Rozszerzony opis platformy do symulacji kwantowych i obrazowania medycznego na potrzeby PET
Nowotwory są jednymi z najważniejszych przyczyn chorób i zgonów na świecie. Przez ostatnie lata liczba zdiagnozowanych przypadków raka znacznie wzrosła i przewiduje się, że trend ten będzie się utrzymywał w wyniku adaptacji niezdrowego trybu życia oraz efektu starzenia się społeczeństw w krajach rozwiniętych. Podobne zjawisko można zaobserwować w Polsce, gdzie nowotwory są drugą najbardziej częstą przyczyną zgonów. Spodziewany wzrost liczby zachorowań, połączony z kosztami ekonomicznych terapii nowotworowych powoduje, że problem ten staje się jednym z podstawowych wyzwań z którymi współczesne społeczeństwa muszą się zmierzyć. W tym kontekście niezwykle istotny jest dalszy rozwój medycznych technik diagnostycznych, które pozwolą na wykrycie choroby na wczesnym etapie, co jest jednym z kluczowych czynników skutecznej terapii onokogicznej. Obecnie w diagnostyce szeroko wykorzystuje się nieinwazyjne techniki obrazowania medycznego takie jak Tomografia Komputerowa (ang. Computed Tomography CT), Rezonans Magnetyczny (ang. Magnetic Resonance Imaging MRI) oraz Pozytonowa Tomografia Emisyjna (ang. Positron Emission Tomography PET) , które pozwalają na stworzenie obrazów organów lub całego ciała pacjenta.
Tomografia PET jest najbardziej rozpowszechnioną nie-inwazyjną metodą diagnostyczną w przypadku raka płuc, piersi i prostaty. Dostarcza ona informacji o procesach metabolicznych w ciele pacjenta na poziomie komórkowym, co pozwala na wykrycie patologicznych symptomów, które zazwyczaj poprzedzają zmiany anatomiczne i w konsekwencji wykrycie choroby we wcześniejszym stadium. Klasyczny obraz pacjenta jest otrzymywany w oparciu o rekonstrukcję przestrzennego rozkładu radiofarmaceutyka, który podaje się pacjentowi przed badaniem. Markery, będące substancjami analogicznymi do glukozy, są pochłaniane przez ciało pacjenta, a ich koncentracja zależy od biologicznej aktywności tkanek. Komórki nowotworowe typowo cechują się większym metabolizmem, a zatem koncentracja radiofarmaceutyka będzie większa w obszarach chorych. Informacja o rozkładzie jest otrzymywane przez rejestrację par fotonów emitowanych z ciała pacjenta i rejestrowanych przez urządzenie skanera.
W ostatnich latach w raz z badaniami nad nową generacji skanerów PET, w szczególności obejmujących całe ciało pacjenta (ang. Total-body PET), pojawiły się propozycje opracowania technik, które dostarczyłyby dodatkowych informacji o zmianach chorobowych, rozszerzając klasyczną informację dostarczaną przez obraz pacjenta. Pionierem w tych badaniach jest polski projekt J-PET (ang. Jagiellonian-PET), w którego skład wchodzi także grupa naukowców z NCBJ. Głównym celem projektu J-PET jest budowa skanera na całe ciało w oparciu o innowacyjną technologię opartą o scyntylatory plastikowe oraz fotopowielaczach krzemowych SiPM. Unikalne własności urządzenia pozwalają na pomiary własności układu atomu pozytonium powstającego w ciele pacjenta, w oparciu o rejestrację zdarzeń wielofotonowych przez skaner PET. Pomiar własnościach między innymi czasu życia pozytonium, mogą być wykorzystane jako zupełnie niezależne źródło informacji o zmianach chorobowych w organizmie pacjenta. Na podkreślenie zasługuje fakt, że w ramach projektu powstał już działający prototyp skanera, który może być wykorzystany do walidacji proponowanych technik.
W ramach niniejszego zadania powstanie platforma softwarowa dla nowych rozwiązań obrazowania medycznego, które mają na celu przekroczenie ograniczeń technik wykorzystywanych w skanerach komercyjnych PET przez: (1) roszerzenie informacji klasycznej o informację kwantową, którą można uzyskać badając korelacje kwantowe fotonów emitowanych z ciała pacjenta, (2) rozwój algorytmów do rekonstrukcji obrazów dla tomografii trójfotonowej, korzystając z możliwości obliczeniowych maszyn i emulatorów kwantowych. W ramach platformy rozwinięte zostaną narzędzia oparte o metody uczenia maszynowego a także wybrane algorytmy kwantowe. Przedstawiony powyżej podział celów badawczych odpowiada podziałowi funkcjonalnemu platformy software’owej na: ( Ad 1) narzędzia do symulacji Monte Carlo ewolucji układów splątanych fotonów pochodzących z ciała pacjenta, (Ad 2) pakiet oprogramowania do badania nowych metod rekonstrukcji obrazów PET.
Projekt będzie realizowany we współpracy ze specjalistami w dziedzinie technologii detektorowych PET z grupy J-PET profesora Pawła Moskala z Uniwersytetu Jagiellońskiego, a także z ekspertami z zakresu modelowania układów kwantowych z Quantum Particle Workgroup z Uniwersytetu Wiedeńskiego pod kierownictwem prof. Beatrix C. Hiesmayr.
