ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΦΩΤΟΣ ΚΑΙ ΤΩΝ ΑΝΤΙΣΤΟΙΧΩΝ ΕΝΔΟΓΕΝΩΝ ΦΥΣΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΜΟΝΟΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΩΝ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΩΝ, ΜΕ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΤΗ ΤΡΙΣΘΕΝΕΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟ (Ce 3+ ) ΣΕ ΕΥΡΕΙΑ ΚΛΙΜΑΚΑ ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ (20kV-18MV) ΓΙΑ ΙΑΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΙΩΑΝΝΗΣ Γ. ΒΑΛΑΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Πάτρα 2008

UNIVERSITY OF PATRAS SCHOOL OF MEDICINE DEPARTMENT OF PHYSICS INTERDEPARTMENTAL PROGRAMME OF POSTGRADUATE STUDIES IN MEDICAL PHYSICS SYSTEMATIC STUDY OF THE LIGHT EMISSION EFFICIENCY AND THE CORRESPONDING INTRINSIC PHYSICAL CHARACTERISTICS OF SINGLE CRYSTAL SCINTILLATORS, DOPED WITH THE TRIVALENT CERIUM (Ce 3+ ) ACTIVATOR, IN WIDE ENERGY RANGE (from 20kV-18MV) FOR MEDICAL APPLICATIONS IOANNIS G. VALAIS DOCTORATE THESIS Patras 2008

THREE MEMBER ADVISORY COMMITTEE Professor George Panayiotakis Professor Ioannis Kandarakis Assistant Professor Eleni Costaridou Supervisor Member of the Advisory Commitee Member of the Advisory Commitee SEVEN MEMBER EXAMINATION COMMITTEE Professor George Panayiotakis Professor Pavlos Vassilakos Professor George Nikiforidis Professor Nikolaos Pallikarakis Professor Spyridon Fotopoulos Associate Professor Alexandros Vradis Assistant Professor Eleni Costaridou Supervisor Member of the Examination Committee Member of the Examination Committee Member of the Examination Committee Member of the Examination Committee Member of the Examination Committee Member of the Examination Committee

ACKNOWLEDGEMENTS The accomplishment of this thesis would have not been possible without the help and the support of many persons: First of all I would like to thank Professor George Panayiotakis for giving me the opportunity to carry out this thesis under his supervision, providing me advises and support. I would like to offer my deepest thanks to Professor Ioannis Kandarakis for helping me all along the way, answering all the questions I had, making critical reading of this thesis and suggestions throughout this work. His endless help in my pursuit of knowledge was a constant source of inspiration and encouragement. I would like to thank Professor Costas Nomicos and Professor Ioannis Sianoudis for helping me with all the little tricks that make a good experiment, for their valuable observations and for providing me advises and support. I would also like to thank Professor Dionisis Cavouras and Associate Professor Lena Costaridou for their advises and support. No words I can find to express my thanks to my wife for her inexhaustible support and her indefinitely patience during three years of my Ph.D. study. Without her patience, help, and support, I could not fulfil my work. Many thanks to all those people that helped me in the completion of this thesis by their own personal way. I dedicate this thesis to my son George.

7

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ι) ΕΙΣΑΓΩΓΗ-ΘΕΩΡΙΑ ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Οι σύγχρονες τάσεις σχεδίασης και κατασκευής συστημάτων ιατρικής απεικόνισης στοχεύουν στην ανάπτυξη ανιχνευτών υψηλής απόδοσης σε ευρεία κλίμακα ενεργειών. Τελικός σκοπός είναι η παραγωγή σύνθετων απεικονιστικών συστημάτων που να συνδυάζουν: (α) Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίου (PET) ή Τομογραφία Εκπομπής Μονού φωτονίου (SPECT) με Υπολογιστική Τομογραφία (CT) ακτίνων-χ (πχ PET/CT, SPECT/CT, PET/SPECT/CT), βασιζόμενα σε κοινό ανιχνευτή ακτινοβολίας, (β) Υπολογιστική Τομογραφία Μαστού (Breast Imaging CT, CTBI) με Μαστογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίου (PEM) ή Μαστογραφία Εκπομπής Φωτονίου (SPEM), και (γ)υπολογιστική Τομογραφία Κωνικής Δέσμης (CBCT) με Πυλαία Απεικόνιση (Portal Imaging) στην Ακτινοθεραπεία. Ο συνδυασμός απεικόνισης τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων και υπολογιστικής τομογραφίας (PET/CT) παρέχει στην ιατρική και την έρευνα ένα ισχυρό εργαλείο, για βελτίωση της διάγνωσης στις κλινικές πράξεις και εμβάθυνση στις βιολογικές διεργασίες κατά τις πειραματικές μελέτες, συνδυάζοντας τη λειτουργική πληροφορία του PET με την ανατομική πληροφορία του CT (Beyer et al 2000, Khodaverdi et al 2001). Οι πιο εξελιγμένοι τεχνολογικά τομογράφοι PET/CT συνδυάζουν ένα CT και ένα PET ως δύο διαφορετικά συστήματα που μοιράζονται το ίδιο εξεταστικό κρεβάτι. Αυτό επιτρέπει να πραγματοποιούνται ταυτόχρονα οι εξετάσεις του CT και του PET χωρίς να επανατοποθετείται ο ασθενής, με μόνη κίνηση τη γραμμική μετακίνηση του κρεβατιού. Περεταίρω βελτίωση της ποιότητας της εικόνας, ειδικότερα ως προς την ταύτιση των εικόνων PET/CT, αναμένεται να επιτευχθεί στην περίπτωση που το εξεταστικό κρεβάτι δεν θα μετακινείται. Ωστόσο, εικόνες που λαμβάνονται σε διαφορετικούς χρόνους με δύο διαφορετικά συστήματα δεν μπορούν πάντοτε να ταυτιστούν εξ αιτίας των κινήσεων του ασθενή μεταξύ των εξετάσεων ή πιο γενικά, εξ αιτίας των φυσιολογικών διαδικασιών, όπως η κίνηση κατά την αναπνοή ή η κίνηση του εντέρου στην γαστρεντερική περιοχή (Beyer et al 2000). Ένα απεικονιστικό σύστημα PET/CT που θα βασίζεται στους ίδιους ανιχνευτές θα εκμηδένιζε την ανάγκη για ευθυγράμμιση εικόνων που ελήφθησαν διαδοχικά από δύο διαφορετικούς τομογράφους και θα μπορούσε να επιτρέψει διόρθωση για την κίνηση 8

του ασθενή καθώς συνεχίζεται η λήψη PET. Χρησιμοποιώντας τους ίδιους ανιχνευτές και ηλεκτρονικά κυκλώματα υψηλής ταχύτητας, θα μειωνόταν κατά πολύ τόσο ο χώρος που χρειάζεται για να φιλοξενήσει το πλήρες σύστημα, επιτρέποντας το μήκος του τούνελ του τομογράφου να μικρύνει, όσο και το συνολικό κόστος κατασκευής του συστήματος (Bérard et al 2005). Στην ακτινοθεραπεία, η επιτυχής εφαρμογή θεραπευτικής αγωγής υψηλής ακριβείας βασίζεται στη σωστή προετοιμασία του ασθενή στο δωμάτιο θεραπείας έτσι ώστε να εξασφαλιστεί ότι η δόση θα κατανεμηθεί σύμφωνα με το πλάνο θεραπείας. Για το λόγο αυτό, μεγάλη ποικιλία από ογκομετρικές απεικονιστικές τεχνικές είναι υπό διερεύνηση ώστε να παρέχουν το σχήμα και την έκταση της κακοήθειας στο θάλαμο ακτινοθεραπείας αμέσως πριν την ακτινοβόληση. Η υπολογιστική τομογραφία κωνικής δέσμης υπερ-υψηλής τάσης (MegaVoltage MV CBCT) είναι μια απεικονιστική τεχνική πολλά υποσχόμενη για την παροχή πληροφορίας της θέσης του όγκου στον ασθενή. Μια τέτοια πληροφορία είναι δυνατό να βοηθήσει στην καταγραφή της θέσης του ασθενή στο πλάνο ακτινοθεραπείας, εξασφαλίζοντας ακριβή κατανομή δόσης της θεραπευτικής δέσμης υψηλής ενέργειας στον όγκο της κακοήθειας χωρίς να διαχέεται στους περιβάλλοντες ιστούς. Η MV CBCT χρησιμοποιεί την ίδια τη θεραπευτική δέσμη σε συνδυασμό με κατάλληλο δυσδιάστατο επίπεδο ανιχνευτή τύπου ενεργού μήτρας-amfpi (Active Matrix Flat Panel Imager) που έχει ήδη εγκατασταθεί για την πυλαία απεικόνιση, χωρίς την ανάγκη επιπρόσθετων συσκευών (Amols et al 2006). Τα σύγχρονα συστήματα CBCT που χρησιμοποιούν ανιχνευτές τύπου AMFPI υπέρυψηλών ενεργειών MV-AMFPI (Mega Voltage AMFPI) απαιτούν σχετικά μεγάλη δόση για να παράγουν κλινικά χρήσιμες εικόνες (Jaffray et al 2002). Αυτό συμβαίνει γιατί η φθορίζουσα οθόνη του ανιχνευτή στα συνήθη συστήματα MV AMFPI, ανιχνεύει πολύ μικρό ποσοστό της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (περίπου 2%, για φάσμα ακτίνων-χ, 6 MV) (El-Mohri et al 2001). Εάν η κβαντική ανιχνευτική ικανότητα του ανιχνευτή ακτίνων-χ βελτιωθεί σημαντικά, οι μαλακοί ιστοί θα μπορούσαν να απεικονιστούν στα συστήματα MV-CBCT, με αρκετά χαμηλότερες, κλινικά αποδεκτές δόσεις. Για το λόγο αυτό, η έρευνα σε ανιχνευτές ακτίνων-χ υψηλής απόδοσης έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον (Mosleh-Shirazi et al 1998). Οι μεγάλου πάχους σπινθηριστές μπορούν να υπερκεράσουν τον περιορισμό της χαμηλής ανίχνευσης. Τέτοιου τύπου υβριδικά απεικονιστικά συστήματα έχουν αρχίσει να υλοποιούνται σε πειραματικό στάδιο (Wang et al 2008). 9

