Fleksible røntgendetektorer står i kø for medisinsk bildebehandling og strålebehandling – Physics World

Røntgendetektorer spiller en nøkkelrolle i et bredt spekter av medisinske applikasjoner, inkludert bildediagnostikk, stråleterapidosimetri og personlig strålebeskyttelse. Mange av disse applikasjonene krever store detektorer som fleksibelt kan tilpasse seg buede overflater. Men de fleste kommersielle røntgendetektorer er stive, strømkrevende og dyre å lage til store områder.

Et alternativ er organiske halvledere, som kan brukes til å lage optoelektroniske enheter med store områder via miljøvennlige, rimelige produksjonsteknikker. Organiske materialer viser imidlertid lav røntgendempning, noe som resulterer i detektorer med lav følsomhet. Et team ledet opp ved University of Surrey's Advanced Technology Institute har som mål å løse dette problemet. Ved å legge til små mengder høy-Z-elementer til en organisk halvleder, skapte forskerne organiske røntgendetektorer med høy følsomhet og høy fleksibilitet.

"Dette nye materialet er fleksibelt, rimelig og følsomt. Men det som er spennende er at dette materialet er vevsekvivalent, forklarer førsteforfatter Prabodhi Nanayakkara i en pressemelding. "Dette baner vei for levende dosimetri, som bare ikke er mulig med dagens teknologi."

Heavy heteroatomer

For å fremstille det nye røntgenabsorberende materialet, modifiserte forskerne polymerkjeden til en organisk halvleder med høy-Z selen heteroatomer for å lage en p-type polymer, P3HSe, og blandet dette med et n-type fullerenderivat, PC₇₀BM. De laget røntgendetektoren på et glassunderlag ved å bruke et 55 µm tykt absorberende lag.

Nanayakkara og kollegene evaluerte responsegenskapene til den nye detektoren, og sammenlignet ytelsen til den tidligere. buet røntgendetektorkandidat, laget ved bruk av vismutoksid nanopartikler integrert i en organisk bulk heterojunction (NP-BHJ).

De målte først den mørke strømmen, som bestemmer en detektors grense for deteksjon, signal-til-støy-forhold og dynamisk område – avgjørende parametere i dosimetri og medisinsk bildebehandling. P3HSe:PC₇₀BM-detektorer demonstrerte en ultralav mørk strøm på 0.32 pA/mm² under en påført forspenning på -10 V, godt innenfor industristandarden på 10 pA/mm² og sammenlignbar med NP-BHJ-detektorene. Forskerne påpeker at disse to røntgendetektorene viser de laveste mørkestrømmene som er rapportert til dags dato av alle organiske, hybrid- og perovskittdetektorer i litteraturen.

For å evaluere følsomheten til detektorene, eksponerte teamet dem for ulike røntgenkilder. Ved eksponering for 70, 100, 150 og 220 kVp røntgenstråling, P3HSe:PC₇₀BM-detektorer viste følsomheter på 22.6, 540, 600 og 550 nC/Gy/cm², henholdsvis. Igjen er disse verdiene lik de som ble observert fra NP-BHJ-detektorene.

De heteroatombaserte detektorene viste også utmerket dose- og dosehastighetslinearitet, samt høy reproduserbarhet under gjentatt røntgeneksponering. Forskerne bemerker at "til tross for den relativt lave tykkelsen på disse absorberne, P3HSe:PC₇₀BM- og NP-BHJ-detektorer viser en tilfredsstillende ytelse sammenlignet med mer etablerte, toppmoderne detektorteknologier».

De nye detektorene viste også langsiktig stabilitet. Etter 12 måneders lagring i nitrogen i mørket, viste de en svak økning i mørk strøm (selv om de holdt seg godt innenfor industrielle standarder) og ingen merkbar variasjon i røntgenfotostrømrespons. Gjentatte røntgeneksponeringer for en kumulativ dose på 100 Gy forringet ikke detektorytelsen.

Lage kurvene

Deretter brukte forskerne det nye materialet til å fremstille buede røntgendetektorer. Som P3HSe:PC₇₀BM-filmer viste lignende stivhet og hardhet som NP-BHJ-filmer, de brukte de samme 75 µm tykke polyimidfilmene som tidligere ble brukt med NP-BHJ-systemet som fleksible underlag.

For å vurdere responsen mens de var deformert, eksponerte teamet P3HSe:PC₇₀BM-detektorer med bøyningsradier fra 11.5 til 2 mm til 40 kVp røntgen. Ved en bøyeradius på 11.5 mm hadde detektorene en følsomhet på 0.1 µC/Gy/cm² og en mørk strøm så lav som 0.03 pA/mm² ved forspenning ved −10 V. Opp til en terskelradius på 3.5 mm viste ikke detektorene signifikant endring i følsomhet, men utover denne grensen ble fotostrømmen redusert betraktelig fra følsomheten i uberørt tilstand.

Undersøkelse av ytelsen før, under og etter bøying av detektoren til en radius på 2 mm viste at dens følsomhet sank med ca. 20 % under bøyning, for så å gjenopprette seg til nær startverdien etter avspenning.

Til slutt vurderte forskerne den mekaniske robustheten til enheten. Etter 100 bøyesykluser ned til en radius på 2 mm, viste de buede detektorene ingen tegn til mekanisk feil og mindre enn 1.2 % variasjon i følsomhet. Teamet konkluderer med at inkorporering av heteroatomer gir en vellykket strategi for å lage høyytelses røntgendetektorer basert på organiske halvledere.

Kan buede røntgendetektorer varsle den neste utviklingen innen medisinsk bildebehandling?

"Dette er en annen måte å lage fleksible røntgendetektorer, som bare holder seg fast med organiske materialer," Ravi Silva, forteller direktør ved Advanced Technology Institute Fysikkens verden. "Begge systemene viser røntgendetektorer med høy bredbåndsfølsomhet og ultralav mørk strømrespons. Dette systemet kun basert på organiske halvledere bevarer vevsekvivalensen fullt ut og vil gi svært nøyaktig kartlegging av røntgensignalet, som kanskje ikke trenger etterbehandling, så det kan brukes med AI for tidlig påvisning av svulster.»

Silva legger til at denne nye teknologien kan brukes i en rekke miljøer, inkludert strålebehandling, skanning av historiske gjenstander og i sikkerhetsskannere. "Universitetet i Surrey, sammen med dets spin out SilverRay, fortsetter å være ledende innen fleksible røntgendetektorer – vi er glade for å se at teknologien viser virkelig løfte for en rekke bruksområder, sier han. "Mammografi og sanntidsterapi inkludert kirurgi vil også være mulig. SilverRay ser på noen av disse mulighetene mens vi snakker.»

Den fleksible organiske røntgendetektoren er beskrevet i Avansert vitenskap.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/