آشکارساز‌های جدید ثبت تصاویر پزشکی را سرعت میبخشند!

به گزارش مجله خبری نگار/آنا،پزشکان از تکنیک‌های پزشکی هسته‌ای مانند اسکن SPECT برای مشاهده نحوه پمپاژ قلب، دنبال کردن جریان خون و شناسایی بیماری‌هایی که در اعماق بدن پنهان هستند، استفاده می‌کنند. با این حال، اسکنر‌های فعلی به آشکارساز‌هایی وابسته‌اند که هم پرهزینه و هم دشوار برای تولید هستند.

پژوهشگرانی از دانشگاه نورث‌وسترن و دانشگاه سوچو در چین اکنون اولین آشکارساز مبتنی بر پرواسکایت را توسعه داده‌اند که قادر است هر پرتو گاما را با دقت استثنایی برای تصویربرداری SPECT ثبت کند. این نوآوری می‌تواند روش‌های رایج تصویربرداری هسته‌ای را دقیق‌تر، کارآمدتر، ارزان‌تر و ایمن‌تر کند.

برای بیماران، مزایای آن می‌تواند شامل جلسات کوتاه‌تر اسکن، تصاویر تشخیصی واضح‌تر و کاهش میزان تابش اشعه باشد. این مطالعه اخیراً در مجله (Nature Communications) منتشر شده است.

مرکوری کاناتزی‌دی، پژوهشگر ارشد دانشگاه نورث‌وسترن و نویسنده اصلی مقاله، گفت: «پرواسکایت‌ها خانواده‌ای از کریستال‌ها هستند که بیش از همه برای تحول در حوزه انرژی خورشیدی شناخته شده‌اند. اکنون آنها آماده‌اند همان نقش را در پزشکی هسته‌ای ایفا کنند. این نخستین شواهد واضح است که نشان می‌دهد آشکارساز‌های پرواسکایت می‌توانند تصاویر واضح و قابل اعتمادی تولید کنند که پزشکان برای ارائه بهترین مراقبت به بیماران به آن نیاز دارند.»

یحوی هی، استاد دانشگاه سوچو و نویسنده همکار مقاله، افزود: «روش ما نه تنها عملکرد آشکارساز‌ها را بهبود می‌بخشد، بلکه می‌تواند هزینه‌ها را کاهش دهد. این یعنی در نهایت، بیمارستان‌ها و کلینیک‌های بیشتری می‌توانند به بهترین فناوری‌های تصویربرداری دسترسی پیدا کنند.»

کاناتزی‌دی استاد شیمی دانشگاه نورث‌وسترن و دانشمند ارشد آزمایشگاه ملی آرگون است. یحوی هی از پژوهشگران پست‌دکتری پیشین در آزمایشگاه کاناتزی‌دی بوده است.

تکنیک‌های پزشکی هسته‌ای مانند SPECT مانند یک دوربین نامرئی عمل می‌کنند. پزشک یک رادیوترکر کوچک، ایمن و کوتاه‌عمر را به ناحیه‌ای از بدن بیمار تزریق می‌کند. این ردیاب پرتو‌های گاما آزاد می‌کند که از بافت‌ها عبور کرده و توسط آشکارساز خارج از بدن ثبت می‌شوند. هر پرتو گاما مانند یک پیکسل نور عمل می‌کند و هنگامی که میلیون‌ها پیکسل ثبت شوند، کامپیوتر‌ها آنها را به تصویر سه‌بعدی از فعالیت اندام تبدیل می‌کنند.

آشکارساز‌های فعلی معمولاً از کادمیوم زینک تلورید (CZT) یا یدید سدیم (NaI) ساخته می‌شوند، اما هر دو دارای محدودیت هستند. آشکارساز‌های CZT بسیار پرهزینه هستند و کریستال‌های آنها شکننده بوده و تولیدشان دشوار است. آشکارساز‌های NaI ارزان‌تر هستند، اما حجیم‌اند و تصاویر کمتر دقیقی ارائه می‌دهند، شبیه نگاه کردن از پشت پنجره‌ای مه‌آلود.

برای رفع این مشکلات، تیم پژوهشی به کریستال‌های پرواسکایت روی آورد، که کاناتزی‌دی بیش از ده سال است آنها را مطالعه می‌کند. در سال ۲۰۱۲، گروه او نخستین سلول‌های خورشیدی فیلم‌سخت با استفاده از پرواسکایت را ایجاد کردند و در سال ۲۰۱۳ نشان دادند که کریستال‌های منفرد پرواسکایت می‌توانند پرتو‌های ایکس و گاما را به‌طور مؤثر تشخیص دهند. این پیشرفت که با توانایی تیم در رشد کریستال‌های باکیفیت ممکن شد، موجی از تحقیقات بین‌المللی را آغاز کرد و زمینه‌ای نو در حوزه مواد آشکارسازی پرتو ایجاد کرد.

عملکرد تصویربرداری رکوردشکن

کاناتزی‌دی گفت: «این کار نشان می‌دهد تا چه حد می‌توان آشکارساز‌های پرواسکایت را فراتر از آزمایشگاه پیش برد. وقتی در سال ۲۰۱۳ کشف کردیم که کریستال‌های منفرد پرواسکایت می‌توانند پرتو‌های ایکس و گاما را تشخیص دهند، تنها پتانسیل آنها را تصور می‌کردیم. اکنون نشان می‌دهیم که آشکارساز‌های مبتنی بر پرواسکایت می‌توانند وضوح و حساسیت لازم برای کاربرد‌های چالش‌برانگیزی مانند تصویربرداری پزشکی هسته‌ای را ارائه دهند. دیدن این که این فناوری به استفاده واقعی نزدیک می‌شود، بسیار هیجان‌انگیز است.»

