Od razvoja naprednih algoritmov strojnega učenja do izdelave naprav, ki bodo izboljšale dostop do učinkovitega zdravljenja za paciente po vsem svetu, raziskovalci, ki delajo na področju medicinske fizike, biotehnologije in številnih sorodnih področij, še naprej uporabljajo znanstvene tehnike za izboljšanje zdravstvene oskrbe po vsem svetu. Svet fizike je leta 2022 poročal o številnih tovrstnih inovacijah, tukaj je le nekaj poudarkov raziskave, ki so nam padle v oči.
AI na vseh področjih
Umetna inteligenca (AI) igra vse pomembnejšo vlogo v areni medicinske fizike – od obravnave ogromne količine podatkov, ustvarjenih med diagnostičnim slikanjem, do razumevanja razvoja raka v telesu do pomoči pri načrtovanju in optimizaciji zdravljenja. S tem v mislih Svet fizike junija gostil AI v tednu medicinske fizike, kjer je obravnaval uporabo globokega učenja za aplikacije, vključno z spletno adaptivno radioterapijo, PET slikanje, izračun protonske doze, analiza CT-pregledov glave in prepoznavanje okužbe s COVID-19 pri slikanju pljuč.
V začetku leta je posebna seja na marčevskem srečanju APS preučila nekaj najnovejših medicinske aplikacije umetne inteligence in strojnega učenja, vključno z globokim učenjem za diagnosticiranje in spremljanje možganskih motenj in nevrodegenerativnih bolezni ter uporabo umetne inteligence za registracijo in segmentacijo slik. Druga zanimiva študija je bila uporaba nevronske mreže EPFL za ustvarjanje inteligentni mikroskop ki zazna subtilne predhodnike redkih bioloških dogodkov in nadzoruje svoje parametre pridobivanja v odgovor.
Obljuba proton FLASH
V razvoju, ki je prišel tudi v naše 10 najboljših prebojev leta za leto 2022 je na letošnjem letnem srečanju ASTRO Emily Daugherty iz Centra za raka Univerze v Cincinnatiju poročala o ugotovitvah prvo klinično preskušanje radioterapije FLASH. Zdravljenja FLASH – pri katerih se terapevtsko sevanje izvaja z ultravisokimi hitrostmi odmerjanja – obetajo zmanjšanje toksičnosti za normalno tkivo ob ohranjanju protitumorske aktivnosti. V tej študiji so raziskovalci uporabili protonsko terapijo FLASH za zdravljenje 10 bolnikov z bolečimi kostnimi metastazami. Dokazali so izvedljivost kliničnega poteka dela in pokazali, da je bilo zdravljenje enako učinkovito kot običajna radioterapija za lajšanje bolečin, ne da bi povzročilo nepričakovane stranske učinke.
Študija predstavlja tudi prvo uporabo proton FLASH pri ljudeh. Večina prejšnjih predkliničnih študij FLASH je uporabljala elektrone; vendar elektronski žarki potujejo le nekaj centimetrov v tkivo, medtem ko protoni prodrejo veliko globlje. V upanju, da bodo izkoristile to prednost, številne druge skupine prav tako preiskujejo proton FLASH, vključno z znanstveniki na Univerzi v Pennsylvaniji, ki so uporabili računalniško modeliranje, da bi ugotovili, kateri je najbolj učinkovita tehnika dostave protonskih žarkov FLASHin raziskovalci iz Erasmus University Medical Center, Instituto Superior Técnico in HollandPTC, ki so razvili algoritem, ki optimizira vzorce dostave snopa protonskega svinčnika za čim večjo pokritost FLASH.
Povrnitev vida
Povrnitev vida tistim, ki so izgubili sposobnost videnja, je obsežna raziskovalna naloga. Letos smo poročali o dveh študijah, ki želita temu cilju približati korak bližje. Raziskovalci na Univerzi Južne Kalifornije raziskujejo uporabo ultrazvočna stimulacija za zdravljenje slepote ki jih povzroča degeneracija mrežnice. Medtem ko so bile vizualne proteze, ki povrnejo vid z električno stimulacijo nevronov mrežnice, že uspešno uporabljene pri bolnikih, so to invazivne naprave, ki zahtevajo kompleksne implantacijske operacije. Namesto tega je ekipa pokazala, da lahko stimulacija oči slepe podgane z neinvazivnim ultrazvokom aktivira majhne skupine nevronov v očesu živali.
Drugje se je razvila ekipa na Švedskem, v Iranu in Indiji nov način izdelave umetne roženice, z uporabo medicinskega kolagena, pridobljenega iz svinjske kože (prečiščenega stranskega produkta živilske industrije), ki so ga raziskovalci kemično in fotokemično obdelali, da bi izboljšali njegovo moč in stabilnost. V pilotni študiji 20 pacientov so pokazali, da so njihovi vsadki močni in odporni na degradacijo ter da lahko z minimalno invazivnimi operacijami popolnoma povrnejo vid pacientom. Na podlagi tega uspeha Mehrdad Rafat in njegova ekipa upajo, da bi novi pristop lahko obravnaval pomanjkanje donorske roženice za presaditev in povečal možnosti zdravljenja za številne ljudi po vsem svetu, ki nujno potrebujejo novo roženico.
Inovacije vmesnika možgani–računalnik
Vmesniki možgani–računalnik (BCI) zagotavljajo most med človeškimi možgani in zunanjo programsko ali strojno opremo. Letos so raziskovalci uspešno uporabili an implantiran BCI, ki omogoča osebi s popolno paralizo komuniciranje. Ekipa – iz Wyssovega centra za bio in nevroinženiring, ALS Voice in Univerze v Tübingenu – je implantirala dva niza majhnih mikroelektrod na površino udeleženčeve motorične skorje. Elektrode beležijo nevronske signale, ki se dekodirajo in uporabijo v črkovalniku z zvočno povratno informacijo, ki uporabnika pozove k izbiri črk. Pacient, ki je imel amiotrofično lateralno sklerozo (ALS) in je bil v popolnoma zaklenjenem stanju brez preostalih prostovoljnih gibov, se je naučil, kako spremeniti lastno možgansko aktivnost glede na prejeto zvočno povratno informacijo, kar mu je omogočilo sestavljanje besed in stavkov ter komuniciranje s povprečno hitrostjo približno en znak na minuto.
Namesto uporabe vsajenih elektrod za zaznavanje možganske aktivnosti je mogoče nevronske signale zbirati tudi neinvazivno z uporabo elektroencefalografskih (EEG) elektrod, pritrjenih na lasišče. Ekipa na Univerzi za tehnologijo Sydney je razvila nov biosenzor na osnovi grafena, ki zazna signale EEG z visoko občutljivostjo in zanesljivostjo – tudi v zelo slanih okoljih. Senzor, ki je narejen iz epitaksialnega grafena, gojenega na substratu silicijevega karbida na siliciju, združuje visoko biokompatibilnost in prevodnost grafena s fizično robustnostjo in kemično inertnostjo silicijeve tehnologije.
