Prilagodljivi detektorji rentgenskih žarkov so v vrsti za medicinsko slikanje in radioterapijo – Physics World

Rentgenski detektorji igrajo ključno vlogo v številnih medicinskih aplikacijah, vključno z diagnostičnim slikanjem, dozimetrijo radioterapije in osebno zaščito pred sevanjem. Mnoge od teh aplikacij zahtevajo detektorje velikih površin, ki se lahko prilagodljivo prilagodijo ukrivljenim površinam. Toda večina komercialnih detektorjev rentgenskih žarkov je togih, požrešnih in dragih za izdelavo na velikih površinah.

Ena od možnosti so organski polprevodniki, ki jih je mogoče uporabiti za ustvarjanje optoelektronskih naprav z velikimi površinami z okolju prijaznimi in poceni proizvodnimi tehnikami. Organski materiali pa kažejo nizko slabljenje rentgenskih žarkov, kar ima za posledico detektorje z nizko občutljivostjo. Ekipa se je odpravila na Univerzo v Surreyju Inštitut za napredno tehnologijo želi rešiti ta problem. Z dodajanjem majhnih količin elementov z visokim Z v organski polprevodnik so raziskovalci ustvarili organske detektorje rentgenskih žarkov z visoko občutljivostjo in visoko prilagodljivostjo.

»Ta novi material je prilagodljiv, poceni in občutljiv. Toda vznemirljivo je, da je ta material enakovreden tkivu,« pojasnjuje prvi avtor Prabodhi Nanayakkara v izjavi za javnost. "To utira pot dozimetriji v živo, kar s trenutno tehnologijo preprosto ni mogoče."

Heavy heteroatomi

Za izdelavo novega materiala za absorber rentgenskih žarkov so raziskovalci modificirali polimerno verigo organskega polprevodnika s heteroatomi selena z visokim Z, da so ustvarili polimer tipa p, P3HSe, in ga zmešali z derivatom fulerena tipa n, PC₇₀BM. Ustvarili so detektor rentgenskih žarkov na stekleni podlagi z uporabo 55 µm debele absorberske plasti.

Nanayakkara in sodelavci so ovrednotili značilnosti odziva novega detektorja in primerjali njegovo delovanje s prejšnjim. kandidat za detektor ukrivljenih rentgenskih žarkov, narejeno z uporabo nanodelcev bizmutovega oksida, integriranih v organsko razsuto heterospojnico (NP-BHJ).

Najprej so izmerili temni tok, ki določa mejo zaznave detektorja, razmerje med signalom in šumom ter dinamični razpon – ključne parametre v dozimetriji in medicinskem slikanju. P3HSe:PC₇₀Detektorji BM so pokazali ultra nizek temni tok 0.32 pA/mm² pod uporabljeno prednapetostjo −10 V, kar je znotraj industrijskega standarda 10 pA/mm² in primerljiv z detektorji NP-BHJ. Raziskovalci poudarjajo, da ta dva detektorja rentgenskih žarkov prikazujeta najnižje temne tokove, o katerih so poročali do danes, od vseh organskih, hibridnih in perovskitnih detektorjev v literaturi.

Da bi ocenili občutljivost detektorjev, jih je ekipa izpostavila različnim virom rentgenskih žarkov. Ko je izpostavljen rentgenskemu sevanju 70, 100, 150 in 220 kVp, P3HSe:PC₇₀Detektorji BM so pokazali občutljivost 22.6, 540, 600 in 550 nC/Gy/cm², oz. Ponovno so te vrednosti podobne tistim, opaženim iz detektorjev NP-BHJ.

Detektorji na osnovi heteroatomov so pokazali tudi odlično linearnost odmerka in hitrosti odmerka ter visoko ponovljivost pri ponavljajoči se izpostavljenosti rentgenskim žarkom. Raziskovalci ugotavljajo, da »kljub razmeroma nizki debelini teh absorberjev P3HSe:PC₇₀Detektorji BM in NP-BHJ kažejo zadovoljivo zmogljivost v primerjavi z bolj uveljavljenimi, najsodobnejšimi detektorskimi tehnologijami.

