Flexibele röntgendetectoren voor medische beeldvorming en radiotherapie – Physics World

Flexibele röntgendetectoren voor medische beeldvorming en radiotherapie – Physics World

Tijdstempel: 23 november 2023 4:30 uur

Weefsel-equivalente röntgendetector
Weefsel-equivalente detector Flexibele röntgendetectoren op basis van organische halfgeleiders gemodificeerd met heteroatomen met een hoge Z zouden ideaal kunnen blijken voor een breed scala aan toepassingen op het gebied van medische beeldvorming, radiotherapie en dosimetrie. (Met dank aan Prabodhi Nanayakkara)

Röntgendetectoren spelen een sleutelrol in een breed scala aan medische toepassingen, waaronder diagnostische beeldvorming, radiotherapiedosimetrie en persoonlijke stralingsbescherming. Veel van deze toepassingen vereisen detectoren met een groot oppervlak die zich flexibel kunnen aanpassen aan gebogen oppervlakken. Maar de meeste commerciële röntgendetectoren zijn stijf, verbruiken veel energie en zijn duur om in grote ruimtes te fabriceren.

Eén alternatief zijn organische halfgeleiders, die kunnen worden gebruikt om opto-elektronische apparaten met een groot oppervlak te maken via milieuvriendelijke, goedkope productietechnieken. Organische materialen vertonen echter een lage röntgenverzwakking, wat resulteert in detectoren met een lage gevoeligheid. Een team onder leiding van de Universiteit van Surrey's Advanced Technology Institute heeft tot doel dit probleem op te lossen. Door kleine hoeveelheden high-Z-elementen aan een organische halfgeleider toe te voegen, creëerden de onderzoekers organische röntgendetectoren met een hoge gevoeligheid en hoge flexibiliteit.

“Dit nieuwe materiaal is flexibel, goedkoop en gevoelig. Maar het opwindende is dat dit materiaal gelijkwaardig is aan weefsel”, legt de eerste auteur uit Prabodhi Nanayakkara in een persverklaring. “Dit maakt de weg vrij voor live dosimetrie, wat met de huidige technologie gewoon niet mogelijk is.”

zwaar heteroatomen

Om het nieuwe röntgenabsorberende materiaal te vervaardigen, hebben de onderzoekers de polymeerketen van een organische halfgeleider met seleniumheteroatomen met hoge Z aangepast om een ​​p-type polymeer, P3HSe, te creëren en dit gemengd met een n-type fullereenderivaat, PC70BM. Ze creëerden de röntgendetector op een glazen substraat met behulp van een 55 µm dikke absorberlaag.

Nanayakkara en collega's evalueerden de responskenmerken van de nieuwe detector en vergeleken de prestaties ervan met die van hun vorige kandidaat voor gebogen röntgendetectoren, gemaakt met behulp van bismutoxide-nanodeeltjes geïntegreerd in een organische bulk-heterojunctie (NP-BHJ).

Ze maten eerst de donkerstroom, die de detectielimiet van een detector, de signaal-ruisverhouding en het dynamisch bereik bepaalt – cruciale parameters in dosimetrie en medische beeldvorming. De P3HSe:PC70BM-detectoren vertoonden een ultralage donkerstroom van 0.32 pA/mm2 onder een toegepaste voorspanning van −10 V, ruim binnen de industriële norm van 10 pA/mm2 en vergelijkbaar met die van de NP-BHJ-detectoren. De onderzoekers wijzen erop dat deze twee röntgendetectoren de laagste donkerstromen vertonen die tot nu toe zijn gerapporteerd van alle organische, hybride en perovskietdetectoren in de literatuur.

Om de gevoeligheid van de detectoren te evalueren, stelde het team ze bloot aan verschillende röntgenbronnen. Bij blootstelling aan röntgenstraling van 70, 100, 150 en 220 kVp kan de P3HSe:PC70BM-detectoren vertoonden gevoeligheden van 22.6, 540, 600 en 550 nC/Gy/cm2respectievelijk. Nogmaals, deze waarden zijn vergelijkbaar met die waargenomen door de NP-BHJ-detectoren.

De op heteroatomen gebaseerde detectoren vertoonden ook een uitstekende lineairiteit van de dosis en het dosistempo, evenals een hoge reproduceerbaarheid bij herhaalde blootstelling aan röntgenstraling. De onderzoekers merken op dat “ondanks de relatief lage dikte van deze absorbers, P3HSe:PC70BM- en NP-BHJ-detectoren presteren bevredigend in vergelijking met meer gevestigde, ultramoderne detectortechnologieën”.

De nieuwe detectoren vertoonden ook stabiliteit op de lange termijn. Na 12 maanden opslag in stikstof in het donker vertoonden ze een lichte toename van de donkerstroom (hoewel ze ruim binnen de industriële normen bleven) en geen merkbare variatie in de respons op röntgenfotostroom. Herhaalde röntgenblootstelling aan een cumulatieve dosis van 100 Gy verminderde de prestaties van de detector niet.

Het maken van de bochten

Vervolgens gebruikten de onderzoekers het nieuwe materiaal om gebogen röntgendetectoren te vervaardigen. Zoals de P3HSe:PC70BM-films vertoonden een vergelijkbare stijfheid en hardheid als NP-BHJ-films. Ze gebruikten dezelfde 75 µm dikke polyimidefilms die eerder met het NP-BHJ-systeem werden gebruikt als flexibele substraten.

Om de respons tijdens vervorming te beoordelen, stelde het team P3HSe:PC bloot70BM-detectoren met buigradii van 11.5 tot 2 mm tot 40 kVp röntgenstraling. Bij een buigradius van 11.5 mm hadden de detectoren een gevoeligheid van 0.1 µC/Gy/cm2 en een donkerstroom van slechts 0.03 pA/mm2 bij een bias van -10 V. Tot een drempelradius van 3.5 mm vertoonden de detectoren geen significante verandering in gevoeligheid, maar boven deze limiet nam de fotostroom aanzienlijk af ten opzichte van de gevoeligheid in onberispelijke staat.

Onderzoek naar de prestaties vóór, tijdens en na het buigen van de detector tot een straal van 2 mm onthulde dat de gevoeligheid ervan tijdens het buigen met ongeveer 20% afnam en na relaxatie terugkeerde tot bijna de oorspronkelijke waarde.

Ten slotte beoordeelden de onderzoekers de mechanische robuustheid van het apparaat. Na 100 buigcycli tot een straal van 2 mm vertoonden de gebogen detectoren geen tekenen van mechanisch falen en minder dan 1.2% variatie in gevoeligheid. Het team concludeert dat de integratie van heteroatomen een succesvolle strategie biedt voor het creëren van hoogwaardige röntgendetectoren op basis van organische halfgeleiders.

“Dit is een andere route naar het maken van flexibele röntgendetectoren, waarbij we alleen vasthouden aan organische materialen,” Ravi Silva, directeur van het Advanced Technology Institute, vertelt Natuurkunde wereld. “Beide systemen tonen röntgendetectoren met hoge breedbandgevoeligheid en ultralage donkerstroomrespons. Dit systeem dat uitsluitend op organische halfgeleiders is gebaseerd, behoudt de weefselequivalentie volledig en zal een zeer nauwkeurige mapping van het röntgensignaal opleveren, dat mogelijk geen nabewerking behoeft en dus met AI kan worden gebruikt voor de vroege detectie van tumoren.”

Silva voegt eraan toe dat deze nieuwe technologie in verschillende omgevingen kan worden gebruikt, waaronder radiotherapie, het scannen van historische artefacten en in beveiligingsscanners. ‘De Universiteit van Surrey, samen met zijn spin-out ZilverRay, blijft toonaangevend op het gebied van flexibele röntgendetectoren – we zijn blij om te zien dat de technologie veelbelovend is voor een reeks toepassingen”, zegt hij. “Mammografie en real-time therapieën, waaronder chirurgie, zullen ook mogelijk zijn. SilverRay bekijkt op dit moment enkele van deze mogelijkheden.”

De flexibele organische röntgendetector wordt beschreven in Geavanceerde wetenschap.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld