click me！

Сцинтилляторы для применения в ПЭТ

Обзор

В этой статье рассматривается внедрение технологии медицинской ПЭТ-визуализации с использованием сцинтилляционных матриц. Представлен всесторонний обзор принципов медицинской ПЭТ-визуализации, принципа работы пиксельных сцинтилляционных матриц в ПЭТ-технологии, а также типичных сцинтилляционных материалов, подходящих для медицинской ПЭТ-визуализации, а именно LYSO (Ce) — легированного церием силиката иттрия-лютеция, GAGG (Ce) — легированного церием граната гадолиния-галлия, и новой технологии сцинтилляционных матриц на основе LaBr3 (Ce), подходящих для времяпролетной позитронно-эмиссионной томографии (TOF-PET).


1. Что такое ПЭТ?

ПЭТ, сокращение от позитронно-эмиссионная томография, — это неинвазивный метод визуализации, широко используемый в медицинской диагностике и научных исследованиях. Используя слабое свечение радиоактивного индикатора, ПЭТ волшебным образом проникает на метаболический уровень живых организмов.

ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) — это метод медицинской визуализации, который регистрирует гамма-фотоны с энергией 511 кэВ, испускаемые при распаде позитронов в живом организме. Таким образом, источником сигнала ПЭТ являются изотопы в наблюдаемом объекте.

Основные принципы ПЭТ
ПЭТ-визуализация использует β+-распад изотопов. Итак, что же такое β+-распад?

β+ распад :
Когда изотопных протонов слишком много, происходит β+-распад. В результате β+-распада протон превращается в нейтрон и позитрон (а также нейтрино), при этом полный заряд сохраняется. Во время β+-распада атомное ядро теряет один протон, образуя таким образом новый элемент. Углерод-11 распадается на бор-11 и испускает позитроны. Например, изотоп C-11, обычно используемый в ПЭТ, имеет ядро с 6 протонами и 5 нейтронами. Из-за относительно большого числа протонов он нестабилен. Он подвергается β+-распаду, превращаясь в бор и высвобождая при этом позитрон.

γ-распад :
Атомные ядра, подвергшиеся альфа- или бета-распаду, обычно ещё не очень стабильны и выделяют избыточную энергию для достижения конечного стабильного состояния. Избыточная энергия излучается в виде высокоэнергетических электромагнитных волн, гамма-лучей, этот процесс называется гамма-распадом. Гамма-распад не изменяет количество протонов, нейтронов или атомный номер в атомном ядре.

Распад бета-ионов приводит к образованию позитронов. После очень короткого полета эти позитроны сталкиваются и аннигилируют с отрицательно заряженными свободными электронами в тканях человека, испуская два фотона, движущихся в противоположных направлениях — высокоэнергетические гамма-лучи. Аннигиляция позитронов приводит к образованию гамма-лучей, движущихся в противоположных направлениях. Гамма-лучи — это электромагнитные волны с длиной волны менее 0,01 ангстрема, обладающие чрезвычайно высокой проникающей способностью и причиняющие вред как человеку, так и окружающей среде. Поэтому их необходимо блокировать и обнаруживать с помощью материалов высокой плотности.

Материал, используемый для блокирования и обнаружения гамма-лучей, называется сцинтилляционным кристаллом. Сцинтилляционные кристаллы для ПЭТ — это неорганические сцинтилляторы с чрезвычайно высокой плотностью и атомным номером. К наиболее часто используемым относятся кристаллы граната гадолиния-галлия, легированные церием (GAGG(Ce)) и кристаллы силиката иттрия-лютеция, легированные церием (LYSO(Ce) ).

Мы знаем, что электроны, принадлежащие одному атому, могут переходить между различными энергетическими уровнями. В сцинтилляционных кристаллах или других неорганических сцинтилляторах электроны могут передаваться между соседними атомами. Электроны больше не принадлежат одному фиксированному атому, а разделяются кристаллом. Следовательно, энергетические уровни отдельного электрона преобразуются в электронные полосы кристалла. Нижние энергетические уровни энергетических полос кристалла называются валентной полосой, а верхние энергетические уровни — полосой проводимости.

