Cílem nového detektoru je snížit náklady a zlepšit kvalitu jaderné medicíny.
Lékaři používají techniky nukleární medicíny, jako jsou skenování SPECT, aby pozorovali, jak srdeční čerpadla, sledují vzorce průtoku krve a identifikují onemocnění, která jsou jinak skrytá hluboko v těle. Současné skenery se však spoléhají na detektory, které jsou nákladné a obtížně vyrobeny.
Vědci z Northwestern University A Soochow University v Číně nyní vyvinula první detektor se sídlem v Perovskitu, který je schopen zachytit jednotlivé gama paprsky s výjimečnou přesností pro zobrazování SPECT. Tato inovace má potenciál učinit široce používané metody jaderného zobrazování přesnější, efektivnější, dostupnější a bezpečnější.
U pacientů by přínosy mohly zahrnovat kratší skenovací relace, jasnější diagnostické obrazy a nižší vystavení záření.
Studie byla nedávno zveřejněna v časopise Přírodní komunikace.
„Perovskity jsou rodinou krystalů nejlépe známou pro transformaci pole sluneční energie,“ řekl Northwestern’s Mercouri Kanatzidis, vedoucí autor studie. „Nyní jsou připraveni udělat totéž pro jadernou medicínu. Toto je první jasný důkaz, že detektory Perovskite mohou produkovat takový druh ostrých a spolehlivých obrazů, které lékaři potřebují, aby svým pacientům poskytovali nejlepší péči.“
„Náš přístup nejen zlepšuje výkon detektorů, ale také by mohl snížit náklady,“ uvedl spolupráci autor Yihui He, profesor na Soochow University. „To znamená, že více nemocnic a klinik by nakonec mohlo mít přístup k nejlepším zobrazovacím technologiím.“
Kanatzidis je Charles E. a Emma H. Morrison profesor chemie na Northwestern’s Weinberg College of Arts and Sciences a vyšší vědec v Argonne National Laboratory. Yihui je bývalým postdoktorandským chlapem z Laboratoře Kanatzidis.
Proč současné detektory nedosahují
Techniky nukleární medicíny, jako je SPECT (jednofotonová emisní výpočetní tomografie), fungují jako neviditelná kamera. Lékař zavádí malý, bezpečný a krátkodobý radiotracer do cílené oblasti těla pacienta. Tento stopovací stroj uvolňuje gama paprsky, které procházejí tkáními a poté jsou zachyceny detektorem mimo tělo. Každý gama paprsek působí jako pixel světla, a když jsou zaznamenány miliony těchto pixelů, počítače je sestavují do trojrozměrného obrazu aktivity orgánů.
Současné detektory se obvykle vyrábějí z kadmia zinku telurid (CZT) nebo jodidu sodíku (NAI), ale obě možnosti přicházejí s nevýhodou. Detektory CZT jsou extrémně nákladné, často se pohybují od stovek tisíc do milionů dolarů za kameru a krystaly jsou křehké, což je ztěžuje produkci. Detektory NAI jsou levnější, ale objemnější a vytvářejí méně přesné obrazy, podobně jako při pohledu za zamlženého okna.
Aby se tyto výzvy vyřešily, výzkumný tým se obrátil na krystaly Perovskite, které Kanatzidis studuje více než deset let. V roce 2012 vytvořila jeho skupina první solární buňky s pevným filmem pomocí perovskitů. Do roku 2013 ukázal, že jediné krystaly perovskitu mohou účinně detekovat rentgenové paprsky a gama paprsky. Tento pokrok umožnil díky schopnosti jeho týmu růst vysoce kvalitních krystalů, vyrazil vlnu mezinárodního výzkumu a pomohl založit novou oblast zaměřenou na materiály pro detekci záření.
Rekordní zobrazovací výkon
„Tato práce ukazuje, jak daleko můžeme tlačit detektory Perovskite mimo laboratoř,“ řekl Kanatzidis. „Když jsme v roce 2013 poprvé zjistili, že jednokrystaly Perovskite dokážou detekovat rentgenové paprsky a gama paprsky, dokázali jsme si jen představit jejich potenciál. Nyní ukazujeme, že detektory založené na perovskitu mohou poskytnout rozlišení a citlivost potřebnou pro náročné aplikace, jako je zobrazování jaderné medicíny.
Na základě tohoto nadace, Kanatzidis a pro novou studii vedl růst krystalů, povrchové inženýrství a design zařízení. Pečlivým růstem a formováním těchto krystalů vytvořili vědci pixelovaný senzor-stejně jako pixely v smartphone kameře-který poskytuje jasnost a stabilitu pro zlomení rekordních záznamů.
