Forskare har gjort ett genombrott i att avsevärt förbättra skärpan hos röntgenbilder och potentiellt öka hastigheterna med vilka röntgenskanningar kan bearbetas. Detta lägger grunden för både bättre medicinsk bildbehandling och snabbare säkerhetsprövning.
Nyckeln till framsteg är ett lager av guld som läggs till enheter som hjälper till att visualisera röntgenstrålar.
Röntgenstrålar som används i hälso- och säkerhetsskanningar är osynliga, men de kan avbildas med hjälp av detektorer som har "skimrande" material som absorberar strålningen och "lyser upp" på ett sätt som liknar färg som lyser i mörkret. Det synliga ljuset som sänds ut av de glittrande materialen fångas upp av sensorer för att skapa bilder baserade på röntgenstrålning. Ju starkare ljus, desto skarpare och mer detaljerad bild.
Forskarna, ledda av Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) och Polens Lukasiewicz Research Network-PORT Polish Centre for Technology Development, upptäckte att genom att lägga till ett guldskikt till de glittrande materialen gjorde det synliga ljuset de gav ifrån sig 120 % ljusare. I genomsnitt hade ljuset som sänds ut en intensitet på cirka 88 fotoner per kiloelektronvolt, data från studien publicerad i Advanced Materials visade.
Som ett resultat var de producerade röntgenbilderna i allmänhet 38 % skarpare och förmågan att skilja mellan olika delar av bilderna förbättrades med 182 %.
Med guldskiktet förkortades också tiden för de glittrande materialen att sluta sända ut ljus efter att ha absorberat röntgenstrålningen med 1,3 nanosekunder i genomsnitt, eller nästan 38 %, vilket betyder att de var redo för nästa strålrunda snabbare. Detta antyder potentialen för guld att påskynda behandlingen av röntgenbilder.
Dessa ökningar kan förklaras av att guld är "plasmoniskt", vilket innebär att elektronerna i metallen reagerar på strålning genom att röra sig i synkroniserade vågliknande mönster, liknande krusningar som bildas efter att en sten har tappats i vatten.
Dessa porlande elektroner, även kallade plasmoner, kan interagera med scintillerande material för att påskynda emissionen av synligt ljus från materialen efter att de reagerat med röntgenstrålar. Detta gör att ljuset som avges blir mer intensivt.
Detta står i kontrast till icke-plasmoniska material, vars elektroner inte interagerar med strålning på samma sätt. Som ett resultat av detta rör de sig inte på ett koordinerat vågliknande sätt och påskyndar inte emission av synligt ljus genom att glittra material.
För forskningen använde experimenten guld bara 70 nanometer tjockt, eller cirka 1 000 gånger tunnare än ett hårstrå. Att använda ett tunt lager guld hjälper till att hålla materialkostnaderna nere och håller storleken på framtida röntgendetektorer kompakt.
Forskarna lade till det plasmoniska guldskiktet till ett glittrande material som kallas butylammoniumblybromid, från "perovskit"-familjen av föreningar. Perovskiter är kända för sin förmåga att omvandla solljus till elektricitet i solceller.
Denna "nanoplasmoniska" studie genomfördes i samarbete mellan CNRS-International-NTU-Thales Research Alliance, ett NTU-baserat fransk-singaporeanskt gemensamt forskningslaboratorium; Institut Lumière Matière CNRS baserat på Université Claude Bernard Lyon 1 i Frankrike; och Nano Center Indonesia.
Nanyang biträdande professor Wong Liang Jie, studieledare från NTU Singapores School of Electrical and Electronic Engineering, sa:"Våra resultat belyser den enorma potentialen hos nanoplasmonik för att optimera ultrasnabba bildsystem där hög rumslig upplösning och hög kontrast behövs, t.ex. som röntgenbioavbildning och mikroskopi."
Asst Prof Wong sa att de förbättringar av röntgenupptäckt som studien visar, kommer också att gynna flygplatssäkerhetsgodkännandet, eftersom föremål i bagaget lättare kan upptäckas med skarpare och högre kvalitet röntgenbilder, medan väskor kan screenas mer snabbt.
