Να βρίσκεσαι ξαπλωμένος ανάσκελα σε έναν μεγάλο νοσοκομειακό σαρωτή, όσο πιο ακίνητος μπορείς, με τα χέρια πάνω από το κεφάλι σου για 45 λεπτά. Δεν ακούγεται ιδιαίτερα ευχάριστο.
Αυτό ήταν το καθεστώς για τους ασθενείς στο Royal Brompton Hospital στο Λονδίνο κατά τη διάρκεια ορισμένων εξετάσεων πνευμόνων, μέχρι το νοσοκομείο να εγκαταστήσει πέρυσι μια νέα συσκευή που μείωσε αυτές τις εξετάσεις σε μόλις 15 λεπτά.
Η βελτίωση οφείλεται εν μέρει στην τεχνολογία επεξεργασίας εικόνας του σαρωτή αλλά και σε ένα ειδικό υλικό που ονομάζεται τελλούριο καδμίου-ψευδαργύρου (CZT), το οποίο επιτρέπει στη μηχανή να παράγει εξαιρετικά λεπτομερείς, τρισδιάστατες εικόνες των πνευμόνων των ασθενών.
«Λαμβάνεις πανέμορφες εικόνες από αυτόν τον σαρωτή», δηλώνει η δρ Κσάμα Γουετσάλεκαρ, επικεφαλής της πυρηνικής ιατρικής και της PET. «Είναι ένα εκπληκτικό επίτευγμα μηχανικής και φυσικής».
Το CZT στον σαρωτή, ο οποίος εγκαταστάθηκε στο νοσοκομείο τον Αύγουστο, παρασκευάστηκε από την Kromek, μια βρετανική εταιρεία. Η Kromek είναι μία από τις λίγες εταιρείες στον κόσμο που μπορούν να κατασκευάσουν CZT. Μπορεί να μην έχετε ακούσει ποτέ για το υλικό, αλλά όπως λέει η δρ Γουετσάλεκαρ, επιτρέπει μια «επανάσταση» στην ιατρική απεικόνιση.
Αυτό το θαυματουργό υλικό έχει πολλές άλλες χρήσεις, όπως σε τηλεσκόπια ακτίνων Χ, ανιχνευτές ακτινοβολίας και σαρωτές ασφαλείας σε αεροδρόμια, και η ζήτησή του αυξάνεται συνεχώς.
Οι εξετάσεις πνευμόνων που διεξάγει η δρ Γουετσάλεκαρ και οι συνεργάτες της περιλαμβάνουν την ανίχνευση πολλών μικρών θρόμβων αίματος σε ασθενείς με μακροχρόνιο Covid ή ενός μεγαλύτερου θρόμβου γνωστού ως πνευμονική εμβολή.
Ο σαρωτής, αξίας 1 εκατομμυρίου λιρών, λειτουργεί ανιχνεύοντας τις ακτίνες γάμμα που εκπέμπονται από μια ραδιενεργή ουσία που εγχέεται στο σώμα των ασθενών, σύμφωνα με το BBC.
Ωστόσο, η ευαισθησία του σαρωτή σημαίνει ότι απαιτείται λιγότερη ποσότητα αυτής της ουσίας από ό,τι στο παρελθόν: «Μπορούμε να μειώσουμε τη δόση περίπου 30%», αναφέρει η δρ Γουετσάλεκαρ. Αν και οι σαρωτές βασισμένοι σε CZT δεν είναι νέοι γενικά, οι μεγάλοι σαρωτές ολόκληρου του σώματος όπως αυτός αποτελούν σχετικά πρόσφατη καινοτομία.
Το CZT υπάρχει εδώ και δεκαετίες, αλλά είναι γνωστό ότι είναι εξαιρετικά δύσκολο να παραχθεί. «Χρειάστηκε πολύς χρόνος για να αναπτυχθεί σε διαδικασία παραγωγής σε βιομηχανική κλίμακα», λέει ο Άρναμπ Μπάσου, ιδρυτής και CEO της Kromek.
Στην εγκατάσταση της εταιρείας στο Σέντζφιλντ υπάρχουν 170 μικροί φούρνοι σε ένα δωμάτιο που ο δρ Μπάσου περιγράφει ως «σαν φάρμα διακομιστών».
Μια ειδική σκόνη θερμαίνεται στους φούρνους, λιώνει και στη συνέχεια στερεοποιείται σε μια μονοκρυσταλλική δομή. Η όλη διαδικασία διαρκεί εβδομάδες. «Άτομο προς άτομο, οι κρύσταλλοι αναδιατάσσονται […] ώστε να ευθυγραμμιστούν πλήρως», λέει ο δρ Μπάσου.
Το νεοδημιουργημένο CZT, ένας ημιαγωγός, μπορεί να ανιχνεύσει πολύ μικρά φωτόνια σε ακτίνες Χ και γάμμα με εκπληκτική ακρίβεια, σαν μια εξειδικευμένη έκδοση του αισθητήρα φωτός που υπάρχει στην κάμερα του κινητού σας.
Όταν ένα υψηλής ενέργειας φωτόνιο χτυπήσει το CZT, προκαλεί την κινητοποίηση ενός ηλεκτρονίου και αυτό το ηλεκτρικό σήμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία εικόνας. Η προηγούμενη τεχνολογία σαρωτών χρησιμοποιούσε μια διπλή διαδικασία, η οποία δεν ήταν τόσο ακριβής.
