Первая "перовскитная камера" может видеть изнутри человеческого тела
Врачи применяют методы ядерной медицины, например однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (SPECT), чтобы исследовать работу сердца, контролировать кровообращение и находить скрытые заболевания в организме. Однако современные сканеры основаны на дорогостоящих и трудных в производстве детекторах.
Команда исследователей из Северо-Западного университета и Университета Сучжоу разработала первый в мире перовскитный детектор, который способен улавливать отдельные гамма-лучи для SPECT с беспрецедентной точностью. Эта технология обещает сделать ядерную медицинскую визуализацию быстрее, доступнее, безопаснее и качественнее. Для пациентов это означает более короткое обследование, четкие снимки и меньшие дозы облучения.
Ядерная медицина, включая однофотонную эмиссионную компьютерную томографию (ОФЭКТ), действует как своеобразная "невидимая камера". Пациенту вводят небольшой и безопасный радиофармпрепарат с коротким периодом полураспада. Он испускает гамма-лучи, которые проходят сквозь ткани и фиксируются внешним детектором. Каждый луч можно представить как светящуюся точку-пиксель. Собрав миллионы таких точек, компьютер формирует трехмерное изображение работы внутренних органов. Этот метод открывает путь к более широкому применению передовых технологий визуализации в клиниках и больницах.
Сегодня в ОФЭКТ используют два типа детекторов – из теллурида кадмия-цинка (CZT) и иодида натрия (NaI). Однако у каждого из них есть ограничения. CZT-детекторы стоят чрезвычайно дорого – иногда вся система обходится в сотни тысяч или даже миллионы долларов. Кроме того, кристаллы CZT хрупкие и склонны к растрескиванию, что делает производство трудоемким. Детекторы на основе NaI обойдутся дешевле, но они громоздкие и дают менее четкое изображение – будто смотришь сквозь запотевшее стекло.
В поисках решения ученые обратились к кристаллам перовскита – материалу, который уже более десяти лет изучает группа исследователей. В 2012 году команда представила первые тонкопленочные солнечные элементы на основе перовскитов. В 2013-м году ученые показали, что отдельные кристаллы перовскита обладают большим потенциалом для регистрации рентгеновского и гамма-излучения. Благодаря разработке высококачественных монокристаллов этот результат вызвал настоящий научный бум и положил начало новому направлению в области детекторов жесткого излучения.
Опираясь на предыдущие исследования, команда возглавила работу по выращиванию кристаллов, обработке их поверхности и созданию устройств для нового эксперимента. Внимательно сформировав и подготовив кристаллы, исследователи смогли разработать пиксельный сенсор, напоминающий матрицу смартфонной камеры, который обеспечивает беспрецедентную четкость и стабильность изображения. На следующем этапе они сосредоточились на проектировании прототипа детектора гамма-излучения. Исследователи спроектировали пиксельную архитектуру камеры, усовершенствовал многоканальную систему считывания и провел серию экспериментов, которые подтвердили: устройство способно получать изображения высокого разрешения. В результате ученые продемонстрировали, что перовскитные детекторы обеспечивают рекордное энергетическое разрешение и уникальные возможности однофотонной визуализации. Эти достижения открывают путь к внедрению технологии в оборудование для ядерной медицины нового поколения.
В ходе испытаний устройство показало способность различать гамма-излучение с разными уровнями энергии с беспрецедентной точностью. Оно также надежно фиксировало слабые сигналы технеция-99m – наиболее часто используемого радиоактивного индикатора в клинической практике, и формировало детализированные изображения, где можно было различить отдельные источники излучения, расположенные всего в нескольких миллиметрах друг от друга. При этом детектор демонстрировал стабильную работу, регистрируя практически весь сигнал без искажений и потерь. Благодаря такой чувствительности технология открывает возможность сокращения времени сканирования или уменьшения дозы облучения для пациентов.
Для коммерциализации этой разработки Северо-Западный университет создал дочернюю компанию Actinia Inc., которая сотрудничает с производителями медицинского оборудования, чтобы внедрить технологию за пределами лаборатории. Простота выращивания перовскитных кристаллов и использование более доступных компонентов делает такие детекторы гораздо дешевле систем на основе CZT или NaI, при этом не уступая им по качеству. Более того, новые устройства позволяют проводить визуализацию с меньшими дозами радиофармпрепаратов и при этом оставаться экономически доступными для широкого круга пациентов.
