Назревает переворот в рентгенографии
Российские ученые разработали детекторы рентгеновского излучения, которые резко увеличивают возможности рентгенографии и сделают ненужными целые классы медицинской диагностической аппаратуры
Несмотря на развитие таких методов медицинской диагностики, как, например, разные виды томографии, рентгенография остается самой распространенной формой диагностики различных заболеваний и травм. Но современные рентгеновские аппараты дошли до физического предела используемых в них детекторов рентгеновского излучения по пространственному и плотностному разрешению*. Прогресс в методах медицинской рентгеновской диагностики фактически остановился.
Вот почему в мире широко ведутся разработки современных типов детекторов; некоторые из них продемонстрировали огромный потенциал развития новых методов рентгеновской диагностики. Однако до настоящего времени в мире, несмотря на все усилия, не удалось создать детекторы, пригодные для широкого применения.
А в это время российские малые инновационные предприятия «Иксдайкон» (Xdicon) и «Арсенид — Галлиевые сенсоры» (АГС), входящие в холдинг «Экипаж» и созданные на основании 217-ФЗ от 02.08.2009 Томским государственным университетом (ТГУ) с целью коммерциализации разработок этого вуза, представили новый тип рентгеновского детектора на базе высокорезистивного арсенида галлия, компенсированного хромом (HR — GaAs:Cr).
Новый детектор обеспечивает на порядок более высокое, чем в традиционной рентгенографии, пространственное и плоскостное разрешение, что делает возможным получать данные о качественном и количественном элементном составе исследуемого объекта. А это резко повышает возможности рентгенографии при диагностике, например, рака легких и рака груди, других заболеваний и травм.
С такой оценкой согласен ведущий научный сотрудник Центрального НИИ туберкулеза, доктор медицинских наук, известный специалист в области лучевой диагностики Андрей Перфильев: «Новый тип рентгеновских детекторов, разработанных в Томском государственном университете, существенно расширяет диагностические возможности рентгенографии при самых различных заболеваниях, прежде всего таких социально значимых, как туберкулез и онкология».
Кроме того, по мнению разработчиков, рентгеноаппаратура с такими детекторами сделает ненужными целые классы существующей медицинской диагностической аппаратуры.
*Пространственное разрешение — наименьшее линейное или угловое расстояние между двумя объектами, на котором они продолжают различаться раздельно. Плотностное разрешение — количество градаций яркости, различаемых одним пикселем изображения.
Томские корни
История проекта, можно сказать, уходит еще в советские времена. Уже тогда в Томске сформировалась сильная научная школа в области полупроводников, в частности арсенида галлия. Как поясняет директор компании «Иксдайкон» Вадим Вещезеров (в недавнем прошлом — инвестиционный директор компании «Роснано»), в Томске «существовало то, что называют модным словом “экосистема”: то ли в силу счастливого стечения обстоятельств, то ли из-за удаленности от Москвы она довольно успешно пережила тяжелые девяностые и начало двухтысячных».
Научная группа компании «Иксдайкон», возглавляемая директором Центра исследований и разработок «Перспективные технологии в микроэлектронике» ТГУ доктором физико-математических наук профессором Олегом Толбановым, давно известна во всем мире. А высокорезистивный арсенид галлия, компенсированный хромом, — это мировой бренд именно Томска и именно научной школы Толбанова. Эти материалы использовались в целом ряде научных экспериментов, в частности на Большом адронном коллайдере, и Томский университет всегда очень активно поддерживал эту группу. Однако самостоятельные попытки сотрудников ТГУ коммерциализировать свои разработки оказались не особо удачными.
