Von der Entwicklung fortschrittlicher Algorithmen für maschinelles Lernen bis hin zum Bau von Geräten, die den Zugang zu wirksamen Behandlungen für Patienten auf der ganzen Welt verbessern, wenden Forscher, die in der medizinischen Physik, Biotechnologie und vielen verwandten Bereichen arbeiten, weiterhin wissenschaftliche Techniken an, um die Gesundheitsversorgung weltweit zu verbessern. Physik-Welt über viele solcher Innovationen im Jahr 2022 berichtet hat, hier nur einige der Forschungshighlights, die uns aufgefallen sind.
KI in allen Bereichen
Künstliche Intelligenz (KI) spielt eine immer wichtigere Rolle in der medizinischen Physik – vom Umgang mit den riesigen Datenmengen, die während der diagnostischen Bildgebung generiert werden, über das Verständnis der Entwicklung von Krebs im Körper bis hin zur Unterstützung bei der Entwicklung und Optimierung von Behandlungen. Mit dieser Einstellung, Physik-Welt veranstaltete im Juni eine AI in Medical Physics Week, die sich mit der Verwendung von Deep Learning für Anwendungen befasste, darunter adaptive Online-Strahlentherapie, PET-Bildgebung, Berechnung der Protonendosis, Analyse von Kopf-CT-Scans und Identifizierung einer COVID-19-Infektion in Lungenscans.
Anfang des Jahres befasste sich eine spezielle Sitzung beim APS March Meeting mit einigen der neuesten Entwicklungen medizinische Anwendungen von KI und maschinellem Lernen, einschließlich Deep Learning für die Diagnose und Überwachung von Hirnerkrankungen und neurodegenerativen Erkrankungen sowie den Einsatz von KI für die Bildregistrierung und Segmentierung. Eine weitere faszinierende Studie war die Verwendung eines neuronalen Netzwerks durch die EPFL zur Erstellung einer Intelligentes Mikroskop das subtile Vorläufer seltener biologischer Ereignisse erkennt und seine Erfassungsparameter als Reaktion darauf steuert.
Das Versprechen von Proton FLASH
In einer Entwicklung, die es auch in unsere geschafft hat Top 10 Durchbrüche des Jahres Für 2022 berichtete Emily Daugherty vom Krebszentrum der Universität von Cincinnati auf der diesjährigen ASTRO-Jahrestagung über die Ergebnisse der erste klinische Studie zur FLASH-Strahlentherapie. FLASH-Behandlungen – bei denen therapeutische Strahlung mit ultrahohen Dosisraten abgegeben wird – sind vielversprechend, um die normale Gewebetoxizität zu reduzieren und gleichzeitig die Antitumoraktivität aufrechtzuerhalten. In dieser Studie verwendeten die Forscher die FLASH-Protonentherapie, um 10 Patienten mit schmerzhaften Knochenmetastasen zu behandeln. Sie demonstrierten die Machbarkeit des klinischen Arbeitsablaufs und zeigten, dass die Behandlung zur Schmerzlinderung genauso wirksam war wie eine konventionelle Strahlentherapie, ohne unerwartete Nebenwirkungen zu verursachen.
Die Studie repräsentiert auch die erste Anwendung von Protonen-FLASH am Menschen. Die meisten der früheren vorklinischen FLASH-Studien verwendeten Elektronen; Elektronenstrahlen dringen jedoch nur wenige Zentimeter in das Gewebe ein, während Protonen viel tiefer eindringen. In der Hoffnung, diesen Vorteil auszunutzen, untersuchen auch viele andere Gruppen Protonen-FLASH, darunter Wissenschaftler der University of Pennsylvania, die mithilfe von Computermodellen herausgefunden haben, welches das größte ist effektive Übertragungstechnik für FLASH-Protonenstrahlen, und Forscher vom Erasmus University Medical Center, Instituto Superior Técnico und HollandPTC, die einen Algorithmus dafür entwickelt haben optimiert die Abgabemuster des Protonenstiftstrahls um die FLASH-Abdeckung zu maximieren.