Μια ακόμη εφαρμογή όπου το ίδιο απεικονιστικό σύστημα θα μπορούσε συγχρόνως να ανιχνεύει και να καταχωρεί τα φωτόνια του PET/CT αλλά και του MV CBCT αποτελεί σημαντική προοπτική για υλοποίηση μιας λύσης για κοινό σύστημα, χωρίς πολλούς συμβιβασμούς. Τα νέα υλικά σπινθηριστών, οι νέοι φωτοανιχνευτές και η ραγδαία αύξηση των εφαρμογών ειδικών ηλεκτρονικών κυκλωμάτων μπορούν να στηρίξουν τη δημιουργία ενός ανιχνευτή ικανού να δουλέψει και για τα τρία απεικονιστικά συστήματα. (Bérard et al 2005, Groh et al 2002). Θεωρώντας ότι ο ανιχνευτής δουλεύει καταγράφοντας παλμούς στα συστήματα PET και καταγράφοντας ρεύμα στα συστήματα CT, και η ανίχνευση βασίζεται στην ανάγνωση του σπινθηριστή από τον οπτικό φωτοανιχνευτή, ο σπινθηριστής θα πρέπει να χαρακτηρίζεται από την παραγωγή ταχέων οπτικών παλμών, υψηλή απόδοση φωτός, υψηλό ατομικό αριθμό και πυκνότητα ώστε να απορροφά το μεγαλύτερο μέρος από την προσπίπτουσα σε αυτόν ακτινοβολία και μικρή λανθάνουσα φωταύγεια (afterglow) (Nassalski et al 2007). Στη διάρκεια των τελευταίων 15 ετών υπάρχει ένας σημαντικά μεγάλος αριθμός δημοσιεύσεων σχετικά με τα υλικά σπινθηρισμού με ενεργοποιητή το τρισθενές Δημήτριο (Ce 3+ ) λόγω του πολύ μικρού χρόνου απόσβεσης της φωτο-εκπέμπουσας μετάπτωσης 5d 4f του κέντρου σπινθηρισμού Ce 3+ (τυπικά 20 60 ns) και της υψηλής κβαντικής του απόδοσης (κοντά στη μονάδα) σε θερμοκρασία δωματίου. Εντούτοις τα υλικά αυτά δεν έχουν διερευνηθεί σε πραγματικές συνθήκες ιατρικής απεικόνισης με ακτίνες-χ και γ και πυλαίας απεικόνισης. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να συμβάλει στην επιλογή του βέλτιστου σπινθηριστή ανάμεσα σε αυτούς που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα απεικονιστικά συστήματα τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων PET και PET μικρών ζώων, ο οποίος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ένα ανιχνευτικό σύστημα πολλαπλών εφαρμογών PET/CT, MV CBCT, κλπ.) με έναν κοινό ανιχνευτή. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκαν δείγματα από τους ακόλουθους κρυσταλλικούς σπινθηριστές: α) πυριτικού οξειδίου του γαδολινίου (GSO), β) πυριτικού οξειδίου του λουτεσίου (LSO), γ) πυριτικού οξειδίου του λουτεσίου-υτρίου (LΥSO), δ) αλουμινικού οξειδίου του υτρίου (YAP) και ε) αλουμινικού οξειδίου του λουτεσίου-υτρίου (LuYAP). Όλα τα δείγματα των σπινθηριστών ήταν ενεργοποιημένα με τρισθενές δημήτριο (Ce +3 ). Η μελέτη έγινε σε ευρεία κλίμακα ενεργειών (20kV-18MV). 10

ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Η πρωτοτυπία της συγκεκριμένης διατριβής αφορά στη συστηματική μελέτη χαρακτηριστικών απόδοσης μονοκρυσταλλικών σπινθηριστών με ενεργοποιητή Δημήτριο (Ce 3+ ) μέσα στο πλαίσιο της διερεύνησης των δυνατοτήτων ανάπτυξης συνδυασμένων απεικονιστικών συστημάτων κοινού ανιχνευτή, πχ PET/CT, SPECT/CT, Portal Imaging/CBCT. Βασικό χαρακτηριστικό αυτών των σπινθηριστών είναι η ταχύτατη απόκριση. Οι σπινθηριστές αυτοί έχουν μέχρις στιγμής μελετηθεί μόνο σε ενέργειες που χρησιμοποιούνται στην απεικόνιση τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίου (PET) και απεικόνιση PET μικρών ζώων. Η όλη διερεύνηση βασίσθηκε στις ακόλουθες επιμέρους μελέτες: Στον πειραματικό προσδιορισμό παραμέτρων ολικής-εξωτερικής απόδοσης (απόδοση φωταύγειας, κβαντική οπτική ενίσχυση) καθώς και ενδογενών χαρακτηριστικών απόδοσης, σε κρυσταλλικούς σπινθηριστές με ενεργοποιητή τρισθενές Δημήτριο (Ce 3+ ). Η όλη μελέτη έγινε σε ευρεία κλίμακα ενεργειών από 20kV έως 18MV, που καλύπτει όλες τις εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης, από τη Mαστογραφία έως και την απεικόνιση κατά τη διάρκεια της Ακτινοθεραπείας (portal imaging). Στον προσδιορισμό της φασματικής συμβατότητας του εκπεμπόμενου φωτός του διεγερμένου σπινθηριστή με τη φασματική ευαισθησία μεγάλου αριθμού οπτικών ανιχνευτών (φωτοανιχνευτών) που χρησιμοποιούνται στους ανιχνευτές των σύγχρονων συστημάτων ιατρικής απεικόνισης. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής θα βοηθήσουν στην επιλογή του σπινθηριστή με τη βέλτιστη ολική απόδοση ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ένα διαγνωστικό σύστημα συνδυασμού πολλαπλών απεικονιστικών ιατρικών εφαρμογών με έναν κοινό ανιχνευτή. 11

II) ΜΕΘΟΔΟΙ Η συγκεκριμένη διατριβή αφορά στη μελέτη απόδοσης φωταύγειας και ενδογενών χαρακτηριστικών, δειγμάτων σπινθηριστών με ενεργοποιητή Δημήτριο. Χωρίζεται σε τρία μέρη: α) κάτω από διέγερση ακτίνων-χ που χρησιμοποιούνται στην ακτινοδιαγνωστική, β) κάτω από διέγερση ακτίνων-γ ευρείας κλίμακας ενεργειών, και γ) κάτω από διέγερση ακτίνων-χ που χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία (MV). ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ Για τη μελέτη απόδοσης φωτός των σπινθηριστών χρησιμοποιήθηκε ο ακόλουθος εργαστηριακός εξοπλισμός: Α. ΜΕΤΡΗΤΙΚΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ: 1) Σφαίρα Ολοκλήρωσης. Είναι διάταξη που χρησιμοποιείται α) σε οπτικές μετρήσεις όπου η ομοιογένεια της φωτοβολίας είναι θεμελιώδους σημασίας και β) σε οπτικές μετρήσεις ανάκλασης και διαπερατότητας. Η μεταβλητότητα στη χωρική και γωνιακή απόκριση πολλών ανιχνευτών οδηγεί σε λανθασμένα αποτελέσματα όταν η ροή που πρόκειται να μετρηθεί είναι ανομοιόμορφη ή όταν η δέσμη αλλάζει θέση ελαφρά. Η χρήση σφαίρας ολοκλήρωσης μειώνει ή εξαλείφει την ευαισθησία του ανιχνευτή στο σχήμα και στη γωνία της δέσμης καθώς και στις μεταβολές της χωρικής απόκρισης του. Δηλαδή διορθώνει το συνημίτονο (νόμος Lambert) και αφαιρεί τη γωνιακή κατανομή. Το δείγμα του κρυστάλλου που πρόκειται να μελετηθεί, τοποθετείται κάθε φορά μέσα στη θύρα εισόδου της σφαίρας ολοκλήρωσης σε ειδική φωτοστεγανή υποδοχή. 2) Φωτοπολλαπλασιαστής (EMI 9798B) εφοδιασμένος με φωτοκάθοδο S-20 extended (SbKNaCs τρι-αλκαλικού τύπου η οποία χαρακτηρίζεται από υψηλή ευαισθησία και επεκτείνεται στην περιοχή του ερυθρού φάσματος) με παράθυρο χαλαζία. Το παράθυρο χαλαζία επιτρέπει και τη διέλευση υπεριώδους ακτινοβολίας. 3) Ηλεκτρόμετρο παλλόμενης γλωσσίδας τύπου Cary 401, για τη μέτρηση της εξόδου του φωτοπολλάπλασιαστή. Η φωτοκάθοδος του φωτοπολλαπλασιαστή συνδέθηκε άμεσα στο ηλεκτρόμετρο. Αυτή η προσέγγιση επιλέχθηκε ώστε να αποφευχθεί η 12

