Máy ảnh “Perovskite” Đầu Tiên Thế Giới Có Thể Nhìn Vào Bên Trong Cơ Thể Con Người
Bởi Amanda Morris, Đại học Northwestern
Ngày 19 tháng 9, 2025
Một thiết bị cảm biến mới dựa trên tinh thể có thể sớm thay đổi cách các bác sĩ nhìn vào bên trong cơ thể. Được phát triển bởi các nhà khoa học tại Hoa Kỳ và Trung Quốc, thiết bị này có khả năng ghi lại tia gamma với độ rõ nét chưa từng có, hứa hẹn mang lại các ca chụp nhanh hơn, an toàn hơn và chi phí hợp lý hơn.
Thiết bị cảm biến mới nhằm giảm chi phí đồng thời nâng cao chất lượng hình ảnh trong y học hạt nhân.
Các bác sĩ sử dụng kỹ thuật y học hạt nhân như SPECT để quan sát cách tim bơm máu, theo dõi lưu thông máu và phát hiện các bệnh nằm sâu bên trong cơ thể mà các phương pháp thông thường khó phát hiện. Tuy nhiên, các máy quét hiện nay dựa vào các bộ cảm biến vừa đắt tiền vừa khó sản xuất.
Các nhà nghiên cứu từ Đại học Northwestern và Đại học Soochow (Trung Quốc) đã phát triển bộ cảm biến đầu tiên dựa trên perovskite, có khả năng bắt giữ từng tia gamma với độ chính xác vượt trội cho hình ảnh SPECT. Đột phá này có tiềm năng làm cho các phương pháp hình ảnh hạt nhân phổ biến trở nên chính xác, hiệu quả, an toàn và chi phí thấp hơn.
Lợi ích cho bệnh nhân: thời gian quét ngắn hơn, hình ảnh chuẩn xác hơn, và giảm liều bức xạ.
Nghiên cứu được công bố gần đây trên tạp chí Nature Communications.
“Perovskite là một họ tinh thể nổi tiếng trong lĩnh vực năng lượng mặt trời,” Mercouri Kanatzidis, tác giả chính của nghiên cứu tại Northwestern, cho biết. “Bây giờ, chúng sẵn sàng thay đổi y học hạt nhân. Đây là bằng chứng đầu tiên rằng cảm biến perovskite có thể tạo ra hình ảnh sắc nét và tin cậy mà bác sĩ cần để chăm sóc bệnh nhân tốt nhất.”
“Phương pháp của chúng tôi không chỉ cải thiện hiệu suất cảm biến mà còn có thể giảm chi phí,” Yihui He, giáo sư tại Đại học Soochow và đồng tác giả nghiên cứu, cho biết. “Điều này có nghĩa là nhiều bệnh viện và phòng khám trong tương lai sẽ có cơ hội tiếp cận công nghệ hình ảnh tốt nhất.”
Kanatzidis là Giáo sư Hóa học Charles E. & Emma H. Morrison tại Weinberg College, Northwestern, và là nhà khoa học cấp cao tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Yihui He từng là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Kanatzidis.
Vì sao các bộ cảm biến hiện nay còn hạn chế
Kỹ thuật y học hạt nhân như SPECT hoạt động giống một máy ảnh vô hình. Bác sĩ tiêm một lượng nhỏ chất đánh dấu phóng xạ (radiotracer) an toàn và ngắn hạn vào vùng cơ thể mục tiêu. Chất đánh dấu này phát ra tia gamma, đi qua các mô và được ghi lại bởi bộ cảm biến bên ngoài cơ thể. Mỗi tia gamma đóng vai trò như một pixel ánh sáng; khi hàng triệu pixel này được ghi lại, máy tính lắp ghép thành hình ảnh 3D về hoạt động của cơ quan.
Hiện nay, các bộ cảm biến thường làm từ cadmium zinc telluride (CZT) hoặc sodium iodide (NaI).
-
CZT: rất đắt, từ vài trăm nghìn đến hàng triệu USD/camera, tinh thể giòn, khó sản xuất.
