用于医学成像和放射治疗的灵活 X 射线探测器 – 物理世界

X 射线探测器在诊断成像、放射治疗剂量测定和个人辐射防护等广泛的医疗应用中发挥着关键作用。 其中许多应用需要能够灵活地适应曲面的大面积探测器。 但大多数商用 X 射线探测器都很僵硬、耗电，而且大面积制造的成本很高。

一种替代方案是有机半导体，它可以通过环保、低成本的制造技术来制造大面积光电器件。 然而，有机材料的 X 射线衰减较低，导致探测器灵敏度较低。 由萨里大学领导的团队 先进技术研究所 旨在解决这个问题。 通过在有机半导体中添加少量高Z元素，研究人员创造了具有高灵敏度和高灵活性的有机X射线探测器。

“这种新材料灵活、成本低且敏感。 但令人兴奋的是这种材料是组织等效的，”第一作者解释道 普拉菩提·那亚卡拉 在一份新闻声明中。 “这为实时剂量测定铺平了道路，而这在当前技术下是不可能实现的。”

重 杂原子

为了制造新型 X 射线吸收材料，研究人员用高 Z 硒杂原子修改了有机半导体的聚合物链，以创建 p 型聚合物 P3HSe，并将其与 n 型富勒烯衍生物 PC 混合₇₀BM。 他们使用 55 µm 厚的吸收层在玻璃基板上创建了 X 射线探测器。

Nanayakkara 和同事评估了新探测器的响应特性，将其性能与之前的探测器进行了比较 候选弯曲X射线探测器，使用集成到有机本体异质结（NP-BHJ）中的氧化铋纳米颗粒制成。

他们首先测量了暗电流，它决定了探测器的检测极限、信噪比和动态范围——剂量测定和医学成像中的关键参数。 P3HSe:PC₇₀BM 探测器表现出 0.32 pA/mm 的超低暗电流² 在施加−10 V 偏压下，完全符合 10 pA/mm 的工业标准² 与 NP-BHJ 探测器相当。 研究人员指出，这两种 X 射线探测器显示出迄今为止文献中所有有机、混合和钙钛矿探测器中报道的最低暗电流。

为了评估探测器的灵敏度，研究小组将它们暴露在各种 X 射线源下。 当暴露于 70、100、150 和 220 kVp X 射线辐射时，P3HSe:PC₇₀BM 探测器的灵敏度为 22.6、540、600 和 550 nC/Gy/cm²， 分别。 同样，这些值与从 NP-BHJ 探测器观察到的值相似。

基于杂原子的探测器还表现出出色的剂量和剂量率线性，以及重复 X 射线照射下的高再现性。 研究人员指出，“尽管这些吸收体的厚度相对较低，但 P3HSe:PC₇₀与更成熟、最先进的探测器技术相比，BM 和 NP-BHJ 探测器表现出令人满意的性能。”

新探测器还表现出长期稳定性。 在黑暗中在氮气中储存 12 个月后，它们表现出暗电流略有增加（尽管仍保持在工业标准范围内），并且 X 射线光电流响应没有明显变化。 重复暴露于 100 Gy 累积剂量的 X 射线不会降低探测器性能。

创建曲线

接下来，研究人员使用这种新材料来制造弯曲的 X 射线探测器。 作为 P3HSe:PC₇₀BM 薄膜表现出与 NP-BHJ 薄膜相似的刚度和硬度，它们采用与 NP-BHJ 系统先前使用的相同的 75 µm 厚聚酰亚胺薄膜作为柔性基材。

为了评估变形时的反应，研究小组暴露了 P3HSe:PC₇₀BM 探测器的弯曲半径为 11.5 至 2 mm，可承受 40 kVp X 射线。 弯曲半径为 11.5 mm 时，探测器的灵敏度为 0.1 µC/Gy/cm² 暗电流低至 0.03 pA/mm² 当偏压为-10 V时。在阈值半径为3.5 mm之前，探测器的灵敏度没有表现出显着变化，但超过此限制，光电流与原始条件下的灵敏度相比显着降低。

对探测器弯曲至 2 毫米半径之前、期间和之后的性能进行检查，发现弯曲期间其灵敏度下降了约 20%，然后在松弛后恢复到接近其初始值。

最后，研究人员评估了该设备的机械稳健性。 经过 100 次半径为 2 毫米的弯曲循环后，弯曲探测器没有出现机械故障的迹象，灵敏度变化小于 1.2%。 研究小组得出的结论是，杂原子的结合为创建基于有机半导体的高性能 X 射线探测器提供了成功的策略。

弯曲 X 射线探测器能否预示医学成像的下一次发展？

“这是制造柔性 X 射线探测器的另一条途径，坚定地只使用有机材料，” 拉维席尔瓦先进技术研究所所长告诉 物理世界。 “这两个系统都显示出具有宽带高灵敏度和超低暗电流响应的 X 射线探测器。 该系统仅基于有机半导体，完全保留了组织等效性，并将提供高度准确的 X 射线信号映射，这可能不需要后处理，因此可以与人工智能一起用于肿瘤的早期检测。”

席尔瓦补充说，这项新技术可用于多种环境，包括放射治疗、扫描历史文物和安全扫描仪。 “萨里大学及其附属机构 银光，继续引领柔性 X 射线探测器的发展方向——我们很高兴看到该技术在一系列用途中展现出真正的前景，”他说。 “乳房X光检查和包括手术在内的实时治疗也将成为可能。 正如我们所说，SilverRay 正在研究其中的一些可能性。”

柔性有机X射线探测器描述于 高级科学.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/flexible-x-ray-detectors-line-up-for-medical-imaging-and-radiotherapy/