Как рассказывает Олег Толбанов, «еще в советское время мы в университете создали на основе наших технологий разнообразные приборы — например, так называемый S-диод. Но когда СССР рухнул, пришлось искать новые приложения нашим разработкам. Институт физики высоких энергий предложил нам создать детектор для поиска частиц для Большого адронного коллайдера. Их разработку профинансировала INTAS**. На их довольно приличные деньги мы сделали детекторы на основе арсенида галлия, которые оказались самыми радиационно стойкими детекторами в мире». А в 1998 году та же INTAS заказала систему с арсенидгаллиевым детектором для получения изображения в рентгенографии. «Работа была очень тяжелая, но крайне интересная. Я никогда в жизни не работал с таким вдохновением», — вспоминает Олег Толбанов. В 2006 году этот проект занял четвертое место по значимости среди 700 разработок, проведенных на средства INTAS. Созданная в его рамках технология легла в основу тех детекторов, которые сейчас (конечно, после серьезной доработки) используются для рентгенографии компанией «Иксдайкон». «Технология легирования арсенида галлия глубокими центрами, которая позволяет получать арсенид галлия детекторного качества, до сих пор остается нашим ноу-хау, — объясняет Толбанов. — И мы являемся единственными в мире, кто способен делать такой материал. На разработанные материалы и технологии нами получены и патенты, и ноу-хау».
У новых детекторов сразу нашлись серьезные области применения. Например, оснащение ими промышленных рентгеновских установок позволяет с высокой точностью определять соотношение фаз, в частности содержание нефти в нефтеводогазовой смеси («скважинной жидкости») непосредственно на месте добычи. Или легко находить алмазы в добытой руде.
Но наибольшие коммерческие перспективы открываются для нового детектора в области медицинской рентгенографии.
Дело в том, что на рынке индустриальных применений для каждого случая требуется своя аппаратура. Сами базовые элементы — детекторы — одинаковые, но их конкретная конструкция каждый раз иная. И это относительно небольшие серии. Как объясняет Вадим Вещезеров, «при всей привлекательности, например, расходомеров, их рынок ограничен. А человек во всем мире одинаков. Поэтому понятен примерный список типоразмеров детекторов для медицинских целей, их во всех вариантах штук восемь-десять. При этом очень большой тираж. И в силу этого медицинский рынок интересен для венчурных инвесторов».
Олег Толбанов признается, что хотя они в ТГУ понимали перспективы применения разработанных ими детекторов в медицинской рентгенотехнике, об этом направлении не думали, поскольку считали, что мировой рынок такой техники настолько монополизирован несколькими транснациональными компаниями, что выйти на него — непосильная для них задача. А в России самостоятельных разработчиков такой аппаратуры не осталось. Но счастливым образом нашлась команда, которая взяла на себя решение этой проблемы.
«Я видел много даже очень хороших ученых советского происхождения, но попытки сделать с ними бизнес обычно заканчиваются печально по самым разным причинам, — признается Вадим Вещезеров. — У Толбанова же есть понимание того, что такое бизнес, и желание идти в эту сторону. И есть четкое понимание, где кончается компетенция его и его команды как ученых-разработчиков, а где начинаются бизнесовые, финансовые, юридические моменты, которые по внутрикомандным раскладам лежат не на них. И мы по возможности оберегаем разработчиков от излишних волнений».
**INTAS (The International Association for the Promotion of Co-operation with Scientists from the New Independent States of the Former Soviet Union) — Международная ассоциация по содействию сотрудничеству с учеными новых независимых государств бывшего Советского Союза. В 2006 году было принято решение о прекращении ее деятельности.
Перейти в свободное плавание
В значительной мере бизнес в его нынешнем виде придумал Иван Ольшевский, ныне директор компании АГС. По исходному образованию и по первому опыту врач, он в последние годы работал в различных организациях как медицинский начальник и околомедицинский управленец-бизнесмен, в частности занимался протонно-лучевой терапией. «В поисках прибора, с помощью которого можно очень точно и быстро увидеть точку фокусировки луча, я, можно сказать, случайно набрел на разработки Толбанова, которые в силу высокого плоскостного и пространственного разрешения потенциально способны решить эту задачу. А подробнее познакомившись с возможностями детекторов, разработанных в ТГУ, оценил перспективы их применения в медицинской рентгенографии и переключился на это направление», — рассказывает Иван Ольшевский. В поисках инвестиций для развития он пришел в «Роснано» и познакомился с Вадимом Вещезеровым.
