Một tấm chấm lượng tử tăng cường hình ảnh Cherenkov về liều xạ trị

Một tấm chấm lượng tử tăng cường hình ảnh Cherenkov về liều xạ trị

Dấu thời gian: ngày 12 tháng 2023 năm 11 00:XNUMX sáng

Nhóm nghiên cứu
Nhóm nghiên cứu Từ trái sang phải: Changran Geng, Xing Di, Xiaobin Tang và Haonan Han từ Đại học Hàng không và Vũ trụ Nam Kinh. (Được phép: Changran Geng)

Hình ảnh Cherenkov cho phép hiển thị thời gian thực các chùm bức xạ trên cơ thể bệnh nhân và cung cấp một phương tiện để đánh giá độ chính xác của quá trình xạ trị. Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc hiện đã phát triển một cách để cải thiện chất lượng hình ảnh Cherenkov bằng cách sử dụng một tấm chấm lượng tử carbon (cQD) linh hoạt, không độc hại được gắn vào bệnh nhân.

Ánh sáng Cherenkov được tạo ra khi các hạt tích điện di chuyển với vận tốc lớn hơn vận tốc pha của ánh sáng trong mô. Cường độ tín hiệu tỷ lệ thuận với liều lượng bức xạ được cung cấp, cho thấy liều lượng chính xác được cung cấp trong quá trình điều trị. Kỹ thuật hình ảnh quang học cung cấp độ phân giải không gian cao, độ nhạy cao và tốc độ hình ảnh nhanh so với các phương pháp đo liều bức xạ thông thường.

Tuy nhiên, cường độ phát xạ Cherenkov thấp và các photon phát ra bị tán xạ và hấp thụ bởi mô. Do đó, máy ảnh thiết bị ghép điện tích (CCD) tiêu chuẩn gặp khó khăn trong việc thu thập tín hiệu. Thay vào đó, các máy ảnh CMOS/CCD tăng cường đắt tiền hơn đang được sử dụng.

Phổ hấp thụ và phát xạ chấm lượng tử
bước sóng thay đổi quang phổ Cherenkov (xám); quang phổ hấp thụ tấm cQD (màu xanh) và phát xạ phát quang (màu cam). (Lịch sự: Med. Thể chất. 10.1002/mp.16121)

Các cQD có phổ hấp thụ trùng với phổ phát xạ Cherenkov; sau đó chúng phát ra ánh sáng phát quang ở bước sóng dài hơn. Tấm cQĐ, được phát triển và thử nghiệm tại Khoa Khoa học và Công nghệ Hạt nhân của Đại học Hàng không và Vũ trụ Nam Kinh, do đó có thể được sử dụng để thay đổi phát xạ Cherenkov để phù hợp với bước sóng tối ưu của vùng phát hiện nhạy cảm của máy ảnh CCD.

Với tấm cQD tại chỗ, sự phát xạ quang học bao gồm các photon Cherenkov được tạo ra ở bề mặt bề ngoài của mô, sự phát huỳnh quang được kích thích bởi các photon Cherenkov và sự phát quang phóng xạ được tạo ra trong các cQD. Điều này làm tăng tổng tín hiệu quang và cải thiện chất lượng hình ảnh cũng như tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) của hình ảnh thu được.

Điều tra viên chính Trường Nhiên Canh và các đồng nghiệp đã tạo ra tấm cQD bằng cách sử dụng giải pháp cQD đường kính 10 nm và chất kết dính có thể chữa khỏi bằng tia cực tím. Hỗn hợp này được kéo sợi lên một đế được phủ bằng tấm nhựa và được hóa rắn bằng đèn UV. Chất nền nhựa đảm bảo rằng vật liệu nhấp nháy không tiếp xúc trực tiếp với da.

Tấm cQD thu được có độ dày 222±5 µm và đường kính 15 cm, đủ linh hoạt để phù hợp với bề mặt của bệnh nhân. Nhóm nghiên cứu lưu ý rằng tấm cQD gần như trong suốt và không chặn sự phát xạ Cherenkov từ các mô.

Báo cáo phát hiện của họ trong Vật lý y tế, ban đầu các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm tấm cQD trên một phiến nước rắn được phủ một lớp đất sét có màu sáng 2 mm để bắt chước các đặc tính quang học của da. Họ đã đánh giá mối quan hệ giữa cường độ quang học và liều phân phối bằng cách sử dụng nồng độ cQD là 0, 0.05 và 0.1 mg/ml, liều phân phối 100–500 MU và chùm tia 6 và 10 MV. Họ đã quan sát thấy mối quan hệ tuyến tính giữa cường độ quang học và liều lượng đối với cả photon 6 và 10 MV. Việc thêm tấm cQD đã tăng hơn gấp đôi SNR trong cả hai trường hợp.

Phát xạ phát quang không có và có tấm cQD
tăng cường phát thải Sơ đồ phát quang và hình ảnh đơn khung phát quang từ một mẫu nước rắn không có (trái) và có (phải) tấm cQD. (Lịch sự: Med. Thể chất. 10.1002/mp.16121)

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã kiểm tra hiệu suất của tấm cQD trên một bóng ma hình người bằng cách sử dụng các vật liệu xạ trị khác nhau và các nguồn ánh sáng xung quanh khác nhau. Sự phát xạ ánh sáng từ bề mặt của các vật liệu khác nhau khi sử dụng tấm cQD cao hơn 60% so với khi không sử dụng. Cụ thể, cường độ quang học trung bình tăng lần lượt khoảng 69.25%, 63.72% và 61.78% khi thêm tấm cQD vào bolus, mẫu mặt nạ và sự kết hợp của bolus và mặt nạ. SNR tương ứng được cải thiện khoảng 62.78%, 56.77% và 68.80%.

Dưới ánh sáng xung quanh từ đèn LED màu đỏ, có thể thu được hình ảnh quang học có SNR lớn hơn 5 thông qua tấm. Việc thêm bộ lọc thông dải đã tăng SNR lên khoảng 98.85%.

Các nhà nghiên cứu viết: “Thông qua sự kết hợp giữa tấm cQD và bộ lọc tương ứng, cường độ ánh sáng và SNR của hình ảnh quang học có thể tăng lên đáng kể. “Điều này làm sáng tỏ việc thúc đẩy ứng dụng lâm sàng của hình ảnh quang học để hình dung chùm tia trong xạ trị với quy trình thu nhận hình ảnh nhanh hơn và ít tốn kém hơn.”

Geng kể Thế giới vật lý rằng nhóm đang tích cực tiếp tục nghiên cứu của mình theo nhiều cách. Một ví dụ là điều tra hình ảnh Cherenkov để sử dụng với xạ trị chùm tia điện tử của sẹo lồi, tổn thương xơ lành tính phát sinh từ phản ứng chữa bệnh bất thường.

Geng giải thích: “Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng xạ trị bằng tia điện tử sau phẫu thuật có thể làm giảm tỷ lệ tái phát sẹo lồi. “Tuy nhiên, việc cung cấp không chính xác thường liên quan đến sự thay đổi của các thông số chùm tia điện tử, cũng như sự không chắc chắn trong thiết lập của bệnh nhân hoặc chuyển động hô hấp. Những điều này có thể dẫn đến liều lượng không đủ hoặc quá mức ở các trường liền kề không khớp, có khả năng gây tổn thương mô cho da bình thường hoặc tái phát sẹo lồi. Chúng tôi đang cố gắng sử dụng công nghệ hình ảnh Cherenkov với tấm cQD để đo sự phù hợp của các trường bức xạ liền kề được cung cấp trong quá trình xạ trị điện tử sẹo lồi trong thời gian thực.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý