Gamme de détecteurs de rayons X flexibles pour l’imagerie médicale et la radiothérapie – Physics World

Gamme de détecteurs de rayons X flexibles pour l’imagerie médicale et la radiothérapie – Physics World

Horodatage: 23 novembre 2023, 4 h 30

Détecteur de rayons X équivalent aux tissus
Détecteur équivalent aux tissus Des détecteurs de rayons X flexibles basés sur des semi-conducteurs organiques modifiés avec des hétéroatomes à Z élevé pourraient s'avérer idéaux pour une large gamme d'applications d'imagerie médicale, de radiothérapie et de dosimétrie. (Avec l'aimable autorisation de Prabodhi Nanayakkara)

Les détecteurs de rayons X jouent un rôle clé dans un large éventail d'applications médicales, notamment l'imagerie diagnostique, la dosimétrie de radiothérapie et la radioprotection individuelle. Beaucoup de ces applications nécessitent des détecteurs de grande surface capables de s'adapter de manière flexible aux surfaces courbes. Mais la plupart des détecteurs de rayons X commerciaux sont rigides, gourmands en énergie et coûteux à fabriquer sur de grandes surfaces.

Une alternative est celle des semi-conducteurs organiques, qui peuvent être utilisés pour créer des dispositifs optoélectroniques de grande surface grâce à des techniques de fabrication respectueuses de l'environnement et à faible coût. Les matériaux organiques présentent cependant une faible atténuation des rayons X, ce qui donne lieu à des détecteurs peu sensibles. Une équipe dirigée à l'Université de Surrey Institut de technologie avancée vise à résoudre ce problème. En ajoutant de petites quantités d’éléments à Z élevé à un semi-conducteur organique, les chercheurs ont créé des détecteurs de rayons X organiques dotés d’une sensibilité et d’une flexibilité élevées.

« Ce nouveau matériau est flexible, peu coûteux et sensible. Mais ce qui est passionnant, c'est que ce matériau est équivalent aux tissus », explique le premier auteur. Prabodhi Nanayakkara dans un communiqué de presse. "Cela ouvre la voie à la dosimétrie en direct, ce qui n'est tout simplement pas possible avec la technologie actuelle."

Lourd hétéroatomes

Pour fabriquer le nouveau matériau absorbant les rayons X, les chercheurs ont modifié la chaîne polymère d'un semi-conducteur organique avec des hétéroatomes de sélénium à Z élevé pour créer un polymère de type p, P3HSe, et l'ont mélangé avec un dérivé de fullerène de type n, PC.70BM. Ils ont créé le détecteur de rayons X sur un substrat de verre en utilisant une couche absorbante de 55 µm d'épaisseur.

Nanayakkara et ses collègues ont évalué les caractéristiques de réponse du nouveau détecteur, en comparant ses performances à celles de leur précédent détecteur. candidat détecteur de rayons X incurvé, fabriqué à partir de nanoparticules d'oxyde de bismuth intégrées dans une hétérojonction organique en vrac (NP-BHJ).

Ils ont d'abord mesuré le courant d'obscurité, qui détermine la limite de détection, le rapport signal/bruit et la plage dynamique d'un détecteur, paramètres cruciaux en dosimétrie et en imagerie médicale. Le P3HSe:PC70Les détecteurs BM ont démontré un courant d'obscurité ultra faible de 0.32 pA/mm2 sous une polarisation appliquée de −10 V, bien dans la norme industrielle de 10 pA/mm2 et comparable à celle des détecteurs NP-BHJ. Les chercheurs soulignent que ces deux détecteurs de rayons X affichent les courants d'obscurité les plus faibles rapportés à ce jour parmi tous les détecteurs organiques, hybrides et pérovskites de la littérature.

Pour évaluer la sensibilité des détecteurs, l’équipe les a exposés à diverses sources de rayons X. Lorsqu'il est exposé à un rayonnement X de 70, 100, 150 et 220 kVp, le P3HSe:PC70Les détecteurs BM présentaient des sensibilités de 22.6, 540, 600 et 550 nC/Gy/cm2, respectivement. Encore une fois, ces valeurs sont similaires à celles observées avec les détecteurs NP-BHJ.

