医療画像および放射線治療向けにフレキシブル X 線検出器をラインナップ – Physics World

X 線検出器は、画像診断、放射線治療線量測定、個人の放射線防護など、幅広い医療用途で重要な役割を果たしています。 これらのアプリケーションの多くは、曲面に柔軟に適合できる大面積の検出器を必要とします。 しかし、ほとんどの市販の X 線検出器は硬く、電力を大量に消費し、大面積に製造するにはコストがかかります。

代替手段の XNUMX つは有機半導体であり、環境に優しく、低コストの製造技術によって大面積の光電子デバイスを作成するために使用できます。 ただし、有機材料は X 線の減衰が低いため、検出器の感度が低くなります。 サリー大学を率いるチーム 先端技術研究所 この問題を解決することを目的としています。 研究者らは、少量の高Z元素を有機半導体に添加することにより、高感度で柔軟性の高い有機X線検出器を作成した。

「この新素材は柔軟性があり、低コストで、感度が高いです。 しかし、興味深いのは、この材料が組織と同等であるということです」と筆頭著者は説明します プラボディ ナナヤッカラ 報道陣の声明で。 「これにより、現在の技術では不可能なライブ線量測定への道が開かれます。」

ヘビー ヘテロ原子

新しいX線吸収体材料を作製するために、研究者らは有機半導体のポリマー鎖を高Zセレンヘテロ原子で改変してp型ポリマーP3HSeを作成し、これをn型フラーレン誘導体PCとブレンドした。₇₀BM。 彼らは、厚さ 55 μm の吸収層を使用してガラス基板上に X 線検出器を作成しました。

Nanayakkara らは、新しい検出器の応答特性を評価し、その性能を以前の検出器の性能と比較しました。 曲面X線検出器候補、有機バルクヘテロ接合（NP-BHJ）に統合された酸化ビスマスナノ粒子を使用して作られています。

彼らはまず、線量測定や医療画像処理における重要なパラメータである検出器の検出限界、信号対雑音比、ダイナミックレンジを決定する暗電流を測定しました。 P3HSe:PC₇₀BM 検出器は 0.32 pA/mm の超低暗電流を実証² -10 V の印加バイアス下で、10 pA/mm の工業規格内に十分収まります² NP-BHJ 検出器と同等です。 研究者らは、これら XNUMX つの X 線検出器は、文献にあるすべての有機検出器、ハイブリッド検出器、およびペロブスカイト検出器の中で、これまでに報告されている中で最も低い暗電流を示すと指摘しています。

検出器の感度を評価するために、チームは検出器をさまざまな X 線源に曝露しました。 70、100、150、220 kVp の X 線放射線に曝露されると、P3HSe:PC₇₀BM 検出器は 22.6、540、600、および 550 nC/Gy/cm の感度を示しました。²、 それぞれ。 繰り返しますが、これらの値は NP-BHJ 検出器から観察された値と類似しています。

ヘテロ原子ベースの検出器は、優れた線量と線量率の直線性、および繰り返しの X 線曝露下での高い再現性も示しました。 研究者らは、「これらの吸収体の厚さが比較的薄いにもかかわらず、P3HSe:PC₇₀BM および NP-BHJ 検出器は、より確立された最先端の検出器技術と比較して満足のいく性能を示します。」

新しい検出器は長期安定性も示しました。 暗所で窒素中で 12 か月間保管した後、暗電流がわずかに増加しましたが (それでも十分に工業規格内にとどまっていました)、X 線光電流応答には目立った変化はありませんでした。 累積線量 100 Gy に繰り返し X 線曝露しても、検出器の性能は低下しませんでした。

曲線の作成

次に研究者らは、この新しい材料を使用して曲面 X 線検出器を製造しました。 P3HSe:PCとして₇₀BM フィルムは、NP-BHJ フィルムと同様の剛性と硬度を示し、NP-BHJ システムで以前にフレキシブル基板として使用されていたものと同じ 75 μm 厚のポリイミド フィルムを採用しました。

変形中の反応を評価するために、チームは P3HSe:PC を公開しました。₇₀11.5 kVp X 線に対して 2 ～ 40 mm の曲げ半径を備えた BM 検出器。 曲げ半径 11.5 mm で、検出器の感度は 0.1 μC/Gy/cm でした。² 暗電流は0.03 pA/mmと低い² -10 V でバイアスした場合。しきい値半径 3.5 mm までは、検出器の感度に大きな変化は見られませんでしたが、この限界を超えると、光電流は元の状態の感度から大幅に減少しました。

検出器を半径 2 mm に曲げる前、曲げ中、曲げ後の性能を調べたところ、曲げ中に感度が約 20% 低下しましたが、緩和後には初期値近くまで回復したことがわかりました。

最後に、研究者らはデバイスの機械的堅牢性を評価しました。 半径 100 mm までの 2 回の曲げサイクルの後、湾曲した検出器は機械的故障の兆候を示さず、感度の変動は 1.2% 未満でした。 研究チームは、ヘテロ原子の導入が有機半導体をベースにした高性能X線検出器の作製に成功する戦略を提供すると結論づけている。

湾曲した X 線検出器は医療画像の次の進化を告げるものでしょうか?

「これは、有機材料のみを使用して柔軟な X 線検出器を製造するための別のルートです。」 ラビ・シルバ先端技術研究所所長はこう語る。 物理学の世界。 「どちらのシステムも、広帯域の高感度と超低暗電流応答を備えた X 線検出器を示しています。 有機半導体のみに基づいたこのシステムは、組織の等価性を完全に保存し、X線信号の非常に正確なマッピングを提供します。これは後処理を必要としないため、腫瘍の早期検出のためにAIと併用することができます。」

Silva 氏は、この新しいテクノロジーは、放射線治療、歴史的遺物のスキャン、セキュリティ スキャナーなど、さまざまな環境で使用できる可能性があると付け加えました。 「サリー大学とそのスピンアウト シルバーレイは、フレキシブル X 線検出器の分野をリードし続けています。この技術がさまざまな用途に真の可能性を示していることを嬉しく思います。」と彼は言います。 「マンモグラフィーや手術を含むリアルタイム治療も可能になります。 SilverRay は、私たちが話している間に、これらの可能性のいくつかを検討しています。」

フレキシブルな有機 X 線検出器については、以下で説明されています。 先端科学.

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