Vedení návrhu a vývoje prototypu detektoru gama paprsků vyvinul pixelovanou architekturu fotoaparátu, optimalizoval vícekanálovou elektroniku odečítanou a provedl zobrazovací experimenty s vysokým rozlišením, které validovaly schopnosti zařízení. On, Kanatzidis, a jejich tým prokázali, že detektory založené na Perovskite mohou dosáhnout rekordních energetických rozlišení a bezprecedentního jediného fotonového zobrazovacího výkonu a vydláždit cestu pro praktickou integraci do systémů zobrazování jaderné medicíny nové generace.
Dopad a komercializace v reálném světě
„Navrhování této gama-paprskové kamery a prokázání jejího výkonu bylo neuvěřitelně prospěšné,“ řekl. „Kombinací vysoce kvalitních perovskitových krystalů s pečlivě optimalizovaným pixelovaným detektorem a vícekanálovým systémem pro odečty jsme byli schopni dosáhnout rekordních energetických rozlišení a zobrazování.
V experimentech byl detektor schopen rozlišovat mezi gama paprsky různých energií s dosud nejlepším rozlišením. Rovněž snímala extrémně slabé signály z lékařského radiotorace (Technetium-99m) běžně používaného v klinické praxi a rozlišovala neuvěřitelně jemné rysy a vytvořila ostré obrazy, které by mohly oddělit malé radioaktivní zdroje rozmístěné jen několik milimetrů od sebe. Detektor také zůstal vysoce stabilní a sbíral téměř veškerý signál stopora bez ztráty nebo zkreslení. Protože tyto nové detektory jsou citlivější, pacienti by mohli potenciálně vyžadovat kratší doba skenování nebo menší dávky záření.
Northwestern Spinout Company Actinia Inc. komercializuje tuto technologii – spolupracuje s partnery v oblasti zdravotnických prostředků, aby ji vyřadila z laboratoře a do nemocnic. Protože je snazší růst a používat jednodušší komponenty, Perovskity nabízejí mnohem levnější alternativu k detektorům CZT a NAI bez obětování kvality. Detektory na bázi perovskitu také nabízejí realistickou cestu k zobrazování pomocí nižší dávky radiotraceru, než je možné použít s detektorem NAI, ale za cenu, která zajišťuje rozšířený přístup pacienta.
„Prokázání, že Perovskity mohou dodat jednofotonové zobrazení gama paprsků, je milníkem,“ řekl. „Ukazuje, že tyto materiály jsou připraveny k přesunu za laboratoř a do technologií, které přímo prospívají lidskému zdraví. Odtud vidíme příležitosti k upřesnění detektorů dále, rozšíření výroby a prozkoumání zcela nových pokynů v lékařském zobrazování.“
„Vysoce kvalitní jaderná medicína by neměla být omezena na nemocnice, které si mohou dovolit nejdražší vybavení,“ řekl Kanatzidis. „U perovskitů můžeme otevřít dveře jasnějším, rychlejším a bezpečnějším skenováním pro mnoho dalších pacientů po celém světě. Konečným cílem jsou lepší skenování, lepší diagnózy a lepší péče o pacienty.“
Reference: „Single foton γ-paprskové zobrazování s vysokou energií a prostorovým rozlišením perovskite polovodičové pro jadernou medicínu “od Nannan Shen, Xuchang HE, tinging Gao, Bao Xiao, Yuquan Wang, Ruohan Ren, Haoming Qin, ďxie, ďxie, xiao, ďxie, ďxie, ďxie, ďxie, ďxie, ďxie, ďxují, ďxují, ďájské, ďájské, ďájské, ďájské, ďájské. Ouyang, Shuquan Wei, Qiu Sun, Xueping Liu, Yifei Lai, Xiaoping Ouyang, Zhifang Chai, Mercouri G. Kanatzidis a Yihui He, 30. srpna 2025, Přírodní komunikace.
Dva: 10.1038/S41467-025-63400-7
Podporováno Agenturou pro snižování obranné hrozby (číslo ocenění HDTRA12020002), konsorciem pro interakci ionizujícího záření s aliancí pro výzkum angažovanosti Matter University, Národním klíčovým programem výzkumu a vývoje v Číně (číslo 2021YFF0502600), Národní přírodní vědecká nadace v Číně (ocenění U2267211) a Jiangsu (udělení BK2240822).
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