Как вспоминает Вещезеров, «мы довольно долго изучали этот проект с точки зрения “Роснано”, но для “Роснано” он находится на слишком ранней стадии. Поэтому “Роснано” как инвестор на данный момент, к сожалению, присутствует в проекте очень опосредованным образом — через свой наноцентр в Томске. Наноцентр “Сигма. Томск” — акционер АГС. Это тоже серьезная и значимая поддержка, но больших инвестиций проект пока не получил. Однако мне он показался настолько перспективным, что я бросил очень теплое и уютное кресло в “Роснано” и перешел на другую сторону стола».
Так сложилось основное руководящее ядро проекта: Олег Толбанов, Вадим Вещезеров, Иван Ольшевский. Кроме того, в него входят в качестве коммерческого директора израильский предприниматель и наш бывший соотечественник Давид Давидов, а в качестве научного консультанта — Петр Мостовой, известный деятель эпохи приватизации начала девяностых.
При этом Томский госуниверситет остается крупным акционером компании «Иксдайкон», а группа Толбанова продолжает работать в университете над научными задачами в этой области.
«ТГУ нас поддерживает, — поясняет Вадим Вещезеров, — но Министерство высшего образования и науки породило такую бюрократию, что даже меня, человека, которого после работы в крупной государственной инвесткомпании удивить бюрократией сложно, удивить смогли. Отчетность, очень сложные процедуры принятия решений, причем на вопросы, которые в обычном, коммерческом бизнесе решаются за один день, тут может потребоваться несколько месяцев. И плюс ко всему по происхождению это бюджетные деньги, а у нас они могут оказаться “токсичными”. Поэтому требуется особая осторожность и тщательность во всех бумажных процедурах, что съедает массу времени и сил. И мы начали разделять свою коммерческую деятельность и научно-исследовательские программы университета, сохраняя, конечно, с ним тесные отношения, чтобы пуститься в свободное плавание. ТГУ передал нам лицензию на технологии, чтобы мы могли развивать промышленный и коммерческий проект».
Что это дает
«Если сравнивать рентгенографию с телевидением, — объясняет Иван Ольшевский, — то современная рентгенография находится на уровне телевидения первой половины пятидесятых годов прошлого века: черно-белый экран со строчной разверткой и всеми капризами ламповой техники — бегущим кадром, замазанным краем изображения, нервной реакцией на проезжающие мимо автобусы. Аналогия углубляется неизбежным выгоранием люминофора и снижением и так не ахти какой контрастности. А детекторная база на основе GaAs:Cr — это современная 4К-панель, воспроизводящая 32 миллиона цветов». Существующие рентгеновские сенсоры воспринимают это излучение как человек, страдающий дальтонизмом, — просто как белый свет, яркость которого в каждой точке зависит от того, сколько излучения прошло через конкретную точку облучаемого объекта. Все предметы, которые поглощают рентгеновские лучи, выглядят темными, а те, которые их не поглощают, — светлыми. И в каждой точке фактически определяется накопленный за время экспозиции поток излучения. Но из-за наличия рассеянного излучения разрешающая способность и контрастность полученного изображения оказывается недостаточной для определения характера многих дефектов и новообразований.
Новые детекторы открывают возможности полноценного цветного зрения. С тем существенным добавлением, что теперь они в состоянии зафиксировать каждый отдельный рентгеновский квант и оценить его энергию, которая отображается на рентгенограмме определенным цветом. Фактически это переход от черно-белой рентгенографии к спектроскопической (цветной).
Подобно тому как кислород воздуха придает небу привычный нам голубой цвет, так и спектр проходящего через тело человека рентгеновского излучения зависит от того, какие химические элементы и в каких количествах встречаются на пути луча. Таким образом получается цветная рентгенограмма, отражающая распределение химических элементов в исследуемом объекте в каждой его точке. Поскольку элементный состав тканей, образующих человеческое тело, изучен в тонкостях, исследователь получает возможность различать ткани, неразличимые на обычном рентгеновском снимке.
Как поясняет Иван Ольшевский, «наш метод имеет потенциал существенно упростить и удешевить процесс выявления онкологических образований и контроль эффективности их лечения, заменяя позитронно-эмиссионную томографию (ПЭТ)».
