre, der overlapper med Cherenkov-emissionsspektrene; de udsender så luminescens ved længere bølgelængder. cQD-pladen, udviklet og testet ved Institut for Nuklear Videnskab og Teknologi af Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, kan derfor bruges til at flytte Cherenkov-emissionen til at matche den optimale bølgelængde af et CCD-kameras følsomme detektionsområde.

Med cQD-folien på plads er den optiske emission sammensat af Cherenkov-fotoner genereret i den overfladiske overflade af vævet, fluorescens exciteret af Cherenkov-fotonerne og radioluminescensen genereret i cQD'erne. Dette øger det samlede optiske signal og forbedrer billedkvaliteten og signal-til-støj-forholdet (SNR) af de optagne billeder.

Ledende efterforsker Changran Geng og kolleger skabte cQD-folien ved hjælp af en opløsning af 10 nm-diameter cQD'er og UV-hærdeligt klæbemiddel. Denne blanding blev spin-coatet på et substrat coatet med plastfolie og størknet med en UV-lampe. Plastsubstratet sikrer, at scintillationsmaterialet ikke kommer i direkte kontakt med huden.

Den resulterende cQD-folie havde en tykkelse på 222±5 µm og en diameter på 15 cm og var fleksibel nok til at tilpasse sig patientens overflade. Holdet bemærker, at cQD-folien er næsten gennemsigtig og ikke blokerer Cherenkov-emissionen fra væv.

Rapportere deres resultater i Medicinsk fysik, testede forskerne indledningsvis cQD-folien på en solid vandplade dækket med et 2 mm lag lysfarvet hudtonet ler for at efterligne hudens optiske egenskaber. De evaluerede forholdet mellem optisk intensitet og leveret dosis ved hjælp af cQD-koncentrationer på 0, 0.05 og 0.1 mg/ml, leverede doser på 100-500 MU og 6 og 10 MV-stråler. De observerede et lineært forhold mellem optisk intensitet og dosis for både 6 og 10 MV fotoner. Tilføjelse af cQD-arket mere end fordoblede SNR i begge tilfælde.

Holdet undersøgte derefter ydeevnen af ​​cQD-folien på et antropomorft fantom ved hjælp af forskellige stråleterapimaterialer og forskellige omgivende lyskilder. Lysemission fra overfladen af ​​de forskellige materialer var over 60 % højere med cQD-plader end uden. Specifikt steg den gennemsnitlige optiske intensitet med ca. 69.25 %, 63.72 % og 61.78 % ved tilføjelse af cQD-belægning til henholdsvis bolus, maskeprøve og en kombination af bolus og maske. De tilsvarende SNR'er blev forbedret med omkring 62.78 %, 56.77 % og 68.80 %.

Under omgivende lys fra en rød LED kunne optiske billeder med en SNR på mere end 5 opnås gennem arket. Tilføjelse af et båndpasfilter øgede SNR med omkring 98.85 %.

"Ved en kombination af cQD-belægning og tilsvarende filter kan lysintensiteten og SNR af optiske billeder øges betydeligt," skriver forskerne. "Dette kaster nyt lys over fremme af den kliniske anvendelse af optisk billeddannelse til at visualisere strålen i stråleterapi med en hurtigere og billigere billedoptagelsesproces."

Cherenkov-billeddannelse til visualisering af strålebehandling: et års klinisk brug

Geng fortæller Fysik verden at holdet aktivt fortsætter sin forskning på mange måder. Et eksempel er at undersøge Cherenkov-billeddannelse til brug med elektronstrålebehandling af keloider, godartede fibrøse læsioner, der opstår som følge af en unormal helingsreaktion.

"Nogle undersøgelser har indikeret, at postoperativ elektronstrålebehandling kan reducere frekvensen af ​​keloid tilbagefald," forklarer Geng. "Upræcise leveringer er dog almindeligvis forbundet med variationen af ​​elektronstråleparametre såvel som patientens opsætningsusikkerhed eller åndedrætsbevægelser. Disse kan føre til utilstrækkelig eller overdreven dosis ved de uoverensstemmende tilstødende felter, hvilket potentielt kan forårsage vævsskade på normal hud eller keloid tilbagefald. Vi forsøger at bruge Cherenkov billeddannelsesteknologi med cQD-belægning til at måle matchning af tilstødende strålingsfelter leveret under keloidelektronstrålebehandling i realtid."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/a-sheet-of-quantum-dots-enhances-cherenkov-imaging-of-radiotherapy-dose/