ενίσχυση του ηλεκτρονικού θορύβου από την υψηλή τάση στις δυνόδους. Το ενισχυμένο σήμα από την έξοδο του ηλεκτρομέτρου Cary οδηγείται σε έναν αναλογικό-ψηφιακό μετατροπέα (ADC). Ο ADC μετατρέπει την αναλογική ένδειξη της τάσης σε ψηφιακή και μέσω εξόδου RS232 τα ψηφιακά δεδομένα εισάγονται στον υπολογιστή. 4) Φασματόμετρο τύπου Ocean Optics HR2000+ (Ocean Optics Inc.), για τη μέτρηση του οπτικού φάσματος των σπινθηριστών. Το οπτικό σήμα συλλέγεται από οπτική ίνα (Avantes Inc. FCB-UV400-2) τοποθετημένη κάτω από το κέντρο του ακτινοβολούμενου κρυστάλλου. Για τη διέγερση του κρυστάλλου χρησιμοποιήθηκε ακτινολογικό σύστημα τροφοδοτούμενο με μια σειρά από τάσεις λυχνίας (80-140 kvp). 5) Φασματοφωτόμετρο τύπου Perkin-Elmer UV/Visible lambda 15 (Perkin-Elmer Life And Analytical Sciences, Inc., USA), για τη μέτρηση της οπτικής απορρόφησης και της οπτικής διαπερατότητας των σπινθηριστών σε μήκη κύματος από 200-800nm. Η διαπερατότητα εκφράζει το ποσοστό (%) του φωτός που περνά μέσα από τον κρυσταλλικό σπινθηριστή και φτάνει στον οπτικό ανιχνευτή του φασματοφωτομέτρου. Η απορρόφηση εκφράζεται ως ο λογάριθμος του αντιστρόφου της διαπερατότητας. Β. ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΗΣΗΣ 1) Μαστογράφος τύπου General Electric Senographe DMR + (GE Medical Systems S.A., France) εξοπλισμένος με λυχνία ακτίνων-χ ανόδου Mo και φίλτρα Mo (22-35 kvp), Rh (36-40 kvp) και Al(42-49 kvp). Στις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν κάτω από συνθήκες μαστογραφίας, η δέσμη των ακτίνων-χ υπέστη φιλτράρισμα από συμπαγές φύλλο Perspex πάχους 30mm, για την προσομοίωση της σκλήρυνσης της δέσμης από τον ανθρώπινο μαστό. 2) Κλασικό ακτινολογικό μηχάνημα Philips Optimus (Philips Medical Systems, Hamburg, Germany) με στόχο ανόδου Βολφράμιο και φίλτρο Al 2mm. Το πλήρες εύρος των διαθέσιμων τάσεων της ακτινογραφικής λυχνίας ήταν από 40 έως 140kV (για προσομοίωση συνθηκών συνήθους υπολογιστικής τομογραφίας). Στις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, η δέσμη των ακτίνων-χ υπέστη φιλτράρισμα από συμπαγές φύλλο αλουμινίου (Al) πάχους 20mm, για την προσομοίωση της σκλήρυνσης της δέσμης από το ανθρώπινο σώμα. 3) Γραμμικός Επιταχυντής Ακτινοθεραπείας Siemens Primus High (Siemens Medical 13

Systems, Concord, CA, USA) εφοδιασμένος με διπλοεστιακό κατευθυντήρα πολλαπλών φύλλων (MLC). Χρησιμοποιήθηκαν δύο δέσμες ακτίνων-χ, 6MV και 18MV. Οι προς μελέτη κρυσταλλικοί σπινθηριστές ακτινοβολήθηκαν με 50 Μονάδες Θεραπείας (MU) για κάθε δέσμη. 4) Θάλαμος Ιονισμού τύπου PTW Type 30001 Classic Farmer (PTW Freiburg, Germany) συνδεδεμένος με ηλεκτρόμετρο τύπου PTW UNIDOS (PTW Freiburg, Germany) για τη βαθμονόμηση του γραμμικού επιταχυντή. Ο θάλαμος ιονισμού είναι κυλινδρικού τύπου, φέρει ένα κεντρικό ηλεκτρόδιο από αλουμίνιο και περιβάλλεται από γραφίτη. Ανάμεσα στο κεντρικό ηλεκτρόδιο και το περίβλημα γραφίτη υπάρχει αέρας ενεργού όγκου 0.6cm 3 που χρησιμοποιείται για να συλλέγεται το φορτίο. Ο ρυθμός δόσης του γραμμικού επιταχυντή στο ισόκεντρο (SDD=100cm, SDD: Source to Detector Distance) ήταν 1cGy/MU. Στα 6MV το ακτινοθεραπευτικό σύστημα παρείχε 200MU/min ενώ στα 18MV παρείχε 300MU/min. 5) Πηγές ακτίνων-γ, ενεργειών: 140 kev (Tc-99m), 364 kev (I-131) και 662 kev (Cs-137) 6) Θάλαμος Ιονισμού Radcal 2026C (Radcal Corp., USA), ο οποίος χρησιμοποιήθηκε για την μέτρηση του ρυθμού έκθεσης ( X & ) στο σημείο που τοποθετείται κάθε φορά ο σπινθηριστής. ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ 1) ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ (QDE) Η κβαντική ανιχνευτική απόδοση (Quantum Detection Efficiency-QDE) είναι ο λόγος του αριθμού των φωτονίων-χ που απορροφώνται από το σπινθηριστή προς τον αριθμό φωτονίων-χ που προσπίπτουν σε αυτόν. Εκφράζει επίσης το τμήμα των προσπιπτόντων φωτονίων που συμβάλουν στη δημιουργία του σήματος εξόδου του ανιχνευτικού συστήματος. Για πολυενεργειακή ακτινοβολία-χ, η QDE εκφράζεται από την επόμενη εξίσωση: ( η ) q E = 0 E 0 φ ( E)(1 e 0 0 E 0 tot, t φ ( E) de 0 ( μ ( E) / ρ ) w ) de (1) 14

όπου φ ( ) το φάσμα ακτίνων-χ που προσπίπτουν στον ανιχνευτή, μ ( ) / ρ 0 E tot, t E ο μαζικός συντελεστής εξασθένησης του κρυστάλλου ανιχνευτή, W το πάχος του ανιχνευτή, E 0 η μέγιστη ενέργεια των ακτίνων-χ. Στη συγκεκριμένη διατριβή η κβαντική ανιχνευτική απόδοση χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό του ποσοστού απορρόφησης φωτονίων-χ από τους υπό εξέταση σπινθηριστές σε χαμηλής ενέργειας ακτίνων-χ που χρησιμοποιούνται στην ιατρική απεικόνιση. 2) ΑΠΟΔΟΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ (EAE) Η απόδοση ενεργειακής απορρόφησης (Energy Absorption Efficiency) είναι ο λόγος της ενέργειας ακτίνων-χ που απορροφάται προς την ενέργεια που προσπίπτει σε ένα ανιχνευτικό σύστημα. Η απόδοση ενεργειακής απορρόφησης (ΕΑΕ), ενός σπινθηριστή υπό διέγερση ακτίνων-χ δίδεται από τον τύπο: E0 μtot, en ( E) ( μtot, t ( E) / ρ ) w ψ 0 ( E) de( )(1 e ) de 0 μtot, t ( E) ηε ) E = (2) 0 ψ ( E) de ( E 0 0 όπου ψ ( ) είναι το φάσμα της ενέργειας ακτίνων-χ που προσπίπτει στο 0 E σπινθηριστή, μ tot, en (Ε) είναι ο γραμμικός συντελεστής ενεργειακής απορρόφησης (σε cm -1 ), μ ( ) ο γραμμικός συντελεστής εξασθένησης (σε cm -1 ), μ ( ) / ρ tot, t E tot, t E ο μαζικός συντελεστής εξασθένησης (σε cm 2 /g), ρ η πυκνότητα του σπινθηριστή (σε g /cm 3 ) και W το πάχος του κρυστάλλου σε (cm). Ο παρονομαστής εκφράζει το ποσό της ενέργειας που προσπίπτει στον ανιχνευτή. Ο όρος μ tot, en εμπεριέχει όλους τους μηχανισμούς εναπόθεσης ενέργειας τοπικά στο σημείο της αλληλεπίδρασης των ακτίνων-χ μέσα στη μάζα του σπινθηριστή. Όλα τα δευτερογενή φωτόνια, π.χ. ακτίνες-χ Κ-χαρακτηριστικής ακτινοβολίας φθορισμού, σκεδαζόμενα φωτόνια Compton κλπ., που παράγονται αμέσως μετά την πρωτογενή αλληλεπίδραση, θεωρούνται χαμένα. Η κβαντική ανιχνευτική απόδοση και η απόδοση ενεργειακής απορρόφησης είναι δείκτες του ποσοστού απορρόφησης ενέργειας μέσα σε ένα σπινθηριστή. 15

3) ΕΝΔΟΓΕΝΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ (ICE) Η ενδογενής απόδοση μετατροπής (Intrinsic Conversion Efficiency), είναι το ποσοστό της απορροφούμενης ενέργειας που μετατρέπεται σε φως ενδογενώς στον κρύσταλλο. Η ενδογενής απόδοση μετατροπής των ακτίνων-χ σε ορατό φως μπορεί να υπολογιστεί από τη σχέση: η C Eλ = β E g S Q (3) όπου E λ είναι η μέση ενέργεια των εκπεμπόμενων ορατών φωτονίων, E g είναι το απαγορευμένο ενεργειακό χάσμα μεταξύ της ενεργειακής ζώνης (band) σθένους και της ενεργειακής ζώνης αγωγιμότητας, S η ικανότητα (ή απόδοση) μεταφοράς ενέργειας του ζεύγους ηλεκτρόνιο-οπή. Η S εκφράζει το ποσοστό της ενέργειας του ζεύγους ηλεκτρόνιο-οπή που μεταφέρεται στη θέση του ενεργοποιητή (Pr, Ce 3+ ). Η ποσότητα Q είναι η κβαντική απόδοση του κέντρου φωταύγειας (του ενεργοποιητή Ce 3+ ). Η Q εκφράζει το ποσοστό της μεταφερόμενης ενέργειας (από το ζεύγος ηλεκτρόνιο-οπή) που απορροφάται στη θέση του ενεργοποιητή. Η παράμετρος β χαρακτηρίζει την περίσσεια της ενέργειας (πάνω από το E g ), που χρειάζεται να απορροφηθεί για να επιτραπεί η δημιουργία ενός ζεύγους ηλεκτρόνιο-οπή. Στην παρούσα εργασία, η μέση ενέργεια των ορατών φωτονίων E λ υπολογίζεται από τις μετρήσεις του φάσματος του εκπεμπόμενου φωτός ( λ ) του σπινθηριστή. S P 4) ΑΠΟΛΥΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ. Ως απόλυτη απόδοση φωταύγειας (ΑΕ), μπορεί να οριστεί ο λόγος της ενεργειακής ροής οπτικών φωτονίων (ρυθμός) που εκπέμπεται από έναν διεγερμένο κρυσταλλικό σπινθηριστή προς το ρυθμό έκθεσης ακτίνων-χ που προσπίπτουν σε αυτόν. όπου Ψ & λ & λ Ψ AE = η A = (4) Χ& είναι η ενεργειακή ροή (ρυθμός) οπτικών φωτονίων που εκπέμπεται από τον σπινθηριστή λόγω του ρυθμού προσπίπτουσας έκθεσης ακτίνων-χ ή γ, X &. Η ΑΕ εκφράζεται σε μονάδες [μw s/mr m 2 ], που συχνά ονομάζονται Μονάδες Απόδοσης (Efficiency Units, EU). Η απόλυτη απόδοση φωταύγειας περιγράφει την 16

ευαισθησία ανίχνευσης ακτινοβολίας των ανιχνευτών ενεργειακής ολοκλήρωσης. Δηλαδή ανιχνευτές που παράγουν ένα σήμα που συνδέεται άμεσα με τη συνολική ενέργεια που απορροφήθηκε μέσα στη μάζα του σπινθηριστή. Η χρήση σπινθηριστών με μεγάλη απόλυτη απόδοση οδηγεί σε μειωμένες δόσεις ακτινοβόλησης των ασθενών στην ιατρική απεικόνιση. Στην παρούσα διατριβή η απόλυτη απόδοση φωταύγειας προσδιορίσθηκε πειραματικά για όλες τις ενέργειες ακτίνων-χ και γ που είναι εργαστηριακά διαθέσιμες στην ιατρική απεικόνιση και για όλους τους σπινθηριστές. Θεωρήθηκε το πιο αντιπροσωπευτικό μέγεθος για την επιλογή του βέλτιστου κρυσταλλικού σπινθηριστή. 5) ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ (LE) Η απόδοση φωταύγειας είναι ο λόγος του ρυθμού ροής φωτεινής ενέργειας ( Ψ & ), που εκπέμπεται από ένα σπινθηριστή προς την προσπίπτουσα σε αυτόν ροή ενέργειας X ). Δηλαδή: ακτίνων-χ ή ακτίνων-γ ( Ψ & λ LE = η = Ψ& Φ / Ψ& λ X (5) Η απόδοση φωταύγειας εξαρτάται αποκλειστικά από ενδογενείς ιδιότητες του υλικού που διεγείρεται, όπως: α) την ικανότητα απορρόφησης ενέργειας, β) την ενδογενή απόδοση μετατροπής της ενέργειας από ακτινοβολία σε φως και γ) ικανότητα διάδοσης της φωτεινής ενέργειας μέσα από το υλικό. Από τα παραπάνω μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι η LE είναι το ποσοστό της προσπίπτουσας στο σπινθηριστή ενέργειας που μετατρέπεται σε εξαγόμενο φώς. Δηλαδή το φως που εκπέμπεται από την επιφάνεια του σπινθηριστή που βρίσκεται απέναντι από τον οπτικό ανιχνευτή. Από τη σχέση (5) μετατρέποντας τον μετρούμενο ρυθμό προσπίπτουσας έκθεσης ακτίνων-χ ή γ (που καθορίζεται πειραματικά με μετρήσεις με θάλαμο ιονισμού), σε ροή ενέργειας ακτίνων-χ ή γ και χρησιμοποιώντας και την σχέση (4), έχουμε: η Φ μen / ρ E = [ W / e] air η A (6) 17

όπου en / ρ του αέρα και μ είναι ο μαζικός συντελεστής απορρόφησης ενέργειας ακτίνων-χ ή γ E [ Wair / e] είναι η μέση ενέργεια ανά μονάδα φορτίου που χρειάζεται για να παραχθεί ένα ζεύγος ηλεκτρονίου-ιόντος στον αέρα. Εφόσον η LE εξαρτάται από της εσωτερικές ιδιότητες μετατροπής του σπινθηριστή, η τιμή της LE για όλο το φάσμα των ακτίνων-χ μπορεί να δοθεί από τη σχέση: ηφ E = Ψ X ( E ) ηε ( E ) ηcηλ ( λ )de / Ψ X ( E ) de (7) E m 0 0 E m όπου E είναι η ενέργεια των φωτονίων-χ, E m είναι η μέγιστη ενέργεια των φωτονίων του φάσματος ακτίνων-χ, κρυστάλλου, η E ) η απόδοση απορρόφησης ενέργειας του ( ε η C είναι η ενδογενής απόδοση μετατροπής των ακτίνων-χ σε φως, η λ ( λ,e ) είναι η ικανοτητα μετάδοσης του παραγόμενου φωτός μέσα από σπινθηριστή και λ είναι το μήκος κύματος του παραγόμενου φωτός. Η σχέση (7) εκφράζει την απόδοση φωταύγειας για όλο το φάσμα της πολυχρωματικής προσπίπτουσας δέσμης στα χρησιμοποιούμενα ακτινολογικά απεικονιστικά συστήματα και μπορεί να γραφεί και ως απόδοση φωταύγεια ακτίνων-χ (XLE). 6) ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΛΑΒΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ Η απόδοση ενός σπινθηριστή μπορεί να εκτιμηθεί από τον αριθμό των οπτικών φωτονίων που εκπέμπονται για κάθε προσπίπτον φωτόνιο-χ. Ο αριθμός αυτός ονομάζεται οπτική απολαβή του ανιχνευτή (DOG) και ορίζεται από το πηλίκο: όπου Φ DOG = Φ Φ λ είναι η ροή των εκπεμπόμενων ορατών φωτονίων και φωτονίων-χ που προσπίπτουν στο σπινθηριστή. λ X Φ X είναι η ροή των Η DOG μπορεί να υπολογισθεί μετατρέποντας την ενεργειακή φωτεινή ροή και τη ροή ακτίνων-χ σε ροή ορατών φωτονίων και φωτονίων-χ αντίστοιχα όπως στη σχέση (8). Η οπτική απολαβή του ανιχνευτή θα πρέπει να αυξάνεται με την ενέργεια (8) 18

των φωτονίων-χ, επειδή η ενέργεια των ορατών φωτονίων που εκπέμπονται από το σπινθηριστή παραμένει σταθερή. 7) ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑΣ (SMF) Ο παράγοντας φασματικής συμβατότητα (Spectral Matching Factor-SMF), εκφράζει το βαθμό σύμπτωσης μεταξύ του φάσματος του εκπεμπόμενου φωτός του σπινθηριστή και της φασματικής ευαισθησίας του φωτοανιχνευτή. Ο SMF μπορεί να εκφραστεί από την ακόλουθη σχέση: SMF = α S = S P ( λ) S S P D ( λ) dλ ( λ) dλ (9) όπου S P είναι το φάσμα λ είναι το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπεται από τον σπινθηριστή και S D είναι η φασματική ευαισθησία του φωτοανιχνευτή. Το φως που παράγεται από τους σπινθηριστές δεν γίνεται πλήρως αντιληπτό από τους φωτοανιχνευτές (φωτοκάθοδος PMT, φωτοδίοδος ή ανιχνευτής CCD). Μόνο ένα μέρος του εκπεμπόμενου φωτός είναι συμβατό με την φασματική ευαισθησία του φωτοανιχνευτή. Για το λόγο αυτό, όταν ένας σπινθηριστής πρόκειται να ενσωματωθεί σε ένα σύστημα ιατρικής απεικόνισης, είναι σημαντική η συμβατότητα του εκπεμπόμενου φωτός από το διεγερμένο σπινθηριστή με την φασματική ευαισθησία των διαφόρων φωτοανιχνευτών. Ο παράγοντας φασματικής συμβατότητας παίρνει τιμές από 0 (για μηδενική συμβατότητα) έως 1 (για τέλεια συμβατότητα). 8) ΕΝΕΡΓΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗ (ΕΕ) Η ενεργός απόδοση (Effective Efficiency-EE), εκφράζει το ποσοστό της εκπεμπόμενης ενεργειακής ροής φωτός που μπορεί να συλλεχθεί από τον ανιχνευτή οπτικών φωτονίων ανά μονάδα ρυθμού έκθεσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η ΕΕ δίνεται ως το γινόμενο της απόλυτης απόδοσης φωταύγειας με τον αντίστοιχο συντελεστή φασματικής συμβατότητας: EE = AE SMF (10) 19