«Дело в том, что ПЭТ базируется на том, что определяет распределение поглощения живыми тканями различных веществ, помеченных радиоактивными изотопами. В настоящее время наиболее распространенным ПЭТ-исследованием является исследование с глюкозой. Оно основано на том, что накопление глюкозы в ткани напрямую отражает интенсивность обмена веществ — тканевое дыхание, — продолжает Иван Ольшевский. — Поскольку опухолевые или воспалительные очаги характеризуются более высоким метаболизмом, то это исследование позволяет их эффективно выявлять. Но глюкоза — это лишь половина дыхания. Вторая половина — кислород. Детекторы, которые мы разрабатываем, позволяют напрямую фиксировать концентрацию кислорода в тканях без применения радионуклидных методов и, как я уже сказал, заменить ПЭТ».
Причем и в традиционной рентгенографии, и в рентгеновской томографии переход на новый тип детекторов осуществляется предельно просто: старый детектор вынимается и ставится новый. Конечно, придется менять софт установок, где-то, вероятно, придется улучшить компьютер, но действующее оборудование просто переукомплектовывается. Как шутит Вещезеров, «были “Жигули”, мы приделали ракетный двигатель — и теперь летаем».
Но для того, чтобы использование новых возможностей стало рутинной диагностической процедурой, необходимо переобучение медиков. И работа специалистов по искусственному интеллекту, чтобы вложить новые возможности в обычные диагностические практики.
«А мы уже в состоянии дать экспериментальные образцы детекторов, чтобы медики могли обкатать новые методы рентгенографии», — говорит Ольшевский.
Промашка мировых грандов
В то же время, как утверждают герои нашего очерка, есть серьезные основания полагать, что выбранный в настоящее время мировыми лидерами индустрии путь в разработке детекторов никогда не даст результата.
Как рассказывает Олег Толбанов, материалов, из которых можно сделать такой детектор, сейчас три: аморфный селен, кадмий-теллур и арсенид галлия. В мире основные усилия были направлены на разработки с использованием аморфного селена и кадмия-теллура. Первые экспериментальные детекторы на аморфном селене произвели фурор, но проблема в том, что такой детектор должен постоянно находиться при температуре около 60 градусов Цельсия, что делает невозможным его использование в массовой технике.
Что касается кадмия-теллура, то оказалось, что из него очень сложно вырастить монокристалл нужного качества, в итоге этот материал оказался в 60–70 раз дороже, чем арсенид галлия. Кроме того, для многих применений необходимы кристаллы большой площади. Поэтому на уровне опытных образцов детекторы из кадмия-теллура используют, на них получают первые научные результаты, но, как считает Олег Толбанов, это тупик: сделать массовый практически применимый детектор на этом материале не получится.
И так сложилось, что в мире, увлекшись аморфным селеном и кадмиемтеллуром, арсенидом галлия применительно к детекторам не занимались, хотя сам по себе этот материал в полупроводниковой промышленности используют довольно широко.
В результате томская команда оказалась монопольным владельцем технологии изготовления GaAs:Cr и рассчитывает сохранить эту монополию на ближайшие пять-десять лет.
Уровни проекта и проблемы
Фактически в рамках проекта одновременно приходится разрабатывать четыре разных продукта.
Ядро бизнеса — это технология производства основного материала детектора, высокорезистивного арсенида галлия, компенсированного хромом (HR — GaAs:Cr). На его основе изготавливаются разнообразные сенсоры, на которые есть определенный самостоятельный спрос. Он ограничен, потому что основное применение этих сенсоров — научное.
Второй уровень — производство собственно детекторов, которые могут быть двух типов: линейные и матричные. Линейные детекторы — это уже сейчас практически готовое устройство, существующее в виде опытных образцов, которые могут быть заказаны и поставлены. Их еще необходимо дорабатывать, но это, в принципе, уже рыночный продукт. Как отмечает Вадим Вещезеров, если завтра появится большой покупатель, придется много сделать в части организации производства, но принципиальных проблем здесь нет. Однако для медицинских применений у детекторов такого типа есть существенные ограничения: далеко не во всех приборах он может использоваться. Это продукт, скорее, для индустриальных применений.