بر اساس این پایه، کاناتزی‌دی و هی رهبری رشد کریستال، مهندسی سطح و طراحی دستگاه را برای این مطالعه جدید بر عهده داشتند. با رشد و شکل‌دهی دقیق این کریستال‌ها، پژوهشگران یک حسگر پیکسلی ایجاد کردند درست مانند پیکسل‌های دوربین تلفن هوشمند که وضوح و پایداری رکوردشکن ارائه می‌دهد.

هی که رهبری طراحی و توسعه نمونه اولیه آشکارساز پرتو گاما را بر عهده داشت، معماری پیکسلی دوربین را توسعه داد، الکترونیک چندکاناله خوانش داده‌ها را بهینه کرد و آزمایش‌های تصویربرداری با وضوح بالا را انجام داد که قابلیت‌های دستگاه را تأیید کرد. هی، کاناتزی‌دی و تیمشان نشان دادند که آشکارساز‌های مبتنی بر پرواسکایت می‌توانند به رزولوشن انرژی رکوردشکن و عملکرد تصویربرداری تک‌فوتونی بی‌سابقه‌ای دست یابند و مسیر را برای یکپارچه‌سازی عملی در سیستم‌های تصویربرداری نسل بعدی پزشکی هسته‌ای هموار کنند.

هی گفت: «طراحی این دوربین پرتو گاما و نشان دادن عملکرد آن بسیار رضایت‌بخش بوده است. با ترکیب کریستال‌های پرواسکایت باکیفیت بالا و یک آشکارساز پیکسلی به‌دقت بهینه‌شده و سیستم خوانش چندکاناله، توانستیم به رزولوشن انرژی و قابلیت‌های تصویربرداری رکوردشکن دست پیدا کنیم. این کار نشان می‌دهد که آشکارساز‌های مبتنی بر پرواسکایت پتانسیل واقعی برای تحول در تصویربرداری پزشکی هسته‌ای دارند.»

در آزمایش‌ها، این آشکارساز توانست پرتو‌های گامای با انرژی‌های مختلف را با بهترین وضوح ثبت‌شده تا به امروز تشخیص دهد. همچنین سیگنال‌های بسیار ضعیف ناشی از ردیاب پزشکی (تکنسیوم-۹۹م) که معمولاً در عمل بالینی استفاده می‌شود را حس کرده و ویژگی‌های بسیار ریز را از هم تمایز داد و تصاویر شفافی تولید کرد که می‌توانست منابع رادیواکتیو بسیار کوچک با فاصله تنها چند میلی‌متر را از هم جدا کند. آشکارساز همچنین پایداری بالایی داشت و تقریباً تمام سیگنال ردیاب را بدون از دست رفتن یا اعوجاج جمع‌آوری کرد. به دلیل حساسیت بالاتر این آشکارساز‌های جدید، بیماران به‌طور بالقوه می‌توانند به جلسات اسکن کوتاه‌تر یا دوز‌های کمتر تابش نیاز داشته باشند.

شرکت Actinia Inc که از دانشگاه نورث‌وسترن منشعب شده، در حال تجاری‌سازی این فناوری است و با شرکای حوزه تجهیزات پزشکی همکاری می‌کند تا آن را از آزمایشگاه به بیمارستان‌ها منتقل کند. با توجه به این که رشد کریستال‌های پرواسکایت آسان‌تر است و از اجزای ساده‌تری استفاده می‌کند، این مواد جایگزینی بسیار ارزان‌تر برای آشکارساز‌های CZT و NaI ارائه می‌دهند بدون این که کیفیت کاهش یابد. آشکارساز‌های مبتنی بر پرواسکایت همچنین مسیر واقع‌بینانه‌ای برای تصویربرداری با دوز کمتر ردیاب نسبت به آشکارساز NaI ارائه می‌کنند، با قیمتی که دسترسی گسترده بیماران را تضمین می‌کند.

هی گفت: «نشان دادن این که پرواسکایت‌ها می‌توانند تصویربرداری تک‌فوتونی پرتو گاما انجام دهند، یک نقطه عطف است. این نشان می‌دهد که این مواد آماده‌اند فراتر از آزمایشگاه حرکت کنند و به فناوری‌هایی تبدیل شوند که مستقیماً به سلامت انسان کمک می‌کنند. از اینجا، فرصت‌هایی برای بهینه‌سازی بیشتر آشکارسازها، افزایش تولید و کشف مسیر‌های کاملاً جدید در تصویربرداری پزشکی می‌بینیم.»

به گزارش (scitechdaily) کاناتزی‌دی افزود: «تصویربرداری پزشکی هسته‌ای باکیفیت نباید محدود به بیمارستان‌هایی باشد که می‌توانند گران‌ترین تجهیزات را تأمین کنند. با پرواسکایت‌ها، می‌توانیم در‌های اسکن‌های واضح‌تر، سریع‌تر و ایمن‌تر را برای بیماران بیشتری در سراسر جهان باز کنیم. هدف نهایی، اسکن بهتر، تشخیص بهتر و مراقبت بهتر از بیماران است.»