Flexibla röntgendetektorer ställer upp för medicinsk bildbehandling och strålbehandling – Physics World

Röntgendetektorer spelar en nyckelroll i ett brett spektrum av medicinska tillämpningar, inklusive bilddiagnostik, strålbehandlingsdosimetri och personligt strålskydd. Många av dessa applikationer kräver storarea detektorer som flexibelt kan anpassa sig till krökta ytor. Men de flesta kommersiella röntgendetektorer är styva, kraftkrävande och dyra att tillverka till stora ytor.

Ett alternativ är organiska halvledare, som kan användas för att skapa optoelektroniska enheter med stor yta via miljövänliga och billiga tillverkningstekniker. Organiska material uppvisar dock låg röntgendämpning, vilket resulterar i detektorer med låg känslighet. Ett team ledde upp vid University of Surrey's Advanced Technology Institute syftar till att lösa detta problem. Genom att lägga till små mängder hög-Z-element till en organisk halvledare skapade forskarna organiska röntgendetektorer med hög känslighet och hög flexibilitet.

"Det här nya materialet är flexibelt, billigt och känsligt. Men det som är spännande är att det här materialet är vävnadsekvivalent”, förklarar första författaren Prabodhi Nanayakkara i ett pressmeddelande. "Detta banar väg för levande dosimetri, vilket helt enkelt inte är möjligt med nuvarande teknik."

Tung heteroatomer

För att tillverka det nya röntgenabsorberande materialet modifierade forskarna polymerkedjan i en organisk halvledare med hög-Z selen heteroatomer för att skapa en p-typ polymer, P3HSe, och blandade detta med ett n-typ fullerenderivat, PC₇₀BM. De skapade röntgendetektorn på ett glassubstrat med ett 55 µm tjockt absorberande lager.

Nanayakkara och kollegor utvärderade svarsegenskaperna för den nya detektorn och jämförde dess prestanda med den för deras tidigare böjd röntgendetektorkandidat, gjord med hjälp av nanopartiklar av vismutoxid integrerade i en organisk bulk heterojunction (NP-BHJ).

De mätte först den mörka strömmen, som bestämmer en detektors detektionsgräns, signal-brusförhållande och dynamiskt omfång - avgörande parametrar inom dosimetri och medicinsk bildbehandling. P3HSe:PC₇₀BM-detektorer visade en ultralåg mörkström på 0.32 pA/mm² under en applicerad förspänning på -10 V, väl inom industristandarden på 10 pA/mm² och jämförbar med NP-BHJ-detektorerna. Forskarna påpekar att dessa två röntgendetektorer visar de lägsta mörka strömmar som hittills rapporterats av alla organiska, hybrid- och perovskitdetektorer i litteraturen.

För att utvärdera detektorernas känslighet exponerade teamet dem för olika röntgenkällor. När P70HSe:PC exponeras för 100, 150, 220 och 3 kVp röntgenstrålning₇₀BM-detektorer uppvisade känsligheter på 22.6, 540, 600 och 550 nC/Gy/cm², respektive. Återigen liknar dessa värden de som observerats från NP-BHJ-detektorerna.

De heteroatombaserade detektorerna visade också utmärkt dos- och doshastighetslinjäritet, såväl som hög reproducerbarhet under upprepad röntgenexponering. Forskarna noterar att "trots den relativt låga tjockleken på dessa absorbatorer, P3HSe:PC₇₀BM- och NP-BHJ-detektorer uppvisar en tillfredsställande prestanda jämfört med mer etablerade, toppmoderna detektorteknologier”.

De nya detektorerna uppvisade också långsiktig stabilitet. Efter 12 månaders lagring i kväve i mörker visade de en liten ökning av mörkström (även om de låg inom industriella standarder) och ingen märkbar variation i röntgenfotoströmsrespons. Upprepade röntgenexponeringar för en kumulativ dos på 100 Gy försämrade inte detektorns prestanda.

Skapar kurvorna

Därefter använde forskarna det nya materialet för att tillverka böjda röntgendetektorer. Som P3HSe:PC₇₀BM-filmer uppvisade liknande styvhet och hårdhet som NP-BHJ-filmer, de använde samma 75 µm tjocka polyimidfilmer som tidigare använts med NP-BHJ-systemet som flexibla substrat.

För att bedöma svaret medan de var deformerat, exponerade teamet P3HSe:PC₇₀BM-detektorer med böjningsradier från 11.5 till 2 mm till 40 kVp röntgenstrålar. Vid en böjningsradie på 11.5 mm hade detektorerna en känslighet på 0.1 µC/Gy/cm² och en mörkström så låg som 0.03 pA/mm² vid förspänning vid -10 V. Upp till en tröskelradie på 3.5 mm visade detektorerna ingen signifikant förändring i känslighet, men bortom denna gräns minskade fotoströmmen avsevärt från känsligheten i orörda tillstånd.

En undersökning av prestandan före, under och efter böjning av detektorn till en radie av 2 mm visade att dess känslighet minskade med cirka 20 % under böjning, för att sedan återhämta sig till nära sitt initiala värde efter relaxation.

Slutligen bedömde forskarna enhetens mekaniska robusthet. Efter 100 böjcykler ner till en radie på 2 mm visade de böjda detektorerna inga tecken på mekaniskt fel och mindre än 1.2 % variation i känslighet. Teamet drar slutsatsen att inkorporering av heteroatomer ger en framgångsrik strategi för att skapa högpresterande röntgendetektorer baserade på organiska halvledare.

Kan böjda röntgendetektorer förebåda nästa utveckling inom medicinsk bildbehandling?

"Detta är en annan väg för att göra flexibla röntgendetektorer, som bara håller sig stadigt med organiskt material," Ravi Silva, berättar chef för Högteknologiska Institutet Fysikvärlden. "Båda systemen visar röntgendetektorer med hög bredbandskänslighet och ultralågt mörkströmssvar. Detta system baserat enbart på organiska halvledare bevarar vävnadsekvivalensen helt och ger en mycket exakt kartläggning av röntgensignalen, som kanske inte behöver efterbearbetas så kan användas med AI för tidig upptäckt av tumörer."

Silva tillägger att denna nya teknik kan användas i en mängd olika miljöer, inklusive strålbehandling, skanning av historiska artefakter och i säkerhetsskannrar. "Universitetet i Surrey, tillsammans med dess spin out SilverRay, fortsätter att vara ledande inom flexibla röntgendetektorer – vi är glada över att se att tekniken visar ett verkligt löfte för en rad användningsområden, säger han. "Mammografi och realtidsterapi inklusive kirurgi kommer också att vara möjligt. SilverRay tittar på några av dessa möjligheter medan vi pratar.”

Den flexibla organiska röntgendetektorn beskrivs i Avancerad vetenskap.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/