Для медицинских применений нужен матричный детектор, который набирается в панель из отдельных сенсоров. И здесь разработчикам еще предстоит провести серьезные ОКР. Дело в том, что комплектный продукт — это сенсор плюс электронные системы, в первую очередь чип для считывания сигнала, который еще необходимо разработать. Таких чипов для матрицы на данный момент у разработчиков нет. Пока в лабораторных образцах детекторов используются чипы, разработанные для решения аналогичных задач адронного коллайдера в ЦЕРНе, но это разработка, доступная в довольно ограниченном объеме. А главное, она делалась для решения научных задач и поэтому для промышленных применений одновременно и слишком дорога, и неудобна. «Основные инвестиции, которые мы сейчас ищем, — поясняет Ольшевский, — нужны для разработки медицинского матричного детектора, в первую очередь считывающего чипа. Мы знаем, как его сделать, и на данный момент уже не видим технических рисков, но сделать его — это время и деньги. Это то, что ограничивает движение в медицинском направлении».
Команда в поисках инвесторов
Сейчас у проекта есть небольшая выручка, для развития ее недостаточно, но по крайней мере бытовые нужды оплачивать удается. Кроме того, Вещезеров с Ольшевским и другими членами команды вкладывали в проект личные деньги. В настоящее время команда ищет заказчиков и потенциальных инвесторов. «В принципе, наш проект — типичная венчурная история, когда фонд, вложив относительно небольшие средства, может получить мультипликатор 10–20– 30 к вложенным деньгам, — говорит Вадим Вещезеров. — Причем проект прошел все стадии технических рисков, и на данный момент их уже нет. Все, что нам предстоит сделать до рынка, — реализовать ОКР. Хотя это может оказаться значительно дороже и дольше, чем мы думаем. Проблема в том, что в России фактически нет венчурных фондов…»
Как считает Вадим Вещезеров, есть две проблемы, затрудняющие отношения с венчурными инвесторами. Первая — представления российских венчуристов, что нечто приличное с точки зрения венчурных инвестиций в России существует только в ИТ-секторе. По его мнению, кроме «Роснано», в общем, никто не занимается проектами в «железе». «Хотя мы надеемся найти инвесторов в России, но пока ощущения довольно кислые. А с западными инвесторами дополнительная сложность состоит в том, что, в отличие от ИТ-проектов, где любой западный инвестор, приходя сюда, всегда держит в голове, даже если он этого не говорит, что из любой российской проблемы есть три выхода: Шереметьево, Домодедово и Внуково, в проектах, связанных с разработкой “железа”, это невозможно, поскольку они опираются на серьезные научные школы, а научная школа не переносима даже за очень большие деньги. Поэтому инвесторы, готовые вкладываться в наш проект, должны четко понимать, что Россия в таком проекте не просто присутствует, а является значимым его элементом и “неустранима”».
«Мы очень надеемся, что новое слово в рентгеновской диагностике прозвучит не просто из России, а из Томска, — говорит Вадим Вещезеров, — но открыты к любому сотрудничеству. Мы нашли некоторое количество партнеров в России и сейчас ищем их за пределами страны, в основном в Европе. И это поле для того, кто захочет либо основать свою компанию, либо получить Нобелевскую премию за новые методы диагностики».
Сравнение принципов действия традиционного и нового детекторов
Электронная схема для обработки сигнала
Существующие рентгеновские сенсоры воспринимают рентгеновское излучение как белый свет, яркость которого в каждой точке зависит от того, сколько излучения прошло через конкретную точку облучаемого объекта. В каждой точке фактически определяется накопленный за время экспозиции поток излучения. Но из-за наличия рассеянного излучения разрешающая способность и контрастность полученного изображения оказываются недостаточными для определения характера многих дефектов и новообразований.
Новые детекторы открывают возможности полноценного цветного зрения. С тем существенным добавлением, что теперь они в состоянии зафиксировать каждый отдельный рентгеновский квант и оценить его энергию, которая отображается на рентгенограмме определенным цветом. Фактически это переход от черно-белой рентгенографии к спектроскопической (цветной). Получается цветная рентгенограмма, отражающая распределение химических элементов в исследуемом объекте в каждой его точке
Источник: «Иксдайкон»
Иллюстрации предоставлены компанией «Иксдайкон»
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl