Fra udvikling af avancerede maskinlæringsalgoritmer til bygning af enheder, der vil forbedre adgangen til effektive behandlinger for patienter over hele verden, fortsætter forskere, der arbejder inden for medicinsk fysik, bioteknologi og de mange relaterede felter, med at anvende videnskabelige teknikker til at forbedre sundhedspleje verden over. Fysik verden har rapporteret om mange sådanne innovationer i 2022, her er blot nogle få af de forskningsmæssige højdepunkter, der fangede vores opmærksomhed.
AI på alle områder
Kunstig intelligens (AI) spiller en stadig mere udbredt rolle i den medicinske fysik-arena - fra at håndtere den store mængde data, der genereres under diagnostisk billeddannelse, til at forstå udviklingen af kræft i kroppen, til at hjælpe med at designe og optimere behandlinger. Med det i tankerne, Fysik verden var vært for en AI i Medical Physics Week i juni, hvor man så på brugen af deep learning til applikationer, herunder online adaptiv strålebehandling, PET-billeddannelse, protondosisberegning, analyse af hoved CT-scanninger , identifikation af COVID-19-infektion i lungescanninger.
Tidligere på året undersøgte en dedikeret session på APS marts-mødet noget af det seneste medicinske anvendelser af kunstig intelligens og maskinlæring, herunder dyb læring til diagnosticering og overvågning af hjernesygdomme og neurodegenerative sygdomme, og anvendelse af AI til billedregistrering og segmentering. En anden spændende undersøgelse var EPFL's brug af et neuralt netværk til at skabe en intelligent mikroskop der detekterer subtile forstadier til sjældne biologiske hændelser og kontrollerer dets optagelsesparametre som svar.
Løftet om proton FLASH
I en udvikling, der også gjorde det til vores Årets top 10 gennembrud for 2022 rapporterede dette års ASTRO årsmøde Emily Daugherty fra University of Cincinnati Cancer Center resultaterne fra første kliniske forsøg med FLASH-strålebehandling. FLASH-behandlinger – hvor terapeutisk stråling afgives ved ultrahøje dosishastigheder – lover at reducere normal vævstoksicitet og samtidig opretholde antitumoraktivitet. I denne undersøgelse brugte forskerne FLASH protonterapi til at behandle 10 patienter med smertefulde knoglemetastaser. De demonstrerede gennemførligheden af den kliniske arbejdsgang og viste, at behandlingen var lige så effektiv som konventionel strålebehandling til smertelindring uden at forårsage uventede bivirkninger.
Undersøgelsen repræsenterer også den første-i-menneskelige brug af proton FLASH. De fleste af de tidligere prækliniske FLASH-undersøgelser anvendte elektroner; men elektronstråler rejser kun et par centimeter ind i væv, mens protoner trænger langt dybere. I håb om at udnytte denne fordel undersøger mange andre grupper også proton FLASH, herunder forskere ved University of Pennsylvania, der brugte beregningsmodellering til at finde ud af, hvilken der er den mest effektiv leveringsteknik til FLASH protonstråler, og forskere fra Erasmus University Medical Center, Instituto Superior Técnico og HollandPTC, som udviklede en algoritme, der optimerer proton blyant-stråle leveringsmønstre for at maksimere FLASH-dækningen.
Får synet tilbage
At genoprette synet for dem, der har mistet evnen til at se, er en væsentlig forskningsopgave. I år rapporterede vi om to undersøgelser, der sigter mod at bringe dette mål et skridt nærmere. Forskere ved University of Southern California udforsker brugen af ultralydsstimulering til behandling af blindhed forårsaget af retinal degeneration. Mens visuelle proteser, der genopretter synet via elektrisk stimulering af retinale neuroner, allerede er blevet brugt med succes hos patienter, er disse invasive enheder, der kræver komplekse implantationsoperationer. I stedet demonstrerede holdet, at stimulering af en blind rottes øjne med ikke-invasiv ultralyd kan aktivere små grupper af neuroner i dyrets øje.
Andetsteds udviklede et hold i Sverige, Iran og Indien en ny måde at producere kunstige hornhinder på, ved at bruge kollagen af medicinsk kvalitet, der stammer fra svinehud (et renset biprodukt fra fødevareindustrien), som forskerne behandlede kemisk og fotokemisk for at forbedre dets styrke og stabilitet. I en pilotundersøgelse af 20 patienter viste de, at deres implantater var stærke og modstandsdygtige over for nedbrydende og fuldt ud kunne genoprette patienternes syn gennem minimalt invasiv kirurgi. Baseret på denne succes håber Mehrdad Rafat og hans team, at den nye tilgang kan løse manglen på donorhornhinder til transplantation og øge behandlingsmulighederne for de mange mennesker verden over, der har et akut behov for nye hornhinder.
Innovationer i hjerne-computergrænsefladen
Brain-computer interfaces (BCI'er) danner en bro mellem den menneskelige hjerne og ekstern software eller hardware. I år så forskere med succes bruge en implanteret BCI for at sætte en person med fuldstændig lammelse i stand til at kommunikere. Holdet – fra Wyss Center for Bio og Neuroengineering, ALS Voice og University of Tübingen – implanterede to bittesmå mikroelektrode-arrays i overfladen af deltagerens motoriske cortex. Elektroderne optager neurale signaler, som afkodes og bruges i en auditiv feedback-stave, der beder brugeren om at vælge bogstaver. Patienten, som havde amyotrofisk lateral sklerose (ALS) og var i en fuldstændig fastlåst tilstand uden tilbageværende frivillige bevægelser, lærte at ændre sin egen hjerneaktivitet i henhold til den modtagne lydfeedback, hvilket gjorde ham i stand til at danne ord og sætninger og kommunikere med en gennemsnitlig hastighed på omkring et tegn i minuttet.
Som et alternativ til at bruge implanterede elektroder til at registrere hjerneaktivitet, kan neurale signaler også opsamles non-invasivt ved hjælp af elektroencefalografi (EEG) elektroder fastgjort til hovedbunden. Et team ved University of Technology Sydney udviklede en ny grafen-baseret biosensor, der detekterer EEG-signaler med høj følsomhed og pålidelighed – selv i meget saltholdige miljøer. Sensoren, som er lavet af epitaksial grafen dyrket på et siliciumcarbid-på-silicium-substrat, kombinerer grafens høje biokompatibilitet og ledningsevne med siliciumteknologiens fysiske robusthed og kemiske inertitet.
