Výzkum

Možností pro výzkum v tomto relativně mladém a rozvíjejícím se oboru, je nepřeberné množství. Nicméně je možné vysledovat několik hlavních směrů:

 

Zpracování obrazu pro diagnostické metody

Diagnostika pomocí ionizujícího záření se stala naprosto běžnou součástí lékařských vyšetření. Spolu s tím ale narůstá i zátěž pacientů dávkami z těchto vyšetření. Aby tyto dávky byly co nejmenší, je nutné používat takové režimy zobrazení, které při použití co nejmenší dávky dají dostatečnou diagnostickou informaci. To je možné dosáhnout také použitím citlivějších receptorů obrazu a nebo také dalším zpracováním výsledného obrazu. Sem se upírá zájem radiologických fyziků spolu s matematiky (UTIA, Flusser) - použití matematických filtrů pro zlepšení diagnostické informace obrazu (zlepšení poměru signál-šum), fúze obrazů z různých zobrazovacích modalit (CT+MRI, PET+CT), odstranění artefaktů na RTG obrazu (zásadní zejména při plánování radioterapie).

Obrázek: Příklad redukce artefaktů z CT snímku. Vlevo původní snímek, vpravo sn9mek s redukcí artefaktů.



Nové přístupy v klinické dozimetrii a optimalizace quality assurance


Klinická dozimetrie pokrývá oblast měření dávek v klinické praxi (mimo měření na pacientech). Měření dávek ve fantomech je zásadní pro další hodnocení a odhad dávek v pacientovi a také jako ukazatel stability terapeutických přístrojů. V radioterapii je možné sledovat boom různých ozařovacích technik a technologií, ve kterých je poměrně složité měřit dávku (malá pole pro IMRT, Cyberknife, hadronová terapie), případně je potřeba použít speciální dozimetry. Právě ve vývoji nových dozimetrů a ve zpřesňování měření dávky pro nestandardní techniky můžeme spatřovat trend moderní klinické dozimetrie.
QA (quality assurance) a jeho optimalizace je problematika, kterou se zabývá každé pracoviště používající zdroje ionizujícího záření v medicíně. Pracoviště musí definovat ve speciálním dokumentu plán měření a testů, kterými bude kontrolovat jednotlivé přístroje. Efektivita tohoto procesu a přesnost nových a nově vyvinutých meřicích pomůcek a přístrojů, je stále živé téma. Vhodnou a účelnou se jeví zejména spolupráce s firmami, které tyto pomůcky a měřicí přístroje vyrábějí.




 

Obrázek: Moderní maticové detektory pro QA v klinické praxi



Hodnocení radiační zátěže pacientů


Dávky obdržené z diagnostických vyšetření (RTG, CT, PET...) a terapeutických aplikací (léčba radiojódem při nádorovém onemocnění štítné žlázy) používající ionizující záření nejsou zanedbatelné, proto je nutné znát u pacientů dávku, kterou při vyšetření/terapii obdrželi i zátěž jednotlivých orgánů. Tuto dávku nelze měřit přímo v pacientovi, musíme ji tedy odhadovat na základě použitých parametrů záření (pro NM aplikovaná aktivita, pro RTG záření kV, mA) a tělesných proporcí pacienta. Tato problematika je stejně stará jako používání záření k diagnostickým a terapeutickým metodám, ale i dnes se stále jeví jako nezbytné zpřesňovat odhady dávek. Zejména pro nukleární medicínu, kde depozici dávky ovlivňuje také kinetika radiofarmaka, se otvírá stále široké spektrum nevyřešených otázek, kterým by měla být v naší republice věnována velká pozornost. Dalším okruhem témat této problematiky je hodnocení přidaných dávek ze zobrazovacích metod v radioterapii, neboť jejich používání v kombinaci se složitými ozařovacími technikami náročnými na přesné nastavení pacienta prudce narůstá.



Radiobiologie a užití radiobiologických modelů


Zabývá se účinky ionizujícího záření na buňky, tkáně a organismy (zejména se koncentruje na člověka, jeho orgány a buněčnou DNA). Tento účinek nezávisí pouze na velikosti absorbované dávky, ale také na typu částic, které ji způsobily a také na druhu tkáně (buněk).  Celá problematika je velmi obsáhlá a složitá a je naprosto zásadní pro hodnocení vlivu dávek na člověka. Výzkum probíhá od úrovně buněk (ozařování DNA, sledování radiochemických reakcí a reparačních účinků, vlivy na struktury v buňce mimo DNA), kde je nezbytná spolupráce s centry, které mají k dispozici požadované svazky částic (UJV Řež, ODZ...). Výzkumná činnost na úrovni orgánů má naprosto zásadní význam pro plánování radioterapie, pro kterou je klíčová znalost takových dávek, která zničí nádor a zároveň neponičí zdravou tkáň okolo. Existuje mnoho přístupů a modelů popisující vztah mezi dávkou a tkání (orgánem), u kterých je nutné provést porovnání s klinickými daty, aby bylo možné daný model použít následně k odhadu rizik pro pacienta po ozáření. V poslední době se na tuto oblast upírá zájem mnoha radiologických fyziků a radiačních onkologů. Další skupinou témat pro radiobiologii je hodnocení malých dávek (statistickým sledováním ozářených lidí), které i po dlouhé době stále není jednoznačně uzavřeno, a následné stanovování doporučení pro limity bezpečných dávek pro radiační pracovníky.



