เครื่องตรวจเอ็กซ์เรย์แบบยืดหยุ่นเหมาะสำหรับการถ่ายภาพทางการแพทย์และการฉายรังสีบำบัด – Physics World

เครื่องตรวจเอ็กซ์เรย์มีบทบาทสำคัญในการใช้งานทางการแพทย์ที่หลากหลาย รวมถึงการถ่ายภาพเพื่อการวินิจฉัย การวัดปริมาณรังสีบำบัด และการป้องกันรังสีส่วนบุคคล การใช้งานหลายอย่างเหล่านี้ต้องการเครื่องตรวจจับพื้นที่ขนาดใหญ่ที่สามารถปรับให้เข้ากับพื้นผิวโค้งได้อย่างยืดหยุ่น แต่เครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่มีความแข็ง ใช้พลังงานมาก และมีราคาแพงในการสร้างเป็นพื้นที่ขนาดใหญ่

ทางเลือกหนึ่งคือสารกึ่งตัวนำอินทรีย์ ซึ่งสามารถใช้เพื่อสร้างอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในพื้นที่ขนาดใหญ่ผ่านเทคนิคการผลิตที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม วัสดุอินทรีย์มีการลดทอนรังสีเอกซ์ต่ำ ส่งผลให้เครื่องตรวจจับมีความไวต่ำ ทีมงานมุ่งหน้าไปที่มหาวิทยาลัยเซอร์เรย์ สถาบันเทคโนโลยีขั้นสูง มีจุดมุ่งหมายเพื่อแก้ไขปัญหานี้ นักวิจัยได้สร้างเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์อินทรีย์ที่มีความไวและความยืดหยุ่นสูงโดยการเพิ่มองค์ประกอบ Z สูงจำนวนเล็กน้อยลงในเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์

“วัสดุใหม่นี้มีความยืดหยุ่น ต้นทุนต่ำ และละเอียดอ่อน แต่สิ่งที่น่าตื่นเต้นก็คือวัสดุนี้เทียบเท่ากับเนื้อเยื่อ” ผู้เขียนคนแรกอธิบาย พระโพธิ นานายัคร ในแถลงการณ์ “นี่เป็นการปูทางไปสู่การวัดปริมาณรังสีแบบสด ซึ่งไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน”

หนัก เฮเทอโรอะตอม

เพื่อสร้างวัสดุดูดซับรังสีเอกซ์ใหม่ นักวิจัยได้ปรับเปลี่ยนสายโซ่โพลีเมอร์ของเซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์ที่มีเฮเทอโรอะตอมซีลีเนียม Z สูงเพื่อสร้างโพลีเมอร์ชนิด p หรือ P3HSe และผสมกับอนุพันธ์ฟูลเลอรีนชนิด n นั่นคือ PC₇₀บีเอ็ม. พวกเขาสร้างเครื่องตรวจจับเอ็กซ์เรย์บนพื้นผิวแก้วโดยใช้ชั้นตัวดูดซับหนา 55 µm

Nanayakkara และเพื่อนร่วมงานประเมินคุณลักษณะการตอบสนองของเครื่องตรวจจับใหม่ โดยเปรียบเทียบประสิทธิภาพกับคุณลักษณะก่อนหน้า ตัวเลือกเครื่องตรวจจับเอ็กซ์เรย์แบบโค้งสร้างขึ้นโดยใช้อนุภาคนาโนบิสมัทออกไซด์ที่รวมอยู่ในการแยกสารอินทรีย์จำนวนมาก (NP-BHJ)

ขั้นแรกพวกเขาวัดกระแสมืด ซึ่งกำหนดขีดจำกัดของการตรวจจับ อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวน และช่วงไดนามิกของเครื่องตรวจจับ ซึ่งเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญในการวัดปริมาณรังสีและการถ่ายภาพทางการแพทย์ P3HSe:พีซี₇₀เครื่องตรวจจับ BM แสดงให้เห็นกระแสมืดต่ำพิเศษที่ 0.32 pA/มม² ภายใต้อคติประยุกต์ที่ −10 V ซึ่งอยู่ภายในมาตรฐานอุตสาหกรรมที่ 10 pA/มม² และเทียบได้กับเครื่องตรวจจับ NP-BHJ นักวิจัยชี้ให้เห็นว่าเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์ทั้งสองเครื่องนี้แสดงกระแสมืดต่ำสุดที่รายงานจนถึงปัจจุบันของเครื่องตรวจจับอินทรีย์ ไฮบริด และเพอร์รอฟสไกต์ทั้งหมดในงานวิจัยนี้

เพื่อประเมินความไวของเครื่องตรวจจับ ทีมงานได้เปิดเผยอุปกรณ์เหล่านี้ไปยังแหล่งกำเนิดรังสีเอกซ์ต่างๆ เมื่อสัมผัสกับรังสีเอกซ์ 70, 100, 150 และ 220 kVp P3HSe:PC₇₀เครื่องตรวจจับ BM มีความไว 22.6, 540, 600 และ 550 nC/Gy/cm²ตามลำดับ ขอย้ำอีกครั้งว่าค่าเหล่านี้คล้ายคลึงกับค่าที่สังเกตจากเครื่องตรวจจับ NP-BHJ

อุปกรณ์ตรวจวัดที่ใช้เฮเทอโรอะตอมยังแสดงปริมาณรังสีที่เป็นเส้นตรงและอัตราปริมาณรังสีที่ดีเยี่ยม ตลอดจนความสามารถในการทำซ้ำสูงภายใต้การสัมผัสกับรังสีเอกซ์ซ้ำๆ นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่า “แม้ว่าตัวดูดซับเหล่านี้จะมีความหนาค่อนข้างต่ำ แต่ P3HSe:PC₇₀เครื่องตรวจจับ BM และ NP-BHJ แสดงประสิทธิภาพที่น่าพอใจเมื่อเปรียบเทียบกับเทคโนโลยีเครื่องตรวจจับที่ล้ำสมัยและเป็นที่ยอมรับมากกว่า”

