Die farbaufgelöste Cherenkov-Bildgebung verbessert die Genauigkeit der Überwachung der Strahlentherapiedosis

Die Cherenkov-Bildgebung während der Strahlentherapie ermöglicht die Echtzeit-Visualisierung und Kartierung der Strahlenbündel, während sie eine Dosis an den Körper eines Patienten abgeben, und bietet eine Möglichkeit, die Genauigkeit der Behandlungsabgabe in Echtzeit zu bewerten. Es wird auch ausgiebig in Forschungslabors weltweit als Instrument zur Quantifizierung der tatsächlich an Patienten abgegebenen Strahlendosen getestet, und zwar auf eine Weise, die von der Hautfarbe unbeeinflusst ist.

Die optische Bildgebungstechnik bietet im Vergleich zu herkömmlichen Methoden zur Messung der Strahlendosis die Vorteile einer hohen räumlichen Auflösung, einer hohen Empfindlichkeit und einer schnellen Bildgebungsgeschwindigkeit. Es müssen jedoch noch Herausforderungen bewältigt werden, bevor alle seine Fähigkeiten für den klinischen Einsatz übernommen werden können.

Cherenkov-Strahlung wird erzeugt, wenn sich geladene Teilchen mit einer Geschwindigkeit bewegen, die größer ist als die Phasengeschwindigkeit des Lichts im Gewebe. Die Signalintensität ist proportional zur abgegebenen Strahlendosis und zeigt im Idealfall genau die während der Strahlentherapiebehandlung abgegebene Dosis an.

In Wirklichkeit verringert jedoch die Gewebedämpfung die Intensität der emittierten Cherenkov-Strahlung und verändert die lineare Beziehung zwischen der deponierten Dosis und der beobachteten Cherenkov-Emission. Aus diesem Grund ist das Cherenkov-Signal aus menschlichem Gewebe noch nicht genau als vollständig proportional zur Dosis interpretierbar.

Forscher bei Dartmouth College und für University of Wisconsin-Madison arbeiten daran, die Cherenkov-Bildgebung zu einem zuverlässigen Indikator für die Strahlendosis zu machen. In einer kürzlich veröffentlichten Studie in der Zeitschrift für biomedizinische Optikverwendeten sie eine kundenspezifische, zeitgesteuerte Dreikanal-Intensivkamera, um die roten, grünen und blauen Wellenlängen der Cherenkov-Emission von verschiedenen Gewebephantomen abzubilden. Sie stellen die Hypothese auf, dass sich die Intensität der Cherenkov-Emission mit Variationen der biologischen Absorptionsmerkmale ändert – wie der Blutkonzentration im Gewebe und der Melaninkonzentration in der menschlichen Haut mit unterschiedlichem Pigmentierungsgrad.

„Die Gewebeabsorption und -streuung kann bei den nachgewiesenen Cherenkov-Emissionen zu großen Schwankungen zwischen den Patienten führen“, erklärt der Hauptforscher Brian Pogue, des University of Wisconsin-Madison School of Medicine and Public Health und Dartmouths Thayer School of Engineering. „Wir wissen, dass Schwankungen der Hautfarbe den Signalpegel um bis zu 90 % verändern können, und Veränderungen des Blut- oder Streuinhalts können Signalschwankungen von bis zu 20 % verursachen.“

„Wir haben unsere Studie durchgeführt, um besser zu verstehen, wie sich die optischen Eigenschaften von Gewebe auf die Emissionsfarben von Cherenkov-Licht auswirken, und um damit zu beginnen, Wege zu finden, wie das Spektrum des Lichts zur Kalibrierung oder Korrektur von Gewebedämpfungseffekten verwendet werden kann“, erklärt er.

