tinh thể phát sáng của phương pháp ghi hình cắt lớp phát xạ positron

điểm chung giữa những máy chụp CT PET [computed tomography positron emission tomography] và gươm ánh sáng trong bộ phim chiến tranh giữa các vì sao là đều cần những tinh thể đặc biệt để hoạt động

Chụp PET
máy chụp ghi hình cắt lớp positron sẽ quét cơ thể người nhờ sử dụng một chất phóng xạ: gọi là một "chất soi chiếu" [tracer]

mới đầu của quy trình chụp cắt lớp là ta bơm một "chất soi chiếu" [tracer] vào người bệnh nhân: thông thường, chất soi chiếu là một đồng vị của flo kết hợp với cácbon, nitơ hoặc oxy - chất đánh dấu sẽ lưu thông qua các tế bào cơ thể như bình thường

chất soi chiếu sẽ chứa một nguyên tử phóng xạ đang liên tục phân rã: khi nguyên tử phân rã, nó sẽ phát xạ positron từ hạt nhân

positron là phản hạt của electron và mang điện tích dương

positron sẽ di chuyển: đâu đó 1 milimet - trước khi va chạm với electron bên trong tế bào cơ thể người và huỷ diệt lẫn nhau, phát xạ ra 2 tia gamma photon [ánh sáng] 511 kilo electron volt

những photon năng lượng cao ấy sẽ ít có khả năng thoát được ra khỏi cơ thể: cho nên máy chụp PET căn bản là một bộ những máy phát hiện [detector] được đặt quanh bệnh nhân để hứng những gamma photon ấy thoát ra khỏi cơ thể trong suốt quy trình chụp

máy chụp sẽ biến những photon ấy thành một tín hiệu điện và được chuyển đổi thành hình ảnh: quy trình chụp PET

Công dụng
chụp PET có thể mở rộng khả năng của những máy khác như chụp cắt lớp vi tính [CT - computed tomography] và chụp cộng hưởng từ [MRI - magnetic resonance image] cho nên thường được sử dụng cùng nhau

quan trọng là ở cách thức cơ thể người tiếp nhận và xử lý những chất hoá học: cho ta thấy hoạt động trao đổi chất của cơ thể - cơ thể hoặc những thứ trong cơ thể sẽ tiêu thụ thức ăn nhanh thế nào

ví dụ có một phiên bản chụp PET trong ung thư học đã tận dụng sự hấp thụ nhanh đường glucose của khối u để đo lường độ tăng trưởng của khối u

chụp PET cũng giúp hé lộ tình hình của một số bệnh lý não như bệnh Alzheimer

khi hoạt động bình thường, não bộ khoẻ mạnh sẽ tiêu thụ nhiều đường glucose: cho nên nếu não bộ không tiếp nhận đường glucose nhanh như bình thường thì ấy có thể là dấu hiệu cho thấy có gì trục trặc

Tinh thể
quy trình chụp PET sẽ cần những bộ phát hiện [detector] để phát hiện những photon năng lượng cao ấy: một máy quét PET thông thường có hàng nghìn những tinh thể nhấp nháy [scintillate] để trong những vòng đai xung quanh bệnh nhân

những tinh thể nhấp nháy ấy sẽ phát sáng khi gặp bức xạ ion hoá

Tại sao phát sáng?
khi một photon va chạm một nguyên tử: nhiều thứ xảy ra - một trong số đó là hiệu ứng quang điện khi photon chuyển giao năng lượng cho một trong những electron của nguyên tử ở vỏ ngoài cùng, đẩy electron bay ra ngoài

hiệu ứng quang điện chính là thứ giúp hiện thực hoá những chip cảm biến hình ảnh CCD và CMOS thu thập electron và sau đó sử dụng đồ điện tử để tạo một hình ảnh

nếu photon có năng lượng cao hơn: như một tia gamma photon 511 kilo electron volt - thì va chạm với electron sẽ chuyển giao chỉ một phần của năng lượng ấy - sau đó photon văng đi, có thể sẽ đập những electron khác nữa

