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Nature Biotechnology (2023) Citare questo articolo

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L'imaging acustico delle radiazioni ionizzanti (iRAI) consente il monitoraggio online delle interazioni delle radiazioni con i tessuti durante la radioterapia, fornendo feedback adattivo e in tempo reale per i trattamenti contro il cancro. Descriviamo un sistema di imaging volumetrico iRAI che consente la mappatura della distribuzione della dose di radiazioni tridimensionale (3D) in un trattamento radioterapico clinico complesso. Il metodo si basa su un trasduttore a matrice bidimensionale e su una scheda preamplificatore multicanale corrispondente. La fattibilità dell'imaging dell'accumulo temporale della dose 3D è stata convalidata per la prima volta in un fantasma che imita il tessuto. Successivamente, le misurazioni semiquantitative della dose relativa di iRAI sono state verificate in vivo in un modello di coniglio. Infine, la visualizzazione in tempo reale della dose di radiazioni 3D erogata a un paziente con metastasi epatiche è stata ottenuta con un acceleratore lineare clinico. Questi studi dimostrano il potenziale di iRAI nel monitorare e quantificare la deposizione della dose di radiazioni 3D durante il trattamento, migliorando potenzialmente l’efficacia del trattamento radioterapico utilizzando un trattamento adattivo in tempo reale.

È stato dimostrato che la radioterapia (RT) migliora gli esiti dei pazienti affetti da cancro e fornisce una palliazione dei sintomi correlati1. Il successo della RT dipende dalla somministrazione di una dose di radiazioni sufficiente al tumore, risparmiando i tessuti normali circostanti2. Il raggiungimento del rapporto terapeutico desiderato, ovvero la massimizzazione del controllo del tumore riducendo al minimo la tossicità, richiede che la dose di radiazioni pianificata venga erogata accuratamente3,4.

Per migliorare l’efficacia della RT, negli ultimi decenni sono state proposte e sviluppate tecnologie avanzate di somministrazione guidata da immagini5,6. Tecnologie come la RT modulata in intensità e la RT ad arco modulato volumetrico possono compensare alcune delle limitazioni associate alla RT conforme tridimensionale (3D)7,8; tuttavia, individuare le lesioni in movimento rimane impegnativo. Diversi studi hanno evidenziato discrepanze tra la RT pianificata e quella erogata e il loro impatto sul controllo del tumore9. Queste differenze sono esacerbate da errori di impostazione, movimento degli organi e deformazioni anatomiche10,11, che possono alterare notevolmente le dosi previste somministrate al bersaglio o ai tessuti normali adiacenti nel corso del trattamento12,13,14. Attualmente, la pratica comune per la creazione di un volume target di pianificazione (PTV) consiste nell'espandere il volume target clinico con un margine spaziale per consentire incertezze di configurazione e deformazioni degli organi15. Inoltre, l’incremento della dose in molte malattie è limitato dalla radiosensibilità dei tessuti normali adiacenti16,17. Nel caso di pazienti con cancro al fegato, uno studio precedente ha dimostrato che la riduzione del margine di movimento dell’organo può ridurre il volume efficace del trattamento fino al 5% (con conseguente riduzione del rischio di complicanze del 4,5%), il che consentirebbe di aumentare la dose di radiazioni del 6–8 Gy, con conseguente miglioramento del controllo del tumore di circa il 6–7% (rif. 18).

Per mitigare i problemi relativi al movimento normale e del bersaglio, sono necessarie tecnologie in grado di monitorare la localizzazione del tumore e mappare la dose erogata durante il trattamento. Per il gating respiratorio vengono talvolta utilizzati surrogati del movimento come i fiducial19 o l'apnea attiva con spirometria20. Inoltre, sono state utilizzate diverse tecnologie RT (IGRT)21,22 di guida delle immagini di bordo, tra cui il dispositivo elettronico di imaging del portale23,24, l'imaging fluoroscopico kilovolt e l'imaging con tomografia computerizzata a fascio conico (CT) (CBCT) kilovolt o megavolt. Tuttavia, nessuna di queste tecnologie può fornire informazioni in tempo reale sulla deposizione della dose 3D. Sono state esplorate anche tecnologie non ionizzanti più sicure, come l’imaging a ultrasuoni25 e i sistemi basati su telecamere di superficie, che sono suscettibili a sottili fonti di errore e variabilità tra utenti. Per risolvere meglio la discriminazione dei tessuti con l'imaging in tempo reale, sono state introdotte per uso clinico tecnologie integrate come gli acceleratori lineari CT (LINAC), i LINAC per risonanza magnetica (MRI) e la tomografia a emissione di positroni-LINAC26, ma la TC, la MRI o La tomografia a emissione di positroni non può monitorare la posizione del fascio di raggi X né la deposizione della dose nei tessuti normali o nel bersaglio. Attualmente, la guida tramite immagini con monitoraggio del feedback della dose erogata rimane intrinsecamente limitata27. D'altra parte, esiste un'ampia varietà di dispositivi per misurazioni della dose clinica (ad esempio, diodi, dosimetri a stimolazione termica/ottica, transistor ad effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo, scintillatori plastici, dispositivi di imaging di portali elettronici, gel e pellicole). Questi dispositivi, tuttavia, sono per lo più limitati a misurazioni puntuali sulla superficie esterna di un paziente e non sono volumetrici, non sono in tempo reale e alcuni dipendono dalla dose o dall'energia28. Le nuove generazioni di rilevatori possono essere utilizzate in vivo ma non forniscono nessuna delle necessarie informazioni anatomiche dettagliate29,30,31. Pertanto, esiste una necessità clinica di lunga data di tecnologie di imaging più efficaci in grado di monitorare volumetrico, in tempo reale, la somministrazione della dose in vivo durante la RT per ottenere indicazioni di feedback.