Obrazowanie Czerenkowa z rozdzielczością barwną poprawia dokładność monitorowania dawki radioterapii

Obrazowanie Czerenkowa podczas radioterapii umożliwia wizualizację i mapowanie wiązek promieniowania w czasie rzeczywistym podczas dostarczania dawki do organizmu pacjenta, zapewniając sposób oceny dokładności dostarczania leczenia w czasie rzeczywistym. Jest również szeroko testowany w laboratoriach badawczych na całym świecie jako narzędzie do ilościowego określania rzeczywistych dawek promieniowania dostarczanych pacjentom w sposób niezależny od koloru skóry.

Technika obrazowania optycznego oferuje korzyści w postaci wysokiej rozdzielczości przestrzennej, wysokiej czułości i dużej szybkości obrazowania w porównaniu z konwencjonalnymi metodami pomiaru dawki promieniowania. Jednak zanim wszystkie jego możliwości będą mogły zostać zaadaptowane do użytku klinicznego, wciąż istnieją wyzwania do pokonania.

Promieniowanie Czerenkowa powstaje, gdy naładowane cząstki poruszają się z prędkością większą niż prędkość fazowa światła w tkance. Intensywność sygnału jest proporcjonalna do dostarczonej dawki promieniowania iw idealnym scenariuszu dokładnie wskazuje dawkę dostarczoną podczas radioterapii.

W rzeczywistości jednak osłabienie tkanki zmniejsza intensywność emitowanego promieniowania Czerenkowa i zmienia liniową zależność między zdeponowaną dawką a obserwowaną emisją Czerenkowa. Z tego powodu sygnał Czerenkowa z tkanki ludzkiej nie jest jeszcze dokładnie interpretowany jako w pełni proporcjonalny do dawki.

Naukowcy z Dartmouth College oraz Uniwersytet Wisconsin-Madison pracują nad tym, aby obrazowanie Czerenkowa było wiarygodnym wskaźnikiem dawki promieniowania. W niedawnym badaniu opublikowanym w Czasopismo Optyki Biomedycznej, wykorzystali niestandardową, trójkanałową, wzmocnioną kamerę z bramką czasową do zobrazowania czerwonych, zielonych i niebieskich długości fal emisji Czerenkowa z różnych fantomów tkankowych. Stawiają hipotezę, że intensywność emisji Czerenkowa zmienia się wraz ze zmianami cech absorpcji biologicznej – takimi jak stężenie we krwi w tkance i stężenie melaniny w ludzkiej skórze o różnych poziomach pigmentacji.

„Wchłanianie i rozpraszanie w tkankach może powodować duże zróżnicowanie wykrytych emisji Czerenkowa wśród pacjentów” — wyjaśnia główny badacz Briana Pogue'a, z Szkoła Medycyny i Zdrowia Publicznego Uniwersytetu Wisconsin-Madison i Dartmouth Szkoła Inżynierska Thayera. „Wiemy, że różnice w kolorze skóry mogą zmienić poziom sygnału nawet o 90%, a zmiany w krwi lub zawartości rozproszenia mogą spowodować nawet 20% zmiany sygnału”.

„Przeprowadziliśmy nasze badania, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób właściwości optyczne tkanek wpływają na kolory emisji światła Czerenkowa i rozpocząć identyfikowanie sposobów wykorzystania widma światła do kalibracji lub korekcji efektów tłumienia tkanek” – wyjaśnia.

Do badania Pogue i współpracownicy przygotowali fantomy tkanek i krwi o różnym poziomie melaniny i objętości krwi. Stworzyli syntetyczne warstwy naskórka o grubości 0.1 mm zawierające siedem różnych stężeń syntetycznej melaniny, które odpowiadają tym w ludzkiej skórze, a następnie umieścili te warstwy na fantomach grubych tkanek. Naukowcy przetestowali również siedem fantomów krwi o stężeniach we krwi w zakresie od tkanki tłuszczowej do silnie unaczynionej tkanki mięśniowej.

Naukowcy napromieniowali fantomy dawką 3 Gy za pomocą wiązek fotonów 6 MV i elektronów 6 MeV i uzyskali obrazy dla każdego kanału koloru. Akwizycje były bramkowane czasowo do akceleratora liniowego, aby uchwycić emisję Czerenkowa tylko podczas mikrosekundowych impulsów promieniowania bez światła otoczenia w tle. Zauważyli, że dla obu wiązek nie zaobserwowano emisji Czerenkowa dla melaniny powyżej 0.0076 mg/ml (średnio wysoki poziom).

Zespół informuje, że emisja Czerenkowa z fantomów zmniejszała się wraz ze wzrostem stężenia melaniny. Niezwykle wysoki poziom melaniny spowodował znaczną redukcję emisji Czerenkowa, co utrudnia wykonanie obrazowania u osób o najciemniejszych odcieniach skóry.

Kolor miał również znaczenie podczas obrazowania fantomów krwi, z większym tłumieniem wraz ze wzrostem stężenia krwi. Kanał czerwony osłabił się w mniejszym stopniu niż kanały niebieski i zielony, ze względu na wchłanianie kolorów niebieskiego i zielonego przez oksyhemoglobinę we krwi. „Te odkrycia sugerują, że obrazowanie w zakresie fal czerwonych i bliskiej podczerwieni będzie lepsze”, komentuje Pogue. „Ponadto scharakteryzowanie stopnia osłabienia w każdym paśmie kolorów ułatwi kalibrację koloru skóry”.

„Nasze odkrycia potwierdzają pogląd, że kolorowe lub spektralne obrazowanie Czerenkowa może zapewnić eksperymentalną metodologię oddzielania biologicznego osłabienia intensywności od fizycznego generowania Czerenkowa z depozycją dawki. Idealnym celem byłoby wykorzystanie intensywności Czerenkowa jako wskaźnika dawki dostarczonej do tkanki, niezależnie od objętości krwi w niej lub koloru skóry, przy użyciu korekcji koloru” – piszą naukowcy.

Obrazowanie Czerenkowa do wizualizacji radioterapii: jeden rok stosowania klinicznego

Zespół rozpoczął badanie kliniczne ze współpracownikami w Centrum Onkologiczne Moffitta, aby zobrazować pacjentów z większym zakresem zmienności koloru skóry i ma nadzieję rozszerzyć badanie do UWZdrowie w Madison „Pozwoli nam to przetestować ten rodzaj obrazowania u pacjentów, którzy lepiej reprezentują normalny zakres populacji pacjentów z rakiem”, mówi Pogue Świat Fizyki. „Naprawdę chcemy lepiej zrozumieć, jak wyglądają obrazy i czy możemy polegać na obrazowaniu Czerenkowa, aby pokazać nam schemat dostarczania promieniowania wszystkim pacjentom, niezależnie od ich koloru skóry”.

„Jak dotąd dane wyglądają zachęcająco” – dodaje. „Ponieważ wraz ze wzrostem zawartości melaniny w skórze emitowanych jest mniej światła, używamy również obrazowania kolorowego, aby to skorygować. Mamy nadzieję, że uda nam się w dużym stopniu uniezależnić system od koloru skóry. Wierzymy, że interpretacja spektroskopowa może pomóc lepiej powiązać emisję Czerenkowa z dawką promieniowania jonizującego dostarczaną podczas radioterapii”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoAiStream. Analiza danych Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• Wybijanie przyszłości w Adryenn Ashley. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/colour-resolved-cherenkov-imaging-improves-the-accuracy-of-radiotherapy-dose-monitoring/