Från att utveckla avancerade maskininlärningsalgoritmer till att bygga enheter som kommer att förbättra tillgången till effektiva behandlingar för patienter över hela världen, forskare som arbetar inom medicinsk fysik, bioteknik och de många relaterade områdena fortsätter att tillämpa vetenskapliga tekniker för att förbättra vården över hela världen. Fysikvärlden har rapporterat om många sådana innovationer under 2022, här är bara några av forskningshöjdpunkterna som fångade våra ögon.
AI inom alla områden
Artificiell intelligens (AI) spelar en alltmer utbredd roll inom den medicinska fysikarenan – från att hantera den stora mängd data som genereras under diagnostisk bildbehandling, till att förstå utvecklingen av cancer i kroppen, till att hjälpa till att designa och optimera behandlingar. Med detta i åtanke, Fysikvärlden var värd för en AI i Medical Physics Week i juni, och tittade på användningen av djupinlärning för applikationer inklusive adaptiv strålterapi online, PET-bildbehandling, protondosberäkning, analys av huvud CT-skanningar och identifiera covid-19-infektion i lungskanningar.
Tidigare under året undersökte en dedikerad session på APS March Meeting några av de senaste medicinska tillämpningar av AI och maskininlärning, inklusive djupinlärning för att diagnostisera och övervaka hjärnsjukdomar och neurodegenerativa sjukdomar, och använda AI för bildregistrering och segmentering. En annan spännande studie var EPFL:s användning av ett neuralt nätverk för att skapa ett intelligent mikroskop som upptäcker subtila prekursorer till sällsynta biologiska händelser och kontrollerar dess förvärvsparametrar som svar.
Löftet om proton FLASH
I en utveckling som också gjort det till vår Årets topp 10 genombrott för 2022, årets ASTRO årsmöte såg Emily Daugherty från University of Cincinnati Cancer Center rapportera resultaten från första kliniska prövningen av FLASH-strålbehandling. FLASH-behandlingar – där terapeutisk strålning levereras med ultrahöga doshastigheter – lovar att minska normal vävnadstoxicitet samtidigt som antitumöraktiviteten bibehålls. I denna studie använde forskarna FLASH protonterapi för att behandla 10 patienter med smärtsamma benmetastaser. De visade genomförbarheten av det kliniska arbetsflödet och visade att behandlingen var lika effektiv som konventionell strålbehandling för smärtlindring, utan att orsaka oväntade biverkningar.
Studien representerar också den första användningen av proton FLASH i människa. De flesta av de tidigare prekliniska FLASH-studierna använde elektroner; men elektronstrålar färdas bara några centimeter in i vävnaden medan protoner tränger in långt djupare. I hopp om att utnyttja denna fördel undersöker många andra grupper också proton FLASH, inklusive forskare vid University of Pennsylvania som använde beräkningsmodellering för att ta reda på vilken som är mest effektiv leveransteknik för FLASH protonstrålar, och forskare från Erasmus University Medical Center, Instituto Superior Técnico och HollandPTC, som utvecklade en algoritm som optimerar proton penna-stråle leveransmönster för att maximera FLASH-täckningen.
Få tillbaka synen
Att återställa synen för dem som har förlorat synförmågan är en betydande forskningsuppgift. I år rapporterade vi om två studier som syftar till att föra detta mål ett steg närmare. Forskare vid University of Southern California undersöker användningen av ultraljudsstimulering för att behandla blindhet orsakad av retinal degeneration. Medan synproteser som återställer synen via elektrisk stimulering av retinala neuroner redan har använts framgångsrikt hos patienter, är dessa invasiva enheter som kräver komplexa implantationsoperationer. Istället visade teamet att stimulering av en blind råttas ögon med icke-invasivt ultraljud kan aktivera små grupper av nervceller i djurets öga.
På andra håll utvecklades ett team i Sverige, Iran och Indien ett nytt sätt att producera konstgjorda hornhinnor, med hjälp av kollagen av medicinsk kvalitet som kommer från grishud (en renad biprodukt från livsmedelsindustrin) som forskarna kemiskt och fotokemiskt behandlade för att förbättra dess styrka och stabilitet. I en pilotstudie av 20 patienter visade de att deras implantat var starka och motståndskraftiga mot nedbrytande och helt kunde återställa patienternas syn genom minimalt invasiv kirurgi. Baserat på denna framgång hoppas Mehrdad Rafat och hans team att det nya tillvägagångssättet kan åtgärda bristen på donatorhornhinnor för transplantation och öka behandlingsalternativen för de många människor världen över som är i akut behov av nya hornhinnor.
Hjärna-datorgränssnittsinnovationer
Hjärn-datorgränssnitt (BCI) utgör en brygga mellan den mänskliga hjärnan och extern mjukvara eller hårdvara. I år såg forskare framgångsrikt använda en implanterat BCI för att en person med fullständig förlamning ska kunna kommunicera. Teamet – från Wyss Center for Bio and Neuroengineering, ALS Voice och University of Tübingen – implanterade två små mikroelektroder i ytan av deltagarens motoriska cortex. Elektroderna registrerar neurala signaler, som avkodas och används i en auditiv återkopplingsstavare som uppmanar användaren att välja bokstäver. Patienten, som hade amyotrofisk lateralskleros (ALS) och var i ett helt låst tillstånd utan kvarvarande frivilliga rörelser, lärde sig hur man ändrar sin egen hjärnaktivitet i enlighet med mottagen ljudåterkoppling, vilket gjorde det möjligt för honom att bilda ord och meningar och kommunicera med en genomsnittlig hastighet av cirka ett tecken per minut.
Som ett alternativ till att använda implanterade elektroder för att känna av hjärnaktivitet, kan neurala signaler också samlas in icke-invasivt med hjälp av elektroencefalografi (EEG) elektroder fästa i hårbotten. Ett team vid University of Technology Sydney utvecklade en ny grafenbaserad biosensor som upptäcker EEG-signaler med hög känslighet och tillförlitlighet – även i mycket salthaltiga miljöer. Sensorn, som är gjord av epitaxiell grafen odlad på ett kiselkarbid-på-kisel-substrat, kombinerar den höga biokompatibiliteten och konduktiviteten hos grafen med den fysiska robustheten och kemiska trögheten hos kiselteknologi.
