Μελέτη και βελτιστοποίηση παραμέτρων απόδοσης φωταύγειας κρυσταλλικών σπινθηριστών για χρήση σε ανιχνευτικές διατάξεις ιοντιζουσών ακτινοβολιών υβριδικών συστημάτων ιατρικής απεικόνισης

Abstract

Scintillators are fundamental components in modern imaging technologies, converting absorbed ionizing radiation into optical photons. This conversion enables the detection and recording of radiation using specialized detectors, such as photomultiplier tubes, photodiodes, etc., making scintillators critical for the quality and accuracy of medical imaging systems. Specifically, scintillators are utilized in a variety of applications in medical imaging, including conventional and digital radiography, computed tomography (CT), as well as in Nuclear Medicine applications such as SPECT and PET systems. With technological advancements, it has become evident that the development and improvement of scintillator materials can have a decisive impact on the efficiency of medical examinations and the protection of patients from excessive radiation. The use of hybrid SPECT/CT and PET/CT systems, which combine the imaging capabilities of Nuclear Medicine with computed tomography (CT), provides more accurate diagnostic results through the fusion of anatomical and functional data. Hybrid systems enhance the sensitivity and precision of diagnosis by utilizing better scintillators to improve performance and image quality. The use of a common scintillator in hybrid imaging systems would offer significant economic and operational advantages. The present PhD. dissertation focuses on the experimental and theoretical evaluation of the luminescence performance of two halide scintillators in single-crystal form, LaCl3 and LaBr3 doped with Ce3+, when exposed to ionizing radiations such as X-rays and gamma rays. These two single-crystal scintillators offer high light yield and good energy resolution. The aim of the study is to assess the suitability of these scintillators for use in radiography systems, computed tomography (CT), but primarily in hybrid SPECT/CT and PET/CT systems, as the potential of these crystals for use in these specific systems has not been fully examined. The study includes the analysis of key performance parameters of crystals, such as Quantum Detection Efficiency (QDE), Energy Absorption Efficiency (EAE), Absolute Luminescence Efficiency (AE), and Detective Quantum Efficiency (DQE). Additionally, the compatibility of the emitted optical spectra with various optical detectors was evaluated, while the overall performance of the scintillator-photodetector system was calculated through Effective Efficiency (EE). Special emphasis is placed on determining the conditions that maximize the performance of the scintillators, such as crystal thickness, temperature, and dopant concentration, as well as on reducing the radiation dose received by the patient. Through this analytical approach, the aim is to contribute to the improvement of hybrid imaging systems, enhancing the accuracy and effectiveness of medical diagnoses. According to the results, the LaCl3:Ce and LaBr3:Ce crystals exhibited superior performance compared to other commonly used scintillators, such as LSO, BGO, and CdWO4, particularly in the detection of X-ray radiation. The Absolute Luminescence Efficiency (AE) of LaCl3:Ce was found to be higher than that of LSO, BGO, and CdWO4 crystals, while that of LaBr3:Ce was significantly greater. Furthermore, LaCl3:Ce and LaBr3:Ce crystals demonstrated excellent spectral compatibility with commercial optical detectors, making them particularly suitable for use in advanced medical imaging systems. The thermal performance of LaCl3:Ce indicated that, despite a reduction in efficiency at high temperatures, the crystal remains stable and functional in environments with extreme temperature fluctuations. This is particularly critical for ensuring the reliability and performance of imaging systems in various clinical conditions. Finally, a theoretical model was developed to estimate the propagation of light within crystals and to determine the optimal thickness for various applications. The model was validated through experimental data and identified optimal parameters for scintillators. Overall, the study suggests that the use of LaCl3:Ce and LaBr3:Ce scintillators can lead to reduced radiation exposure for patients, while simultaneously improving image quality and reducing the operational costs of medical systems. This work contributes to the development of more efficient and safer medical imaging systems, potentially offering significant benefits in the field of radiation protection and the broader practice of Nuclear Medicine.

