Abstract
Postępujący rozwój technologii medycznych wykorzystujących promieniowanie jonizujące, w szczególności w dziedzinach diagnostyki obrazowej oraz planowania i realizacji leczenia radioterapeutycznego, stawia coraz wyższe wymagania w zakresie precyzji, rozdzielczości i dokładności pomiarowej. W odpowiedzi na rosnące potrzeby kliniczne, rozwój detektorów promieniowania jonizującego stał się jednym z kluczowych obszarów badań. Szczególną rolę w tym kontekście odgrywają scyntylatory, które dzięki szerokiemu spektrum zastosowań znajdują istotne miejsce zarówno w diagnostyce, jak i w terapii onkologicznej. Aktualne badania nad scyntylatorami koncentrują się na poprawie ich czułości oraz rozdzielczości czasowej i przestrzennej, co umożliwi bardziej precyzyjne pomiary dawek. Ma to szczególne znaczenie w nowoczesnych technikach leczenia, takich jak stereotaktyczna radioterapia ciała (SBRT) oraz radioterapia protonowa, w których dokładność i kontrola rozkładu dawki są krytyczne dla optymalizacji wyników terapeutycznych.
Wraz z intensywnym rozwojem inżynierii materiałowej, umożliwiającym projektowanie i wytwarzanie coraz bardziej zaawansowanych detektorów opartych na efekcie scyntylacyjnym, oraz ze wzrostem ich zastosowania w nowoczesnej medycynie, zwłaszcza w diagnostyce obrazowej i radioterapii, zauważalna jest potrzeba systematycznego przeglądu osiągnięć w tej dziedzinie.
Niniejsza praca omawia zarówno podstawy fizyczne efektu scyntylacyjnego, jak i historię jego wykorzystania w detekcji promieniowania jonizującego. Przedstawiono także kluczowe wyzwania związane z zastosowaniem scyntylatorów w dozymetrii promieniowania oraz dokonano przeglądu dostępnych materiałów wykazujących efekt scyntylacyjny wraz z analizą ich właściwości i zastosowań.
References
[1] F. N. Flakus, Radiation detection, Detecting and measuring ionizing radiation - a short history, IAEA Bulletin, vol. 23, no. 4.
[2] P. W. Frame, A history of radiation detection instrumentation, Health Physics, vol. 88, no. 6, June 2005.
[3] T. Yangida, Inorganic scintillating materials and scintillation detectors, Proceedings of the Japan Academy, Series B, vol. 94, no. 2, 2018, pp. 75–97.
[4] P. Lecoq, A. Gektin, M. Korzhik, Scintillation and Inorganic Scintillators, Particle Acceleration and Detection, 2016, pp. 1–41.
[5] K. Rusiecka et al., A systematic study of LYSO:Ce, LuAG:Ce and GAGG:Ce scintillating fibers properties, JINST, vol. 16, P11006, 2021.
[6] I. Mouhti, A. Elanique, M. Y. Messous, A. Benahmed, J. E. McFee, Y. Elgoub, P. Griffithd, Characterization of CsI(Tl) and LYSO(Ce) scintillator detectors by measurements and Monte Carlo simulations, Applied Radiation and Isotopes, 2019, 108878.
[7] Instrukcja: Exradin W2 Scintillator System, User Manual REF 90030, July 2022.
[8] Wikipedia, Scintillator, https://en.wikipedia.org/wiki/Scintillator.
[9] J. Morin, D. Béliveau-Nadeau, E. Chung, J. Seuntjens, D. Thériault, L. Archambault, S. Beddar, L. Beaulieu, A comparative study of small field total scatter factors and dose profiles using plastic scintillation detectors and other stereotactic dosimeters: the case of the CyberKnife, https://doi.org/10.1118/1.4772190.
[10] S. Thrower, S. Prajapati, S. Holmes, E. Schüler, S. Beddar, Characterization of the Plastic Scintillator Detector System Exradin W2 in a High Dose Rate Flattening-Filter-Free Photon Beam, https://doi.org/10.3390/s22186785.
