Swallowable X-ray dosimeter overvåger strålebehandling i realtid – Physics World

Swallowable X-ray dosimeter overvåger strålebehandling i realtid – Physics World

Tidsstempel: 24. maj 2023 kl. 4

Xiaogang Liu og Bo Hou fra NUS
Dosis tracker Xiaogang Liu (til venstre) og Bo Hou fra National University of Singapore er nøglemedlemmer af holdet, der udviklede det nye kapsel-røntgendosimeter. (Med høflighed: National University of Singapore)

Forskere fra Singapore og Kina har udviklet et synkeligt røntgendosimeter på størrelse med en stor pillekapsel, der kan overvåge gastrointestinal strålebehandling i realtid. I proof-of-concept-tests på bestrålede kaniner viste deres prototype sig cirka fem gange mere nøjagtig end de nuværende standardmål til overvågning af den leverede dosis.

Evnen til præcist at overvåge strålebehandling i realtid under behandlingen ville tillade evaluering af on-site absorberet stråledosis i dosisbegrænsende organer som mave, lever, nyrer og rygmarv. Dette kan gøre strålebehandlinger sikrere og mere effektive, hvilket potentielt kan reducere alvorligheden af ​​bivirkninger. Det er imidlertid en vanskelig opgave at måle den afgivne og absorberede dosis under strålebehandling af gastrointestinale tumorer.

Det nye dosimeter, beskrevet i Naturbiomedicinsk teknik, kunne ændre dette. Kapslen på 18 x 7 mm indeholder en fleksibel optisk fiber indlejret med lanthanid-doterede persistente nanoscintillatorer. Den indtagelige enhed inkorporerer også en pH-responsiv polyanilinfilm, et væskemodul til dynamisk mavevæskeprøvetagning, dosis- og pH-sensorer, en indbygget mikrocontroller og et sølvoxidbatteri til at drive kapslen.

Komponenterne i kapseldosimeteret
Kig indeni Komponenterne i kapseldosimeteret. (Høflighed: Naturbiomedicinsk teknik 2023)

Første forfattere Bo Hou og Luying Yi af National University of Singapore og medforskere forklarer, at nanoscintillatorerne genererer radioluminescens i nærvær af røntgenstråling, som forplanter sig til enderne af fiberen via total intern refleksion. Dosissensoren måler dette lyssignal for at bestemme den stråling, der leveres til målområdet.

Ud over røntgendosimetri måler kapslen også fysiologiske ændringer i pH og temperatur under behandlingen. Polyalininfilmen ændrer farve i henhold til pH-værdien af ​​mavevæsken i fluidmodulet; pH-værdien måles derefter ved pH-sensorens farvekontrastforhold, som analyserer lyset, efter det er passeret gennem filmen. Derudover kan eftergløden fra nanoscintillatorerne efter bestråling bruges som en selvbærende lyskilde til kontinuerligt at overvåge dynamiske pH-ændringer i flere timer uden behov for ekstern excitation. Forskerne påpeger, at denne evne endnu ikke er tilgængelig med eksisterende pH-kapsler.

De fotoelektriske signaler fra de to sensorer behandles af et integreret detektionskredsløb, der trådløst transmitterer information til en mobiltelefon-app. Når den er aktiveret, kan appen modtage data fra kapslen i realtid via Bluetooth-transmission. Data som den absorberede strålingsdosis og vævenes temperatur og pH kan vises grafisk, gemmes lokalt eller uploades til cloud-servere til permanent lagring og dataformidling.

Forud for in vivo testning vurderede forskerne dosisresponsen af ​​nanoscintillatorerne. De brugte en neural netværksbaseret regressionsmodel til at estimere strålingsdosis fra radioluminescens, efterglød og temperaturdata. De udviklede modellen ved at bruge over 3000 datapunkter, der blev registreret, mens de udsatte kapslen for røntgenstråler ved dosishastigheder fra 1 til 16.68 mGy/min og temperaturer på 32 til 46 ℃.

Holdet fandt ud af, at både radioluminescens og efterlysintensitet er direkte proportional med dosisvariationer, hvilket tyder på, at en kombination af de to vil føre til mere præcise estimater af absorberet dosis.

Dernæst validerede forskerne dosimeterets ydeevne i tre bedøvede voksne kaniner. Efter kirurgisk indsættelse af en kapsel i maven på hvert dyr, udførte de CT-scanninger for at identificere kapslens præcise position og vinkel. De bestrålede derefter hvert dyr flere gange i løbet af en tidsperiode på 10 timer under anvendelse af en progressiv røntgendosishastighed.

"Vores trådløse dosimeter bestemte nøjagtigt dosis af stråling i maven, såvel som små ændringer i pH og temperatur, i realtid," rapporterer holdet. "Kapslen indsat i mave-tarmhulen var i stand til hurtigt at detektere ændringer i pH og temperatur nær bestrålede organer."

Før dosimeterkapslen kan testes klinisk, skal der udvikles et positioneringssystem til at placere og forankre den på målstedet efter at være blevet slugt. Bedre og mere nøjagtig kalibrering af konverteringen fra optisk signal til absorberet dosis er også nødvendig forud for klinisk evaluering.

Potentialet i det nye dosimeter strækker sig ud over gastrointestinale applikationer. Forskerne forestiller sig dens brug til dosisovervågning af prostatacancer brachyterapi, for eksempel ved hjælp af en kapsel forankret i endetarmen. Realtidsmålinger af absorberet dosis i nasopharyngeale eller hjernetumorer kan også være mulige, hvis en mindre kapsel kan placeres i den øvre næsehule.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden