Cherenkov-beeldvorming maakt real-time visualisatie van stralingsbundels op het lichaam van een patiënt mogelijk en biedt een middel om de nauwkeurigheid van de toediening van radiotherapie te evalueren. Onderzoekers in China hebben nu een manier ontwikkeld om de kwaliteit van Cherenkov-beelden te verbeteren met behulp van een flexibele, niet-giftige laag carbon quantum dots (cQD's) die aan de patiënt is bevestigd.

Cherenkov-licht wordt geproduceerd wanneer geladen deeltjes zich voortbewegen met een snelheid die groter is dan de fasesnelheid van licht in weefsel. De signaalintensiteit is evenredig met de toegediende stralingsdosis, waardoor de precieze dosis wordt onthuld die tijdens de behandeling wordt toegediend. De optische beeldvormingstechniek biedt een hoge ruimtelijke resolutie, hoge gevoeligheid en hoge beeldsnelheid in vergelijking met conventionele methoden voor stralingsdosismeting.

De intensiteit van Cherenkov-emissie is echter laag en de uitgezonden fotonen worden verstrooid en geabsorbeerd door weefsel. Hierdoor hebben standaard CCD-camera's (Charge-Coupled Device) moeite met het verzamelen van het signaal. In plaats daarvan worden duurdere geïntensiveerde CMOS/CCD-camera's gebruikt.

De cQD's hebben absorptiespectra die overlappen met de Cherenkov-emissiespectra; ze stralen dan luminescentie uit bij langere golflengten. De cQD-sheeting, ontwikkeld en getest bij de afdeling Nucleaire Wetenschap en Technologie van Nanjing Universiteit voor luchtvaart en ruimtevaart, kan daarom worden gebruikt om de Cherenkov-emissie te verschuiven zodat deze overeenkomt met de optimale golflengte van het gevoelige detectiegebied van een CCD-camera.

Met de cQD-folie op zijn plaats, bestaat de optische emissie uit Cherenkov-fotonen die worden gegenereerd in het oppervlakkige oppervlak van het weefsel, fluorescentie die wordt opgewekt door de Cherenkov-fotonen en de radioluminescentie die wordt gegenereerd in de cQD's. Dit verhoogt het totale optische signaal en verbetert de beeldkwaliteit en signaal-ruisverhouding (SNR) van de verkregen beelden.

Hoofdonderzoeker Changran Geng en collega's creëerden de cQD-folie met behulp van een oplossing van cQD's met een diameter van 10 nm en UV-uithardende lijm. Dit mengsel werd door middel van spincoating aangebracht op een substraat dat was bekleed met plastic folie en werd gestold met een UV-lamp. Het kunststof substraat zorgt ervoor dat het scintillatiemateriaal niet direct in contact komt met de huid.

De resulterende cQD-folie had een dikte van 222 ± 5 µm en een diameter van 15 cm, en was flexibel genoeg om zich aan te passen aan het oppervlak van de patiënt. Het team merkt op dat de cQD-folie bijna transparant is en de Cherenkov-emissie van weefsels niet blokkeert.

Rapporteren van hun bevindingen in Medische Fysica, testten de onderzoekers de cQD-folie aanvankelijk op een stevige waterplaat bedekt met een laag van 2 mm lichtgekleurde huidkleurige klei om de optische eigenschappen van de huid na te bootsen. Ze evalueerden de relatie tussen optische intensiteit en geleverde dosis met behulp van cQD-concentraties van 0, 0.05 en 0.1 mg/ml, geleverde doses van 100-500 MU en 6 en 10 MV-bundels. Ze observeerden een lineair verband tussen optische intensiteit en dosis voor zowel 6 als 10 MV fotonen. Door de cQD-folie toe te voegen, werd de SNR in beide gevallen meer dan verdubbeld.

Het team onderzocht vervolgens de prestaties van de cQD-folie op een antropomorf fantoom met behulp van verschillende radiotherapiematerialen en verschillende omgevingslichtbronnen. De lichtemissie vanaf het oppervlak van de verschillende materialen was met cQD-folie ruim 60% hoger dan zonder. Concreet nam de gemiddelde optische intensiteit toe met ongeveer 69.25%, 63.72% en 61.78% bij het toevoegen van cQD-folie aan respectievelijk bolus, maskermonster en een combinatie van bolus en masker. De overeenkomstige SNR's verbeterden met ongeveer 62.78%, 56.77% en 68.80%.

Onder omgevingslicht van een rode LED konden optische beelden met een SNR van meer dan 5 door de beplating worden verkregen. Het toevoegen van een banddoorlaatfilter verhoogde de SNR met ongeveer 98.85%.

"Door een combinatie van cQD-folie en bijbehorend filter kunnen de lichtintensiteit en SNR van optische beelden aanzienlijk worden verhoogd", schrijven de onderzoekers. "Dit werpt een nieuw licht op de promotie van de klinische toepassing van optische beeldvorming om de straal in radiotherapie te visualiseren met een sneller en goedkoper beeldacquisitieproces."

Cherenkov-beeldvorming voor het visualiseren van radiotherapie: één jaar klinisch gebruik

Genk vertelt Natuurkunde wereld dat het team zijn onderzoek op vele manieren actief voortzet. Een voorbeeld is het onderzoeken van Cherenkov-beeldvorming voor gebruik bij radiotherapie met elektronenbundels van keloïden, goedaardige fibreuze laesies die het gevolg zijn van een abnormale genezingsreactie.

"Sommige onderzoeken hebben aangetoond dat postoperatieve radiotherapie met elektronenbundels de kans op keloïdrecidief kan verminderen", legt Geng uit. “Onnauwkeurige bevallingen worden echter vaak geassocieerd met de variatie van elektronenstraalparameters, evenals onzekerheden in de instellingen van de patiënt of ademhalingsbewegingen. Deze kunnen leiden tot een onvoldoende of te hoge dosis op de niet-overeenkomende aangrenzende velden, waardoor mogelijk weefselbeschadiging van de normale huid of terugkeer van keloïde kan ontstaan. We proberen Cherenkov-beeldvormingstechnologie met cQD-sheeting te gebruiken om de afstemming van aangrenzende stralingsvelden die worden afgegeven tijdens keloïde-elektronenradiotherapie in realtime te meten.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/a-sheet-of-quantum-dots-enhances-cherenkov-imaging-of-radiotherapy-dose/