Paindlikud röntgenikiirguse detektorid on saadaval meditsiinilise pildistamise ja kiiritusravi jaoks – Physics World

Röntgendetektorid mängivad võtmerolli paljudes meditsiinilistes rakendustes, sealhulgas diagnostilises pildistamises, kiiritusravi dosimeetrias ja isiklikus kiirguskaitses. Paljud neist rakendustest nõuavad suure pindalaga detektoreid, mis suudavad paindlikult kohanduda kõverate pindadega. Kuid enamik müügil olevaid röntgendetektoreid on jäigad, energianäljased ja suurteks aladeks valmistamine kulukas.

Üheks alternatiiviks on orgaanilised pooljuhid, mida saab kasutada suure pindalaga optoelektrooniliste seadmete loomiseks keskkonnasõbralike ja odavate tootmistehnikate abil. Orgaanilistel materjalidel on aga madal röntgenikiirguse sumbumine, mille tulemuseks on madala tundlikkusega detektorid. Surrey ülikooli eesotsas asus meeskond Kõrgtehnoloogia Instituut eesmärk on see probleem lahendada. Lisades orgaanilisele pooljuhile väikeses koguses kõrge Z-elemente, lõid teadlased suure tundlikkusega ja suure paindlikkusega orgaanilised röntgendetektorid.

"See uus materjal on paindlik, odav ja tundlik. Põnev on aga see, et see materjal on kudede ekvivalent,” selgitab esimene autor Prabodhi Nanayakkara pressiteates. "See sillutab teed reaalajas dosimeetriale, mis praeguse tehnoloogiaga lihtsalt pole võimalik."

Heavy heteroaatomid

Uue röntgenikiirgust neelava materjali valmistamiseks modifitseerisid teadlased kõrge Z-sisaldusega seleeni heteroaatomitega orgaanilise pooljuhi polümeeriahelat, et luua p-tüüpi polümeer P3HSe ja segati see n-tüüpi fullereeni derivaadiga PC.₇₀BM. Nad lõid röntgendetektori klaasist substraadile, kasutades 55 µm paksust neeldumiskihti.

Nanayakkara ja kolleegid hindasid uue detektori reageerimisomadusi, võrreldes selle jõudlust oma eelmise omaga. kõvera röntgendetektori kandidaat, mis on valmistatud vismutoksiidi nanoosakeste abil, mis on integreeritud orgaanilisse hulgi heteroühendusse (NP-BHJ).

Esmalt mõõtsid nad tumevoolu, mis määrab detektori avastamispiiri, signaali-müra suhte ja dünaamilise ulatuse – olulised parameetrid dosimeetrias ja meditsiinilises pildistamises. P3HSe: PC₇₀BM-detektorid näitasid ülimadalat tumevoolu 0.32 pA/mm² rakendatud nihkega –10 V, mis jääb tööstusstandardi 10 pA/mm piiresse² ja võrreldav NP-BHJ detektorite omaga. Teadlased juhivad tähelepanu sellele, et need kaks röntgenkiirguse detektorit näitavad kõigist kirjanduses toodud orgaanilistest, hübriid- ja perovskiitdetektoritest seni teatatud madalaimaid tumevoolusid.

Detektorite tundlikkuse hindamiseks eksponeeris meeskond neid erinevatele röntgenikiirguse allikatele. 70, 100, 150 ja 220 kVp röntgenkiirgusega kokkupuutel P3HSe:PC₇₀BM-detektorite tundlikkus oli 22.6, 540, 600 ja 550 nC/Gy/cm², vastavalt. Jällegi on need väärtused sarnased NP-BHJ detektorite väärtustega.

Heteroaatomitel põhinevad detektorid näitasid ka suurepärast annuse ja doosikiiruse lineaarsust, samuti suurt reprodutseeritavust korduva röntgenkiirguse korral. Teadlased märgivad, et "vaatamata nende absorberite suhteliselt madalale paksusele, on P3HSe:PC₇₀BM- ja NP-BHJ-detektorid näitavad rahuldavat jõudlust võrreldes väljakujunenud nüüdisaegsete detektoritehnoloogiatega.

