Experimental evaluation of single-crystal and granular scintillators in medical imaging detectors: application in an experimental prototype imaging system

Abstract

The aim of the present thesis is to evaluate fast scintillator materials, in both single-crystal and powder form, for possible usage in dedicated gamma ray imaging applications as well as in X-ray imaging techniques, requiring high frame rates. Powder scintillators are traditionally used in conventional X-ray imaging due to their property to produce high resolution images. This is because laterally directed optical photons, originating from the point of X-ray interaction, are strongly attenuated by light scattering effects on powder grains. This property however is their principal drawback for routine Nuclear Medicine applications. In these applications, photon counting accuracy rather than spatial resolution is required and to this aim high transparency crystals are used. In the present study we have tried to estimate whether the use of powder phosphors can improve the image quality in a dedicated gamma-ray system where spatial resolution than sensitivity is of primary significance. Evaluation was performed in thin and thick phosphor layers easily produced in the laboratory. In addition we present a low cost solution - consisting of a thick continuous powder scintillator screen - for use in dedicated high resolution small gamma imager. The advantages and disadvantages of proposed powder detector performance were compared to two standard 3 x 3 x 5mm3 and 2 x 2 x 3mm3 pixellated CsI:Tl scintillator detector configurations. System performance in terms of system sensitivity, system spatial resolution, energy resolution and linear energy response were measured at energy of 140 keV for close-proximity nuclear emission imaging. All measurements were carried out in photon counting mode in planar imaging configuration. The investigation was divided into two parts: Fast powder scintillators: In this part, powder scintillator screens of LSO:Ce, YAG:Ce and GOS:Pr were prepared in various coating thicknesses. Measurements concerning determination of emission spectra and absolute luminescence efficiency were carried out under X-ray excitation from 22 to 140 kV. Related parameters giving informations on luminescence and intrinsic properties of the phosphors such as X-ray luminescence efficiency, quantum detection efficiency, energy absorption efficiency and intrinsic conversion efficiency were also examined. Low cost and high resolution detector module: The goal of this part was to propose and evaluate a low cost solution for detector module - consisting of a thick continuous powder scintillator screen - for use in dedicated high resolution small gamma imagers. For the latter purpose, we examined the performance of the aforementioned fast powder scintillators in the form of thick screens easily produced in the laboratory. System performance in terms of system sensitivity, system spatial resolution, energy resolution and linear energy response were measured and compared for two standard 3 x 3 x 5mm3 and 2 x 2 x 3mm3 pixellated CsI:Tl.

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η αποτίμηση φθοριζόντων υλικών υψηλής απόκρισης, τόσο σε κρυσταλλική όσο και σε κοκκώδη μορφή για πιθανή χρησιμοποίησή τους σε συγκεκριμένους τύπους ανιχνευτικών συστημάτων Πυρηνικής Ιατρικής όπως επίσης σε συστήματα απεικόνισης με ακτίνες Χ που απαιτούν πολύ γρήγορες λήψεις ιατρικής εικόνας. Τα φθορίζοντα υλικά κοκκώδους μορφής χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην απεικόνιση με ακτίνες-Χ λόγω της υψηλής διακριτικής ικανότητας που μπορεί να επιτευχθεί. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε κατά πόσο η χρήση νέων, γρήγορων φθοριζόντων υλικών κοκκώδους μορφής μπορεί να βελτιώσει την απόδοση συγκεκριμένων τύπων ανιχνευτικών συστημάτων Πυρηνικής Ιατρικής (π.χ. dedicated small nuclear imagers), στα οποία η διακριτική ικανότητα του συστήματος είναι πιο σημαντική από την ευαισθησία. Η αποτίμηση έγινε σε φθορίζοντα μεγάλου πάχους που παρασκευάστηκαν στο εργαστήριο. Επιπρόσθετα στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται η εφαρμογή ενός χαμηλού κόστους συμπαγούς ανιχνευτικού υλικού κοκκώδους μορφής σε ένα εξειδικευμένο σύστημα Πυρηνικής Ιατρικής. Γίνεται συστηματική μελέτη και εκτενής αναφορά στα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα αυτού του συστήματος. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αντίστοιχα αποτελέσματα που ελήφθησαν με χρήση διακριτοποιημένων σπινθηριστών τύπου CsI:Tl, μεγέθους 3 x 3 x 5mm3 και 2 x 2 x 3 mm3. Η απόδοση του συστήματος ως προς την ευαισθησία (sensitivity), τη χωρική διακριτική ικανότητα (spatial resolution) και την ενεργειακή διακριτική ικανότητα (energy resolution) αποτιμήθηκε για ενέργεια 140 keV, που αντιστοιχεί στην ενέργεια του ισοτόπου 99mTc που χρησιμοποιείται ευρύτατα σε εξετάσεις Πυρηνικής Ιατρικής. Η πειραματική μελέτη χωρίστηκε σε δύο μέρη: Φθορίζοντα υλικά κοκκώδους μορφής: Στο πρώτο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν τα φθορίζοντα υλικά κοκκώδους μορφής LSO:Ce, YAG:Ce και GOS:Pr σε διάφορα πάχη και για μεγάλη κλίμακα ενεργειών (Υψηλή τάση λυχνίας ακτίνων-Χ από 22 kV έως 140 kV). Ανιχνευτής χαμηλού κόστους και υψηλής διακριτικής ικανότητας: Ο τελικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η κατασκευή ενός ενιαίου ανιχνευτή, βασισμένου σε σπινθηριστή κοκκώδους μορφής, χαμηλού κόστους και υψηλής διακριτικής ικανότητας, κατάλληλου για χρήση σε εξειδικευμένα συστήματα Πυρηνικής Ιατρικής. Για το σκοπό αυτό μελετήθηκε η συμπεριφορά των υλικών κοκκώδους μορφής LSO:Ce, YAG:Ce και GOS:Pr υπό διέγερση ακτίνων γάμμα με ισότοπο Τεχνητίου (99mTc), ενέργειας 140 keV, που χρησιμοποιείται ευρύτατα στην Πυρηνική Ιατρική. Τα υλικά αυτά υπό την μορφή ενιαίου, μεγάλου πάχους (≥2mm) και διαμέτρου (9 cm), συμπαγούς ανιχνευτή αξιολογήθηκαν με τεχνικές απεικόνισης μονού φωτονίου (single photon counting mode).