醫(yī)工學(xué)人評論

通過開發(fā)全有機、柔性、組織等效的實時劑量監(jiān)測器，首次在臨床條件下驗證了其對高能質(zhì)子和熱中子輻射的穩(wěn)定響應(yīng)，展示了在癌癥放療中提升劑量控制精度與患者安全性的巨大潛力。

癌癥是全球死亡的主要原因，約占死亡人數(shù)的六分之一。2022 年，世界衛(wèi)生組織報告稱，全球有 2000 萬新發(fā)癌癥病例和 970 萬例癌癥死亡病例。預(yù)計到 2050 年，癌癥負擔(dān)將增加 ~77%，給衛(wèi)生系統(tǒng)、個人和社區(qū)帶來更大的負擔(dān)。治療癌癥患者最常見的方法之一是放療。

在癌癥治療領(lǐng)域，精準(zhǔn)放療始終是臨床追求的目標(biāo)。然而，現(xiàn)有手段很難在治療過程中實時監(jiān)測患者體內(nèi)的實際吸收劑量，這帶來了一定的療效不確定性與正常組織損傷風(fēng)險。

4月25日，意大利博洛尼亞大學(xué)等機構(gòu)的研究團隊在《科學(xué)進展》發(fā)表了重要成果：開發(fā)了一種可穿戴、柔性、人體組織等效的全有機劑量計，實現(xiàn)了在癌癥放療過程中的原位實時劑量監(jiān)測。這項研究標(biāo)志著腫瘤放射治療精準(zhǔn)化邁出了重要一步。

 圖1 探測器架構(gòu)示意圖，用于放射治療期間的實時劑量監(jiān)測 

1 傳感器器件開發(fā)與優(yōu)化

研究團隊提出并實現(xiàn)了一種全有機間接輻射探測平臺，核心器件由由柔性有機光電晶體管（OPT）與功能化聚硅氧烷基閃爍體直接耦合組成，采用溶液工藝低溫制造，構(gòu)建在100 μm厚的聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）柔性基底上。

有機光電晶體管（OPT）：基于柔性聚萘二噻吩（DNTT）半導(dǎo)體制成，靈敏度高，信噪比優(yōu)異。

聚硅氧烷基閃爍體：可以根據(jù)需要功能化，響應(yīng)不同類型的輻射（如高能質(zhì)子、熱中子）。

通過專用光學(xué)透明膠將閃爍體與OPT耦合，確保最優(yōu)光捕獲效率，同時保持器件機械柔性。

2 臨床環(huán)境質(zhì)子束實驗驗證

 圖2 200 MeV 質(zhì)子束下的劑量計表征 

模擬環(huán)境：使用3D打印的人體盆腔仿體（源自真實CT數(shù)據(jù)），模擬前列腺癌患者治療場景。

質(zhì)子束參數(shù)：采用200 MeV能量質(zhì)子束，在Trento質(zhì)子治療中心（TIFPA）實驗室進行照射，劑量率20 mGy/s。

實驗過程：

將劑量計分別置于仿體中接近前列腺和遠離靶區(qū)（直腸）的位置；

在不同劑量下（0.2 Gy–2 Gy）連續(xù)實時記錄器件電流響應(yīng)；

通過商業(yè)電離室（MARKUS）對照劑量率，完成劑量響應(yīng)標(biāo)定。

結(jié)果分析：

設(shè)備在220 mGy以上劑量區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出良好的線性響應(yīng)；

靈敏度達到 (3.40 ± 0.07) × 10?? C·Gy?1·cm?2，顯著優(yōu)于現(xiàn)有商業(yè)探測器；

彎曲至半徑5 mm后仍保持穩(wěn)定檢測性能。

3 熱中子探測能力拓展測試

 圖3 高能質(zhì)子束下的聚硅氧烷閃爍體表征 

中子源條件：在INFN-LNL的MUNES中子源進行熱中子照射測試（通過Be(p,n)反應(yīng)+慢化器產(chǎn)生）。

閃爍體功能化：在硅氧烷基體中摻雜ZnS:Ag和Li?1?B?O?，利用Li和B的(n,α)反應(yīng)產(chǎn)生可見光輸出。

測試過程：

逐步增加中子通量（2.3×10? ~ 7.5×10? n·s?1·cm?2），記錄OPT響應(yīng)信號；

驗證器件在高靈敏區(qū)域下對中子劑量變化的響應(yīng)趨勢。

初步結(jié)果：

成功檢測到熱中子信號，盡管在低通量區(qū)存在響應(yīng)線性度不足的問題，未來可通過優(yōu)化器件靈敏度進一步改進。

最后該研究對劑量計（OPT和閃爍體）分別進行高劑量（最高至37 Gy）輻照后性能測試；結(jié)果顯示無明顯性能退化，證明了其優(yōu)異的抗輻射損傷能力，滿足臨床治療常規(guī)劑量需求。

4 臨床應(yīng)用潛力及其創(chuàng)新性

1.實時監(jiān)測，提升治療精準(zhǔn)度

當(dāng)前放療依賴治療計劃系統(tǒng)（TPS）計算劑量分布，但患者體位變化、呼吸運動等因素常導(dǎo)致實際劑量與計劃不符。實時劑量監(jiān)測能及時發(fā)現(xiàn)偏差，指導(dǎo)臨床快速調(diào)整，顯著降低正常組織并發(fā)癥，提高治療效果。

2.柔性可穿戴，不干擾治療

這款劑量計厚度小、重量輕、柔軟可彎曲，可直接置于患者體表或體內(nèi)輔助器具（如直腸氣囊）上，不改變射線傳輸路徑，不干擾放療計劃，真正實現(xiàn)了原位實時監(jiān)測。

3.人體組織等效，免除復(fù)雜校準(zhǔn)

傳統(tǒng)探測器（如硅探測器或金屬電離室）因材料與人體組織不同，需繁瑣校準(zhǔn)。而本研究所用的有機材料密度與有效原子序數(shù)接近人體組織，自然實現(xiàn)劑量等效，極大簡化了臨床應(yīng)用門檻。

4.適應(yīng)多種輻射治療模式

通過調(diào)整閃爍體成分，劑量計可靈活響應(yīng)不同類型輻射（如質(zhì)子、熱中子），支持包括質(zhì)子治療、BNCT等先進放療技術(shù)的劑量監(jiān)測。

盡管取得了重要突破，研究團隊也坦率指出了未來需要進一步優(yōu)化的方向，包括：提升空間分辨率與時間分辨率；開發(fā)適配的多通道集成讀出系統(tǒng)；推進大面積制造一致性控制，以滿足臨床批量化應(yīng)用需求。

Ilaria Fratelli et al., A wearable tool for real-time dose monitoring during cancer radiation therapies. Sci. Adv. 11, eadt7633(2025). DOI:10.1126/sciadv.adt7633

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編輯 | 羅虎

審核 | 醫(yī)工學(xué)人理事會