Sicht zurückbringen
Die Wiederherstellung des Sehvermögens bei Menschen, die das Sehvermögen verloren haben, ist eine wesentliche Forschungsaufgabe. In diesem Jahr haben wir über zwei Studien berichtet, die diesem Ziel einen Schritt näher kommen wollen. Forscher der University of Southern California untersuchen die Verwendung von Ultraschallstimulation zur Behandlung von Blindheit verursacht durch eine Netzhautdegeneration. Während Sehprothesen, die das Sehvermögen durch elektrische Stimulation von Netzhautneuronen wiederherstellen, bereits erfolgreich bei Patienten eingesetzt wurden, handelt es sich um invasive Geräte, die komplexe Implantationsoperationen erfordern. Stattdessen zeigte das Team, dass die Stimulation der Augen einer blinden Ratte mit nicht-invasivem Ultraschall kleine Gruppen von Neuronen im Tierauge aktivieren kann.
An anderer Stelle entwickelte sich ein Team in Schweden, Iran und Indien eine neue Art, künstliche Hornhäute herzustellen, unter Verwendung von medizinischem Kollagen aus Schweinehaut (ein gereinigtes Nebenprodukt der Lebensmittelindustrie), das die Forscher chemisch und photochemisch behandelt haben, um seine Festigkeit und Stabilität zu verbessern. In einer Pilotstudie mit 20 Patienten zeigten sie, dass ihre Implantate stark und widerstandsfähig gegen Abbau waren und das Sehvermögen der Patienten durch minimalinvasive Chirurgie vollständig wiederherstellen konnten. Aufgrund dieses Erfolgs hoffen Mehrdad Rafat und sein Team, dass der neue Ansatz den Mangel an Spenderhornhäuten für die Transplantation beheben und die Behandlungsoptionen für die vielen Menschen weltweit verbessern kann, die dringend neue Hornhäute benötigen.
Innovationen für Gehirn-Computer-Schnittstellen
Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs) bilden eine Brücke zwischen dem menschlichen Gehirn und externer Software oder Hardware. In diesem Jahr haben Forscher erfolgreich an BCI implantiert, um einer vollständig gelähmten Person die Kommunikation zu ermöglichen. Das Team – vom Wyss Center for Bio and Neuroengineering, ALS Voice und der Universität Tübingen – implantierte zwei winzige Mikroelektrodenarrays in die Oberfläche des motorischen Kortex des Teilnehmers. Die Elektroden zeichnen neuronale Signale auf, die dekodiert und in einem akustischen Feedback-Speller verwendet werden, der den Benutzer auffordert, Buchstaben auszuwählen. Der Patient, der an Amyotropher Lateralsklerose (ALS) litt und sich in einem vollständig eingeschlossenen Zustand ohne verbleibende willkürliche Bewegung befand, lernte, wie er seine eigene Gehirnaktivität entsprechend dem erhaltenen Audio-Feedback ändern konnte, wodurch er in die Lage versetzt wurde, Wörter und Sätze zu bilden und zu kommunizieren mit einer durchschnittlichen Rate von etwa einem Zeichen pro Minute.
Als Alternative zur Verwendung implantierter Elektroden zur Erfassung der Gehirnaktivität können neuronale Signale auch nicht-invasiv mit Elektroenzephalographie (EEG)-Elektroden erfasst werden, die an der Kopfhaut angebracht werden. Ein Team an der University of Technology Sydney entwickelte a neuartiger Biosensor auf Graphenbasis, der EEG-Signale erkennt mit hoher Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit – auch in stark salzhaltiger Umgebung. Der Sensor, der aus epitaxialem Graphen besteht, das auf einem Siliziumkarbid-auf-Silizium-Substrat gewachsen ist, kombiniert die hohe Biokompatibilität und Leitfähigkeit von Graphen mit der physikalischen Robustheit und chemischen Trägheit der Siliziumtechnologie.
