Ιωάννης Γ. Βαλαής Καθηγητής Εφαρμογών Τ.Ε.Ι Αθήνας Εργαστήριο Ιοντιζουσών Ακτινοβολιών και Εργαστήριο Κατασκευών Tμήμα Τεχνολογίας Ιατρικών Οργάνων ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΚΑΙ ΟΠΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΣΕ ΣΠΙΝΘΗΡΙΣΤΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΗΣ Ιωάννης Γ. Βαλαής Καθηγητής Εφαρμογών Τ.Ε.Ι Αθήνας 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Εισαγωγή Ι Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ιοντιζουσών ακτινοβολιών (ακτίνες Χ ή γ) στην ιατρική απεικόνιση ονομάζονται σπινθηριστές. Οι σπινθηριστές χωρίζονται σε δύο βασικές κατηγορίες: Οργανικοί και Ανόργανοι Οι οργανικοί σπινθηριστές απαντώνται σε μορφή: Στερεών (πλαστικοί – παράγωγα πολυστερίνης) ή Υγρών (διαλύτης + φθορίζουσα ουσία) Οι ανόργανοι σπινθηριστές απαντώνται σε μορφές: Κοκκώδεις (κρυσταλλικά σωματίδια)-Οθόνες Κεραμικοί και Μονοκρύσταλλοι 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Εισαγωγή ΙΙ Οι μονοκρυσταλλικοί σπινθηριστές συνδυάζονται με οπτικούς ανιχνευτές για να χρησιμοποιηθούν ως μετατροπείς των ιοντιζουσών ακτινοβολιών σε ορατό φως σε διάφορες ανιχνευτικές εφαρμογές όπως: Τομογραφία ποζιτρονιακής εκπομπής (PET) Τομογραφία εκπομπής μονού φωτονίου (SPECT) Υπολογιστική Τομογραφία ακτίνων-X (CT) Ψηφιακή ακτινογραφία (DR) κλπ. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Εισαγωγή ΙΙΙ Τα σύγχρονα τομογραφικά απεικονιστικά συστήματα (PET, CT) απαιτούν ανιχνευτές με υψηλή απόδοση φωταύγειας αλλά ταυτόχρονα με γρήγορη απόκριση φωτεινού παλμού. Ο μεγάλος χρόνος απόκρισης του σπινθηριστή Ιωδιούχου Κεσίου (CsI) οδήγησε στην μελέτη νέων υλικών με γρηγορότερη απόκριση (Πίνακας I). ΠΙΝΑΚΑΣ I Ανόργανοι μοκρυσταλλικοί σπινθηριστές που χρησιμοποιούνται στην Ιατρική Απεικόνιση Χαρακτηριστικά CsI:Tl BGO Bi4Ge3O12 GSO:Ce Gd2SiO5 LSO:Ce Lu2SiO5 LYSO:Ce (Lu0.9-Y0.1)2SiO5 YAP:Ce YAlO3 LuAP:Ce LuAlO3 LuYAP:Ce (Lu0.7-Y0.3)AlO3 Πυκνότητα (g/cm3) 4.51 7.13 6.7 7.4 5.5 8.34 Μήκος κύματος εκπομπής (nm) 550 480 440 420 350 365 385 Χρόνος απόκρισης (ns) 800 300 60 40 30 18 29 Δείκτης διάθλασης 1.86 2.15 1.89 1.81 1.82 1.94 Απόδοση Φωταύγειας (photons/MeV) 66000 8200 8500 26000 30000 21000 12000 11000 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Εισαγωγή ΙV Ένα πρόσθετο χαρακτηριστικό που συχνά εξετάζεται για τη χρήση ενός σπινθηριστή σε απεικονιστικό σύστημα, είναι ή φασματική συμβατότητα του εκπεμπόμενου από τον σπινθηριστή φωτός, με την φασματική ευαισθησία του οπτικού ανιχνευτή που θα χρησιμοποιηθεί για τη μετατροπή του φωτεινού σήματος σε ηλεκτρονικό. Ειδικότερα οι σπινθηριστές με ενεργοποιητή Δημήτριο παρουσιάζουν συνήθως πολύ μικρούς χρόνους απόκρισης. Οι συχνότερα χρησιμοποιούμενοι από αυτούς είναι οι ακόλουθοι: Οι σπινθηριστές από Πυριτικό οξείδιο του Γαδολινίου με ενεργοποιητή Δημήτριο (Cerium doped Gadolinium Oxyorthosilicate), Gd2SiO5:Ce (GSO: Ce), Οι σπινθηριστές από Πυριτικό Οξείδιο του Λουτεσίου (LSO:Ce) ή