Detectores flexíveis de raios X alinhados para imagens médicas e radioterapia – Physics World

Os detectores de raios X desempenham um papel fundamental em uma ampla gama de aplicações médicas, incluindo diagnóstico por imagem, dosimetria de radioterapia e proteção radiológica pessoal. Muitas dessas aplicações exigem detectores de grandes áreas que possam se adaptar de maneira flexível a superfícies curvas. Mas a maioria dos detectores de raios X comerciais são rígidos, consomem muita energia e são caros para fabricar em grandes áreas.

Uma alternativa são os semicondutores orgânicos, que podem ser usados ​​para criar dispositivos optoeletrônicos de grandes áreas por meio de técnicas de fabricação ecologicamente corretas e de baixo custo. Os materiais orgânicos, entretanto, apresentam baixa atenuação de raios X, resultando em detectores com baixa sensibilidade. Uma equipe liderada pela Universidade de Surrey Instituto de Tecnologia Avançada pretende resolver este problema. Ao adicionar pequenas quantidades de elementos de alto Z a um semicondutor orgânico, os pesquisadores criaram detectores orgânicos de raios X com alta sensibilidade e alta flexibilidade.

“Este novo material é flexível, de baixo custo e sensível. Mas o que é interessante é que este material é equivalente a tecido”, explica o primeiro autor. Prabodhi Nanayakkara em um comunicado à imprensa. “Isso abre caminho para a dosimetria ao vivo, o que simplesmente não é possível com a tecnologia atual.”

Pesado heteroátomos

Para fabricar o novo material absorvedor de raios X, os pesquisadores modificaram a cadeia polimérica de um semicondutor orgânico com heteroátomos de selênio de alto Z para criar um polímero do tipo p, P3HSe, e misturaram-no com um derivado de fulereno do tipo n, PC.₇₀BM. Eles criaram o detector de raios X em um substrato de vidro usando uma camada absorvente de 55 µm de espessura.

Nanayakkara e colegas avaliaram as características de resposta do novo detector, comparando seu desempenho com o de seus anteriores candidato a detector de raios X curvo, feito com nanopartículas de óxido de bismuto integradas em uma heterojunção orgânica (NP-BHJ).

Eles primeiro mediram a corrente escura, que determina o limite de detecção de um detector, a relação sinal-ruído e a faixa dinâmica – parâmetros cruciais em dosimetria e imagens médicas. O P3HSe:PC₇₀Os detectores BM demonstraram uma corrente escura ultrabaixa de 0.32 pA/mm² sob uma polarização aplicada de -10 V, bem dentro do padrão industrial de 10 pA/mm² e comparável ao dos detectores NP-BHJ. Os pesquisadores apontam que esses dois detectores de raios X apresentam as correntes escuras mais baixas relatadas até o momento de todos os detectores orgânicos, híbridos e de perovskita na literatura.

Para avaliar a sensibilidade dos detectores, a equipe os expôs a diversas fontes de raios X. Quando exposto à radiação de raios X de 70, 100, 150 e 220 kVp, o P3HSe:PC₇₀Os detectores BM exibiram sensibilidades de 22.6, 540, 600 e 550 nC/Gy/cm², respectivamente. Novamente, estes valores são semelhantes aos observados nos detectores NP-BHJ.

Os detectores baseados em heteroátomos também apresentaram excelente linearidade de dose e taxa de dose, bem como alta reprodutibilidade sob exposição repetida a raios X. Os pesquisadores observam que “apesar da espessura relativamente baixa desses absorvedores, P3HSe:PC₇₀Os detectores BM e NP-BHJ apresentam um desempenho satisfatório em comparação com tecnologias de detectores mais estabelecidas e de última geração”.

Os novos detectores também exibiram estabilidade a longo prazo. Após 12 meses de armazenamento em nitrogênio no escuro, eles mostraram um ligeiro aumento na corrente escura (embora permanecendo dentro dos padrões industriais) e nenhuma variação perceptível na resposta da fotocorrente de raios X. Exposições repetidas de raios X a uma dose cumulativa de 100 Gy não degradaram o desempenho do detector.

Criando as curvas

Em seguida, os pesquisadores usaram o novo material para fabricar detectores curvos de raios X. Como o P3HSe:PC₇₀Os filmes BM exibiram rigidez e dureza semelhantes aos filmes NP-BHJ, eles empregaram os mesmos filmes de poliimida de 75 µm de espessura usados ​​anteriormente com o sistema NP-BHJ como substratos flexíveis.

Para avaliar a resposta enquanto deformado, a equipe expôs P3HSe:PC₇₀Detectores BM com raios de curvatura de 11.5 a 2 mm para raios X de 40 kVp. Com um raio de curvatura de 11.5 mm, os detectores tinham uma sensibilidade de 0.1 µC/Gy/cm² e uma corrente escura tão baixa quanto 0.03 pA/mm² quando polarizados em -10 V. Até um raio limite de 3.5 mm, os detectores não exibiram alterações significativas na sensibilidade, mas além desse limite, a fotocorrente reduziu consideravelmente em relação à sensibilidade em condições originais.

O exame do desempenho antes, durante e depois de dobrar o detector em um raio de 2 mm revelou que sua sensibilidade diminuiu cerca de 20% durante a flexão e depois recuperou para próximo do seu valor inicial após o relaxamento.

Por fim, os pesquisadores avaliaram a robustez mecânica do dispositivo. Após 100 ciclos de flexão até um raio de 2 mm, os detectores curvos não mostraram sinais de falha mecânica e apresentaram menos de 1.2% de variação na sensibilidade. A equipe conclui que a incorporação de heteroátomos fornece uma estratégia bem-sucedida para a criação de detectores de raios X de alto desempenho baseados em semicondutores orgânicos.

Os detectores curvos de raios X poderiam anunciar a próxima evolução em imagens médicas?

“Este é outro caminho para fabricar detectores de raios X flexíveis, permanecendo firmes apenas com materiais orgânicos”, Ravi Silva, diretor do Instituto de Tecnologia Avançada, conta Mundo da física. “Ambos os sistemas apresentam detectores de raios X com alta sensibilidade de banda larga e resposta ultrabaixa à corrente escura. Este sistema baseado apenas em semicondutores orgânicos preserva totalmente a equivalência tecidual e fornecerá um mapeamento altamente preciso do sinal de raios X, que pode não precisar de pós-processamento, portanto pode ser usado com IA para detecção precoce de tumores.”

Silva acrescenta que esta nova tecnologia pode ser utilizada numa variedade de ambientes, incluindo radioterapia, digitalização de artefactos históricos e em scanners de segurança. “A Universidade de Surrey, juntamente com seu spin-out SilverRay, continua a liderar o caminho em detectores flexíveis de raios X – estamos satisfeitos em ver que a tecnologia se mostra realmente promissora para uma variedade de usos”, diz ele. “A mamografia e a terapêutica em tempo real, incluindo cirurgia, também serão possíveis. SilverRay está analisando algumas dessas possibilidades neste momento.”

O detector de raios X orgânico flexível é descrito em Ciência Avançada.

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