鎘鋅碲：開啟醫學影像革命
'It's amazing' – the wonder material very few can make
作者: Chris Baraniuk | 時間: Fri, 12 Dec 2025 00:03:10 GMT | 來源: BBC
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躺在大型醫院掃描儀中，仰面朝上，雙臂舉過頭頂，盡量保持不動——長達45分鐘。這聽起來並不太有趣。
這就是倫敦皇家布朗普頓醫院患者在進行某些肺部掃描時必須做的事情，直到去年醫院安裝了一種新設備，將這些檢查時間縮短至僅15分鐘。
這部分歸功於掃描儀中的圖像處理技術，但也得益於一種稱為鎘鋅碲（CZT）的特殊材料，它能讓機器生成患者肺部高度詳細的3D圖像。
「這台掃描儀能提供極為清晰的圖像，」核醫學和PET部門負責人克莎瑪·韋查萊卡爾博士說。「這是工程與物理學的一項驚人成就。」
安裝於去年8月的這台機器所使用的CZT由英國公司Kromek製造。Kromek是全球少數幾家能生產CZT的公司之一。你可能從未聽說過這種材料，但正如韋查萊卡爾博士所言，它正推動醫學影像領域的一場「革命」。
這種神奇材料還有其他多種用途，例如用於X射線望遠鏡、輻射探測器和機場安檢掃描儀。它日益受到追捧。
韋查萊卡爾博士與同事對患者肺部進行的檢查，涉及探測長新冠患者體內的多個微小血栓，或肺栓塞等較大血栓。
這台價值100萬英鎊的掃描儀通過檢測注入患者體內的放射性物質發出的伽馬射線來工作。
但由於掃描儀的靈敏度高，所需放射性物質的劑量比以往減少：「我們可以將劑量降低約30%，」韋查萊卡爾博士表示。儘管基於CZT的掃描儀並非全新技術，但像這類大型全身掃描儀則是相對近期的創新。
CZT本身已存在數十年，但製造難度極高。「將其發展為工業級生產工藝花了很長時間，」Kromek創始首席執行官阿爾納布·巴蘇說。
在該公司位於塞奇菲爾德的設施中，有一個房間內排列著170個小型熔爐，巴蘇博士形容其「看起來像伺服器農場」。
特殊粉末在這些熔爐中加熱融化，然後凝固成單晶結構。整個過程需要數週。「原子一顆顆重新排列，」巴蘇博士說，「它們最終完全對齊。」
新形成的CZT是一種半導體，能以極高精度檢測X射線和伽馬射線中的微小光子粒子——類似於你智能手機相機中基於矽的光感測圖像傳感器，但更專業化。
當高能量光子擊中CZT時，會釋放出電子，而這種電信號可用於生成圖像。早期掃描技術採用兩步流程，精度較低。
「這是數字化的，」巴蘇博士說。「它是一次轉換步驟，保留了所有關鍵資訊，如時間、擊中CZT探測器的X射線能量——你能創建彩色或光譜圖像。」
他補充道，CZT基掃描儀目前正用於英國機場的爆炸物檢測，以及美國部分機場的託運行李檢查。「我們預計CZT將在未來幾年應用於隨身行李檢查領域。」
但並非總能輕鬆獲得CZT。
美國聖路易斯華盛頓大學的亨里克·克羅茲辛斯基曾將該材料用於高海拔氣球搭載的太空望遠鏡。這些探測器能捕捉中子星和黑洞周圍等離子體發出的X射線。
克羅茲辛斯基教授希望為望遠鏡使用0.8毫米厚的極薄CZT部件，因為這有助於減少背景輻射干擾，從而獲得更清晰的信號。「我們想購買17台新探測器，」他說，「要買到這些薄型產品確實很困難。」
他無法從Kromek公司獲得CZT。巴蘇博士表示，他的公司目前需求旺盛。「我們支持眾多研究機構，」他補充說，「我們很難同時應對上百種不同的事務。每個研究項目都需要一種非常特定的探測器結構。」
對克羅茲辛斯基教授而言，這並非危機——他表示，他可能在下一次任務中使用之前研究中獲得的CZT，或替代品碲化鎘。
然而，當前還有更大的困擾。這項即將進行的任務原定於12月從南極發射，但「所有日期都還不確定」，克羅茲辛斯基教授說，這是由於美國政府停擺。
其他許多科學家也使用CZT。在英國，牛津郡的鑽石光源研究設施正在進行一項耗資5億英鎊的重大升級，安裝基於CZT的探測器將提升其能力。
鑽石光源是一種同步加速器，它將電子以接近光速的速度繞巨型環形軌道發射。磁鐵使這些高速電子以X射線的形式損失部分能量，這些X射線通過光束線從環形軌道導出，可用於分析材料等。
近期一些實驗涉及探測鋁熔化過程中的雜質。更好地理解這些雜質有助於改進金屬的回收形式。
隨著鑽石光源預計在2030年完成升級，產生的X射線將明顯更亮，這意味著現有傳感器無法正確檢測它們。
「如果無法檢測這些設施產生的光，花費如此多資金進行升級就毫無意義，」科技設施理事會探測器開發組組長馬特·維爾說，該理事會是鑽石光源的利益相關方。
正因如此，這裡也選擇CZT作為首選材料。