Ευέλικτοι ανιχνευτές ακτίνων Χ βρίσκονται σε σειρά για ιατρική απεικόνιση και ακτινοθεραπεία – Physics World

Ευέλικτοι ανιχνευτές ακτίνων Χ βρίσκονται σε σειρά για ιατρική απεικόνιση και ακτινοθεραπεία – Physics World

Χρονική σήμανση: 23 Νοεμβρίου 2023 4:30 π.μ.

Ανιχνευτής ακτίνων Χ ισοδύναμου ιστού
Ανιχνευτής ισοδύναμου ιστού Οι εύκαμπτοι ανιχνευτές ακτίνων Χ βασισμένοι σε οργανικούς ημιαγωγούς τροποποιημένους με ετεροάτομα υψηλής Z θα μπορούσαν να αποδειχθούν ιδανικοί για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών ιατρικής απεικόνισης, ακτινοθεραπείας και δοσιμετρίας. (Ευγενική προσφορά: Prabodhi Nanayakkara)

Οι ανιχνευτές ακτίνων Χ διαδραματίζουν βασικό ρόλο σε ένα ευρύ φάσμα ιατρικών εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της διαγνωστικής απεικόνισης, της δοσιμετρίας ακτινοθεραπείας και της προσωπικής προστασίας από την ακτινοβολία. Πολλές από αυτές τις εφαρμογές απαιτούν ανιχνευτές μεγάλης περιοχής που μπορούν να προσαρμοστούν ευέλικτα σε καμπύλες επιφάνειες. Αλλά οι περισσότεροι εμπορικοί ανιχνευτές ακτίνων Χ είναι δύσκαμπτοι, απαιτούν ενέργεια και δαπανηροί στην κατασκευή τους σε μεγάλες περιοχές.

Μια εναλλακτική είναι οι οργανικοί ημιαγωγοί, οι οποίοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία οπτοηλεκτρονικών συσκευών μεγάλης περιοχής μέσω τεχνικών κατασκευής φιλικών προς το περιβάλλον, χαμηλού κόστους. Τα οργανικά υλικά, ωστόσο, παρουσιάζουν χαμηλή εξασθένηση ακτίνων Χ, με αποτέλεσμα ανιχνευτές με χαμηλή ευαισθησία. Μια ομάδα ανέβηκε στο Πανεπιστήμιο του Surrey Ινστιτούτο Προηγμένης Τεχνολογίας στοχεύει στην επίλυση αυτού του προβλήματος. Προσθέτοντας μικρές ποσότητες στοιχείων υψηλής Z σε έναν οργανικό ημιαγωγό, οι ερευνητές δημιούργησαν οργανικούς ανιχνευτές ακτίνων Χ με υψηλή ευαισθησία και υψηλή ευελιξία.

«Αυτό το νέο υλικό είναι ευέλικτο, χαμηλού κόστους και ευαίσθητο. Αλλά αυτό που είναι συναρπαστικό είναι ότι αυτό το υλικό είναι ισοδύναμο ιστού», εξηγεί ο πρώτος συγγραφέας Prabodhi Nanayakkara σε δήλωση τύπου. "Αυτό ανοίγει το δρόμο για ζωντανή δοσιμετρία, η οποία απλά δεν είναι δυνατή με την τρέχουσα τεχνολογία."

βαρύς ετεροάτομα

Για να κατασκευάσουν το νέο υλικό απορρόφησης ακτίνων Χ, οι ερευνητές τροποποίησαν την αλυσίδα πολυμερούς ενός οργανικού ημιαγωγού με ετεροάτομα σεληνίου υψηλής περιεκτικότητας σε Ζ για να δημιουργήσουν ένα πολυμερές τύπου p, το P3HSe, και το αναμείξανε με ένα παράγωγο φουλερενίου τύπου n, το PC70BM. Δημιούργησαν τον ανιχνευτή ακτίνων Χ σε γυάλινο υπόστρωμα χρησιμοποιώντας απορροφητικό στρώμα πάχους 55 μm.