Λουτεσίου-Υτρίου (LYSO:Ce) εμπλουτισμένο με Δημήτριο (Cerium doped Lutetium or Lutetium Yttrium Oxyorthosilicate), Lu2SiO5:Ce ή (Lu,Y)2SiO5:Ce Οι σπινθηριστές από Αλουμινικό Οξείδιο του Υτρίου (YAP:Ce) ή Λουτεσίου ή Λουτεσίου-Υτρίου (LuAP:Ce ή LuYAP:Ce) εμπλουτισμένο με Δημήτριο 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Εισαγωγή V Ενώ περισσότερα από τα νέα υλικά σπινθηριστών έχουν ήδη μελετηθεί για ακτίνες γ υψηλών ενεργειών (Τομογραφία Ποζιτρονιακής Εκπομπής), πολύ λίγες μελέτες έχουν γίνει για την απόδοση των υλικών αυτών σε ακτίνες Χ (Κλασσική ακτινοδιαγνωστική, Μαστογραφία) Από τους σπινθηριστές που μελετήθηκαν σε συνθήκες ακτινοδιαγνωστικής, ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσίασαν οι σπινθηριστές Πυριτικού Οξειδίου του Λουτεσίου (LSO:Ce, LYSO:Ce) και Πυριτικού Οξειδίου του Γαδολινίου (GSO:Ce) εμπλουτισμένοι με Δημήτριο, οι οποίοι έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί σε εμπορικά συστήματα Τομογραφίας Ποζιτρονιακής Εκπομπής. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Ορισμοί ΑΠΟΛΥΤΗ ΑΠΟΔΟΣΗ ΦΩΤΑΥΓΕΙΑΣ (ABSOLUTE EFFICIENCY, AE): Είναι λόγος της ενεργειακής ροής οπτικών φωτονίων που εκπέμπεται από έναν διεγερμένο κρυσταλλικό σπινθηριστή διά τον προσπίπτων σε αυτόν ρυθμό έκθεσης ακτίνων-x και εκφράζεται σε μονάδες [μW·s/mR·m2], που συχνά ονομάζονται Μονάδες Απόδοσης (Efficiency Units, EU) ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΦΑΣΜΑΤΙΚΗΣ ΣΥΜΒΑΤΟΤΗΤΑΣ (SPECTRAL MATCHING FACTOR, SMF): Εκφράζει τη φασματική συμβατότητα του φωτός που εκπέμπεται από το σπινθηριστή με τις ευαισθησίες των διάφορων ανιχνευτών οπτικών φωτονίων. EΝΕΡΓΟΣ ΑΠΟΔΟΣΗ (EFFECTIVE EFFICIENCY, EE): Εκφράζει το ποσοστό της εκπεμπόμενης ενεργειακής ροής φωτός που μπορεί να συλληφθεί 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. Η EE μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εκφράσει την συνολική απόδοση του συνδυασμού σπινθηριστή-οπτικού ανιχνευτή. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Υλικά και Μέθοδοι Ι Χρησιμοποιήθηκαν οι ακόλουθες πειραματικές διατάξεις για την μέτρηση της απόλυτης απόδοσης: Κρύσταλλοι LYSO, LSO και GSO με ενεργοποιητή Ce 0.5% mol, 10x10x10 mm3, με όλες τις επιφάνειές του γυαλισμένες. Κλασσικό Ακτινογραφικό (Philips Optimus). Μαστογράφος (G.E. Senographe DMR) Φίλτρα 20 mm Al (κλασσική ακτινογραφία) & 30mm Perspex (μαστογραφία) για προσομοίωση της απορρόφησης από το ανθρώπινο σώμα. Ηλεκτρόμετρο παλλόμενης γλωσσίδας Cary 401. Δοσίμετρο Radcal 2026C. Φωτοπολλαπλασιαστής EMI 9798B εφοδιασμένος με τη φωτοκάθοδο S-20. Βαθμονομημένη σφαίρα ολοκλήρωσης Oriel 70451 Για τον καθορισμό των συντελεστών φασματικής συμβατότητας χρησιμοποιήθηκαν: Φασματόμετρο Ocean Optics S2000 (Ocean Optics Inc.). Οπτική ίνα μήκους 2.0 m (Avantes Inc. FCB-UV400-2) η οποία μετέφερε το φως από τον κρύσταλλο σπινθηρισμών στο φασματόμετρο. Πηγή UV (D2 UV lamp, VL-6M,Vilber Lourmat, France) η οποία τοποθετήθηκε σε απόσταση 10cm από κάθε κρύσταλλο και σε μια γωνία 450 σε σχέση με την οριζόντια επιφάνεια του κρυστάλλου. Μετρήσεις με ακτίνες-x σε διάφορες τιμές τάσης της λυχνίας των ακτίνων-x έως 140 kV. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Υλικά και Μέθοδοι ΙΙ 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Αποτελέσματα και Συζήτηση I Σχήμα 1. Η μεταβολή της απόλυτης απόδοσης φωταύγειας (AE) των κρυστάλλων LSO:Ce-LYSO:Ce και GSO:Ce για διάφορες τιμές τάσης της λυχνίας ακτίνων-x σε κλασικό ακτινογραφικό (μεταξύ 50-140 kV). Μονάδες AE: μW s/mR m2. Σχήμα 2. Η μεταβολή της απόλυτης απόδοσης φωταύγειας (AE) των κρυστάλλων LSO:Ce-LYSO:Ce και GSO:Ce για διάφορες τιμές τάσης της λυχνίας ακτίνων-x σε μαστογράφο (μεταξύ 22-49 kV). Μονάδες AE: μW s/mR m2. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Αποτελέσματα και Συζήτηση IΙ Σχήμα 3. Ενεργός απόδοση των σπινθηριστών LSO:Ce-LYSO:Ce και GSO:Ce για τη φωτοκάθοδο S-20 EMI. Σχήμα 4. Ενεργός απόδοση των σπινθηριστών LSO:Ce-LYSO:Ce και GSO:Ce για τη φωτοδίοδο άμορφου πυριτίου aSi:H-108H με πάχος εσωτερικής επίστρωσης 800nm. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Αποτελέσματα και Συζήτηση IΙΙ Σχήμα 5. Ενεργός απόδοση των σπινθηριστών LSO:Ce-LYSO:Ce και GSO:Ce για τη φωτοδίοδο κρυσταλλικού πυριτίου Si/S1133 Hamamatsu. Σχήμα 6. Ενεργός απόδοση των σπινθηριστών LSO:Ce-LYSO:Ce και GSO:Ce για τη φωτοκάθοδο GaAsP Hamamatsu . 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Αποτελέσματα και Συζήτηση IV Τιμές Συντελεστών Φασματικής Συμβατότητας Οπτικοί Ανιχνευτές S-20 aSi:H-108 Si/S1133 GaAsP LSO:Ce- LYSO:Ce 0.902 0.705 0.760 0.926 GSO:Ce 0.903 0.737 0.774 0.927 Πίνακας 1. Τιμές συντελεστών φασματικής συμβατότητας των κρυστάλλων LSO:Ce-LYSO:Ce και GSO:Ce με διάφορους οπτικούς ανιχνευτές. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Αποτελέσματα και Συζήτηση V Οι κρύσταλλοι LSO:Ce και LYSO:Ce παρουσίασαν παρόμοια συμπεριφορά για τις ενέργειες των ακτίνων Χ που χρησιμοποιήθηκαν στην μελέτη μας. Για τον λόγο αυτό στα σχήματα 1-6 αναφέρεται ο ένας από τους δύο κρυστάλλους Τα μέγιστα των φασμάτων εκπομπής βρέθηκαν 460nm και 430nm για τους μονοκρυστάλλους GSO:Ce και LSO:Ce-LYSO:Ce αντίστοιχα. Αυτά τα φάσματα βρίσκονται μέσα στην περιοχή των καμπύλων φασματικής ευαισθησίας των περισσότερων οπτικών ανιχνευτών που εξετάστηκαν στην παρούσα μελέτη (Πίνακας 1, Σχήματα 3-6). Η υψηλότερη ενεργός απόδοση και για τις δύο κατηγορίες ανιχνευτών παρουσιάστηκε για τη GaAsP Hamamatsu φωτοκάθοδο. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Αποτελέσματα και Συζήτηση VI Η μεγαλύτερη διαφορά στους συντελεστές φασματικής συμβατότητας παρουσιάστηκε για τις φωτοδιόδους πυριτίου aSi:H και Si/S1133, Hamamatsu. Οι σπινθηριστές LSO:Ce-LYSO:Ce βρέθηκαν να έχουν ελαφρώς καλύτερη απόδοση (22,85 EU) από τον GSO:Ce (20,30 EU) σε τιμές τάσεων λυχνίας ακτίνων-Χ μεταξύ 50-140 kVp ενώ για τιμές τάσεων μεταξύ 22-49 kVp η απόδοση των δύο κατηγοριών υλικών ήταν παρόμοια. