Schilderen met protonen: behandelingsstralen creëren kunstwerken – Physics World

Schilderen met protonen: behandelingsstralen creëren kunstwerken – Physics World

Tijdstempel: 27 september 2023 4:30 uur

Protonenstralen creëren kunstwerken
Proton-schilderijen Het originele kunstwerk en de nagemaakte “schilderijen” in isodose kleurwas en dosis kleurwas voor Meisje met de parel door Johannes Vermeer (bovenste rij), De sterrennacht door Vincent van Gogh (middelste rij) en De Schreeuw door Edvard Munch (onderste rij). (Beleefdheid: Medische Dosimetrie 10.1016/j.meddos.2023.08.006)

Intensiteitsgemoduleerde protontherapie (IMPT) is een geavanceerde techniek voor de behandeling van kanker waarbij gebruik wordt gemaakt van smalle potloodachtige protonenbundels – punt voor punt en laag voor laag in de patiënt geschilderd – om straling af te geven in zeer complexe dosispatronen. Gecombineerd met geavanceerde behandelplanningstechnieken kan IMPT de protondosis met ongekende nauwkeurigheid afstemmen op de beoogde tumor, waardoor de vernietiging van kankercellen wordt gemaximaliseerd en schade aan nabijgelegen gezond weefsel wordt geminimaliseerd.

Om de indrukwekkende kracht van IMPT voor het creëren van ingewikkelde dosisverdelingen te demonstreren, heeft medisch fysicus Lee Xu van de New York Protonencentrum kwam met een ongebruikelijke aanpak: hij gebruikte protonenpotloodstralen om een ​​reeks bekende schilderijen na te bootsen als behandelplannen, waarbij hij de protonen effectief als penseel gebruikte.

“Toen ik voor het eerst dit vakgebied betrad, herinner ik me dat ik naar behandelplannen keek en verbaasd was over hoe mooi ze waren. Het leken voor mij echt kunstwerken”, vertelt Xu Natuurkunde wereld. “Naarmate ik steeds meer tijd besteedde aan het observeren van de behandelplanning, besefte ik hoezeer dosimetristen op kunstenaars leken. Het enige verschil zat eigenlijk in het medium dat ze gebruikten en het canvas waarop ze het medium aanbrachten.”

Xu koos vijf bekende schilderijen – Meisje met de parel door Johannes Vermeer, De sterrennacht door Vincent van Gogh, De Schreeuw door Edvard Munch, Samenstelling met rood, blauw en geel door Piet Mondriaan, en Zoon van de mens door René Magritte – om opnieuw te creëren in het behandelplanningssysteem Eclipse v16.1, waarbij de resulterende beelden worden gedeeld Medische Dosimetrie.

Om elk “schilderij” te genereren, gebruikte het planningssysteem klinische protonen met energieën van 70-250 MeV om “verf” (stralingsdosis) op een “doek” (een waterfantoom) aan te brengen, met een totaal recept van 100 Gy in 50 fracties . Elk behandelplan maakte gebruik van één tot zes protonenvelden gericht op de voorkant van het canvas, met het isocentrum op een diepte van 10 cm.

Het proces begint op dezelfde manier als bij een traditioneel kunstwerk: door een voorlopige schets op het canvas te maken om de algemene lay-out te bepalen, in dit geval met behulp van het 2D-penseel in de contourwerkruimte van Eclipse. Vervolgens worden belangrijke elementen zoals de lucht en de grond afgebakend als contouren en verdeeld in afzonderlijke structuren om verschillende kleuren, tinten en texturen weer te geven. In sommige gevallen gebruikte Xu een definitieve onderverdeling in nog kleinere structuren (tot 65 voor het meest complexe schilderij) om ingewikkeldere details weer te geven.

Xu kende verschillende kleuren toe aan verschillende isodosisniveaus tussen 0 en 100 Gy in intervallen van ongeveer 300 cGy. Vervolgens optimaliseerde hij de behandelplannen om doses in het canvas aan te brengen die in elke regio de gewenste kleur bereikten. Xu merkt op dat de uiteindelijke dosisverdeling werd berekend met behulp van hetzelfde protonconvolutie-superpositie-algoritme dat in zijn kliniek werd gebruikt.

“Nadat ik kennis had gemaakt met protonentherapie met potloodstraalscanning, besefte ik dat de mogelijkheden voor dosisschilderen met behulp van protonen vrijwel onbeperkt waren”, zegt Xu. “Ik wilde heel graag zien hoe ver ik ermee kon gaan, en wat een betere manier dan om een ​​aantal van mijn favoriete schilderijen na te maken met behulp van protonenbundels. Hoewel ik dit idee nu al bijna vijf jaar heb, heb ik pas onlangs de tijd en het geduld gehad om het te verwezenlijken.”

De uiteindelijke reproducties vertoonden een duidelijke gelijkenis met de originele kunstwerken met voldoende resolutie om fijne details te verduidelijken. Xu merkt op dat elk schilderij eigenlijk een driedimensionaal kunstwerk is en op meerdere diepten in het waterfantoom kan worden bekeken.

De schilderijen zijn niet alleen een indrukwekkende demonstratie van de allernieuwste medische technologie, maar dienen ook een extra doel. Xu overweegt dat ze zouden kunnen fungeren als een educatief hulpmiddel om patiënten die een behandeling ondergaan te helpen de algemene principes van protontherapie te begrijpen, of zelfs om studenten medische en medische natuurkunde te helpen de protonenfysica en dosimetrie beter te begrijpen door een reeks geannoteerde schilderijen te gebruiken.

"Ik hoop dat dit artikel laat zien hoe ver we zijn gekomen sinds de dagen van 2D-planning en hoe moderne technologie ons in staat heeft gesteld zeer gerichte zorg te bieden die specifiek is voor elke patiënt", voegt Xu toe. “Ik hoop ook dat dit werk voor ons allemaal op het gebied van de radiotherapie, de oncologie en de medische fysica een herinnering zal zijn dat we onszelf weliswaar vaak als wetenschappers of artsen beschouwen, maar diep van binnen ook kunstenaars zijn; en zonder kunst zou ons vakgebied niet hetzelfde zijn.”

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld