קפיצת מדרגה בעולם הדימות

טכנולוגיה שפיתחו חוקרים ב-MIT ובטכניון צפויה להוביל לקפיצת מדרגה ביעילותם של מכשירי רנטגן ומערכות CT ובמהירות פעולתם. במחקר שהתפרסם ב-Science שותף פרופ' עדו קמינר, ראש מעבדת AdQuanta ע"ש רוברט ורות מגיד.

גילוי קרני הרנטגן בשנת 1895 חולל שינוי דרמטי בעולם הרפואה. המצאתו של וויליאם רנטגן הובילה לשימוש בקרני רנטגן, הנקראות גם קרני X, במיפוי הרקמות הפנימיות של גוף האדם. אף שהרנטגן משמש בעיקר למיפוי מצבן של שיניים ועצמות, כיום נעשים בו שימושים אחרים ובהם איתור קרעים בשרירים וממוגרפיה של השד וכן שימושים לא רפואיים כגון בדיקת איכותם של רכיבי תעשיה שונים.

טכנולוגיית CT, שהומצאה רק ב-1972, כמעט מאה שנה אחרי מכשיר הרנטגן הראשון, עושה שימוש מתוחכם יותר באותה קרינה; באמצעות עריכת צילומים רבים מזוויות שונות, וניתוחם הממוחשב, היא מספקת תמונה תלת-ממדית מורכבת של האזור הנסרק.

ביישומים הרפואיים של רנטגן ו-CT משוגרות קרני רנטגן לתוך גופו של הנבדק ונקלטות בצד השני על-ידי גלאים הקרויים סינטילטורים ("נצנצים" בעברית). גלאים אלה קולטים את הפוטונים עתירי האנרגיה של קרני הרנטגן וממירים אותם לפוטונים "רגילים" - קרינת אור בספקטרום הנראה. קרינה זו פוגעת בלוח צילום וכך מתקבלת התמונה הקלינית של פנים הגוף. תהליך דומה משמש גם במחקר מדעי (במיקרוסקופ אלקטרונים) ובאופטיקה (מערכות ראיית-לילה, למשל).

צילום: [צילום: Selwyn Q Bachus II]

אחד מצווארי הבקבוק בתהליך הסינטילציה הוא מיעוט הפוטונים שפולטים סינטילטורים כתוצאה מהפיזור שלהם לכלל הזוויות (נקרא פליטה איזוטרופית). בשל תופעה זו, חלק ניכר מפוטונים אלה אינם מגיעים ללוח הצילום והתוצאה היא רזולוציה נמוכה יחסית של התמונה המתקבלת. עקרונית אפשר לחפות על כך בהגברה משמעותית של קרינת הרנטגן, אולם נהוג להימנע מכך מסיבות ברורות - קרינה חזקה מסוכנת לתאי האדם, והיא מסוכנת במיוחד לילדים ואנשים העוברים סריקות אלה כדבר שבשיגרה.

עד כה, עיקר המאמץ בשיפור סינטילטורים התמקד בניסיון לבנות סינטילטורים מחומרים חדשים, אתגר שההתקדמויות בו הן מעטות ונדירות. קבוצת המחקר מ-MIT והטכניון נקטה גישה שונה: במקום לפתח חומרי סינטילציה חדשים, היא שינתה את פני השטח של החומרים הקיימים באופן המשפר את יעילותם. החוקרים מעריכים במאמר כי מדובר בשיפור של פי 10 ברזולוציה זו, אולם ייתכן שזוהי הערכת חסר והשיפור הממשי קרוב יותר לפי 100.

את ההשראה לרעיון לשיפור הטכנולוגי האמור הגה יניב קורמן, דוקטורנט בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע"ש ויטרבי העורך את מחקר הדוקטורט בהנחיית פרופ' עדו קמינר. במאמר שהתפרסם בקיץ 2020 ב-Physical Review Letters (ראו סיקור נוסף ב-Physics Today) הציגו השניים גישה חדשה בגילוי קרינת רנטגן - על-ידי שיפורם של סינטילטורים מחומרים קיימים על-ידי עיבוד החומרים בסקלה ננומטרית, המתואמת במיוחד לאורך הגל של אור הסינטילציה הנפלט מהם. באותו מאמר הדגישו השניים כי הצגה יישומית של המערכת עשויה לארוך זמן רב; בדיעבד מתברר כעת שתוך פחות משנתיים נבנתה המערכת הראשונה בשיתוף פעולה עם חוקרי MIT ובהובלתם.

אף שיידרשו עוד מחקרי המשך ומאמץ יישומי כדי להטמיע את הסינטילטורים המשופרים במערכות רפואיות של ממש, פרופ' קמינר מאמין כי השיטה שפיתח עם עמיתיו "תוביל לשיפור דרמטי באיכות התמונה המתקבלת תוך הפחתה משמעותית בחשיפת המטופל לקרינה - שתי מטרות מרכזיות בפיתוחן של טכנולוגיות אבחון חדשות מבוססות רנטגן. השיטה החדשה תשפר גם טכנולוגיות לא רפואיות המבוססות על יצירה וגילוי של קרינת רנטגן".

שני מדענים בעלי שם עולמי, שלא השתתפו במחקר האמור, התייחסו בהתלהבות לפרסום. "המאמר מציג הישג משמעותי מאוד", אמר פרופ' רג'יב גופטה, נירו-רדיולוג ב-MGH (בית החולים הכללי במסצ'וסטס) ופרופסור בבית הספר לרפואה בהרווארד. "הוא מדגים את העובדה שהטכנולוגיה משפרת סריקות רנטגן פי 10, וגם אילו שיפרה אותן 'רק' פי שניים זו הייתה מהפכה של ממש בתחום זה". לדברי פרופ' אלי יבלונוביץ', מהנדס חשמל ומחשבים באוניברסיטת קליפורניה ברקלי, "אף שעוד צריך להדגים את יישומה של הגישה ביישומים רפואיים, מדובר כאן בעבודה מקורית ואיכותית מאוד בנושא שלא זכה לתשומת הלב הראויה: סינטילטורים המבוססים על גבישים פוטוניים".

במחקר שותפים חוקרי MIT פרופ' מרין סוליאצ'יץ', ניקולס ריברה, ושארל רוק-קארם. למאמר ב-Science לחצו כאן.

צילום: הקונספט של סינטילטורים (נצנצים) ננופוטוניים. החוקרים השתמשו בגבישים פוטוניים להגברת יעילות הגלאי לקרינת איקס. למחקר השלכות תחומים רבים ובהם דימות רפואי [צילום: Selwyn Q Bachus II]