Svelgbart røntgendosimeter overvåker strålebehandling i sanntid – Physics World

Svelgbart røntgendosimeter overvåker strålebehandling i sanntid – Physics World

Tidsstempel: 24. mai 2023 4:50

Xiaogang Liu og Bo Hou fra NUS
Dose tracker Xiaogang Liu (til venstre) og Bo Hou fra National University of Singapore er nøkkelmedlemmer i teamet som utviklet det nye kapselrøntgendosimeteret. (Med tillatelse: National University of Singapore)

Forskere fra Singapore og Kina har utviklet et svelgbart røntgendosimeter på størrelse med en stor pillekapsel som kan overvåke gastrointestinal strålebehandling i sanntid. I proof-of-concept-tester på bestrålte kaniner viste prototypen deres omtrent fem ganger mer nøyaktig enn gjeldende standardmål for å overvåke den leverte dosen.

Evnen til å overvåke strålebehandling nøyaktig i sanntid under behandlingen vil tillate evaluering av in situ absorbert stråledose i dosebegrensende organer som mage, lever, nyrer og ryggmarg. Dette kan gjøre strålebehandlinger sikrere og mer effektive, og potensielt redusere alvorlighetsgraden av bivirkninger. Å måle den leverte og absorberte dosen under strålebehandling av gastrointestinale svulster er imidlertid en vanskelig oppgave.

Det nye dosimeteret, beskrevet i Naturbiomedisinsk ingeniørfag, kan endre dette. Kapselen på 18 x 7 mm inneholder en fleksibel optisk fiber innebygd med lantanid-dopet vedvarende nanoscintillatorer. Den inntakbare enheten inneholder også en pH-responsiv polyanilinfilm, en fluidisk modul for dynamisk magevæskeprøvetaking, dose- og pH-sensorer, en innebygd mikrokontroller og et sølvoksidbatteri for å drive kapselen.

Komponentene i kapseldosimeteret
Se på innsiden Komponentene i kapseldosimeteret. (Høflighet: Naturbiomedisinsk ingeniørfag 2023)

Første forfattere Bo Hou og Luying Yi av National University of Singapore og medforskere forklarer at nanoscintillatorene genererer radioluminescens i nærvær av røntgenstråling, som forplanter seg til endene av fiberen via total intern refleksjon. Dosesensoren måler dette lyssignalet for å bestemme strålingen som leveres til målområdet.

I tillegg til røntgendosimetri måler kapselen også fysiologiske endringer i pH og temperatur under behandlingen. Polyalininfilmen endrer farge i henhold til pH i magevæsken i fluidmodulen; pH måles deretter av fargekontrastforholdet til pH-sensoren, som analyserer lyset etter at det har passert gjennom filmen. I tillegg kan ettergløden av nanoscintillatorene etter bestråling brukes som en selvopprettholdende lyskilde for kontinuerlig å overvåke dynamiske pH-endringer i flere timer uten behov for ekstern eksitasjon. Forskerne påpeker at denne muligheten ennå ikke er tilgjengelig med eksisterende pH-kapsler.

De fotoelektriske signalene fra de to sensorene behandles av en integrert deteksjonskrets som trådløst overfører informasjon til en mobilapp. Når den er aktivert, kan appen motta data fra kapselen i sanntid via Bluetooth-overføring. Data som absorbert stråledose, og vevets temperatur og pH, kan vises grafisk, lagres lokalt eller lastes opp til skyservere for permanent lagring og dataspredning.

Før in vivo testing, vurderte forskerne doseresponsen til nanoscintillatorene. De brukte en nevrale nettverksbasert regresjonsmodell for å estimere strålingsdosen fra radioluminescens, etterglød og temperaturdata. De utviklet modellen ved å bruke over 3000 datapunkter registrert mens de eksponerte kapselen for røntgenstråler ved dosehastigheter fra 1 til 16.68 mGy/min, og temperaturer på 32 til 46 ℃.

Teamet fant at både radioluminescens og etterglødsintensitet er direkte proporsjonal med dosevariasjoner, noe som tyder på at kombinasjonen av de to vil føre til mer presise estimater av absorbert dose.

Deretter validerte forskerne dosimeterets ytelse i tre bedøvede voksne kaniner. Etter kirurgisk innsetting av en kapsel i magen til hvert dyr, utførte de CT-skanninger for å identifisere kapselens nøyaktige posisjon og vinkel. De bestrålte deretter hvert dyr flere ganger i løpet av en 10 timers tidsperiode ved å bruke en progressiv røntgendosehastighet.

"Vårt trådløse dosimeter bestemte nøyaktig dosen av stråling i magen, så vel som små endringer i pH og temperatur, i sanntid," rapporterer teamet. "Kapselen satt inn i mage-tarmhulen var i stand til raskt å oppdage endringer i pH og temperatur nær bestrålte organer."

Før dosimeterkapselen kan testes klinisk, må det utvikles et posisjoneringssystem for å plassere og forankre den på målstedet etter å ha blitt svelget. Bedre og mer nøyaktig kalibrering av konverteringen fra optisk signal til absorbert dose er også nødvendig før klinisk evaluering.

Potensialet til det nye dosimeteret strekker seg utover gastrointestinale applikasjoner. Forskerne ser for seg bruk for doseovervåking av prostatakreft brakyterapi, for eksempel ved bruk av en kapsel forankret i endetarmen. Sanntidsmålinger av absorbert dose i nasofarynx- eller hjernesvulster kan også være mulig hvis en mindre kapsel kan plasseres i øvre nesehule.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden