Se alinean detectores de rayos X flexibles para imágenes médicas y radioterapia – Physics World

Se alinean detectores de rayos X flexibles para imágenes médicas y radioterapia – Physics World

Marca de tiempo: 23 de noviembre de 2023 4:30 a. M.

Detector de rayos X equivalente a tejido
Detector equivalente de tejido Los detectores de rayos X flexibles basados ​​en semiconductores orgánicos modificados con heteroátomos de alto Z podrían resultar ideales para una amplia gama de aplicaciones de imágenes médicas, radioterapia y dosimetría. (Cortesía: Prabodhi Nanayakkara)

Los detectores de rayos X desempeñan un papel clave en una amplia gama de aplicaciones médicas, incluido el diagnóstico por imágenes, la dosimetría de radioterapia y la protección radiológica personal. Muchas de estas aplicaciones requieren detectores de área grande que puedan adaptarse de manera flexible a superficies curvas. Pero la mayoría de los detectores de rayos X comerciales son rígidos, consumen mucha energía y son costosos de fabricar en áreas grandes.

Una alternativa son los semiconductores orgánicos, que pueden utilizarse para crear dispositivos optoelectrónicos de gran superficie mediante técnicas de fabricación respetuosas con el medio ambiente y de bajo coste. Los materiales orgánicos, sin embargo, presentan una baja atenuación de los rayos X, lo que da lugar a detectores con baja sensibilidad. Un equipo dirigido por la Universidad de Surrey Instituto de tecnologia avanzada pretende solucionar este problema. Al agregar pequeñas cantidades de elementos de alto Z a un semiconductor orgánico, los investigadores crearon detectores de rayos X orgánicos con alta sensibilidad y alta flexibilidad.

“Este nuevo material es flexible, económico y sensible. Pero lo interesante es que este material es equivalente al tejido”, explica el primer autor. Prabodhi Nanayakkara en un comunicado de prensa. "Esto allana el camino para la dosimetría en vivo, que simplemente no es posible con la tecnología actual".

Heavy heteroátomos

Para fabricar el nuevo material absorbente de rayos X, los investigadores modificaron la cadena polimérica de un semiconductor orgánico con heteroátomos de selenio con alto contenido de Z para crear un polímero de tipo p, P3HSe, y lo mezclaron con un derivado de fullereno de tipo n, PC.70BM. Crearon el detector de rayos X sobre un sustrato de vidrio utilizando una capa absorbente de 55 µm de espesor.

Nanayakkara y sus colegas evaluaron las características de respuesta del nuevo detector, comparando su rendimiento con el de sus anteriores. candidato a detector de rayos X curvo, elaborado utilizando nanopartículas de óxido de bismuto integradas en una heterounión orgánica masiva (NP-BHJ).

Primero midieron la corriente oscura, que determina el límite de detección de un detector, la relación señal-ruido y el rango dinámico, parámetros cruciales en dosimetría e imágenes médicas. El P3HSe:PC70Los detectores de BM demostraron una corriente oscura ultrabaja de 0.32 pA/mm2 bajo una polarización aplicada de −10 V, dentro del estándar industrial de 10 pA/mm2 y comparable al de los detectores NP-BHJ. Los investigadores señalan que estos dos detectores de rayos X muestran las corrientes oscuras más bajas reportadas hasta la fecha de todos los detectores orgánicos, híbridos y de perovskita en la literatura.

Para evaluar la sensibilidad de los detectores, el equipo los expuso a varias fuentes de rayos X. Cuando se expone a radiación de rayos X de 70, 100, 150 y 220 kVp, el P3HSe:PC70Los detectores de BM exhibieron sensibilidades de 22.6, 540, 600 y 550 nC/Gy/cm2, respectivamente. Nuevamente, estos valores son similares a los observados con los detectores NP-BHJ.

Los detectores basados ​​en heteroátomos también mostraron una excelente linealidad de dosis y tasa de dosis, así como una alta reproducibilidad bajo exposición repetida a rayos X. Los investigadores señalan que "a pesar del espesor relativamente bajo de estos absorbentes, P3HSe:PC70Los detectores BM y NP-BHJ muestran un rendimiento satisfactorio en comparación con tecnologías de detectores de última generación más establecidas”.

Los nuevos detectores también mostraron estabilidad a largo plazo. Después de 12 meses de almacenamiento en nitrógeno en la oscuridad, mostraron un ligero aumento en la corriente oscura (aunque se mantuvieron dentro de los estándares industriales) y ninguna variación notable en la respuesta de la fotocorriente de rayos X. Las exposiciones repetidas a rayos X a una dosis acumulativa de 100 Gy no degradaron el rendimiento del detector.

Creando las curvas

A continuación, los investigadores utilizaron el nuevo material para fabricar detectores de rayos X curvos. Como el P3HSe:PC70Las películas BM mostraron rigidez y dureza similares a las películas NP-BHJ; emplearon las mismas películas de poliimida de 75 µm de espesor utilizadas anteriormente con el sistema NP-BHJ como sustratos flexibles.

Para evaluar la respuesta mientras está deformado, el equipo expuso P3HSe:PC70Detectores BM con radios de curvatura de 11.5 a 2 mm para rayos X de 40 kVp. Con un radio de curvatura de 11.5 mm, los detectores tenían una sensibilidad de 0.1 µC/Gy/cm2 y una corriente oscura tan baja como 0.03 pA/mm2 cuando están polarizados a −10 V. Hasta un radio umbral de 3.5 mm, los detectores no mostraron cambios significativos en la sensibilidad, pero más allá de este límite, la fotocorriente se redujo considerablemente con respecto a la sensibilidad en condiciones prístinas.

El examen del rendimiento antes, durante y después de doblar el detector en un radio de 2 mm reveló que su sensibilidad disminuyó aproximadamente un 20 % durante la flexión y luego se recuperó hasta cerca de su valor inicial después de la relajación.

Finalmente, los investigadores evaluaron la robustez mecánica del dispositivo. Después de 100 ciclos de flexión hasta un radio de 2 mm, los detectores curvos no mostraron signos de falla mecánica y menos del 1.2% de variación en la sensibilidad. El equipo concluye que la incorporación de heteroátomos proporciona una estrategia exitosa para crear detectores de rayos X de alto rendimiento basados ​​en semiconductores orgánicos.

"Ésta es otra vía para fabricar detectores de rayos X flexibles, manteniéndose firmes únicamente con materiales orgánicos". ravi silva, director del Instituto de Tecnología Avanzada, dice Mundo de la física. “Ambos sistemas muestran detectores de rayos X con alta sensibilidad de banda ancha y respuesta de corriente oscura ultrabaja. Este sistema, basado únicamente en semiconductores orgánicos, preserva completamente la equivalencia del tejido y proporcionará un mapeo muy preciso de la señal de rayos X, que puede no necesitar procesamiento posterior, por lo que puede usarse con IA para la detección temprana de tumores”.

Silva agrega que esta nueva tecnología podría usarse en una variedad de entornos, incluida la radioterapia, el escaneo de artefactos históricos y en escáneres de seguridad. “La Universidad de Surrey, junto con su spin-out plataray, continúa liderando el camino en detectores de rayos X flexibles; nos complace ver que la tecnología es realmente prometedora para una variedad de usos”, afirma. “También serán posibles la mamografía y la terapéutica en tiempo real, incluida la cirugía. SilverRay está analizando algunas de estas posibilidades mientras hablamos”.

El detector de rayos X orgánico flexible se describe en Ciencia avanzada.

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