Когда гамма-лучи попадают в кристалл, они поглощаются электронами валентной зоны. Затем эти электроны переходят в более высокую зону проводимости, испуская фотоны при возвращении в более низкое энергетическое состояние. Испускаемые фотоны регистрируются фотодетектором, соединенным со сцинтиллятором, и преобразуются в электрический сигнал.

ПЭТ-технология основана на сцинтилляторах. Как определяется местоположение радиоактивного индикатора?

При аннигиляции позитронов и электронов внутри тела одновременно испускаются два пучка гамма-лучей с почти противоположными направлениями и энергией 511 кэВ. Эти высокоэнергетические гамма-лучи легко проникают в ткани человека и выходят из тела, где они детектируются кольцеобразным массивом сцинтилляционных кристаллов, окружающим тело, и преобразуются в регистрируемые световые сигналы. Поскольку эти два гамма-луча возникают в результате одного и того же события аннигиляции, они генерируются одновременно и движутся с одинаковой скоростью, достигая двух детекторов, расположенных на одной прямой линии, с очень небольшой разницей во времени. Исходя из этой характеристики, система ПЭТ устанавливает строгое временное окно совпадений; только пары гамма-лучей, обнаруженные одновременно в пределах этого окна, считаются истинными событиями аннигиляции. Если разница во времени прибытия слишком велика, они считаются случайными событиями совпадений от разных аннигиляций и отбрасываются. Из-за этого чрезвычайно жесткого условия двойного отбора как во времени, так и в пространстве, для визуализации в конечном итоге используется лишь очень небольшое количество фотонных событий, отвечающих требованиям; Как правило, более 99% обнаруженных сигналов исключаются.

Для пар фотонов, удовлетворяющих критериям экранирования, начальное положение столкновения электрона и позитрона можно легко определить по разнице во времени между их прибытием к сцинтилляционному кристаллу.

ПЭТ-сканирование можно рассматривать как игру в прятки, используемую для наблюдения за активностью внутри организма (например, за опухолями). Представьте себе темную комнату, где множество людей парами бросают светящиеся палочки спина к спине в противоположных направлениях. Стены комнаты покрыты датчиками. Вычислив, какие датчики одновременно получили светящиеся палочки от одной и той же группы, можно определить начальное положение тех, кто бросил палочки. ПЭТ делает нечто подобное, используясь для того, чтобы «увидеть», какие части тела наиболее «активны».

 

2. Что такое TOF-PET (позитронно-эмиссионная томография с измерением времени пролета)?

ПЭТ с измерением времени пролета (TOF-PET) — это метод медицинской визуализации, основанный на позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ). Он включает внутривенное введение радиофармацевтического препарата (например, фторглюкозы) для маркировки биологических метаболических процессов, измерение разницы во времени (Δt) между приходом двух гамма-фотонов, генерируемых аннигиляцией позитронов, к детектору и объединение этих данных со скоростью света для сужения диапазона локализации события аннигиляции, что повышает точность реконструкции изображения. Технология TOF представляет собой значительный прогресс в ПЭТ-визуализации, охватывающий множество областей, таких как материаловедение, физика, математика, электроника, механика, медицина и молекулярная биология. Состоящая из множества сложных оптических материалов и электронных устройств, она является технологически сложной и синтезирует различные высокие технологии. Технология TOF может повысить точность диагностики ПЭТ, сократить время сканирования, расширить клиническое применение ПЭТ и является одним из основных направлений будущего развития ПЭТ.

Сцинтилляционные матрицы и ПЭТ-медицинская визуализация

В следующем разделе подробно описаны наиболее распространенные сцинтилляционные материалы, используемые в ПЭТ-визуализации, включая применение сцинтилляционных матриц LYSO (Ce) и GAGG (Ce) в медицинской ПЭТ-визуализации. Рассматривается состав сцинтилляционных матриц, их базовая структура пикселирования, процесс изготовления и принцип работы сцинтилляционных матриц в ПЭТ-приложениях.

