切倫科夫彩色成像顯示出提高放射治療效果的希望

Cherenkov 成像是一種有價值的癌癥治療工具，可以幫助醫(yī)生實時跟蹤和監(jiān)測癌癥治療期間組織接受的輻射劑量。這種成像技術(shù)通過檢測切倫科夫輻射來工作，切倫科夫輻射是由暴露于高能輻射(例如來自線性加速器的 X 射線或電子束)的組織發(fā)出的。當來自入射輻射的高能帶電粒子通過生物組織時，無論是作為一次輻射還是二次輻射，它們都會與組織中原子和分子的電磁場相互作用。這些軟碰撞類型的相互作用會導致分子發(fā)生電磁位移，從而在返回原始狀態(tài)時釋放切倫科夫輻射，這可以被檢測到并與輻射沉積劑量相關(guān)聯(lián)。

在沒有切倫科夫被組織吸收或散射的理想情況下，發(fā)射的光與入射輻射劑量成正比，從而可以準確檢測從發(fā)射的切倫科夫信號傳遞到組織的輻射劑量。然而在現(xiàn)實中，組織衰減降低了發(fā)射的切倫科夫輻射的強度，改變了沉積劑量與觀察到的切倫科夫輻射之間的線性關(guān)系。這意味著來自人體組織的切倫科夫輻射信號無法準確解釋為與劑量成正比。

Brian W. Pogue 教授目前領(lǐng)導達特茅斯大學和威斯康星大學麥迪遜分校的團隊，旨在使切倫科夫成像成為輻射劑量的可靠指標。他說，“先前關(guān)于該主題的研究表明，組織吸收和散射可能導致成像患者之間檢測到的 Cherenkov 發(fā)射的變化高達 45%。此外，人與人之間膚色的差異可能會改變信號水平高達90%，血液或散射成分的變化可導致高達 20% 的信號變化。這強調(diào)需要通過基礎(chǔ)研究了解生物組織中的 Cherenkov 信號衰減，看看我們是否可以用多光譜或彩色成像來解釋這一點。”

在發(fā)表在《生物醫(yī)學光學雜志》(JBO) 上的一項研究中，研究人員研究了切倫科夫發(fā)射的強度如何隨著生物組織吸收特征的變化而變化，例如組織內(nèi)的血液濃度和皮膚中的黑色素濃度。為此，他們準備了具有不同黑色素層和血容量水平的組織和血液模型。然后，他們將這些模型暴露在高能 X 射線下，并分析由此產(chǎn)生的切倫科夫輻射，使用專門設(shè)計的相機檢測紅色、綠色和藍色 (RGB) 波段的信號，這在彩色攝影中很常見。關(guān)鍵區(qū)別在于，這臺相機是時間選通的，僅在快速的微秒輻射脈沖期間進行成像。

研究人員使用 Cherenkov 彩色成像來確定他們是否可以使用來自光譜的信息來校正由某些生物因素(例如血液和黑色素水平)引起的衰減效應(yīng)。他們選擇了覆蓋人類膚色范圍的黑色素濃度，并觀察到黑色素和血液水平的增加導致切倫科夫發(fā)射強度的降低。他們指出，極高的黑色素水平會導致切倫科夫發(fā)射顯著減少，這使得對膚色最深的人進行切倫科夫彩色成像具有挑戰(zhàn)性。

該團隊發(fā)現(xiàn)，隨著黑色素水平的增加，所有顏色都表現(xiàn)出類似的強度降低。然而，在血液濃度增加的血液模型中，他們觀察到紅色通道的衰減程度低于藍色和綠色通道，這是由于血紅蛋白吸收了藍色和綠色。他們得出結(jié)論，由于顏色變化不同，他們可以根據(jù)皮膚顏色或組織中的血容量來校準衰減差異。

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