Гнучкі рентгенівські детектори для медичної візуалізації та радіотерапії – Physics World

Детектори рентгенівського випромінювання відіграють ключову роль у широкому спектрі медичних застосувань, включаючи діагностичну візуалізацію, дозиметрію променевої терапії та особистий радіаційний захист. Багато з цих застосувань вимагають детекторів великої площі, які можуть гнучко адаптуватися до вигнутих поверхонь. Але більшість комерційних рентгенівських детекторів є жорсткими, енергоємними та дорогими для виготовлення на великих площах.

Однією з альтернатив є органічні напівпровідники, які можна використовувати для створення оптоелектронних пристроїв великої площі за допомогою екологічно чистих і недорогих технологій виробництва. Органічні матеріали, однак, демонструють низьке ослаблення рентгенівського випромінювання, що призводить до детекторів із низькою чутливістю. Команда очолювала Університет Суррея Інститут передових технологій має на меті вирішити цю проблему. Додавши невелику кількість елементів з високим Z до органічного напівпровідника, дослідники створили органічні детектори рентгенівського випромінювання з високою чутливістю та високою гнучкістю.

«Цей новий матеріал гнучкий, недорогий і чутливий. Але що цікаво, так це те, що цей матеріал є тканинним еквівалентом», — пояснює перший автор Прабодхі Нанаяккара у заяві для преси. «Це відкриває шлях до живої дозиметрії, яка просто неможлива за допомогою сучасних технологій».

важкий гетероатоми

Щоб виготовити новий матеріал поглинача рентгенівського випромінювання, дослідники модифікували полімерний ланцюг органічного напівпровідника гетероатомами селену з високим Z для створення полімеру p-типу, P3HSe, і змішали його з похідною фулерену n-типу, PC.₇₀BM. Вони створили рентгенівський детектор на скляній підкладці з використанням поглинаючого шару товщиною 55 мкм.

Нанаяккара та його колеги оцінили характеристики відгуку нового детектора, порівнюючи його продуктивність з характеристиками попереднього детектора. кандидат на вигнутий рентгенівський детектор, виготовлений з використанням наночастинок оксиду вісмуту, інтегрованих в органічний об’ємний гетероперехід (NP-BHJ).

Вони вперше виміряли темновий струм, який визначає межу виявлення детектора, співвідношення сигнал/шум і динамічний діапазон – найважливіші параметри в дозиметрії та медичній візуалізації. P3HSe:ПК₇₀Детектори БМ продемонстрували наднизький темновий струм 0.32 пА/мм² при прикладеному зміщенні −10 В, що знаходиться в межах промислового стандарту 10 пА/мм² і порівнянний з детекторами NP-BHJ. Дослідники зазначають, що ці два детектори рентгенівського випромінювання демонструють найнижчі темнові струми, зареєстровані на сьогоднішній день серед усіх органічних, гібридних і перовскітних детекторів в літературі.

Щоб оцінити чутливість детекторів, команда піддала їх впливу різних джерел рентгенівського випромінювання. Під впливом рентгенівського випромінювання 70, 100, 150 і 220 кВп P3HSe:PC₇₀Детектори BM показали чутливість 22.6, 540, 600 і 550 нКл/Гр/см², відповідно. Знову ж таки, ці значення подібні до тих, що спостерігаються з детекторів NP-BHJ.

Детектори на основі гетероатомів також показали чудову лінійність дози та потужності дози, а також високу відтворюваність під час повторного рентгенівського опромінення. Дослідники відзначають, що «незважаючи на відносно невелику товщину цих поглиначів, P3HSe:PC₇₀Детектори BM і NP-BHJ демонструють задовільну продуктивність порівняно з більш усталеними, найсучаснішими технологіями детекторів».

Нові детектори також показали тривалу стабільність. Після 12 місяців зберігання в азоті в темряві, вони показали невелике збільшення темнового струму (хоча залишався в межах промислових стандартів) і не було помітних змін у відгуку рентгенівського фотоструму. Повторне рентгенівське опромінення кумулятивною дозою 100 Гр не погіршувало продуктивність детектора.

Створення кривих

Потім дослідники використали новий матеріал для виготовлення вигнутих рентгенівських детекторів. Як P3HSe:PC₇₀Плівки BM показали подібну жорсткість і твердість до плівок NP-BHJ, вони використовували ті самі поліімідні плівки товщиною 75 мкм, які раніше використовувалися в системі NP-BHJ як гнучкі підкладки.

Щоб оцінити реакцію під час деформації, команда піддала P3HSe:PC₇₀Детектори БМ з радіусами вигину від 11.5 до 2 мм до рентгенівського випромінювання 40 кВп. При радіусі вигину 11.5 мм детектори мали чутливість 0.1 мкКл/Гр/см.² і темновий струм до 0.03 пА/мм² при зміщенні при −10 В. До порогового радіуса 3.5 мм детектори не відображали суттєвих змін у чутливості, але за цією межею фотострум значно зменшувався порівняно з чутливістю в первісному стані.

Вивчення продуктивності до, під час і після згинання детектора радіусом 2 мм показало, що його чутливість зменшилася приблизно на 20% під час згинання, а потім відновилася майже до початкового значення після релаксації.

Нарешті, дослідники оцінили механічну міцність пристрою. Після 100 циклів згинання до радіуса 2 мм вигнуті детектори не показали жодних ознак механічної несправності та зміни чутливості менше ніж на 1.2%. Команда прийшла до висновку, що включення гетероатомів забезпечує успішну стратегію для створення високоефективних рентгенівських детекторів на основі органічних напівпровідників.

Чи можуть вигнуті рентгенівські детектори передвіщати наступну еволюцію медичної візуалізації?

«Це ще один шлях до створення гнучких детекторів рентгенівського випромінювання, міцно тримаючись лише з органічних матеріалів», Раві Сільва, директор Інституту передових технологій Світ фізики. «Обидві системи демонструють детектори рентгенівського випромінювання з широкосмуговою високою чутливістю та наднизьким відгуком на темновий струм. Ця система, заснована лише на органічних напівпровідниках, повністю зберігає еквівалентність тканин і забезпечить високоточне відображення рентгенівського сигналу, який може не потребувати постобробки, тому його можна використовувати з ШІ для раннього виявлення пухлин».

Сілва додає, що цю нову технологію можна використовувати в різних ситуаціях, включаючи променеву терапію, сканування історичних артефактів і сканери безпеки. «Університет Суррея разом із його відділенням SilverRay, продовжує лідирувати в гнучких рентгенівських детекторах – ми раді бачити, що технологія демонструє реальні перспективи для цілого ряду застосувань», – каже він. «Також будуть можливі мамографія та терапія в режимі реального часу, включаючи хірургічне втручання. SilverRay розглядає деякі з цих можливостей, поки ми розмовляємо».

Гнучкий органічний рентгенівський детектор описано в Передові науки.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/