پزشکان از تکنیک‌های پزشکی هسته‌ای مانند اسکن‌های SPECT برای مشاهده نحوه پمپاژ قلب، ردیابی الگوهای جریان خون و شناسایی بیماری‌هایی که در اعماق بدن پنهان شده‌اند، استفاده می‌کنند. با این حال، اسکنرهای کنونی متکی به آشکارسازهایی هستند که هم پرهزینه‌اند و هم دشواری‌های زیادی در ساخت آنها وجود دارد.
اکنون، محققانی از دانشگاه نورث‌وسترن (Northwestern University) و دانشگاه سوژو (Soochow University) در چین، اولین آشکارساز مبتنی بر پروسکایت را توسعه داده‌اند که قادر است پرتوهای گامای مجزا را با دقت فوق‌العاده برای تصویربرداری SPECT ثبت کند. این نوآوری پتانسیل این را دارد که روش‌های پرکاربرد تصویربرداری هسته‌ای را دقیق‌تر، کارآمدتر، مقرون‌به‌صرفه‌تر و ایمن‌تر سازد.
برای بیماران، مزایای این امر می‌تواند شامل جلسات اسکن کوتاه‌تر، تصاویر تشخیصی واضح‌تر و قرار گرفتن در معرض تابش کمتر باشد. این مطالعه اخیراً در مجله Nature Communications منتشر شده است.
مرکوری کانازیدیس، نویسنده ارشد این مطالعه از دانشگاه نورث‌وسترن، می‌گوید:
پروسکایت‌ها خانواده‌ای از کریستال‌ها هستند که بیشتر به خاطر متحول کردن حوزه انرژی خورشیدی شناخته می‌شوند. اکنون، آنها آماده‌اند که همین کار را برای پزشکی هسته‌ای انجام دهند. این اولین اثبات واضح است که آشکارسازهای پروسکایتی می‌توانند تصاویر تیز و قابل اعتمادی را تولید کنند که پزشکان برای ارائه بهترین مراقبت به بیماران خود به آن نیاز دارند.
یی‌هوی هه، نویسنده همکار و استاد دانشگاه سوژو، می‌گوید:
ویکرد ما نه تنها عملکرد آشکارسازها را بهبود می‌بخشد، بلکه می‌تواند هزینه‌ها را نیز کاهش دهد. این بدان معناست که در نهایت بیمارستان‌ها و کلینیک‌های بیشتری می‌توانند به بهترین فناوری‌های تصویربرداری دسترسی داشته باشند.
کانازیدیس، استاد شیمی در کالج هنر و علوم واینبرگ دانشگاه نورث‌وسترن و دانشمند ارشد در آزمایشگاه ملی آرگون بوده و یی‌هوی هه، همکار سابق پسادکتری آزمایشگاه کانازیدیس است.
چرا آشکارسازهای کنونی ناکارآمد هستند؟
تکنیک‌های پزشکی هسته‌ای مانند SPECT (توموگرافی کامپیوتری انتشار تک‌فوتونی) مانند یک دوربین نامرئی عمل می‌کنند. یک پزشک مقدار کمی از یک ردیاب رادیویی ایمن و با عمر کوتاه را به ناحیه هدف‌گیری شده بدن بیمار تزریق می‌کند. این ردیاب پرتوهای گاما منتشر می‌کند که از بافت‌ها عبور کرده و سپس توسط یک آشکارساز در خارج از بدن ثبت می‌شوند. هر پرتو گاما مانند یک پیکسل نور عمل می‌کند و وقتی میلیون‌ها از این پیکسل‌ها ثبت می‌شوند، کامپیوترها آنها را در یک تصویر سه‌بعدی از فعالیت اندام مونتاژ می‌کنند.
آشکارسازهای کنونی معمولاً از تلورید کادمیوم روی (CZT) یا یدید سدیم (NaI) ساخته می‌شوند، اما هر دو گزینه دارای نقاط ضعفی هستند. آشکارسازهای CZT فوق‌العاده پرهزینه‌اند و اغلب قیمت آنها برای هر دوربین بین صدها هزار تا میلیون‌ها دلار است، علاوه بر این، کریستال‌های آنها شکننده هستند که تولیدشان را دشوار می‌سازد. آشکارسازهای NaI ارزان‌ترند اما بزرگ‌تر بوده و تصاویر کم‌دقت‌تری تولید می‌کنند، شبیه به نگاه کردن از پشت یک پنجره مه‌آلود.
برای رفع این چالش‌ها، تیم تحقیقاتی به کریستال‌های پروسکایت روی آوردند که کانازیدیس بیش از ده سال است که در حال مطالعه آن‌هاست. در سال 2012، گروه او اولین سلول‌های خورشیدی با فیلم جامد را با استفاده از پروسکایت‌ها ساخت. تا سال 2013، او نشان داد که کریستال‌های تک‌پروسکایتی می‌توانند به‌طور مؤثر پرتوهای ایکس و گاما را تشخیص دهند. این پیشرفت، که از طریق توانایی تیم او در رشد کریستال‌های با کیفیت بالا ممکن شد، موجی از تحقیقات بین‌المللی را آغاز کرد و به تأسیس حوزه جدیدی با تمرکز بر مواد تشخیص تابش کمک کرد.
