鎘鋅碲技術開創醫療影像新紀元
'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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仰躺在大型醫院掃描儀中，盡量保持不動，雙臂舉過頭頂——長達45分鐘。聽起來不太有趣。
這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台新設備，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影像處理技術，但也得益於一種稱為鎘鋅碲（CZT）的特殊材料，該材料使機器能夠生成高度詳細的患者肺部3D影像。
「這台掃描儀能呈現美麗的影像，」核醫學與正子斷層掃描負責人克沙瑪·韋查萊卡爾博士表示。「這是工程與物理學的非凡成就。」
這台於去年八月安裝在醫院的設備中的CZT，由英國公司Kromek製造。Kromek是全球少數幾家能夠生產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，它正在推動醫療影像領域的「革命」。
這種神奇材料還有許多其他用途，例如用於X光望遠鏡、輻射探測器和機場安全掃描儀。它正越來越受歡迎。
韋查萊卡爾博士和她的同事對患者肺部的檢查包括尋找長新冠患者體內存在的許多微小血塊，或較大的血塊如肺栓塞。
這台價值100萬英鎊的掃描儀通過探測注射到患者體內的放射性物質所發出的伽馬射線來工作。
但掃描儀的高靈敏度意味著比以前所需的放射性物質更少：「我們可以將劑量減少約30%，」韋查萊卡爾博士說。雖然基於CZT的掃描儀總體上並非新技術，但像這樣的大規模全身掃描儀則是相對較新的創新。
CZT本身已存在數十年，但以其難以製造而聞名。「將其發展成工業規模的生產流程花了很長時間，」Kromek聯合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，有一個房間內設有170台小型熔爐，巴蘇博士形容該房間「看起來像服務器農場」。
一種特殊粉末在這些熔爐中被加熱融化，然後固化為單晶結構。整個過程需要數週。「原子一個接一個地重新排列……以便它們全部對齊，」巴蘇博士說。
新形成的CZT是一種半導體，能夠以驚人的精確度探測X光和伽馬射線中的微小光子粒子——類似於智慧手機相機中基於硅的光感應影像傳感器的高度專用版本。
當高能量光子撞擊CZT時，會激發一個電子，而此電信號可用於生成影像。早期的掃描技術採用兩步驟過程，精確度較低。
「它是數位的，」巴蘇博士說。「這是一個單一轉換步驟。它保留所有重要信息，例如時間和撞擊CZT探測器的X光能量——你可以創建彩色或光譜影像。」
他補充說，基於CZT的掃描儀目前用於英國機場的爆炸物檢測，以及美國部分機場的托運行李掃描。「我們預計CZT將在未來幾年內應用於隨身行李檢查領域。」
但CZT並非總是容易獲得。
美國聖路易斯華盛頓大學的亨里克·克羅奇克斯基曾將這種材料用於高海拔氣球攜帶的太空望遠鏡。這些探測器可以接收中子星和黑洞周圍電漿發出的X射線。
克羅奇克斯基教授希望為他的望遠鏡使用非常薄的0.8毫米CZT，因為這有助於減少接收到的背景輻射量，從而獲得更清晰的信號。「我們想購買17台新探測器，」他說。「這些薄型產品很難獲得。」
他無法從Kromek取得CZT。巴蘇博士表示，其公司目前需求旺盛。「我們支持眾多研究機構，」他補充道，「我們很難同時處理上百種不同任務。每個研究專案都需要非常特定類型的探測器結構。」
對克羅奇克斯基教授而言，這並非危機——他說他可能在下次任務中使用先前研究中存留的CZT，或是替代品碲化鎘。
然而，目前有更大的難題。該即將展開的任務原定於12月從南極起飛，但由於美國政府關閉，「所有日期都不確定」，克羅奇克斯基教授說。
許多其他科學家也使用CZT。在英國，牛津郡的Diamond Light Source研究設施進行了一項耗資5億英鎊的重大升級，通過安裝基於CZT的探測器來提升其性能。
Diamond Light Source是一種同步加速器，將電子以接近光速的速度沿巨大環形軌道發射。磁鐵使這些高速電子以X射線形式損失部分能量，這些X射線從環形軌道中導出到光束線，用於分析材料等。
一些近期實驗涉及在鋁熔化時探測其雜質。更好地理解這些雜質有助於改善金屬的回收形式。
隨著Diamond Light Source預計於2030年完成的升級，所產生的X射線將顯著更明亮，這意味著現有傳感器將無法正確探測它們。
「如果無法探測這些設施產生的光線，花費巨資升級這些設施就毫無意義，」Diamond Light Source的利益相關者、科技設施委員會探測器開發小組負責人馬特·韋爾說。
這就是為什麼在這裡，CZT也是首選材料。