Από την ανάπτυξη προηγμένων αλγορίθμων μηχανικής μάθησης έως την κατασκευή συσκευών που θα βελτιώσουν την πρόσβαση σε αποτελεσματικές θεραπείες για ασθενείς σε όλο τον κόσμο, ερευνητές που εργάζονται στην ιατρική φυσική, τη βιοτεχνολογία και πολλά συναφή πεδία συνεχίζουν να εφαρμόζουν επιστημονικές τεχνικές για τη βελτίωση της υγειονομικής περίθαλψης παγκοσμίως. Κόσμος Φυσικής έχει αναφέρει πολλές τέτοιες καινοτομίες το 2022, εδώ είναι μερικά μόνο από τα σημαντικότερα σημεία της έρευνας που τράβηξαν την προσοχή μας.
AI σε όλους τους τομείς
Η τεχνητή νοημοσύνη (AI) διαδραματίζει ολοένα και πιο διαδεδομένο ρόλο στην αρένα της ιατρικής φυσικής – από την αντιμετώπιση του τεράστιου όγκου δεδομένων που παράγονται κατά τη διαγνωστική απεικόνιση, έως την κατανόηση της εξέλιξης του καρκίνου στο σώμα, τη βοήθεια σχεδιασμού και βελτιστοποίησης θεραπειών. Εχοντας αυτό κατά νου, Κόσμος Φυσικής φιλοξένησε μια AI στην Εβδομάδα Ιατρικής Φυσικής τον Ιούνιο, εξετάζοντας τη χρήση της βαθιάς μάθησης για εφαρμογές συμπεριλαμβανομένων Διαδικτυακή προσαρμοστική ακτινοθεραπεία, Απεικόνιση PET, υπολογισμός δόσης πρωτονίων, ανάλυση αξονικών τομογράφων κεφαλής και αναγνώριση λοίμωξης από COVID-19 σε σαρώσεις πνευμόνων.
Νωρίτερα μέσα στο έτος, μια ειδική συνεδρία στο APS March Meeting εξέτασε μερικά από τα πιο πρόσφατα ιατρικές εφαρμογές της τεχνητής νοημοσύνης και της μηχανικής μάθησης, συμπεριλαμβανομένης της βαθιάς μάθησης για τη διάγνωση και την παρακολούθηση διαταραχών του εγκεφάλου και νευροεκφυλιστικών ασθενειών, και τη χρήση τεχνητής νοημοσύνης για καταχώρηση και τμηματοποίηση εικόνων. Μια άλλη ενδιαφέρουσα μελέτη ήταν η χρήση ενός νευρωνικού δικτύου από το EPFL για τη δημιουργία ενός έξυπνο μικροσκόπιο που ανιχνεύει ανεπαίσθητους πρόδρομους για σπάνια βιολογικά συμβάντα και ελέγχει τις παραμέτρους απόκτησής του ως απόκριση.
Η υπόσχεση του πρωτονίου FLASH
Σε μια εξέλιξη που έφτασε και στο δικό μας 10 κορυφαίες ανακαλύψεις της χρονιάς για το 2022, η φετινή ετήσια συνάντηση ASTRO είδε την Emily Daugherty από το Κέντρο Καρκίνου του Πανεπιστημίου του Σινσινάτι να αναφέρει τα ευρήματα από το πρώτη κλινική δοκιμή ακτινοθεραπείας FLASH. Οι θεραπείες FLASH – στις οποίες η θεραπευτική ακτινοβολία χορηγείται σε εξαιρετικά υψηλούς ρυθμούς δόσης – υπόσχονται τη μείωση της φυσιολογικής τοξικότητας των ιστών διατηρώντας παράλληλα την αντικαρκινική δράση. Σε αυτή τη μελέτη, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν θεραπεία πρωτονίων FLASH για τη θεραπεία 10 ασθενών με επώδυνες οστικές μεταστάσεις. Έδειξαν τη σκοπιμότητα της κλινικής ροής εργασιών και έδειξαν ότι η θεραπεία ήταν εξίσου αποτελεσματική με τη συμβατική ακτινοθεραπεία για την ανακούφιση από τον πόνο, χωρίς να προκαλέσει απροσδόκητες παρενέργειες.
Η μελέτη αντιπροσωπεύει επίσης την πρώτη στον άνθρωπο χρήση του πρωτονίου FLASH. Οι περισσότερες από τις προηγούμενες προκλινικές μελέτες FLASH χρησιμοποιούσαν ηλεκτρόνια. αλλά οι δέσμες ηλεκτρονίων ταξιδεύουν μόνο μερικά εκατοστά στον ιστό ενώ τα πρωτόνια διεισδύουν πολύ βαθύτερα. Ελπίζοντας να εκμεταλλευτούν αυτό το πλεονέκτημα, πολλές άλλες ομάδες ερευνούν επίσης το FLASH πρωτονίων, συμπεριλαμβανομένων επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια που χρησιμοποίησαν υπολογιστική μοντελοποίηση για να ανακαλύψουν ποιο είναι το πιο αποτελεσματική τεχνική παροχής για δέσμες πρωτονίων FLASH, και ερευνητές από το Ιατρικό Κέντρο του Πανεπιστημίου Erasmus, το Instituto Superior Técnico και το HollandPTC, οι οποίοι ανέπτυξαν έναν αλγόριθμο που βελτιστοποιεί τα μοτίβα παράδοσης μολυβιού-δέσμης πρωτονίων για να μεγιστοποιήσετε την κάλυψη FLASH.