Οι σπινθηριστές αποτελούν βασικά συστατικά στις σύγχρονες απεικονιστικές τεχνολογίες, μετατρέποντας την απορροφούμενη ιοντίζουσα ακτινοβολία σε οπτικά φωτόνια. Αυτή η μετατροπή επιτρέπει την ανίχνευση και καταγραφή της ακτινοβολίας με τη χρήση ειδικών ανιχνευτών, όπως φωτοκαθόδους, φωτοδιόδους, κλπ., καθιστώντας τους σπινθηριστές κρίσιμους για την ποιότητα και την ακρίβεια των ιατρικών απεικονιστικών συστημάτων. Ειδικότερα, οι σπινθηριστές χρησιμοποιούνται σε ποικιλία εφαρμογών στην ιατρική απεικόνιση, περιλαμβάνοντας συμβατικές και ψηφιακές ακτινογραφίες, υπολογιστική τομογραφία (CT), καθώς και σε εφαρμογές Πυρηνικής Ιατρικής, όπως τα συστήματα SPECT και PET. Με την πρόοδο της τεχνολογίας, έχει γίνει σαφές ότι η ανάπτυξη και η βελτίωση των υλικών των σπινθηριστών μπορεί να έχει καθοριστική επίδραση στην αποτελεσματικότητα των ιατρικών εξετάσεων και στην προστασία των ασθενών από την υπερβολική ακτινοβολία. Η χρήση υβριδικών συστημάτων SPECT/CT και PET/CT, που συνδυάζουν τις δυνατότητες απεικόνισης της Πυρηνικής Ιατρικής με την υπολογιστική τομογραφία (CT), παρέχει πιο ακριβή διαγνωστικά αποτελέσματα μέσω της συγχώνευσης ανατομικών και λειτουργικών δεδομένων. Τα υβριδικά συστήματα ενισχύουν την ευαισθησία και την ακρίβεια της διάγνωσης, αξιοποιώντας καλύτερους σπινθηριστές για βελτίωση της απόδοσης και της ποιότητας εικόνας. Η χρήση κοινού σπινθηριστή σε υβριδικά συστήματα απεικόνισης θα είχε σημαντικά οικονομικά και λειτουργικά πλεονεκτήματα. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην πειραματική και θεωρητική αξιολόγηση της απόδοσης φωταύγειας δύο αλογονούχων σπινθηριστών μονοκρυσταλλικής μορφής, των LaCl3 και LaBr3 με πρόσμιξη Ce3+ , όταν εκτίθενται σε ιοντίζουσες ακτινοβολίες, όπως οι ακτίνες Χ και γάμμα. Οι δυο παραπάνω μονοκρυσταλλικοί σπινθηριστές προσφέρουν υψηλή απόδοση φωτός και καλή ενεργειακή διακριτική ικανότητα. Ο σκοπός της μελέτης είναι να αξιολογήσει την καταλληλότητα αυτών των σπινθηριστών για χρήση σε συστήματα ακτινογραφίας, υπολογιστικής τομογραφίας (CT), αλλά κυρίως σε υβριδικά συστήματα SPECT/CT και PET/CT, καθώς οι δυνατότητες των δυο κρυστάλλων δεν έχουν πλήρως εξεταστεί για χρήση στα συγκεκριμένα συστήματα. Η μελέτη περιλαμβάνει την ανάλυση βασικών παραμέτρων απόδοσης των κρυστάλλων, όπως η Κβαντική Ανιχνευτική Απόδοση (QDE), η Απόδοση Ενεργειακής Απορρόφησης (ΕΑΕ), η Απόλυτη Απόδοση Φωταύγειας (ΑΕ) και η Ανιχνευτική Κβαντική Απόδοση (DQE). Επίσης, αξιολογήθηκε η συμβατότητα των εκπεμπόμενων οπτικών φασμάτων με διάφορους οπτικούς ανιχνευτές, ενώ υπολογίστηκε η συνολική απόδοση του συστήματος σπινθηριστή-φωτοανιχνευτή μέσω της Ενεργούς Απόδοσης (ΕΕ). Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται και στον καθορισμό των συνθηκών που μεγιστοποιούν την απόδοση των σπινθηριστών, όπως το πάχος του κρυστάλλου, η θερμοκρασία και η συγκέντρωση του Δημητρίου, καθώς και στη μείωση της δόσης ακτινοβολίας που δέχεται ο εξεταζόμενος. Μέσω αυτής της αναλυτικής προσέγγισης, επιδιώκεται η συνεισφορά στη βελτίωση των υβριδικών συστημάτων απεικόνισης, ενισχύοντας την ακρίβεια και την αποτελεσματικότητα των ιατρικών διαγνώσεων. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, οι κρύσταλλοι LaCl3:Ce και LaBr3:Ce παρουσίασαν ανώτερες επιδόσεις σε σύγκριση με άλλους χρησιμοποιούμενους σπινθηριστές, όπως οι LSO, BGO και CdWO4, ειδικά στην ανίχνευση ακτινοβολίας ακτίνων-Χ. Η Απόλυτη Απόδοση Φωταύγειας (AE) του LaCl3:Ce βρέθηκε υψηλότερη από εκείνη των κρυστάλλων LSO, BGO και CdWO4, ενώ η αντίστοιχη του LaBr3:Ce ήταν σημαντικά μεγαλύτερη. Επιπλέον, οι κρύσταλλοι LaCl3:Ce και LaBr3:Ce εμφάνισαν εξαιρετική φασματική συμβατότητα με εμπορικούς οπτικούς ανιχνευτές, κάτι που τους καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλους για χρήση σε προηγμένα ιατρικά συστήματα απεικόνισης. Η θερμοκρασιακή απόδοση του LaCl3:Ce έδειξε ότι, παρά τη μείωση της απόδοσης σε υψηλές θερμοκρασίες, ο κρύσταλλος παραμένει σταθερός και λειτουργικός σε περιβάλλοντα με ακραίες διακυμάνσεις θερμοκρασίας. Αυτό είναι ιδιαίτερα κρίσιμο για τη διασφάλιση της αξιοπιστίας και της απόδοσης των συστημάτων απεικόνισης σε ποικίλες κλινικές συνθήκες. Τέλος, αναπτύχθηκε ένα θεωρητικό μοντέλο για την εκτίμηση της διάδοσης του φωτός μέσα στους κρυστάλλους και του βέλτιστου πάχους για διάφορες εφαρμογές. Το μοντέλο επιβεβαιώθηκε μέσω πειραματικών δεδομένων και προσδιόρισε βέλτιστες παραμέτρους για τους σπινθηριστές. Συνολικά, η μελέτη υποδεικνύει ότι η χρήση των σπινθηριστών LaCl3:Ce και LaBr3:Ce μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένη έκθεση ακτινοβολίας για τους ασθενείς, βελτιώνοντας παράλληλα την ποιότητα της εικόνας και μειώνοντας το λειτουργικό κόστος των ιατρικών συστημάτων. Η εργασία συνεισφέρει στην ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών και ασφαλέστερων συστημάτων ιατρικής απεικόνισης, προσφέροντας εν δυνάμει σημαντικά οφέλη στον τομέα της ακτινοπροστασίας και της γενικότερης πρακτικής της Πυρηνικής Ιατρικής.