Η EE μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκφράσει την συνολική απόδοση του συνδυασμού σπινθηριστή-φωτοανιχνευτή. ΙΙΙ) ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 1) ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΙΚΗ ΑΠΟΔΟΣΗ (QDE) Η παρούσα μελέτη έδειξε ότι η κβαντική ανιχνευτική ικανότητα όλων των εξεταζόμενων κρυσταλλικών σπινθηριστών παρέμεινε σταθερή και στη μέγιστη τιμή της για όλο το φάσμα των τάσεων της ακτινολογικής λυχνίας του μαστογράφου και του ακτινογραφικού μηχανήματος όπως φαίνεται στα σχήματα 1.1, 2.1, 3.1, 4.1 και 5.1 Ειδικότερα για όλους τους κρυσταλλικούς σπινθηριστές (εκτός του YAP:Ce) η QDE παρουσίασε μικρή μόνο πτώση με την αύξηση της ενέργεια των ακτίνων-χ (τάσεις ακτινολογικής λυχνίας 60-140 kvp) για πάχος κρυστάλλου 2mm όπως φαίνεται στα παραπάνω σχήματα. Αυτό δείχνει ότι η κβαντική ανιχνευτική ικανότητα των πολύ λεπτών κρυσταλλικών σπινθηριστών να μειώνεται ελαφρά καθώς αυξάνει η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Για τον κρυσταλλικό σπινθηριστή YAP:Ce η πτώση αυτή ήταν πιο έντονη για το παραπάνω πάχος αλλά παρατηρήθηκε (σε ηπιότερη μορφή) και για τα πάχη 5mm και 8mm, σχήμα 5.1. Αυτό συμβαίνει επειδή ο κρύσταλλος YAP:Ce έχει σχετικά χαμηλή πυκνότητα (ρ=5.5g/cm 3 ) και χαμηλό δείκτη ανίχνευσης ρz 4 eff=7 10 6. Συνεπώς απορροφά μικρότερο ποσοστό από την προσπίπτουσα ακτινοβολία καθώς αυξάνεται η ενέργεια των ακτίνων-χ. 2) ΑΠΟΔΟΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ (EAE) Η απόδοση ενεργειακής απορρόφησης παρουσίασε διαφοροποιήσεις σε σχέση με την κβαντική ανιχνευτική απόδοση όχι τόσο για τις μαστογραφικές τάσεις της ακτινολογικής λυχνίας όσο για τις τάσεις της λυχνίας στην ακτινογραφική μονάδα. Για τις ενέργειες ακτίνων-χ στην περιοχή της μαστογραφίας η ΕΑΕ παρέμεινε σταθερή και κοντά στο 85-90% της τιμής της QDE για την ίδια περιοχή ενεργειών όπως φαίνεται στα σχήματα 1.2(a), 2.2(a), 3.2(a), 4.2(a) και 5.2(a). H EAE του κρυσταλλικού σπινθηριστή YAP:Ce διαφοροποιείται από το παραπάνω σχήμα μεταβολής και παρουσιάζει απότομη πτώση (σχήμα 5.2) από τα 20kVp στα 22kVp ενώ στη συνέχεια παραμένει σχεδόν σταθερή (~0.60) για όλες τις υπόλοιπες τιμές 20

τάσεων της ακτινολογικής λυχνίας του μαστογράφου. Για τις ενέργειες ακτίνων-χ στην περιοχή της ακτινογραφίας-αξονικής τομογραφίας η ΕΑΕ παρουσίασε σημαντική μεταβολή (πτώση) με την αύξηση της ενέργειας, όπως φαίνεται στα σχήματα 1.2(b), 2.2(b), 3.2(b), 4.2(b) και 5.2(b). Η ΕΑΕ παραμένει σταθερή και σε τιμές κοντά στο 90% για όλους τους σπινθηριστές που εξετάστηκαν εκτός του YAP:Ce για τις τιμές των τάσεων της μαστογραφικής λυχνίας. Αυτό το αποτέλεσμα δείχνει ότι ένα μεγάλο ποσοστό από την ενέργεια των φωτονίων που εκπέμπονται από την μαστογραφική λυχνία απορροφάται μέσα στη μάζα του σπινθηριστή και συνεισφέρει στην παραγωγή οπτικών φωτονίων. Οι μεγάλες πτώσεις στην ΕΑΕ, που παρατηρούνται για τις τιμές των τάσεων της ακτινογραφικής λυχνίας, μπορούν να αποδοθούν στο γεγονός ότι εξ ορισμού η ΕΑΕ είναι το ποσοστό της προσπίπτουσας ενέργειας που απορροφάται τοπικά στα σημεία της πρωτογενούς αντίδρασης των φωτονίων- Χ, εξαιρώντας τη δευτερογενή απορρόφηση φωτονίων-χ (φωτόνια Κ- χαρακτηριστικής και σκεδαζόμενα). Όταν η ενέργεια των ακτίνων-χ αυξάνει, μικρότερο ποσοστό από τα φωτόνια-χ που προσπίπτουν στο σπινθηριστή αντιδρούν πρωτογενώς. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την απότομη πτώση της ΕΑΕ. Για τον σπινθηριστή YAP:Ce η ΕΑΕ παρουσίασε μεγάλη ελάττωση μεταξύ των τιμών 20-22kVp της μαστογραφικής λυχνίας (από 0.9 στα 20kVp σε 0.58 στα 22kVp), ενώ στη συνέχεια παρέμεινε σταθερή και κοντά στο 60% για τις υπόλοιπες τιμές των τάσεων της μαστογραφικής λυχνίας. 3) ΕΝΔΟΓΕΝΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ (ICE) Η απόδοση εσωτερικής μετατροπής υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας τις μετρήσεις του φάσματος εκπομπής υπό διέγερση ακτίνων-χ και UV και δημοσιευμένα δεδομένα για το ενεργειακό χάσμα του κάθε σπινθηριστή που εξετάσαμε (Πίνακες 1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1). Οι σπινθηριστές LSO:Ce και LYSO:Ce παρουσίασαν τη μεγαλύτερη τιμή ICE (10%), ενώ κατά φθίνουσα σειρά παρουσιάζονται οι σπινθηριστές GSO:Ce (ICE= 8%) και LuYAP:Ce και YAP:Ce (ICE= 7%). Οι τιμές της απόδοσης ενεργειακής μετατροπής όλων των σπινθηριστών μπορεί να θεωρηθούν επαρκείς για ανίχνευση ακτίνων-χ, εφ όσον είναι μεγαλύτερες από εκείνη του σπινθηριστή BGO (2%). Ωστόσο οι τιμές αυτές είναι χαμηλότερες από εκείνες που αναφέρονται για τους χρησιμοποιούμενους σπινθηριστές CsI:Tl και 21

GdOS:Pr. Οι τιμές που υπολογίσαμε αναφέρονται στη μέγιστη απόδοση εσωτερικής μετατροπής που θα μπορούσε να έχει ο κάθε σπινθηριστής. Στην πράξη οι παρατηρούμενες τιμές ICE είναι αρκετά μικρότερες επειδή για τον υπολογισμό της ICE έχουμε δεχτεί ιδανικές τιμές σε μερικές παραμέτρους. 4) ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΟΠΤΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΠΕΡΑΤΟΤΗΤΑΣ Η οπτική διαπερατότητα όλων των εξεταζόμενων σπινθηριστών για το μήκος κύματος του παραγόμενου μέσα σε αυτούς φωτός, ήταν μεταξύ 75-85% (Σχήματα 1.3, 2.3, 3.3, 4.3, 5.3). Για μεγαλύτερα μήκη κύματος αυξάνεται έως και 90%. Η οπτική απορρόφηση παρουσίασε περισσότερες από μία χαρακτηριστικές βυθίσεις (Σχήματα 1.4, 2.4, 3.4, 4.4, 5.4) που κυρίως οφείλονται σε ζώνες απορρόφησης από μεταπτώσεις μεταξύ των στοιβάδων 4f-5d του ενεργοποιητή Ce 3+.Τα μήκη κύματος που αυτές παρατηρούνται καθώς και το εύρος τους μπορεί να μεταβληθούν αλλάζοντας τη συγκέντρωση του ενεργοποιητή Ce 3+. 5) ΑΠΟΛΥΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Η απόλυτη απόδοση φωταύγειας (AE) υπολογίστηκε για όλο το εύρος των ενεργειών που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή (17keV-4.5MeV). Για το εύρος ενεργειών που χρησιμοποιούνται στα διαγνωστικά συστήματα ακτίνων-χ (εύρος τάσεων ακτινογραφικής λυχνίας 20-140kVp) η ΑΕ παρουσίασε συνεχή αύξηση. Η αύξηση της ΑΕ, για το συγκεκριμένο εύρος τάσεων ακτινολογικής λυχνίας, ήταν μη αναλογική για όλους τους σπινθηριστές (Σχήματα 1.5, 1.6, 2.5, 2.6, 3.5, 3.6, 4.5, 4.6, 5.5, 5.6). Αυτό το εύρημα είναι σε συμφωνία με προηγούμενες μελέτες σχετικές με την απόδοση φωτός των εξεταζόμενων σπινθηριστών σε χαμηλές ενέργειες, χρησιμοποιώντας όμως μονοενεργειακές πηγές ακτίνων-γ και ηλεκτρονίων. Όλοι οι σπινθηριστές παρουσίασαν μεγαλύτερη ΑΕ από τον σπινθηριστή BGO ο οποίος έχει χρησιμοποιηθεί επιτυχώς σε συστήματα CT, αλλά μικρότερη ΑΕ από το σπινθηριστή CsI:Tl (Σχήματα 1.12, 1.13, 2.12, 2.13, 3.12, 3.13, 4.12, 4.13, 5.12, 5.13). Ο σπινθηριστής LSO:Ce παρουσίασε τη μεγαλύτερη ΑΕ μεταξύ των σπινθηριστών που εξετάστηκαν, με τιμές που πλησιάζουν εκείνες του σπινθηριστή CsI:Tl, που αυτή τη στιγμή χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά σε συστήματα CTBI, CT και ψηφιακά 22