Für die Studie präparierten Pogue und Kollegen Gewebe- und Blutphantome mit unterschiedlichen Melaninwerten und Blutvolumen. Sie erzeugten synthetische 0.1 mm dicke Epidermisschichten mit sieben verschiedenen Konzentrationen an synthetischem Melanin, die denen in der menschlichen Haut entsprechen, und platzierten diese Schichten dann auf dicken Gewebephantomen. Die Forscher testeten außerdem sieben Blutphantome mit Blutkonzentrationen von Fettgewebe bis hin zu stark vaskularisiertem Muskelgewebe.

Die Forscher bestrahlten die Phantome mit einer Dosis von 3 Gy unter Verwendung von 6-MV-Photonen- und 6-MeV-Elektronenstrahlen und nahmen Bilder für jeden Farbkanal auf. Die Erfassungen erfolgten zeitgesteuert zum Linac, um die Cherenkov-Emission nur während der Mikrosekunden-Strahlungspulse ohne Hintergrundumgebungslicht zu erfassen. Sie stellen fest, dass es für beide Strahlen keine beobachtbare Cherenkov-Emission für Melanin über 0.0076 mg/ml (ein mittelhohes Niveau) gab.

Das Team berichtet, dass die Cherenkov-Emission der Phantome mit zunehmender Melaninkonzentration abnahm. Extrem hohe Melaninwerte führten zu einer signifikanten Reduzierung der Cherenkov-Emission, was die Bildgebung bei Personen mit den dunkelsten Hauttönen schwierig machte.

Die Farbe machte auch bei der Abbildung von Blutphantomen einen Unterschied, mit größerer Abschwächung, wenn die Blutkonzentration zunahm. Der rote Kanal wurde aufgrund der Absorption der blauen und grünen Farben durch Oxyhämoglobin im Blut in geringerem Maße abgeschwächt als die blauen und grünen Kanäle. „Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bildgebung im roten und nahen Infrarotbereich besser sein wird“, kommentiert Pogue. „Darüber hinaus wird die Charakterisierung der Abschwächung in jedem Farbband die Kalibrierung für die Hautfarbe erleichtern.“

„Unsere Ergebnisse unterstützen die Idee, dass die Farb- oder Spektralbildgebung von Cherenkov eine experimentelle Methode zur Trennung der biologischen Dämpfung der Intensität von der physikalischen Erzeugung von Cherenkov mit Dosisdeposition bieten könnte. Das Ziel wäre idealerweise, die Cherenkov-Intensität als Indikator für die im Gewebe abgegebene Dosis unabhängig vom darin enthaltenen Blutvolumen oder der Hautfarbe mithilfe einer Farbkorrektur zu verwenden“, schreiben die Forscher.

Cherenkov-Bildgebung zur Visualisierung der Strahlentherapie: ein Jahr im klinischen Einsatz

Das Team hat eine klinische Studie mit Mitarbeitern von gestartet Moffitt-Krebszentrum, um Patienten mit einem größeren Spektrum an Hautfarbenvariationen abzubilden, und hofft, die Studie auf erweitern zu können UWGesundheit in Madison „Dies wird es uns ermöglichen, diese Art der Bildgebung bei Patienten zu testen, die den normalen Bereich der Krebspatientenpopulationen besser repräsentieren“, sagt Pogue Physik-Welt. „Wir möchten wirklich besser verstehen, wie die Bilder aussehen, und ob wir uns auf die Cherenkov-Bildgebung verlassen können, um uns das Muster der Strahlenabgabe an alle Patienten unabhängig von ihrer Hautfarbe zu zeigen.“

„Bisher sehen die Daten ermutigend aus“, fügt er hinzu. „Da mit zunehmendem Melaningehalt der Haut weniger Licht emittiert wird, verwenden wir auch Farbbilder, um dies zu korrigieren. Wir hoffen, dass wir das System weitgehend unabhängig von der Hautfarbe machen können. Wir glauben, dass die spektroskopische Interpretation dazu beitragen kann, die Cherenkov-Emission besser mit der während der Strahlentherapie abgegebenen Dosis ionisierender Strahlung in Beziehung zu setzen.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/colour-resolved-cherenkov-imaging-improves-the-accuracy-of-radiotherapy-dose-monitoring/