在現(xiàn)代放射治療領(lǐng)域，精確靶向腫瘤組織，同時(shí)最大限度地減少對(duì)健康組織的損傷至關(guān)重要。然而，由于患者的多樣性、治療的不確定性和遞送類(lèi)型的差異，低療效和變化無(wú)常的預(yù)后仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送和吸收的輻射劑量，特別是在胃腸道中，可以提高放射治療的準(zhǔn)確性，以提高其有效性，但這很難實(shí)現(xiàn)。此外，用于監(jiān)測(cè)生化指標(biāo)（如pH和溫度）的現(xiàn)有方法不足以對(duì)放射治療進(jìn)行綜合評(píng)估。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼、清華大學(xué)周斌和深圳先進(jìn)院盛宗海等人開(kāi)發(fā)了一種可攝入的X射線劑量計(jì)，可實(shí)時(shí)檢測(cè)輻射劑量以及pH和溫度的生理變化。該團(tuán)隊(duì)將他們的新型膠囊設(shè)計(jì)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的回歸模型相結(jié)合，該模型根據(jù)膠囊捕獲的信息計(jì)算輻射劑量，發(fā)現(xiàn)他們可以提供比當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)方法精確約五倍的劑量監(jiān)測(cè)。
金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、熱釋光傳感器和光激發(fā)薄膜等臨床劑量計(jì)通常直接放置在患者皮膚上或附近，以估計(jì)目標(biāo)區(qū)域吸收的輻射劑量。雖然這種使用電子射野成像設(shè)備（EPID）的劑量測(cè)定法已被探索用于治療驗(yàn)證，但這些設(shè)備可能很昂貴，而且它們會(huì)吸收輻射并降低患者的預(yù)期輻射劑量。可攝入的傳感器僅限于 pH 和壓力監(jiān)測(cè)，因此，需要一種廉價(jià)的可攝入傳感器，能夠在胃腸道放療期間同時(shí)跟蹤生化指標(biāo)和 X 射線劑量吸收。膠囊的關(guān)鍵部件包括一個(gè)柔性光纖，內(nèi)嵌納米閃爍體，在存在輻射的情況下發(fā)光，一個(gè) pH 響應(yīng)薄膜，一個(gè)帶有多個(gè)入口的流體模塊，用于動(dòng)態(tài)胃液采樣，用于劑量和 pH 測(cè)量的兩個(gè)傳感器，處理要傳輸?shù)揭苿?dòng)應(yīng)用程序的光電信號(hào)的微控制器電路板，以及一個(gè)按鈕大小的氧化銀電池為膠囊供電。
當(dāng)膠囊被攝入并沿胃腸道通過(guò)時(shí)，納米閃爍體將在 X 射線輻射增加的情況下表現(xiàn)出增強(qiáng)的發(fā)光。膠囊內(nèi)的傳感器測(cè)量納米閃爍體發(fā)出的光，以確定傳遞到目標(biāo)區(qū)域的輻射。同時(shí)，流體模塊允許收集胃液以通過(guò)根據(jù) pH 值改變顏色的薄膜進(jìn)行 pH 值檢測(cè)。這種顏色變化由膠囊內(nèi)的第二個(gè)傳感器捕獲。來(lái)自?xún)蓚€(gè)傳感器的光電信號(hào)由微控制器電路板處理，該電路板通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)和天線將信息發(fā)送到手機(jī)應(yīng)用程序。使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的回歸模型，移動(dòng)應(yīng)用程序處理原始數(shù)據(jù)以顯示信息，例如放射治療劑量以及接受放射治療的組織的溫度和 pH 值。該膠囊劑量計(jì)長(zhǎng)18 mm，寬7 mm，是一種用于補(bǔ)充劑和藥物的常見(jiàn)尺寸，生產(chǎn)成本為50新元（折合約260元人民幣）。目前設(shè)計(jì)用于監(jiān)測(cè)癌癥的放射治療劑量，它還可以用于監(jiān)測(cè)不同惡性腫瘤的治療，并進(jìn)一步定制膠囊的大小。例如，將膠囊變小可以將其放置在前列腺癌癥近距離治療的直腸中，或放置在上鼻腔中，以便實(shí)時(shí)測(cè)量鼻咽癌或腦瘤的吸收劑量，從而將對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)的輻射損傷降至最低。圖|可攝入多模式X射線劑量計(jì)的設(shè)計(jì)研究團(tuán)隊(duì)正在努力將他們的創(chuàng)新應(yīng)用于臨床。進(jìn)一步的研究包括確定膠囊在攝入后的位置和姿勢(shì)，開(kāi)發(fā)一個(gè)強(qiáng)大的定位系統(tǒng)將膠囊固定在預(yù)定的目標(biāo)部位，并進(jìn)一步校準(zhǔn)可攝入劑量計(jì)的準(zhǔn)確性，以確保安全有效的臨床使用。Hou, B., Yi, L., Hu, D. et al. A swallowable X-ray dosimeter for the real-time monitoring of radiotherapy. Nat. Biomed. Eng (2023). https://doi.org/10.1038/s41551-023-01024-2