เครื่องตรวจจับรุ่นใหม่ยังแสดงความเสถียรในระยะยาวอีกด้วย หลังจากเก็บไนโตรเจนในความมืดเป็นเวลา 12 เดือน พบว่ากระแสมืดเพิ่มขึ้นเล็กน้อย (แม้ว่าจะยังคงอยู่ในมาตรฐานอุตสาหกรรมก็ตาม) และไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่เห็นได้ชัดเจนในการตอบสนองโฟโตปัจจุบันของรังสีเอกซ์ การได้รับรังสีเอกซ์ซ้ำๆ ในปริมาณรังสีสะสม 100 Gy ไม่ได้ทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องตรวจจับลดลง

การสร้างส่วนโค้ง

ต่อไป นักวิจัยใช้วัสดุใหม่นี้เพื่อสร้างเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์แบบโค้ง ในฐานะ P3HSe:PC₇₀ฟิล์ม BM มีความแข็งและความแข็งใกล้เคียงกับฟิล์ม NP-BHJ โดยใช้ฟิล์มโพลีอิไมด์หนา 75 µm แบบเดียวกับที่เคยใช้กับระบบ NP-BHJ เป็นสารตั้งต้นที่ยืดหยุ่น

เพื่อประเมินการตอบสนองขณะมีรูปร่างผิดปกติ ทีมงานได้เปิดเผย P3HSe:PC₇₀เครื่องตรวจจับ BM ที่มีรัศมีการดัดงอตั้งแต่ 11.5 ถึง 2 มม. ถึง 40 kVp รังสีเอกซ์ ที่รัศมีการดัดงอ 11.5 มม. เครื่องตรวจจับมีความไว 0.1 µC/Gy/cm² และกระแสมืดต่ำถึง 0.03 pA/mm² เมื่อเอนเอียงที่ −10 V จนถึงรัศมีเกณฑ์ 3.5 มม. เครื่องตรวจจับไม่ได้แสดงการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในความไว แต่เกินขีดจำกัดนี้ โฟโตปัจจุบันลดลงอย่างมากจากความไวในสภาพดั้งเดิม

การตรวจสอบประสิทธิภาพก่อน ระหว่าง และหลังการดัดงอเครื่องตรวจจับให้มีรัศมี 2 มม. พบว่าความไวลดลงประมาณ 20% ระหว่างการดัดงอ จากนั้นจึงกลับคืนสู่ระดับใกล้ค่าเริ่มต้นหลังจากการคลายตัว

สุดท้ายนี้ นักวิจัยได้ประเมินความทนทานทางกลของอุปกรณ์ หลังจากการดัดงอ 100 รอบจนถึงรัศมี 2 มม. เครื่องตรวจจับแบบโค้งไม่แสดงสัญญาณของความล้มเหลวทางกลไก และความไวการเปลี่ยนแปลงน้อยกว่า 1.2% ทีมงานสรุปว่าการรวมอะตอมเฮเทอโรอะตอมเป็นกลยุทธ์ที่ประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์ประสิทธิภาพสูงโดยใช้เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์

เครื่องตรวจเอกซเรย์แบบโค้งสามารถประกาศวิวัฒนาการครั้งต่อไปในการถ่ายภาพทางการแพทย์ได้หรือไม่

“นี่เป็นอีกเส้นทางหนึ่งในการสร้างเครื่องตรวจจับเอ็กซเรย์ที่ยืดหยุ่น โดยคงไว้อย่างมั่นคงกับวัสดุอินทรีย์เท่านั้น” ราวี ซิลวาผู้อำนวยการสถาบันเทคโนโลยีขั้นสูงกล่าว โลกฟิสิกส์- “ทั้งสองระบบแสดงเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์ที่มีความไวสูงแบบบรอดแบนด์และการตอบสนองของกระแสมืดที่ต่ำมาก ระบบนี้ที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์เพียงอย่างเดียวจะรักษาความเท่าเทียมของเนื้อเยื่อได้อย่างสมบูรณ์ และจะให้การทำแผนที่สัญญาณรังสีเอกซ์ที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งอาจไม่จำเป็นต้องผ่านการประมวลผลภายหลัง ดังนั้นจึงสามารถใช้กับ AI เพื่อตรวจหาเนื้องอกได้ตั้งแต่เนิ่นๆ”

ซิลวาเสริมว่าเทคโนโลยีใหม่นี้สามารถนำไปใช้ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย รวมถึงการฉายรังสี การสแกนวัตถุทางประวัติศาสตร์ และในเครื่องสแกนความปลอดภัย “มหาวิทยาลัยเซอร์เรย์พร้อมทั้งปั่นออกไป ซิลเวอร์เรย์ยังคงเป็นผู้นำในด้านเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์แบบยืดหยุ่น เรายินดีที่ได้เห็นเทคโนโลยีนี้แสดงให้เห็นประสิทธิภาพที่แท้จริงสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย” เขากล่าว “การตรวจแมมโมแกรมและการรักษาแบบเรียลไทม์ รวมถึงการผ่าตัดก็สามารถทำได้เช่นกัน SilverRay กำลังมองหาความเป็นไปได้บางอย่างเหล่านี้ในขณะที่เราพูดคุยกัน”

เครื่องตรวจเอกซเรย์อินทรีย์แบบยืดหยุ่นมีอธิบายไว้ใน วิทยาศาสตร์ขั้นสูง.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/