Elastyczne detektory rentgenowskie w ofercie obrazowania medycznego i radioterapii – Świat Fizyki

Detektory promieni rentgenowskich odgrywają kluczową rolę w szerokim zakresie zastosowań medycznych, w tym w diagnostyce obrazowej, dozymetrii radioterapii i osobistej ochronie przed promieniowaniem. Wiele z tych zastosowań wymaga detektorów o dużej powierzchni, które mogą elastycznie dopasowywać się do zakrzywionych powierzchni. Jednak większość komercyjnych detektorów rentgenowskich jest sztywna, energochłonna i kosztowna w produkcji na dużych obszarach.

Jedną z alternatyw są półprzewodniki organiczne, które można wykorzystać do tworzenia wielkopowierzchniowych urządzeń optoelektronicznych za pomocą przyjaznych dla środowiska i tanich technik produkcji. Materiały organiczne wykazują jednak niskie tłumienie promieni rentgenowskich, co skutkuje niską czułością detektorów. Zespół kierowany na Uniwersytecie Surrey Instytut Zaawansowanej Technologii ma na celu rozwiązanie tego problemu. Dodając niewielkie ilości pierwiastków o wysokim Z do organicznego półprzewodnika, naukowcy stworzyli organiczne detektory promieniowania rentgenowskiego o wysokiej czułości i dużej elastyczności.

„Ten nowy materiał jest elastyczny, tani i wrażliwy. Ale ekscytujące jest to, że ten materiał jest odpowiednikiem tkanki” – wyjaśnia pierwszy autor Prabodhi Nanayakkara w oświadczeniu prasowym. „Toruje drogę do dozymetrii na żywo, co nie jest możliwe przy obecnej technologii”.

ciężki heteroatomy

Aby wyprodukować nowy materiał pochłaniający promieniowanie rentgenowskie, badacze zmodyfikowali łańcuch polimerowy organicznego półprzewodnika za pomocą heteroatomów selenu o wysokiej zawartości Z, aby utworzyć polimer typu p, P3HSe, i zmieszali go z pochodną fulerenu typu n, PC₇₀BM. Stworzyli detektor promieni rentgenowskich na szklanym podłożu, wykorzystując warstwę absorbera o grubości 55 µm.

Nanayakkara i współpracownicy ocenili charakterystykę reakcji nowego detektora, porównując jego działanie z działaniem poprzedniego detektora kandydat na zakrzywiony detektor promieniowania rentgenowskiego, wykonane przy użyciu nanocząstek tlenku bizmutu zintegrowanych z organicznym heterozłączem w masie (NP-BHJ).

Najpierw zmierzyli prąd ciemny, który określa granicę wykrywalności detektora, stosunek sygnału do szumu i zakres dynamiczny – kluczowe parametry w dozymetrii i obrazowaniu medycznym. P3HSe:PC₇₀Detektory BM wykazały ultraniski prąd ciemny wynoszący 0.32 pA/mm² przy zastosowanym obciążeniu wynoszącym -10 V, mieszczącym się w granicach przemysłowego standardu 10 pA/mm² i porównywalne z detektorami NP-BHJ. Naukowcy podkreślają, że te dwa detektory promieni rentgenowskich wykazują najniższe odnotowane dotychczas w literaturze detektory organiczne, hybrydowe i perowskitowe.

Aby ocenić czułość detektorów, zespół poddał je działaniu różnych źródeł promieniowania rentgenowskiego. Pod wpływem promieniowania rentgenowskiego o napięciu 70, 100, 150 i 220 kVp P3HSe:PC₇₀Detektory BM wykazywały czułość 22.6, 540, 600 i 550 nC/Gy/cm²odpowiednio. Ponownie wartości te są podobne do obserwowanych w detektorach NP-BHJ.

Detektory oparte na heteroatomach wykazały również doskonałą liniowość dawki i mocy dawki, a także wysoką odtwarzalność przy wielokrotnej ekspozycji na promieniowanie rentgenowskie. Naukowcy zauważają, że „pomimo stosunkowo małej grubości tych absorberów, P3HSe:PC₇₀Detektory BM i NP-BHJ charakteryzują się zadowalającą wydajnością w porównaniu z bardziej uznanymi, najnowocześniejszymi technologiami detektorów”.