Ο Nanayakkara και οι συνεργάτες του αξιολόγησαν τα χαρακτηριστικά απόκρισης του νέου ανιχνευτή, συγκρίνοντας την απόδοσή του με αυτή του προηγούμενου υποψήφιος ανιχνευτής κυρτών ακτίνων Χ, κατασκευασμένο με χρήση νανοσωματιδίων οξειδίου του βισμούθιου ενσωματωμένα σε μια ετεροσύνδεση οργανικού όγκου (NP-BHJ).

Πρώτα μέτρησαν το σκοτεινό ρεύμα, το οποίο καθορίζει το όριο ανίχνευσης ενός ανιχνευτή, την αναλογία σήματος προς θόρυβο και το δυναμικό εύρος – κρίσιμες παράμετροι στη δοσιμετρία και την ιατρική απεικόνιση. Το P3HSe:PC70Οι ανιχνευτές BM έδειξαν εξαιρετικά χαμηλό σκοτεινό ρεύμα 0.32 pA/mm2 κάτω από μια εφαρμοζόμενη πόλωση −10 V, εντός του βιομηχανικού προτύπου των 10 pA/mm2 και συγκρίσιμο με αυτό των ανιχνευτών NP-BHJ. Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι αυτοί οι δύο ανιχνευτές ακτίνων Χ εμφανίζουν τα χαμηλότερα σκοτεινά ρεύματα που έχουν αναφερθεί μέχρι σήμερα από όλους τους οργανικούς, υβριδικούς και περοβσκίτη ανιχνευτές στη βιβλιογραφία.

Για να αξιολογήσει την ευαισθησία των ανιχνευτών, η ομάδα τους εξέθεσε σε διάφορες πηγές ακτίνων Χ. Όταν εκτίθεται σε ακτινοβολία ακτίνων Χ 70, 100, 150 και 220 kVp, το P3HSe:PC70Οι ανιχνευτές BM εμφάνισαν ευαισθησίες 22.6, 540, 600 και 550 nC/Gy/cm2, αντίστοιχα. Και πάλι, αυτές οι τιμές είναι παρόμοιες με αυτές που παρατηρούνται από τους ανιχνευτές NP-BHJ.

Οι ανιχνευτές που βασίζονται σε ετεροάτομο εμφάνισαν επίσης εξαιρετική γραμμικότητα δόσης και ρυθμού δόσης, καθώς και υψηλή αναπαραγωγιμότητα υπό επαναλαμβανόμενη έκθεση σε ακτίνες Χ. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι «παρά το σχετικά χαμηλό πάχος αυτών των απορροφητών, P3HSe:PC70Οι ανιχνευτές BM και NP-BHJ εμφανίζουν ικανοποιητική απόδοση σε σύγκριση με πιο καθιερωμένες, προηγμένες τεχνολογίες ανιχνευτών».

Οι νέοι ανιχνευτές επέδειξαν επίσης μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Μετά από αποθήκευση 12 μηνών σε άζωτο στο σκοτάδι, εμφάνισαν μια ελαφρά αύξηση στο σκοτεινό ρεύμα (αν και παραμένοντας καλά εντός των βιομηχανικών προτύπων) και καμία αξιοσημείωτη διακύμανση στην απόκριση φωτορεύματος ακτίνων Χ. Οι επαναλαμβανόμενες εκθέσεις σε ακτίνες Χ σε αθροιστική δόση 100 Gy δεν υποβάθμισαν την απόδοση του ανιχνευτή.

Δημιουργώντας τις καμπύλες

Στη συνέχεια, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν το νέο υλικό για να κατασκευάσουν καμπύλες ανιχνευτές ακτίνων Χ. Ως P3HSe:PC70Οι μεμβράνες BM εμφάνισαν παρόμοια ακαμψία και σκληρότητα με τις μεμβράνες NP-BHJ, χρησιμοποιούσαν τις ίδιες μεμβράνες πολυιμιδίου πάχους 75 μm που χρησιμοποιήθηκαν προηγουμένως με το σύστημα NP-BHJ ως εύκαμπτα υποστρώματα.

