„Trzeba dojść do tego, żeby się nigdy nie mylić (...) cała tajemnica polega na tym, aby nie śpieszyć się zbytnio.”

M. Skłodowska-Curie

Wśród wielu zagadnień, którymi zajmujemy się na Fizyce Medycznej, można znaleźć te dotyczące obrazowania medycznego, jak i te z radioterapii. Czym konkretnie zajmują się nasi studenci? Oto krótki opis kilku projektów.

Badanie rozkładu dawki od promieniowania X w pracowni RTG w Zakładzie Fizyki Biomedycznej

Zasady ochrony radiologicznej wymagają sporządzenie mapy dawki w pomieszczeniu, w którym znajduje się lampa RTG i w którym będą już wkrótce wykonywane badania z wykorzystaniem promieniowania X.

Rozkład dawki został zmierzony przez studentów realizujących Zespołowy Projekt Studencki,z którego wynikami można zapoznać się tutaj.

Produkcja innowacyjnych radioizotopów medycznych

Badania w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów w zakresie life sciences obejmują poszukiwanie innowacyjnych radioizotopów medycznych, w szczególności dróg i wydajności ich produkcji. W tym celu wykorzystujemy dostępne w laboratorium cyklotrony:

- cyklotron warszawski U-200P, przyspieszający jony 4He-40Ar (2-10 AMeV, max. 1 µA),

- cyklotron PETtrace, przyspieszający protony (16 MeV, 80 µA) i deuterony (8 MeV, 40 µA).

Wykorzystujemy także wiązkę protonów z cyklotronu skonstruowanego w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku.

Aktualnie zajmujemy się opracowaniem sposobów produkcji izotopów: 211At (Targeted Alpha Theraphy), 72Se/72As (generator pozytonów), 43Sc (PET), 44mSc/44Sc (three photons PET, generator in vivo), 47Sc (radioterapia), 44Ti/44Sc (długożyciowy generator), 99mTc (alternatywna produkcja cyklotronowa).

Przy realizacji badań współpracujemy z:

- Instytutem Fizyki Uniwersytetu Śląskiego, Katowice,

- Instytutem Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa,

- Narodowym Centrum Badań Jądrowych, Świerk,

- Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Uniwersytetu Warszawskiego.

Nasze prace są wspierane grantami NCBiR.

 

W badaniach biorą udział:

Mateusz Sitarz (FUW/ŚLCJ), Jerzy Jastrzębski (ŚLCJ), Jarosław Choiński (ŚLCJ), Andrzej Jakubowski (ŚLCJ), Anna Stolarz (ŚLCJ), Katarzyna Szkliniarz (IF UŚ), Agnieszka Trzcińska (ŚLCJ), Wiktor Zipper (IF UŚ)

Charakterystyka wiązek promieniowania fotonowego modyfikowanego płytą rozpraszającą

Podstawowym celem radioterapii jest precyzyjne zdeponowanie dawki terapeutycznej w całkowitej objętości guza nowotworowego. Stanowi to istotny problem w przypadku guzów, które naciekają skórę lub tkanki podskórne. Liniowe akceleratory medyczne stosowane w ośrodkach radioterapeutycznych generują wiązki promieniowania fotonowe głównie o energiach 6MV i 15MV. Dla wymienionych energii dawka na powierzchni skóry stanowi odpowiednio 53% i 37% wartości dawki w maksimum, a maksymalna wartość dawki głębokiej występuje na głębokości 1,5 cm i 2,5 cm. W celu napromieniania dawką terapeutyczną obszarów położonych blisko powierzchni skóry należy zastosować bolus - materiał o własnościach fizykochemicznych zbliżonych do własności tkanek miękkich (wody). Przy zastosowaniu bolusa duże znaczenie ma precyzyjne odtworzenie jego ułożenia na powierzchni ciała pacjenta podczas każdej sesji terapeutycznej. Celem niniejszej pracy jest zbadanie odtwarzalności ułożenia bolusa w oparciu o tomografię wiązką stożkową (CBCT, ang. Cone Beam Computed Tomography) oraz wskazanie ograniczeń w klinicznym zastosowaniu bolusów. Zaproponowana zostanie również metoda modyfikacji wiązek promieniowania fotonowego z wykorzystaniem płyty rozpraszającej, co może stanowić alternatywę dla powszechnie stosowanych bolusów.   