electron bị đập và truyền năng lượng sẽ bật khỏi vị trí hiện tại trên vùng hoá trị lên vùng dẫn là vùng quỹ đạo xa hơn

trạng thái kích thích này sẽ không giữ nguyên: sau rốt những electron bị kích động sẽ quay lại trạng thái cơ bản ở vùng hoá trị và phát xạ đi năng lượng thừa

thông thường, số năng lượng thừa này sẽ phát xạ dưới dạng những photon cực tím không thấy được bằng mắt thường: cho nên để tinh thể phát xạ ánh sáng nhìn thấy, ta cần chỉnh sửa một chút

ta bổ sung một tạp chất [impurity] vào tinh thể: tức là "thêm tạp chất" [dope] nó [tinh thể] - để khi electron quay lại trạng thái cơ bản và phát xạ ra năng lượng, bức xạ ấy sẽ nhìn thấy được

Đèn nhân quang điện
tinh thể mới chỉ là phần nửa của thứ trang bị cho máy chụp PET: nửa kia là những hệ thống phát hiện ánh sáng phát xạ ra từ tinh thể

tinh thể nhấp nháy sẽ được gắn vào những ống đèn nhân quang điện sẽ nhân và chuyển đổi ánh sáng nhấp nháy yếu thành những nhịp [pulse] điện để đồ điện tử có thể xử lý

ấy những những đồ điện tử rẻ tiền và rất nhạy sẽ biến một tín hiệu photon duy nhất thành một tín hiệu điện lớn đáng kể

mới đầu, ta cần một ống đèn cho mỗi một tinh thể: những ống ấy khá lớn cho nên ngành đã chuyển sang một định dạng khối có một ống đèn dùng cho nhiều tinh thể

ngày nay, có những phiên bản bán dẫn silic sẽ làm cũng những nhiệm vụ ấy

Yêu cầu cho tinh thể
những tinh thể nhấp nháy sẽ cần nhiều yêu cầu kỹ thuật: một là phải hiệu quả trong việc ngăn chặn và tương tác với những photon gamma - chủ yếu được quyết định bởi mật độ của vật liệu, càng dày đặc thì càng dễ khả năng để photon va chạm với một electron và kích hoạt hiệu ứng quang điện

khả năng ấy được gọi là xác suất quang điện [photoelectric frantion]

càng dày đặc thì càng có khả năng những photon ấy sẽ xuyên ngay qua tinh thể

hiệu suất quang điện cho những photon gamma 511 kilo electron volt là luôn [universally] dưới 50%

hai là tinh thể cũng cần hiệu quả trong việc chuyển đổi những bức xạ ion hoá ấy thành ánh sáng: tức là có lợi suất ánh sáng [light yield] cao

có 2 loại tinh thể nhấp nháy: hữu cơ và vô cơ - tất cả máy chụp PET sử dụng tinh thể vô cơ vì có lợi suất ánh sáng cao hơn và tinh thể hữu cơ sẽ bốc mùi

lợi suất ánh sáng càng cao thì càng ít vật liệu phóng xạ cần được bơm vào người bệnh

ba là ánh sáng của tinh thể phải có độ phân giải không gian tốt: tức là ta cần có thể xác định được nơi mà tia gamma đi vào tinh thể - để có hình ảnh nét hơn

bốn là tinh thể nên có thời gian phân rã ngắn: còn gọi là động lực hoá học nhanh - tức là ánh sáng của tinh thể sẽ nhoà đi nhanh thế nào sau khi nó hấp thụ photon gamma

thời gian phân rã ngắn sẽ giúp ta lấy được một "tốc độ làm tươi" cao hơn cho việc quan sát: thông tin sẽ hữu ích cho những máy chụp PET tiên tiến như PET 3 chiều

năm, cuối cùng là tinh thể cần rẻ để chế tạo và sử dụng bên trong máy chụp PET vì ta sẽ cần rất nhiều tinh thể ấy

