Flexible Röntgendetektoren für medizinische Bildgebung und Strahlentherapie – Physics World

Röntgendetektoren spielen in einer Vielzahl medizinischer Anwendungen eine Schlüsselrolle, darunter diagnostische Bildgebung, Strahlentherapie-Dosimetrie und persönlicher Strahlenschutz. Viele dieser Anwendungen erfordern großflächige Detektoren, die sich flexibel an gekrümmte Oberflächen anpassen können. Die meisten kommerziellen Röntgendetektoren sind jedoch steif, stromhungrig und teuer in der Herstellung großer Flächen.

Eine Alternative sind organische Halbleiter, mit denen sich mit umweltfreundlichen und kostengünstigen Herstellungsverfahren großflächige optoelektronische Bauelemente herstellen lassen. Organische Materialien weisen jedoch eine geringe Röntgenschwächung auf, was zu Detektoren mit geringer Empfindlichkeit führt. Ein Team unter der Leitung der University of Surrey Advanced Technology Institute zielt darauf ab, dieses Problem zu lösen. Durch die Zugabe kleiner Mengen von High-Z-Elementen zu einem organischen Halbleiter schufen die Forscher organische Röntgendetektoren mit hoher Empfindlichkeit und hoher Flexibilität.

„Dieses neue Material ist flexibel, kostengünstig und empfindlich. Aber das Spannende ist, dass dieses Material gewebeäquivalent ist“, erklärt Erstautor Prabodhi Nanayakkara in einer Pressemitteilung. „Dies ebnet den Weg für Live-Dosimetrie, die mit der aktuellen Technologie einfach nicht möglich ist.“

Stark Heteroatome

Um das neue Röntgenabsorbermaterial herzustellen, modifizierten die Forscher die Polymerkette eines organischen Halbleiters mit Selenheteroatomen mit hohem Z, um ein Polymer vom p-Typ, P3HSe, zu erzeugen, und vermischten dieses mit einem Fullerenderivat vom n-Typ, PC₇₀BM. Sie stellten den Röntgendetektor auf einem Glassubstrat unter Verwendung einer 55 µm dicken Absorberschicht her.

Nanayakkara und Kollegen bewerteten die Reaktionseigenschaften des neuen Detektors und verglichen seine Leistung mit der ihres Vorgängers Kandidat für einen gekrümmten Röntgendetektor, hergestellt unter Verwendung von Wismutoxid-Nanopartikeln, die in einen organischen Bulk-Heteroübergang (NP-BHJ) integriert sind.

Sie haben zunächst den Dunkelstrom gemessen, der die Nachweisgrenze, das Signal-Rausch-Verhältnis und den Dynamikbereich eines Detektors bestimmt – entscheidende Parameter in der Dosimetrie und medizinischen Bildgebung. Der P3HSe:PC₇₀BM-Detektoren zeigten einen extrem niedrigen Dunkelstrom von 0.32 pA/mm² unter einer angelegten Vorspannung von –10 V, deutlich innerhalb des Industriestandards von 10 pA/mm² und vergleichbar mit dem der NP-BHJ-Detektoren. Die Forscher weisen darauf hin, dass diese beiden Röntgendetektoren die niedrigsten bisher gemeldeten Dunkelströme aller organischen, Hybrid- und Perowskit-Detektoren in der Literatur aufweisen.

Um die Empfindlichkeit der Detektoren zu bewerten, setzte das Team sie verschiedenen Röntgenquellen aus. Wenn es Röntgenstrahlung mit 70, 100, 150 und 220 kVp ausgesetzt wird, wird das P3HSe:PC₇₀BM-Detektoren zeigten Empfindlichkeiten von 22.6, 540, 600 und 550 nC/Gy/cm², jeweils. Auch diese Werte ähneln denen, die von den NP-BHJ-Detektoren beobachtet wurden.

Die auf Heteroatomen basierenden Detektoren zeigten außerdem eine hervorragende Dosis- und Dosisleistungslinearität sowie eine hohe Reproduzierbarkeit bei wiederholter Röntgenbestrahlung. Die Forscher stellen fest, dass „trotz der relativ geringen Dicke dieser Absorber P3HSe:PC₇₀„BM- und NP-BHJ-Detektoren weisen im Vergleich zu etablierteren, hochmodernen Detektortechnologien eine zufriedenstellende Leistung auf.“

Die neuen Detektoren zeigten zudem Langzeitstabilität. Nach 12-monatiger Lagerung in Stickstoff im Dunkeln zeigten sie einen leichten Anstieg des Dunkelstroms (obwohl er deutlich innerhalb der Industriestandards blieb) und keine merkliche Veränderung der Reaktion auf den Röntgenphotostrom. Wiederholte Röntgenbestrahlungen mit einer kumulativen Dosis von 100 Gy beeinträchtigten die Leistung des Detektors nicht.

Erstellen der Kurven

Anschließend nutzten die Forscher das neue Material zur Herstellung gekrümmter Röntgendetektoren. Als P3HSe:PC₇₀BM-Filme zeigten eine ähnliche Steifigkeit und Härte wie NP-BHJ-Filme, sie verwendeten die gleichen 75 µm dicken Polyimidfilme, die zuvor mit dem NP-BHJ-System als flexible Substrate verwendet wurden.

Um die Reaktion während der Verformung zu beurteilen, legte das Team P3HSe:PC frei₇₀BM-Detektoren mit Biegeradien von 11.5 bis 2 mm für 40 kVp Röntgenstrahlung. Bei einem Biegeradius von 11.5 mm hatten die Detektoren eine Empfindlichkeit von 0.1 µC/Gy/cm² und ein Dunkelstrom von nur 0.03 pA/mm² bei einer Vorspannung von –10 V. Bis zu einem Schwellenradius von 3.5 mm zeigten die Detektoren keine signifikante Änderung der Empfindlichkeit, jenseits dieser Grenze verringerte sich der Photostrom jedoch erheblich gegenüber der Empfindlichkeit im ursprünglichen Zustand.

Die Untersuchung der Leistung vor, während und nach dem Biegen des Detektors auf einen Radius von 2 mm ergab, dass seine Empfindlichkeit während des Biegens um etwa 20 % abnahm und sich nach der Entspannung wieder auf nahezu ihren ursprünglichen Wert erholte.

Abschließend bewerteten die Forscher die mechanische Robustheit des Geräts. Nach 100 Biegezyklen bis zu einem Radius von 2 mm zeigten die gebogenen Detektoren keine Anzeichen eines mechanischen Versagens und eine Empfindlichkeitsschwankung von weniger als 1.2 %. Das Team kommt zu dem Schluss, dass der Einbau von Heteroatomen eine erfolgreiche Strategie für die Entwicklung leistungsstarker Röntgendetektoren auf Basis organischer Halbleiter darstellt.

Könnten gebogene Röntgendetektoren die nächste Entwicklung in der medizinischen Bildgebung einläuten?

„Dies ist ein weiterer Weg zur Herstellung flexibler Röntgendetektoren, bei dem nur organische Materialien zum Einsatz kommen.“ Ravi Silva, Direktor des Advanced Technology Institute, erzählt Physik-Welt. „Beide Systeme verfügen über Röntgendetektoren mit hoher Breitbandempfindlichkeit und extrem geringer Dunkelstromreaktion. Dieses System, das nur auf organischen Halbleitern basiert, bewahrt die Gewebeäquivalenz vollständig und ermöglicht eine hochpräzise Abbildung des Röntgensignals, das möglicherweise keine Nachbearbeitung erfordert und daher mit KI zur Früherkennung von Tumoren verwendet werden kann.“

Silva fügt hinzu, dass diese neue Technologie in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt werden könnte, darunter in der Strahlentherapie, beim Scannen historischer Artefakte und in Sicherheitsscannern. „Die University of Surrey, zusammen mit ihrem Spin-out SilverRayist weiterhin führend bei flexiblen Röntgendetektoren – wir freuen uns, dass die Technologie für eine Reihe von Anwendungen vielversprechend ist“, sagt er. „Auch Mammographie und Echtzeit-Therapie inklusive Operation werden möglich sein. SilverRay prüft derzeit einige dieser Möglichkeiten.“

Der flexible organische Röntgendetektor ist in beschrieben Fortgeschrittene Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/