Nowe detektory wykazały także długoterminową stabilność. Po 12 miesiącach przechowywania w ciemności w azocie wykazano niewielki wzrost natężenia prądu ciemnego (chociaż pozostawał on w granicach standardów przemysłowych) i brak zauważalnych zmian w odpowiedzi fotoprądu rentgenowskiego. Powtarzające się ekspozycje na promieniowanie rentgenowskie na skumulowaną dawkę 100 Gy nie pogorszyły działania detektora.

Tworzenie krzywych

Następnie naukowcy wykorzystali nowy materiał do wyprodukowania zakrzywionych detektorów promieniowania rentgenowskiego. Jako P3HSe:PC₇₀Folie BM wykazywały podobną sztywność i twardość do folii NP-BHJ. Jako elastyczne podłoża wykorzystano w nich te same folie poliimidowe o grubości 75 µm, które były wcześniej stosowane w systemie NP-BHJ.

Aby ocenić reakcję po odkształceniu, zespół odsłonił P3HSe:PC₇₀Detektory BM o promieniach zgięcia od 11.5 do 2 mm do promieni rentgenowskich 40 kVp. Przy promieniu zgięcia wynoszącym 11.5 mm detektory miały czułość 0.1 µC/Gy/cm² i ciemny prąd o natężeniu zaledwie 0.03 pA/mm² przy polaryzacji -10 V. Do promienia progowego wynoszącego 3.5 mm detektory nie wykazywały znaczącej zmiany czułości, ale powyżej tej granicy fotoprąd znacznie spadł w porównaniu z czułością w nieskazitelnym stanie.

Badanie działania detektora przed, w trakcie i po zgięciu do promienia 2 mm wykazało, że jego czułość podczas zginania spadła o około 20%, a po relaksacji powróciła do wartości bliskiej wartości początkowej.

Na koniec badacze ocenili wytrzymałość mechaniczną urządzenia. Po 100 cyklach zginania do promienia 2 mm zakrzywione detektory nie wykazywały żadnych oznak uszkodzeń mechanicznych i miały mniej niż 1.2% zmiany czułości. Zespół doszedł do wniosku, że wbudowanie heteroatomów stanowi skuteczną strategię tworzenia wysokowydajnych detektorów promieniowania rentgenowskiego opartych na półprzewodnikach organicznych.

Czy zakrzywione detektory promieni rentgenowskich mogą zwiastować kolejną ewolucję w obrazowaniu medycznym?

„To kolejna droga do stworzenia elastycznych detektorów rentgenowskich, które wytrzymają wyłącznie materiały organiczne” Raviego Silvy, mówi dyrektor Instytutu Zaawansowanych Technologii Świat Fizyki. „Obydwa systemy wykorzystują detektory rentgenowskie o wysokiej czułości szerokopasmowej i bardzo niskiej odpowiedzi na prąd ciemny. System ten oparty wyłącznie na półprzewodnikach organicznych w pełni zachowuje równoważność tkanek i zapewnia bardzo dokładne mapowanie sygnału rentgenowskiego, który może nie wymagać przetwarzania końcowego, dzięki czemu można go stosować w połączeniu ze sztuczną inteligencją do wczesnego wykrywania nowotworów”.

Silva dodaje, że tę nową technologię można zastosować w różnych zastosowaniach, w tym w radioterapii, skanowaniu zabytków i skanerach bezpieczeństwa. „Uniwersytet Surrey wraz z jego spin-outem Srebrny Ray, w dalszym ciągu przoduje w dziedzinie elastycznych detektorów promieniowania rentgenowskiego – cieszymy się, że technologia ta okazuje się naprawdę obiecująca w szeregu zastosowań” – mówi. „Możliwa będzie również mammografia i terapia w czasie rzeczywistym, w tym chirurgia. W chwili obecnej SilverRay przygląda się niektórym z tych możliwości.

Elastyczny organiczny detektor rentgenowski opisano w Zaawansowana nauka.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/