Una red neuronal informada por la física para dosimetría in vivo utilizando imágenes radiacústicas cuantitativas

Área de la Ciencia:

• Física Médica
• Imagen Biomédica
• Inteligencia Artificial en Medicina

Sus antecedentes:

• La dosimetría in vivo precisa es crucial para la radioterapia, pero actualmente carece de métodos de medición clínica directos.
• La imagen radiacústica (RAI) muestra potencial para el monitoreo de dosis al detectar ondas acústicas de la radiación, pero se ha limitado a evaluaciones cualitativas.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y validar un marco de RAI cuantitativo (qRAI) utilizando una red neuronal informada por la física (PINN) para la reconstrucción de dosis in vivo.
• Permitir el mapeo de dosis cuantitativo en tiempo real directamente dentro de los pacientes durante la radioterapia.

Principales métodos:

• Se desarrolló una red neuronal informada por la física (PINN), que integra la física de las ondas acústicas y los gemelos digitales de los sistemas de entrega y detección de radiación.
• La PINN reconstruye mapas de dosis cuantitativos a partir de datos acústicos de visión limitada, calibrados con referencias de dosis experimentales y simuladas.
• La validación se realizó en diversos escenarios, incluidos tanques de agua, fantomas de torso humano y terapia de electrones FLASH.

Principales resultados:

• El marco qRAI basado en PINN reconstruyó con éxito mapas de dosis cuantitativos in vivo.
• El método demostró una solidez y generalización superiores en comparación con modelos puramente basados en datos, particularmente en entornos sin verdad experimental.
• Se logró un mapeo de dosis preciso en diversos entornos clínicos y experimentales.

Conclusiones:

• La qRAI basada en PINN proporciona una herramienta poderosa para la dosimetría in vivo cuantitativa, adaptativa y en tiempo real.
• Esta tecnología aborda la necesidad crítica de medición directa y precisa de la dosis durante la radioterapia.
• El marco muestra una promesa significativa para mejorar la seguridad y la eficacia de la radioterapia.