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Συμπεράσματα Τα αποτελέσματα των μετρήσεών μας έδειξαν ότι: Η απόλυτη απόδοση φωταύγειας των κρυσταλλικών σπινθηριστών LSO:Ce-LYSO:Ce και GSO:Ce αυξάνεται με την αύξηση της τάσης της λυχνίας ακτίνων-Χ κάτω από συνθήκες μαστογραφίας και κλασικής ακτινογραφίας, με τιμές μεγαλύτερες από 20 EU. Λόγω του μικρού χρόνου εξασθένησης του φωτός των δύο κατηγοριών κρυσταλλικών σπινθηριστών, μπορούν να θεωρηθούν ως εν δυνάμει αντικαταστάτες του σπινθηριστή CsI:Tl, όπου αυτός χρησιμοποιείται σήμερα. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Ευχαριστίες Η παρούσα εργασία χρηματοδοτήθηκε από το Υπουργείο Εθνικής Παιδείας και Θρησκευμάτων μέσα από το πρόγραμμα ΕΠΕΑΕΚ ‘Αρχιμήδης I,II’ Οι συγγραφείς ευχαριστούν την εταιρία Photonic Materials Ltd., Scotland, U.K. που παρείχε τον μονοκρύσταλλο LYSO:Ce. Οι συγγραφείς ευχαριστούν την εταιρία Hitachi Chemical Co. Ltd., Japan που παρείχε τον μονοκρύσταλλο GSO:Ce. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Αναφορές [1] C. W. E. van Eijk, “Inorganic scintillators in medical imaging”, Phys. Med. Biol., vol. 47, 2002. [2] J.A. Mares, A. Beitlerova, M. Nikl, N. Solovieva, C. D’Ambrosio, K. Blazek, P. Maly, K. Nejezchleb, F. de Notaristefani, “Scintillation response of Ce-doped or intrinsic scintillating crystals in the range up to 1MeV”, Radiation Measurements, vol. 38, 2004. [3] I. Valais, I. Kandarakis, D. Nikolopoulos, I. Sianoudis, N. Dimitropoulos, D. Cavouras, C.D. Nomicos and G.S. Panayiotakis.: Luminescence efficiency of Gd2SiO5:Ce scintillator under x-ray excitation. IEEE Trans. Nucl. Science, vol.52, 5, 2005. [4] I. Valais, I. Kandarakis, D. Nikolopoulos, Α. Konstantinidis, I. Sianoudis, N. Dimitropoulos, D. Cavouras, C.D. Nomicos and G.S. Panayiotakis.: Evaluation of light emission efficiency of LYSO:Ce scintillator under x-ray excitation for possible applications in medical imaging. Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A, in print. [5] W. Mangesha, T. D. Taulbee, J. D. Valentine, B. D. Rooney, “Gd2SiO5(Ce3+) and BaF2 measured electron and photon responses”, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A., vol. 486, 2002. [6] J. S. Karp, S. Surti, M. E. Daube-Witherspoon, R. Freifelder, C. A. Cardi, L.E. Adam, K. Bilger and G. Muehllehner, “Performance of a Brain PET Camera Based on Anger-Logic Gadolinium Oxyorthosilicate Detectors”, J. Nucl. Med., vol. 44, 2003. [7] LYSO Product Specifications, Photonic Materials Ltd., Scotland, UK. Internet site: www.photonicmaterials.com. [8] I. Kandarakis, D. Cavouras, G.S. Panayiotakis, C.D. Nomicos, Phys. Med. Biol.vol. 42, 1997. [9] I. Kandarakis, D. Cavouras, C.D. Nomicos, G.S. Panayiotakis, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B. vol. 179, 2001. 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007

Ευχαριστώ για την προσοχή σας ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ ? 15-18 Μαρτίου ΜEDICEXPO 2007