Van het ontwikkelen van geavanceerde machine-learning algoritmen tot het bouwen van apparaten die de toegang tot effectieve behandelingen voor patiënten over de hele wereld zullen verbeteren, onderzoekers die werkzaam zijn in de medische fysica, biotechnologie en de vele aanverwante gebieden blijven wetenschappelijke technieken toepassen om de gezondheidszorg wereldwijd te verbeteren. Natuurkunde wereld heeft gerapporteerd over veel van dergelijke innovaties in 2022, hier zijn slechts enkele van de onderzoekshoogtepunten die ons opvielen.
AI op alle gebieden
Kunstmatige intelligentie (AI) speelt een steeds grotere rol in de medische fysica - van het omgaan met de enorme hoeveelheid gegevens die wordt gegenereerd tijdens diagnostische beeldvorming, tot het begrijpen van de evolutie van kanker in het lichaam, tot het helpen ontwerpen en optimaliseren van behandelingen. Met dit in gedachten, Natuurkunde wereld gastheer van een AI in Medical Physics Week in juni, waarbij gekeken werd naar het gebruik van deep learning voor toepassingen, waaronder online adaptieve radiotherapie, PET-beeldvorming, berekening van de dosis protonen, analyse van CT-scans van het hoofd en het identificeren van COVID-19-infectie in longscans.
Eerder in het jaar werd tijdens een speciale sessie op de APS March Meeting een aantal van de laatste zaken besproken medische toepassingen van AI en machine learning, inclusief deep learning voor het diagnosticeren en monitoren van hersenaandoeningen en neurodegeneratieve ziekten, en het gebruik van AI voor beeldregistratie en -segmentatie. Een andere intrigerende studie was het gebruik van een neuraal netwerk door EPFL om een intelligente microscoop dat subtiele voorlopers van zeldzame biologische gebeurtenissen detecteert en als reactie hierop de acquisitieparameters regelt.
De belofte van proton FLASH
In een ontwikkeling die ook de onze is geworden top 10 doorbraken van het jaar voor 2022, tijdens de ASTRO Annual Meeting van dit jaar, rapporteerde Emily Daugherty van het University of Cincinnati Cancer Center de bevindingen van de eerste klinische proef met FLASH-radiotherapie. FLASH-behandelingen - waarbij therapeutische straling wordt toegediend met ultrahoge dosissnelheden - zijn veelbelovend voor het verminderen van normale weefseltoxiciteit terwijl de antitumoractiviteit behouden blijft. In deze studie gebruikten de onderzoekers FLASH-protontherapie om 10 patiënten met pijnlijke botmetastasen te behandelen. Ze toonden de haalbaarheid van de klinische workflow aan en toonden aan dat de behandeling even effectief was als conventionele radiotherapie voor pijnverlichting, zonder onverwachte bijwerkingen te veroorzaken.
De studie vertegenwoordigt ook het eerste menselijke gebruik van proton FLASH. De meeste eerdere preklinische FLASH-onderzoeken maakten gebruik van elektronen; maar elektronenstralen gaan maar een paar centimeter het weefsel in, terwijl protonen veel dieper doordringen. In de hoop dit voordeel te benutten, onderzoeken veel andere groepen ook proton FLASH, waaronder wetenschappers van de Universiteit van Pennsylvania die computationele modellering gebruikten om erachter te komen welke de meest effectieve afleveringstechniek voor FLASH-protonenbundels, en onderzoekers van het Erasmus Universitair Medisch Centrum, Instituto Superior Técnico en HollandPTC, die een algoritme ontwikkelden dat optimaliseert proton-potloodbundelafgiftepatronen om de FLASH-dekking te maximaliseren.
Zicht terugbrengen
Het herstellen van het gezichtsvermogen van degenen die het vermogen om te zien hebben verloren, is een substantiële onderzoekstaak. Dit jaar rapporteerden we over twee studies die dit doel een stap dichterbij willen brengen. Onderzoekers van de Universiteit van Zuid-Californië onderzoeken het gebruik van ultrasone stimulatie om blindheid te behandelen veroorzaakt door netvliesdegeneratie. Hoewel visuele prothesen die het gezichtsvermogen herstellen via elektrische stimulatie van retinale neuronen al met succes zijn gebruikt bij patiënten, zijn dit invasieve apparaten die complexe implantatieoperaties vereisen. In plaats daarvan toonde het team aan dat het stimuleren van de ogen van een blinde rat met niet-invasieve echografie kleine groepen neuronen in het oog van het dier kan activeren.
Elders ontwikkelde zich een team in Zweden, Iran en India een nieuwe manier om kunstmatige hoornvliezen te produceren, met behulp van collageen van medische kwaliteit afkomstig van varkenshuid (een gezuiverd bijproduct van de voedingsindustrie) dat de onderzoekers chemisch en fotochemisch behandelden om de sterkte en stabiliteit te verbeteren. In een pilootstudie bij 20 patiënten toonden ze aan dat hun implantaten sterk en resistent waren tegen degradatie en het gezichtsvermogen van de patiënt volledig konden herstellen door middel van minimaal invasieve chirurgie. Op basis van dit succes hopen Mehrdad Rafat en zijn team dat de nieuwe aanpak het tekort aan donorhoornvliezen voor transplantatie kan verhelpen en de behandelingsopties kan vergroten voor de vele mensen over de hele wereld die dringend nieuwe hoornvliezen nodig hebben.
Brain-computer interface-innovaties
Brain-computer interfaces (BCI's) vormen een brug tussen het menselijk brein en externe software of hardware. Dit jaar hebben onderzoekers met succes een geïmplanteerde BCI om een persoon met volledige verlamming in staat te stellen te communiceren. Het team – van het Wyss Center for Bio and Neuroengineering, ALS Voice en de Universiteit van Tübingen – implanteerde twee minuscule micro-elektrode-arrays in het oppervlak van de motorcortex van de deelnemer. De elektroden registreren neurale signalen, die worden gedecodeerd en gebruikt in een auditieve feedback-speller die de gebruiker vraagt om letters te selecteren. De patiënt, die amyotrofische laterale sclerose (ALS) had en in een volledig opgesloten toestand verkeerde met geen resterende vrijwillige beweging, leerde hoe hij zijn eigen hersenactiviteit kon veranderen volgens de ontvangen audiofeedback, waardoor hij woorden en zinnen kon vormen en kon communiceren met een gemiddelde snelheid van ongeveer één teken per minuut.
Als alternatief voor het gebruik van geïmplanteerde elektroden om hersenactiviteit waar te nemen, kunnen neurale signalen ook niet-invasief worden verzameld met behulp van elektro-encefalografie (EEG)-elektroden die op de hoofdhuid zijn bevestigd. Een team van de University of Technology Sydney ontwikkelde een nieuwe op grafeen gebaseerde biosensor die EEG-signalen detecteert met hoge gevoeligheid en betrouwbaarheid - zelfs in zeer zoute omgevingen. De sensor, gemaakt van epitaxiaal grafeen gegroeid op een siliciumcarbide-op-siliciumsubstraat, combineert de hoge biocompatibiliteit en geleidbaarheid van grafeen met de fysieke robuustheid en chemische inertie van siliciumtechnologie.