Les détecteurs basés sur des hétéroatomes présentaient également une excellente linéarité de la dose et du débit de dose, ainsi qu'une reproductibilité élevée sous des expositions répétées aux rayons X. Les chercheurs notent que « malgré l’épaisseur relativement faible de ces absorbeurs, le P3HSe:PC70Les détecteurs BM et NP-BHJ affichent des performances satisfaisantes par rapport aux technologies de détection de pointe plus établies ».

Les nouveaux détecteurs ont également montré une stabilité à long terme. Après 12 mois de stockage dans l'azote et à l'obscurité, ils ont montré une légère augmentation du courant d'obscurité (bien que restant bien dans les normes industrielles) et aucune variation notable de la réponse du photocourant aux rayons X. Des expositions répétées aux rayons X à une dose cumulée de 100 Gy n'ont pas dégradé les performances du détecteur.

Création des courbes

Ensuite, les chercheurs ont utilisé le nouveau matériau pour fabriquer des détecteurs de rayons X incurvés. Comme le P3HSe:PC70Les films BM présentaient une rigidité et une dureté similaires à celles des films NP-BHJ ; ils utilisaient les mêmes films de polyimide de 75 µm d'épaisseur précédemment utilisés avec le système NP-BHJ comme substrats flexibles.

Pour évaluer la réponse en cas de déformation, l'équipe a exposé P3HSe:PC70Détecteurs BM avec rayons de courbure de 11.5 à 2 mm pour rayons X de 40 kVp. À un rayon de courbure de 11.5 mm, les détecteurs avaient une sensibilité de 0.1 µC/Gy/cm2 et un courant d'obscurité aussi faible que 0.03 pA/mm2 lorsqu'ils sont polarisés à -10 V. Jusqu'à un rayon seuil de 3.5 mm, les détecteurs n'ont pas montré de changement significatif de sensibilité, mais au-delà de cette limite, le photocourant a été considérablement réduit par rapport à la sensibilité en parfait état.

L'examen des performances avant, pendant et après la flexion du détecteur sur un rayon de 2 mm a révélé que sa sensibilité diminuait d'environ 20 % pendant la flexion, puis revenait à sa valeur initiale après relaxation.

Enfin, les chercheurs ont évalué la robustesse mécanique du dispositif. Après 100 cycles de courbure jusqu'à un rayon de 2 mm, les détecteurs incurvés n'ont montré aucun signe de défaillance mécanique et une variation de sensibilité inférieure à 1.2 %. L'équipe conclut que l'incorporation d'hétéroatomes constitue une stratégie efficace pour créer des détecteurs de rayons X hautes performances basés sur des semi-conducteurs organiques.

"C'est une autre voie pour fabriquer des détecteurs de rayons X flexibles, en restant fermement uniquement avec des matériaux organiques", Rav Silva, directeur de l'Institut de technologie avancée, raconte Monde de la physique. « Les deux systèmes présentent des détecteurs de rayons X dotés d'une sensibilité élevée à large bande et d'une réponse en courant d'obscurité ultra faible. Ce système basé uniquement sur des semi-conducteurs organiques préserve pleinement l’équivalence tissulaire et fournira une cartographie très précise du signal de rayons X, qui ne nécessitera peut-être pas de post-traitement et pourra donc être utilisée avec l’IA pour la détection précoce des tumeurs.

Silva ajoute que cette nouvelle technologie pourrait être utilisée dans divers contextes, notamment la radiothérapie, la numérisation d'objets historiques et les scanners de sécurité. « L'Université du Surrey, ainsi que son spin-off Silver Ray, continue d'ouvrir la voie dans le domaine des détecteurs de rayons X flexibles – nous sommes ravis de constater que cette technologie s'avère réellement prometteuse pour une large gamme d'utilisations », déclare-t-il. « La mammographie et les thérapies en temps réel, y compris la chirurgie, seront également possibles. SilverRay étudie certaines de ces possibilités au moment où nous parlons.

Le détecteur de rayons X organiques flexible est décrit dans Sciences avancées.

Horodatage:

Plus de Monde de la physique