Диво-матеріал, що творить революцію в медицині

Уявіть: ви лежите в КТ-сканері 45 хвилин, не рухаючись, руки над головою. Неприємно, правда? Саме так робили пацієнти в лондонській лікарні Royal Brompton, поки минулого року там не встановили новий апарат, який скоротив час процедури до 15 хвилин.

Такий результат став можливий не лише завдяки сучасній обробці зображень, а й через унікальний матеріал — сплав теллуриду кадмію та теллуриду цинку (CZT). Він дозволяє створювати тривимірні, високодеталізовані знімки легень пацієнтів.

"Ви отримуєте чудові зображення, — каже доктор Кшама Вечалекар, керівниця відділення ПЕТ/КТ-діагностики. - Це дивовижне досягнення інженерії та фізики".

Матеріал, що змінює медицину

CZT, встановлений у лікарні у серпні минулого року, виробляє британська компанія Kromek — одна з небагатьох у світі, здатних робити цей матеріал.

Можливо, ви ніколи про нього не чули, але, за словами доктора Вечалекар, CZT запускає справжню революцію в медичній візуалізації.

Цей "диво-матеріал" має безліч застосувань: від рентгенівських телескопів і детекторів радіації до сканерів безпеки в аеропортах. Попит на нього зростає щороку.

У лікарні Royal Brompton CZT допомагає виявляти дрібні згустки крові у пацієнтів з "тривалим COVID" та великі тромби, наприклад при тромбоемболії легенів.

Схема така: пацієнту вводять радіоактивну речовину, а апарат фіксує гамма-промені, які вона випромінює.

"Завдяки високій чутливості CZT дози можна знизити приблизно на 30%", — зазначає доктор Вечалекар.

Як створюють CZT

Сам матеріал відомий вже десятиліттями, але виробляти його вкрай складно.

"Щоб налагодити промислове виробництво, знадобилося багато часу", — пояснює Арнаб Басу, генеральний директор Kromek.

На заводі в Седжфілді стоїть 170 маленьких печей, а сама лабораторія за словами Басу нагадує "серверну ферму".

Спеціальний порошок розплавляють і формують у єдину кристалічну структуру — процес займає тижні. "Атом за атомом кристали вирівнюються, щоб все стало ідеально", — додає Басу.

CZT — це напівпровідник, який з неймовірною точністю фіксує навіть найдрібніші фотони рентгенівських і гамма-променів. Можна порівняти його з ультрачутливим сенсором камери у вашому смартфоні.

Коли високоефективний фотон потрапляє в CZT, він створює електронний сигнал, який апарат перетворює на зображення. Раніше сканери використовували менш точну двоступеневу систему.

"Це повністю цифровий процес, — пояснює Басу. — Вся важлива інформація — момент і енергія фотона — зберігається, і можна створювати кольорові та спектроскопічні зображення".

На службі науки та безпеки

Зараз матеріал використовують для виявлення вибухівки в британських аеропортах та для перевірки багажу в США.

"У найближчі роки CZT, ймовірно, з'явиться навіть для ручної поклажі", — додає Басу.

Але отримати цей матеріал не просто. Професор Генрик Кравчинські з університету Вашингтона застосовує CZT у космічних телескопах на висотних шарах, щоб фіксувати рентгенівські промені від нейтронних зірок та плазми навколо чорних дір.

Для своїх експериментів вчений потребує надтонких пластин CZT товщиною всього 0,8 мм — щоб зменшити фонове випромінювання і отримати чистий сигнал.

"Нам потрібно 17 нових детекторів, — каже він. — Знайти такі тонкі вкрай складно".

Компанія Kromek повністю завантажена замовленнями — попит величезний.

"Ми підтримуємо багато дослідницьких проєктів, — пояснює Басу. — Кожному потрібен унікальний тип детектора".

Наука нового рівня

Серйозні наукові проєкти теж залежать від CZT.

У Британії триває масштабне оновлення дослідницького центру Diamond Light Source.

Завдяки встановленню детекторів на основі CZT лабораторія отримає нові можливості для досліджень.

Diamond Light Source — це потужний синхротрон, який генерує надзвичайно яскраве рентгенівське випромінювання. Електрони розганяються майже до швидкості світла по величезному кільцю, а магніти змушують їх втрачати енергію у вигляді рентгенівських променів, які потім використовуються для аналізу матеріалів.

У центрі проводять дослідження в таких галузях, як медицина, біотехнологія, енергетика, матеріалознавство та вивчення змін клімату.

Наприклад, нещодавно вчені досліджували домішки в алюмінії під час його плавки, щоб покращити якість переробленого металу.

Після модернізації, яка завершиться до 2030 року, рентгенівські промені будуть набагато яскравіші, а старі сенсори не зможуть їх фіксувати.

"Немає сенсу витрачати мільйони на модернізацію, якщо не можна зафіксувати світло", — пояснює Метті Віл, керівник групи розробки детекторів.

І CZT знову доводить, що без нього не обійтися.