Οι γιατροί, για να παρακολουθούν την καρδιακή λειτουργία και τη ροή του αίματος και για να ανιχνεύουν ασθένειες που κρύβονται βαθιά μέσα στο σώμα, βασίζονται σε σαρώσεις πυρηνικής ιατρικής, όπως είναι η SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography). Ωστόσο, οι σημερινοί σαρωτές εξαρτώνται από ακριβούς ανιχνευτές, οι οποίοι είναι δύσκολο να κατασκευαστούν.
Τώρα, επιστήμονες στις ΗΠΑ κατασκεύασαν τον πρώτο ανιχνευτή με βάση ένα πρωτοποριακό υλικό, τον περοβσκίτη, το οποίο μπορεί να συλλαμβάνει μεμονωμένες ακτίνες γ για απεικόνιση SPECT με πρωτοφανή ακρίβεια. Το νέο εργαλείο υπόσχεται να κάνει την κοινή απεικόνιση πυρηνικής ιατρικής πιο ευκρινή, ταχύτερη, φθηνότερη και ασφαλέστερη. Για τους ασθενείς, αυτό μεταφράζεται σε μικρότερους χρόνους σάρωσης, σε χαμηλότερες δόσεις ακτινοβολίας και σε πιο καθαρά αποτελέσματα.
Η είδηση βέβαια εδώ είναι πως ο νέος ανιχνευτής φέρει ελληνική υπογραφή!
«Οι περοβσκίτες είναι μια οικογένεια κρυστάλλων που έχουν μετασχηματίσει τον τομέα της ηλιακής ενέργειας», λέει στο Dnews ο κορυφαίος Έλληνας επιστήμονας Μερκούρης Κανατζίδης, επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, ο οποίος ανέπτυξε τον ανιχνευτή μαζί με τον καθηγητή Yihui He του πανεπιστημίου Soochow στην Κίνα.
«Τώρα οι περοβσκίτες είναι έτοιμοι να μετασχηματίσουν και την πυρηνική ιατρική. Αυτή είναι η πρώτη σαφής απόδειξη ότι οι ανιχνευτές περοβσκίτη μπορούν να παράγουν τις πιο ευκρινείς και αξιόπιστες εικόνες που χρειάζονται οι γιατροί για να παράσχουν την καλύτερη φροντίδα στους ασθενείς τους».
Πρωτοπόρος στον σχεδιασμό και την ανάπτυξη νέων υλικών, ο διακεκριμένος επιστήμονας υλικών στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Northwestern στο Ιλινόι, Μερκούρης Κανατζίδης, έφερε «επανάσταση» στα φωτοβολταϊκά και στην ανίχνευση της ραδιενέργειας.
Πριν από μια δεκαπενταετία περίπου, με την ομάδα του ανακάλυψαν ότι το μολυβδοβρωμικό καίσιο, ένα υλικό που μελετάται για εφαρμογές σε ηλιακά κύτταρα, μπορεί να ανιχνεύει ακτίνες γ και ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας. Η ομάδα πέρασε αρκετά χρόνια στο εργαστήριο αναπτύσσοντας το υλικό, βελτιώνοντας την καθαρότητά του και κλιμακώνοντάς το μέχρι το 2020, που ίδρυσε μια spin-off του πανεπιστημίου Northwestern με την επωνυμία «Actinia».
Η Actinia αναπτύσσει υλικά αιχμής για ανιχνευτές ακτινοβολίας για κοινές τεχνικές απεικόνισης στην ιατρική, καθώς και για δοκιμές ασφάλειας και για μη καταστροφικές δοκιμές (NDT). Οι νέοι ανιχνευτές επιτρέπουν τη μείωση στο μισό της δόσης της ακτινοβολίας ή τον διπλασιασμό της ανάλυσης της εικόνας, συγκριτικά με τους κοινούς ανιχνευτές σπινθηρισμού που κυκλοφορούν στην αγορά σήμερα.
