L'imaging Cherenkov a risoluzione cromatica migliora l'accuratezza del monitoraggio della dose di radioterapia

L'imaging Cherenkov durante la radioterapia consente la visualizzazione e la mappatura in tempo reale dei fasci di radiazioni mentre erogano la dose al corpo di un paziente, fornendo un modo per valutare l'accuratezza della somministrazione del trattamento in tempo reale. Viene inoltre ampiamente testato nei laboratori di ricerca di tutto il mondo come strumento per quantificare le effettive dosi di radiazioni erogate ai pazienti, in un modo che non è influenzato dal colore della pelle.

La tecnica di imaging ottico offre i vantaggi di un'elevata risoluzione spaziale, un'elevata sensibilità e una rapida velocità di imaging rispetto ai metodi convenzionali per misurare la dose di radiazioni. Ma ci sono ancora sfide da superare prima che tutte le sue capacità possano essere adottate per l'uso clinico.

La radiazione Cherenkov viene prodotta quando le particelle cariche viaggiano a una velocità maggiore della velocità di fase della luce nei tessuti. L'intensità del segnale è proporzionale alla dose di radiazioni erogata e, in uno scenario ideale, indica con precisione la dose erogata durante il trattamento radioterapico.

In realtà, tuttavia, l'attenuazione tissutale riduce l'intensità della radiazione Cherenkov emessa e altera la relazione lineare tra la dose depositata e l'emissione Cherenkov osservata. Per questo motivo, il segnale Cherenkov dal tessuto umano non è ancora interpretabile con precisione come completamente proporzionale alla dose.

Ricercatori a Dartmouth College e la University of Wisconsin-Madison stanno lavorando per rendere l'imaging Cherenkov un indicatore affidabile della dose di radiazioni. In un recente studio riportato in Giornale di ottica biomedica, hanno utilizzato una telecamera intensificata a tre canali personalizzata e temporizzata per visualizzare le lunghezze d'onda rosse, verdi e blu dell'emissione di Cherenkov da vari fantasmi di tessuto. Ipotizzano che l'intensità dell'emissione di Cherenkov cambi con le variazioni delle caratteristiche di assorbimento biologico, come la concentrazione del sangue all'interno del tessuto e la concentrazione di melanina nella pelle umana con diversi livelli di pigmentazione.

"L'assorbimento e la dispersione dei tessuti possono causare una grande variazione tra i pazienti nelle emissioni di Cherenkov rilevate", spiega il ricercatore principale Brian Pogo, del Scuola di medicina e sanità pubblica dell'Università del Wisconsin-Madison e di Dartmouth Thayer School of Engineering. “Sappiamo che la variazione del colore della pelle può alterare il livello del segnale fino al 90% e i cambiamenti nel sangue o nel contenuto di dispersione possono causare una variazione del segnale fino al 20%.

«Abbiamo condotto il nostro studio per comprendere meglio in che modo le proprietà ottiche dei tessuti influenzano i colori di emissione della luce Cherenkov e per iniziare a identificare i modi per utilizzare lo spettro della luce per la calibrazione o la correzione degli effetti di attenuazione dei tessuti», spiega.

Per lo studio, Pogue e colleghi hanno preparato fantasmi di tessuto e sangue con diversi livelli di melanina e volume sanguigno. Hanno creato strati epidermici sintetici di 0.1 mm di spessore contenenti sette diverse concentrazioni di melanina sintetica che corrispondono a quelle della pelle umana, quindi hanno posizionato questi strati sopra spessi fantasmi di tessuto sfuso. I ricercatori hanno anche testato sette fantasmi di sangue con concentrazioni ematiche che vanno da quella del tessuto adiposo fino al tessuto muscolare altamente vascolarizzato.

I ricercatori hanno irradiato i fantasmi con una dose di 3 Gy utilizzando fasci di fotoni da 6 MV e fasci di elettroni da 6 MeV e hanno acquisito immagini per ogni canale di colore. Le acquisizioni sono state sincronizzate al linac, per catturare l'emissione di Cherenkov solo durante gli impulsi di radiazione di microsecondi senza luce ambientale di fondo. Notano che per entrambi i fasci non vi era alcuna emissione di Cherenkov osservabile per la melanina superiore a 0.0076 mg/ml (un livello medio-alto).

Il team riferisce che l'emissione di Cherenkov dai fantasmi è diminuita all'aumentare della concentrazione di melanina. Livelli estremamente elevati di melanina hanno causato una significativa riduzione delle emissioni di Cherenkov, rendendo difficile eseguire l'imaging in individui con le tonalità della pelle più scure.

Anche il colore ha fatto la differenza durante l'imaging dei fantasmi del sangue, con una maggiore attenuazione all'aumentare della concentrazione del sangue. Il canale rosso si è attenuato in misura minore rispetto ai canali blu e verde, a causa dell'assorbimento dei colori blu e verde da parte dell'ossiemoglobina nel sangue. "Questi risultati suggeriscono che l'imaging nelle lunghezze d'onda del rosso e del vicino infrarosso sarà migliore", commenta Pogue. "Inoltre, aver caratterizzato la quantità di attenuazione in ciascuna banda di colore faciliterà la calibrazione del colore della pelle".

“I nostri risultati supportano l'idea che l'imaging a colori o spettrale di Cherenkov potrebbe fornire una metodologia sperimentale per la separazione dell'attenuazione biologica dell'intensità dalla generazione fisica di Cherenkov con la deposizione della dose. L'obiettivo sarebbe idealmente quello di utilizzare l'intensità di Cherenkov come indicatore della dose erogata nel tessuto, indipendentemente dal volume del sangue al suo interno o dal colore della pelle, utilizzando la correzione del colore", scrivono i ricercatori.

Imaging Cherenkov per la visualizzazione della radioterapia: un anno di uso clinico

Il team ha avviato una sperimentazione clinica con i collaboratori di Moffitt Cancer Center, per visualizzare i pazienti con una gamma più ampia di variazione del colore della pelle e spera di espandere lo studio a UWHealth a Madison "Questo ci permetterà di testare questo tipo di imaging in pazienti che rappresentano meglio la gamma normale delle popolazioni di malati di cancro", dice Pogue Mondo della fisica. "Vogliamo davvero capire meglio come appaiono le immagini e se possiamo fare affidamento sull'imaging Cherenkov per mostrarci il modello di erogazione delle radiazioni a tutti i pazienti, indipendentemente dal colore della loro pelle".

"Finora, i dati sembrano incoraggianti", aggiunge. “Poiché viene emessa meno luce man mano che il contenuto di melanina della pelle aumenta, utilizziamo anche l'imaging a colori per correggere questo problema. Speriamo di poter rendere il sistema ampiamente indipendente dal colore della pelle. Riteniamo che l'interpretazione spettroscopica possa aiutare a correlare meglio l'emissione di Cherenkov alla dose di radiazioni ionizzanti erogata durante la radioterapia".

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