Оценка продолжительности сеанса лучевой терапии на этапе предлучевой подготовки

The treatment planning process includes a review of the radiation treatment plan which leads to a decision on the patientʼs treatment technique. The scope of this study was to create a mathematical model for calculating of a radiation therapy session duration during the pre-radiation planning stage.For dosimetric planning of radiation treatment the authors provided a formula and an algorithm for determining of a patientʼs irradiation session duration. Radiation therapy session parameters such as radiation technique, number of monitor units, characteristics of radiotherapy equipment, number of radiation fields, radiation field parameters (angles of rotation of the radiotherapy coach, collimator, gantry), presence / absence of dose-modulating devices, dose rate, and duration of patient position verification procedures have all been taken into account during the development of software. The developed application explains how to define typical timing characteristics for various items as well as how to select a template from a built-in drop-down menu. If the dosimetric plan does not match for one of the templates, the program provides a space for defining of all parameters manually.The anticipated deviations of the true indicators from the expected indicators of the duration of the radiation therapy session were assessed. A total of 300 cases have been completely measured, with 100 cases studied for each irradiation technique (IMRT, VMAT, 3D). The maximum detection confidence value for the 3DCRT irradiation technique is 2.3 %, while the deviation for the IMRT and VMAT irradiation techniques is less than 1 %. The magnitude and degree of the deviation of the measured value from the expected one for a variety of characteristics and features have been revealed to depend on the actions of the personnel.The program developed allows medical physicists to analyze the timing parameters of the specified dosimetric planning methodologies directly on the treatment planning workstation. Evaluation of the duration of a radiation therapy session during the treatment planning stage, selection of various radiation treatment modalities, and consideration of the characteristics of the radiation session in each clinical case are available for analysis and further justified action. Анализ плана лучевого лечения является неотъемлемой частью процесса предлучевой подготовки, в результате которого принимается решение о методике лечения пациента. Целью данной работы являлась разработка математической модели определения продолжительности сеанса лучевой терапии на этапе предлучевой подготовки.Авторами предложены формула и алгоритм расчёта продолжительности сеанса облучения пациента на этапе дозиметрического планирования лучевого лечения. Разработано программное обеспечение расчёта продолжительности сеанса облучения, учитывающее значения всех параметров сеанса лучевой терапии: методику облучения, количество мониторных единиц, характеристики радиотерапевтического оборудования, количество радиационных полей, параметры полей облучения (углы поворота радиотерапевтического стола, коллиматора, штатива аппарата), наличие/ отсутствие дозомодулирующих устройств, мощность дозы, продолжительность верификации положения пациента. В программе предусмотрена установка стандартных параметров плана облучения для различных локализаций и методик путём выбора конкретного шаблона из выпадающего списка. В случае, если дозиметрический план не соответствует ни одному из шаблонов, в программе предусмотрен ввод параметров плана вручную.Произведена оценка отклонений, рассчитываемых разработанной программой значений продолжительности сеанса лучевой терапии от истинных значений. Измерения проведены для 300 случаев: исследованы по 100 случаев для каждой методики облучения (IMRT, VMAT, 3D). Максимальное выявленное отклонение рассчитанного значения от истинного составило 2,3 % для методики облучения 3DCRT, для методик облучения IMRT и VMAT отклонение составило менее 1 %. Выявлено, что с увеличением количества процедур, напрямую связанных с действиями персонала, увеличивается и величина отклонения рассчитанного значения с измеренным.Разработанное программное обеспечение позволяет оценивать временные параметры выбранных подходов дозиметрического планирования на рабочем месте медицинского физика. Оценка длительности сеанса лучевой терапии на этапе предлучевой подготовки способствует выбору оптимальной методики лучевого лечения с учётом индивидуальных параметров сеанса облучения в каждом конкретном клиническом случае.

Advances in Engineering and Application of Optogenetic Indicators for Neuroscience

Our ability to investigate the brain is limited by available technologies that can record biological processes in vivo with suitable spatiotemporal resolution. Advances in optogenetics now enable optical recording and perturbation of central physiological processes within the intact brains of model organisms. By monitoring key signaling molecules noninvasively, we can better appreciate how information is processed and integrated within intact circuits. In this review, we describe recent efforts engineering genetically-encoded fluorescence indicators to monitor neuronal activity. We summarize recent advances of sensors for calcium, potassium, voltage, and select neurotransmitters, focusing on their molecular design, properties, and current limitations. We also highlight impressive applications of these sensors in neuroscience research. We adopt the view that advances in sensor engineering will yield enduring insights on systems neuroscience. Neuroscientists are eager to adopt suitable tools for imaging neural activity in vivo, making this a golden age for engineering optogenetic indicators. Keywords: optogenetic tools; neuroscience; calcium sensor; voltage sensor; neurotransmitter

Методика определения характеристик компонентов сеанса лучевой терапии для различных методов облучения онкологических пациентов с использованием медицинских линейных ускорителей и гамма-терапевтических аппаратов

One of the main factors affecting the effectiveness of radiation therapy is the constancy of the patient’s position on the treatment table created by immobilization devices of various designs and held throughout the entire irradiation procedure, which guarantees the accuracy of the delivery of the prescribed dose distribution. The purpose of the work was to establish the numerical values of the dominant components of a radiation therapy session for each of the irradiation techniques most commonly used in clinical practice of the radiation therapy.To determine the numerical values of the components of the radiation therapy session, the authors have measured each component for some clinical cases of patients’ irradiation placed. The patients had been diagnosed with the following malignant tumours: prostate cancer, breast cancer, lung cancer, head and neck tumours. More than 2000 individual measurements have been carried out with the help of such medical linear accelerators as "Clinac", "Unique", "Truebeam", and the gamma-therapeutic apparatus named "Theratron".The numerical values of the time spent on 3 groups of parameters of an irradiation session were established: the mechanical parameters of the radiation therapy equipment, the functional characteristics of the irradiation systems and the parameters that directly depend on the personnel involved in an irradiation procedure.According to the measurement results, the flow diagram for the procedures of verifying a patient’s position on the therapeutic table (2 different techniques), preceding their irradiation and the radiation therapy procedures themselves was proposed. It has been shown that a number of session components can run in parallel to each other thus optimizing the time spent by a patient in the treatment room.Using the obtained values of the time spent on the radiation session parameters it is possible to actualize the mathematical model that will allow the medical physicist to determine in advance the duration of the irradiation session at the stage of treatment planning and choose a radiation therapy technique taking into account the individual parameters of the irradiation session in each particular clinical case.Одним из основных факторов, влияющих на эффективность лучевой терапии является соблюдение постоянства положения пациента на лечебном столе с использованием фиксирующих приспособлений различных конструкций на протяжении всей процедуры их облучения, что гарантирует точность доставки предписанной дозы излучения. Цель работы – установление численных величин доминирующих компонентов сеанса лучевой терапии для каждой из методик облучения, наиболее применяемых в клинической практике лучевой терапии.Для установления численных величин компонентов сеанса лучевой терапии авторами проведены экспериментальные измерения каждого из них для некоторых клинических случаев облучения пациентов с локализациями злокачественных новообразований: рак предстательной железы, рак молочной железы, рак легкого, опухоли головы и шеи (более 2000 индивидуальных измерений), осуществляемых с использованием медицинских линейных ускорителей следующих моделей: «Clinac», «Unique», «Truebeam», а также гамма-терапевтического аппарата «Theratron».Установлены численные значения затрачиваемого времени для 3-х групп параметров сеанса облучения: механические параметры аппаратов лучевой терапии, функциональные характеристики систем реализации облучения и параметры, напрямую зависящие от персонала, участвующего в проведении процедуры облучения.Предложена блок-схема для процедур верификации положения пациента на терапевтическом столе (две различные методики), предшествующей облучению пациента и непосредственно процедурам лучевой терапии. Показано, что ряд компонентов сеанса может осуществляться параллельно друг другу, за счёт чего время, проводимое пациентом в процедурном помещении, может быть оптимизированно.С использованием полученных значений затрачиваемого времени для параметров сеанса облучения возможна реализация математической модели, которая позволит предварительно определить длительность сеанса облучения на этапе предлучевой подготовки и выбрать методику лучевой терапии с учетом индивидуальных параметров облучения в каждом конкретном клиническом случае

