Una hoja de puntos cuánticos mejora la imagen de Cherenkov de la dosis de radioterapia

Las imágenes de Cherenkov permiten la visualización en tiempo real de los haces de radiación en el cuerpo de un paciente y proporcionan un medio para evaluar la precisión de la administración de radioterapia. Investigadores en China ahora han desarrollado una forma de mejorar la calidad de las imágenes de Cherenkov utilizando una lámina flexible y no tóxica de puntos cuánticos de carbono (cQD) adherida al paciente.

La luz Cherenkov se produce cuando las partículas cargadas viajan a una velocidad mayor que la velocidad de fase de la luz en el tejido. La intensidad de la señal es proporcional a la dosis de radiación administrada, lo que revela la dosis precisa que se administra durante el tratamiento. La técnica de imagen óptica ofrece alta resolución espacial, alta sensibilidad y alta velocidad de imagen en comparación con los métodos convencionales de medición de dosis de radiación.

Sin embargo, la intensidad de la emisión de Cherenkov es baja y los fotones emitidos son dispersados ​​y absorbidos por el tejido. Debido a esto, las cámaras estándar con dispositivo de acoplamiento de carga (CCD) tienen dificultades para captar la señal. En cambio, se están utilizando cámaras CMOS/CCD intensificadas más caras.

Los cQD tienen espectros de absorción que se superponen con los espectros de emisión de Cherenkov; luego emiten luminiscencia en longitudes de onda más largas. La lámina cQD, desarrollada y probada en el Departamento de Ciencia y Tecnología Nuclear de Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing, por lo tanto, se puede usar para cambiar la emisión de Cherenkov para que coincida con la longitud de onda óptima de la región de detección sensible de una cámara CCD.

Con la lámina de cQD en su lugar, la emisión óptica se compone de fotones de Cherenkov generados en la superficie superficial del tejido, la fluorescencia excitada por los fotones de Cherenkov y la radioluminiscencia generada en los cQD. Esto aumenta la señal óptica total y mejora la calidad de imagen y la relación señal/ruido (SNR) de las imágenes adquiridas.

Investigador principal Changrán Geng y sus colegas crearon la lámina de cQD utilizando una solución de cQD de 10 nm de diámetro y adhesivo curable con UV. Esta mezcla se revistió por rotación sobre un sustrato revestido con láminas de plástico y se solidificó con una lámpara UV. El sustrato de plástico asegura que el material de centelleo no entre en contacto directo con la piel.

La hoja de cQD resultante tenía un espesor de 222±5 µm y un diámetro de 15 cm, y era lo suficientemente flexible para adaptarse a la superficie del paciente. El equipo observa que la lámina de cQD es casi transparente y no bloquea la emisión de Cherenkov de los tejidos.

Reportar sus hallazgos en Física Médica, los investigadores probaron inicialmente la lámina de cQD en una losa de agua sólida cubierta con una capa de 2 mm de arcilla color piel clara para imitar las propiedades ópticas de la piel. Evaluaron la relación entre la intensidad óptica y la dosis administrada utilizando concentraciones cQD de 0, 0.05 y 0.1 mg/ml, dosis administradas de 100 a 500 MU y haces de 6 y 10 MV. Observaron una relación lineal entre la intensidad óptica y la dosis para fotones de 6 y 10 MV. La adición de láminas de cQD duplicó con creces la SNR en ambos casos.

Luego, el equipo examinó el rendimiento de la lámina cQD en un fantasma antropomórfico utilizando diferentes materiales de radioterapia y varias fuentes de luz ambiental. La emisión de luz de la superficie de los diversos materiales fue un 60 % mayor con láminas cQD que sin ellas. Específicamente, la intensidad óptica promedio aumentó en aproximadamente un 69.25 %, 63.72 % y 61.78 % al agregar láminas de cQD al bolo, la muestra de máscara y una combinación de bolo y máscara, respectivamente. Las SNR correspondientes mejoraron en un 62.78 %, 56.77 % y 68.80 %.

Bajo la luz ambiental de un LED rojo, se pudieron obtener imágenes ópticas con una SNR superior a 5 a través de la lámina. La adición de un filtro de paso de banda aumentó la SNR en aproximadamente un 98.85 %.

"A través de una combinación de láminas cQD y el filtro correspondiente, la intensidad de la luz y la SNR de las imágenes ópticas se pueden aumentar significativamente", escriben los investigadores. “Esto arroja nueva luz sobre la promoción de la aplicación clínica de imágenes ópticas para visualizar el haz en radioterapia con un proceso de adquisición de imágenes más rápido y menos costoso”.

Imágenes de Cherenkov para visualizar la radioterapia: un año de uso clínico

Geng dice Mundo de la física que el equipo continúa activamente su investigación de muchas maneras. Un ejemplo es la investigación de imágenes de Cherenkov para usar con radioterapia de haz de electrones de queloides, lesiones fibrosas benignas que surgen de una respuesta de curación anormal.

“Algunos estudios han indicado que la radioterapia postoperatoria con haz de electrones puede reducir las tasas de recurrencia de queloides”, explica Geng. “Sin embargo, las entregas imprecisas se asocian comúnmente con la variación de los parámetros del haz de electrones, así como con las incertidumbres de configuración o los movimientos respiratorios del paciente. Esto puede dar lugar a una dosis insuficiente o excesiva en los campos adyacentes que no coinciden, lo que podría causar daños en los tejidos de la piel normal o la recurrencia de queloides. Estamos tratando de utilizar la tecnología de imágenes de Cherenkov con láminas cQD para medir la coincidencia de los campos de radiación adyacentes administrados durante la radioterapia de electrones queloides en tiempo real”.

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