Rumteknologi kan give bedre brystskanninger

Der er himmelvid forskel på en lille kræftknude i brystet og det voldsomme sammenstød mellem to neutronstjerner langt ude i universet. Men noget har de dog tilfælles: De er svære at opdage og lokalisere præcist, og Irfan Kuvvetli har opfundet en detektor, der kan løse netop det problem.

Som seniorforsker på DTU Space er han med til at udvikle instrumenter til rumteleskoper, og han har specialiseret sig i detektorer, der kan opfange gammastråling. Denne form for ekstremt energirig elektromagnetisk stråling er ellers svær at få hold på, for den har en tendens til at gå lige igennem alting. Med den nye detektor bliver det muligt ’at fange’ mere af gammastrålingen.

”Vores detektor minder lidt om det kamera, som sidder i en mobiltelefon. Begge dele opfanger elektromagnetisk stråling, altså fotoner. Forskellen er, at hvor detektoren i mobilkameraet er designet til at opfange synligt lys, skal vores gammadetektor registrere stråling med meget lavere bølgelængde og højere energi. Det er sværere, for når fotonerne har mere energi, skal der også mere til at stoppe dem,” fortæller Irfan Kuvvetli.

Astrofysikerne vil rigtig gerne måle gammastrålingen fra fjerne himmellegemer, for den bliver ofte udsendt i forbindelse med nogle af universets vildeste og mest gådefulde begivenheder. Når en stjerne eksploderer som en supernova eller to neutronstjerner kolliderer, bliver der udsendt gammastråling, og med den rette detektor kan astrofysikerne ikke bare beregne, hvor strålingen kommer fra, men også måle dens energi. Det kan f.eks. hjælpe dem med at finde ud af, hvordan forskellige grundstoffer dannes og spredes i universet.

Små kræftknuder lyser op

Men gammastråling udnyttes også i sundhedsvæsenet. Høje strålingsdoser kan slå kræftceller ihjel, så visse former for kræft behandles derfor med gammastråler. Desuden kan gammastråling fra radioaktive sporstoffer benyttes til undersøgelser af forskellige organer.

Derfor blev DTU Space inviteret til at samarbejde med det britiske firma Kromek, der fremstiller strålingsdetektorer til bl.a. medicinalindustrien. Formålet med samarbejdet er at udvikle et apparat til billeddiagnostisk undersøgelse af brystet baseret på DTU’s patenterede teknologi. Projektet kaldes 3D-MBI, hvor de sidste tre bogstaver står for Molecular Breast Imaging, molekylær billeddannelse af brystet. Forskerne håber, at de kan udvikle en skanningsmetode, der kan fungere som et supplement til de klassiske mammografiundersøgelser.

Ideen er at få en eventuel kræftknude til at lyse op på billeder taget med den nye form for gammakamera. Før undersøgelsen får kvinden indsprøjtet en ganske lille mængde af et radioaktivt sporstof, som især ophobes i kræftceller. Sporstoffet i kræftknuden udsender gammastråling, som nemt passerer igennem brystvævet og ud til gammadetektoren.
Teknologien gør det muligt at opdage ganske små kræftsvulster, og med detektoren fra DTU bliver det forhåbentlig muligt at kortlægge knudens position i tre dimensioner så præcist, at der med det samme kan udtages en biopsi, og kræftsygdommen efterfølgende kan behandles mere effektivt.

Metoden er specielt virkningsfuld, når det gælder om at opdage svulster hos kvinder med tæt brystvæv. Disse kvinder har højere risiko for brystkræft, og kræften er sværere at opdage med mammografi. Ifølge forskere fra Rigshospitalet og Københavns Universitet er det mindre end halvdelen af kræftknuderne, der opdages med mammografi af kvinder med meget tæt brystvæv, og for denne gruppe kan en mere effektiv screeningsteknologi gøre en stor forskel.

Fordele ved det nye design

Gammadetektorer findes allerede i rummet såvel som på hospitalerne, men DTU-forskernes design har en række fordele frem for de eksisterende detektorer. Det er baseret på en blanding af cadmium, zink og tellur, for krystaller af de tre metaller danner et halvledermateriale med de helt rette egenskaber til at opfange røntgen- og gammastråling.