W projekcie biorą udział:

Edyta Dąbrowska (FUW, COI), Beata Brzozowska (FUW), Paweł Kukołowicz (COI)

Nanodozymetria jonów węgla

Projekt zajmuje się doświadczalnym badaniem śladów ciężkich cząstek naładowanych w nanoskali.  W tej chwili uwaga jest skupiona na jonach węglach, których źródłem jest cyklotron zlokalizowany w Środowiskowym Laboratorium Ciężkich Jonów UW. W wyniku prowadzonych eksperymentów określana jest częstość występowania danej liczby aktów jonizacji na określonym odcinku toru cząstki jonizującej. Badane długości toru zawierają się w przedziale od dziesiątych części nanometra do kilku nanometrów, co w przybliżeniu odpowiada charakterystycznym rozmiarom uszkodzeń helisy DNA. Częstość występowania dwóch lub więcej aktów jonizacji, na krótkim odcinku toru, stanowi o skuteczności promieniowania w niszczeniu komórek nowotworowych, gdyż znacząco zwiększa szanse na podwójne (i wielokrotne), a zatem nienaprawialne pęknięcia helisy DNA. Uzyskane dane będą cenną wskazówką dla oceny poprawności algorytmów stosowanych w systemach planowania leczenia przy pomocy technik hadronoterapii (radioterapii z użyciem protonów lub jąder atomowych).

W projekcie biorą udział:

Aleksander Bancer (NCBJ), Marian Jaskóła (NCBJ), Andrzej Korman (NCBJ), Marcin Pietrzak (FUW), Stanisław Pszona (NCBJ), Zygmunt Szefliński (ŚLCJ)

Obrazowanie z efektem kontrastu fazowego dla promieniowania rentgenowskiego w zastosowaniach medycznych – trójwymiarowe rekonstrukcje obrazów

Obrazowanie z wykorzystaniem zjawiska kontrastu fazowego posiada ogromne możliwości detekcji elementów o niskim kontraście szczegółów w obiektach o słabo absorbujących właściwościach. Techniki obrazowania z kontrastem fazowym mają potencjał, aby zrewolucjonizować obszar diagnostyki radiologicznej. Imponujące zbiory obrazów różnych próbek zostały zgromadzone na podstawie pomiarów prowadzonych w wielu ośrodkach synchrotronowych, jednakże konieczność użycia promieniowania synchrotronowego uniemożliwia jego szerokie zastosowanie np. w diagnostyce medycznej. Nowa technika oparta o wykorzystanie kodowanych apertur została zaproponowana przez zespół fizyków z University College London (UCL). Pozwala ona na obrazowanie, w którym uzyskuje się wysokie sygnały kontrastu fazowego z zastosowaniem konwencjonalnych źródeł promieniowania i detektorów używanych w klinicznej diagnostyce medycznej. W przeciwieństwie do innych metod opartych o zjawisko kontrastu fazowego – użycie kodowanych apertur pozwala na pokonanie ograniczeń jak np. konieczność filtracji wiązki oraz uzyskiwanie akceptowalnych klinicznie czasów ekspozycji.

We współpracy z grupą z UCL pracujemy nad przygotowaniem modelu trójwymiarowej rekonstrukcji obrazów uzyskanych z badań w oparciu o metodę kodowanych apertur w celu uzyskania obrazów tomograficznych, przy założeniu znaczącego zmniejszenia liczby artefaktów obrazowania tomograficznego do akceptowalnego poziomu przy zastosowaniu niskich dawek i szybkiej akwizycji danych. Jednocześnie w związku z powyższymi założeniami z powodu złamania kryterium samplowania Nyquista i występowania szumu, uzyskanie rekonstrukcji o akceptowalnej dokładności może okazać się niemożliwe.

W ramach pracy nad tym zagadnieniem przygotowywany jest model układu kodowanych apertur oraz badane są iteracyjne algorytmy rekonstrukcji, które pozwolą na jak najdokładniejsze odwzorowanie modelu trójwymiarowego obiektu, uzyskane przy jak największej redukcji artefaktów z wykorzystaniem technologii GPU.

W projekcie biorą udział:

Bartłomiej Włodarczyk (FUW), Jarosław Żygierewicz (FUW)

Geometria planu leczenia i niedokładność ułożenia pacjenta

W teleradioterapii podanie pełnej, zleconej dawki przez lekarza jest osiągane poprzez przygotowanie planu leczenia dla obszaru tkanek objętego procesem nowotworowym (tzw. Clinical Target Volume – CTV) powiększonego o obszar tkanek zdrowych (obszar CTV oraz margines określany jest terminem Planning target Volume – PTV). Margines CTV-PTV jest określany ilościowo z wzorów zaproponowanych przez van Herka lub przez Stroma. Przygotowanie planu leczenia wymaga wcześniejszego określenia marginesów, w każdym z trzech prostopadłych kierunków. Taka kolejność czynności implikuje fakt, że na określenie marginesu nie ma wpływu geometria planu leczenia i charakterystyka poszczególnych wiązek. Nawet pobieżna analiza problemu

pokazuje, że obydwa czynniki mogą mieć wpływ na określenie marginesu. W badaniu zostanie podjęte zagadnienie określania marginesu CTV-PTV z uwzględnieniem geometrii planu leczenia i niedokładności ułożenia pacjenta na przykładzie pacjentów leczonych techniką konformalną z powodu raka gruczołu krokowego.

