Eine Schicht aus Quantenpunkten verbessert die Cherenkov-Bildgebung der Strahlentherapiedosis

Die Cherenkov-Bildgebung ermöglicht die Echtzeit-Visualisierung von Strahlenbündeln auf dem Körper eines Patienten und bietet ein Mittel zur Bewertung der Genauigkeit der Bestrahlungstherapie. Forscher in China haben nun eine Möglichkeit entwickelt, die Qualität von Cherenkov-Bildern zu verbessern, indem sie eine flexible, ungiftige Platte aus Kohlenstoff-Quantenpunkten (cQDs) verwenden, die am Patienten befestigt wird.

Cherenkov-Licht 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 die genaue Dosis an, die während der Behandlung abgegeben wird. Das optische Bildgebungsverfahren bietet im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der Strahlendosismessung eine hohe räumliche Auflösung, hohe Empfindlichkeit und schnelle Bildgebungsgeschwindigkeit.

Die Intensität der Cherenkov-Emission ist jedoch gering, und die emittierten Photonen werden gestreut und vom Gewebe absorbiert. Aus diesem Grund haben Standard-CCD-Kameras (Charge-Coupled Device) Schwierigkeiten, das Signal zu erfassen. Stattdessen werden teurere verstärkte CMOS/CCD-Kameras verwendet.

Die cQDs haben Absorptionsspektren, die mit den Cherenkov-Emissionsspektren überlappen; sie emittieren dann Lumineszenz bei längeren Wellenlängen. Die cQD-Folie, entwickelt und getestet am Department of Nuclear Science and Technology of Nanjing Universität für Luft- und Raumfahrt, kann daher verwendet werden, um die Cherenkov-Emission zu verschieben, um sie an die optimale Wellenlänge des empfindlichen Erfassungsbereichs einer CCD-Kamera anzupassen.

Wenn die cQD-Folie angebracht ist, besteht die optische Emission aus Cherenkov-Photonen, die in der oberflächlichen Oberfläche des Gewebes erzeugt werden, Fluoreszenz, die durch die Cherenkov-Photonen angeregt wird, und der in den cQDs erzeugten Radiolumineszenz. Dies erhöht das optische Gesamtsignal und verbessert die Bildqualität und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der erfassten Bilder.

Hauptermittler Changran Geng und Kollegen erstellten die cQD-Folie unter Verwendung einer Lösung aus cQDs mit 10 nm Durchmesser und UV-härtbarem Klebstoff. Diese Mischung wurde auf ein mit Kunststofffolie beschichtetes Substrat aufgeschleudert und mit einer UV-Lampe verfestigt. Das Kunststoffsubstrat stellt sicher, dass das Szintillationsmaterial nicht direkt mit der Haut in Kontakt kommt.

Die resultierende cQD-Folie hatte eine Dicke von 222 ± 5 &mgr;m und einen Durchmesser von 15 cm und war flexibel genug, um sich an die Oberfläche des Patienten anzupassen. Das Team stellt fest, dass die cQD-Folie fast transparent ist und die Cherenkov-Emission von Geweben nicht blockiert.

Bericht über ihre Ergebnisse in Medizinische Physik, testeten die Forscher die cQD-Folie zunächst auf einer festen Wasserplatte, die mit einer 2 mm dicken Schicht aus hellem, hautfarbenem Ton bedeckt war, um die optischen Eigenschaften der Haut nachzuahmen. Sie bewerteten die Beziehung zwischen optischer Intensität und abgegebener Dosis unter Verwendung von cQD-Konzentrationen von 0, 0.05 und 0.1 mg/ml, abgegebenen Dosen von 100–500 MU und 6- und 10-MV-Strahlen. Sie beobachteten eine lineare Beziehung zwischen optischer Intensität und Dosis sowohl für 6- als auch für 10-MV-Photonen. Durch Hinzufügen der cQD-Folie wurde das SNR in beiden Fällen mehr als verdoppelt.

Das Team untersuchte dann die Leistung der cQD-Folie an einem anthropomorphen Phantom unter Verwendung verschiedener Strahlentherapiematerialien und verschiedener Umgebungslichtquellen. Die Lichtemission von der Oberfläche der verschiedenen Materialien war mit cQD-Folie um über 60 % höher als ohne. Insbesondere erhöhte sich die durchschnittliche optische Intensität um etwa 69.25 %, 63.72 % und 61.78 %, wenn cQD-Folie zu Bolus, Maskenprobe bzw. einer Kombination aus Bolus und Maske hinzugefügt wurde. Die entsprechenden SNRs verbesserten sich um etwa 62.78 %, 56.77 % und 68.80 %.

Unter Umgebungslicht von einer roten LED konnten optische Bilder mit einem SNR von mehr als 5 durch die Folie erhalten werden. Das Hinzufügen eines Bandpassfilters erhöhte das SNR um etwa 98.85 %.

„Durch eine Kombination aus cQD-Folie und entsprechendem Filter lassen sich Lichtstärke und SNR optischer Bilder deutlich steigern“, schreiben die Forscher. „Dies wirft ein neues Licht auf die Förderung der klinischen Anwendung der optischen Bildgebung zur Visualisierung des Strahls in der Strahlentherapie mit einem schnelleren und kostengünstigeren Bilderfassungsprozess.“

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

Geng erzählt Physik-Welt dass das Team seine Forschung in vielerlei Hinsicht aktiv fortsetzt. Ein Beispiel ist die Untersuchung der Cherenkov-Bildgebung zur Verwendung bei der Elektronenstrahl-Strahlentherapie von Keloiden, gutartigen fibrösen Läsionen, die aus einer anormalen Heilungsreaktion entstehen.

„Einige Studien haben gezeigt, dass eine postoperative Elektronenstrahl-Strahlentherapie die Raten von Keloidrezidiven reduzieren kann“, erklärt Geng. „Allerdings sind ungenaue Lieferungen häufig mit der Variation von Elektronenstrahlparametern sowie Unsicherheiten bei der Einrichtung des Patienten oder Atembewegungen verbunden. Diese können zu einer unzureichenden oder übermäßigen Dosis in den nicht übereinstimmenden benachbarten Feldern führen und möglicherweise Gewebeschäden an normaler Haut oder ein Wiederauftreten von Keloiden verursachen. Wir versuchen, die Cherenkov-Bildgebungstechnologie mit cQD-Folie zu verwenden, um die Übereinstimmung benachbarter Strahlungsfelder zu messen, die während der Keloid-Elektronen-Strahlentherapie in Echtzeit abgegeben werden.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/a-sheet-of-quantum-dots-enhances-cherenkov-imaging-of-radiotherapy-dose/