«Είναι ψηφιακό», λέει ο δρ Μπάσου. «Αποτελεί ένα μόνο βήμα μετατροπής. Διατηρεί όλες τις σημαντικές πληροφορίες, όπως τον χρόνο και την ενέργεια της ακτίνας Χ που χτυπά τον ανιχνευτή CZT – μπορείτε να δημιουργήσετε χρωματικές ή φασματοσκοπικές εικόνες».
Προσθέτει ότι οι σαρωτές με CZT χρησιμοποιούνται ήδη για ανίχνευση εκρηκτικών σε αεροδρόμια του Ηνωμένου Βασιλείου και για τον έλεγχο αποσκευών σε ορισμένα αμερικανικά αεροδρόμια. «Αναμένουμε ότι το CZT θα εφαρμοστεί και στις χειραποσκευές τα επόμενα χρόνια».
Όμως, δεν είναι πάντα εύκολο να βρει κανείς CZT.
Ο Χένρικ Κράβτσινσκι στο Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις έχει χρησιμοποιήσει το υλικό σε διαστημικά τηλεσκόπια συνδεδεμένα σε αερόστατα μεγάλης υψομετρικής. Αυτοί οι ανιχνευτές μπορούν να ανιχνεύσουν ακτίνες Χ που εκπέμπονται από νετρονικά αστέρια και πλάσμα γύρω από μαύρες τρύπες.
Ο καθηγητής Κράβτσινσκι θέλει πολύ λεπτά κομμάτια CZT, 0,8 χιλιοστά, για τα τηλεσκόπιά του, καθώς αυτό μειώνει την ποσότητα ακτινοβολίας υποβάθρου που ανιχνεύουν, επιτρέποντας πιο καθαρό σήμα. «Θα θέλαμε να αγοράσουμε 17 νέους ανιχνευτές», λέει. «Είναι πραγματικά δύσκολο να βρούμε αυτά τα λεπτά», συμπληρώνει.
Δεν μπόρεσε να προμηθευτεί το CZT από την Kromek. Ο δρ Μπάσου λέει ότι η εταιρεία του έχει υψηλή ζήτηση αυτήν την περίοδο. «Υποστηρίζουμε πολλές ερευνητικές οργανώσεις», προσθέτει. «Είναι πολύ δύσκολο να κάνουμε εκατό διαφορετικά πράγματα. Κάθε ερευνητικό έργο χρειάζεται μια πολύ συγκεκριμένη δομή ανιχνευτή», αναφέρει χαρακτηριστικά.
Για τον καθηγητή Κράβτσινσκι, αυτό δεν αποτελεί κρίση, λέει ότι μπορεί να χρησιμοποιήσει είτε CZT που έχει από προηγούμενη έρευνα είτε τελλούριο καδμίου, μια εναλλακτική, για την επόμενη αποστολή του.
Ωστόσο, υπάρχουν μεγαλύτερα προβλήματα αυτή τη στιγμή. Η επερχόμενη αποστολή επρόκειτο να εκτοξευθεί από την Ανταρκτική τον Δεκέμβριο, αλλά «όλες οι ημερομηνίες είναι αβέβαιες», λέει ο καθηγητής Κράβτσινσκι, λόγω της προσωρινής διακοπής λειτουργίας της κυβέρνησης των ΗΠΑ.
Πολλοί άλλοι επιστήμονες χρησιμοποιούν το CZT. Στο Ηνωμένο Βασίλειο, μια σημαντική αναβάθμιση του ερευνητικού κέντρου Diamond Light Source στην Οξφόρδη, ύψους μισού δισεκατομμυρίου λιρών, θα βελτιώσει τις δυνατότητές του χάρη στην εγκατάσταση ανιχνευτών βασισμένων σε CZT.
Το Diamond Light Source είναι ένας συγχροντρόν, που περιστρέφει ηλεκτρόνια γύρω από έναν τεράστιο δακτύλιο σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός. Οι μαγνήτες προκαλούν την απώλεια μέρους της ενέργειας των ηλεκτρονίων με τη μορφή ακτίνων Χ, οι οποίες κατευθύνονται μέσω ακτίνων σε συγκεκριμένες διαδρομές, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση υλικών.
Ορισμένα πρόσφατα πειράματα περιλάμβαναν την ανάλυση ακαθαρσιών στο αλουμίνιο κατά την τήξη του. Η καλύτερη κατανόηση αυτών των ακαθαρσιών θα μπορούσε να βελτιώσει τις ανακυκλωμένες μορφές του μετάλλου.
Με την αναβάθμιση του Diamond Light Source, που αναμένεται να ολοκληρωθεί το 2030, οι παραγόμενες ακτίνες Χ θα είναι σημαντικά πιο φωτεινές, πράγμα που σημαίνει ότι οι υπάρχοντες αισθητήρες δεν θα μπορούν να τις ανιχνεύσουν σωστά.
«Δεν έχει νόημα να ξοδεύεις τόσα χρήματα για την αναβάθμιση αυτών των εγκαταστάσεων, αν δεν μπορείς να ανιχνεύσεις το φως που παράγουν», λέει ο Ματ Βιλ, επικεφαλής ομάδας ανάπτυξης ανιχνευτών στο Science and Technology Facilities Council, που είναι μέτοχος του Diamond Light Source.
Για τον λόγο αυτό, και εδώ το CZT αποτελεί το υλικό επιλογής.