Аппаратная реализация верификации динамической лучевой терапии

The effectiveness of the use of modern technologies and methods of radiation treatment depends on the means of quality control of the operational parameters of the radiotherapy equipment. The development of technical means for verification of the radiation therapy plan, allowing accurate assessment of the three-dimensional dose distribution in the target, is a priority task when introducing innovative methods of radiation treatment. The aim of the work is to develop tools for assessing the three-dimensional dose distribution of radiation therapy plans with intensity modulation using the magnitude of the absolute radiation dose. The authors analyzed the existing technical means and methods for verifying radiation therapy plans on medical linear electron accelerators, and also identified their shortcomings. It is shown that these techniques for verifying the three-dimensional dose distribution do not give an accurate idea of the absolute values of the radiation dose in the target. A system and a method are proposed that allows improving the accuracy of the verification of the radiation therapy plan by using the obtained cross-calibration coefficient determined taking into account the value of the radiation output of the medical linear accelerator immediately at the time of the implementation of both this procedure and the radiation therapy session, as well as a method for verifying the plan radiation therapy with their use.Эффективность применения современных технологий и методов лучевого лечения зависит от средств контроля качества эксплуатационных параметров радиотерапевтического оборудования. Верификация плана лучевого лечения позволяет оценить соответствие дозового распределения, доставленного к мишени, запланированному распределению с погрешностью результата облучения, не превышающей заданную величину критерия приемлемости. Разработаны инструментальные средства для оценки трехмерного дозового распределения планов лучевой терапии с модуляцией интенсивности, используя величину абсолютной дозы облучения. Проведен анализ существующих технических средств и методик проведения верификации планов лучевой терапии на медицинских линейных ускорителях электронов, а также выявлены их недостатки. Показано, что данные методики осуществления верификации трехмерного дозового распределения не дают точного представления об абсолютных значениях дозы излучения в мишени. Предложены система и метод, позволяющее повысить точность проведения верификации плана лучевой терапии за счет использования полученного кросс-калибровочного коэффициента определяемого с учетом значения радиационного выхода медицинского линейного ускорителя непосредственно в момент осуществления как данной процедуры, так и сеанса лучевой терапии, а также способ проведения верификации плана лучевой терапии с их применением

Near-Infrared Light-Controlled Gene Expression and Protein Targeting in Neurons and Non-neuronal Cells

Near-infrared (NIR) light-inducible binding of bacterial phytochrome BphP1 to its engineered partner, QPAS1, is used for optical protein regulation in mammalian cells. However, there are no data on the application of the BphP1-QPAS1 pair in cells derived from various mammalian tissues. Here, we tested the functionality of two BphP1-QPAS1-based optogenetic toolsan NIR- and blue-light-sensing system for control of protein localization (iRIS) and an NIR light-sensing system for transcription activation (TA)in several cell types, including cortical neurons. We found that the performance of these optogenetic tools often relied on physiological properties of a specific cell type, such as nuclear transport, which could limit the applicability of the blue-light-sensitive component of iRIS. In contrast, the NIR-light-sensing component of iRIS performed well in all tested cell types. The TA system showed the best performance in cervical cancer (HeLa), bone cancer (U-2 OS), and human embryonic kidney (HEK-293) cells. The small size of the QPAS1 component allowed the design of adeno-associated virus (AAV) particles, which were applied to deliver the TA system to neurons.Peer reviewe

