Rivelatori flessibili di raggi X in linea per l'imaging medico e la radioterapia – Physics World

I rilevatori di raggi X svolgono un ruolo chiave in un'ampia gamma di applicazioni mediche, tra cui l'imaging diagnostico, la dosimetria della radioterapia e la radioprotezione personale. Molte di queste applicazioni richiedono rilevatori di grandi dimensioni che possano adattarsi in modo flessibile alle superfici curve. Ma la maggior parte dei rilevatori di raggi X commerciali sono rigidi, assetati di energia e costosi da fabbricare su vaste aree.

Un'alternativa sono i semiconduttori organici, che possono essere utilizzati per creare dispositivi optoelettronici di grandi dimensioni tramite tecniche di produzione rispettose dell'ambiente e a basso costo. I materiali organici, tuttavia, presentano una bassa attenuazione dei raggi X, risultando in rilevatori con bassa sensibilità. Una squadra guidata dall’Università del Surrey Istituto di tecnologia avanzata mira a risolvere questo problema. Aggiungendo piccole quantità di elementi ad alto Z a un semiconduttore organico, i ricercatori hanno creato rilevatori di raggi X organici con elevata sensibilità ed elevata flessibilità.

“Questo nuovo materiale è flessibile, economico e sensibile. Ma la cosa interessante è che questo materiale è equivalente al tessuto”, spiega il primo autore Prabodhi Nanayakkara in un comunicato stampa. “Ciò apre la strada alla dosimetria dal vivo, che semplicemente non è possibile con la tecnologia attuale”.

Forte eteroatomi

Per fabbricare il nuovo materiale assorbitore di raggi X, i ricercatori hanno modificato la catena polimerica di un semiconduttore organico con eteroatomi di selenio ad alto Z per creare un polimero di tipo p, P3HSe, e lo hanno miscelato con un derivato del fullerene di tipo n, PC.₇₀BM. Hanno creato il rilevatore di raggi X su un substrato di vetro utilizzando uno strato assorbente di 55 µm di spessore.

Nanayakkara e colleghi hanno valutato le caratteristiche di risposta del nuovo rilevatore, confrontandone le prestazioni con quelle del precedente candidato al rivelatore di raggi X curvo, realizzato utilizzando nanoparticelle di ossido di bismuto integrate in un'eterogiunzione organica (NP-BHJ).

Per prima cosa hanno misurato la corrente oscura, che determina il limite di rilevamento di un rilevatore, il rapporto segnale-rumore e la gamma dinamica – parametri cruciali nella dosimetria e nell’imaging medico. Il P3HSe:PC₇₀I rilevatori BM hanno dimostrato una corrente di buio ultrabassa di 0.32 pA/mm² con una polarizzazione applicata di -10 V, ben entro lo standard industriale di 10 pA/mm² e paragonabile a quello dei rivelatori NP-BHJ. I ricercatori sottolineano che questi due rilevatori di raggi X mostrano le correnti oscure più basse finora riportate tra tutti i rilevatori organici, ibridi e a perovskite presenti in letteratura.

Per valutare la sensibilità dei rilevatori, il team li ha esposti a varie sorgenti di raggi X. Se esposto a radiazioni di raggi X da 70, 100, 150 e 220 kVp, il P3HSe:PC₇₀I rilevatori BM hanno mostrato sensibilità di 22.6, 540, 600 e 550 nC/Gy/cm², rispettivamente. Ancora una volta, questi valori sono simili a quelli osservati dai rilevatori NP-BHJ.

I rilevatori basati su eteroatomi hanno inoltre mostrato un'eccellente linearità della dose e del rateo di dose, nonché un'elevata riproducibilità in caso di esposizione ripetuta ai raggi X. I ricercatori notano che “nonostante lo spessore relativamente basso di questi assorbitori, P3HSe:PC₇₀I rilevatori BM e NP-BHJ mostrano prestazioni soddisfacenti rispetto alle tecnologie di rilevamento più consolidate e all'avanguardia”.

I nuovi rilevatori hanno mostrato anche stabilità a lungo termine. Dopo 12 mesi di conservazione in azoto al buio, hanno mostrato un leggero aumento della corrente di buio (pur rimanendo ben entro gli standard industriali) e nessuna variazione evidente nella risposta alla fotocorrente dei raggi X. Le esposizioni ripetute ai raggi X a una dose cumulativa di 100 Gy non hanno peggiorato le prestazioni del rilevatore.

Creazione delle curve

Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato il nuovo materiale per fabbricare rilevatori di raggi X curvi. Come P3HSe:PC₇₀I film BM mostravano rigidità e durezza simili ai film NP-BHJ e utilizzavano gli stessi film di poliimmide spessi 75 µm precedentemente utilizzati con il sistema NP-BHJ come substrati flessibili.

Per valutare la risposta in deformazione, il team ha esposto P3HSe:PC₇₀Rilevatori BM con raggi di curvatura da 11.5 a 2 mm per raggi X da 40 kVp. Con un raggio di curvatura di 11.5 mm, i rilevatori avevano una sensibilità di 0.1 μC/Gy/cm² e una corrente di buio pari a 0.03 pA/mm² quando polarizzati a -10 V. Fino a un raggio di soglia di 3.5 mm, i rilevatori non hanno mostrato cambiamenti significativi nella sensibilità, ma oltre questo limite la fotocorrente si è ridotta considerevolmente rispetto alla sensibilità in condizioni originali.

L'esame delle prestazioni prima, durante e dopo la piegatura del rilevatore ad un raggio di 2 mm ha rivelato che la sua sensibilità è diminuita di circa il 20% durante la piegatura, per poi tornare quasi al suo valore iniziale dopo il rilassamento.

Infine, i ricercatori hanno valutato la robustezza meccanica del dispositivo. Dopo 100 cicli di piegatura fino a un raggio di 2 mm, i rilevatori curvi non hanno mostrato segni di guasto meccanico e una variazione di sensibilità inferiore all'1.2%. Il team conclude che l'incorporazione di eteroatomi fornisce una strategia di successo per la creazione di rilevatori di raggi X ad alte prestazioni basati su semiconduttori organici.

I rilevatori di raggi X curvi potrebbero annunciare la prossima evoluzione nell’imaging medico?

“Questa è un’altra strada per realizzare rilevatori di raggi X flessibili, rimanendo fermamente solo con materiali organici”, Ravi Silva, direttore dell'Istituto di tecnologia avanzata, racconta Mondo della fisica. “Entrambi i sistemi mostrano rilevatori di raggi X con alta sensibilità a banda larga e risposta alla corrente oscura ultrabassa. Questo sistema basato solo su semiconduttori organici preserva completamente l’equivalenza dei tessuti e fornirà una mappatura altamente accurata del segnale dei raggi X, che potrebbe non richiedere post-elaborazione, quindi può essere utilizzato con l’intelligenza artificiale per la diagnosi precoce dei tumori”.

Silva aggiunge che questa nuova tecnologia potrebbe essere utilizzata in una varietà di contesti, tra cui la radioterapia, la scansione di manufatti storici e negli scanner di sicurezza. “L'Università del Surrey, insieme al suo spin-out SilverRay, continua a essere all’avanguardia nel campo dei rilevatori di raggi X flessibili: siamo lieti di vedere che la tecnologia si dimostra davvero promettente per una vasta gamma di usi”, afferma. “Saranno possibili anche la mammografia e terapie in tempo reale, compresa la chirurgia. SilverRay sta esaminando alcune di queste possibilità mentre parliamo”.

Il rilevatore flessibile di raggi X organici è descritto in Scienza avanzata.

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