Lịch sử của tinh thể
năm 1903 hiện tượng nhấp nháy lần đầu được khám phá trong một thí nghiệm liên quan đến nước và radi

năm 1908 nhà vật lý Ernest Rutherford người New Zealand sử dụng một màn hình làm từ kẽm sulfide để quan sát sự phân tán của những hạt alpha - lần đầu tiên con người sử dụng nhấp nháy để hỗ trợ quan sát những cấu trúc nguyên tử

năm 1949 các nhà vật lý khám phá tinh thể nhấp nháy hiệu năng cao đầu tiên: tinh thể natri iodide trộn thali hay gọi là được kích hoạt thali

35 năm tiếp theo, natri iodide trộn thali đã trở thành tiêu chuẩn: những máy chụp PET thuở đầu đã sử dụng tinh thể này trong suốt quá trình phát triển sản phẩm

nhược điểm của tinh thể natri iodide trộn thali là mật độ khá thấp: chỉ 3.67 gam mỗi centimet khối - khả năng ngăn chặn kém hơn và nắm giữ được ít photon gamma hơn, hạn chế chất lượng ảnh của thiết bị

năm 1973 nhà vật lý M. Weber và R.R. Monchamp đã công bố khám phá một tinh thể nhấp nháy mới: bismuth germani oxit [công thức hoá học Bi4 Ge3 O12]

Nuôi cấy bismuth germanate
bismuth germanate dày đặc hơn natri iodide nhiều: 7.13 gam mỗi centimet khối so với 3.67

cùng với số nguyên tử cao nhất cho một chất nhấp nháy từng được phát hiện, ta được một tinh thể có sức mạnh ngăn chặn tia gamma đáng kể

nhược điểm vật lý của bismuth germanate là lợi suất ánh sáng thấp: chỉ 9000 photon mỗi mega electron volt so với 38000 của natri iodide - nhược điểm sẽ cần được bù đắp bởi đồ điện tử nhân quang điện

bismuth germanate cũng có thời gian phân rã rất lâu: 300 nano giây so với 230 nano giây của natri iodide - giảm tốc độ làm tươi trên màn ảnh

và cũng mất nhiều năm để ngành công nghiệp chế tạo máy chụp PET có thể nhận được tinh thể quy mô đủ lớn cần thiết cho ứng dụng: bắt đầu năm 1989 dự án khoa học cho máy va đập electron-positron lớn [large electron-positron collider] CERN đã hiện thực hoá và là một trong những máy gia tốc hạt lớn nhất thế giới

gọi là thí nghiệm L3 có từ 11 000 đến 12 000 tinh thể bismuth germanate dài 24 centimet gắn vào những điôp quang silic

tinh thể được sản xuất ở Trung Quốc bởi học viện ceramics Thượng Hải nhờ sử dụng phương pháp Bridgman

phương pháp Bridgman trộn bismuth (III) tinh khiết và germani đi ôxit vào một nồi nấu kim loại bằng platin: nung nóng trong một bếp lò để tạo ra một chất lỏng nóng chảy

sau đó ta từ từ loại bỏ nhiệt khỏi chất nóng chảy từ một phía: nơi một tinh thể mầm sẽ được đặt - về phía còn lại

phương pháp cô đặc có định hướng [directional solidification] đã được sử dụng cho silic hạng mặt trời để làm silic đa tinh thể [multi-crystal] khi ta đặt silic thô [feedstock] vào trong một nồi nấu kim loại lên nhiệt độ 1500 độ C để nung chảy silic, sau đó chậm rãi cẩn thận loại bỏ nhiệt năng từ đáy của nồi nấu: có thể sử dụng một máy nhấc [lift] để di dời chất lỏng đi qua một vùng 'nóng' và 'lạnh' để từ từ làm nguội

kết quả được những nén tinh thể bismuth germanate để ta cắt và đánh bóng

phương pháp Bridgman cũng sử dụng trong ngành bán dẫn để sản xuất những tinh thể vật liệu như gali (III) arsenide khi không làm được nuôi cấy Czochralski

kiến thức từ thí nghiệm L3 đã khiến bismuth germanate khả thi kinh tế trong ngành công nghiệp máy chụp PET

thập niên 1990 bismuth germanate tiếm chỗ natri iodide kỳ cựu để trở thành tinh thể nhấp nháy tiêu chuẩn cho máy chụp PET với 50% thị phần

