通过开发全有机、柔性、组织等效的实时剂量监测器，首次在临床条件下验证了其对高能质子和热中子辐射的稳定响应，展示了在癌症放疗中提升剂量控制精度与患者安全性的巨大潜力。

 

癌症是全球死亡的主要原因，约占死亡人数的六分之一。2022 年，世界卫生组织报告称，全球有 2000 万新发癌症病例和 970 万例癌症死亡病例。预计到 2050 年，癌症负担将增加 ~77%，给卫生系统、个人和社区带来更大的负担。治疗癌症患者最常见的方法之一是放疗。

 

在癌症治疗领域，精准放疗始终是临床追求的目标。然而，现有手段很难在治疗过程中实时监测患者体内的实际吸收剂量，这带来了一定的疗效不确定性与正常组织损伤风险。

 

4月25日，意大利博洛尼亚大学等机构的研究团队在《科学进展》发表了重要成果：开发了一种可穿戴、柔性、人体组织等效的全有机剂量计，实现了在癌症放疗过程中的原位实时剂量监测。这项研究标志着肿瘤放射治疗精准化迈出了重要一步。

 

图1 探测器架构示意图，用于放射治疗期间的实时剂量监测

 

1.传感器器件开发与优化

 

研究团队提出并实现了一种全有机间接辐射探测平台，核心器件由由柔性有机光电晶体管（OPT）与功能化聚硅氧烷基闪烁体直接耦合组成，采用溶液工艺低温制造，构建在100 μm厚的聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）柔性基底上。

 

有机光电晶体管（OPT）：基于柔性聚萘二噻吩（DNTT）半导体制成，灵敏度高，信噪比优异。

 

聚硅氧烷基闪烁体：可以根据需要功能化，响应不同类型的辐射（如高能质子、热中子）。

 

通过专用光学透明胶将闪烁体与OPT耦合，确保最优光捕获效率，同时保持器件机械柔性。

 

2.临床环境质子束实验验证

 

图2 200 MeV 质子束下的剂量计表征

 

模拟环境：使用3D打印的人体盆腔仿体（源自真实CT数据），模拟前列腺癌患者治疗场景。

 

质子束参数：采用200 MeV能量质子束，在Trento质子治疗中心（TIFPA）实验室进行照射，剂量率20 mGy/s。

 

实验过程：

 

将剂量计分别置于仿体中接近前列腺和远离靶区（直肠）的位置；

 

在不同剂量下（0.2 Gy–2 Gy）连续实时记录器件电流响应；

 

通过商业电离室（MARKUS）对照剂量率，完成剂量响应标定。

 

结果分析：

 

设备在220 mGy以上剂量区间内表现出良好的线性响应；

 

灵敏度达到 (3.40 ± 0.07) × 10⁻⁷ C·Gy⁻¹·cm⁻²，显著优于现有商业探测器；

 

弯曲至半径5 mm后仍保持稳定检测性能。

 

3.热中子探测能力拓展测试

 

图3 高能质子束下的聚硅氧烷闪烁体表征

中子源条件：在INFN-LNL的MUNES中子源进行热中子照射测试（通过Be(p,n)反应+慢化器产生）。

 

闪烁体功能化：在硅氧烷基体中掺杂ZnS:Ag和Li₂¹⁰B₄O₇，利用Li和B的(n,α)反应产生可见光输出。

 

测试过程：

 

逐步增加中子通量（2.3×10⁴ ~ 7.5×10⁴ n·s⁻¹·cm⁻²），记录OPT响应信号；

 

验证器件在高灵敏区域下对中子剂量变化的响应趋势。

 

初步结果：

 

成功检测到热中子信号，尽管在低通量区存在响应线性度不足的问题，未来可通过优化器件灵敏度进一步改进。

 

最后该研究对剂量计（OPT和闪烁体）分别进行高剂量（最高至37 Gy）辐照后性能测试；结果显示无明显性能退化，证明了其优异的抗辐射损伤能力，满足临床治疗常规剂量需求。

 

4.临床应用潜力及其创新性

 

1. 实时监测，提升治疗精准度

当前放疗依赖治疗计划系统（TPS）计算剂量分布，但患者体位变化、呼吸运动等因素常导致实际剂量与计划不符。实时剂量监测能及时发现偏差，指导临床快速调整，显著降低正常组织并发症，提高治疗效果。

 

2. 柔性可穿戴，不干扰治疗

这款剂量计厚度小、重量轻、柔软可弯曲，可直接置于患者体表或体内辅助器具（如直肠气囊）上，不改变射线传输路径，不干扰放疗计划，真正实现了原位实时监测。

 

3. 人体组织等效，免除复杂校准

传统探测器（如硅探测器或金属电离室）因材料与人体组织不同，需繁琐校准。而本研究所用的有机材料密度与有效原子序数接近人体组织，自然实现剂量等效，极大简化了临床应用门槛。

 

4. 适应多种辐射治疗模式

通过调整闪烁体成分，剂量计可灵活响应不同类型辐射（如质子、热中子），支持包括质子治疗、BNCT等先进放疗技术的剂量监测。

 

尽管取得了重要突破，研究团队也坦率指出了未来需要进一步优化的方向，包括：提升空间分辨率与时间分辨率；开发适配的多通道集成读出系统；推进大面积制造一致性控制，以满足临床批量化应用需求。

 

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 

 

来源：Internet

关键词： 可穿戴剂量计