Гибкие рентгеновские детекторы для медицинской визуализации и лучевой терапии

Детекторы рентгеновского излучения играют ключевую роль в широком спектре медицинских применений, включая диагностическую визуализацию, дозиметрию лучевой терапии и индивидуальную радиационную защиту. Многие из этих приложений требуют детекторов большой площади, которые могут гибко адаптироваться к изогнутым поверхностям. Но большинство коммерческих детекторов рентгеновского излучения являются жесткими, энергоемкими и дорогими для изготовления на больших площадях.

Одной из альтернатив являются органические полупроводники, которые можно использовать для создания оптоэлектронных устройств большой площади с помощью экологически чистых и недорогих технологий производства. Однако органические материалы обладают низким ослаблением рентгеновских лучей, что приводит к низкой чувствительности детекторов. Команда, возглавляемая Университетом Суррея Институт передовых технологий призван решить эту проблему. Добавляя небольшое количество элементов с высоким атомным числом в органический полупроводник, исследователи создали органические детекторы рентгеновского излучения с высокой чувствительностью и высокой гибкостью.

«Этот новый материал гибкий, недорогой и чувствительный. Но что интересно, так это то, что этот материал эквивалентен тканям», — объясняет первый автор. Прабодхи Нанаяккара в заявлении для прессы. «Это открывает путь к дозиметрии в реальном времени, что просто невозможно при нынешних технологиях».

Тяжелый гетероатомы

Чтобы изготовить новый материал, поглощающий рентгеновские лучи, исследователи модифицировали полимерную цепь органического полупроводника с гетероатомами селена с высоким Z, чтобы создать полимер p-типа, P3HSe, и смешали его с производным фуллерена n-типа, PC.₇₀БМ. Они создали детектор рентгеновского излучения на стеклянной подложке с использованием поглотительного слоя толщиной 55 мкм.

Нанаяккара и его коллеги оценили характеристики отклика нового детектора, сравнив его характеристики с показателями их предыдущего детектора. кандидат на изогнутый рентгеновский детектор, изготовленный с использованием наночастиц оксида висмута, интегрированных в объемный органический гетеропереход (NP-BHJ).

Сначала они измерили темновой ток, который определяет предел обнаружения детектора, соотношение сигнал/шум и динамический диапазон – важнейшие параметры в дозиметрии и медицинской визуализации. P3HSe:ПК₇₀Детекторы БМ продемонстрировали сверхнизкий темновой ток 0.32 пА/мм.² при приложенном смещении -10 В, что вполне соответствует промышленному стандарту 10 пА/мм.² и сопоставим с детекторами NP-BHJ. Исследователи отмечают, что эти два рентгеновских детектора демонстрируют самые низкие темновые токи, о которых сообщалось на сегодняшний день, среди всех органических, гибридных и перовскитовых детекторов, описанных в литературе.

Чтобы оценить чувствительность детекторов, команда подвергла их воздействию различных источников рентгеновского излучения. При воздействии рентгеновского излучения с напряжением 70, 100, 150 и 220 кВ P3HSe:PC₇₀Детекторы BM показали чувствительность 22.6, 540, 600 и 550 нКл/Гр/см.², соответственно. Опять же, эти значения аналогичны тем, которые наблюдались с помощью детекторов NP-BHJ.

Детекторы на основе гетероатомов также продемонстрировали превосходную линейность дозы и мощности дозы, а также высокую воспроизводимость при многократном рентгеновском воздействии. Исследователи отмечают, что «несмотря на относительно небольшую толщину этих поглотителей, P3HSe:PC₇₀Детекторы BM и NP-BHJ демонстрируют удовлетворительные характеристики по сравнению с более признанными и современными детекторными технологиями».

Новые детекторы также продемонстрировали долговременную стабильность. После 12 месяцев хранения в азоте в темноте они показали небольшое увеличение темнового тока (хотя и в пределах промышленных стандартов) и отсутствие заметных изменений в реакции рентгеновского фототока. Повторное рентгеновское облучение в кумулятивной дозе 100 Гр не ухудшило работу детектора.

Создание кривых

Затем исследователи использовали новый материал для изготовления изогнутых детекторов рентгеновского излучения. Как P3HSe:ПК₇₀Пленки BM демонстрировали аналогичную жесткость и твердость, что и пленки NP-BHJ. В качестве гибких подложек в них использовались те же полиимидные пленки толщиной 75 мкм, которые ранее использовались в системе NP-BHJ.

Чтобы оценить реакцию во время деформации, команда подвергла воздействию P3HSe:PC.₇₀Детекторы БМ с радиусами изгиба от 11.5 до 2 мм для рентгеновского излучения 40 кВпик. При радиусе изгиба 11.5 мм чувствительность детекторов составляла 0.1 мкКл/Гр/см.² и темновой ток всего 0.03 пА/мм.² при смещении -10 В. До порогового радиуса 3.5 мм детекторы не показали значительного изменения чувствительности, но за пределами этого предела фототок значительно снижался по сравнению с чувствительностью в первозданном состоянии.

Проверка работы до, во время и после изгиба детектора на радиус 2 мм показала, что его чувствительность снизилась примерно на 20% во время изгиба, а затем после релаксации восстановилась почти до исходного значения.

Наконец, исследователи оценили механическую надежность устройства. После 100 циклов изгиба до радиуса 2 мм изогнутые детекторы не выявили признаков механического повреждения и отклонение чувствительности составило менее 1.2%. Команда приходит к выводу, что внедрение гетероатомов обеспечивает успешную стратегию создания высокопроизводительных детекторов рентгеновского излучения на основе органических полупроводников.

Могут ли изогнутые рентгеновские детекторы ознаменовать следующую эволюцию в медицинской визуализации?

«Это еще один путь к созданию гибких детекторов рентгеновского излучения, основанных только на органических материалах», Рави Силва, рассказывает директор Института перспективных технологий Мир физики. «Обе системы представляют собой детекторы рентгеновского излучения с широкополосной высокой чувствительностью и сверхнизким темновым током. Эта система, основанная только на органических полупроводниках, полностью сохраняет тканевую эквивалентность и обеспечит высокоточное картирование рентгеновского сигнала, который, возможно, не потребует последующей обработки, поэтому его можно будет использовать с искусственным интеллектом для раннего обнаружения опухолей».

Сильва добавляет, что эту новую технологию можно использовать в различных целях, включая лучевую терапию, сканирование исторических артефактов и сканеры безопасности. «Университет Суррея и его отделение СильверРей, продолжает лидировать в области гибких детекторов рентгеновского излучения – мы рады видеть, что эта технология действительно перспективна для широкого спектра применений», – говорит он. «Маммография и терапия в реальном времени, включая хирургическое вмешательство, также станут возможными. Пока мы говорим, SilverRay рассматривает некоторые из этих возможностей».

Гибкий органический детектор рентгеновского излучения описан в Передовая наука.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/