Fleksible røntgendetektorer står i kø til medicinsk billeddannelse og strålebehandling – Physics World

Fleksible røntgendetektorer står i kø til medicinsk billeddannelse og strålebehandling – Physics World

Tidsstempel: 23. november 2023 kl. 4

Vævsækvivalent røntgendetektor
Vævsækvivalent detektor Fleksible røntgendetektorer baseret på organiske halvledere modificeret med high-Z heteroatomer kan vise sig at være ideelle til en bred vifte af medicinsk billeddannelse, strålebehandling og dosimetriapplikationer. (Med høflighed: Prabodhi Nanayakkara)

Røntgendetektorer spiller en nøglerolle i en lang række medicinske anvendelser, herunder billeddiagnostik, stråleterapidosimetri og personlig strålebeskyttelse. Mange af disse applikationer kræver detektorer med stort areal, der fleksibelt kan tilpasse sig buede overflader. Men de fleste kommercielle røntgendetektorer er stive, strømkrævende og dyre at fremstille til store områder.

Et alternativ er organiske halvledere, som kan bruges til at skabe optoelektroniske enheder med stort område via miljøvenlige, billige fremstillingsteknikker. Organiske materialer udviser imidlertid lav røntgendæmpning, hvilket resulterer i detektorer med lav følsomhed. Et hold ledet op på University of Surrey's Advanced Technology Institute har til formål at løse dette problem. Ved at tilføje små mængder høj-Z-elementer til en organisk halvleder skabte forskerne organiske røntgendetektorer med høj følsomhed og høj fleksibilitet.

"Dette nye materiale er fleksibelt, billigt og følsomt. Men det spændende er, at dette materiale er vævsækvivalent,” forklarer førsteforfatter Prabodhi Nanayakkara i en pressemeddelelse. "Dette baner vejen for levende dosimetri, hvilket bare ikke er muligt med den nuværende teknologi."

Heavy heteroatomer

For at fremstille det nye røntgenabsorberende materiale modificerede forskerne polymerkæden af ​​en organisk halvleder med high-Z selen heteroatomer for at skabe en p-type polymer, P3HSe, og blandede dette med et n-type fullerenderivat, PC70BM. De skabte røntgendetektoren på et glassubstrat ved hjælp af et 55 µm tykt absorberlag.

Nanayakkara og kolleger evaluerede responsegenskaberne for den nye detektor og sammenlignede dens ydeevne med deres tidligere buet røntgendetektorkandidat, lavet ved hjælp af bismuthoxid-nanopartikler integreret i en organisk bulk heterojunction (NP-BHJ).

De målte først den mørke strøm, som bestemmer en detektors detektionsgrænse, signal-til-støj-forhold og dynamisk område – afgørende parametre inden for dosimetri og medicinsk billeddannelse. P3HSe:PC70BM-detektorer viste en ultralav mørk strøm på 0.32 pA/mm2 under en påført forspænding på -10 V, godt inden for den industrielle standard på 10 pA/mm2 og sammenlignelig med NP-BHJ-detektorernes. Forskerne påpeger, at disse to røntgendetektorer viser de laveste mørkestrømme, der er rapporteret til dato af alle organiske, hybride og perovskitdetektorer i litteraturen.

For at vurdere detektorernes følsomhed udsatte holdet dem for forskellige røntgenkilder. Når P70HSe:PC udsættes for 100, 150, 220 og 3 kVp røntgenstråling.70BM-detektorer udviste følsomheder på 22.6, 540, 600 og 550 nC/Gy/cm2, henholdsvis. Igen svarer disse værdier til dem, der er observeret fra NP-BHJ-detektorerne.

De heteroatombaserede detektorer udviste også fremragende dosis- og dosishastighedslinearitet samt høj reproducerbarhed under gentagen røntgeneksponering. Forskerne bemærker, at "på trods af den relativt lave tykkelse af disse absorbere, P3HSe:PC70BM og NP-BHJ detektorer viser en tilfredsstillende ydeevne sammenlignet med mere etablerede, avancerede detektorteknologier”.

De nye detektorer udviste også langtidsstabilitet. Efter 12 måneders opbevaring i nitrogen i mørke, viste de en lille stigning i mørkestrøm (selvom de forblev godt inden for industrielle standarder) og ingen mærkbar variation i røntgenfotostrømrespons. Gentagne røntgeneksponeringer for en kumulativ dosis på 100 Gy forringede ikke detektorens ydeevne.

Oprettelse af kurver

Dernæst brugte forskerne det nye materiale til at fremstille buede røntgendetektorer. Som P3HSe:PC70BM-film udviste lignende stivhed og hårdhed som NP-BHJ-film, de anvendte de samme 75 µm tykke polyimidfilm, der tidligere blev brugt med NP-BHJ-systemet som fleksible substrater.

For at vurdere responsen, mens de var deformeret, afslørede holdet P3HSe:PC70BM-detektorer med bøjningsradier fra 11.5 til 2 mm til 40 kVp røntgenstråler. Ved en bøjningsradius på 11.5 mm havde detektorerne en følsomhed på 0.1 µC/Gy/cm2 og en mørk strøm så lav som 0.03 pA/mm2 når forspændt ved -10 V. Op til en tærskelradius på 3.5 mm viste detektorerne ikke signifikant ændring i følsomhed, men ud over denne grænse blev fotostrømmen reduceret betydeligt fra følsomheden i uberørt tilstand.

Undersøgelse af ydeevnen før, under og efter bøjning af detektoren til en radius på 2 mm afslørede, at dens følsomhed faldt med omkring 20 % under bøjning, og derefter genvandt til nær dens begyndelsesværdi efter afslapning.

Til sidst vurderede forskerne enhedens mekaniske robusthed. Efter 100 bøjningscyklusser ned til en radius på 2 mm viste de buede detektorer ingen tegn på mekanisk fejl og mindre end 1.2 % variation i følsomhed. Holdet konkluderer, at inkorporering af heteroatomer giver en succesfuld strategi til at skabe højtydende røntgendetektorer baseret på organiske halvledere.

"Dette er en anden vej til at lave fleksible røntgendetektorer, der kun holder fast i organiske materialer," Ravi Silva, fortæller direktør for Højteknologisk Institut Fysik verden. "Begge systemer viser røntgendetektorer med høj bredbåndsfølsomhed og ultralav mørk strømrespons. Dette system, der kun er baseret på organiske halvledere, bevarer fuldt ud vævsækvivalensen og vil give meget nøjagtig kortlægning af røntgensignalet, som muligvis ikke behøver efterbehandling, så det kan bruges med AI til tidlig påvisning af tumorer."

Silva tilføjer, at denne nye teknologi kan bruges i en række forskellige indstillinger, herunder strålebehandling, scanning af historiske artefakter og i sikkerhedsscannere. “Universitetet i Surrey sammen med dets spin-out SilverRay, fortsætter med at være førende inden for fleksible røntgendetektorer – vi er glade for at se, at teknologien virkelig lover en række anvendelser,” siger han. "Mammografi og realtidsterapi inklusive kirurgi vil også være muligt. SilverRay kigger på nogle af disse muligheder, mens vi taler."

Den fleksible organiske røntgendetektor er beskrevet i Avanceret videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden