Nova câmera de cristal permite que os médicos vejam dentro do corpo como nunca antes

Agora, os cientistas liderados pela Northwestern University e pela Soochow University, na China, construíram o primeiro detector de perovskita que pode capturar raios gama individuais para imagens SPECT com precisão recorde. A nova ferramenta poderia tornar os tipos comuns de imagens de medicina nuclear mais nítidas, mais rápidas, mais baratas e mais seguras.

Para os pacientes, isso pode significar tempos de varredura mais curtos, resultados mais claros e doses mais baixas de radiação.

O estudo foi publicado em 30 de agosto na revista Comunicações da natureza.

“Os perovskitas são uma família de cristais mais conhecida por transformar o campo da energia solar”, disse Mercouri Kanatzidis, do Northwestern, autor sênior do estudo. “Agora, eles estão prontos para fazer o mesmo com a medicina nuclear. Esta é a primeira prova clara de que os detectores de perovskite podem produzir o tipo de imagens nítidas e confiáveis ​​que os médicos precisam para fornecer os melhores cuidados para seus pacientes”.

“Nossa abordagem não apenas melhora o desempenho dos detectores, mas também pode reduzir os custos”, disse o autor co-correspondente Yihui He, professor da Universidade de Soochow. “Isso significa que mais hospitais e clínicas eventualmente podem ter acesso às melhores tecnologias de imagem”.

Kanatzidis é uma professora de química de Charles E. e Emma H. ​​Morrison no Weinberg College de Artes e Ciências da Northwestern e cientista sênior do Laboratório Nacional de Argonne. Yihui, ele é um ex -bolsista de pós -doutorado do Laboratório de Kanatzidis.

A medicina nuclear, como a imagem do SPECT (Tomografia de Computação de Emissão de Fotão único), funciona como uma câmera invisível. Os médicos implantam um radiotracer minúsculo, seguro e de curta duração em uma parte específica do corpo de um paciente. O traçador emite raios gama, que passam para fora através dos tecidos e eventualmente atingem um detector fora do corpo. Cada raio gama é como um pixel de luz. Depois de coletar milhões desses pixels, os computadores podem construir uma imagem 3D dos órgãos de trabalho.

Os detectores de hoje, feitos de telurido de zinco de cádmio (CZT) ou iodeto de sódio (NAI), têm várias desvantagens. Os detectores da CZT são incrivelmente caros, às vezes atingindo a faixa de preço de centenas de milhares a milhões de dólares para uma câmera inteira. Como os cristais da CZT são quebradiços e propensos a rachaduras, esses detectores também são difíceis de fabricar. Enquanto mais baratos que os detectores da CZT, os detectores de NAI são volumosos e produzem imagens embaçadas – como tirar uma foto através de uma janela nebulosa.

Para superar essas questões, os cientistas se voltaram para os cristais de perovskita, um material que Kanatzidis estudou há mais de uma década. Em 2012, seu grupo construiu as primeiras células solares de filme sólido feito de perovskitas. Então, em 2013, Kanatzidis descobriu que os cristais de perovskita únicos eram altamente promissores para detectar raios-X e raios gama. Esse avanço, habilitado pelo crescimento de cristais únicos de alta qualidade de seu grupo, provocou uma onda mundial de pesquisa e lançou efetivamente um novo campo em materiais de detecção de radiação dura.

“Este trabalho demonstra até onde podemos empurrar os detectores de perovskita para além do laboratório”, disse Kanatzidis. “Quando descobrimos em 2013 que os cristais únicos de perovskita poderiam detectar raios-X e raios gama, só podíamos imaginar seu potencial. Agora, estamos mostrando que os detectores baseados em perovskite podem oferecer a resolução e a sensibilidade necessárias para aplicações exigentes, como imagens de medicina nuclear.

Com base nessa fundação, Kanatzidis e ele liderou o crescimento de cristais, a engenharia de superfície e o design de dispositivos para o novo estudo. Ao cultivar e moldar cuidadosamente esses cristais, os pesquisadores criaram um sensor pixelizado-assim como os pixels em uma câmera de smartphone-que oferece clareza e estabilidade recorde.

Liderando o design e o desenvolvimento do protótipo de detector de raios gama, ele desenvolveu a arquitetura pixelizada da câmera, otimizou os eletrônicos de leitura de vários canais e realizou os experimentos de imagem de alta resolução que validavam os recursos do dispositivo. Ele, Kanatzidis e sua equipe demonstraram que os detectores baseados em perovskita podem obter resoluções de energia recorde e desempenho sem precedentes de imagens de fóton único, abrindo caminho para a integração prática nos sistemas de imagem de medicina nuclear de próxima geração.

“Projetar essa câmera de raios gama e demonstrar seu desempenho tem sido incrivelmente gratificante”, disse ele. “Ao combinar cristais de perovskita de alta qualidade com um detector pixelizado cuidadosamente otimizado e um sistema de leitura de vários canais, conseguimos obter recursos de resolução de energia e imagens recorde. Este trabalho mostra o verdadeiro potencial dos detectores baseados em perovskita para transformar a imagem da medicina nuclear”.

Em experimentos, o detector foi capaz de diferenciar os raios gama de diferentes energias com a melhor resolução relatada até agora. Ele também sentiu sinais extremamente fracos de um radiotracer médico (Technetium-99m) comumente usado na prática clínica e distinguia características incrivelmente finas, produzindo imagens nítidas que poderiam separar pequenas fontes radioativas espaçadas a poucos milímetros de distância. O detector também permaneceu altamente estável, coletando quase todo o sinal do traçador sem perda ou distorção. Como esses novos detectores são mais sensíveis, os pacientes podem exigir potencialmente tempo de varredura ou doses menores de radiação.

A Northwestern Spinout Company Actinia Inc. está comercializando essa tecnologia – trabalhando com parceiros no campo de dispositivos médicos para retirá -lo do laboratório e para os hospitais. Como são mais fáceis de cultivar e usar componentes mais simples, os perovskitas oferecem uma alternativa muito mais barata aos detectores de CZT e NAI sem sacrificar a qualidade. Os detectores baseados em perovskita também oferecem um caminho realista para a imagem usando uma dose mais baixa de um radiotracer do que pode ser usado com um detector NAI, mas a um preço que garante acesso ao paciente generalizado.

“Demonstrar que os perovskitas podem oferecer imagens de raios gama de fóton único é um marco”, disse ele. “Isso mostra que esses materiais estão prontos para ir além do laboratório e para as tecnologias que beneficiam diretamente a saúde humana. A partir daqui, vemos oportunidades para refinar ainda mais os detectores, ampliar a produção e explorar direções inteiramente novas em imagens médicas”.

“A medicina nuclear de alta qualidade não deve se limitar a hospitais que podem comprar o equipamento mais caro”, disse Kanatzidis. “Com os perovskitas, podemos abrir a porta para varreduras mais claras, mais rápidas e seguras para muitos outros pacientes em todo o mundo. O objetivo final é a melhor varredura, melhor diagnóstico e melhor atendimento aos pacientes”.

O estudo, “Imagem de raios γ de fóton único com alta energia e semicondutores de perovskita de resolução espacial para medicina nuclear”, foi apoiada pela agência de redução de ameaças de defesa (número de prêmio HDTRA12020002), o consórcio para a interação do número de radiação ionizante com a Radiação da Universidade da Universidade de Aliança, a Chave Nacional R & D do Programa de China (número de radiação da Universidade de Matéria, a Pesquisa da Universidade, U2267211) e a Jiangsu Natural Science Foundation (número do prêmio BK20240822).