研究人员发明了用于实时放射治疗监测的新型可食用胶囊x射线剂量计

胃癌是世界上最常见的癌症之一。新加坡国立大学(NUS)的研究人员的一项新发明可以通过提高放射治疗的精度来帮助改善这种癌症的治疗，放射治疗通常与手术、化疗或免疫治疗等治疗方案结合使用。

在现代放射治疗领域，精确定位肿瘤组织，同时最大限度地减少对健康组织的损害至关重要。然而，由于患者的多样性、治疗的不确定性和分娩类型的差异，低疗效和不稳定的结果仍然是一个挑战。实时监测辐射的传递和吸收剂量，特别是胃肠道的辐射剂量，可以提高放疗的精度，提高放疗的有效性，但很难实现。此外，现有的监测pH值、温度等生化指标的方法不足以对放疗进行综合评价。

为了应对这一挑战，新加坡国立大学科学系化学系刘小刚教授领导的研究小组，与新加坡国立大学永洛林医学院、清华大学和深圳先进技术研究院的研究人员合作，开发了一种可吞咽的x射线剂量仪，可以实时检测辐射剂量。结合他们新颖的胶囊设计和基于神经网络的回归模型，该模型根据胶囊捕获的信息计算辐射剂量，研究小组发现，他们可以提供比目前标准方法准确约5倍的剂量监测。

这项技术突破发表在杂志上自然生物医学工程2023年4月13日。

临床剂量计，如金属氧化物半导体场效应晶体管，热释光传感器，光学激发薄膜，通常直接放置在患者的皮肤上或附近，以估计辐射剂量专注于目标区域。虽然这种使用电子门静脉成像设备的剂量测量已被用于治疗验证，但这些设备可能昂贵，而且它们吸收辐射并降低患者的预期辐射剂量。可吞咽传感器仅限于pH值和压力监测，需要一种廉价的可吞咽传感器，可以同时跟踪胃肠道放疗期间的生化指标和x射线剂量吸收。

为了解决这些限制，刘教授和他的团队开发了一种新型的可食用x射线剂量计胶囊，能够测量辐射剂量，以及胃肠道放疗期间pH值和温度的实时生理变化。该胶囊的关键部件包括一根柔性光纤，封装有纳米闪烁器，在辐射存在时照明，一个pH响应膜，一个具有多个入口的流体模块，用于动态胃液采样，两个用于剂量和pH测量的传感器，一个处理光电信号的微控制器电路板移动应用程序以及一个纽扣大小的氧化银电池为太空舱供电。

当胶囊被摄入并到达胃肠道，纳米闪烁体在x射线辐射增加的情况下会表现出增强的发光。胶囊内的传感器测量纳米闪烁体发出的光，以确定传递到目标区域的辐射。

与此同时，流体模块可以收集胃液，通过根据pH值改变颜色的薄膜进行pH值检测。这种颜色变化由胶囊内的第二个传感器捕获。此外，这两个传感器还能够检测温度，从而显示放射治疗的任何负面反应，如过敏。

来自两个传感器的光电信号由单片机电路板处理，单片机电路板通过蓝牙技术和天线将信息发送到手机应用程序。手机应用程序使用基于神经网络的回归模型处理原始数据，显示放射治疗剂量、放射治疗组织的温度和pH值等信息。

“我们的新型胶囊是一个游戏规则的改变者，它提供了负担得起的有效监测放射治疗的有效性。它有可能为患者提供正确剂量的辐射质量保证，”刘教授说。

胶囊剂量计长18毫米，宽7毫米，是补充剂和药物的常用尺寸，生产成本为50新元。目前设计用于监控放射治疗剂量为胃癌在美国，它还可以用于监测不同恶性肿瘤的治疗，并进一步定制胶囊的大小。例如，使胶囊更小，可以将其放置在直肠用于前列腺癌近距离治疗，或放置在上鼻腔用于治疗实时测量鼻咽或脑肿瘤的吸收剂量，尽量减少辐射对周围建筑物的破坏。

该研究团队正致力于将他们的创新应用于临床。进一步的研究包括确定胶囊摄入后的位置和姿势，开发一个强大的定位系统来锚定胶囊在预定的目标部位，并进一步校准可摄入剂量计的准确性，以确保安全有效的临床使用。