Những tinh thể thập niên 2000
thập niên 1990 người ta bắt đầu sử dụng kiến thức về cách thức hoạt động của nhấp nháy để định hướng nghiên cứu và thập niên 2000 hai tinh thể mới xuất hiện đã khắc phục được nhược điểm lợi suất ánh sáng của bismuth germanate

một là luteti oxy ortho silicat [LSO] trộn với ceri và hai là luteti ytri ortho silicat [LYSO] trộn với ceri: dày đặc 7.4 gam mỗi centimet khối - lợi suất ánh sáng rất tốt 30 000 photon mỗi mega electron volt và thời gian phân rã cải thiện lớn so với bismuth germanate, đạt 38 nano giây so với 300 nano giây của bismuth germanate

phần lớn tinh thể LYSO:CE thương mại được chế tạo nhờ nuôi cấy Czochralski: đặc biệt khó vì được làm từ 4 nguyên liệu ôxy hoá không dễ nóng chảy - 3 trong số đó là ytri (III) ôxit, luteti (III) ôxit và ceri (IV) ôxit nóng chảy ở nhiệt độ hơn 2400 độ C tức là cao gấp 5 lần nhiệt độ bề mặt Sao Kim - rủi ro nung chảy luôn lò nấu kim loại bằng iridi và gây "vấy bẩn" [contaminate]

và ta cũng phải thực hiện những biện pháp đặc biệt để ngăn ôxy khỏi tách ra [disassociate]

Thập niên 2010
từ cuối thập niên 2000, yêu cầu an ninh quốc gia đã kích hoạt một đợt tiền đầu tư vào mảng tinh thể nhấp nháy: những yêu cầu liên quan đến những tinh thể nhấp nháy mới cho máy chụp tia X và máy phát hiện phóng xạ - có thể khác với cách ta sử dụng máy chụp PET nhưng nguyên tắc tương tự và nhu cầu cũng giống

cùng với kiến thức mới về hiện tượng nhấp nháy, ta có nhiều lựa chọn tinh thể hơn: thập niên 2010 đã tăng gấp đôi số lượng những công trình nghiên cứu mới xuất bản có đề cập những tinh thể đạt lợi suất ánh sáng hơn 20 000 photon mỗi mega electron volt

Bán dẫn
máy chụp PET sử dụng chất nhấp nháy sẽ vẫn là tiêu chuẩn của ngành nhưng người ta vẫn tiếp tục thí nghiệm: đã có một số nghiên cứu về những máy phát hiện dựa-trên-tấm-silic [pad] - mẫu thử đã được sản xuất và có vẻ khả thi

khó khăn là: một là phức tạp kỹ thuật để xây dựng; hai là không hiệu quả bằng những tinh thể truyền thống, chất lượng ảnh có thể chỉ hợp cho những cái như chụp tiền lâm sàng vì hiệu suất quang điện của silic không cao bằng chất nhấp nháy như bismuth germanate - bismuth germanate đạt 43% trong khi silic chưa đến 1% cho nên tấm [pad] silic phải dày hơn để bù lại

chưa có chip chụp CMOS PET nhưng bán dẫn silic đã thay thế ống đèn nhân quang điện cũ để tăng độ nét dữ liệu ta đọc từ tinh thể nhấp nháy

một số nghiên cứu sinh tin rằng ta đã đạt giới hạn về những độ phân giải tinh thể duy nhất siêu tinh khiết: cần tìm những giải pháp để phối hợp vào những hạt tinh thể kích cỡ nano - nhét vào đồ điện tử như cách một điểm ảnh [pixel] cảm biến ảnh có một điôp quang và bóng bán dẫn silic

Kết
trong tương lai gần, chưa có tiềm năng thay thế máy chụp PET bằng những chip silic nhỏ gọn: nghiên cứu cho tinh thể nhấp nháy hoàn hảo hơn vẫn sẽ tiếp diễn.