محققان دوزیمتر اشعه ایکس کپسول قابل بلع جدید را برای پایش رادیوتراپی بلادرنگ اختراع کردند

سرطان معده یکی از شایع ترین سرطان ها در سراسر جهان است. اختراع جدید محققان دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) می تواند با افزایش دقت رادیوتراپی که معمولاً در ترکیب با گزینه های درمانی مانند جراحی، شیمی درمانی یا ایمونوتراپی استفاده می شود، به بهبود درمان این سرطان کمک کند.

در زمینه رادیوتراپی مدرن، دقت در هدف قرار دادن بافت تومور و در عین حال به حداقل رساندن آسیب به بافت سالم بسیار مهم است. با این حال، اثربخشی پایین و پیامدهای متغیر به دلیل تنوع بیمار، عدم قطعیت درمان و تفاوت در انواع زایمان، همچنان یک چالش باقی می‌ماند. نظارت بر دوز پرتوی ارسالی و جذب شده در زمان واقعی، به ویژه در دستگاه گوارش، می تواند دقت رادیوتراپی را برای بهبود اثربخشی آن افزایش دهد، اما دستیابی به آن دشوار است. علاوه بر این، روش‌های موجود برای پایش شاخص‌های بیوشیمیایی مانند pH و دما برای ارزیابی جامع پرتودرمانی ناکافی هستند.

برای مقابله با این چالش، یک تیم تحقیقاتی به رهبری پروفسور لیو شیائوگانگ از گروه شیمی زیر نظر دانشکده علوم NUS، با همکاری محققان دانشکده پزشکی NUS Yong Loo Lin، دانشگاه Tsinghua و موسسه فناوری پیشرفته شنژن، یک دزیمتر اشعه ایکس قابل بلعیدن که دوز تابش را در زمان واقعی تشخیص می دهد. این تیم با ترکیب طراحی جدید کپسول خود و یک مدل رگرسیون مبتنی بر شبکه عصبی که دوز تشعشع را از اطلاعات گرفته شده توسط کپسول محاسبه می کند، دریافتند که می توانند تقریباً پنج برابر دقیق تر از روش های استاندارد فعلی نظارت بر دوز تحویلی ارائه دهند.

این پیشرفت فناوری در مجله منتشر شد مهندسی زیست پزشکی طبیعت در 13 آوریل 2023.

دزیمترهای بالینی مانند ترانزیستورهای اثر میدانی فلز-اکسید-نیمه هادی، حسگرهای ترمولومینسانس و فیلم های برانگیخته نوری معمولاً مستقیماً روی یا نزدیک پوست بیمار قرار می گیرند تا دوز تابش جذب شده در ناحیه مورد نظر را تخمین بزنند. در حالی که چنین دزیمتری با دستگاه های تصویربرداری پورتال الکترونیکی برای تأیید درمان مورد بررسی قرار گرفته است، این دستگاه ها می توانند گران باشند و علاوه بر این، پرتو را جذب کرده و دوز مورد نظر تابش را برای بیمار کاهش می دهند. حسگرهای قابل بلع محدود به کنترل pH و فشار هستند و نیاز به یک حسگر ارزان قیمت بلعیده وجود دارد که بتواند همزمان شاخص‌های بیوشیمیایی و جذب دوز اشعه ایکس را در طول پرتودرمانی دستگاه گوارش ردیابی کند.

برای رفع این محدودیت‌ها، پروفسور لیو و تیمش یک کپسول دزیمتر اشعه ایکس جدید را ساختند که قادر به اندازه‌گیری دوز تابش و تغییرات فیزیولوژیکی pH و دما در زمان واقعی در طول پرتودرمانی دستگاه گوارش است. اجزای کلیدی کپسول شامل یک فیبر نوری منعطف محصور شده با نانوسوزنتیلاتورها است که در حضور اشعه روشن می شود، یک فیلم پاسخگو به pH، یک ماژول سیال با ورودی های متعدد برای نمونه برداری دینامیک مایع معده، دو سنسور برای اندازه گیری دز و pH، یک مدار میکروکنترلر. بردی که سیگنال‌های فوتوالکتریک را برای ارسال به یک برنامه موبایل پردازش می‌کند و یک باتری اکسید نقره‌ای به اندازه دکمه که انرژی کپسول را تامین می‌کند.

هنگامی که کپسول خورده می شود و به دستگاه گوارش می رسد، نانوسوزن ها در حضور افزایش تابش اشعه ایکس، درخشندگی شدیدی را نشان می دهند. یک حسگر درون کپسول، درخشش نانوسوزنتیلاتورها را اندازه گیری می کند تا تشعشع ارسال شده به ناحیه مورد نظر را تعیین کند.

در عین حال، ماژول مایع اجازه می دهد تا مایع معده برای تشخیص pH توسط یک فیلم جمع آوری شود که با توجه به pH تغییر رنگ می دهد. این تغییر رنگ توسط حسگر دوم درون کپسول ثبت می شود. علاوه بر این، این دو حسگر قادر به تشخیص دما هستند که می‌تواند نشانه‌ای از هرگونه واکنش منفی به درمان رادیوتراپی مانند آلرژی باشد.

سیگنال های فوتوالکتریک از دو سنسور توسط یک برد مدار میکروکنترلر پردازش می شود که اطلاعات را از طریق فناوری بلوتوث و یک آنتن به یک برنامه تلفن همراه ارسال می کند. با استفاده از یک مدل رگرسیون مبتنی بر شبکه عصبی، اپلیکیشن موبایل داده‌های خام را پردازش می‌کند تا اطلاعاتی مانند دوز رادیوتراپی و همچنین دما و pH بافت‌های تحت پرتودرمانی را نمایش دهد.

پروفسور لیو گفت: “کپسول جدید ما در ارائه نظارت مقرون به صرفه و موثر بر اثربخشی درمان رادیوتراپی، تغییر دهنده بازی است. این کپسول پتانسیل ارائه تضمین کیفیت را دارد که دوز مناسب پرتو به بیماران می رسد.”

اندازه دزیمتر کپسول 18 میلی متر طول و 7 میلی متر عرض دارد که اندازه معمولی برای مکمل ها و داروها است و هزینه تولید آن 50 دلار سنگاپور است. در حال حاضر برای نظارت بر دوز رادیوتراپی برای سرطان معده طراحی شده است، همچنین می تواند برای نظارت بر درمان در بدخیمی های مختلف با سفارشی سازی بیشتر در اندازه کپسول استفاده شود. به عنوان مثال، کوچک‌تر کردن کپسول می‌تواند به آن اجازه دهد تا در راست روده برای براکی‌تراپی سرطان پروستات یا در حفره بالایی بینی برای اندازه‌گیری زمان واقعی دوز جذب شده در تومورهای نازوفارنکس یا مغز قرار داده شود و آسیب تشعشع به ساختارهای اطراف به حداقل برسد.

تیم تحقیقاتی در تلاش است تا نوآوری خود را به کاربرد بالینی برساند. تحقیقات بیشتر شامل شناسایی موقعیت و وضعیت کپسول پس از مصرف، ایجاد یک سیستم موقعیت یابی قوی برای لنگر انداختن کپسول در محل مورد نظر، و کالیبراسیون بیشتر دقت دزیمترهای قابل بلعیدن برای استفاده بالینی ایمن و موثر است.