1. Массив LYSO(Ce) для ПЭТ:

Этот продукт состоит из кристаллов силиката лютеция-иттрия, легированных церием, и отражающего слоя, покрывающего поверхность этих кристаллов. Кристаллы силиката лютеция-иттрия выполнены в виде кристаллических полос, которые плотно расположены в плоскости и разделены отражающим слоем. Отражающий слой предотвращает перекрестные помехи света и концентрирует свет в детекторе. Пять граней массива покрыты отражателями.
Кристаллы силиката лютеция-иттрия, легированные церием, представляют собой: LYSO: Ce (молекулярная формула: Lu2Y2SiO5:Ce).
Состав кристаллического материала на основе силиката иттрия-лютеция, легированного церием, следующий: лютеций 54,9%, иттрий 27,9%; кремний 4,4%, кислород 12,6%, церий 0,2%. Светоотражающий слой может быть изготовлен из полиэтилентерефталата (3M ESR) или диоксида титана (смешанного со смолой или пластиком). Иногда по запросу заказчика может быть добавлен светоотражающий слой из алюминиевой фольги (из алюминия).

Изображения товара

Рисунок 1. Массивы LYSO(Ce)


Введение в продукт:
кристаллическая структура силиката иттрия и лютеция
Данный продукт представляет собой кристаллическую матрицу из силиката лютеция-иттрия, распространенный элемент медицинской радиологической визуализации. Структура и процесс изготовления кристаллической матрицы из силиката лютеция-иттрия следующие:
Крупные кристаллы лютеций-иттриевого силиката, легированные церием, распиливаются на небольшие прямоугольные полоски. Эти нарезанные небольшие кристаллические полоски расположены плотно в плоскости, причём каждая небольшая кристаллическая полоска является независимой единицей, называемой «пикселем». Расположение этих небольших кристаллических полосок образует массив. Между каждым маленьким кристаллом находится тонкий оптический отражающий слой, и все пять сторон массива (кроме светоизлучающей поверхности) покрыты оптическими отражающими слоями. Материалом отражающего слоя может быть 3M ESR или диоксид титана. Иногда по запросу заказчика может быть добавлен отражающий слой из алюминиевой фольги (изготовленной из алюминия). Толщина отражающего слоя обычно составляет от 0,06 мм до 0,5 мм, а фактические характеристики могут варьироваться в зависимости от заказчика. Основная функция этих отражающих слоев — склеивание мелких кристаллов лютеция-силиката иттрия, а второстепенная — удержание света внутри пикселей кристалла и направление его к светоизлучающему порту. Отражающий слой наносится на поверхность кристалла только физически, без введения новых химических компонентов.

Рисунок 2. Структура кристаллического массива силиката лютеция-иттрия показана на приведенной выше схематической диаграмме. Большой куб на диаграмме представляет собой кристаллическую решетку силиката лютеция-иттрия, а каждый маленький синий квадрат представляет собой кристалл силиката лютеция-иттрия, легированный церием (т.е. «пиксель»); белая часть представляет собой оптический отражающий слой.