ακτινογραφικά. Για το εύρος ενεργειών που χρησιμοποιούνται στα διαγνωστικά συστήματα πυρηνικής ιατρικής και τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (ΡΕΤ) (140-662keV), η ΑΕ των σπινθηριστών LSO:Ce, LYSO:Ce και GSO:Ce παρουσίασε μέγιστη τιμή στα 140keV και ελάχιστη τιμή στα 662keV με ενδιάμεση τιμή στα 364keV όπως φαίνεται στους Πίνακες 2.1, 2.2 και 2.3. Για τους σπινθηριστές YAP:Ce και LuYAP:Ce η ΑΕ παρουσίασε παρόμοια μεταβολή με τους υπόλοιπους σπινθηριστές όμως οι μέγιστες τιμές της καταγράφηκαν σε ενέργειες κοντά στα 75keV. Ο σπινθηριστής LSO:Ce παρουσίασε τη μεγαλύτερη τιμή ΑΕ μεταξύ των σπινθηριστών που εξετάστηκαν. Για το εύρος ενεργειών που χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία και την πυλαία απεικόνιση (2.5-4.5MeV) η ΑΕ παρουσίασε μικρή αύξηση (περίπου 20%) για όλους τους εξεταζόμενους σπινθηριστές (Πίνακες 3.1 και 3.2). Ο σπινθηριστής LSO:Ce παρουσίασε και σε αυτό το εύρος ενεργειών τη μεγαλύτερη τιμή ΑΕ μεταξύ των σπινθηριστών που εξετάστηκαν. Η αύξηση της ΑΕ μπορεί να αποδοθεί στην αύξηση των τιμών των συντελεστών εξασθένησης εξ αιτίας του φαινομένου της δίδυμης γένεσης σε ενέργειες μεγαλύτερες των 1.02MeV. 6) ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ Η απόδοση φωταύγειας (LE) υπολογίστηκε για όλο το εύρος των ενεργειών που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα διατριβή (17keV-4.5MeV). Για το εύρος ενεργειών που χρησιμοποιούνται στα διαγνωστικά συστήματα ακτίνων-χ (εύρος τάσεων ακτινογραφικής λυχνίας 20-140kVp) η απόδοση φωταύγειας ακτίνων-χ, παρέμεινε σχεδόν σταθερή (Σχήματα 1.7, 1.8, 2.7, 2.8, 3.7, 3.8 4.7, 4.8, 5.7, 5.8), με μικρές διακυμάνσεις κυρίως στις τιμές των τάσεων της μαστογραφικής λυχνίας. Η διαφορά στη μορφή μεταξύ των σχημάτων των παραμέτρων ΑΕ και XLE, μπορεί να εξηγηθεί λαμβάνοντας υπ όψιν το γεγονός ότι η XLE δεν επηρεάζεται από τα φυσικά χαρακτηριστικά που αφορούν στον ιονισμό του αέρα και εμπεριέχονται στον ορισμό της έκθεσης (Χ) και κατά συνέπεια στον ορισμό της ΑΕ (βλ. τον συντελεστή μετατροπής της ροής ακτίνων- Χ σε έκθεση Χ/Ψ). Στην XLE είναι περισσότερο εμφανής η επίδραση των παραγόντων που συνδέονται με τη μορφή του φάσματος ακτίνων-χ, όπως το υλικό της ακτινολογικής λυχνίας, το εφαρμοζόμενο στην άνοδο φίλτρο και το συνολικό φιλτράρισμα της δέσμης ακτίνων-χ που εφαρμόζεται για να προσομοιάσει το σώμα 23

του ασθενή. Επιπροσθέτως συγκρίνοντας τα σχήματα των QDE, EAE και XLE, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η XLE επηρεάζεται κυρίως από την κβαντική ανιχνευτική ικανότητα (QDE) και όχι τόσο από την απόδοση ενεργειακής απορρόφησης (ΕΑΕ). Αυτό συμβαίνει διότι όλα τα δευτερογενή φωτόνια ακτίνων-χ (K-χαρακτηριστικής, σκέδασης Compton), τα οποία δεν περιλαμβάνονται στην ΕΑΕ, απορροφώνται σε μεγάλο ποσοστό από τον εκάστοτε κρύσταλλο (πάχη 8-20mm). Ο σπινθηριστής LSO:Ce παρουσίασε τη μεγαλύτερη τιμή XLE μεταξύ των σπινθηριστών που εξετάστηκαν. Για το εύρος ενεργειών που χρησιμοποιούνται στα διαγνωστικά συστήματα πυρηνικής ιατρικής και τομογραφίας εκπομπής ποζιτρονίων (ΡΕΤ) (140-662keV), η LΕ όλων των εξεταζόμενων σπινθηριστών παρουσίασε παρόμοια μεταβολή με την ΑΕ όπως φαίνεται στους Πίνακες 2.1, 2.2 και 2.3. Όπως αναφέρθηκε στην προηγούμενη παράγραφο η διαφορά μεταξύ των σχημάτων XLE και ΑΕ οφείλεται κυρίως σε παράγοντες που επηρεάζουν το φάσμα ακτίνων-χ. Στην περίπτωση μονοενεργειακών πηγών αυτοί οι παράγοντες δεν υφίστανται γι αυτό και η μεταβολή της LE ακολουθεί τη μεταβολή της ΑΕ. Ωστόσο η LE μπορεί να επηρεάζεται από το πάχος του εξεταζόμενου σπινθηριστή με αποτέλεσμα καθώς αυξάνεται η ενέργεια των φωτονίων να παρουσιάζουν συγκριτικά καλύτερη LE από άλλους σπινθηριστές μικρότερου πάχους. Ένα τέτοιο παράδειγμα αποτελεί ο σπινθηριστής YAP:Ce ο οποίος έχει σχεδόν διπλάσιο πάχος από τους υπόλοιπους εξεταζόμενους σπινθηριστές (Σχήμα 2.2.3). Για το εύρος ενεργειών που χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία και την πυλαία απεικόνιση (2.5-4.5MeV) η LΕ παρουσίασε πολύ μικρή μεταβολή για όλους τους εξεταζόμενους σπινθηριστές (Πίνακες 3.1 και 3.2). 7) ΟΠΤΙΚΗ ΑΠΟΛΑΒΗ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ Η οπτική απολαβή των εξεταζόμενων σπινθηριστών (DOG) παρουσίασε συνεχή αύξηση για όλο το εύρος των ενεργειών που εξετάσθηκαν στην παρούσα διατριβή (Σχήματα 1.9, 2.9, 3.9, 4.9, 5.9, και 3.3). Η αύξηση αυτή δεν είναι γραμμική αλλά φαίνεται να ακολουθεί τα φαινόμενα μη αναλογικότητας που εμφανίζει η απόδοση φωτός (light yield). Η οπτική απολαβή ανιχνευτή εκφράζει τον αριθμό των εκπεμπόμενων από τον σπινθηριστή οπτικών φωτονίων, ο οποίος αυξάνει με την αύξηση της ενέργειας, εφόσον είναι ανάλογος του λόγου E X / E λ (μέση ενέργεια 24

φωτονίων ακτίνων-χ ή γ προς μέση ενέργεια των οπτικών φωτονίων). Επομένως μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δείκτης παρόμοιος της απόδοσης φωτός, που συνήθως δημοσιεύεται στη διεθνή βιβλιογραφία. Τη μεγαλύτερη οπτική απολαβή μεταξύ των σπινθηριστών που εξετάστηκαν παρουσίασαν οι σπινθηριστές LSO:Ce και LYSO:Ce, ενώ αντίθετα με τις δημοσιευμένες τιμές απόδοσης φωτός (Πίνακας Β.1), ο σπινθηριστής GSO:Ce παρουσίασε μεγαλύτερες τιμές DOG από τον σπινθηριστή YAP:Ce στο μεγαλύτερο μέρος των ενεργειών που εξετάστηκαν στην παρούσα διατριβή. 8) ΠΑΡΑΓΟΝΤΑΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑΣ Η φασματική συμβατότητα του εκπεμπόμενου από τους σπινθηριστές φωτός, με την φασματική ευαισθησία των οπτικών ανιχνευτών που συνήθως χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα συστήματα ψηφιακής και τομογραφικής απεικόνισης, παρουσίασε ικανοποιητικές τιμές. Ειδικότερα ο παράγοντας φασματικής συμβατότητας (SMF) όλων των σπινθηριστών κυμάνθηκε μεταξύ 70-90% για τους περισσότερους οπτικούς ανιχνευτές (Πίνακες 1.2, 2.2, 3.2, 4.2, 5.2) που χρησιμοποιούνται σε απεικονιστικά συστήματα πυρηνικής ιατρικής. Οι σπινθηριστές YAP:Ce και LuYAP:Ce, έδειξαν πολύ μικρό SMF όταν συνδυάστηκαν με φωτοδιόδους άμορφου πυριτίου (a-si), οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στα διαγνωστικά συστήματα ακτίνων-χ και πυλαίας απεικόνισης, ενώ παρουσίασαν τις υψηλότερες συγκριτικά τιμές όταν συνδυάστηκαν με τον φωτοπολλαπλασιαστή Η8500/9500 που χρησιμοποιείται στα διαγνωστικά συστήματα πυρηνικής ιατρικής. Παρόλο που η απόδοση φωτός των σπινθηριστών YAP:Ce και LuYAP:Ce μπορεί να θεωρηθεί επαρκής για όλο το εύρος ενεργειών που εξετάσαμε, η μικρή φασματική τους συμβατότητα με το άμορφο πυρίτιο μπορεί να περιορίσει την χρήση τους στα εν λόγω απεικονιστικά συστήματα 9) ΕΝΕΡΓΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗ Η ενεργός (ή ολική) απόδοση (ΕΕ) παρουσίασε (όπως αναμενόταν) παρόμοια μεταβολή με την ΑΕ για τους περισσότερους σπινθηριστές, εφόσον οι τιμές των συντελεστών φασματικής συμβατότητας κυμαίνονται σε τιμές μεταξύ 70-90%. Για τους σπινθηριστές YAP:Ce και LuYAP:Ce επειδή παρουσιάζουν πολύ μικρό SMF όταν συνδυάζονται με το άμορφο πυρίτιο, η ΕΕ μειώνεται πολύ χαμηλότερα από την αντίστοιχη ΑΕ με αποτέλεσμα τους περιορισμούς που αναφέρθηκαν στην 25