Μια μελέτη δεκαετιών
Όπως λέει ο καθηγητής, οι σημερινοί ανιχνευτές τελλουριδίου καδμίου-ψευδαργύρου (CZT) ή ιωδιούχου νατρίου (NaI) έχουν αρκετά μειονεκτήματα. Οι πρώτοι είναι απίστευτα ακριβοί –φτάνοντας μερικές φορές σε εκατομμύρια δολάρια για μια ολόκληρη κάμερα– και, επειδή είναι εύθραυστοι και επιρρεπείς σε ρωγμές, είναι επίσης δύσκολο να κατασκευαστούν. Οι δεύτεροι, ενώ είναι φθηνότεροι από τους ανιχνευτές CZT, είναι ογκώδεις και παράγουν πιο θολές εικόνες, σαν να τραβά κάποιος μια φωτογραφία μέσα από ένα θολό τζάμι.
Για να ξεπεράσει αυτά τα προβλήματα, η επιστημονική ομάδα με επικεφαλής τον Κανατζίδη στράφηκε σε κρυστάλλους περοβσκίτη και το 2012 κατασκεύασε τα πρώτα ηλιακά κύτταρα με λεπτό υμένιο περoβσκίτη σε στερεά κατάσταση ως απορροφητή ηλιακής ακτινοβολίας, «ταράζοντας» τα νερά στο πεδίο. Στη συνέχεια, ο Κανατζίδης ανακάλυψε ότι οι μονοκρύσταλλοι περοβσκίτη που ανέπτυξε στο εργαστήριο ήταν ιδιαίτερα υποσχόμενοι για την ανίχνευση ακτίνων Χ και ακτίνων γ, πυροδοτώντας μια έξαρση σχετικής έρευνας παγκοσμίως και ουσιαστικά εγκαινιάζοντας ένα νέο πεδίο στα υλικά ανίχνευσης σκληρής ακτινοβολίας.
Με τη νέα εργασία του, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications, ο καθηγητής καταδεικνύει πόσο μακριά, εκτός εργαστηριακών ορίων, μπορεί να προωθήσει τους ανιχνευτές περοβσκίτη.
«Όταν ανακαλύψαμε για πρώτη φορά το 2013 ότι οι μονοκρύσταλλοι περοβσκίτη μπορούσαν να ανιχνεύσουν ακτίνες Χ και ακτίνες γ, φανταζόμασταν τις δυνατότητές τους. Τώρα δείξαμε ότι οι ανιχνευτές με περοβσκίτη μπορούν να επιτύχουν ενεργειακές αναλύσεις ρεκόρ και πρωτοφανή ευαισθησία που χρειάζεται σε απαιτητικές εφαρμογές όπως η απεικόνιση πυρηνικής ιατρικής».
Ο Κανατζίδης και ο Yihui He, ως μεταδιδακτορικός ερευνητής ακόμη, ηγήθηκαν της ανάπτυξης κρυστάλλων, της μηχανικής επιφανειών και του σχεδιασμού συσκευών για τη νέα μελέτη. Αναπτύσσοντας και διαμορφώνοντας προσεκτικά αυτούς τους κρυστάλλους, δημιούργησαν έναν αισθητήρα με pixel –ακριβώς όπως τα pixel σε μια κάμερα smartphone– που προσφέρει πρωτοφανή ευκρίνεια και σταθερότητα.
Ο He ανέπτυξε την αρχιτεκτονική pixel της κάμερας, βελτιστοποίησε τα ηλεκτρονικά ανάγνωσης πολλαπλών καναλιών και πραγματοποίησε πειράματα απεικόνισης υψηλής ανάλυσης που επικύρωσαν τις δυνατότητες της συσκευής, ανοίγοντας τον δρόμο για την πρακτική ενσωμάτωσή της σε απεικονιστικά συστήματα πυρηνικής ιατρικής επόμενης γενιάς.
Ένα πρωτοποριακό ιατρικό εργαλείο
Η πυρηνική ιατρική και φυσικά η απεικόνιση SPECT λειτουργεί σαν μια αόρατη κάμερα. Οι γιατροί εμφυτεύουν επιλεκτικά με ένεση έναν μικροσκοπικό, ασφαλή, βραχύβιο ραδιοϊχνηθέτη σε ένα μέρος του σώματος ενός ασθενούς. Ο ιχνηθέτης εκπέμπει ακτίνες γ, οι οποίες διέρχονται προς τα έξω μέσω των ιστών και τελικά φτάνουν σε έναν ανιχνευτή έξω από το σώμα. Κάθε ακτίνα γ είναι σαν ένα εικονοστοιχείο φωτός. Αφού συλλέξουν εκατομμύρια από αυτά τα εικονοστοιχεία, οι υπολογιστές δημιουργούν μια τρισδιάστατη εικόνα των οργάνων.