Методика и аппаратные средства оценки количественных характеристик ПЭТ-изображений при исследовании динамических объектов

The description of the original phantom design for assessing the quantitative characteristics of PET images in the study of dynamic objects is given. The phantom movement is controlled by the breath synchronization system, which records the phantom movement amplitude and the duration of the movement cycle. A curve was obtained that simulates human breathing, the parameters of which (amplitude and period) correspond to those obtained in the study of the chest. The values of the ecovery coefficients and contrast are obtained taking into account the sizes of the spheres, as well as the static and dynamic types of movement of phantoms. An assessment of the discrepancy between the recovery coefficients and the contrast values for the spheres installed inside the phantom in the static and dynamic states has been made. With a decrease in the diameter (respectively, and volume) of the sphere, an increase in the difference in values (between the static and dynamic positions of the phantom) of the recovery coefficient is observed. The optimal values of the recovery coefficients obtained using the QClear reconstruction algorithm have been determined. Recommendations for the use of the developed device in the study of dynamic objects are described. It is advisable to use the installation presented in this work to control the quality of the qualitative and quantitative characteristics of diagnostic images obtained both on PET/CT scanners and during studies using SPECT/CT (single-photon emission tomograph combined with a computed tomograph).Приведено описание оригинальной конструкции фантома для оценки количественных характеристик ПЭТ-изображений при исследовании динамических объектов. Движение фантома контролируется системой синхронизации дыхания, которая фиксирует амплитуду движения фантома и длительность цикла движения. Получена кривая, имитирующая дыхание человека, параметры которой (амплитуда и период), соответствуют показателям, получаемым при исследовании грудной клетки. Установлены значения коэффициентов восстановления и контраста с учетом размеров сфер, а также статического и динамического типов движения фантомов. Произведена оценка несоответствия коэффициентов восстановления и значений контраста для сфер, установленных внутрь фантома в статическом и динамическом состояниях. С уменьшением диаметра (соответственно, и объема) сферы наблюдается возрастание разницы значений (между статическим и динамическим положениями фантома) коэффициента восстановления. Определены оптимальные значения коэффициентов восстановления, получаемых при использовании реконструкционного алгоритма QClear. Описаны рекомендации по применению разработанного устройства при исследовании динамических объектов. Представленную в данной работе установку целесообразно использовать для контроля качества качественных и количественных характеристик диагностических изображений, получаемых как на ПЭТ/КТ сканерах, так и при проведении исследований с использованием ОФЭКТ/КТ (однофотонный эмиссионный томограф, совмещенный с компьютерным томографом)

Влияние точности позиционирования онкологических пациентов в положении проведения лучевой терапии с использованием медицинских линейных ускорителей электронов на параметры доставляемого им индивидуального трехмерного дозового распределения

