Et ark med kvanteprikker forbedrer Cherenkov-avbildning av stråleterapidose

Cherenkov-avbildning muliggjør sanntidsvisualisering av strålestråler på pasientens kropp og gir et middel til å evaluere nøyaktigheten av strålebehandlingslevering. Forskere i Kina har nå utviklet en måte å forbedre kvaliteten på Cherenkov-bilder ved å bruke et fleksibelt, ikke-giftig ark med karbonkvanteprikker (cQDs) festet til pasienten.

Cherenkov-lys produseres når ladede partikler beveger seg med en hastighet som er større enn fasehastigheten til lys i vev. Signalintensiteten er proporsjonal med den leverte stråledose, og avslører den nøyaktige dosen som leveres under behandlingen. Den optiske avbildningsteknikken tilbyr høy romlig oppløsning, høy følsomhet og høy avbildningshastighet sammenlignet med konvensjonelle metoder for måling av stråledose.

Intensiteten til Cherenkov-utslippet er imidlertid lav, og de utsendte fotonene er spredt og absorbert av vev. På grunn av dette har standard charge-coupled device (CCD) kameraer problemer med å samle inn signalet. I stedet brukes dyrere intensiverte CMOS/CCD-kameraer.

cQD-ene har absorpsjonsspektra som overlapper med Cherenkov-utslippsspektrene; de sender da ut luminescens ved lengre bølgelengder. cQD-platen, utviklet og testet ved Institutt for kjernefysisk vitenskap og teknologi i Nanjing universitet for luftfart og astronautikk, kan derfor brukes til å skifte Cherenkov-emisjonen for å matche den optimale bølgelengden til et CCD-kameras følsomme deteksjonsområde.

Med cQD-belegget på plass, er den optiske emisjonen sammensatt av Cherenkov-fotoner generert i den overfladiske overflaten av vevet, fluorescens eksitert av Cherenkov-fotonene og radioluminescensen generert i cQD-ene. Dette øker det totale optiske signalet og forbedrer bildekvaliteten og signal-til-støy-forholdet (SNR) til de innhentede bildene.

Hovedetterforsker Changran Geng og kolleger laget cQD-platen ved å bruke en løsning av 10 nm-diameter cQD-er og UV-herdbart lim. Denne blandingen ble spinnbelagt på et substrat belagt med plastfolie og størknet med en UV-lampe. Plastsubstratet sørger for at scintillasjonsmaterialet ikke kommer i direkte kontakt med huden.

Det resulterende cQD-arket hadde en tykkelse på 222±5 µm og en diameter på 15 cm, og var fleksibelt nok til å tilpasse seg pasientens overflate. Teamet bemerker at cQD-folien er nesten gjennomsiktig og ikke blokkerer Cherenkov-utslippet fra vev.

Rapportere funnene sine i Medisinsk fysikk, testet forskerne først cQD-belegget på en solid vannplate dekket med et 2 mm lag med lys farget hudtonet leire for å etterligne de optiske egenskapene til huden. De evaluerte forholdet mellom optisk intensitet og levert dose ved å bruke cQD-konsentrasjoner på 0, 0.05 og 0.1 mg/ml, leverte doser på 100–500 MU og 6 og 10 MV-stråler. De observerte et lineært forhold mellom optisk intensitet og dose for både 6 og 10 MV fotoner. Ved å legge til cQD-arket mer enn doblet SNR i begge tilfeller.

Teamet undersøkte deretter ytelsen til cQD-platen på et antropomorft fantom ved å bruke forskjellige strålebehandlingsmaterialer og forskjellige omgivende lyskilder. Lysutslipp fra overflaten til de ulike materialene var over 60 % høyere med cQD-belegg enn uten. Nærmere bestemt økte den gjennomsnittlige optiske intensiteten med ca. 69.25 %, 63.72 % og 61.78 % ved å legge til cQD-ark til henholdsvis bolus, maskeprøve og en kombinasjon av bolus og maske. De tilsvarende SNR-verdiene ble forbedret med omtrent 62.78 %, 56.77 % og 68.80 %.

Under omgivelseslys fra en rød LED, kan optiske bilder med en SNR på større enn 5 oppnås gjennom arket. Ved å legge til et båndpassfilter økte SNR med omtrent 98.85 %.

"Gjennom en kombinasjon av cQD-ark og tilsvarende filter, kan lysintensiteten og SNR for optiske bilder økes betydelig," skriver forskerne. "Dette kaster nytt lys på promoteringen av den kliniske anvendelsen av optisk avbildning for å visualisere strålen i strålebehandling med en raskere og rimeligere bildeoppsamlingsprosess."

Cherenkov-avbildning for visualisering av strålebehandling: ett års klinisk bruk

Geng forteller Fysikkens verden at teamet aktivt fortsetter sin forskning på mange måter. Et eksempel er å undersøke Cherenkov-avbildning for bruk med elektronstrålebehandling av keloider, godartede fibrøse lesjoner som oppstår fra en unormal helbredelsesrespons.

"Noen studier har indikert at postoperativ elektronstrålebehandling kan redusere frekvensen av keloid tilbakefall," forklarer Geng. "Unøyaktige leveringer er imidlertid ofte forbundet med variasjonen av elektronstråleparametere, så vel som pasientens oppsettusikkerhet eller respirasjonsbevegelser. Disse kan føre til utilstrekkelig eller overdreven dose ved de mismatchede tilstøtende feltene, og potensielt forårsake vevsskade på normal hud eller tilbakefall av keloid. Vi prøver å bruke Cherenkov-avbildningsteknologi med cQD-ark for å måle samsvar mellom tilstøtende strålefelt levert under keloidelektronstrålebehandling i sanntid.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/a-sheet-of-quantum-dots-enhances-cherenkov-imaging-of-radiotherapy-dose/