의료 영상 및 방사선 치료를 위한 유연한 X선 검출기 라인업 – Physics World

X선 검출기는 진단 영상, 방사선 치료 선량 측정 및 개인 방사선 보호를 포함한 광범위한 의료 응용 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 이러한 응용 분야 중 다수에는 곡면에 유연하게 적응할 수 있는 대면적 감지기가 필요합니다. 그러나 대부분의 상용 X선 검출기는 견고하고 전력 소모가 크며 넓은 영역에 제작하기에는 비용이 많이 듭니다.

한 가지 대안은 환경 친화적이고 저렴한 제조 기술을 통해 대면적 광전자 장치를 만드는 데 사용할 수 있는 유기 반도체입니다. 그러나 유기 물질은 X선 감쇠가 낮아 검출기의 감도가 낮습니다. 서리대학교(University of Surrey's)를 이끄는 팀 첨단 기술 연구소 이 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다. 연구진은 유기 반도체에 소량의 high-Z 원소를 추가함으로써 높은 감도와 높은 유연성을 갖춘 유기 X선 검출기를 만들었습니다.

“이 새로운 소재는 유연하고 저렴하며 민감합니다. 그러나 흥미로운 점은 이 물질이 조직과 동등하다는 것입니다.”라고 제XNUMX저자는 설명합니다. 프라보디 나나야까라 언론 성명에서. "이것은 현재 기술로는 불가능한 실시간 선량 측정의 길을 열어줍니다."

무거운 헤테로원자

새로운 X선 흡수재를 제조하기 위해 연구진은 높은 Z 셀레늄 헤테로원자로 유기 반도체의 폴리머 사슬을 변형하여 p형 폴리머 P3HSe를 생성하고 이를 n형 풀러렌 유도체인 PC와 혼합했습니다.₇₀BM. 그들은 55μm 두께의 흡수층을 사용하여 유리 기판에 X선 검출기를 만들었습니다.

Nanayakkara와 동료들은 이전 검출기와 성능을 비교하여 새로운 검출기의 반응 특성을 평가했습니다. 곡면형 X선 검출기 후보, 유기 벌크 이종접합(NP-BHJ)에 통합된 산화비스무트 나노입자를 사용하여 만들어졌습니다.

그들은 먼저 검출기의 검출 한계, 신호 대 잡음비 및 동적 범위(선량 측정 및 의료 영상의 중요한 매개변수)를 결정하는 암전류를 측정했습니다. P3HSe:PC₇₀BM 검출기는 0.32 pA/mm의 초저 암전류를 시연했습니다.² −10V의 인가 바이어스에서 10pA/mm의 산업 표준 내에 있습니다.² NP-BHJ 검출기와 비슷합니다. 연구원들은 이 두 X선 검출기가 문헌에 있는 모든 유기, 하이브리드 및 페로브스카이트 검출기 중 현재까지 보고된 가장 낮은 암전류를 표시한다고 지적합니다.

탐지기의 감도를 평가하기 위해 팀은 탐지기를 다양한 X선 광원에 노출했습니다. 70, 100, 150 및 220 kVp X선 방사선에 노출되면 P3HSe:PC₇₀BM 검출기는 22.6, 540, 600 및 550 nC/Gy/cm의 감도를 나타냈습니다.², 각각. 다시 말하지만, 이 값은 NP-BHJ 검출기에서 관찰된 값과 유사합니다.

헤테로원자 기반 검출기는 우수한 선량 및 선량률 선형성을 나타냈을 뿐만 아니라 반복적인 X선 노출에서도 높은 재현성을 나타냈습니다. 연구원들은 "이러한 흡수체의 두께가 상대적으로 얇음에도 불구하고 P3HSe:PC"라고 언급했습니다.₇₀BM 및 NP-BHJ 감지기는 기존의 최첨단 감지기 기술에 비해 만족스러운 성능을 보여줍니다.”

새로운 검출기는 또한 장기적인 안정성을 보였습니다. 암실에서 질소에 12개월 동안 보관한 후 암전류가 약간 증가한 것으로 나타났으며(산업 표준 내에서는 양호한 수준으로 유지됨) X선 광전류 반응에는 눈에 띄는 변화가 없었습니다. 누적 선량 100Gy에 반복적으로 X선을 노출해도 검출기 성능이 저하되지 않았습니다.

곡선 만들기

다음으로, 연구진은 새로운 재료를 사용하여 곡면형 X선 검출기를 제작했습니다. P3HSe:PC로서₇₀BM 필름은 NP-BHJ 필름과 유사한 강성과 경도를 나타냈으며 이전에 NP-BHJ 시스템에서 사용했던 것과 동일한 75μm 두께의 폴리이미드 필름을 유연한 기판으로 사용했습니다.

변형된 동안의 반응을 평가하기 위해 팀은 P3HSe:PC를 노출했습니다.₇₀굽힘 반경이 11.5~2mm~40kVp X선인 BM 감지기입니다. 11.5mm의 굽힘 반경에서 검출기의 감도는 0.1μC/Gy/cm입니다.² 0.03 pA/mm만큼 낮은 암전류² -10V로 바이어스되었을 때. 임계 반경 3.5mm까지 검출기는 감도에 큰 변화를 나타내지 않았지만 이 한계를 넘어서면 광전류는 원래 상태의 감도보다 상당히 감소했습니다.

검출기를 반경 2mm로 굽히기 전, 굽는 도중, 굽은 후의 성능을 조사한 결과, 굽힘 도중 감도가 약 20% 감소한 후 완화 후 초기 값에 가깝게 회복되는 것으로 나타났습니다.

마지막으로 연구원들은 장치의 기계적 견고성을 평가했습니다. 반경 100mm까지 2번의 굽힘 주기 후에 곡선형 검출기는 기계적 결함의 징후를 보이지 않았으며 감도 변화는 1.2% 미만이었습니다. 연구팀은 헤테로원자 통합이 유기 반도체를 기반으로 하는 고성능 X선 검출기를 만들기 위한 성공적인 전략을 제공한다고 결론지었습니다.

곡면형 X선 검출기가 의료 영상 분야의 다음 진화를 예고할 수 있을까요?

“이것은 유기재료만으로 견고하게 유지되는 유연한 X선 검출기를 만드는 또 다른 경로입니다.” 라비 실바, Advanced Technology Institute 소장은 다음과 같이 말합니다. 물리 세계. “두 시스템 모두 광대역 고감도와 초저 암전류 반응을 갖춘 X선 검출기를 보여줍니다. 유기 반도체만을 기반으로 하는 이 시스템은 조직 등가성을 완전히 보존하고 X선 신호의 매우 정확한 매핑을 제공하므로 후처리가 필요하지 않으므로 종양 조기 발견을 위해 AI와 함께 사용할 수 있습니다.”

Silva는 이 신기술이 방사선 치료, 역사적 유물 스캔, 보안 스캐너 등 다양한 환경에서 사용될 수 있다고 덧붙였습니다. “University of Surrey는 스핀아웃과 함께 실버레이, 유연한 X-선 검출기 분야를 계속 선도하고 있습니다. 우리는 이 기술이 다양한 용도에 대한 실질적인 가능성을 보여주는 것을 보게 되어 기쁩니다.”라고 그는 말합니다. “유방촬영술과 수술을 포함한 실시간 치료도 가능해질 것입니다. SilverRay는 우리가 이야기하는 동안 이러한 가능성 중 일부를 살펴보고 있습니다.”

유연한 유기 X선 검출기에 대한 설명은 다음과 같습니다. 고급 과학.

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