Кристаллы силиката иттрия, легированные церием

Кристаллы силиката лютеция-иттрия, легированные церием, с упрощенной химической формулой LYSO4:Ce, представляют собой сцинтилляционный кристаллический материал. Этот продукт получают путем химической реакции и кристаллизации оксида лютеция, легированного церием, оксида иттрия и диоксида кремния в высокотемпературной печи для выращивания, обычно с использованием метода Чохральского. Элементы лютеций и иттрий существуют в этом продукте в виде неразделимых кристаллов. Кристаллы силиката лютеция-иттрия, легированные церием, в… Под действием высокоэнергетических лучей, таких как рентгеновские и гамма-лучи, может быть получена сильная флуоресценция, что подходит для области обнаружения излучения.
Кристаллы лютеция-силиката иттрия, легированные церием (LYSO:Ce), характеризуются высоким светоотдачей, быстрым временем затухания света и высокой плотностью. Они негигроскопичны и обладают хорошей эффективностью обнаружения гамма-лучей, что делает их широко используемым неорганическим сцинтилляционным кристаллическим материалом.
Кристаллическая матрица силиката иттрия и лютеция
В массиве литийсиликата иттрия кристалл LYSO:Ce разрезан на множество небольших кубовидных кристаллических блоков и расположен в виде массива. Каждый небольшой кристаллический блок определяется как пиксель, а между каждым небольшим кристаллическим блоком на пять внешних сторон массива наносятся оптические отражающие слои. Когда высокоэнергетическая частица (например, гамма-фотон) попадает на пиксель кристалла, пиксель испускает флуоресценцию благодаря свойствам кристаллов силиката лютеция-иттрия. Отражающее покрытие действует как зеркало, отражая флуоресценцию обратно в пиксель кристалла, предотвращая перекрестные помехи между пикселями и направляя флуоресценцию к концу массива. Во время использования к концу массива прикрепляются электронные компоненты (не входящие в состав самого изделия), и свет улавливается этими компонентами. Электронные компоненты считывают световой сигнал с каждого пикселя кристалла, восстанавливая информацию, такую как положение, время и энергия высокоэнергетической частицы, попавшей на массив, что позволяет выполнять визуализацию и другие функции. Массивы из силиката иттрия-лютеция (LYSO:Ce), включающие ПЭТ, TOF-ПЭТ и другие медицинские технологии визуализации, в настоящее время являются наиболее широко используемыми элементами медицинской радиационной визуализации.

 

Принцип работы сцинтилляционных матриц LYSO(Ce) в ПЭТ:

Кристаллические матрицы из лютеция-силиката иттрия широко используются в медицинской радиационной визуализации, например, в ПЭТ (позитронно-эмиссионной томографии). Использование этого материала в ПЭТ-технологии позволяет создавать карту распределения метаболической активности в организме пациента. 1. В организм пациента вводят радиоактивный индикатор. После накопления индикатора в определенной ткани (например, в опухолевом очаге) нуклид, переносимый индикатором, испускает позитрон, который в результате позитронной аннигиляции производит гамма-фотон.
2. Каждый маленький кристалл в кристаллической матрице силиката лютеция иттрия представляет собой кристаллический пиксель. Когда гамма-фотон проходит через отражающий слой и попадает на кристаллический «пиксель» в матрице, кристалл немедленно поглощает энергию и затем испускает слабое синее флуоресцентное излучение определенной длины волны. Благодаря оптическому отражающему слою, окружающему кристаллический пиксель, синее флуоресцентное излучение, испускаемое каждым пикселем, локализуется внутри своего кристаллического пикселя и направляется к светоизлучающей поверхности массива. Электронные компоненты (не входящие в комплект данного изделия) крепятся к светоизлучающей поверхности массива во время использования. Эти компоненты улавливают световой сигнал (т.е., синее флуоресцентное излучение кристалла) от каждого пикселя кристалла и преобразуют его в электрический сигнал. Поскольку массив пикселизирован, каждый пиксель является независимым элементом, поэтому главный компьютер может немедленно определить, какой именно пиксель излучает флуоресценцию. В конечном итоге, считывая электрический сигнал каждого пикселя, компьютер может восстановить информацию, такую как местоположение, время и энергия, с которой высокоэнергетические частицы попадают на массив, формируя таким образом изображение, которое может быть использовано для медицинской визуализации (например, ПЭТ).