Due to the rapid development and further improvement of radiation treatment technologies oncologists have an opportunity to precisely deliver individual dose distributions to the tumor, minimizing the doses obtained by critical organs and healthy structures. For the correct and successful application of these complex methods of radiation therapy, it was necessary to enforce the requirements for the technical and dosimetric parameters of the radiotherapy equipment. The purpose of the research is to determine the magnitude of the possible error for patients’ positioning during their radiotherapy treatments using medical linear accelerators by modeling the impact of the patient’s body on the treatment couch. To determine the values of a possible error, the authors have considered the design and characteristics of a typical treatment couch, developed a model of the “average” patient’s body (phantom), which allowed changing the load to the treatment couch with a step of 1 kg. The position parameters of treatment couches were determined for the main types of localization of radiation therapy for malignant tumors: head and neck tumors, breast tumors and pelvic tumors. Numerical values of the treatment coach deviations from prescribed horizontal position were experimentally established for a load from 40 to 180 kg for a treatment couch used at the N.N. Alexandrov National Cancer Centre of Belarus. Based on the obtained experimental data, the necessity to correct the patient's treatment conditions at the stage of treatment planning were confirmed in order to ensure the delivery accuracy of individual dose distributions as required by the radiation therapy protocols. Authors stated that an analysis of the dependence of the deviations in the dose delivered to the patients on the deviation of the radiotherapy table from its horizontal position should be carried out for each radiotherapy table used in clinical practice. The development and implementation of a mechanism that will allow considering this information when choosing the parameters of the patient’s treatment session and prescribing the dose for any localization of malignant neoplasms is needed.В результате развития лучевой терапии онкологических заболеваний у врачей – радиационных онкологов появилась возможность прецизионно доставлять индивидуальные дозовые распределения в объем опухоли, максимально снизив дозовые нагрузки на критические органы, находящиеся в непосредственной близости к зоне облучения. Однако для корректного применения таких методов терапии необходимо было ужесточить требования, предъявляемые к технико-дозиметрическим параметрам радиотерапевтического оборудования, точности настройки и калибровки его геометрических, механических и радиационных параметров. Цель работы – определение величины возможной ошибки при позиционировании пациента в положении проведения лучевого лечения с использованием медицинских линейных ускорителей электронов путем моделирования воздействия тела пациента на радиотерапевтический стол (РТС). Для определения величин ошибки авторами рассмотрена конструкция и характеристики типовых РТС, разработана модель «среднего» тела пациента, позволяющая изменять нагрузку на терапевтическую поверхность (ТП) РТС с шагом 1 кг. Определены параметры положения ТП для основных локализаций лучевой терапии злокачественных новообразований: опухолей головного мозга и шеи, опухолей грудной клетки и малого таза. Экспериментально установлены численные величины отклонения ТП в изоцентре радиационного поля от предписанного горизонтального положения при нагрузке на нее от 40 до 180 кг для ТП, используемых в РНПЦ онкологии и медицинской радиологии им. Н.Н. Александрова. На основании полученных экспериментальных данных показана необходимость проведения коррекции условий облучения пациента на этапе моделирования параметров его лечения для обеспечения требуемой протоколами лучевой терапии точности доставки индивидуальных дозовых распределений, для чего следует провести анализ зависимости отклонений в дозе, доставляемой пациентам, от величины отклонения ТП РТС от горизонтального положения для каждого используемого в клинической практике РТС, а также разработать и внедрить механизм, который позволит учитывать эту информацию при выборе параметров сеанса облучения и предписания дозы для любой локализации злокачественных новообразовани

Установление критериев γ-анализа индивидуальных дозовых распределений при проведении верификации планов облучения онкологических пациентов с применением методов высокотехнологичной лучевой терапии

A typical process for verification of treatment plans in intensity-modulated radiation therapy is described. The main errors and uncertainties that arise in the course of planning dose distribution and in the process of dose delivery are listed. Methods for comparing dose distributions are considered: the distance to agreement (DTA) and the test for the algebraic dose difference. Formulas for calculating the shift of points of dose distributions, as well as the minimum value of the shift of points, are provided. The influences of global and local normalization and spatial resolution on the interpretation of the results obtained are defined. A methodology for determining reasonable criteria for gamma-analysis of individual dose distributions when verifying plans for irradiation of cancer patients using high-tech radiation therapy methods has been developed. Using the procedure proposed by the authors to establish action limits and tolerances will make it possible to assess the quality of medical care provided in healthcare institutions when using high-tech radiotherapy methodsОписан типовой процесс верификации планов облучения в лучевой терапии с модуляцией интенсивности. Перечислены основные ошибки и неопределенности, возникающие в ходе планирования дозового распределения и в процессе доставки дозы. Рассмотрены способы сравнения и сопоставления дозовых распределений: критерий расстояния (DTA) и тест на алгебраическую разность доз. Приведены формулы для расчета смещения точек дозовых распределений, а также минимального значения смещения точек. Определено влияние глобальной и локальной нормализации и пространственного разрешения на интерпретацию полученных результатов. Разработана методология определения обоснованных критериев γ-анализа индивидуальных дозовых распределений при проведении верификации планов облучения онкологических пациентов с применением методов высокотехнологичной лучевой терапии. Использование предложенной авторами процедуры для установления уровней действия и допусков позволит оценить качество оказываемой медицинской помощи в учреждениях здравоохранения при применении методов высокотехнологичной лучевой терапии

