切伦科夫彩色成像显示出提高放射治疗效果的希望

Cherenkov 成像是一种有价值的癌症治疗工具，可以帮助医生实时跟踪和监测癌症治疗期间组织接受的辐射剂量。这种成像技术通过检测切伦科夫辐射来工作，切伦科夫辐射是由暴露于高能辐射(例如来自线性加速器的 X 射线或电子束)的组织发出的。当来自入射辐射的高能带电粒子通过生物组织时，无论是作为一次辐射还是二次辐射，它们都会与组织中原子和分子的电磁场相互作用。这些软碰撞类型的相互作用会导致分子发生电磁位移，从而在返回原始状态时释放切伦科夫辐射，这可以被检测到并与辐射沉积剂量相关联。

在没有切伦科夫被组织吸收或散射的理想情况下，发射的光与入射辐射剂量成正比，从而可以准确检测从发射的切伦科夫信号传递到组织的辐射剂量。然而在现实中，组织衰减降低了发射的切伦科夫辐射的强度，改变了沉积剂量与观察到的切伦科夫辐射之间的线性关系。这意味着来自人体组织的切伦科夫辐射信号无法准确解释为与剂量成正比。

Brian W. Pogue 教授目前领导达特茅斯大学和威斯康星大学麦迪逊分校的团队，旨在使切伦科夫成像成为辐射剂量的可靠指标。他说，“先前关于该主题的研究表明，组织吸收和散射可能导致成像患者之间检测到的 Cherenkov 发射的变化高达 45%。此外，人与人之间肤色的差异可能会改变信号水平高达90%，血液或散射成分的变化可导致高达 20% 的信号变化。这强调需要通过基础研究了解生物组织中的 Cherenkov 信号衰减，看看我们是否可以用多光谱或彩色成像来解释这一点。”

在发表在《生物医学光学杂志》(JBO) 上的一项研究中，研究人员研究了切伦科夫发射的强度如何随着生物组织吸收特征的变化而变化，例如组织内的血液浓度和皮肤中的黑色素浓度。为此，他们准备了具有不同黑色素层和血容量水平的组织和血液模型。然后，他们将这些模型暴露在高能 X 射线下，并分析由此产生的切伦科夫辐射，使用专门设计的相机检测红色、绿色和蓝色 (RGB) 波段的信号，这在彩色摄影中很常见。关键区别在于，这台相机是时间选通的，仅在快速的微秒辐射脉冲期间进行成像。

研究人员使用 Cherenkov 彩色成像来确定他们是否可以使用来自光谱的信息来校正由某些生物因素(例如血液和黑色素水平)引起的衰减效应。他们选择了覆盖人类肤色范围的黑色素浓度，并观察到黑色素和血液水平的增加导致切伦科夫发射强度的降低。他们指出，极高的黑色素水平会导致切伦科夫发射显着减少，这使得对肤色最深的人进行切伦科夫彩色成像具有挑战性。

该团队发现，随着黑色素水平的增加，所有颜色都表现出类似的强度降低。然而，在血液浓度增加的血液模型中，他们观察到红色通道的衰减程度低于蓝色和绿色通道，这是由于血红蛋白吸收了蓝色和绿色。他们得出结论，由于颜色变化不同，他们可以根据皮肤颜色或组织中的血容量来校准衰减差异。

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