Dr. Muhammad Danang Birowosuto, studieledare från Lukasiewicz Research Network-PORT Polish Centre for Technology Development och en före detta NTU-forskare, sa:"Att kombinera denna förbättring med andra teknologier kommer att resultera i toppmoderna funktioner inom strålning. avbildning, till exempel för att förbättra röntgenanalyser gjorda i färg eller förbättra noggrannheten för "time-of-flight" medicinsk röntgenavbildning."
En talesman för det multinationella företaget Thales sa att "idén att kombinera de fysiska fenomenen av fotoniska strukturer - strukturer som förändrar hur ljus beter sig - med scintillerande material för röntgendetektorer representerar ett intressant koncept för att öka effektiviteten hos den nuvarande generationen av detektorer. "
"Thales fortsätter att övervaka vetenskapliga framsteg på detta område med stort intresse och välkomnar prof. Wongs genombrott på detta område", tillade talesmannen.
Inspirationen att använda guld som ett plasmoniskt material tillsammans med glittrande material uppstod från ett äktenskap mellan två forskningsområden som inte tidigare hade utforskats för röntgendetektorer.
Medlemmar i forskargruppen fann tidigare att efter att vissa ämnen absorberat synligt ljus, avgav de också synligt ljus, vilket kunde bli ljusare om tunt plasmoniskt guld på nanometerskala tillsattes.
Vid den tiden arbetade andra medlemmar i teamet, som studerar hur strukturer i nanostorlek förbättrar röntgengenereringen, också med röntgendetektering.
När vi tittade på de nanoplasmoniska fynden slog teamet en idé:Eftersom röntgenstrålning i röntgenskannrar också beror på ämnen som absorberar strålning för att avge synligt ljus, kan plasmoniska material i nanoskala förstärka detektorerna i dessa skannrar?
Forskarna började sedan bevisa detta experimentellt med guld.
Forskarna planerar härnäst att lägga till nanostora skårliknande mönster på ytan av guldskiktet för att öka det synliga ljuset som avges av röntgenabsorberande glittrande material, eftersom tidigare forskning har visat att små skåror kan förbättra produktionen av synligt ljus.
Dr. Dennis Schaart, chef för avdelningen för medicinsk fysik och teknik vid avdelningen för strålningsvetenskap och teknik vid Nederländernas Delfts tekniska universitet, sa att resultaten "öppnar en ny väg för förbättring av strålningsavbildningsdetektorer baserade på scintillatorer."
Scintillatorer omvandlar röntgen- eller gammastrålningsfotoner till mätbara ljussignaler för tillämpningar som medicinsk bildbehandling vid datortomografi (CT), oförstörande tester som de för kvalitetssäkring inom industriell produktion och säkerhetsprövning med hjälp av flygplatsbagageskannrar.
Dr Schaart – som forskar om nya teknologier för medicinsk bildbehandling och strålningsonkologi och inte var involverad i studien – sa att prestationsgränserna för allmänt kända scintillationsmekanismer är nära att nås. Men det finns fortfarande en ihållande efterfrågan på ännu bättre lösningar.
"Fynden som presenteras i den här senaste forskningen pekar på vägen mot en ny klass av scintillationsdetektorer där ljusemissionens intensitet och hastighet förbättras genom manipulering av kvantmekaniska fenomen", sa han.
"I princip erbjuder detta mycket spännande möjligheter för scintillatorutvecklare att konstruera optimala material för en mängd olika applikationer. Om resultaten som presenteras i forskningen kan reproduceras och skalas mot industriellt producerade scintillatorer kommer detta sannolikt att bidra till att t.ex. exakt, mer prisvärd och mer tillgänglig medicinsk diagnos, samt snabbare säkerhetsskanningar."
Mer information: Wenzheng Ye et al, The Nanoplasmonic Purcell Effect in Ultrafast and High-Light-Yield Perovskite Scintillators, Avancerade material (2024). DOI:10.1002/adma.202309410
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Nanyang Technological University
