Medicinsk bildbehandling, såsom röntgen eller datoriserad tomografi (CT), kan snart bli billigare och säkrare, tack vare en ny upptäckt gjord av kemister från National University of Singapore (NUS).

Prof. Genom att införliva dessa nanokristaller i plattbildsröntgenbilder, laget utvecklade en ny typ av detektorer som kunde känna av röntgenstrålar vid en strålningsdos som är cirka 400 gånger lägre än standarddosen som används vid aktuell medicinsk diagnostik. Dessa nanokristaller är också billigare än de oorganiska kristallerna som används i konventionella röntgenmaskiner.

"Vår teknik använder en mycket lägre strålningsdos för att leverera bilder med högre upplösning, och den kan också användas för snabb, röntgenbild i realtid. Det visar ett stort löfte när det gäller att revolutionera bildteknik för medicin- och elektronikindustrin. För patienter, detta innebär lägre kostnad för röntgenbildning och mindre strålningsrisk, "sade prof Liu.

Teamets forskningsgenombrott var resultatet av ett samarbete med forskare från Australien, Kina, Hongkong, Italien, Saudiarabien, Singapore och USA. Det publicerades först i onlineutgåvan av Natur den 27 augusti 2018, och ett patent på denna nya teknik har inlämnats.

Nanokristaller belyser vägen för bättre avbildning

Röntgenbildteknik har använts i stor utsträckning för många applikationer sedan 1890-talet. Bland dess många användningsområden finns medicinsk diagnostik, hembygdsskydd, nationellt försvar, avancerad tillverkning, kärnteknik, och miljöövervakning.

En avgörande del av röntgenbildteknik är scintillation, vilket är konvertering av rögenergifotoner med hög energi till synlig luminescens. De flesta scintillatormaterial som används i konventionella avbildningsanordningar innefattar dyra och stora oorganiska kristaller som har låg ljusutsläppseffektivitet. Därav, de kommer att behöva en hög dos röntgenstrålar för effektiv avbildning. Konventionella scintillatorer produceras också vanligtvis med en fast tillväxtmetod vid hög temperatur, gör det svårt att tillverka tunt, stora och enhetliga scintillatorfilmer.

För att övervinna begränsningarna för nuvarande scintillatormaterial, Prof Liu och hans team utvecklade nya nanokristaller av blyhalogenider perovskit som ett alternativt scintillatormaterial. Från deras experiment, laget fann att deras nanokristaller kan upptäcka små doser röntgenfotoner och omvandla dem till synligt ljus. De kan också ställas in för att lysa upp, eller scintillat, i olika färger som svar på röntgenstrålarna de absorberar. Med dessa egenskaper, dessa nanokristaller kan uppnå röntgenbildning med högre upplösning med lägre strålningsexponering.

För att testa tillämpningen av blyhalogenidperovskit-nanokristaller i röntgenbildteknik, laget ersatte scintillatorer av kommersiella platt-röntgenbildare med sina nanokristaller.

"Våra experiment visade att med denna metod, Röntgenbilder kan spelas in direkt med billiga, allmänt tillgängliga digitalkameror, eller till och med använda kameror på mobiltelefoner. Detta var inte möjligt med konventionella skrymmande scintillatorer. Dessutom, Vi har också visat att nanokristallscintillatorer kan användas för att undersöka de interna strukturerna hos elektroniska kretskort. Detta erbjuder ett billigare och mycket känsligt alternativ till nuvarande teknik, "förklarade Dr. Chen Qiushui, en forskare vid NUS Institutionen för kemi och den första författaren till studien.

Att använda nanokristaller som scintillatormaterial kan också sänka kostnaden för röntgenbild eftersom dessa nanokristaller kan produceras med enklare, billigare processer och vid en relativt låg temperatur.

Prof Liu utarbetade, "Vårt skapande av perovskite nanokristallscintillatorer har betydande konsekvenser för många forskningsområden och öppnar dörren för nya applikationer. Vi hoppas att denna nya klass med högpresterande röntgenscintillator bättre kan möta morgondagens allt mer diversifierade behov."

Nästa steg och kommersialiseringsmöjligheter

För att validera utförandet av deras uppfinning, NUS -forskarna kommer att testa sina förmågor hos nanokristaller under längre tid, och vid olika temperaturer och fuktighetsnivåer. Teamet vill också samarbeta med branschpartner för att kommersialisera sin nya bildteknik.