- / -

For all medical imaging systems using X-rays or γ-rays, radiation detector development in general and scintillator development in particular are in full progress. There is a strong interest in the introduction of new dense, high-atomic-number inorganic scintillation crystals with a high light yield and a fast response, especially for PET and SPECT. Powder scintillators are of interest for projection X-ray imaging. For PET, research is focused on CeP3+P doped scintillators, employing the 5d → 4f transitions. A high light yield is expected in the visible region. The time response in PET/CT applications will be in the 25–100 ns range. Improved energy resolution will also be a point of interest. For CT, time response requirements are at the microsecond level for decay time and the afterglow should be well below 10P−4Ps. For X-ray screens light spreading should be kept under control, e.g. by denser material like LSO:Ce, or columnar phosphors (CsI:TI) and by shorter luminescence emission wavelength which shows higher light attenuation of laterally directed photons. In this study we examine, both in powder and in crystal form, the detection efficiency of LuB2BSiOB5B:Ce, the absolute luminescence efficiency, the X-ray to luminescence efficiency, the spectral compatibility and the effective efficiency using various optical detectors. All these measurements were conducted in the X-ray energy range from 22 to 140 kVp used in medical X-ray imaging. In conclusion the X-ray quantum detection efficiency and the X-ray energy absorption efficiency of a LSO:Ce powder scintillator screen of 25 mg/cmP2 Pcoating thickness were found higher than currently employed materials (e.g. GdB2BOB2BS: Tb and CsI:Tl) for detection of X-rays used in mammographic applications. The absolute luminescence efficiency of this screen maintains high values, within the mammographic energy range and the intrinsic conversion efficiency was found close to that of CsI:Tl but lower than that of GdB2BOB2BS:Tb. In ragiographic energy range the screen of 172.5 mg/cmP2P exchibit the higher values of ALE and XLE. The emission spectrum of LSO:Ce screens showed excellent spectral compatibility with currently used digital detectors and taking also into account its very fast response it could be considered for applications in digital X-ray imaging systems. The LSO:Ce scintillator crystal shows higher absolute luminescence efficiency values (17,86 at 140kVp) than the corresponding of BGO crystal (3,40 at 140 kVp). LSO:Ce X-ray luminescence efficiency was found higher than the corresponding of BGO crystal in the whole range of energies used in our study. The higher value of DOG, 2430 gain units, showed at 140 kVp X-ray tube voltage for the LSO:Ce scintillator when the corresponding value at the same energy of the BGO is 1670 units. In the mammographic energy range the difference between the above measured values was smaller than the ones obtained in the radiographic energy region. This lead us to the assumption that LSO:Ce crystal can be efficiently used for X-ray energy imaging (under 100 kVp) as those used in CT applications. The intrinsic conversion efficiency was estimated to be significantly higher for LSO:Ce, which in addition is higher than more of the currently employed scintillators. The light emission spectrum of the LSO:Ce scintillator, peaking at about 420 nm, was found compatible to many currently employed optical photon detectors. Its very short scintillation decay time and its high detection efficiency, both in terms of QDE and EAE, they can be crucial for the applications of this scintillator in modern fast image producing X-ray computed tomography systems, especially those employed in combined PET/CT devices. 12/−−⋅⋅smRmWμ12/−−⋅⋅smRmWμ The comparison of the ALE and the XLE of the LSO:Ce single crystal scintillator with that of the efficient powder LSO:Ce scintillator shows that the LSO:Ce screens can be used: i) in modern scinti-mammography/ X-ray mammography systems in which one common fast scintillator in powder form may satisfy the requirements of both modalities and the strict requirements in spatial resolution and ii) in applications where single crystals have to be replaced by powder or ceramic scintillators in order to improve spatial resolution (eg. in ring type SPECT detectors and in combined SPECT/CT detectors). In addition, this comparison may be of interest since powder scintillators are of lower cost than the corresponding single crystals. / -

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). / The aim of this thesis was to select the best scintillator among the ones currently used in PET and animal PET systems, which could be used in a single detector multimodality scanner. To this aim crystal samples of GSO, LSO, LYSO, LuYAP and YAP scintillators, doped with cerium (Ce+3) were examined under a wide energy range (from 20kV-18MV). 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.