προηγούμενη παράγραφο. Στην περίπτωση του οπτικού ανιχνευτή Η8500/9500 (PSPMT) η ΕΕ των σπινθηριστών YAP:Ce και LuYAP:Ce ξεπέρασε την αντίστοιχη ΕΕ του σπινθηριστή GSO:Ce. Κατά συνέπεια ενώ ένας σπινθηριστής μπορεί να έχει υψηλές τιμές στις παραμέτρους ΑΕ, LE, ICE και DOG ο μικρός συντελεστής φασματικής συμβατότητας του με κάποιο συγκεκριμένο οπτικό ανιχνευτή και κατ επέκταση η ενεργός απόδοσή του να δημιουργούν περιορισμούς ή ακαταλληλότητα της χρήσης του. IV) ΣYΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η απόδοση εκπομπής φωτός και τα αντίστοιχα ενδογενή φυσικά χαρακτηριστικά πέντε μονοκρυσταλλικών σπινθηριστών, με ενεργοποιητή το τρισθενές Δημήτριο (Ce 3+ ), ονομαστικά οι LSO:Ce, LYSO:Ce, GSO:Ce, LuYAP:Ce and YAP:Ce, εξετάστηκε σε ευρύ φάσμα ενεργειών από 20kV έως 18ΜV. Τα αποτελέσματα μιας τέτοιας μελέτης παρουσιάζουν ενδιαφέρον για πιθανή εφαρμογή σε απεικονιστικά συστήματα με κοινό ανιχνευτή (όπως PET/CT, PEM/CTBI και Πυλαία Απεικόνιση). Μεγέθη όπως η κβαντική ανιχνευτική απόδοση (QDE), η απόδοση ενεργειακής απορρόφησης (ΕΑΕ), η απόλυτη απόδοση φωταύγειας (ΑΕ), η απόδοση φωταύγειας ακτίνων-χ (ΧLE), η οπτική απολαβή ανιχνευτή (DOG), και η ενεργός απόδοση (ΕΕ), παρουσίασαν παρόμοια συμπεριφορά για σχεδόν όλους τους ανιχνευτές και για μεγάλο μέρος του ενεργειακού εύρους που εξετάσαμε στην παρούσα διατριβή. Αυτή η ομοιότητα οφείλεται πιθανότατα στην παρουσία των ατόμων του τρισθενούς Λουτεσίου (Lu 3+ ) στους σπινθηριστές LSO, LYSO και LuYAP και της παρουσίας ατόμων τρισθενούς Γαδολινίου (Gd 3+ ) στον σπινθηριστή GSO, το οποίο έχει ιδιότητες απορρόφησης ακτίνων-χ παρόμοιες με εκείνες του Lu 3+ Μόνο ο σπινθηριστής YAP:Ce παρουσίασε σημαντική διαφοροποίηση στην μεταβολή απορρόφησης ενέργειας, η οποία παρόλο που κυμάνθηκε σε χαμηλότερα επίπεδα από τους υπόλοιπους σπινθηριστές στο εύρος ενεργειών της κλασσικής ακτινογραφίας, παρουσίασε πολύ μικρή διακύμανση σε τιμές κοντά στο 70%. Αυτό το εύρημα συμβαδίζει με προηγούμενες μελέτες σχετικές με τα χαρακτηριστικά εκπομπής φωτός του σπινθηριστή YAP:Ce υπό διέγερση ηλεκτρονίων και ακτίνων-γ (Mangesha et al 1998, Dorenbos et al 1995), οι οποίες παρουσιάζουν αναλογικότητα στην απόδοση φωτός αυτού του κρυστάλλου. Αντίθετα τα χαρακτηριστικά 26

φωταύγειας των υπολοίπων σπινθηριστών που μελετήθηκαν, φαίνεται να επηρεάζονται από φαινόμενα μη αναλογικότητας απόδοσης φωτός, όπως αναφέρεται σε προηγούμενες μελέτες (Nassalski et al 2007, Ren et al 2004, Chen et al 2005, Trummer et al 2005). Για όλες τις προαναφερθείσες παραμέτρους ο κρύσταλλος LSO:Ce παρουσιάζεται να έχει τις υψηλότερες τιμές, σε όλο το εύρος των ενεργειών που μελετήσαμε. Η απόδοση εσωτερικής μετατροπής (ICE) όλων των σπινθηριστών βρέθηκε καλύτερη από εκείνη του σπινθηριστή BGO, που συχνά χρησιμοποιείται σε συστήματα PET και μερικές φορές σε συστήματα CT. Εντούτοις, μόνο οι σπινθηριστές LSO:Ce και LYSO:Ce παρουσίασαν απόδοση εσωτερικής μετατροπής ικανοποιητικά υψηλή και κοντά στις αντίστοιχες τιμές των σπινθηριστών CsI:Tl και GdOS, οι οποίοι συχνά χρησιμοποιούνται σε συστήματα προβολικής ακτινοδιαγνωστικής (ακτίνων-χ) και πυλαίας απεικόνισης. Οι μετρήσεις οπτικής διαπερατότητας και οπτικής απορρόφησης έδειξαν ότι οι ιδιότητες αυτές βρίσκονται σε τιμές ικανοποιητικά υψηλές (85-90%) για όλους τους σπινθηριστές. Οι μετρήσεις μας επάνω στη μεταβολή της απόλυτης απόδοσης φωταύγειας των μονοκρυστάλλων σε σχέση με την ενέργεια των ακτίνων-χ και γ έδειξαν ότι η σχετική διαφορά στην απόδοση φωτός μεταξύ των σπινθηριστών (βλέπε Πίνακα 2.4) μεταβάλλεται καθώς αυξάνει η ενέργεια. Λαμβάνοντας υπόψη τα μετρητικά μας δεδομένα, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι οι συχνά χρησιμοποιούμενοι πίνακες τιμών απόδοσης φωτός μπορεί να οδηγήσουν σε λανθασμένα συμπεράσματα σχετικά με την απόδοση των σπινθηριστών σε χαμηλές ενέργειες φωτονίων, επειδή δεν λαμβάνουν υπόψη το μέγεθος της μεταβολής στην συμπεριφορά των σπινθηριστών στις διάφορες ενέργειες. Παρ όλο που η απόδοση φωτός των σπινθηριστών YAP:Ce και LuYAP:Ce μπορεί να θεωρηθεί επαρκής για όλο το εύρος ενεργειών που εξετάσαμε, το οπτικό φάσμα εκπομπής των YAP:Ce (370nm) και LuYAP:Ce (375nm) βρέθηκε να έχει πολύ μικρή συμβατότητα με την φασματική απόκριση των φωτοδιόδων άμορφου πυριτίου (a-si), οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στα διαγνωστικά συστήματα ακτίνων-χ, CT και πυλαίας απεικόνισης. Το εύρημα αυτό μπορεί να περιορίσει την χρήση τους στα εν λόγω απεικονιστικά συστήματα. Το φάσμα εκπομπής φωτός των υπολοίπων σπινθηριστών βρέθηκε συμβατό (70-95%) με πολλούς από τους ανιχνευτές οπτικών φωτονίων (APDs, PSPMTs, asi, etc) 27

