Od opracowywania zaawansowanych algorytmów uczenia maszynowego po budowę urządzeń, które poprawią dostęp do skutecznych metod leczenia dla pacjentów na całym świecie, naukowcy zajmujący się fizyką medyczną, biotechnologią i wieloma pokrewnymi dziedzinami nadal stosują techniki naukowe w celu poprawy opieki zdrowotnej na całym świecie. Świat Fizyki donosił o wielu takich innowacjach w 2022 r., oto tylko kilka z najważniejszych badań, które przykuły naszą uwagę.
SI we wszystkich obszarach
Sztuczna inteligencja (AI) odgrywa coraz ważniejszą rolę na arenie fizyki medycznej – od radzenia sobie z ogromną ilością danych generowanych podczas obrazowania diagnostycznego, przez zrozumienie ewolucji raka w organizmie, po pomoc w projektowaniu i optymalizacji leczenia. Mając to na uwadze, Świat Fizyki był gospodarzem AI w Tygodniu Fizyki Medycznej w czerwcu, przyglądając się wykorzystaniu głębokiego uczenia się w aplikacjach, w tym Adaptacyjna radioterapia online, Obrazowanie PET, obliczanie dawki protonu, analiza tomografii komputerowej głowy i identyfikacja zakażenia COVID-19 w skanach płuc.
Wcześniej w tym roku specjalna sesja podczas marcowego spotkania APS przeanalizowała niektóre z najnowszych medyczne zastosowania sztucznej inteligencji i uczenia maszynowego, w tym głębokie uczenie się do diagnozowania i monitorowania zaburzeń mózgu i chorób neurodegeneracyjnych oraz wykorzystywanie sztucznej inteligencji do rejestracji i segmentacji obrazu. Innym intrygującym badaniem było wykorzystanie przez EPFL sieci neuronowej do stworzenia inteligentny mikroskop który wykrywa subtelne prekursory rzadkich zdarzeń biologicznych i kontroluje parametry akwizycji w odpowiedzi.
Obietnica protonowego FLASH
W rozwoju, który trafił również do nas 10 najlepszych przełomów roku na rok 2022, na tegorocznym dorocznym spotkaniu ASTRO Emily Daugherty z University of Cincinnati Cancer Center przedstawiła wyniki badań pierwsze badanie kliniczne radioterapii FLASH. Terapie FLASH – w których promieniowanie terapeutyczne jest dostarczane w ultrawysokich dawkach – obiecują zmniejszenie toksyczności normalnej tkanki przy zachowaniu aktywności przeciwnowotworowej. W tym badaniu naukowcy zastosowali terapię protonową FLASH w leczeniu 10 pacjentów z bolesnymi przerzutami do kości. Wykazali wykonalność klinicznego przepływu pracy i wykazali, że leczenie było tak samo skuteczne jak konwencjonalna radioterapia w łagodzeniu bólu, nie powodując nieoczekiwanych skutków ubocznych.
Badanie to jest również pierwszym zastosowaniem protonu FLASH u ludzi. Większość wcześniejszych przedklinicznych badań FLASH wykorzystywała elektrony; ale wiązki elektronów wnikają w tkankę tylko na kilka centymetrów, podczas gdy protony wnikają znacznie głębiej. Mając nadzieję na wykorzystanie tej przewagi, wiele innych grup również bada proton FLASH, w tym naukowcy z University of Pennsylvania, którzy wykorzystali modelowanie komputerowe, aby dowiedzieć się, który z nich jest najbardziej skuteczna technika dostarczania wiązek protonów FLASHoraz naukowcy z Erasmus University Medical Center, Instituto Superior Técnico i HollandPTC, którzy opracowali algorytm, który optymalizuje wzorce dostarczania wiązki ołówków protonowych aby zmaksymalizować zasięg FLASH.
Przywracanie wzroku
Przywracanie wzroku tym, którzy utracili zdolność widzenia, jest poważnym zadaniem badawczym. W tym roku opisaliśmy dwa badania, które mają przybliżyć ten cel o krok. Naukowcy z University of Southern California badają zastosowanie Stymulacja ultradźwiękami w leczeniu ślepoty spowodowane zwyrodnieniem siatkówki. Chociaż protezy wzroku przywracające wzrok poprzez elektryczną stymulację neuronów siatkówki są już z powodzeniem stosowane u pacjentów, są to urządzenia inwazyjne, które wymagają skomplikowanych operacji wszczepienia. Zamiast tego zespół wykazał, że stymulacja oczu niewidomego szczura za pomocą nieinwazyjnych ultradźwięków może aktywować małe grupy neuronów w oku zwierzęcia.
Gdzie indziej rozwinął się zespół w Szwecji, Iranie i Indiach nowy sposób wytwarzania sztucznych rogówek, wykorzystując kolagen klasy medycznej pozyskiwany ze skóry świni (oczyszczony produkt uboczny przemysłu spożywczego), który naukowcy poddali obróbce chemicznej i fotochemicznej w celu poprawy jego wytrzymałości i stabilności. W badaniu pilotażowym z udziałem 20 pacjentów wykazali, że ich implanty są mocne i odporne na degradację i mogą w pełni przywrócić wzrok pacjentom poprzez minimalnie inwazyjną operację. Opierając się na tym sukcesie, Mehrdad Rafat i jego zespół mają nadzieję, że nowe podejście może rozwiązać problem niedoboru dawców rogówek do przeszczepów i zwiększyć możliwości leczenia wielu osób na całym świecie, które pilnie potrzebują nowych rogówek.
Innowacje interfejsu mózg-komputer
Interfejsy mózg-komputer (BCI) zapewniają pomost między ludzkim mózgiem a zewnętrznym oprogramowaniem lub sprzętem. W tym roku naukowcy z powodzeniem wykorzystali wszczepiony BCI, aby umożliwić osobie z całkowitym paraliżem komunikowanie się. Zespół – z Wyss Center for Bio and Neuroengineering, ALS Voice i University of Tübingen – wszczepił dwie maleńkie matryce mikroelektrod na powierzchnię kory ruchowej uczestnika. Elektrody rejestrują sygnały neuronowe, które są dekodowane i wykorzystywane w pisowni zwrotnej, która zachęca użytkownika do wybrania liter. Pacjent, który cierpiał na stwardnienie zanikowe boczne (ALS) i był w stanie całkowitego zablokowania, bez żadnych ruchów dobrowolnych, nauczył się zmieniać aktywność własnego mózgu zgodnie z otrzymanym sprzężeniem zwrotnym audio, umożliwiając mu tworzenie słów i zdań oraz komunikowanie się ze średnią szybkością około jednego znaku na minutę.
Jako alternatywę dla stosowania wszczepionych elektrod do wykrywania aktywności mózgu, sygnały nerwowe można również zbierać nieinwazyjnie za pomocą elektrod elektroencefalograficznych (EEG) przymocowanych do skóry głowy. Zespół z University of Technology w Sydney opracował tzw nowatorski biosensor oparty na grafenie, który wykrywa sygnały EEG o wysokiej czułości i niezawodności – nawet w bardzo zasolonych środowiskach. Czujnik, który jest wykonany z grafenu epitaksjalnego wyhodowanego na podłożu z węglika krzemu na krzemie, łączy w sobie wysoką biokompatybilność i przewodność grafenu z wytrzymałością fizyczną i obojętnością chemiczną technologii krzemowej.
