Ett ark med kvantprickar förbättrar Cherenkovs avbildning av strålbehandlingsdosen

Cherenkov-avbildning möjliggör realtidsvisualisering av strålningsstrålar på en patients kropp och ger ett sätt att utvärdera noggrannheten av strålbehandlingsleveransen. Forskare i Kina har nu utvecklat ett sätt att förbättra kvaliteten på Cherenkov-bilder med hjälp av ett flexibelt, giftfritt ark av kolkvantprickar (cQDs) fästa på patienten.

Cherenkov-ljus produceras när laddade partiklar färdas med en hastighet som är högre än ljusets fashastighet i vävnaden. Signalintensiteten är proportionell mot den avgivna stråldosen, vilket avslöjar den exakta dosen som avges under behandlingen. Den optiska avbildningstekniken erbjuder hög rumslig upplösning, hög känslighet och snabb bildhastighet jämfört med konventionella metoder för stråldosmätning.

Intensiteten av Cherenkov-emissionen är dock låg och de emitterade fotonerna sprids och absorberas av vävnad. På grund av detta har standardkameror med laddningskopplade enheter (CCD) svårt att samla in signalen. Istället används dyrare intensifierade CMOS/CCD-kameror.

cQD:erna har absorptionsspektra som överlappar med Cherenkovs emissionsspektra; de avger sedan luminescens vid längre våglängder. cQD-plåten, utvecklad och testad vid institutionen för kärnvetenskap och teknik i Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, kan därför användas för att skifta Cherenkov-emissionen för att matcha den optimala våglängden för en CCD-kameras känsliga detektionsområde.

Med cQD-folien på plats består den optiska emissionen av Cherenkov-fotoner som genereras i den ytliga ytan av vävnaden, fluorescens exciterad av Cherenkov-fotonerna och radioluminescensen som genereras i cQD:erna. Detta ökar den totala optiska signalen och förbättrar bildkvaliteten och signal-brusförhållandet (SNR) för de insamlade bilderna.

Huvudutredare Changran Geng och kollegor skapade cQD-folien med en lösning av 10 nm-diameter cQD och UV-härdbart lim. Denna blandning spinnbelades på ett substrat belagt med plastfolie och stelnade med en UV-lampa. Plastsubstratet säkerställer att scintillationsmaterialet inte kommer i direkt kontakt med huden.

Den resulterande cQD-folien hade en tjocklek av 222±5 µm och en diameter av 15 cm och var tillräckligt flexibel för att anpassa sig till patientens yta. Teamet noterar att cQD-folien är nästan genomskinlig och inte blockerar Cherenkov-emissionen från vävnader.

Rapportera sina fynd i Medicinsk fysik, testade forskarna initialt cQD-duken på en fast vattenplatta täckt med ett 2 mm lager av ljusfärgad hudtonad lera för att efterlikna hudens optiska egenskaper. De utvärderade sambandet mellan optisk intensitet och levererad dos med hjälp av cQD-koncentrationer på 0, 0.05 och 0.1 mg/ml, levererade doser på 100–500 MU och 6 och 10 MV-strålar. De observerade ett linjärt samband mellan optisk intensitet och dos för både 6 och 10 MV fotoner. Genom att lägga till cQD-skivan mer än fördubblades SNR i båda fallen.

Teamet undersökte sedan prestandan för cQD-skivan på en antropomorf fantom med hjälp av olika strålbehandlingsmaterial och olika omgivande ljuskällor. Ljusemissionen från ytan av de olika materialen var över 60 % högre med cQD-plåt än utan. Specifikt ökade den genomsnittliga optiska intensiteten med cirka 69.25 %, 63.72 % och 61.78 % när cQD-ark lades till bolus, maskprov och en kombination av bolus respektive mask. Motsvarande SNR förbättrades med cirka 62.78 %, 56.77 % och 68.80 %.

Under omgivande ljus från en röd lysdiod kunde optiska bilder med ett SNR större än 5 erhållas genom arket. Att lägga till ett bandpassfilter ökade SNR med cirka 98.85 %.

"Genom en kombination av cQD-skivor och motsvarande filter kan ljusintensiteten och SNR för optiska bilder ökas avsevärt", skriver forskarna. "Detta kastar nytt ljus över främjandet av den kliniska tillämpningen av optisk avbildning för att visualisera strålen i strålterapi med en snabbare och billigare bildinsamlingsprocess."

Cherenkov-avbildning för visualisering av strålbehandling: ett års klinisk användning

Geng berättar Fysikvärlden att teamet aktivt fortsätter sin forskning på många sätt. Ett exempel är att undersöka Cherenkov-avbildning för användning med elektronstrålebehandling av keloider, godartade fibrösa lesioner som härrör från ett onormalt läkningssvar.

"Vissa studier har visat att postoperativ elektronstrålebehandling kan minska frekvensen av keloidrecidiv," förklarar Geng. "Men felaktiga leveranser är vanligtvis förknippade med variationen av elektronstråleparametrar, såväl som patientens inställningsosäkerhet eller andningsrörelser. Dessa kan leda till otillräcklig eller överdriven dos vid de oöverensstämmande intilliggande fälten, vilket potentiellt kan orsaka vävnadsskada på normal hud eller återfall av keloid. Vi försöker använda Cherenkovs avbildningsteknik med cQD-skivor för att mäta matchning av intilliggande strålningsfält som levereras under keloidelektronstrålbehandling i realtid."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/a-sheet-of-quantum-dots-enhances-cherenkov-imaging-of-radiotherapy-dose/