Szczegółowe zagadnienia badawcze

1.Analiza rozkładu błędów ułożenia. Analiza zgromadzonych danych klinicznych w COI.

2.Badanie wykorzystania splotu rozkładu dawek do określania efektywnego rozkładu dawki.

3.Badanie wpływu odległości granica pola – granica CTV na rozkład dawki.

W projekcie biorą udział:

Marta Giżyńska (FUW, COI), Maciej Kamiński (FUW), Paweł Kukołowicz (COI)

Prototypowy detektor tomografu PET z trójwymiarowym pomiarem położenia oddziaływania kwantu gamma

w krysztale scyntylacyjnym

Tomografia pozytonowa odgrywa bardzo ważną rolę w naukach biologicznych i farmaceutycznych pozwalając uzyskać informacje

o zachodzących procesach biochemicznych in vivo na sub-pikomolowym poziomie czułości. W przypadku obrazowania małych zwierząt uzyskanie podobnego poziomu szczegółów i czułości jak w przypadku obrazowania ludzi jest dużym wyzwaniem. Detektory PET wyposażone w pomiar głębokości oddziaływania (trójwymiarowe pozycjonowanie zarejestrowanych przypadków w detektorze) pozwalają uzyskać większą czułość bez utraty rozdzielczości.  

Celem projektu jest opracowanie detektora do tomografii pozytonowej wykorzystującego nową metodę lokalizacji  głębokości oddziaływania promieniowania gamma w detektorze. Metoda ta polega na wytworzeniu gradientu temperatury w krysztale scyntylacyjnym w kierunku równoległym do kierunku padania promieniowania, wprowadzając tym samym zmienność stałej zaniku świecenia kryształu wraz z głębokością. Wykorzystanie pomiaru stałej zaniku świecenia scyntylatora pozwala zidentyfikować obszar,

z którego pochodziło zarejestrowane oddziaływanie. Pozycjonowanie w kierunku prostopadłym do kierunku padania  promieniowania może być przeprowadzone jedną ze standardowych technik opartych o logikę Angera lub sumowania sygnałów w rzędach pozycjo-czułego detektora (np. fotopowielacza typu "flat panel"). Dokładna znajomość położenia punktu oddziaływania w trzech wymiarach pozwala zmniejszyć wpływ tak zwanego błędu paralaksy i uzyskać wyższą rozdzielczość rekonstruowanych obrazów tomograficznych. Powyższą metodę pomiaru głębokości oddziaływania prawdopodobnie można będzie połączyć w jednym detektorze z innymi dotychczas opracowanymi metodami pomiaru pozwalając jeszcze bardziej poprawić rozdzielczość.  Powyższa technika może znaleźć zastosowanie nie tylko w obrazowaniu małych zwierząt, ale również w klinicznie stosowanych tomografach PET.

W projekcie biorą udział:

Krzysztof Kacperski (COI), Weronika Wolszczak (FUW), Jarosław Żygierewicz (FUW)

Kontrola jakości aparatów mammograficznych

Zagadnienia dotyczące oceny fizycznych parametrów mammografii cyfrowej (dla obrazów cyfrowych i ucyfrowionych):

1. 1.Image homogeneity
   

Program jest oparty na aplikacji ImageJ, która na zasadach wolnego oprogramowania umożliwia wczytywanie, przeglądanie i analizę plików DICOM. Został on stworzony jako plugin. Użytkownik ma do dyspozycji dwa testy: test jednorodności wariancji (T1) oraz test jednorodności średniej (T2).

2. 2.Threshold contrast visibility
   

3. Konieczne do wykonania programu jest określenie następujących parametrów: materiała naody, napięcie lampy, progowa grubość płytki złota, kolejne elementy filtów lampy. Jako wynik użytkownik otrzymuje porównanie wartości CNR z programi akceptacji.
   

3. 3.AGD
   

Program liczy warstwę półchłonną oraz średnią dawkę gruczołową.

1. 4. Modulation Transfer Function (MTF) and Noise Power Spectra (NPS)
   Program służy do obliczeń: DRF, NPS, MTF oraz DQE.
   

Zespół:

Centrum Onkologii - Instytut: Paweł Kukołowicz, Ewa Fabiszewska, Iwona Grabska, Katarzyna Pasicz, Witold Skrzyński, Wioletta Ślusarczyk-Kacprzyk

Wydział Fizyki: Ela Dendek (I rok, studia III stopnia), Marta Nesteruk (I rok, studia II stopnia), Marcin Pietrzak (II rok, studia II stopnia)

i Beata Brzozowska