Perowskity to rodzina materiałów o specyficznej strukturze krystalicznej (ogólny wzór ABX3), która może występować naturalnie lub być wytwarzana sztucznie. Nazwa pochodzi od minerału perowskitu (tytanianu wapnia, CaTiO3). Współcześnie termin ten odnosi się głównie do syntetycznych związków o takiej strukturze, które mają cenne właściwości, zwłaszcza wysoką efektywność pochłaniania światła i niskie koszty produkcji, co czyni je obiecującym materiałem w technologii fotowoltaicznej.

Jak jednak wykazali naukowcy z Northwestern University (USA) oraz Soochow University (Chiny), kryształy perowskitów nadają się także do produkcji detektorów promieniowania gamma. W szczególności chodzi o zbudowane z wielu takich detektorów gammakamery, które pozwalają uwidocznić ślady podanego pacjentowi radioizotopu. Skupisko izotopu lub jego miejscowy brak w badanym narządzie mogą świadczyć o zmianie chorobowej. Można obserwować pracę serca, śledzić przepływ krwi czy wykrywać guzy nowotworowe.

Obecnie w roli detektora stosuje się kryształy scyntylacyjne, które pod wpływem promieniowania emitują błyski świetlne, wykrywane następnie przez fotopowielacze. Materiałem na detektor może być na przykład domieszkowany talem kryształ jodku sodu (NaI) albo tellurku kadmowo-cynkowego (CZT).

Detektory CZT są niezwykle drogie – cena zbudowanej z nich gammakamery sięga setek tysięcy, a nawet milionów dolarów. Kryształy CZT są kruche i podatne na pękanie, co utrudnia proces produkcyjny. Tańsze detektory NaI generują obrazy gorszej jakości, a ich wytwarzanie również nie jest łatwe.

Tymczasem perowskit zapewnia ostrzejsze, bardziej szczegółowe obrazy, których utworzenie trwa krócej niż w przypadku dotychczasowych gammakamer. Dużo tańsze i prostsze technologicznie jest też wytworzenie krystalicznych detektorów z perowskitu.

Zdaniem autorów perowskitowy detektor promieniowania gamma zrewolucjonizuje obrazowanie medycyny nuklearnej, zapewniając lepszą jakość obrazów przy niższych kosztach, krótszym czasie skanowania i niższej dawce promieniowania. Powinno to zwiększyć dostępność zaawansowanej diagnostyki.

„Perowskity to rodzina kryształów najbardziej znana z tego, że przekształciły energetykę słoneczną” – powiedział Mercouri Kanatzidis z Northwestern University, główny autor badania, cytowany w materiałach prasowych. „Teraz mogą zrobić to samo w medycynie nuklearnej. To pierwszy wyraźny dowód na to, że detektory perowskitowe mogą generować ostre i wiarygodne obrazy, których lekarze potrzebują, aby zapewnić swoim pacjentom najlepszą opiekę” - dodał.

„Nasze podejście nie tylko poprawia wydajność detektorów, ale może także obniżyć koszty” – powiedział współautor artykułu, Yihui He, profesor Uniwersytetu Soochow. „Oznacza to, że więcej szpitali i klinik będzie mogło w końcu uzyskać dostęp do najlepszych technologii obrazowania” - zauważył.

„Zaprojektowanie tej kamery promieniowania gamma i zademonstrowanie jej wydajności było niezwykle satysfakcjonujące – podkreślił He. - Połączenie wysokiej jakości kryształów perowskitu ze starannie zoptymalizowanym detektorem pikselowym i wielokanałowym systemem odczytu pozwoliło nam osiągnąć rekordową rozdzielczość energetyczną i możliwości obrazowania. Ta praca pokazuje prawdziwy potencjał detektorów opartych na perowskitach w transformacji obrazowania medycyny nuklearnej”.

W eksperymentach detektor był w stanie rozróżniać promieniowanie gamma o różnych energiach z najlepszą z dotychczas zgłoszonych rozdzielczością. Wykrył również niezwykle słabe sygnały z medycznego radioznacznika (technetu-99m), powszechnie stosowanego w praktyce klinicznej, i rozróżnił niezwykle drobne struktury, generując ostre obrazy, ukazujące niewielkie źródła promieniowania oddalone od siebie o zaledwie kilka milimetrów. Detektor zachował również wysoką stabilność, rejestrując niemal cały sygnał radioznacznika bez strat i zniekształceń. Ponieważ nowe detektory są bardziej czułe, pacjenci potencjalnie mogą wymagać krótszych czasów skanowania lub mniejszych dawek promieniowania.

Firma Actinia Inc. (spin-out z Northwestern) komercjalizuje tę technologię – współpracując z partnerami z branży urządzeń medycznych, aby przenieść ją z laboratoriów do szpitali. Perowskity, ze względu na łatwiejszą produkcję i prostsze komponenty, stanowią znacznie tańszą alternatywę dla detektorów CZT i NaI bez utraty jakości.

„Wysokiej jakości medycyna nuklearna nie powinna być ograniczona do szpitali, które mogą sobie pozwolić na najdroższy sprzęt – powiedział Kanatzidis. - Dzięki perowskitom możemy otworzyć drzwi do wyraźniejszych, szybszych i bezpieczniejszych badań obrazowych dla znacznie większej liczby pacjentów na całym świecie. Ostatecznym celem jest lepsza jakość badań, lepsza diagnoza i lepsza opieka nad pacjentami”.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ bar/