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Cintiladores nanofotônicos permitem imagens de raio-X mais sensíveis

Divulgação, MIT News

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

terça-feira, 1 março 2022 12:25

Áreas

Física Médica. Imagens e Diagnóstico. Nanotecnologia. Radiologia.

Cintiladores são materiais que emitem luz quando bombardeados com partículas de alta energia ou raios X. Em sistemas de raios-X médicos ou odontológicos, eles convertem a radiação de raios X recebida em luz visível que pode ser capturada usando filmes ou fotossensores. Eles também são usados ​​para sistemas de visão noturna e para pesquisas, como detectores de partículas ou microscópios eletrônicos.

Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, mostraram recentemente como é possível melhorar a eficiência dos cintiladores em pelo menos dez vezes, e talvez até cem vezes, alterando a superfície do material para criar certas configurações em nanoescala, como matrizes de cristas onduladas. Embora as tentativas anteriores de desenvolver cintiladores mais eficientes tenham se concentrado em encontrar novos materiais, a nova abordagem poderia, em princípio, funcionar com qualquer um dos materiais existentes.

Embora exija mais tempo e esforço para integrar seus cintiladores nas máquinas de raios-X existentes, a equipe acredita que esse método pode levar a melhorias nos raios-X de diagnóstico médico ou tomografias computadorizadas, reduzir a exposição à dose e melhorar a qualidade da imagem. Em outras aplicações, como inspeção por raios X de peças fabricadas para controle de qualidade, os novos cintiladores podem permitir inspeções com maior precisão ou em velocidades mais rápidas.

As descobertas foram descritas  na revista Science, em um artigo dos doutorandos do MIT Charles Roques-Carmes e Nicholas Rivera; dos professores do MIT Dr. Marin Soljacic, Dr. Steven Johnson e Dr. John Joannopoulos e mais dez pesquisadores.

Embora os cintiladores estejam em uso há cerca de 70 anos, grande parte da pesquisa no campo se concentrou no desenvolvimento de novos materiais que produzem emissões de luz mais brilhantes ou mais rápidas. A nova abordagem aplica avanços na nanotecnologia aos materiais existentes. Ao criar padrões em materiais cintilantes em uma escala de comprimento comparável aos comprimentos de onda da luz emitida, a equipe descobriu que é possível alterar drasticamente as propriedades ópticas do material.

Para fazer o que eles chamaram de ‘cintiladores nanofotônicos’, disse Charles Roques-Carmes, “você pode fazer padrões diretamente dentro dos cintiladores, ou pode colar em outro material que teria buracos em nanoescala. As especificidades dependem da estrutura e do material exatos.” Para esta pesquisa, a equipe usou um cintilador e fez buracos espaçados por aproximadamente um comprimento de onda óptico, ou cerca de 500 nanômetros (bilionésimos de metro).

“A chave para o que estamos fazendo é uma teoria geral e uma estrutura que desenvolvemos”, disse Nicholas Rivera. Isso permite que os pesquisadores calculem os níveis de cintilação que seriam produzidos por qualquer configuração arbitrária de estruturas nanofotônicas. O próprio processo de cintilação envolve uma série de etapas, tornando-o complicado de desvendar. A estrutura que a equipe desenvolveu envolve a integração de três tipos diferentes de física, disse o doutorando Charles Roques-Carmes. Usando este sistema, eles encontraram uma boa correspondência entre suas previsões e os resultados de seus experimentos subsequentes.

As técnicas de nanofotônica “oferecem o poder máximo de personalizar e melhorar o comportamento da luz”, disse o professor Soljacic. “Mas até agora, essa promessa, essa capacidade de fazer isso com cintilação era inalcançável porque modelar a cintilação era muito desafiador. Agora, este trabalho pela primeira vez abre este campo de cintilação, abre-o completamente, para a aplicação de técnicas nanofotônicas.” De forma mais geral, a equipe acredita que a combinação de nanofotônica e cintiladores pode, em última análise, permitir maior resolução e dose reduzida de raios X.

“O trabalho é ‘muito original e excelente”, disse o Dr. Eli Yablonovitch, professor de Engenharia Elétrica e Ciências da Computação da Universidade da Califórnia em Berkeley, nos Estados Unidos, que não esteve envolvido com a pesquisa. “Novos conceitos de cintiladores são muito importantes em imagens médicas e na pesquisa básica.”

O Dr. Yablonovitch acrescentou que, embora o conceito ainda precise ser comprovado em um dispositivo prático, ele diz que, “depois de anos de pesquisa sobre cristais fotônicos em comunicação óptica e outros campos, é importante que os cristais fotônicos sejam aplicados a cintiladores, que são de grande importância prática, mas foram negligenciados até este trabalho”.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).

Fonte: David L. Chandler, MIT News Office. Imagem: Divulgação, MIT News.

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