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弯曲的 X 射线探测器是否预示着医学成像的下一次发展?

2021-12-09 14:16          医学成像 X射线探测器

灵活的检测:Prabodhi Nanayakkara 及其同事正在开发用于医疗应用的坚固、高灵敏度的弯曲 X 射线探测器。(提供:萨里大学)

数字平板探测器是当今临床 X 射线成像系统的核心。但是平面探测器与人体复杂的 3D 形状不匹配。使用弯曲检测器可能是更好的选择,与平面检测器相比,它可以最大限度地减少图像边缘周围的失真并减少渐晕。然而,由于底层无机(主要是硅基)半导体技术的刚性和脆性,生产柔性探测器的尝试迄今尚未成功。

创建弯曲 X 射线探测器的一个有前途的替代方案是使用 "无机-有机 "混合半导体。一种候选结构包括集成到由 p 型聚合物 P3HT 和 n 型 PC 70 BM组成的有机本体异质结 (BHJ) 中的 X 射线衰减氧化铋纳米粒子。

为了使这种材料能够有效地作为弧形探测器发挥作用,它必须将高可弯曲性与优化的探测性能结合起来。为了实现这一目标,萨里大学领导的一个团队研究了 P3HT 分子量对这些掺入纳米颗粒的 BHJ (NP-BHJ) X 射线探测器的机械和电学性能的影响。

研究人员在《Advanced Science》上报告了他们的发现,他们发现通过调整有机半导体的分子量以延长聚合物链,他们可以为医疗应用创建坚固、高灵敏度的弯曲 X 射线探测器。

主要作者Prabodhi Nanayakkara在一份新闻声明中说:“我们的弯曲探测器概念显示出卓越的机械坚固性,并使弯曲半径小至 1.3 毫米。与需要昂贵的晶体生长方法的硅或锗制成的传统无机半导体相比,使用有机或‘无机-有机’半导体也更具成本效益。”

性能参数

为了研究 P3HT 分子量对探测器性能的影响,Nanayakkara 及其同事使用四种 P3HT 分子量(25、37、46 和 55 kDa)创建了刚性 NP-BHJ 探测器,这些分子量通常用于基于P3HT的光电设备。他们在玻璃基板上制造了探测器,并结合了 55 µm 厚的 NP-BHJ 薄膜。

该团队评估了一系列参数,包括暗电流、光电流特性和电荷传输特性。探测器暗电流随着聚合物分子量的降低而降低。然而,在 -10 至 -200 V 的外加偏压下,所有器件都显示出低暗电流,完全符合工业要求的 10 pA/mm 2。对于最低的 P3HT 分子量,器件灵敏度略高,具有约为 1.5 µGy/s的检测限(对于 70 kV X 射线源),优于诊断成像所需。

虽然四种设备之间的性能参数不同,但研究人员强调,评估的所有 P3HT 分子量都提供了出色的探测器响应特性,包括超低暗电流、高灵敏度和快速响应时间,突出了NP-BHJ探测器用于低剂量成像和剂量测定的潜力。

优化可弯曲性

接下来,该团队评估了各种探测器结构的机械性能。X 射线探测器需要更高的结晶度才能实现令人满意的电荷提取。但是对于弯曲的探测器,更高的结晶度会导致机械故障。为了确定最适合弯曲 X 射线探测器的 P3HT 分子量,研究人员对 NP-BHJ 薄膜进行了掠入射广角 X 射线散射测量。

他们发现由较高 P3HT 分子量制造的薄膜的结晶度较低,这表明此类薄膜具有更多的非晶区,可以在结晶区之间架桥。这些无定形区域还会增加分子间相互作用和链间缠结,从而在机械故障之前实现更大的变形。

研究人员还研究了基板厚度对各种 NP-BHJ 薄膜纳米力学性能的影响。他们在厚度低于 (25 µm)、等于 (50 µm) 和高于 (75 µm) 的 55 µm NP-BHJ 层的柔性聚酰亚胺基板上制造了探测器。机械性能取决于 P3HT 分子量和基材厚度。较低分子量的检测器更硬且极脆,而在较薄基材上制造的检测器过度卷曲并容易从基材上分层。

基于结晶度和纳米力学分析,研究人员预测,更高的 P3HT 分子量和更厚的柔性​​基板最适合制造弯曲的 X 射线探测器。考虑到这一点,他们测试了三种检测器(75 µm 基材上的 46 和 55 kDa P3HT,以及 50 µm 基材上的 55 kDa P3HT)在不同弯曲半径下对 40 kV X 射线辐射的响应。

所有探测器都表现出出色的抗弯曲性,即使弯曲半径小至 1.3 mm ,仍保持大约 0.17 µC/Gy/cm 2 的灵敏度和小于 1 pA/mm 2的暗电流。该团队通过执行向下至 1.3 毫米半径的动态弯曲循环,证明了探测器的机械坚固性。100 次循环后,检测器的灵敏度变化小于 2.8%。

“我们正在展示的技术将有助于创造一种革命性的新型高灵敏度 X 射线探测器,由于采用的设计和材料,该探测器具有可扩展性。”资深作者Ravi Silva说,“这项技术在医疗应用和其他 X 射线用途方面具有巨大潜力,因此我们正在与一家衍生公司SilverRay 合作,并希望将这项技术转变为高灵敏度、高分辨率的首选 X 射线探测器,灵活的大面积探测器。”

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