Måla med protoner: behandlingsstrålar återskapar konstverk – Physics World

Måla med protoner: behandlingsstrålar återskapar konstverk – Physics World

Tidsstämpel: 27 september, 2023 4:30

Protonstrålar återskapar konstverk
Protonmålningar Originalkonstverket och återskapade "målningar" i isodosfärgtvätt och dosfärgtvätt för Flicka med pärlörhänge av Johannes Vermeer (översta raden), Stjärnklar natt av Vincent van Gogh (mitten raden) och Skriket av Edvard Munch (nedre raden). (Artighet: Medicinsk dosimetri 10.1016/j.meddos.2023.08.006)

Intensitetsmodulerad protonterapi (IMPT) är en avancerad cancerbehandlingsteknik som använder smala pennliknande strålar av protoner – målade punkt för punkt och lager-för-lager inom patienten – för att leverera strålning i mycket komplexa dosmönster. I kombination med sofistikerade behandlingsplaneringstekniker kan IMPT forma protondosen så att den matchar den riktade tumören med oöverträffad noggrannhet, vilket maximerar förstörelsen av cancerceller samtidigt som skador på närliggande frisk vävnad minimeras.

Den medicinska fysikern Lee Xu från New York Proton Center kom på ett ovanligt tillvägagångssätt – han använde protonpennstrålar för att återskapa en serie välkända målningar som behandlingsplaner, och använde effektivt protonerna som en pensel.

"När jag först gick in på det här området minns jag att jag tittade på behandlingsplaner och blev förvånad över hur vackra de var. De såg verkligen ut som konstverk för mig”, berättar Xu Fysikvärlden. "När jag ägnade mer och mer tid åt att observera behandlingsplanering, insåg jag hur lika dosimetrister var konstnärer. Den enda skillnaden egentligen var i mediet de använde och duken de applicerade mediet på."

Xu valde fem välkända målningar – Flicka med pärlörhänge av Johannes Vermeer, Stjärnklar natt av Vincent van Gogh, Skriket av Edvard Munch, Komposition med rött, blått och gult av Piet Mondrian, och Son av en man av René Magritte – att återskapa i Eclipse v16.1 dosplaneringssystem, dela de resulterande bilderna i Medicinsk dosimetri.

För att generera varje "målning" använde planeringssystemet kliniska protoner med energier på 70–250 MeV för att deponera "färg" (strålningsdos) på en "duk" (en vattenfantom), med ett totalt recept på 100 Gy i 50 fraktioner . Varje behandlingsplan använde mellan ett och sex protonfält riktade mot dukens framsida, med isocentret placerat på ett djup av 10 cm.

Processen börjar på ett liknande sätt som ett traditionellt konstverk – genom att skapa en preliminär skiss på duken för att bestämma den övergripande layouten, i det här fallet med hjälp av 2D-penselverktyget i Eclipses kontureringsarbetsyta. Därefter avgränsas nyckelelement som himlen och marken som konturer och delas in i separata strukturer för att representera olika färger, toner och texturer. I vissa fall använde Xu en slutlig uppdelning i ännu mindre strukturer (upp till 65 för den mest komplexa målningen) för att återspegla mer intrikata detaljer.

Xu tilldelade olika färger till olika isodosnivåer mellan 0 och 100 Gy i intervaller på ungefär 300 cGy. Han optimerade sedan behandlingsplanerna för att deponera doser inom duken som uppnådde önskad färg i varje region. Xu noterar att den slutliga dosfördelningen beräknades med samma protonfalsnings-superpositionsalgoritm som användes på hans klinik.

"Efter att jag blev bekant med protonterapi med blyertsstrålar, insåg jag att möjligheterna för dosmålning med protoner var nästan obegränsade", säger Xu. "Jag ville verkligen se hur långt jag kunde driva det, och vilket bättre sätt än att återskapa några av mina favoritmålningar med hjälp av protonstrålar. Även om jag har haft den här idén i nästan fem år nu, hade jag bara nyligen tid och tålamod att förverkliga den.”

De sista rekreationerna uppvisade en markant likhet med originalkonstverken med tillräcklig upplösning för att klargöra fina detaljer. Xu noterar att varje målning faktiskt är ett tredimensionellt konstverk och kan ses på flera djup inom vattenfantomen.

Förutom att de är en imponerande demonstration av spjutspetsmedicinsk teknik, tjänar målningarna ett ytterligare syfte. Xu föreställer sig att de skulle kunna fungera som ett pedagogiskt verktyg, för att hjälpa patienter som genomgår behandling att förstå de allmänna principerna för protonterapi, eller till och med hjälpa medicinska och medicinska fysikstudenter att bättre förstå protonfysik och dosimetri genom att använda en serie kommenterade målningar.

"Jag hoppas att det här dokumentet visar hur långt vi har kommit sedan 2D-planeringens dagar och hur modern teknik har gjort det möjligt för oss att tillhandahålla mycket riktad vård som är specifik för varje patient," tillägger Xu. "Jag hoppas också att det här arbetet fungerar som en påminnelse för oss alla inom strålningsonkologi och medicinsk fysik om att även om vi ofta betraktar oss själva som vetenskapsmän eller kliniker, så är vi innerst inne också konstnärer; och utan konst skulle vårt område inte vara detsamma.”

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden