Un foglio di punti quantici migliora l'imaging Cherenkov della dose di radioterapia

L’imaging Cherenkov consente la visualizzazione in tempo reale dei fasci di radiazioni sul corpo di un paziente e fornisce un mezzo per valutare l’accuratezza della somministrazione della radioterapia. I ricercatori in Cina hanno ora sviluppato un modo per migliorare la qualità delle immagini Cherenkov utilizzando un foglio flessibile e non tossico di punti quantici di carbonio (cQD) attaccato al paziente.

La luce Cherenkov viene prodotta quando le particelle cariche viaggiano ad una velocità maggiore della velocità di fase della luce nel tessuto. L’intensità del segnale è proporzionale alla dose di radiazioni erogata, rivelando la dose precisa erogata durante il trattamento. La tecnica di imaging ottico offre un'elevata risoluzione spaziale, un'elevata sensibilità e un'elevata velocità di imaging rispetto ai metodi convenzionali di misurazione della dose di radiazioni.

L’intensità dell’emissione Cherenkov è tuttavia bassa e i fotoni emessi vengono dispersi e assorbiti dai tessuti. Per questo motivo, le telecamere CCD (dispositivo ad accoppiamento di carica) standard hanno difficoltà a raccogliere il segnale. Vengono invece utilizzate telecamere CMOS/CCD intensificate più costose.

I cQD hanno spettri di assorbimento che si sovrappongono agli spettri di emissione Cherenkov; quindi emettono luminescenza a lunghezze d'onda maggiori. Il rivestimento cQD, sviluppato e testato presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Nucleari di Università di Nanchino di aeronautica e astronautica, può quindi essere utilizzato per spostare l’emissione Cherenkov in modo che corrisponda alla lunghezza d’onda ottimale della regione di rilevamento sensibile di una telecamera CCD.

Con il rivestimento cQD in posizione, l'emissione ottica è composta da fotoni Cherenkov generati nella superficie superficiale del tessuto, fluorescenza eccitata dai fotoni Cherenkov e radioluminescenza generata nei cQD. Ciò aumenta il segnale ottico totale e migliora la qualità dell'immagine e il rapporto segnale-rumore (SNR) delle immagini acquisite.

Investigatore principale Changran Geng e colleghi hanno creato il rivestimento cQD utilizzando una soluzione di cQD da 10 nm di diametro e adesivo polimerizzabile con raggi UV. Questa miscela è stata rivestita mediante centrifugazione su un substrato rivestito con fogli di plastica e solidificata con una lampada UV. Il substrato plastico garantisce che il materiale di scintillazione non entri direttamente in contatto con la pelle.

Il foglio cQD risultante aveva uno spessore di 222±5 µm e un diametro di 15 cm ed era sufficientemente flessibile da adattarsi alla superficie del paziente. Il team nota che il rivestimento cQD è quasi trasparente e non blocca l’emissione Cherenkov dai tessuti.

Riportando le loro scoperte in Fisica medica, i ricercatori hanno inizialmente testato il rivestimento cQD su una lastra d'acqua solida ricoperta da uno strato di 2 mm di argilla color pelle chiara per imitare le proprietà ottiche della pelle. Hanno valutato la relazione tra intensità ottica e dose erogata utilizzando concentrazioni cQD di 0, 0.05 e 0.1 mg/ml, dosi erogate di 100-500 MU e fasci di 6 e 10 MV. Hanno osservato una relazione lineare tra intensità ottica e dose sia per i fotoni da 6 che per quelli da 10 MV. L'aggiunta del foglio CQD ha più che raddoppiato l'SNR in entrambi i casi.

Il team ha poi esaminato le prestazioni del rivestimento cQD su un fantasma antropomorfo utilizzando diversi materiali radioterapici e varie fonti di luce ambientale. L'emissione di luce dalla superficie dei diversi materiali è stata superiore di oltre il 60% con la pellicola cQD rispetto a senza. Nello specifico, l'intensità ottica media è aumentata di circa il 69.25%, 63.72% e 61.78% quando si aggiunge il foglio cQD rispettivamente al bolo, al campione di maschera e ad una combinazione di bolo e maschera. I corrispondenti SNR sono migliorati di circa il 62.78%, 56.77% e 68.80%.

Sotto la luce ambientale di un LED rosso, attraverso il rivestimento è possibile ottenere immagini ottiche con un SNR superiore a 5. L'aggiunta di un filtro passa banda ha aumentato l'SNR di circa il 98.85%.

"Attraverso una combinazione di fogli cQD e filtro corrispondente, l'intensità della luce e l'SNR delle immagini ottiche possono essere aumentati in modo significativo", scrivono i ricercatori. “Ciò getta nuova luce sulla promozione dell’applicazione clinica dell’imaging ottico per visualizzare il fascio in radioterapia con un processo di acquisizione delle immagini più rapido e meno costoso”.

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

Geng racconta Mondo della fisica che il team sta continuando attivamente la sua ricerca in molti modi. Un esempio è lo studio dell'imaging Cherenkov da utilizzare con la radioterapia con fasci di elettroni dei cheloidi, lesioni fibrose benigne derivanti da una risposta di guarigione anomala.

"Alcuni studi hanno indicato che la radioterapia postoperatoria con fasci di elettroni può ridurre i tassi di recidiva dei cheloidi", spiega Geng. “Tuttavia, le erogazioni imprecise sono comunemente associate alla variazione dei parametri del fascio di elettroni, nonché alle incertezze nella configurazione del paziente o ai movimenti respiratori. Questi possono portare a una dose insufficiente o eccessiva nei campi adiacenti non corrispondenti, causando potenzialmente danni ai tessuti della pelle normale o recidiva di cheloidi. Stiamo cercando di utilizzare la tecnologia di imaging Cherenkov con i fogli cQD per misurare la corrispondenza dei campi di radiazioni adiacenti erogati durante la radioterapia con elettroni cheloidi in tempo reale”.

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