Medische beeldvorming, zoals röntgenfoto's of computertomografie (CT), misschien binnenkort goedkoper en veiliger, dankzij een recente ontdekking door chemici van de National University of Singapore (NUS).

Professor Liu Xiaogang en zijn team van de afdeling Scheikunde van de NUS-faculteit Wetenschappen hadden nieuwe loodhalogenide-perovskiet-nanokristallen ontwikkeld die zeer gevoelig zijn voor röntgenstraling. Door deze nanokristallen op te nemen in flat-panel X-ray imagers, het team ontwikkelde een nieuw type detector dat röntgenstralen kan detecteren met een stralingsdosis die ongeveer 400 keer lager is dan de standaarddosis die wordt gebruikt in de huidige medische diagnostiek. Deze nanokristallen zijn ook goedkoper dan de anorganische kristallen die worden gebruikt in conventionele röntgenbeeldvormingsmachines.

"Onze technologie gebruikt een veel lagere stralingsdosis om beelden met een hogere resolutie te leveren, en het kan ook worden gebruikt voor snelle, realtime röntgenbeeldvorming. Het is veelbelovend in het revolutioneren van beeldtechnologie voor de medische en elektronische industrie. Voor patiënten, dit betekent lagere kosten van röntgenbeeldvorming en minder stralingsrisico, " zei prof Liu.

De onderzoeksdoorbraak van het team was het resultaat van een samenwerking met onderzoekers uit Australië, China, Hongkong, Italië, Saoedi-Arabië, Singapore en de Verenigde Staten. Het werd voor het eerst gepubliceerd in de online editie van Natuur op 27 augustus 2018, en een patent voor deze nieuwe technologie is ingediend.

Nanokristallen verlichten de weg voor betere beeldvorming

Röntgenbeeldtechnologie wordt sinds de jaren 1890 op grote schaal voor veel toepassingen gebruikt. Onder de vele toepassingen zijn medische diagnostiek, binnenlandse veiligheid, nationale Defensie, geavanceerde productie, nucleaire technologie, en omgevingsmonitoring.

Een cruciaal onderdeel van röntgenbeeldvormingstechnologie is scintillatie, dat is de omzetting van hoogenergetische röntgenfotonen in zichtbare luminescentie. De meeste scintillatormaterialen die in conventionele beeldvormingsinrichtingen worden gebruikt, omvatten dure en grote anorganische kristallen die een lage omzettingsefficiëntie van lichtemissie hebben. Vandaar, ze hebben een hoge dosis röntgenstralen nodig voor effectieve beeldvorming. Conventionele scintillatoren worden meestal ook geproduceerd met behulp van een vaste groeimethode bij hoge temperatuur, waardoor het moeilijk is om dun te fabriceren, grote en uniforme scintillatorfilms.

Om de beperkingen van de huidige scintillatormaterialen te overwinnen, Prof Liu en zijn team ontwikkelden nieuwe loodhalogenide perovskiet nanokristallen als alternatief scintillatormateriaal. Uit hun experimenten, het team ontdekte dat hun nanokristallen kleine doses röntgenfotonen kunnen detecteren en omzetten in zichtbaar licht. Ze kunnen ook worden afgestemd om op te lichten, of sprankelend, in verschillende kleuren als reactie op de röntgenstralen die ze absorberen. Met deze eigenschappen deze nanokristallen zouden röntgenbeeldvorming met een hogere resolutie kunnen bereiken met een lagere blootstelling aan straling.

Om de toepassing van de loodhalogenide-perovskiet-nanokristallen in röntgenbeeldvormingstechnologie te testen, het team verving de scintillatoren van commerciële flat-panel X-ray imagers met hun nanokristallen.

"Onze experimenten toonden aan dat het gebruik van deze benadering, Röntgenbeelden kunnen direct worden opgenomen met goedkope, algemeen beschikbare digitale camera's, of zelfs het gebruik van camera's van mobiele telefoons. Dit was niet haalbaar met conventionele volumineuze scintillatoren. In aanvulling, we hebben ook aangetoond dat de nanokristallen scintillatoren kunnen worden gebruikt om de interne structuren van elektronische printplaten te onderzoeken. Dit biedt een goedkoper en zeer gevoelig alternatief voor de huidige technologie, " verklaarde Dr. Chen Qiushui, een Research Fellow bij de NUS Department of Chemistry en de eerste auteur van de studie.

Het gebruik van nanokristallen als scintillatormaterialen kan ook de kosten van röntgenbeeldvorming verlagen, aangezien deze nanokristallen kunnen worden geproduceerd met behulp van eenvoudiger, goedkopere processen en bij een relatief lage temperatuur.

Prof Liu legde uit, "Onze creatie van perovskiet-nanokristallenscintillatoren heeft belangrijke implicaties voor veel onderzoeksgebieden en opent de deur naar nieuwe toepassingen. We hopen dat deze nieuwe klasse van hoogwaardige röntgenscintillatoren beter kan voldoen aan de steeds meer gediversifieerde behoeften van morgen."

Volgende stappen en commercialiseringsmogelijkheden

Om de prestaties van hun uitvinding te valideren, de NUS-wetenschappers zullen hun capaciteiten van de nanokristallen voor langere tijd testen, en bij verschillende temperaturen en vochtigheidsniveaus. Het team wil ook samenwerken met industriële partners om hun nieuwe beeldvormingstechniek te commercialiseren.