Технологический процесс производствасцинтилляционных матриц LYSO(Ce)
(1) Подготовка материала и выращивание кристаллов
Сырье, такое как оксид лютеция, оксид иттрия, диоксид кремния и оксид церия, смешивают в определенном соотношении, помещают в тигель, а затем в печь для выращивания монокристаллов. Выращивание кристаллов осуществляется методом Чохральского: сырье расплавляют и подвергают высокотемпературной химической реакции в среде инертного газа при температуре выше 2000 °C. Затем кристалл вытягивают вверх с помощью тягового стержня для выращивания заготовки кристалла легированного церием силиката лютеция-иттрия (LYSO:Ce). (2) Проверка бланков и предварительная обработка
После выращивания кристаллических заготовок их проверяют на качество и подтверждают соответствие требованиям. Затем, в соответствии с общими размерами конструкции массива, большие кристаллические заготовки разрезаются на кристаллические блоки, которые легко обрабатывать в дальнейшем. (3) Подготовка кристаллов и прецизионная обработка
Затем кристаллические блоки дополнительно точно разрезаются на крошечные кристаллические полоски с поперечным сечением, соответствующим размеру одного пикселя, как того требует конструкция. После этого каждая грань этих кристаллических полосок, особенно торцевая грань светоизлучающей поверхности, полируется. (4) Интеграция массива и нанесение отражающего слоя
Многочисленные полированные полоски кристаллов LYSO:Ce расположены в заранее заданном массиве. Между каждой полоской находится высокоотражающий материал, заполняющий или помещающий между ними оптический изоляционный слой, включая отражающие слои 3M ESR и отражающие слои диоксида титана. Иногда по запросу заказчика может быть добавлен отражающий слой из алюминиевой фольги (изготовленной из алюминия). Этот этап имеет решающее значение для формирования пикселированного массива; отражающий слой эффективно ограничивает флуоресценцию, излучаемую каждой полоской кристаллов (т.е. каждым пикселем), внутри полоски, предотвращая перекрестные помехи света и обеспечивая пространственное разрешение. Отражающий слой физически прикреплен между небольшими полосками кристаллов и не вносит новых химических компонентов. (5) Покрытие массива
После интеграции массива на пять внешних поверхностей массива (за исключением светоизлучающей поверхности) равномерно наносится оптическая отражающая пленка. Эта пленка эффективно отражает и фокусирует флуоресценцию, излучаемую кристаллическими полосками, на непокрытую светоизлучающую поверхность. Процесс нанесения отражающего слоя на внешнюю поверхность массива также является физическим процессом и не приводит к образованию новых химических компонентов.


Области применения сцинтилляционных матриц LYSO(Ce)
Кристаллические массивы лютеций-иттриевого силиката широко используются в медицинской визуализации и ядерной медицине, выступая в качестве распространенных элементов обнаружения в таких системах визуализации, как ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) и ОФЭКТ (однофотонная эмиссионная компьютерная томография). Эти массивы могут эффективно и точно преобразовывать и локализовать гамма-лучи, генерируемые аннигиляцией позитронов внутри организма, в оптические сигналы, тем самым восстанавливая трехмерные изображения внутренней физиологической метаболической активности. Это играет незаменимую и решающую роль в таких областях, как ранняя диагностика рака, исследования функций мозга и оценка сердечно-сосудистых заболеваний.


2. Массив GAGG(Ce) для ПЭТ:

Этот продукт состоит из кристаллов гадолиний-алюминий-галлиевого граната, легированных церием, и отражающего слоя, покрывающего поверхность этих кристаллов. Кристаллы гадолиний-алюминий-галлиевого граната, легированные церием, выполнены в виде кристаллических полос, которые плотно расположены в плоскости и разделены отражающим слоем. Отражающий слой предотвращает перекрестные помехи света и концентрирует свет в детекторе. Пять граней массива покрыты отражателями.
Кристалл граната гадолиния-алюминия-галлия, легированный церием, упрощенная химическая формула: Ce: GAGG (молекулярная формула: Ce: Gd3Al2Ga3O12). Кристалл граната гадолиния-алюминия-галлия, легированный церием, представляет собой кристаллический материал (основные компоненты: гадолиний 49,5%, алюминий: 5,7%, кислород: 22,6%, галлий: 22%, церий: 0,2%).
Светоотражающий слой может быть изготовлен из полиэтилентерефталата (3M ESR) или диоксида титана (смешанного со смолой или пластиком). Иногда по запросу заказчика добавляется светоотражающий слой из алюминиевой фольги (из алюминия).