που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα ακτινοδιαγνωστικά συστήματα. Τα αποτελέσματα μας είναι ενδεικτικά ότι όλοι οι σπινθηριστές με ενεργοποιητή Δημήτριο (Ce 3+ ) που εξετάσαμε στην παρούσα διατριβή παρουσιάζουν χαμηλότερη απόδοση εκπομπής φωτός από σπινθηριστές που χρησιμοποιούνται ήδη σε ανιχνευτές προοριζόμενους για αποκλειστική χρήση σε ακτίνες-χ. Δηλαδή υλικά που βασίζονται σε οξείδια του Γαδολινίου (π.χ. Gd 2 O 2 S, Gd 2 O 3 κλπ) και αλκαλικών ενώσεων αλογόνων (π.χ. CsI). Τα υλικά αυτά ωστόσο δεν είναι κατάλληλα για απεικόνιση εκπομπής ποζιτρονίου εξαιτίας του σχετικά μεγάλου χρόνου απόσβεσης σπινθηρισμού. Επομένως η ενσωμάτωση τέτοιων υλικών σε συστήματα κοινού ανιχνευτή όπως PET/CT ή PEM/CTBI δεν ενδείκνυται. Αντιθέτως, όλα τα υλικά με ενεργοποιητή Ce 3+ που μελετήθηκαν στην παρούσα διατριβή βρέθηκαν πιο αποδοτικά από τους κρυστάλλους BGO, που έχουν επιτυχώς χρησιμοποιηθεί σε πολλά συστήματα PET και ενίοτε σε μερικά συστήματα CT ακτίνων-χ. Επιπροσθέτως, συνεχιζόμενες βελτιώσεις στα χαρακτηριστικά των σπινθηριστών με ενεργοποιητή το τρισθενές Δημήτριο, αναμένεται να επιτευχθούν με τη βελτιστοποίηση των τεχνικών ανάπτυξης των κρυστάλλων (crystal growth) και της τεχνολογίας παρασκευής σπινθηριστών. Λαμβάνοντας υπόψη τους προλεχθέντες συλλογισμούς μαζί με α) τα δεδομένα φασματικής συμβατότητας και β) τον πολύ μικρό χρόνο απόσβεσης σπινθηρισμού των μονοκρυσταλλικών σπινθηριστών με ενεργοποιητή Δημήτριο, προτείνουμε τα υλικά που μελετήθηκαν να θεωρηθούν ως εν δυνάμει αντικαταστάτες των επί του παρόντος χρησιμοποιούμενων σπινθηριστών (π.χ. CsI:Tl) στην υπολογιστική τομογραφία μαστού, στα σύγχρονα συστήματα ταχείας παραγωγής εικόνων υπολογιστικής τομογραφίας ακτίνων-χ, ειδικότερα εκείνων που κάνουν χρήση συνδυασμού συστημάτων PET/CT, καθώς και σε απεικονιστικές εφαρμογές που απαιτούν σχετικά υψηλές τάσεις ακτινολογικής λυχνίας (π.χ. ανιχνευτές υπολογιστικής τομογραφίας, διακριτοποιημένοι ψηφιακοί, ανιχνευτές απεικόνισης πυρηνικής ιατρικής κλπ. ειδικά εκείνους που βασίζονται σε έναν κοινό ανιχνευτή ακτινοβολίας). Τελειώνοντας πρέπει να σημειωθεί, ότι θα ήταν ενδιαφέρουσα η προέκταση της παρούσας μελέτης στην διερεύνηση της απόδοσης εκπομπής φωτός των χρησιμοποιηθέντων σπινθηριστών για διαφορετικές συγκεντρώσεις ενεργοποιητή. Αρκετές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί ερευνώντας την επίδραση στην φωτεινή απόδοση μονοκρυσταλλικών σπινθηριστών αλλάζοντας 28

τη σύστασή τους (Qin et al 2005, Wojtowicz et al 2005), ωστόσο, εξ όσων γνωρίζουμε η βέλτιστη συγκέντρωση ενεργοποιητή Ce 3+ για το εύρος ενεργειών που εξετάσαμε στην παρούσα διατριβή, είναι ακόμα υπό μελέτη. Μια ακόμα περιοχή ενδιαφέροντος για μελλοντική εργασία είναι η διερεύνηση των χαρακτηριστικών εκπομπής φωτός σπινθηριστών διπλής επίστρωσης (π.χ. λεπτά υποστρώματα υλικών GdOS ή CsI για ανίχνευση ακτίνων-χ, σε σύζευξη με ένα σπινθηριστή με ενεργοποιητή Ce 3+, μεγάλου πάχους για ανίχνευση φωτονίων εξαΰλωσης.), όπως οι ήδη προτεινόμενοι ανιχνευτές Phoswitch (συνδυασμός LSO/LYSO (Pepin et al 2004) ή LSO/LuYAP (Auffray et al 2004)) για τον καθορισμό του βάθους αλληλεπίδρασης σε πολυκρυσταλλικούς ανιχνευτές PET και PET μικρών ζώων. 29

TABLE OF CONTENTS ABSTRACT 32 A. INTRODUCTION 33 A 1. The problem 34 A.2. Thesis originality 36 A.3. Publications 36 A.4. Thesis layout 39 B. THEORETICAL BACKGROUND 40 B.1. Inorganic Single Crystal Scintillators 41 B.1.1. Scintillation mechanisms in inorganic scintillators 41 B.1.1.1. Excitation of Luminescence Centers 44 B.1.1.2. Energy Losses 45 B.1.1.3. Duration of scintillation pulse 46 B.1.1.4. Energy resolution 47 B.1.1.5. Non-proportionality 48 B.1.2. Optical Properties 49 B.1.2.1 Light Yield 50 B.1.2.2. Afterglow 52 B.1.2.3. Emission Spectra 53 B.1.3. Physical Parameters 53 B.1.3.1. Mechanical and Chemical Properties 53 B.1.3.2. Density 54 B.1.3.3. Radiation Hardness 54 B.1.3.4 Temperature response 56 B.1.3.5. Production Cost 56 B.2. The role of activator in inorganic scintillators 57 B.2.1. Intrinsic Luminescence Materials 57 B.2.1.1 Bismuth Germanate (BGO) 58 B.2.2. Extrinsic Luminescence Materials 58 B.2.2.1.Thallium-activated halide scintillators 59 B.2.2.2. Cerium activated compounds 60 B.2.2.3. Gadolinium-containing crystals 61 B.2.2.4. Lu- and Y-containing crystals 62 C. MATERIALS AND METHODS 68 C.1. Introduction 65 C.2. Definitions 66 C.2.1. Quantum Detection Efficiency (QDE) 66 C.2.2. Energy Absorption Efficiency (EAE) 66 C.2.3. Intrinsic Conversion Efficiency (ICE) 67 C.2.4. Absolute Efficiency (AE) 68 C.2.5. Luminescence Efficiency (LE) 68 C.2.6. Detector Optical Gain (DOG) 71 C.2.7. Spectral Matching Factor (SMF) 72 C.2.8. Effective Efficiency (EE) 73 C.3. Experimental Techniques 73 C.3.1. Ultraviolet (UV) excited optical luminescence 73 C.3.2. X-ray excited optical luminescence spectroscopy 74 C.3.3. Integration sphere 75 C.3.4. Low energy X-ray excited luminescence efficiency 76 C.3.5. Gamma ray excited luminescence 80 C.3.6. Radiotherapy X-ray excited luminescence efficiency 82 30

C.3.7. Light Transmission and Absorption measurements 83 C.3.8. Spectral matching factor calculation 84 C.4. Characteristics of Scintillators Studied 85 D. RESULTS AND DISCUSSION 88 D.1. Low energy X-ray imaging range 89 D.1.1. GSO:Ce scintillation performance 89 D.1.2. LSO:Ce scintillation performance 101 D.1.3. LYSO:Ce scintillation performance 112 D.1.4. LuYAP:Ce scintillation performance 123 D.1.5. YAP:Ce scintillation performance 133 D.2. Gamma-ray imaging range 145 D.2.1. Tc99m 140 kev γ-ray excitation 145 D.2.2. I131 364 kev γ-ray excitation 145 D.2.3. Cs137 662 kev γ-ray excitation 146 D.3. Radiotherapy imaging range 149 D.3.1. At 6MV (29 sec), 50MU 149 D.3.2. At 18MV (21 sec), 50MU 149 E. CONCLUSIONS 152 APPENDIX A: MAMMOGRAPHY X-RAY SPECTRUM ALTERATION DUE TO FILTRATION 155 REFERENCES 156 31

ABSTRACT A situation where both the CT and PET photons and/or megavoltage cone beam CT (MV CBCT) photons could be detected and registered with the same detector system presents a significant challenge to provide a solution for both modalities, without major compromises. Cerium doped single crystal scintillators (Ce 3+ ) have been successfully used in PET and animal PET imaging modalities. Five single crystal scintillators, doped with the trivalent Cerium (Ce 3+ ) activator, namely LSO:Ce, LYSO:Ce, GSO:Ce, LuYAP:Ce and YAP:Ce, were examined in a wide range of energies used in medical imaging applications, for potential use in a combined PET/CT, PEM/CTBI and/or portal imaging single detector system. To this aim measurements concerning determination of absolute efficiency, energy absorption efficiency, intrinsic conversion efficiency, detector optical gain and detector quantum efficiency, giving information on light yield and the intrinsic properties of the scintillators. Information on the compatibility of the light emission spectrum of the scintillators with the currently used optical photon detectors was obtained by calculating the spectral matching factors of each scintillator examined. Measurements were performed using an experimental set-up based on a photomultiplier coupled to an integration sphere. The emission spectrum under UV and x-ray excitation was measured using an optical grating monochromator to determine the spectral compatibility to optical photon detectors incorporated in medical imaging systems. Additionally, the optical characteristics such as transmission and absorption spectra were investigated. The intrinsic conversion efficiency of LSO:Ce and LYSO:Ce was found adequately high being close to the corresponding values of the CsI:Tl and GdOS scintillating materials, which are most often used in x-ray radiography and portal imaging modalities. The emission spectrum of all scintillators was found compatible (70% - 95%) to most currently employed optical photon detectors (photodiodes, photocathodes etc). The spectral compatibility of LuYAP:Ce and YAP:Ce was low with a-si (amorphous silicon photodiode) but found most compatible when combined to H8500/9500 PSPMT. All the presently investigated Ce 3+ doped materials were found more efficient than BGO crystals, which have been successfully employed in many PET and occasionally in some x-ray CT systems. 32