 

Obrázek: Pozorování ozářených fibroblastů mikroskopem


Aplikace metody Monte Carlo


Při použití metody Monte Carlo pro modelování průchodu ionizujícího záření látkou je vlastně simulován reálný fyzikální děj - částice po částici. Tato metoda jako jediná používá přístup simulace reálného děje, z principu se jedná o nejpřesnější metodu (je přesná tak, jak je přesný model a kolik je modelovaných částic). V radiologické fyzice se dá použít mnoha způsoby. Nejčastěji se používají pro tento účel speciálně vyvinuté programy (MCNP, EGS, PENELOPE, GEANT...), ve kterých se zkoumaný problém nasimuluje. Výpočty trvají obvykle velmi dlouho, proto tuto metodu zatím není možné použít k výpočtům, kde potřebujeme výsledky během několika minut (např. plánování radioterapie). Monte Carlo můžeme použít k ověřování správnosti výsledků metod, kde se používají aproximativní rychlejší modely (plánování radioterapie). Dále se tato metoda velmi často používá ke stanovení veličin, které nelze měřit (např. spektrum fotonů v urychlovači...) nebo k ověření výsledků měření (např. neutronové kontaminace). Další oblastí použití v radiologické fyzice je stanovování odezev detektorů, zejména za nestandardních podmínek a nemalou oblastí zájmu této metody je také stanovování dávek v pacientech (terapie i diagnostika), kterou nelze nikdy měřit přímo.



Obrázek: Monte Carlo simulace drah elektronů v materiálu (včetně zobrazení trajektorií sekundárních částic - fotonů a pozitronů)

 

Adaptivní radioterapie


Cílem radioterapie je zničení nádoru pomocí ionizujícího záření za současného maximálního šetření okolní tkáně. Limity tolerance těchto tkání jsou obvykle důvodem, proč nelze ozářit nádor vysokou dávkou. Technologický posun ozařovací techniky, plánovacích systémů i zobrazovacích technik tyto limity posouvá. Jedním z nejnovějších přístupů, jak ještě více naplánovat pacientovi radioterapii na míru, je tzv. adaptivní radioterapie. Při "klasické" radioterapii jsou použity CT snímky, na které se vytvoří optimální plán. K ideálnímu ozáření by bylo potřeba umístit pacienta na ozařovací stůl naprosto stejně jako při CT a to včetně všech jeho orgánů. Tento předpoklad samozřejmě není nikdy splněn, ale snažíme se mu co nejvíc přiblížit použitím zobrazovacích systémů při nastavování pacienta na ozařovně, použitím fixačních pomůcek atd. Adaptivní radioterapie zkoumá anatomické změny v pacientovi během ozařování (zmenšení nádorového ložiska, otoky tkání...), které mohou způsobit, že původní plán už zdaleka není optimální. V průběhu adaptivní radioterapie se plán upravuje s ohledem na současné parametry pacienta - udělá se nové CT a nový plán nebo se použije nejvhodnější z několika předem připravených plánů. Jakou strategii volit a jak optimalizovat tento postup je poslední dobou předmětem nejnovějších výzkumů.


Obrázek: Standardní ozařovač (lineární urychlovač) pro radioterapii a jeho příslušenství pro zobrazování polohy pacienta (EPID+OBI)


In-vivo dozimetrie v radioterapii


In-vivo dozimetrie se zabývá měřením dávek na pacientech při ozařování. Dávku v pacientovi a v jeho orgánech nelze měřit přímo, odezva detektorů pro in-vivo dozimetrii nám však dává určitou představu, jestli ozáření je prováděno tak, jak bylo naplánováno - jiným způsobem se dodání dávky nekontroluje.  In-vivo dozimetrie může být realizována buď nalepením detektorů na kůži (TLD, polovodičové detektory) nebo transmisní dozimetrií, kdy detektor (např. EPID) je umístěn pod pacientem a zkoumá se zeslabení svazku. Odezva je předem stanovená (např. z plánovacího systému) a neměla by se v průběhu léčby zářením měnit. Jedná se o důležitý proces, který může odhalit mnohé chyby při ozáření. Aby bylo možné takový systém použít, musí být dostatečně citlivý a zároveň nesmí být zatížen např. nesprávným použitím obsluhujícího personálu. Použití v praxi také znamená najít optimální toleranční hladiny zpracováním dat na pracovištích. Zejména se v poslední době upírá zájem o využití v brachyterapii a pro speciální techniky ozařování, kde se k ozářením používají velmi vysoké dávky (Cyberknife, stereotaktická radioterapie, protonová terapie).


Významnou složkou výzkumné činnosti jsou práce studentů v doktorském i magisterském studiu. Konkrétní témata, kterými se v současné době studenti a jejich interní a externí školitelé zabývají, je možné najít v sekci Témata závěrečných prací. Mimo katedru, v klinické praxi, je patrný trend zařazovat výzkum jako běžnou součást práce radiologického fyzika. S rostoucím počtem fyziků v oboru lze očekávat ještě zvýraznění těchto tendencí. Prezentace výsledků výzkumu jednotlivých klinických pracovišť i studentských prací na národní úrovni je už téměř standardem.