Введение в продукт:
Кристаллическая структура граната гадолиния-алюминия-галлия (GAGG: Ce)
Данный продукт представляет собой кристаллическую матрицу из гадолиний-алюминий-галлиевого граната, распространенный элемент медицинской радиационной визуализации. Структура и процесс изготовления кристаллической матрицы из гадолиний-алюминий-галлиевого граната описаны ниже:
Крупные заготовки кристаллов гадолиний-алюминий-галлиевого граната, легированного церием, распиливаются на небольшие прямоугольные кристаллические полоски. Эти нарезанные небольшие кристаллические полоски расположены плотно в плоскости, причём каждая небольшая кристаллическая полоска является независимой единицей, называемой «пикселем». Расположение этих небольших кристаллических полосок образует массив. Между каждым маленьким кристаллом находится тонкий оптический отражающий слой, и все пять сторон массива (кроме светоизлучающей поверхности) покрыты оптическими отражающими слоями. Материалом отражающего слоя может быть 3M ESR, диоксид титана, или иногда по запросу заказчика может быть добавлен отражающий слой из алюминиевой фольги (состоящий из алюминия). Толщина отражающего слоя обычно составляет от 0,06 мм до 0,5 мм, а фактические характеристики варьируются в зависимости от заказчика. Основная функция этих отражающих слоев — соединение небольших кусочков кристаллов гадолиний-алюминий-галлиевого граната, легированного церием; второстепенная функция — удержание света внутри пикселя кристалла и направление его к светоизлучающему порту. Отражающий слой наносится на поверхность кристалла только физически, без введения новых химических компонентов.


Рисунок 3. На приведенной выше схематической диаграмме показана структура кристаллической решетки граната гадолиния-алюминия-галлия. Большой куб на диаграмме представляет собой кристаллическую решетку граната гадолиния-алюминия-галлия, а один из маленьких желтых квадратов представляет собой кристалл граната гадолиния-алюминия-галлия, легированный церием (т.е. «пиксель»); белая часть представляет собой оптический отражающий слой.

Кристаллы граната гадолиния-алюминия-галлия, легированные церием
Кристалл граната гадолиния-алюминия-галлия, легированный церием, с упрощенной химической формулой Ce:GAGG, является широко используемым сцинтилляционным кристаллом, флуоресцирующим под воздействием рентгеновских лучей, гамма-лучей и т. д. Кристаллы Ce:GAGG характеризуются высоким светоотдачей и высоким энергетическим разрешением, а также высокой плотностью, отсутствием самоизлучения и негигроскопичностью. Благодаря превосходному временному и пространственному разрешению они широко используются в досмотре контейнеров и проверках безопасности, медицинской SPECT-визуализации и медицинской PET-визуализации. Кристаллы граната гадолиния-алюминия-галлия, легированного церием, получают путем тщательного смешивания исходных материалов: оксида гадолиния, оксида алюминия и оксида галлия, затем добавления исходных материалов оксида церия, помещения смеси в печь для выращивания кристаллов, где при высокой температуре происходит химическая реакция, и последующего выращивания кристалла методом Чохральского. Элементы гадолиний и галлий существуют в стабильной, неразделимой форме внутри кристалла.
Кристаллическая матрица граната гадолиния-алюминия-галлия
В кристаллической матрице из гадолиний-алюминий-галлиевого граната кристалл разрезается на множество небольших кубовидных кристаллических блоков, расположенных в виде массива. Каждый небольшой кристаллический блок определяется как пиксель, а между каждым небольшим кристаллическим блоком на внешние пять сторон массива наносятся оптические отражающие слои. Когда высокоэнергетическая частица, например гамма-фотон, попадает на пиксель кристалла, ионы церия, легированные в кристалле Ce:GAGG, вызывают флуоресценцию пикселя под воздействием излучения высокоэнергетической частицы, с пиковой длиной волны флуоресценции приблизительно 520-530 нм. Инкапсулированный отражающий слой действует как зеркало, отражая флуоресценцию обратно в пиксель кристалла, предотвращая перекрестные помехи между пикселями и направляя флуоресценцию к концу массива. Во время использования к концу массива прикрепляются электронные компоненты (не входящие в состав самого изделия), и свет улавливается этими компонентами. Электронные компоненты считывают световой сигнал с каждого пикселя кристалла, восстанавливая информацию, такую как положение, время и энергия высокоэнергетической частицы, попавшей на массив, тем самым обеспечивая получение изображений и выполнение других функций. Кристаллические матрицы из гадолиний-алюминий-галлиевого граната используются в медицинских методах визуализации, таких как ПЭТ и ОФЭКТ, а также в оборудовании для досмотра и обнаружения радиации.


