Dipingere con i protoni: i raggi di trattamento ricreano opere d'arte – Physics World

Dipingere con i protoni: i raggi di trattamento ricreano opere d'arte – Physics World

Timestamp: 27 settembre 2023 4:30

I raggi di protoni ricreano opere d'arte
Dipinti protonici L'opera d'arte originale e i "dipinti" ricreati in isodose color wash e dose color wash for La ragazza con l'orecchino di perla di Johannes Vermeer (riga in alto), La notte stellata di Vincent van Gogh (fila centrale) e L'urlo di Edvard Munch (riga in basso). (Cortesia: Dosimetria medica 10.1016/j.meddos.2023.08.006)

La terapia protonica ad intensità modulata (IMPT) è una tecnica avanzata di trattamento del cancro che utilizza fasci di protoni stretti a forma di matita – dipinti punto per punto e strato per strato all’interno del paziente – per fornire radiazioni in schemi di dose altamente complessi. In combinazione con sofisticate tecniche di pianificazione del trattamento, l’IMPT può modellare la dose di protoni per adattarla al tumore bersaglio con una precisione senza precedenti, massimizzando la distruzione delle cellule tumorali e riducendo al minimo i danni ai tessuti sani vicini.

Cercando di mostrare l’impressionante potere dell’IMPT nel creare complesse distribuzioni di dose, il fisico medico Lee Xu del Centro protonico di New York ha escogitato un approccio insolito: ha utilizzato fasci di protoni per ricreare una serie di dipinti famosi come piani di trattamento, utilizzando effettivamente i protoni come un pennello.

“Quando sono entrato in questo campo per la prima volta, ricordo di aver guardato i piani di trattamento e di essere rimasto stupito da quanto fossero belli. Mi sembravano davvero delle opere d’arte”, racconta Xu Mondo della fisica. “Mentre trascorrevo sempre più tempo osservando la pianificazione del trattamento, mi sono reso conto di quanto i dosimetristi fossero simili agli artisti. L’unica differenza in realtà era nel mezzo che usavano e nella tela su cui applicavano il mezzo”.

Xu ha scelto cinque dipinti famosi: La ragazza con l'orecchino di perla di Johannes Vermeer, La notte stellata di Vincent van Gogh, L'urlo di Edvard Munch, Composizione con rosso, blu e giallo di Piet Mondrian, e Figlio di uomo di René Magritte – da ricreare nel sistema di pianificazione del trattamento Eclipse v16.1, condividendo le immagini risultanti in Dosimetria medica.

Per generare ciascun “dipinto”, il sistema di pianificazione ha utilizzato protoni clinici con energie di 70–250 MeV per depositare la “vernice” (dose di radiazione) su una “tela” (un fantasma d’acqua), con una prescrizione totale di 100 Gy in 50 frazioni . Ciascun piano di trattamento utilizzava da uno a sei campi protonici diretti sul lato anteriore della tela, con l'isocentro posto a una profondità di 10 cm.

Il processo inizia in modo simile a un'opera d'arte tradizionale: creando uno schizzo preliminare sulla tela per determinare il layout generale, in questo caso utilizzando lo strumento pennello 2D nell'area di lavoro di contouring di Eclipse. Successivamente, elementi chiave come il cielo e la terra sono delineati come contorni e divisi in strutture separate per rappresentare diversi colori, toni e trame. In alcuni casi, Xu ha utilizzato una suddivisione finale in strutture ancora più piccole (fino a 65 per i dipinti più complessi) per riflettere i dettagli più intricati.

Xu ha assegnato colori diversi a vari livelli di isodose compresi tra 0 e 100 Gy in intervalli di circa 300 cGy. Ha poi ottimizzato i piani di trattamento per depositare all'interno della tela dosi che raggiungessero il colore desiderato in ciascuna regione. Xu nota che la distribuzione della dose finale è stata calcolata utilizzando lo stesso algoritmo di sovrapposizione di convoluzione protonica impiegato nella sua clinica.

"Dopo aver conosciuto la terapia protonica a scansione con fascio di matita, mi sono reso conto che le possibilità di dipingere la dose utilizzando i protoni erano quasi illimitate", afferma Xu. “Volevo davvero vedere fino a che punto potevo spingermi, e quale modo migliore se non ricreare alcuni dei miei dipinti preferiti utilizzando raggi di protoni. Anche se ho questa idea da quasi cinque anni ormai, solo di recente ho avuto il tempo e la pazienza per portarla a compimento”.

Le ricostruzioni finali hanno mostrato una marcata somiglianza con le opere d'arte originali con una risoluzione sufficiente per chiarire i dettagli più fini. Xu nota che ogni dipinto è in realtà un'opera d'arte tridimensionale e può essere visto a più profondità all'interno del fantasma dell'acqua.

Oltre ad essere un’impressionante dimostrazione di tecnologia medica all’avanguardia, i dipinti hanno uno scopo aggiuntivo. Xu prevede che potrebbero fungere da strumento educativo, per aiutare i pazienti sottoposti a trattamento a comprendere i principi generali della terapia protonica, o anche per aiutare gli studenti di medicina e fisica medica a comprendere meglio la fisica protonica e la dosimetria utilizzando una serie di dipinti annotati.

"Spero che questo articolo mostri i progressi compiuti dai tempi della pianificazione 2D e il modo in cui la tecnologia moderna ci ha permesso di fornire cure altamente mirate e specifiche per ciascun paziente", aggiunge Xu. “Spero anche che questo lavoro serva a ricordare a tutti noi nei campi della radioterapia oncologica e della fisica medica che, sebbene spesso ci consideriamo scienziati o medici, nel profondo siamo anche artisti; e senza l’arte il nostro campo non sarebbe lo stesso.”

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