Multiscale photoacoustic tomography using reversibly switchable bacterial phytochrome as a near-infrared photochromic probe

Photoacoustic tomography (PAT) of genetically encoded probes allows for imaging of targeted biological processes deep in tissues with high spatial resolution; however, high background signals from blood can limit the achievable detection sensitivity. Here we describe a reversibly switchable nonfluorescent bacterial phytochrome for use in multiscale photoacoustic imaging, BphP1, with the most red-shifted absorption among genetically encoded probes. BphP1 binds a heme-derived biliverdin chromophore and is reversibly photoconvertible between red and near-infrared light-absorption states. We combined single-wavelength PAT with efficient BphP1 photoswitching, which enabled differential imaging with substantially decreased background signals, enhanced detection sensitivity, increased penetration depth and improved spatial resolution. We monitored tumor growth and metastasis with ~100-μm resolution at depths approaching 10 mm using photoacoustic computed tomography, and we imaged individual cancer cells with a suboptical-diffraction resolution of ~140 nm using photoacoustic microscopy. This technology is promising for biomedical studies at several scales

Theta and gamma rhythmic coding through two spike output modes in the hippocampus during spatial navigation

Hippocampal CA1 neurons generate single spikes and stereotyped bursts of spikes. However, it is unclear how individual neurons dynamically switch between these output modes and whether these two spiking outputs relay distinct information. We performed extracellular recordings in spatially navigating rats and cellular voltage imaging and optogenetics in awake mice. We found that spike bursts are preferentially linked to cellular and network theta rhythms (3–12 Hz) and encode an animal's position via theta phase precession, particularly as animals are entering a place field. In contrast, single spikes exhibit additional coupling to gamma rhythms (30–100 Hz), particularly as animals leave a place field. Biophysical modeling suggests that intracellular properties alone are sufficient to explain the observed input frequency-dependent spike coding. Thus, hippocampal neurons regulate the generation of bursts and single spikes according to frequency-specific network and intracellular dynamics, suggesting that these spiking modes perform distinct computations to support spatial behavior.Fil: Lowet, Eric. Boston University; Estados UnidosFil: Sheehan, Daniel J.. Boston University; Estados UnidosFil: Chialva, Ulises. Universidad Nacional del Sur. Departamento de Matemática; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - Bahía Blanca; ArgentinaFil: De Oliveira Pena, Rodrigo. New Jersey Institute of Technology; Estados UnidosFil: Mount, Rebecca A.. Boston University; Estados UnidosFil: Xiao, Sheng. Boston University; Estados UnidosFil: Zhou, Samuel L.. Boston University; Estados UnidosFil: Tseng, Hua-an. Boston University; Estados UnidosFil: Gritton, Howard. University of Illinois. Urbana - Champaign; Estados UnidosFil: Shroff, Sanaya. Boston University; Estados UnidosFil: Kondabolu, Krishnakanth. Boston University; Estados UnidosFil: Cheung, Cyrus. Boston University; Estados UnidosFil: Wang, Yangyang. Boston University; Estados UnidosFil: Piatkevich, Kiryl D.. Westlake University; ChinaFil: Boyden, Edward S.. McGovern Institute for Brain Research; Estados Unidos. Massachusetts Institute of Technology; Estados UnidosFil: Mertz, Jerome. Boston University; Estados UnidosFil: Hasselmo, Michael E.. Boston University; Estados UnidosFil: Rotstein, Horacio. New Jersey Institute of Technology; Estados UnidosFil: Han, Xue. Boston University; Estados Unido