The performance of phosphor screens (or scintillators) used in medical imaging systems are strongly affected by the intrinsic phosphor properties. The present study investigates scintillator radiation detection efficiency and how the produced K-characteristic radiation affects scintillator performance. K-characteristic radiation may either be reabsorbed or it may escape the scintillator. In both cases the imaging performance of the scintillator may be affected resulting either in spatial resolution degradation or in counting efficiency decrease. Scintillator employed in medical imaging detectors may have either one heavy element (e.g. Lu in LSO) or two heavy elements (e.g. Lu and Y in LYSO). In the latter case, further image degradation may result, since K x-rays of the high-Z element can produce additional K-characteristic radiation to the low-Z element. In the present study two scintillators with one heavy element (LSO, YSO) and three with two heavy elements (LYSO, CsI and YTaO4) were investigated. The study was carried out by the extension of a previously developed custom and validated Monte Carlo simulation program. When possible, Monte Carlo results were compared to analytical models. The study was made under conditions used in general x-ray radiography, x-ray mammography, CT and nuclear medicine -ray imaging ( -camera and SPECT). Therefore, a monoenergetic x-ray beam was assumed, varying in the range from 20 up to 160 keV. The respective scintillator thickness was considered to vary from 20 up to 100 mg/cm2. Results showed that K characteristic effect of additional K x-ray photons is negligible on thin phosphor screens, while it is considerably higher in thicker scintillators. In addition, it was found that YSO scintillator is suitable for use in x-ray mammography. On the other hand, LSO, LYSO, CsI and YTaO4 scintillators were found suitable for higher energy imaging applications. / Η απόδοση των φθοριζουσών οθονών (ή σπινθηριστών) που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ιατρικής απεικόνισης, επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις ενδογενείς ιδιότητες των σπινθηριστών. Η παρούσα εργασία μελετά την ικανότητα ανίχνευσης των ακτίνων Χ ή γ που έχουν οι σπινθηριστές και πώς η παραγόμενη Κ-χαρακτηριστική ακτινοβολία επηρεάζει την επίδραση του σπινθηριστή. Η Κ-χαρακτηριστική ακτινοβολία μπορεί είτε να απορροφηθεί ξανά μέσα στον σπινθηριστή, είτε να διαφύγει από αυτόν. Στην πρώτη περίπτωση μπορεί να συμβεί υποβάθμιση της χωρικής διακριτικής ικανότητας, ενώ στην δεύτερη υποβάθμιση της μετρητικής ικανότητας του συστήματος. Οι σπινθηριστές που χρησιμοποιούνται σε ανιχνευτές ιατρικής απεικόνισης συνήθως αποτελούνται είτε από ένα βαρύ στοιχείο (π.χ. το Lu στο LSO) είτε από δύο βαρέα στοιχεία (π.χ. το Lu και το Y στο LSO). Ένα στοιχείο χαρακτηρίζεται ως βαρύ όταν έχει ατομικό αριθμό (Ζ) μεγαλύτερο από 30. Στην δεύτερη περίπτωση, μπορεί να συμβεί περαιτέρω υποβάθμιση της διακριτικής ικανότητας της εικόνας. Αυτό συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι τα φωτόνια της Κ-χαρακτηριστικής ακτινοβολίας του βαρέος στοιχείου υψηλότερου ατομικού αριθμού μπορούν να προκαλέσουν την παραγωγή πρόσθετων φωτονίων Κ-χαρακτηριστικής ακτινοβολίας από το βαρύ στοιχείο χαμηλότερου ατομικού αριθμού. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν δύο σπινθηριστές με ένα βαρύ στοιχείο (LSO, YSO) και τρεις με δύο βαρέα στοιχεία. (LYSO, CsI και YTaO4). Η εργασία πραγματοποιήθηκε κάνοντας επέκταση ενός προγράμματος προσομοίωσης Monte Carlo, το οποίο αναπτύχθηκε στο εργαστήριο και έχει πιστοποιηθεί. Όπου ήταν εφικτό, τα αποτελέσματα του Monte Carlo συγκρίθηκαν με αποτελέσματα που εξήχθηκαν από αναλυτικά-θεωρητικά μοντέλα. Η εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε για συνθήκες που χρησιμοποιούνται στην Ακτινοδιαγνωστική, την Μαστογραφία, την Αξονική Τομογραφία και την Πυρηνική Ιατρική (γ-κάμερα και SPECT). Πιο συγκεκριμένα, η ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας Χ ή γ μεταβαλλόταν από 20 έως 140 keV. Τα πάχη των σπινθηριστών κυμαίνονταν από 20 έως 100 mg/cm2. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το φαινόμενο της Κ-χαρακτηριστικής ακτινοβολίας είναι αμελητέο σε λεπτές οθόνες, ενώ είναι πολύ μεγαλύτερο σε παχιές οθόνες. Επίσης, βρέθηκε ότι ο σπινθηριστής YSO είναι ιδανικός για χρήση στην Μαστογραφία. Από την άλλη πλευρά, οι σπινθηριστές LSO, LYSO, CsI και YTaO4 βρέθηκαν κατάλληλοι για εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης υψηλότερων ενεργειών.

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).