Perowskity wkraczają do medycyny. Do tej pory kojarzono je z zupełnie inną dziedziną
Perowskity, dotąd kojarzone głównie z fotowoltaiką, pokazują swój potencjał w zupełnie nowej dziedzinie. Zespół badaczy z Northwestern University i Soochow University stworzył kamerę wykorzystującą kryształy CsPbBr3 do obrazowania wnętrza ludzkiego organizmu. Technologia ta ma szczególne znaczenie dla medycyny nuklearnej, w tym dla tomografii komputerowej pojedynczych fotonów (SPECT).
Perowskity to rodzina kryształów najbardziej znana z przekształcenia dziedziny energii słonecznej. Teraz są gotowe, by zrobić to samo dla medycyny nuklearnej – wyjaśnia Mercouri Kanatzidis, Northwestern University
Czytaj też: Powstała kwantowa karta debetowa. Tych pieniędzy nie da się podrobić
Profesor Kanatzidis od lat jest pionierem badań nad perowskitami. Jego zespół już w 2012 roku stworzył pierwsze ogniwa słoneczne z tych materiałów, a rok później wykazał, że pojedyncze kryształy perowskitu mogą skutecznie wykrywać promienie X i gamma. Obecne systemy obrazowania nuklearnego borykają się z poważnymi ograniczeniami. Detektory CZT, choć precyzyjne, są niezwykle kosztowne, ponieważ cena jednej kamery sięga setek tysięcy, a nawet milionów dolarów. Dodatkowo są kruche i trudne w produkcji. Tańsze detektory z jodku sodu mają z kolei inne wady: zajmują więcej miejsca i generują mniej wyraźne obrazy. Nic dziwnego, że wysokiej jakości obrazowanie nuklearne pozostaje dostępne głównie dla najlepiej finansowanych placówek medycznych.
Nasze podejście nie tylko poprawia wydajność detektorów, ale także może obniżyć koszty. To oznacza, że więcej szpitali i klinik może ostatecznie mieć dostęp do najlepszych technologii obrazowania – zauważa Yihui He, Soochow University
Rekordowe parametry nowej technologii
Nowy detektor perowskitowy osiągnął rozdzielczość energetyczną 2,5% przy 141 keV i 1,0% przy 662 keV, przewyższając obecne systemy CZT. Najlepszy wynik z pojedynczego piksela to niespotykana rozdzielczość 0,87% przy 662 keV. Kluczem do sukcesu okazało się polerowanie chemiczno-mechaniczne powierzchni kryształów, które zmniejszyło chropowatość z 15,8 nanometrów do zaledwie 5,5 nanometrów. To pozwoliło znacząco poprawić jednorodność i wydajność zbierania ładunku elektrycznego.
Projektowanie tej kamery do promieni gamma i demonstracja jej wydajności było niezwykle satysfakcjonujące. Łącząc wysokiej jakości kryształy perowskitu z dokładnie zoptymalizowanym detektorem pikselowym, udało nam się osiągnąć rekordową rozdzielczość energetyczną – dodaje He
Czytaj też: Akumulator cynkowo-powietrzny bije rekordy wytrzymałości. Dotychczasowi dominatorzy pójdą w odstawkę
W testach praktycznych detektor wykazał zdolność do oddzielenia małych źródeł promieniotwórczych znajdujących się zaledwie kilka milimetrów od siebie, osiągając rozdzielczość przestrzenną 3,2-3,8 mm. Urządzenie skutecznie wykrywało także technet-99m, czyli najczęściej używany w praktyce klinicznej znacznik radioaktywny. Czułość detektora wynosi od 0,13% do 0,21% cps/Bq, co zapewnia wysoką jakość obrazowania przy minimalnej ekspozycji pacjenta na promieniowanie. Ważne jest również, iż technologia wykazała się stabilnością. Przez ponad 33 dni ciągłych testów nie zaobserwowano degradacji wydajności.
Kiedy ta technologia trafi do szpitali?
Firma Actinia Inc., pozwiązana z Northwestern University, już pracuje nad komercjalizacją rozwiązania. Współpracuje z partnerami z branży urządzeń medycznych, aby wprowadzić je do szpitali.
Wysokiej jakości medycyna nuklearna nie powinna być ograniczona do szpitali, które mogą sobie pozwolić na najdroższy sprzęt. Dzięki perowskitom możemy otworzyć drzwi do wyraźniejszych, szybszych i bezpieczniejszych skanów dla wielu innych pacjentów na całym świecie – podsumowuje Kanatzidis
Badacze podkreślają, że to dopiero początek. Planują dalsze udoskonalenia detektorów, zwiększenie skali produkcji oraz eksplorację nowych kierunków w obrazowaniu medycznym. Jeśli obietnice się spełnią, może to oznaczać prawdziwą zmianę w dostępności wysokiej jakości diagnostyki. Patrząc realistycznie, zawsze istnieje ryzyko, że obiecujące technologie laboratoryjne napotkają nieprzewidziane przeszkody przy skalowaniu produkcji. Jednak potencjał jest niewątpliwie ogromny. Perowskitowe detektory mogą zrewolucjonizować medycynę nuklearną, oferując lepsze diagnozy przy niższych kosztach. Czas pokaże, czy uda się przełożyć laboratoryjne sukcesy na praktykę kliniczną.