在現代放射治療領域，精確靶向腫瘤組織，同時盡量減少對健康組織的損傷至關重要。然而，由於患者特異性、治療不確定性以及遞送方式的不同，精準測量作用於放療組織一直是一個挑戰。實時監測輻射劑量尤其是在胃腸道內，具有很大的難度。此外，目前用於監測放療過程中生化指標如pH和溫度的手段也很欠缺。體內臨床劑量計，如金屬氧化物半導體場效應晶體管、X射線激發薄膜，通常直接放置在患者皮膚上，以估算目標區域吸收的劑量。目前可獲得的方法昂貴且測量精度不足，因此有必要開發一種價格低廉的可吞咽傳感器，以便在胃腸道放射治療期間同時跟蹤生化指標和X射線劑量。

        2023年4月13日，新加坡國立大學劉小鋼教授、清華大學周斌研究員和中國科學院深圳先進技術研究院盛宗海研究員等在 Nature Biomedical Engineering 期刊發表了題為：A swallowable X-ray dosimeter for the real-time monitoring of radiotherapy 的研究論文。

        該研究開發了一種可吞咽的X射線劑量探測器件，該光電器件結合閃爍體材料和神經網絡的回歸模型，實現高靈敏原位的輻射劑量檢測，同時還可以測量pH和溫度變化。

        研究團隊提供了一種可吞咽 X 射線劑量計膠囊的設計和製造，該膠囊能夠測量胃腸道放療期間的原位生理變化。該膠囊核心部分是嵌入有 NaLuF4：Tb@NaYF4長餘輝材料的柔性光纖， 此外還包括聚苯胺薄膜、光顏色傳感器、微型控製器和無線通訊模塊。 膠囊尺寸為 18mm × 7mm，大約相當於通常藥物的標準尺寸2號膠囊。

        研究團隊首先合成了X射線響應的NaLuF4：Tb@NaYF4核殼納米晶。在X射線照射下，NaLuF4：Tb@NaYF4納米閃爍體在489、546和584 nm 處有強烈的發光。放射發光的強度隨 X 射線劑量線性變化。關閉X射線後，納米閃爍體表現出強的餘輝特性。在設計中，無論是射線激發發光還是激發後的餘輝都被用作光源，結合聚苯胺薄膜用以監測局部的pH變化。

        該膠囊可以線性響應50kV(0.04mGy/min至16.68mGy/min)或6MV(0.58Gy/min至5.76 Gy/min)的輻射。該膠囊還包含一個內置溫度傳感器，它提供校正係數以補償體溫對劑量計的影響， 同時檢測放療過程中組織發熱情況。

        劑量評估、pH、溫度測量和膠囊的穩定性均在體內得到驗證。實驗中，作者將無線電子膠囊以不同角度插入成年兔胃中，使用計算機斷層掃描儀對膠囊的位置和角度進行成像。研究團隊首先測試了角度依賴性，然後證明pH值不受吸收劑量率或X射線照射角度變化的影響。對長期穩定性進行了測試，結果表明膠囊可以在體外運行超過72小時而不會顯著降低劑量或pH敏感性，從而在臨床胃腸道通道期間有足夠的時間進行測量。

        接下來，研究團隊測試了無線光電係統在生理相關的大型動物兔子中監測吸收劑量和pH值的臨床可行性。數據被傳輸到手機並上傳到雲服務器。內窺鏡和射線照相圖像揭示了膠囊在胃中的精確位置。在插入後10小時內，以設定的劑量率多次照射膠囊。同樣，無線電子膠囊能夠檢測兔子胃液在食用酸性和堿性飲食後pH值的變化。

        在下一步的研究中，研究團隊希望將實驗對象從兔子擴展到大型動物如猴子和豬。他們的最終目標是使這項技術更接近臨床應用。然而，要實現這一目標，必須克服幾個關鍵挑戰，首先，在實際應用中，必須在攝取後準確識別膠囊的位置和姿態，這可以通過超聲或計算機斷層掃描來實現。此外，還必須開發一個強大的定位係統，將膠囊固定在預期的靶點位置。此外，為確保可吞咽劑量計的安全和有效臨床使用，還必須對其進行更精確的校準。

        新加坡國立大學劉小鋼教授、清華大學周斌研究員和中國科學院深圳先進技術研究院盛宗海研究員為該論文共同通訊作者，博士後侯波為第一作者。參與該工作的還有清華大學張嶸教授和新加坡國立大學醫學院Jiong-Wei Wang和Chuen Neng Lee教授等。

        原始出處：

        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.