Verschluckbares Röntgendosimeter überwacht Strahlentherapie in Echtzeit – Physics World

Forscher aus Singapur und China haben ein schluckbares Röntgendosimeter in der Größe einer großen Pillenkapsel entwickelt, das die gastrointestinale Strahlentherapie in Echtzeit überwachen kann. In Proof-of-Concept-Tests an bestrahlten Kaninchen erwies sich ihr Prototyp als etwa fünfmal genauer als aktuelle Standardmaßnahmen zur Überwachung der abgegebenen Dosis.

Die Möglichkeit, die Strahlentherapie während der Behandlung in Echtzeit präzise zu überwachen, würde eine Bewertung ermöglichen in situ absorbierte Strahlendosis in dosislimitierenden Organen wie Magen, Leber, Nieren und Rückenmark. Dies könnte Strahlenbehandlungen sicherer und effektiver machen und möglicherweise die Schwere von Nebenwirkungen verringern. Die Messung der abgegebenen und absorbierten Dosis während der Strahlentherapie von Magen-Darm-Tumoren ist jedoch eine schwierige Aufgabe.

Das neue Dosimeter, beschrieben in Natur Biomedizintechnik, könnte das ändern. Die 18 x 7 mm große Kapsel enthält eine flexible optische Faser, in die Lanthanid-dotierte persistente Nanoszintillatoren eingebettet sind. Das einnehmbare Gerät enthält außerdem einen auf den pH-Wert reagierenden Polyanilinfilm, ein Fluidmodul für die dynamische Probenahme von Magenflüssigkeit, Dosis- und pH-Sensoren, einen integrierten Mikrocontroller und eine Silberoxidbatterie zur Stromversorgung der Kapsel.

Die ersten Autoren Bo Hou und Luying Yi National University of Singapore und Co-Forscher erklären, dass die Nanoszintillatoren in Gegenwart von Röntgenstrahlung Radiolumineszenz erzeugen, die sich über interne Totalreflexion zu den Enden der Faser ausbreitet. Der Dosissensor misst dieses Lichtsignal, um die an den Zielbereich abgegebene Strahlung zu bestimmen.

Neben der Röntgendosimetrie misst die Kapsel auch physiologische Veränderungen des pH-Werts und der Temperatur während der Behandlung. Der Polyalininfilm ändert seine Farbe entsprechend dem pH-Wert der Magenflüssigkeit im Fluidmodul; Der pH-Wert wird dann anhand des Farbkontrastverhältnisses des pH-Sensors gemessen, der das Licht analysiert, nachdem es den Film passiert hat. Darüber hinaus kann das Nachleuchten der Nanoszintillatoren nach der Bestrahlung als autarke Lichtquelle genutzt werden, um dynamische pH-Änderungen mehrere Stunden lang kontinuierlich zu überwachen, ohne dass eine externe Anregung erforderlich ist. Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Fähigkeit bei bestehenden pH-Kapseln noch nicht verfügbar ist.

Die fotoelektrischen Signale der beiden Sensoren werden von einer integrierten Erkennungsschaltung verarbeitet, die Informationen drahtlos an eine Mobiltelefon-App überträgt. Einmal aktiviert, kann die App per Bluetooth-Übertragung in Echtzeit Daten von der Kapsel empfangen. Daten wie die absorbierte Strahlungsdosis sowie die Temperatur und der pH-Wert des Gewebes können grafisch angezeigt, lokal gespeichert oder zur dauerhaften Speicherung und Datenverbreitung auf Cloud-Server hochgeladen werden.

Vor in vivo Bei den Tests beurteilten die Forscher die Dosisreaktion der Nanoszintillatoren. Sie verwendeten ein auf einem neuronalen Netzwerk basierendes Regressionsmodell, um die Strahlungsdosis aus den Radiolumineszenz-, Nachleucht- und Temperaturdaten abzuschätzen. Sie entwickelten das Modell unter Verwendung von über 3000 Datenpunkten, die aufgezeichnet wurden, während die Kapsel Röntgenstrahlen mit Dosisraten von 1 bis 16.68 mGy/min und Temperaturen von 32 bis 46 °C ausgesetzt wurde.

Das Team stellte fest, dass sowohl die Radiolumineszenz- als auch die Nachleuchtintensität direkt proportional zu Dosisschwankungen sind, was darauf hindeutet, dass die Kombination beider zu genaueren Schätzungen der absorbierten Dosis führen wird.

Als nächstes validierten die Forscher die Leistung des Dosimeters an drei anästhesierten erwachsenen Kaninchen. Nach dem chirurgischen Einsetzen einer Kapsel in den Magen jedes Tieres führten sie CT-Scans durch, um die genaue Position und den Winkel der Kapsel zu bestimmen. Anschließend bestrahlten sie jedes Tier über einen Zeitraum von 10 Stunden mehrmals mit einer progressiven Röntgendosisleistung.

„Unser drahtloses Dosimeter hat die Strahlungsdosis im Magen sowie winzige Änderungen des pH-Werts und der Temperatur in Echtzeit genau bestimmt“, berichtet das Team. „Die in die Magen-Darm-Höhle eingeführte Kapsel war in der Lage, Änderungen des pH-Werts und der Temperatur in der Nähe bestrahlter Organe schnell zu erkennen.“

Winzige, einnehmbare Kapsel hilft bei der Behandlung von Magen-Darm-Erkrankungen

Bevor die Dosimeterkapsel klinisch getestet werden kann, muss ein Positionierungssystem entwickelt werden, um sie nach dem Verschlucken am Zielort zu platzieren und zu verankern. Vor der klinischen Bewertung ist außerdem eine bessere und genauere Kalibrierung der Umwandlung vom optischen Signal in die absorbierte Dosis erforderlich.

Das Potenzial des neuen Dosimeters geht über gastrointestinale Anwendungen hinaus. Die Forscher stellen sich einen Einsatz für die Dosisüberwachung der Brachytherapie bei Prostatakrebs vor, beispielsweise mithilfe einer im Rektum verankerten Kapsel. Echtzeitmessungen der absorbierten Dosis bei Nasopharynx- oder Gehirntumoren könnten ebenfalls möglich sein, wenn eine kleinere Kapsel in der oberen Nasenhöhle platziert werden kann.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/swallowable-x-ray-dosimeter-monitors-radiotherapy-in-real-time/