«Το μολυβδοβρωμικό καίσιο με τη μορφή κρυστάλλων περοβσκίτη (CsPbBr 3) που αναπτύξαμε δεν ανιχνεύει μόνο το είδος της ακτινοβολίας αλλά και του υλικού που την εκπέμπει δηλαδή, βλέπει π.χ. αν είναι ραδιενεργό καίσιο ή κοβάλτιο. Το υλικό μας ενδεικτικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην ανίχνευση της διασποράς του καρκίνου μέσα στο σώμα», εξηγεί ο καθηγητής και συνεχίζει:
«Είναι σημαντικό να γνωρίζουμε ποιο είναι το υλικό που εκπέμπει ακτινοβολία, γιατί κάποια υλικά είναι νόμιμα και κάποια παράνομα. Κάθε ραδιενεργό ισότοπο έχει το δικό του «δακτυλικό αποτύπωμα» δηλαδή, διαφορετική συμπεριφορά διάσπασης και μοναδικό χαρακτηριστικό φάσμα εκπομπής ακτίνων γ. Ο ανιχνευτής μας μπορεί να ταυτοποιεί αυτά τα «δακτυλικά αποτυπώματα».
Σε πειράματα, ο νέος ανιχνευτής διέκρινε ακτίνες γ διαφορετικών ενεργειών με την καλύτερη ανάλυση που έχει αναφερθεί μέχρι στιγμής. Ανίχνευσε εξαιρετικά αμυδρά σήματα από έναν κοινό ιατρικό ραδιοανιχνευτή και «είδε» απίστευτα λεπτά χαρακτηριστικά, παράγοντας ευκρινείς εικόνες, οι οποίες μπορούσαν να διαχωρίσουν μικροσκοπικές ραδιενεργές πηγές που απείχαν μόλις λίγα χιλιοστά μεταξύ τους.
Ο ανιχνευτής παρέμεινε επίσης εξαιρετικά σταθερός, συλλέγοντας σχεδόν όλο το σήμα του ιχνηθέτη χωρίς απώλεια ή παραμόρφωση. Επίσης, επειδή οι νέοι ανιχνευτές χρησιμοποιούν χαμηλότερη δόση ραδιοϊχνηθέτη από τους κοινούς ανιχνευτές, πέφτει το κόστος και εξασφαλίζεται ευρεία πρόσβαση στους ασθενείς.
«Η υψηλής ποιότητας πυρηνική ιατρική δεν θα πρέπει να περιορίζεται σε μονάδες υγείας που αντέχουν οικονομικά τον πιο ακριβό εξοπλισμό», δήλωσε ο Κανατζίδης. «Ο απώτερος στόχος είναι οι καλύτερες σαρώσεις, οι ακριβέστερες διαγνώσεις και η βέλτιστη φροντίδα για τους ασθενείς».
Το ότι οι περοβσκίτες παρέχουν απεικόνιση ακτίνων γ με ένα μόνο φωτόνιο αποτελεί ορόσημο, υποδεικνύοντας ότι αυτά τα υλικά είναι έτοιμα να προχωρήσουν πέρα από το εργαστήριο σε τεχνολογίες που ωφελούν άμεσα την ανθρώπινη υγεία. «Διακρίνουμε ευκαιρίες για περαιτέρω βελτίωση των ανιχνευτών, για κλιμάκωση της παραγωγής και για εξερεύνηση εντελώς νέων κατευθύνσεων στην ιατρική απεικόνιση», προσθέτει ο διακεκριμένος Έλληνας επιστήμονας.
Η ομάδα του καθηγητή, χρησιμοποιώντας τον περοβσκίτη, μπορεί να δημιουργήσει επίσης μικρούς φορητούς ανιχνευτές για πυρηνικά όπλα, αλλά και μεγάλους υψηλής απόδοσης για εφαρμογές εκτός από τη βιοϊατρική απεικόνιση, στην αστρονομία και τη φασματοσκοπία.
Αξίζει να σημειωθεί πως ο καθηγητής Μερκούρης Κανατζίδης, όπως είχε γράψει νωρίτερα το Dnews, είναι μέχρι στιγμής ο μοναδικός Έλληνας επιστήμονας που έχει δώσει το όνομά του σε ορυκτό τα τελευταία 2.000 χρόνια. Όσο για το όνομα του ορυκτού: κανατζιδισίτης!