De forholdsvis tunge grundstoffer stopper den energirige stråling ganske effektivt, og desuden fungerer cadmiumzinktellurid, forkortet CZT, fint ved stuetemperatur. Andre detektorer, der f.eks. er baseret på germanium, virker kun ved meget lave temperaturer og skal nedkøles med flydende nitrogen, men det slipper man for med CZT.
CZT-krystallerne dyrkes i Kromeks afdeling i Pennsylvania i USA, hvor Brian Harris står i spidsen for udviklingen af detektorer.

Om samarbejdet med DTU siger han:
”Irfans gruppe på DTU har en lang og dokumenteret historie inden for detektordesign og karakterisering af CZT. Samarbejdet med DTU har været meget gavnligt i forhold til vidensdeling og ingeniørmæssige udviklingsopgaver.”

Måler hver foton

I forvejen fremstiller Kromek strålingsdetektorer baseret på CZT, men DTU-forskerne har fundet ud af, hvordan man kan presse så meget information som muligt ud af de gammastråler, der rammer materialet.

”Vi måler hver eneste foton – dens energi samt tidspunktet og positionen for vekselvirkningen med detektormaterialet. Og når der sker flere vekselvirkninger, kan vi bestemme, hvor gammastrålingen kommer fra,” lyder det fra Irfan Kuvvetli, der har været godt tilfreds med at arbejde sammen med et privat firma:

”Samarbejdet med Kromek betød, at vi hurtigt kunne udvikle detektoren og den tilhørende elektronik. Efter kun to år har vi nu et detektormodul, der er klar til at blive testet og godkendt til en rummission – normalt ville det tage mellem tre og fem år at komme så langt.”

Samtidig med, at detektormodulerne bliver mere præcise, bliver de faktisk også simplere i opbygningen, idet er der brug for færre elektroder til at forbinde CZT-krystallen med den elektronik, som klarer signalbehandlingen.

Bedre opløsning med færre elektrode

Hver gang en gammafoton vekselvirker med detektormaterialet, opstår der et elektrisk signal, som opfanges af elektroder fastgjort til krystallen. I konventionelle detektorer er det nødvendigt med rigtig mange elektroder, hvis man vil kende den præcise position og den afsatte energi for vekselvirkningen, men på DTU Space satte forskerne sig for at undersøge, om man kunne nøjes med færre elektriske kanaler. Idéen var at bruge en særlig algoritme til at analysere signalerne fra samtlige elektroder samtidig i stedet for at kigge på hver elektrode hver for sig.

”Idéen virker forbløffende godt. Vores detektormodul har et minimalt antal elektriske kanaler, samtidig med at det har en rumlig og tidslig opløsningsevne, som andre detektorer ikke kan konkurrere med,” siger Irfan Kuvvetli og fortsætter:

”Hvis vi skal have en positionsopløsningsevne bedre end en millimeter for en gammadetektor, der måler 40 mm x 40 mm x 5 mm, så skal man for en almindelige pixeldetektor bruge fem lag á 1 mm, og for hver lag skal der være 40 x 40 elektriske kanaler – 8.000 i alt. Det har vi klaret med 53 elektriske kanaler.”

De færre kanaler i det såkaldte strip-design fører til simplere og dermed billigere detektormoduler, og det er vigtigt for en detektorproducent som Kromek:
”En udskiftning af pixeldesigns med stripdesigns reducerer i høj grad kravene til udlæsningselektronik, hvilket fører til væsentligt lavere systemomkostninger,” lyder det fra Brian Harris, der også bemærker, at det nye design også gør det nemmere at kompensere for uregelmæssigheder i detektorkrystallen.

Nu er forskerne på DTU Space i fuld gang med at teste de nye detektormoduler, som Kromek har fremstillet efter anvisningerne fra DTU Space. Og mens DTU-forskerne arbejder videre frem mod et instrument til et fremtidigt rumteleskop, kan Kromek begynde at udvikle en prototype af et medicinsk skanningsapparat, der kan testes på patienter.