Farveopløst Cherenkov-billeddannelse forbedrer nøjagtigheden af ​​overvågning af strålebehandlingsdosis

Cherenkov-billeddannelse under strålebehandling muliggør realtidsvisualisering og kortlægning af strålingsstrålerne, når de afgiver dosis til en patients krop, hvilket giver en måde at evaluere nøjagtigheden af ​​behandlingsleveringen i realtid. Det bliver også grundigt testet i forskningslaboratorier verden over som et værktøj til at kvantificere de faktiske strålingsdoser, der leveres til patienter, på en måde, der ikke er påvirket af hudfarve.

Den optiske billedbehandlingsteknik tilbyder fordelene ved høj rumlig opløsning, høj følsomhed og hurtig billeddannelseshastighed sammenlignet med konventionelle metoder til måling af stråledosis. Men der er stadig udfordringer, der skal overvindes, før alle dets muligheder kan tages i brug til klinisk brug.

Cherenkov-stråling produceres, når ladede partikler bevæger sig med en hastighed, der er større end lysets fasehastighed i væv. Signalintensiteten er proportional med den afgivne strålingsdosis og angiver i et ideelt scenarie nøjagtigt den afgivne dosis under strålebehandling.

I virkeligheden reducerer vævsdæmpning imidlertid intensiteten af ​​den udsendte Cherenkov-stråling og ændrer det lineære forhold mellem aflejret dosis og observeret Cherenkov-emission. På grund af dette kan Cherenkov-signalet fra humant væv endnu ikke fortolkes nøjagtigt som fuldt proportionalt med dosis.

Forskere hos Dartmouth College og University of Wisconsin-Madison arbejder på at gøre Cherenkov-billeddannelse til en pålidelig indikator for strålingsdosis. I en nylig undersøgelse rapporteret i Journal of Biomedical Optics, brugte de et brugerdefineret, tidsstyret tre-kanals intensiveret kamera til at afbilde de røde, grønne og blå bølgelængder af Cherenkov-emission fra forskellige vævsfantomer. De antager, at intensiteten af ​​Cherenkov-emissionen ændres med variationer i biologiske absorptionsegenskaber - såsom blodkoncentration i væv og melaninkoncentration i menneskelig hud med forskellige niveauer af pigmentering.

"Vævsabsorption og spredning kan forårsage en stor variation blandt patienter i detekterede Cherenkov-emissioner," forklarer hovedforsker Brian Pogue, af University of Wisconsin-Madison School of Medicine and Public Health og Dartmouth's Thayer Ingeniørskole. "Vi ved, at variation i hudfarve kan ændre signalniveauet med op til 90 %, og ændringer i blod- eller spredningsindhold kan forårsage op til 20 % signalvariation."

"Vi gennemførte vores undersøgelse for bedre at forstå, hvordan vævsoptiske egenskaber påvirker emissionsfarverne af Cherenkov-lys, og for at begynde at identificere måder at bruge lysets spektrum til kalibrering eller korrektion af vævsdæmpningseffekter," forklarer han.

Til undersøgelsen forberedte Pogue og kolleger vævs- og blodfantomer med varierende niveauer af melanin og blodvolumen. De skabte syntetiske 0.1 mm tykke epidermale lag indeholdende syv forskellige koncentrationer af syntetisk melanin, der matcher dem i menneskelig hud, og placerede derefter disse lag oven på tykke vævsfantomer. Forskerne testede også syv blodfantomer med blodkoncentrationer lige fra fedtvæv op til stærkt vaskulariseret muskelvæv.

Forskerne bestrålede fantomerne med en 3 Gy dosis ved hjælp af 6 MV foton og 6 MeV elektronstråler og erhvervede billeder for hver farvekanal. Opkøbene var tidsstyret til linacen, for kun at fange Cherenkov-emissionen under mikrosekunders strålingsimpulser uden baggrundslys. De bemærker, at for begge stråler var der ingen observerbar Cherenkov-emission for melanin over 0.0076 mg/ml (et middelhøjt niveau).

Holdet rapporterer, at Cherenkov-emissionen fra fantomerne faldt, da melaninkoncentrationen steg. Ekstremt høje melaninniveauer forårsagede en betydelig reduktion i Cherenkov-emissionen, hvilket gjorde det udfordrende at udføre billeddannelse hos personer med de mørkeste hudtoner.

Farve gjorde også en forskel ved billeddannelse af blodfantomer, med større dæmpning efterhånden som blodkoncentrationen steg. Den røde kanal svækkedes i mindre grad end de blå og grønne kanaler på grund af oxyhæmoglobins absorption af blå og grønne farver i blodet. "Disse resultater tyder på, at billeddannelse i de røde og nær-infrarøde bølgelængder vil være bedre," kommenterer Pogue. "Derudover vil det at have karakteriseret mængden af ​​dæmpning i hvert farvebånd lette kalibreringen for hudfarve."

"Vores resultater understøtter ideen om, at farve- eller spektralbilleddannelse af Cherenkov kan give en eksperimentel metode til adskillelse af biologisk dæmpning af intensiteten fra den fysiske generering af Cherenkov med dosisaflejring. Målet ville ideelt set være at bruge Cherenkov-intensiteten som en indikator for den dosis, der afgives i vævet, uafhængigt af blodvolumen i det eller hudfarve, ved hjælp af farvekorrektion,” skriver forskerne.

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

Holdet har startet et klinisk forsøg med samarbejdspartnere kl Moffitt Cancer Center, for at afbilde patienter med et større udvalg af hudfarvevariationer, og håber at udvide forsøget til UWHealth i Madison "Dette vil give os mulighed for at teste denne type billeddannelse hos patienter, der bedre repræsenterer det normale udvalg af cancerpatienter," fortæller Pogue Fysik verden. "Vi vil virkelig gerne bedre forstå, hvordan billederne ser ud, og hvis vi kan stole på, at Cherenkov-billedbehandling viser os mønsteret for strålingslevering til alle patienter, uafhængigt af deres hudfarve."

"Indtil videre ser dataene opmuntrende ud," tilføjer han. "Fordi der udsendes mindre lys, når melaninindholdet i huden bliver højere, bruger vi også farvebilleder til at korrigere for dette. Vi håber på, at vi kan gøre systemet stort set uafhængigt af hudfarven. Vi mener, at spektroskopisk fortolkning kan hjælpe til bedre at relatere Cherenkov-emission til ioniserende strålingsdosis leveret under strålebehandling."

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/colour-resolved-cherenkov-imaging-improves-the-accuracy-of-radiotherapy-dose-monitoring/