Fra å utvikle avanserte maskinlæringsalgoritmer til å bygge enheter som vil forbedre tilgangen til effektive behandlinger for pasienter over hele verden, fortsetter forskere som arbeider innen medisinsk fysikk, bioteknologi og de mange relaterte feltene å bruke vitenskapelige teknikker for å forbedre helsevesenet over hele verden. Fysikkens verden har rapportert om mange slike innovasjoner i 2022, her er bare noen av forskningshøydepunktene som fanget vårt øye.
AI på alle områder
Kunstig intelligens (AI) spiller en stadig mer utbredt rolle på den medisinske fysikkarenaen – fra å håndtere den enorme mengden data som genereres under bildediagnostikk, til å forstå utviklingen av kreft i kroppen, til å hjelpe til med å designe og optimalisere behandlinger. Med dette i tankene, Fysikkens verden arrangerte en AI i Medical Physics Week i juni, og så på bruken av dyp læring for applikasjoner inkludert online adaptiv strålebehandling, PET-bildebehandling, protondoseberegning, analyse av CT-skanninger av hodet og identifisere COVID-19-infeksjon i lungeskanninger.
Tidligere på året undersøkte en dedikert sesjon på Aps marsmøte noe av det siste medisinske anvendelser av AI og maskinlæring, inkludert dyp læring for diagnostisering og overvåking av hjernesykdommer og nevrodegenerative sykdommer, og bruk av AI for bilderegistrering og segmentering. En annen spennende studie var EPFLs bruk av et nevralt nettverk for å lage en intelligent mikroskop som oppdager subtile forløpere til sjeldne biologiske hendelser og kontrollerer innsamlingsparametrene som respons.
Løftet om proton FLASH
I en utvikling som også gjorde det til vår Årets 10 beste gjennombrudd for 2022 rapporterte årets ASTRO årsmøte Emily Daugherty fra University of Cincinnati Cancer Center funnene fra første kliniske forsøk med FLASH-strålebehandling. FLASH-behandlinger – der terapeutisk stråling leveres med ultrahøye doserater – gir løfte om å redusere normal vevstoksisitet og samtidig opprettholde anti-tumoraktivitet. I denne studien brukte forskerne FLASH protonterapi for å behandle 10 pasienter med smertefulle benmetastaser. De demonstrerte gjennomførbarheten av den kliniske arbeidsflyten og viste at behandlingen var like effektiv som konvensjonell strålebehandling for smertelindring, uten å forårsake uventede bivirkninger.
Studien representerer også den første i menneskelige bruk av proton FLASH. De fleste av de tidligere prekliniske FLASH-studiene brukte elektroner; men elektronstråler går bare noen få centimeter inn i vev mens protoner trenger langt dypere. I håp om å utnytte denne fordelen, undersøker mange andre grupper også proton FLASH, inkludert forskere ved University of Pennsylvania som brukte beregningsmodellering for å finne ut hvilken som er mest effektiv leveringsteknikk for FLASH protonstråler, og forskere fra Erasmus University Medical Center, Instituto Superior Técnico og HollandPTC, som utviklet en algoritme som optimerer leveringsmønstre for protonblyantstråler for å maksimere FLASH-dekning.
Får tilbake synet
Å gjenopprette synet til de som har mistet evnen til å se er en betydelig forskningsoppgave. I år rapporterte vi om to studier som tar sikte på å bringe dette målet et skritt nærmere. Forskere ved University of South California utforsker bruken av ultralydstimulering for å behandle blindhet forårsaket av retinal degenerasjon. Mens visuelle proteser som gjenoppretter synet via elektrisk stimulering av retinale nevroner allerede har vært vellykket brukt hos pasienter, er dette invasive enheter som krever komplekse implantasjonsoperasjoner. I stedet demonstrerte teamet at å stimulere øynene til en blind rotte med ikke-invasiv ultralyd kan aktivere små grupper av nevroner i dyrets øye.
Andre steder utviklet det seg et team i Sverige, Iran og India en ny måte å produsere kunstige hornhinner på, ved å bruke kollagen av medisinsk kvalitet hentet fra griseskinn (et renset biprodukt fra næringsmiddelindustrien) som forskerne behandlet kjemisk og fotokjemisk for å forbedre styrken og stabiliteten. I en pilotstudie av 20 pasienter viste de at implantatene deres var sterke og motstandsdyktige mot nedbrytende og kunne gjenopprette pasientenes syn fullt ut gjennom minimalt invasiv kirurgi. Basert på denne suksessen håper Mehrdad Rafat og teamet hans at den nye tilnærmingen kan adressere mangelen på donorhornhinner for transplantasjon og øke behandlingsmulighetene for de mange menneskene verden over som har et akutt behov for nye hornhinner.
Innovasjoner i hjerne-datamaskingrensesnitt
Hjerne-datamaskin-grensesnitt (BCI) gir en bro mellom den menneskelige hjernen og ekstern programvare eller maskinvare. I år så forskere med hell bruke en implantert BCI for å gjøre det mulig for en person med fullstendig lammelse å kommunisere. Teamet – fra Wyss Center for Bio and Neuroengineering, ALS Voice og University of Tübingen – implanterte to bittesmå mikroelektrodematriser i overflaten av deltakerens motoriske cortex. Elektrodene registrerer nevrale signaler, som dekodes og brukes i en auditiv tilbakemeldingsstave som ber brukeren om å velge bokstaver. Pasienten, som hadde amyotrofisk lateral sklerose (ALS) og var i en fullstendig innelåst tilstand uten gjenværende frivillige bevegelser, lærte hvordan han kunne endre sin egen hjerneaktivitet i henhold til lydtilbakemeldingen som ble mottatt, slik at han kunne danne ord og setninger og kommunisere. med en gjennomsnittlig hastighet på omtrent ett tegn per minutt.
Som et alternativ til å bruke implanterte elektroder for å registrere hjerneaktivitet, kan nevrale signaler også samles inn ikke-invasivt ved hjelp av elektroencefalografi (EEG) elektroder festet til hodebunnen. Et team ved University of Technology Sydney utviklet en ny grafenbasert biosensor som oppdager EEG-signaler med høy følsomhet og pålitelighet – selv i svært saltholdige miljøer. Sensoren, som er laget av epitaksialt grafen dyrket på et silisiumkarbid-på-silisium-substrat, kombinerer den høye biokompatibiliteten og konduktiviteten til grafen med den fysiske robustheten og den kjemiske tregheten til silisiumteknologi.
