Лежать на спине в большом больничном сканере, как можно неподвижнее, с поднятым над головой телом – 45 минут. Звучит не очень приятно.
Именно так приходилось пациентам Королевской больницы Бромптона в Лондоне проходить некоторые обследования легких, пока в прошлом году больница не установила новое устройство, сократившее эти обследования до 15 минут.
Это отчасти благодаря технологии обработки изображений в сканере, а также специальному материалу, называемому теллуридом кадмия-цинка (CZT), который позволяет аппарату создавать высокодетализированные трехмерные изображения легких пациентов.
«С этого сканера получаются прекрасные снимки», – говорит доктор Кшама Вечалекар, руководитель отделения ядерной медицины и ПЭТ. «Это удивительное достижение инженерной и физики».
CZT в аппарате, установленном в больнице в августе прошлого года, был произведен британской компанией Kromek. Kromek — одна из немногих компаний в мире, способных производить CZT. Возможно, вы никогда не слышали об этом веществе, но, по словам доктора Вечалекар, оно совершает «революцию» в медицинской визуализации.
Этот чудо-материал имеет множество других применений, например, в рентгеновских телескопах, детекторах излучения и сканерах безопасности в аэропортах. И он становится все более востребованным.
Исследования легких пациентов, проводимые доктором Вечалекар и ее коллегами, включают поиск множества крошечных тромбов у людей с длительным COVID-19 или более крупных тромбов, известных как легочная эмболия, например.
Сканер стоимостью 1 миллион фунтов стерлингов работает за счет обнаружения гамма-лучей, испускаемых радиоактивным веществом, которое вводится в организм пациентов.
Но благодаря высокой чувствительности сканера требуется меньше этого вещества, чем раньше: «Мы можем снизить дозы примерно на 30%», — говорит доктор Вечалекар. Хотя сканеры на основе CZT в целом не являются чем-то новым, большие сканеры для всего тела, подобные этому, — относительно недавнее нововведение.
Сам CZT существует уже несколько десятилетий, но его производство крайне затруднительно. «Потребовалось много времени, чтобы разработать процесс промышленного производства», — говорит Арнаб Басу, основатель и генеральный директор Kromek.
На предприятии компании в Седжфилде в помещении, которое доктор Басу описывает как «серверную ферму», находится 170 небольших печей.
В этих печах специальный порошок нагревается, расплавляется, а затем затвердевает, образуя монокристаллическую структуру. Весь процесс занимает несколько недель. «Атом за атомом кристаллы перестраиваются […] так, что все они выравниваются», — говорит доктор Басу.
Вновь образованный CZT, полупроводник, способен с невероятной точностью обнаруживать мельчайшие фотонные частицы в рентгеновских и гамма-лучах — подобно высокоспециализированной версии кремниевого датчика изображения в камере вашего смартфона.
При попадании высокоэнергетического фотона на CZT происходит высвобождение электрона, и этот электрический сигнал может быть использован для создания изображения. Ранее в технологиях сканирования использовался двухэтапный процесс, который был менее точным.
«Это цифровой процесс», — говорит доктор Басу. «Это одноэтапное преобразование. Он сохраняет всю важную информацию, такую как время, энергия рентгеновского излучения, попадающего на детектор CZT — можно создавать цветные или спектроскопические изображения».
Он добавляет, что сканеры на основе CZT в настоящее время используются для обнаружения взрывчатых веществ в аэропортах Великобритании, а также для сканирования зарегистрированного багажа в некоторых аэропортах США. «Мы ожидаем, что CZT появится в сегменте ручной клади в течение следующих [нескольких] лет».
Но достать CZT не всегда легко.
Хенрик Кравчински из Вашингтонского университета в Сент-Луисе (США) ранее использовал этот материал в космических телескопах, прикрепленных к высотным аэростатам. Эти детекторы могут улавливать рентгеновские лучи, испускаемые как нейтронными звездами, так и плазмой вокруг черных дыр.
Профессор Кравчински хочет использовать очень тонкие, 0,8-миллиметровые кусочки CZT для своих телескопов, потому что это помогает уменьшить количество фонового излучения, которое они улавливают, что позволяет получать более четкий сигнал. «Мы хотели бы купить 17 новых детекторов», — говорит он. «Добиться таких тонких очень сложно».
Ему не удалось получить CZT от компании Kromek. Доктор Басу говорит, что в данный момент у его фирмы высокий спрос. «Мы поддерживаем множество исследовательских организаций, — добавляет он, — нам очень сложно делать сотню разных вещей. Каждому исследовательскому проекту нужна специфическая структура детектора».
Для профессора Кравчинского это не кризис — он говорит, что для своей следующей миссии он может использовать либо CZT, который у него остался от предыдущих исследований, либо теллурид кадмия, альтернативный вариант.
Однако сейчас есть более серьезные проблемы. Предстоящая миссия должна была начаться в Антарктиде в декабре, но «все даты неопределенны», — говорит профессор Кравчинский, из-за приостановки работы правительства США.
Многие другие ученые используют CZT. В Великобритании масштабная модернизация исследовательского центра Diamond Light Source в Оксфордшире, стоимостью полмиллиарда фунтов стерлингов, улучшит его возможности благодаря установке детекторов на основе CZT.
Diamond Light Source — это синхротрон, который запускает электроны по гигантскому кольцу со скоростью, близкой к скорости света. Магниты заставляют эти стремительно движущиеся электроны терять часть энергии в виде рентгеновских лучей, которые направляются за пределы кольца по каналам пучка, чтобы их можно было использовать, например, для анализа материалов.
Некоторые недавние эксперименты были связаны с исследованием примесей в алюминии во время его плавления. Лучшее понимание этих примесей может помочь улучшить переработку металла.
После модернизации Diamond Light Source, которая должна завершиться в 2030 году, производимые рентгеновские лучи будут значительно ярче, а это значит, что существующие датчики не смогут их должным образом обнаружить.
«Нет смысла тратить все эти деньги на модернизацию этих установок, если вы не можете обнаружить излучаемый ими свет», — говорит Мэтт Вил, руководитель группы разработки детекторов в Совете по научно-техническим разработкам, который является мажоритарным владельцем Diamond Light Source.
Именно поэтому здесь также предпочтительным материалом является CZT.