Detectoarele de raze X flexibile sunt aliniate pentru imagistica medicală și radioterapie – Physics World

Detectoarele cu raze X joacă un rol cheie într-o gamă largă de aplicații medicale, inclusiv imagistica de diagnostic, dozimetria radioterapiei și protecția personală împotriva radiațiilor. Multe dintre aceste aplicații necesită detectoare de suprafață mare care se pot adapta în mod flexibil suprafețelor curbate. Dar majoritatea detectoarelor comerciale cu raze X sunt rigide, consumatoare de energie și costisitoare de fabricat pe suprafețe mari.

O alternativă este semiconductorii organici, care pot fi utilizați pentru a crea dispozitive optoelectronice de suprafață mare prin tehnici de producție ecologice, cu costuri reduse. Cu toate acestea, materialele organice prezintă o atenuare scăzută a razelor X, rezultând detectoare cu sensibilitate scăzută. O echipă condusă la Universitatea din Surrey Advanced Technology Institute are ca scop rezolvarea acestei probleme. Adăugând cantități mici de elemente de înaltă Z într-un semiconductor organic, cercetătorii au creat detectoare organice de raze X cu sensibilitate ridicată și flexibilitate ridicată.

„Acest material nou este flexibil, ieftin și sensibil. Dar ceea ce este interesant este că acest material este echivalent în țesut”, explică primul autor Prabodhi Nanayakkara într-o declarație de presă. „Acest lucru deschide calea pentru dozimetrie live, ceea ce pur și simplu nu este posibil cu tehnologia actuală.”

Greu heteroatomi

Pentru a fabrica noul material absorbant de raze X, cercetătorii au modificat lanțul polimeric al unui semiconductor organic cu heteroatomi de seleniu cu Z mare pentru a crea un polimer de tip p, P3HSe, și l-au amestecat cu un derivat de fuleren de tip n, PC.₇₀BM. Ei au creat detectorul de raze X pe un substrat de sticlă folosind un strat absorbant de 55 µm grosime.

Nanayakkara și colegii săi au evaluat caracteristicile de răspuns ale noului detector, comparând performanța acestuia cu cea a precedentului lor. detector de raze X curbat candidat, realizată folosind nanoparticule de oxid de bismut integrate într-o heterojoncție organică în vrac (NP-BHJ).

Ei au măsurat mai întâi curentul de întuneric, care determină limita de detecție a unui detector, raportul semnal-zgomot și intervalul dinamic - parametri cruciali în dozimetrie și imagistica medicală. P3HSe:PC₇₀Detectoarele BM au demonstrat un curent de întuneric ultrascăzut de 0.32 pA/mm² sub o polarizare aplicată de -10 V, cu mult în standardul industrial de 10 pA/mm² și comparabil cu cel al detectorilor NP-BHJ. Cercetătorii subliniază că aceste două detectoare de raze X afișează cei mai mici curenți de întuneric raportați până în prezent dintre toți detectorii organici, hibrizi și perovskiți din literatură.

Pentru a evalua sensibilitatea detectorilor, echipa le-a expus la diverse surse de raze X. Când este expus la radiații cu raze X de 70, 100, 150 și 220 kVp, P3HSe:PC₇₀Detectoarele BM au prezentat sensibilități de 22.6, 540, 600 și 550 nC/Gy/cm², respectiv. Din nou, aceste valori sunt similare cu cele observate de la detectoarele NP-BHJ.

Detectoarele pe bază de heteroatomi au prezentat, de asemenea, o liniaritate excelentă a dozei și a ratei dozei, precum și o reproductibilitate ridicată la expunerea repetată la raze X. Cercetătorii notează că „în ciuda grosimii relativ scăzute a acestor absorbante, P3HSe:PC₇₀Detectoarele BM și NP-BHJ prezintă o performanță satisfăcătoare în comparație cu tehnologiile de detectare mai consacrate, de ultimă generație”.

Noile detectoare au prezentat, de asemenea, stabilitate pe termen lung. După 12 luni de depozitare în azot în întuneric, acestea au arătat o ușoară creștere a curentului de întuneric (deși rămânând în limitele standardelor industriale) și nicio variație vizibilă a răspunsului fotocurentului cu raze X. Expunerile repetate la raze X la o doză cumulată de 100 Gy nu au degradat performanța detectorului.

Crearea curbelor

Apoi, cercetătorii au folosit noul material pentru a fabrica detectoare de raze X curbate. Ca P3HSe:PC₇₀Filmele BM au prezentat rigiditate și duritate similare cu filmele NP-BHJ, ele au folosit aceleași filme de poliimidă de 75 µm grosime utilizate anterior cu sistemul NP-BHJ ca substraturi flexibile.

Pentru a evalua răspunsul în timp ce era deformat, echipa a expus P3HSe:PC₇₀Detectoare BM cu raze de curbură de la 11.5 până la 2 mm până la 40 kVp cu raze X. La o rază de îndoire de 11.5 mm, detectoarele aveau o sensibilitate de 0.1 µC/Gy/cm² și un curent de întuneric de până la 0.03 pA/mm² când sunt polarizate la -10 V. Până la o rază de prag de 3.5 mm, detectoarele nu au afișat o modificare semnificativă a sensibilității, dar dincolo de această limită, fotocurentul a scăzut considerabil față de sensibilitatea în stare impecabilă.

Examinarea performanței înainte, în timpul și după îndoirea detectorului la o rază de 2 mm a arătat că sensibilitatea acestuia a scăzut cu aproximativ 20% în timpul îndoirii, apoi a revenit la aproape valoarea sa inițială după relaxare.

În cele din urmă, cercetătorii au evaluat robustețea mecanică a dispozitivului. După 100 de cicluri de îndoire până la o rază de 2 mm, detectoarele curbate nu au prezentat semne de defecțiune mecanică și o variație de sensibilitate mai mică de 1.2%. Echipa concluzionează că încorporarea heteroatomului oferă o strategie de succes pentru crearea de detectoare de raze X de înaltă performanță bazate pe semiconductori organici.

Ar putea detectoarele cu raze X curbate să anunțe următoarea evoluție în imagistica medicală?

„Acesta este o altă cale de a realiza detectoare flexibile de raze X, care să rămână ferm doar cu materiale organice”, Ravi Silva, spune directorul Institutului de Tehnologie Avansată Lumea fizicii. „Ambele sisteme prezintă detectoare de raze X cu sensibilitate mare în bandă largă și răspuns la curent întunecat ultrascăzut. Acest sistem bazat doar pe semiconductori organici păstrează pe deplin echivalența țesuturilor și va oferi o cartografiere foarte precisă a semnalului de raze X, care poate să nu necesite post-procesare, astfel încât poate fi utilizat cu AI pentru detectarea precoce a tumorilor.”

Silva adaugă că această nouă tehnologie ar putea fi utilizată într-o varietate de setări, inclusiv radioterapie, scanarea artefactelor istorice și în scanere de securitate. „Universitatea din Surrey, împreună cu activitatea sa SilverRay, continuă să conducă la detectoarele flexibile de raze X – suntem încântați să vedem că tehnologia arată o promisiune reală pentru o gamă largă de utilizări”, spune el. „Mamografia și terapiile în timp real, inclusiv intervenția chirurgicală, vor fi, de asemenea, posibile. SilverRay se uită la unele dintre aceste posibilități în timp ce vorbim.”

Detectorul flexibil de raze X organice este descris în Știință avansată.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/