-
NaI: rẻ hơn nhưng cồng kềnh, độ chính xác kém, hình ảnh mờ như nhìn qua kính sương mù.
Để giải quyết hạn chế này, nhóm nghiên cứu chọn tinh thể perovskite, mà Kanatzidis đã nghiên cứu hơn 10 năm. Năm 2012, nhóm ông tạo ra pin mặt trời film rắn đầu tiên từ perovskite. Năm 2013, ông chứng minh rằng tinh thể perovskite đơn lẻ có thể phát hiện tia X và gamma hiệu quả. Thành tựu này mở ra nghiên cứu quốc tế về vật liệu phát hiện bức xạ.
Hiệu suất hình ảnh phá kỷ lục
“Nghiên cứu này chứng minh rằng cảm biến perovskite có thể đi xa hơn ngoài phòng thí nghiệm,” Kanatzidis nói. “Chúng tôi đang chứng minh rằng cảm biến perovskite có thể đạt độ phân giải và độ nhạy cần thiết cho các ứng dụng khó như hình ảnh y học hạt nhân.”
Các nhà khoa học phát triển cảm biến dạng pixel, tương tự như camera smartphone, mang lại độ rõ nét và ổn định cao.
He dẫn đầu thiết kế prototype, tối ưu hóa điện tử đọc nhiều kênh và thực hiện các thí nghiệm hình ảnh độ phân giải cao, chứng minh rằng cảm biến perovskite đạt độ phân giải năng lượng và khả năng chụp photon đơn kỷ lục, mở đường cho ứng dụng thực tế trong y học hạt nhân thế hệ mới.
Tác động thực tế và thương mại hóa
“Thiết kế máy ảnh gamma này và chứng minh hiệu suất của nó thật sự đáng giá,” He nói. “Kết hợp tinh thể perovskite chất lượng cao với cảm biến dạng pixel và hệ thống đọc nhiều kênh, chúng tôi đạt được khả năng phân giải và hình ảnh phá kỷ lục.”
Trong thí nghiệm, bộ cảm biến:
-
Phân biệt các tia gamma khác nhau với độ phân giải tốt nhất từ trước đến nay.
-
Nhận tín hiệu cực yếu từ chất đánh dấu technetium-99m.
-
Tách được các nguồn phóng xạ nhỏ cách nhau vài mm, cho hình ảnh rõ nét.
-
Độ ổn định cao, thu gần như toàn bộ tín hiệu mà không bị mất hoặc biến dạng.
Vì độ nhạy cao, bệnh nhân có thể cần thời gian quét ngắn hơn hoặc liều bức xạ nhỏ hơn.
Công ty spinout của Northwestern, Actinia Inc., đang thương mại hóa công nghệ này, hợp tác với các đối tác thiết bị y tế để đưa từ phòng thí nghiệm ra bệnh viện. Perovskite dễ trồng, sử dụng linh kiện đơn giản, rẻ hơn CZT và NaI mà không giảm chất lượng.
“Chúng tôi đã chứng minh perovskite có thể chụp gamma photon đơn – một cột mốc quan trọng,” He nói. “Chúng đã sẵn sàng đi vào công nghệ mang lại lợi ích trực tiếp cho sức khỏe con người.”
“Y học hạt nhân chất lượng cao không nên chỉ dành cho các bệnh viện giàu có,” Kanatzidis nhấn mạnh. “Với perovskite, chúng ta có thể mở ra cơ hội chụp nhanh, rõ nét, an toàn cho nhiều bệnh nhân hơn. Mục tiêu cuối cùng là chẩn đoán tốt hơn và chăm sóc bệnh nhân tốt hơn.”
Nguồn: Shen et al., Nature Communications, 30 August 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-63400-7.
Hỗ trợ bởi: Defense Threat Reduction Agency, Consortium for Interaction of Ionizing Radiation with Matter, National Key R&D Program of China, National Natural Science Foundation of China, Jiangsu Natural Science Foundation.