Επαναφέροντας την όραση
Η αποκατάσταση της όρασης σε όσους έχουν χάσει την ικανότητα να βλέπουν είναι ένα σημαντικό ερευνητικό έργο. Φέτος αναφέραμε δύο μελέτες που στοχεύουν να φέρουν αυτόν τον στόχο ένα βήμα πιο κοντά. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνια διερευνούν τη χρήση του διέγερση με υπερήχους για τη θεραπεία της τύφλωσης που προκαλείται από εκφύλιση του αμφιβληστροειδούς. Ενώ οι οπτικές προθέσεις που αποκαθιστούν την όραση μέσω ηλεκτρικής διέγερσης των νευρώνων του αμφιβληστροειδούς έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί με επιτυχία σε ασθενείς, πρόκειται για επεμβατικές συσκευές που απαιτούν πολύπλοκες χειρουργικές επεμβάσεις εμφύτευσης. Αντίθετα, η ομάδα έδειξε ότι η διέγερση των ματιών ενός τυφλού αρουραίου με μη επεμβατικό υπερηχογράφημα μπορεί να ενεργοποιήσει μικρές ομάδες νευρώνων στο μάτι του ζώου.
Αλλού, αναπτύχθηκε μια ομάδα στη Σουηδία, το Ιράν και την Ινδία ένας νέος τρόπος παραγωγής τεχνητών κερατοειδών, χρησιμοποιώντας ιατρικής ποιότητας κολλαγόνο που προέρχεται από δέρμα χοίρου (ένα καθαρισμένο υποπροϊόν της βιομηχανίας τροφίμων) το οποίο οι ερευνητές επεξεργάστηκαν χημικά και φωτοχημικά για να βελτιώσουν τη δύναμη και τη σταθερότητά του. Σε μια πιλοτική μελέτη 20 ασθενών, έδειξαν ότι τα εμφυτεύματα τους ήταν ισχυρά και ανθεκτικά στην υποβάθμιση και μπορούσαν να αποκαταστήσουν πλήρως την όραση των ασθενών μέσω ελάχιστα επεμβατικής χειρουργικής επέμβασης. Με βάση αυτή την επιτυχία, ο Mehrdad Rafat και η ομάδα του ελπίζουν ότι η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να αντιμετωπίσει την έλλειψη κερατοειδών δότη για μεταμόσχευση και να αυξήσει τις επιλογές θεραπείας για πολλά άτομα παγκοσμίως που έχουν επείγουσα ανάγκη νέους κερατοειδείς.
Καινοτομίες διεπαφής εγκεφάλου-υπολογιστή
Οι διεπαφές εγκεφάλου-υπολογιστή (BCI) παρέχουν μια γέφυρα μεταξύ του ανθρώπινου εγκεφάλου και του εξωτερικού λογισμικού ή υλικού. Φέτος οι ερευνητές χρησιμοποίησαν με επιτυχία ένα εμφυτεύεται BCI για να επιτρέψει σε ένα άτομο με πλήρη παράλυση να επικοινωνήσει. Η ομάδα – από το Wyss Center for Bio and Neuroengineering, το ALS Voice και το Πανεπιστήμιο του Tübingen – εμφύτευσε δύο μικροσκοπικές συστοιχίες μικροηλεκτροδίων στην επιφάνεια του κινητικού φλοιού του συμμετέχοντος. Τα ηλεκτρόδια καταγράφουν νευρικά σήματα, τα οποία αποκωδικοποιούνται και χρησιμοποιούνται σε έναν ορθογραφικό ακουστικό ανάδρασης που προτρέπει τον χρήστη να επιλέξει γράμματα. Ο ασθενής, ο οποίος έπασχε από αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση (ALS) και ήταν σε κατάσταση τελείως κλειδωμένη χωρίς εναπομείνασα εκούσια κίνηση, έμαθε πώς να αλλάζει τη δική του εγκεφαλική δραστηριότητα σύμφωνα με την ακουστική ανατροφοδότηση που έλαβε, επιτρέποντάς του να σχηματίζει λέξεις και προτάσεις και να επικοινωνεί με μέσο ρυθμό περίπου ενός χαρακτήρα ανά λεπτό.
Ως εναλλακτική λύση στη χρήση εμφυτευμένων ηλεκτροδίων για την ανίχνευση της εγκεφαλικής δραστηριότητας, τα νευρικά σήματα μπορούν επίσης να συλλεχθούν μη επεμβατικά χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια ηλεκτροεγκεφαλογραφίας (EEG) που είναι προσαρτημένα στο τριχωτό της κεφαλής. Μια ομάδα στο Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας του Σίδνεϊ ανέπτυξε α νέος βιοαισθητήρας με βάση το γραφένιο που ανιχνεύει σήματα EEG με υψηλή ευαισθησία και αξιοπιστία – ακόμη και σε περιβάλλοντα με υψηλή αλατότητα. Ο αισθητήρας, ο οποίος είναι κατασκευασμένος από επιταξιακό γραφένιο που αναπτύσσεται σε υπόστρωμα καρβιδίου πυριτίου σε πυρίτιο, συνδυάζει την υψηλή βιοσυμβατότητα και αγωγιμότητα του γραφενίου με τη φυσική στιβαρότητα και τη χημική αδράνεια της τεχνολογίας πυριτίου.
