Μελέτη και βελτιστοποίηση παραμέτρων απόδοσης φωταύγειας κρυσταλλικών σπινθηριστών, για χρήση σε ανιχνευτικές διατάξεις ιοντιζουσών ακτινοβολιών Υβριδικών Συστημάτων Ιατρικής Απεικόνισης

Abstract

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.