Врачи используют методы ядерной медицины, такие как однофотонная эмиссионная компьютерная томография (SPECT), чтобы наблюдать за работой сердца, отслеживать кровоток и выявлять скрытые заболевания в глубине организма. Однако современные сканеры используют дорогостоящие детекторы, которые сложно производить.

Учёные под руководством Северо-Западного университета и Университета Сучжоу в Китае создали первый детектор на основе перовскита , способный регистрировать отдельные гамма-лучи для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) с рекордной точностью. Новый инструмент может сделать распространённые виды ядерной медицинской визуализации более чёткими, быстрыми, дешёвыми и безопасными.

Для пациентов это может означать сокращение времени сканирования, более чёткие результаты и снижение дозы облучения. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications .

«Перовскиты — это семейство кристаллов, наиболее известных своими преобразованиями в области солнечной энергетики», — заявил Меркури Канатзидис из Северо-Западного университета, старший автор исследования. «Теперь они готовы сделать то же самое для ядерной медицины. Это первое убедительное доказательство того, что детекторы на основе перовскитов способны создавать настолько чёткие и надёжные изображения, которые необходимы врачам для оказания наилучшей медицинской помощи пациентам».

«Наш подход не только повышает производительность детекторов, но и может снизить затраты», — сказал соавтор Ихуэй Хэ, профессор Университета Сучжоу. «Это означает, что больше больниц и клиник в конечном итоге получат доступ к передовым технологиям визуализации».

Канатцидис — профессор химии имени Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Колледже искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета и старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. Йихуэй Хе — бывший научный сотрудник лаборатории Канатцидиса.

Ядерная медицина, как и однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ), работает как невидимая камера. Врачи имплантируют крошечный, безопасный, короткоживущий радиофармпрепарат в определённую часть тела пациента. Радиофармпрепарат испускает гамма-лучи, которые проходят через ткани и в конечном итоге попадают на детектор, находящийся вне тела. Каждый гамма-луч подобен пикселю света. Собрав миллионы таких пикселей, компьютеры могут построить трёхмерное изображение работающих органов.

Современные детекторы, изготовленные либо из теллурида кадмия-цинка (CZT), либо из иодида натрия (NaI), имеют ряд недостатков. Детекторы CZT невероятно дороги, иногда цена на целую камеру достигает сотен тысяч или миллионов долларов.

Из-за хрупкости кристаллов CZT и склонности к растрескиванию эти детекторы также сложны в изготовлении. Хотя детекторы NaI дешевле детекторов CZT, они громоздки и дают более размытые изображения — как будто фотографируешь через запотевшее окно.

Чтобы преодолеть эти проблемы, учёные обратились к кристаллам перовскита – материалу, который Канацидис изучает уже более десяти лет. В 2012 году его группа создала первые твёрдоплёночные солнечные элементы на основе перовскитов. Затем, в 2013 году, Канацидис обнаружил, что отдельные кристаллы перовскита весьма перспективны для обнаружения рентгеновского и гамма-излучения. Этот прорыв, ставший возможным благодаря выращиванию его группой высококачественных монокристаллов, вызвал всплеск исследований по всему миру и фактически дал начало новому направлению в области материалов для обнаружения жёсткого излучения.

«Эта работа демонстрирует, насколько далеко мы можем вывести перовскитные детекторы за рамки лабораторных исследований», — сказал Канатзидис. «Когда в 2013 году мы впервые обнаружили, что монокристаллы перовскита способны регистрировать рентгеновское и гамма-излучение, мы могли только догадываться об их потенциале. Теперь же мы показываем, что детекторы на основе перовскита могут обеспечить разрешение и чувствительность, необходимые для таких требовательных приложений, как визуализация в ядерной медицине. Радостно видеть, как эта технология приближается к реальному применению».

Опираясь на эту основу, Канатзидис и Хе руководили выращиванием кристаллов, поверхностной инженерией и разработкой устройств для нового исследования. Тщательно вырастив и придав форму этим кристаллам, исследователи создали пикселизированный сенсор, подобный пикселям в камере смартфона, который обеспечивает рекордную чёткость и стабильность изображения.

Руководя проектированием и разработкой прототипа детектора гамма-излучения, он разработал пиксельную архитектуру камеры, оптимизировал многоканальную электронику считывания и провел эксперименты с получением изображений высокого разрешения, подтвердившие возможности устройства. Он, Канатзидис и его команда продемонстрировали, что детекторы на основе перовскита способны достигать рекордного энергетического разрешения и беспрецедентной производительности однофотонной визуализации, открывая путь для практической интеграции в системы визуализации нового поколения для ядерной медицины.

«Разработка этой гамма-камеры и демонстрация её производительности оказались невероятно интересными», — сказал он. «Объединив высококачественные кристаллы перовскита с тщательно оптимизированным пиксельным детектором и многоканальной системой считывания, мы смогли добиться рекордного энергетического разрешения и возможностей визуализации. Эта работа демонстрирует реальный потенциал детекторов на основе перовскита для преобразования методов визуализации в ядерной медицине».

В ходе экспериментов детектор смог дифференцировать гамма-излучение разных энергий с наилучшим на сегодняшний день разрешением. Он также улавливал крайне слабые сигналы медицинского радиоактивного индикатора (технеция-99m), широко используемого в клинической практике, и различал невероятно тонкие детали, создавая чёткие изображения, позволяющие разделять мельчайшие радиоактивные источники, расположенные на расстоянии всего нескольких миллиметров друг от друга.

Детектор также оставался высокостабильным, собирая практически весь сигнал трассера без потерь и искажений. Поскольку новые детекторы более чувствительны, пациентам потенциально может потребоваться более короткое время сканирования или меньшие дозы облучения.

Северо-западная дочерняя компания Actinia Inc. занимается коммерциализацией этой технологии, сотрудничая с партнёрами в сфере медицинского оборудования, чтобы вывести её из лабораторных условий и внедрить в больницы. Благодаря простоте выращивания и использованию более простых компонентов, перовскиты представляют собой гораздо более дешевую альтернативу детекторам CZT и NaI без ущерба для качества.

Детекторы на основе перовскита также предлагают реалистичный путь к визуализации с использованием меньшей дозы радиоактивного индикатора, чем при использовании детектора NaI, но по цене, которая обеспечивает широкий доступ пациентов.

«Демонстрация способности перовскитов обеспечивать однофотонную гамма-визуализацию — это важная веха», — сказал он. «Это показывает, что эти материалы готовы выйти за рамки лабораторных исследований и стать частью технологий, напрямую приносящих пользу здоровью человека. В связи с этим мы видим возможности для дальнейшего совершенствования детекторов, масштабирования производства и освоения совершенно новых направлений в медицинской визуализации».

«Высококачественная ядерная медицина не должна ограничиваться больницами, которые могут позволить себе самое дорогое оборудование», — сказал Канатцидис. «Благодаря перовскитам мы можем открыть путь к более чётким, быстрым и безопасным сканированиям для гораздо большего числа пациентов по всему миру. Конечная цель — более качественные сканирования, более точная диагностика и более качественное лечение пациентов».

Внимание, автоперевод! За ошибки перевода ответственности не несём. Первоисточник по ссылке.