Uued detektorid näitasid ka pikaajalist stabiilsust. Pärast 12-kuulist pimedas hoidmist lämmastikus näitasid nad tumevoolu kerget suurenemist (kuigi jäid tööstuslike standardite piiridesse) ja röntgenikiirguse fotovoolu reaktsioonis ei olnud märgatavaid muutusi. Korduv röntgenkiirgus 100 Gy kumulatiivse annusega ei halvendanud detektori jõudlust.

Kõverate loomine

Järgmiseks kasutasid teadlased uut materjali kõverate röntgendetektorite valmistamiseks. Nagu P3HSe:PC₇₀BM-kiledel oli NP-BHJ kiledega sarnane jäikus ja kõvadus, painduvate substraatidena kasutati samu 75 µm paksuseid polüimiidkilesid, mida varem kasutati NP-BHJ süsteemiga.

Deformeerunud reaktsiooni hindamiseks paljastas meeskond P3HSe:PC₇₀BM-detektorid painderaadiustega 11.5–2 mm kuni 40 kVp röntgenikiirguseni. 11.5 mm painderaadiuse korral oli detektorite tundlikkus 0.1 µC/Gy/cm² ja tume vool on nii madal kui 0.03 pA/mm² kui kallutatud -10 V. Kuni 3.5 mm läviraadiuseni ei näidanud detektorid tundlikkuses olulisi muutusi, kuid üle selle piiri vähenes fotovool oluliselt võrreldes tundlikkusega puutumatus seisundis.

Uurides jõudlust enne, selle ajal ja pärast detektori painutamist 2 mm raadiusega, selgus, et selle tundlikkus vähenes painutamise ajal umbes 20%, seejärel taastus pärast lõdvestamist algväärtuse lähedale.

Lõpuks hindasid teadlased seadme mehaanilist vastupidavust. Pärast 100 painutustsüklit 2 mm raadiuseni ei näidanud kumerad detektorid mehaanilise rikke märke ja tundlikkuse muutusi oli vähem kui 1.2%. Meeskond järeldab, et heteroaatomite lisamine annab eduka strateegia orgaanilistel pooljuhtidel põhinevate suure jõudlusega röntgendetektorite loomiseks.

Kas kumerad röntgenikiirguse detektorid võivad kuulutada meditsiinilise pildistamise järgmist arengut?

"See on veel üks viis paindlike röntgendetektorite valmistamiseks, mis jäävad kindlalt ainult orgaaniliste materjalidega," Ravi Silva, kõrgtehnoloogia instituudi direktor, räägib Füüsika maailm. "Mõlemad süsteemid näitavad lairiba kõrge tundlikkusega ja ülimadala tumevoolu reaktsiooniga röntgendetektoreid. See süsteem, mis põhineb ainult orgaanilistel pooljuhtidel, säilitab täielikult kudede ekvivalentsuse ja annab röntgenisignaali väga täpse kaardistamise, mis ei pruugi vajada järeltöötlust, nii et seda saab kasutada koos tehisintellektiga kasvajate varajaseks avastamiseks.

Silva lisab, et seda uut tehnoloogiat saab kasutada mitmesugustes seadetes, sealhulgas kiiritusravis, ajalooliste esemete skaneerimises ja turvaskannerites. "Surrey ülikool koos selle väljalülitamisega SilverRay, on jätkuvalt juhtival kohal paindlike röntgendetektorite vallas – meil on hea meel näha, et tehnoloogia on paljude kasutusalade jaoks tõeliselt paljutõotav,” ütleb ta. "Võimalik on ka mammograafia ja reaalajas ravi, sealhulgas operatsioon. SilverRay vaatleb mõnda neist võimalustest, kui me räägime.

Painduvat orgaanilist röntgendetektorit kirjeldatakse artiklis Täiustatud teadus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/