Принцип работы сцинтилляционных матриц GAGG(Ce) в ПЭТ

Кристаллические матрицы из гадолиний-алюминий-галлиевого граната (GAGaG) широко используются в медицинской радиационной визуализации, например, в ОФЭКТ (однофотонной эмиссионной компьютерной томографии). Использование этого материала для реализации технологии ОФЭКТ позволяет проводить медицинские исследования, такие как визуализация перфузии миокарда, визуализация костей и сканирование щитовидной железы. Ниже описан принцип работы кристаллических матриц GGAGaG в медицинской ОФЭКТ-визуализации:
1. В организм пациента будет введен изотоп, испускающий фотоны. Изотоп непосредственно испускает один гамма-фотон.
2. Каждый небольшой кристалл в массиве кристаллов гадолиний-алюминий-галлиевого граната (GAGaG), легированного церием, представляет собой кристаллический пиксель. Когда гамма-фотон проходит через механический коллиматор и отражающий слой массива детектора SPECT, он попадает на определенный кристаллический «пиксель» в массиве. Во время SPECT энергия гамма-фотонов, испускаемых нуклидом, введенным пациенту, обычно невысока, но поскольку кристаллы GADGaG, легированные церием, обладают высокой плотностью и высокой блокирующей способностью, они могут эффективно захватывать и поглощать энергию гамма-фотонов, после чего испускают флуоресценцию на длине волны 520-530 нм. Благодаря оптическому отражающему слою, окружающему кристаллический пиксель, флуоресценция, излучаемая каждым пикселем, локализуется внутри своего кристаллического пикселя и направляется к светоизлучающей поверхности массива. Электронные компоненты (не входящие в комплект данного изделия) крепятся к светоизлучающей поверхности массива во время использования. Эти компоненты улавливают световой сигнал (т.е., синее флуоресцентное излучение кристалла) от каждого пикселя кристалла и преобразуют его в электрический сигнал. Поскольку массив пикселизирован, каждый пиксель является независимым элементом, поэтому главный компьютер может немедленно определить, какой именно пиксель излучает флуоресценцию. В конечном итоге, считывая электрический сигнал каждого пикселя, компьютер может восстановить информацию, такую как местоположение, время и энергия высокоэнергетических частиц, попадающих на матрицу, тем самым получая трехмерное изображение распределения нуклида в теле пациента, формируя изображение, которое может быть использовано для медицинской визуализации (например, SPECT).


Производственный процесс
(1) Подготовка материала и выращивание кристаллов
Сырье, такое как оксид гадолиния, оксид алюминия, оксид галлия и оксид церия, смешивается в определенном соотношении, помещается в тигель, а затем в печь для выращивания монокристаллов. Выращивание кристаллов осуществляется методом Чохральского: в высокотемпературной среде, защищенной инертным газом (приблизительно 1850 °C), сырье расплавляется для протекания высокотемпературной химической реакции с образованием однородного расплава. Затем расплав направляется тяговым стержнем, в результате чего выращивается заготовка кристалла граната гадолиния-алюминия-галлия, легированного церием (Ce:GAGG). Элементы гадолиний и галлий существуют в стабильной и неразделимой форме внутри кристалла. (2) Проверка бланков и предварительная обработка
После выращивания кристаллических заготовок их проверяют на качество и подтверждают соответствие требованиям. Затем, в соответствии с общими размерами конструкции массива, большие кристаллические заготовки разрезаются на кристаллические блоки, которые легко обрабатывать в дальнейшем. (3) Подготовка кристаллов и прецизионная обработка
Затем кристаллические блоки дополнительно точно разрезаются на крошечные кристаллические полоски с поперечным сечением, соответствующим размеру одного пикселя, как того требует конструкция. После этого каждая грань этих кристаллических полосок, особенно торцевая грань светоизлучающей поверхности, полируется. (4) Интеграция массива и нанесение отражающего слоя
Многочисленные полированные полоски кристаллов Ce:GAGG расположены в заранее заданном массиве. Между каждой полоской находится высокоотражающий материал, заполняющий или помещающий между ними оптический изоляционный слой, включая отражающие слои 3M ESR и отражающие слои диоксида титана. Иногда, по требованию заказчика, добавляется отражающий слой из алюминиевой фольги (состоящий из алюминия). Этот этап имеет решающее значение для формирования пикселированного массива; отражающий слой эффективно ограничивает флуоресценцию, излучаемую каждой полоской кристаллов (т.е. каждым пикселем), внутри полоски, предотвращая перекрестные помехи света и обеспечивая пространственное разрешение. Отражающий слой физически прикреплен между небольшими полосками кристаллов и не вносит новых химических компонентов. (5) Покрытие массива
После интеграции массива на пять внешних поверхностей массива (за исключением светоизлучающей поверхности) равномерно наносится оптическая отражающая пленка. Эта пленка эффективно отражает и фокусирует флуоресценцию, излучаемую кристаллическими полосками, на непокрытую светоизлучающую поверхность. Процесс нанесения отражающего слоя на внешнюю поверхность массива также является физическим процессом и не приводит к образованию новых химических компонентов.

Области применения:
Кристаллические матрицы из гадолиний-алюминий-галлиевого граната (GAGaG) широко используются в медицинской визуализации и ядерной медицине, выступая в качестве распространенных элементов обнаружения в таких системах визуализации, как ПЭТ (позитронно-эмиссионная томография) и ОФЭКТ (однофотонная эмиссионная компьютерная томография). В приложениях ОФЭКТ кристаллические матрицы GGAGaG могут эффективно и точно преобразовывать и локализовать гамма-фотоны, генерируемые нуклидами внутри тела пациента, в оптические сигналы, создавая тем самым трехмерное изображение распределения нуклида внутри тела пациента. Это позволяет проводить визуализацию перфузии миокарда, костной ткани, сканирование щитовидной железы и визуальное исследование мозгового кровотока.


Материалы сцинтилляторов на основе легированного церием бромида лантана/LaBr3(Ce) с потенциальными областями применения в области TOF-ПЭТ:

Пиксельная сцинтилляционная матрица LaBr3(Ce) состоит из многочисленных кубических кристаллов LaBr3 (бромида лантана), расположенных линейно или двумерно, а также оптических отражателей между кристаллами. Кристаллы бромида лантана, легированные церием, сокращенно LaBr3(Ce), обладают такими характеристиками, как высокая светоотдача, отличное энергетическое разрешение и быстрое время затухания (обычно 16-25 нс), что делает их весьма перспективными для гамма-спектрометров и приложений радиационной визуализации, требующих высокого временного разрешения, таких как медицинская визуализация TOF-PET (позитронно-эмиссионная томография с измерением времени пролета), передовая методика ПЭТ-визуализации, которая улучшает качество изображения за счет измерения разницы во времени прихода двух фотонов, образующихся при аннигиляции позитронов.

Tags: ПЭТ-сцинтиллятор