Novi detektorji so pokazali tudi dolgoročno stabilnost. Po 12-mesečnem shranjevanju v dušiku v temi so pokazali rahlo povečanje temnega toka (čeprav je ostal v okviru industrijskih standardov) in nobene opazne spremembe v odzivu rentgenskega fototoka. Ponavljajoče se izpostavljanje rentgenskim žarkom kumulativnemu odmerku 100 Gy ni poslabšalo učinkovitosti detektorja.

Ustvarjanje krivulj

Nato so raziskovalci uporabili nov material za izdelavo ukrivljenih detektorjev rentgenskih žarkov. Kot P3HSe:PC₇₀Filmi BM so pokazali podobno togost in trdoto kot filmi NP-BHJ, uporabili so iste poliimidne filme debeline 75 µm, ki so bili prej uporabljeni s sistemom NP-BHJ kot fleksibilne podlage.

Za oceno odziva med deformacijo je ekipa izpostavila P3HSe:PC₇₀BM detektorji z upogibnimi radiji od 11.5 do 2 mm do 40 kVp rentgenskih žarkov. Pri upogibnem polmeru 11.5 mm so imeli detektorji občutljivost 0.1 µC/Gy/cm² in temni tok le 0.03 pA/mm² pri prednapetosti pri −10 V. Do polmera praga 3.5 mm detektorji niso pokazali bistvene spremembe občutljivosti, toda nad to mejo se je fototok znatno zmanjšal glede na občutljivost v neokrnjenem stanju.

Preučevanje delovanja pred, med in po upogibanju detektorja na polmer 2 mm je razkrilo, da se je njegova občutljivost med upogibanjem zmanjšala za približno 20 %, nato pa se je po sprostitvi povrnila skoraj na prvotno vrednost.

Nazadnje so raziskovalci ocenili mehansko robustnost naprave. Po 100 ciklih upogibanja do polmera 2 mm ukrivljeni detektorji niso pokazali nobenih znakov mehanske okvare in manj kot 1.2-odstotno variacijo občutljivosti. Ekipa zaključuje, da vključitev heteroatomov zagotavlja uspešno strategijo za ustvarjanje visoko zmogljivih rentgenskih detektorjev na osnovi organskih polprevodnikov.

Bi lahko ukrivljeni detektorji rentgenskih žarkov napovedali naslednji razvoj medicinskega slikanja?

"To je še ena pot do izdelave prilagodljivih detektorjev rentgenskih žarkov, ki ostanejo trdno samo z organskimi materiali," Ravi Silva, direktor Inštituta za napredne tehnologije, pravi Svet fizike. »Oba sistema prikazujeta detektorja rentgenskih žarkov s širokopasovno visoko občutljivostjo in ultra nizkim odzivom temnega toka. Ta sistem, ki temelji samo na organskih polprevodnikih, v celoti ohranja enakovrednost tkiv in bo dal zelo natančno preslikavo rentgenskega signala, ki morda ne bo potreboval naknadne obdelave, zato se lahko uporablja z AI za zgodnje odkrivanje tumorjev.«

Silva dodaja, da bi to novo tehnologijo lahko uporabili v različnih okoljih, vključno z radioterapijo, skeniranjem zgodovinskih artefaktov in v varnostnih skenerjih. »Univerza v Surreyu, skupaj z njenim izstopom SilverRay, še naprej vodi na področju prilagodljivih detektorjev rentgenskih žarkov – veseli nas, da tehnologija resnično obeta za vrsto uporab,« pravi. »Možna bo tudi mamografija in terapevtika v realnem času, vključno s kirurgijo. SilverRay med pogovorom preučuje nekatere od teh možnosti.«

Fleksibilni organski rentgenski detektor je opisan v Napredna znanost.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/