عملکرد تصویربرداری رکوردشکن
کانازیدیس می‌گوید:
این کار نشان می‌دهد که تا کجا می‌توانیم آشکارسازهای پروسکایتی را فراتر از آزمایشگاه پیش ببریم. وقتی برای اولین بار در سال 2013 کشف کردیم که کریستال‌های تک‌پروسکایتی می‌توانند پرتوهای ایکس و گاما را تشخیص دهند، تنها می‌توانستیم پتانسیل آنها را تصور کنیم. اکنون، ما نشان می‌دهیم که آشکارسازهای مبتنی بر پروسکایت می‌توانند وضوح و حساسیتی را که برای کاربردهای حیاتی مانند تصویربرداری پزشکی هسته‌ای مورد نیاز است، ارائه دهند. دیدن اینکه این فناوری به تأثیرگذاری در دنیای واقعی نزدیک‌تر می‌شود، هیجان‌انگیز است.
بر اساس این نتایج، کانازیدیس و هه رهبری رشد کریستال، مهندسی سطح و طراحی دستگاه را برای مطالعه جدید بر عهده داشتند. محققان با رشد و شکل‌دهی دقیق این کریستال‌ها، یک حسگر پیکسلی ایجاد کردند – درست مانند پیکسل‌های دوربین گوشی هوشمند – که وضوح و پایداری رکوردشکن را ارائه می‌دهد.
هه، که رهبری طراحی و توسعه نمونه اولیه آشکارساز پرتو گاما را بر عهده داشت، معماری پیکسلی دوربین را توسعه داد، الکترونیک خوانش چندکاناله را بهینه کرد و آزمایش‌های تصویربرداری با وضوح بالا را انجام داد که قابلیت‌های دستگاه را تأیید کرد. هه، کانازیدیس و تیمشان نشان دادند که آشکارسازهای مبتنی بر پروسکایت می‌توانند به بهترین وضوح انرژی و عملکرد تصویربرداری تک‌فوتونی بی‌سابقه‌ای دست یابند و راه را برای ادغام عملی در سیستم‌های تصویربرداری پزشکی هسته‌ای نسل بعدی هموار سازند.
تأثیر و تجاری‌سازی در دنیای واقعی
هه می‌گوید:
طراحی این دوربین پرتو گاما و نشان دادن عملکرد آن فوق‌العاده ارزشمند بوده است. با ترکیب کریستال‌های پروسکایتی با کیفیت بالا با یک آشکارساز پیکسلی با دقت بهینه‌سازی شده و سیستم خوانش چندکاناله، توانستیم به وضوح انرژی و قابلیت‌های تصویربرداری رکوردشکن دست پیدا کنیم. این کار پتانسیل واقعی آشکارسازهای مبتنی بر پروسکایت برای متحول کردن تصویربرداری پزشکی هسته‌ای را نشان می‌دهد.
در آزمایش‌ها، آشکارساز توانست پرتوهای گاما با انرژی‌های مختلف را با بهترین وضوح گزارش شده تاکنون تمایز دهد. این آشکارساز همچنین توانست سیگنال‌های فوق‌العاده ضعیف یک ردیاب رادیویی پزشکی (تکنسیم-۹۹m) که معمولاً در عمل بالینی استفاده می‌شود را حس کند و جزئیات فوق‌العاده ظریف را تشخیص دهد و تصاویر واضحی تولید کند که می‌توانست منابع رادیواکتیو کوچک با فاصله تنها چند میلی‌متر از هم را تفکیک کند. این آشکارساز همچنین بسیار پایدار باقی ماند و تقریباً تمام سیگنال ردیاب را بدون از دست دادن یا اعوجاج جمع‌آوری کرد. از آنجایی‌که این آشکارسازهای جدید حساس‌تر هستند، بیماران به طور بالقوه ممکن است به زمان اسکن کوتاه‌تر یا دوزهای کمتری از تابش نیاز داشته باشند.
شرکت اکتینیا (.Actinia Inc) که یک شرکت اسپین‌آف (نوپا) از نورث‌وسترن است، در حال تجاری‌سازی این فناوری است – با همکاری شرکای خود در حوزه دستگاه‌های پزشکی تا آن را از آزمایشگاه به بیمارستان‌ها بیاورد. از آنجایی‌که پروسکایت‌ها راحت‌تر رشد کرده و از اجزای ساده‌تری استفاده می‌کنند، جایگزین بسیار ارزان‌تری برای آشکارسازهای CZT و NaI بدون قربانی کردن کیفیت ارائه می‌دهند. آشکارسازهای مبتنی بر پروسکایت همچنین یک مسیر واقع‌بینانه برای تصویربرداری با استفاده از دوز کمتری از ردیاب رادیویی نسبت به آنچه که با آشکارساز NaI قابل استفاده است، فراهم می‌کنند، اما با قیمتی که دسترسی گسترده بیماران را تضمین می‌کند.
هه می‌گوید:
نشان دادن اینکه پروسکایت‌ها می‌توانند تصویربرداری تک‌فوتونی پرتو گاما را ارائه دهند، یک نقطه عطف است. این نشان می‌دهد که این مواد آماده‌اند تا فراتر از آزمایشگاه رفته و وارد فناوری‌هایی شوند که مستقیماً به سلامت انسان کمک می‌کنند. از اینجا به بعد، ما فرصت‌هایی برای بهبود بیشتر آشکارسازها، افزایش تولید و کشف مسیرهای کاملاً جدید در تصویربرداری پزشکی می‌بینیم.
کانازیدیس می‌گوید:
پزشکی هسته‌ای با کیفیت بالا نباید محدود به بیمارستان‌هایی باشد که می‌توانند گران‌ترین تجهیزات را تهیه کنند. با استفاده از پروسکایت‌ها، می‌توانیم درهای اسکن‌های واضح‌تر، سریع‌تر و ایمن‌تر را برای تعداد بیشتری از بیماران در سراسر جهان باز کنیم. هدف نهایی، اسکن‌های بهتر، تشخیص‌های بهتر و مراقبت بهتر برای بیماران است.
منبع: Scitechdaily
