Resumo:
A tecnologia de imagens de raios X enfrenta há muito tempo um problema: como melhorar os sinais de imagem sem sacrificar detalhes e clareza. Os métodos tradicionais geralmente exigem compensações entre a espessura do detector, a intensidade do sinal óptico e a resolução espacial. Agora, uma equipe de pesquisa da Universidade de Chongqing, na China, do 26º Instituto de Pesquisa da China Electronics Technology Group Corporation e do Stevens Institute of Technology, nos Estados Unidos, desenvolveu um novo material nanoestruturado que melhora com sucesso a eficiência da coleta de luz dos detectores de raios X, mantendo ao mesmo tempo a alta resolução da imagem.
Os resultados experimentais mostram que esta nova tecnologia aumenta a emissão média de luz do detector em 4,64 vezes e melhora a relação sinal-ruído da imagem em 13 decibéis, enquanto a resolução espacial ainda é melhor que 25 mícrons. Isto significa que mesmo quando o número de fótons de raios X é pequeno e o sinal é fraco, espera-se que o detector obtenha uma imagem mais nítida.
Os próprios raios X não podem ser gravados diretamente por equipamentos de câmera comuns, por isso os detectores de raios X modernos geralmente usam um material chamado cintilador para converter raios X de alta energia em luz visível. Esses sinais de luz são então capturados por equipamentos fotográficos ou fotodetectores para finalmente gerar imagens.
O GAGG:Ce usado no estudo é um cristal de cintilação inorgânica de alta densidade que pode absorver eficazmente os raios X e produzir luz visível. Porém, existe um problema nesse tipo de material que não é fácil de resolver: nem toda a luz produzida escapa da superfície do cristal.
Devido à grande diferença de índice de refração entre o material de cintilação e o ambiente circundante, parte da luz sofrerá reflexão total quando se propagar para a superfície e ficar confinada dentro do material. A pesquisa aponta que até cerca de 90% dos fótons podem ficar presos no modo de guia de luz interno e não podem alcançar efetivamente o equipamento de detecção externo. Isto não só reduz a eficiência de coleta de luz do detector, mas também afeta a qualidade da imagem sob condições de sinal fraco.
Uma solução intuitiva é aumentar a espessura do cintilador para que ele absorva mais raios X e produza mais luz visível. No entanto, o aumento da espessura também significa que a luz tem mais espaço de difusão lateral antes de chegar ao detector, o que pode facilmente causar detalhes desfocados na imagem. Em contraste, cintiladores mais finos podem produzir sinais ópticos mais fracos, embora sejam benéficos na preservação de estruturas finas.
Em vez de aumentar a espessura do material, a equipe de pesquisa tentou mudar a forma como a luz escapa de dentro do cintilador. Eles construíram uma camada de estrutura cristalina fotônica na superfície do cristal GAGG:Ce, que ajuda a liberar a luz originalmente presa dentro do material por meio de arranjos periódicos em nanoescala.
O cristal fotônico é um material com uma microestrutura periódica regular que pode alterar a forma como a luz se propaga nele. Os pesquisadores usaram o efeito de difração de Bragg para fornecer impulso adicional à luz aprisionada, permitindo-lhe romper as limitações originais de propagação e entrar no espaço livre, onde foi eventualmente recebida por um detector externo. Uma vez que este método melhora a eficiência da extração de luz em vez de obter mais sinais aumentando a espessura do cristal, pode evitar algumas das contradições entre o aprimoramento do sinal e a clareza da imagem nas soluções tradicionais.
No entanto, como fabricar tais nanoestruturas em uma grande área também é um desafio por si só. Embora a tecnologia tradicional de fotolitografia possa controlar estruturas com precisão, ela requer equipamentos caros e processos complexos, e não é fácil processar a superfície de cristais de cintilação quebradiços. Embora métodos simples de automontagem sejam adequados para cobrir grandes áreas, eles são propensos a problemas como falta de partículas, arranjos irregulares e rachaduras estruturais, que podem, em última instância, produzir artefatos de imagem.
Para resolver esse problema, os pesquisadores utilizaram um processo de automontagem impulsionado pela tensão superficial, utilizando o chamado efeito Marangoni para controlar o fluxo do líquido.
A equipe de pesquisa usou uma combinação de etanol e água para criar um fluxo através da diferença de tensão superficial entre os dois líquidos, guiando assim as nanoesferas de poliestireno para se alinharem. Posteriormente, os pesquisadores usaram surfactantes para aumentar a densidade do arranjo das partículas e transferiram a estrutura montada para um wafer de cristal de cintilação GAGG de 25 mm de diâmetro por meio de um processo de drenagem que evita interferência de vibração.
O cristal fotônico final é composto por uma camada contínua de nanoesferas de poliestireno, com as partículas dispostas em um arranjo hexagonal compacto. Esta estrutura pode efetivamente melhorar a eficiência de extração de luz da superfície do cristal.
A pesquisa foi liderada pelo professor associado Peng Feng, da Universidade de Chongqing, e a equipe colaboradora também incluiu o Dr. Ding Yuchong, do 26º Instituto de Pesquisa da China Electronics Technology Group Corporation, e Liu Kaifeng, estudante de doutorado no Stevens Institute of Technology. Artigos relevantes foram publicados na revista Opto-Electronic Advances.
Essa tecnologia poderá ser usada em muitos campos no futuro. Em termos de imagens médicas, se o detector conseguir obter um sinal suficientemente forte com uma exposição mais baixa aos raios X, existe uma oportunidade de reduzir a dose de radiação recebida pelo paciente, mantendo a qualidade da imagem. Para equipamentos de inspeção de segurança, pode ajudar o sistema a identificar características mais sutis do objeto; no campo dos ensaios industriais não destrutivos, espera-se também melhorar a capacidade de detectar defeitos internos e estruturas minúsculas nos materiais.
O que é particularmente digno de nota é que esta tecnologia visa problemas de imagem sob condições de baixo número de fótons. Em um ambiente com dose de radiação limitada ou sinal de raios X fraco, muitas vezes é difícil para os detectores distinguirem o sinal alvo real do ruído de fundo. Espera-se que a melhoria significativa na eficiência da recolha de luz melhore esta situação.
É claro que esta tecnologia ainda está um pouco distante de aplicações comerciais em larga escala. Os pesquisadores apontaram que defeitos residuais na nanoestrutura ainda podem afetar a resolução espacial. É necessário otimizar ainda mais o processo de automontagem e verificar se este método pode ser aplicado a outros tipos de materiais cintilantes.
Se estes problemas puderem ser resolvidos, o novo cintilador de cristal fotónico poderá fornecer uma nova ideia de design para a próxima geração de detectores de raios X: em vez de simplesmente depender do aumento da espessura do material para melhorar o sinal, o novo cintilador de cristal fotónico poderá libertar a luz que foi gerada de forma mais eficaz, melhorando ao mesmo tempo a qualidade da imagem.
Comentários