Nat Biomed Eng.：一种可吞咽X射线剂量计检测的多功能电子胶囊

在现代放射治疗领域，精确靶向肿瘤组织，同时尽量减少对健康组织的损伤至关重要。然而，由于患者特异性、治疗不确定性以及递送方式的不同，精准测量作用于放疗组织一直是一个挑战。实时监测辐射剂量尤其是在胃肠道内，具有很大的难度。此外，目前用于监测放疗过程中生化指标如pH和温度的手段也很欠缺。体内临床剂量计，如金属氧化物半导体场效应晶体管、X射线激发薄膜，通常直接放置在患者皮肤上，以估算目标区域吸收的剂量。目前可获得的方法昂贵且测量精度不足，因此有必要开发一种价格低廉的可吞咽传感器，以便在胃肠道放射治疗期间同时跟踪生化指标和X射线剂量。

为了应对这一挑战，新加坡国立大学（NUS）化学系的刘小钢教授领导的研究团队与NUS医学院、清华大学和深圳先进院的研究人员合作，开发了一种可吞咽的X射线剂量计胶囊。该设备利用基于神经网络的回归模型，根据荧光强度和温度估算辐射剂量，同时还可以有效检测放疗过程中组织附近的pH和温度变化。相关成果发表在2023年4月13日的《Nature Biomedical Engineering》杂志上。

图1. 可吞咽式多功能X射线剂量计的设计。

（图源: Hou, B. et al. Nat. Biomed. Eng (2023)）

论文中作者提供了一种可吞咽 X 射线剂量计胶囊的设计和制造，该胶囊能够测量胃肠道放疗期间的原位生理变化。该胶囊核心部分是嵌入有 NaLuF4:Tb@NaYF4 长余辉材料的柔性光纤， 此外还包括聚苯胺薄膜、光颜色传感器、微型控制器和无线通讯模块。胶囊尺寸为 18 mm × 7 mm，大约相当于通常药物的标准尺寸2号胶囊。

图2. X射线剂量检测原理。

（图源: Hou, B. et al. Nat. Biomed. Eng (2023)）

实验中，作者首先合成了X射线响应的NaLuF4:Tb@NaYF4核壳纳米晶。在X射线照射下，NaLuF4:Tb@NaYF4纳米闪烁体在489、546和584 nm 处有强烈的发光。放射发光的强度随 X 射线剂量线性变化。关闭X射线后，纳米闪烁体表现出强的余辉特性。在设计中，无论是射线激发发光还是激发后的余辉都被用作光源，结合聚苯胺薄膜用以监测局部的pH变化。

该胶囊可以线性响应 50 kV（0.04 mGy/min至16.68 mGy/min）或6 MV（0.58 Gy/min至 5.76 Gy/min）的辐射。该胶囊还包含一个内置温度传感器，它提供校正系数以补偿体温对剂量计的影响，同时检测放疗过程中组织发热情况。

图3. 生物体内剂量角度依赖性评估、pH传感以及长期稳定性测试。

（图源: Hou, B. et al. Nat. Biomed. Eng (2023)）

剂量评估、pH、温度测量和胶囊的稳定性均在体内得到验证。实验中，作者将无线电子胶囊以不同角度插入成年兔子胃中，使用计算机断层扫描仪对胶囊的位置和角度进行成像。作者首先测试了角度依赖性，然后证明 pH 值不受吸收剂量率或 X 射线照射角度变化的影响。对长期稳定性进行了测试，结果表明胶囊可以在体外运行超过72小时而不会显着降低剂量或 pH 敏感性，从而在临床胃肠道通道期间有足够的时间进行测量。接下来，作者测试了无线光电系统在生理相关的大型动物兔子中监测吸收剂量和 pH 值的临床可行性。数据被传输到手机并上传到云服务器。内窥镜和射线照相图像揭示了胶囊在胃中的精确位置。在插入后 10 小时内，以设定的剂量率多次照射胶囊。同样，无线电子胶囊能够检测兔子胃液在食用酸性和碱性饮食后pH值的变化。

图4. 使用剂量检测胶囊表征兔子胃内的辐射剂量、pH 值和温度。

（图源: Hou, B. et al. Nat. Biomed. Eng (2023)）

在下一步的研究中，团队希望将实验对象从兔子扩展到大型动物如猴子和猪。他们的最终目标是使这项技术更接近临床应用。然而，要实现这一目标，必须克服几个关键挑战，首先，在实际应用中，必须在摄取后准确识别胶囊的位置和姿态，这可以通过超声或计算机断层扫描来实现。此外，还必须开发一个强大的定位系统，将胶囊固定在预期的靶点位置。此外，为确保可吞咽剂量计的安全和有效临床使用，还必须对其进行更精确的校准。

新加坡国立大学刘小钢教授，清华大学周斌研究员和中科院深圳先进技术研究院盛宗海研究员为本文的共同通讯作者，博士后侯波为文章的第一作者。参与该工作的还有清华大学张嵘教授和新加坡国立大学医学院Jiong-Wei Wang和Chuen Neng Lee教授等。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41551-023-01024-2