Για να αξιολογήσει την απόκριση ενώ ήταν παραμορφωμένη, η ομάδα εξέθεσε το P3HSe:PC70Ανιχνευτές BM με ακτίνες κάμψης από 11.5 έως 2 mm έως 40 kVp ακτίνες Χ. Σε ακτίνα κάμψης 11.5 mm, οι ανιχνευτές είχαν ευαισθησία 0.1 μC/Gy/cm2 και σκοτεινό ρεύμα τόσο χαμηλό όσο 0.03 pA/mm2 όταν ήταν πολωμένοι στα -10 V. Μέχρι μια ακτίνα κατωφλίου 3.5 mm, οι ανιχνευτές δεν εμφάνισαν σημαντική αλλαγή στην ευαισθησία, αλλά πέρα ​​από αυτό το όριο, το φωτορεύμα μειώθηκε σημαντικά από την ευαισθησία σε παρθένα κατάσταση.

Η εξέταση της απόδοσης πριν, κατά τη διάρκεια και μετά την κάμψη του ανιχνευτή σε ακτίνα 2 mm αποκάλυψε ότι η ευαισθησία του μειώθηκε κατά περίπου 20% κατά την κάμψη, και στη συνέχεια επανήλθε κοντά στην αρχική του τιμή μετά τη χαλάρωση.

Τέλος, οι ερευνητές αξιολόγησαν τη μηχανική στιβαρότητα της συσκευής. Μετά από 100 κύκλους κάμψης σε ακτίνα 2 mm, οι καμπύλοι ανιχνευτές δεν έδειξαν σημάδια μηχανικής βλάβης και μικρότερη από 1.2% διακύμανση στην ευαισθησία. Η ομάδα καταλήγει στο συμπέρασμα ότι η ενσωμάτωση ετεροατόμων παρέχει μια επιτυχημένη στρατηγική για τη δημιουργία ανιχνευτών ακτίνων Χ υψηλής απόδοσης που βασίζονται σε οργανικούς ημιαγωγούς.

«Αυτή είναι μια άλλη διαδρομή για την κατασκευή εύκαμπτων ανιχνευτών ακτίνων Χ, μένοντας σταθερά μόνο με οργανικά υλικά». Ράβι Σίλβα, διευθυντής του Ινστιτούτου Προηγμένης Τεχνολογίας, λέει Κόσμος Φυσικής. «Και τα δύο συστήματα δείχνουν ανιχνευτές ακτίνων Χ με ευρυζωνική υψηλή ευαισθησία και εξαιρετικά χαμηλή απόκριση σκοτεινού ρεύματος. Αυτό το σύστημα που βασίζεται μόνο σε οργανικούς ημιαγωγούς διατηρεί πλήρως την ισοδυναμία των ιστών και θα δώσει εξαιρετικά ακριβή χαρτογράφηση του σήματος ακτίνων Χ, το οποίο μπορεί να μην χρειάζεται μετα-επεξεργασία, επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί με τεχνητή νοημοσύνη για έγκαιρη ανίχνευση όγκων».

Ο Silva προσθέτει ότι αυτή η νέα τεχνολογία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ποικίλες ρυθμίσεις, όπως ακτινοθεραπεία, σάρωση ιστορικών αντικειμένων και σε σαρωτές ασφαλείας. «Το Πανεπιστήμιο του Surrey, μαζί με το spin out SilverRay, συνεχίζει να πρωτοστατεί στους εύκαμπτους ανιχνευτές ακτίνων Χ – είμαστε στην ευχάριστη θέση να δούμε ότι η τεχνολογία δείχνει πραγματική υπόσχεση για μια σειρά χρήσεων», λέει. «Θα είναι επίσης δυνατή η μαστογραφία και η θεραπεία σε πραγματικό χρόνο, συμπεριλαμβανομένης της χειρουργικής επέμβασης. Η SilverRay εξετάζει μερικές από αυτές τις δυνατότητες καθώς μιλάμε."

Ο εύκαμπτος οργανικός ανιχνευτής ακτίνων Χ περιγράφεται στο Προχωρημένη Επιστήμη.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής