Fargeoppløst Cherenkov-avbildning forbedrer nøyaktigheten av strålebehandlingsdoseovervåking

Cherenkov-avbildning under strålebehandling muliggjør sanntidsvisualisering og kartlegging av strålestrålene når de leverer dose til en pasients kropp, og gir en måte å evaluere nøyaktigheten av behandlingslevering i sanntid. Det blir også omfattende testet i forskningslaboratorier over hele verden som et verktøy for å kvantifisere de faktiske stråledosene som leveres til pasienter, på en måte som ikke påvirkes av hudfarge.

Den optiske avbildningsteknikken gir fordelene med høy romlig oppløsning, høy følsomhet og høy avbildningshastighet sammenlignet med konvensjonelle metoder for måling av stråledose. Men det er fortsatt utfordringer å overvinne før alle dens evner kan tas i bruk for klinisk bruk.

Cherenkov-stråling produseres når ladede partikler beveger seg med en hastighet som er større enn fasehastigheten til lys i vev. Signalintensiteten er proporsjonal med den leverte stråledosen og indikerer i et ideelt scenario nøyaktig dosen som leveres under strålebehandling.

I virkeligheten reduserer imidlertid vevsdemping intensiteten til den utsendte Cherenkov-strålingen, og endrer det lineære forholdet mellom avsatt dose og observert Cherenkov-utslipp. På grunn av dette kan Cherenkov-signalet fra menneskelig vev ennå ikke tolkes nøyaktig som fullt proporsjonalt med dosen.

Forskere på Dartmouth College og University of Wisconsin-Madison jobber med å gjøre Cherenkov-avbildning til en pålitelig indikator for stråledose. I en fersk studie rapportert i Tidsskrift for biomedisinsk optikk, brukte de et tilpasset, tidsstyrt tre-kanals intensivert kamera for å avbilde de røde, grønne og blå bølgelengdene til Cherenkov-utslipp fra forskjellige vevsfantomer. De antar at intensiteten av Cherenkov-utslippet endres med variasjoner i biologiske absorpsjonsegenskaper - som blodkonsentrasjon i vev og melaninkonsentrasjon i menneskelig hud med forskjellige nivåer av pigmentering.

"Absorpsjon og spredning av vev kan forårsake en stor variasjon blant pasienter i påvist Cherenkov-utslipp," forklarer hovedetterforsker Brian Pogue, av University of Wisconsin-Madison School of Medicine and Public Health og Dartmouths Thayer School of Engineering. "Vi vet at variasjon i hudfarge kan endre signalnivået med opptil 90 %, og endringer i blod- eller spredningsinnhold kan forårsake opptil 20 % signalvariasjon."

"Vi gjennomførte vår studie for å bedre forstå hvordan vevsoptiske egenskaper påvirker emisjonsfargene til Cherenkov-lys, og for å begynne å identifisere måter å bruke lysspekteret for kalibrering eller korrigering av vevsdempningseffekter," forklarer han.

For studien forberedte Pogue og kolleger vev og blodfantomer med varierende nivåer av melanin og blodvolum. De skapte syntetiske 0.1 mm tykke epidermale lag som inneholdt syv forskjellige konsentrasjoner av syntetisk melanin som matcher de i menneskelig hud, og plasserte deretter disse lagene på toppen av tykke vevsfantomer. Forskerne testet også syv blodfantomer med blodkonsentrasjoner fra fettvev til sterkt vaskularisert muskelvev.

Forskerne bestrålte fantomene med en dose på 3 Gy ved å bruke 6 MV foton og 6 MeV elektronstråler og tok bilder for hver fargekanal. Anskaffelsene var tidsstyrt til linacen, for å fange Cherenkov-utslipp bare under mikrosekunders strålingspulser uten bakgrunnslys. De bemerker at for begge strålene var det ingen observerbar Cherenkov-utslipp for melanin over 0.0076 mg/ml (middels høyt nivå).

Teamet rapporterer at Cherenkov-utslippet fra fantomene avtok etter hvert som melaninkonsentrasjonen økte. Ekstremt høye melaninnivåer forårsaket en betydelig reduksjon i Cherenkov-utslipp, noe som gjorde det utfordrende å utføre bildediagnostikk hos individer med de mørkeste hudtonene.

Farge gjorde også en forskjell ved avbildning av blodfantomer, med større demping ettersom blodkonsentrasjonen økte. Den røde kanalen svekket i mindre grad enn de blå og grønne kanalene, på grunn av absorpsjon av blå og grønne farger av oksyhemoglobin i blodet. "Disse funnene tyder på at avbildning i de røde og nær-infrarøde bølgelengdene vil bli bedre," kommenterer Pogue. "I tillegg vil det å ha karakterisert mengden av demping i hvert fargebånd lette kalibrering for hudfarge."

"Våre funn støtter ideen om at farge- eller spektral avbildning av Cherenkov kan gi en eksperimentell metodikk for separering av biologisk dempning av intensiteten fra den fysiske generasjonen av Cherenkov med doseavsetning. Målet ville ideelt sett vært å bruke Cherenkov-intensiteten som en indikator på dosen som leveres i vevet, uavhengig av blodvolumet i det eller hudfarge, ved å bruke fargekorreksjon», skriver forskerne.

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

Teamet har startet en klinisk studie med samarbeidspartnere kl Moffitt kreftsenter, for å avbilde pasienter med et større utvalg av hudfargevariasjoner, og håper å utvide forsøket til UWHelse i Madison "Dette vil tillate oss å teste denne typen bildediagnostikk hos pasienter som bedre representerer det normale utvalget av kreftpasientpopulasjoner," forteller Pogue Fysikkens verden. "Vi ønsker virkelig å bedre forstå hvordan bildene ser ut, og om vi kan stole på at Cherenkovs bildebehandling viser oss mønsteret for strålingslevering til alle pasienter, uavhengig av deres hudfarge."

"Så langt ser dataene oppmuntrende ut," legger han til. "Fordi det sendes ut mindre lys når melanininnholdet i huden blir høyere, bruker vi også fargebilder for å korrigere for dette. Vi håper at vi kan gjøre systemet stort sett uavhengig av hudfargen. Vi tror at spektroskopisk tolkning kan bidra til å bedre relatere Cherenkov-utslipp til ioniserende strålingsdose levert under strålebehandling."

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/colour-resolved-cherenkov-imaging-improves-the-accuracy-of-radiotherapy-dose-monitoring/