[11] W. Spieler, Scintillators, https://www-physics.lbl.gov/~spieler/physics_198_notes/PDF/III-Scint.pdf.
[12] N. U. M. Ber, A. Meyer, W. J. V. A. N. Sciver et al., Briefly Important, Chem. Mater., vol. 30, 1994, pp. 1465–1475.
[13] X. Hou, X. Dai, Environmental liquid scintillation analysis, Elsevier Inc., 2020. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814395-7.00002-7.
[14] M. Yoneyama et al., Evaluation of GAGG:Ce scintillators for future space applications, J. Instrum., vol. 13, 2018. https://doi.org/10.1088/1748-0221/13/02/P02023.
[15] C. L. Melcher, Perspectives on the future development of new scintillators, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, vol. 537, 2005, pp. 6–14.
[16] A. Hrynkiewicz (red.), Człowiek i promieniowanie jonizujące: praca zbiorowa, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2001.
[17] P. Lecoq, Development of new scintillators for medical applications, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, vol. 809, 2016, pp. 130–139. https://doi.org/10.1016/j.nima.2015.08.041.
[18] J. S. Lee, G. Kovalski, T. Sharir, D. S. Lee, Advances in imaging instrumentation for nuclear cardiology, J. Nucl. Cardiol., vol. 26, no. 2, 2019, pp. 543–556.
[19] P. Moskal, E. Stępień, Prospects and clinical perspectives of total-body PET imaging using plastic scintillators, PET Clinics, vol. 15, no. 4, 2020, pp. 439–452.
[20] P. Lecoq, Scintillation Detectors for Charged Particles and Photons, in: C. Fabjan, H. Schopper (eds), Particle Physics Reference Library, Springer, Cham, 2020.
[21] M. Khoshakhlagh, J. Islamian, S. Abedi, B. Mahmoudian, Development of scintillators in nuclear medicine, World J. Nucl. Med., vol. 14, no. 3, 2015, pp. 156–159.
[22] C. L. Melcher, Perspectives on the future development of new scintillators, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, vol. 537, 2005, pp. 6–14. https://doi.org/10.1016/j.nima.2004.07.222.
[23] A. Zatcepin, S. I. Ziegler, Detectors in positron emission tomography, Z. Med. Phys., vol. 33, no. 1, 2023, pp. 4–12.
[24] M. Gabriel et al., 68Ga-DOTA-Tyr3-octreotide PET in neuroendocrine tumors, J. Nucl. Med., vol. 48, no. 4, 2007, pp. 508–518.
[25] P. J. Hurley, H. W. Strauss, P. Pavoni, J. K. Langan, H. N. Wagner, The scintillation camera with pinhole collimator in thyroid imaging, Radiology, vol. 101, no. 1, 1971, pp. 133–138.
[26] E. M. J. Weber, A. M. Efimov, Physical in Inorganic, n.d.
[27] A. S. Beddar, Plastic scintillation dosimetry and its application to radiotherapy, Radiat. Meas., vol. 41, 2006, pp. 124–133.
[28] J. Lambert et al., A plastic scintillation dosimeter for high dose rate brachytherapy, Phys. Med. Biol., vol. 51, 2006, pp. 5505–5516.
[29] G. Kertzscher, S. Beddar, Inorganic scintillation detectors for 192Ir brachytherapy, Phys. Med. Biol., vol. 64, 2019.
[30] M. A. Dell, Radiation safety review for 511-keV emitters in nuclear medicine, J. Nucl. Med. Technol., vol. 25, no. 1, 1997, pp. 12–33.
[31] M. T. Madsen, Recent advances in SPECT imaging, J. Nucl. Med., vol. 48, no. 4, 2007, pp. 661–673.
[32] T. Yanagida, Inorganic scintillating materials and scintillation detectors, Proc. Japan Acad. Ser. B Phys. Biol. Sci., vol. 94, 2018, pp. 75–97.
[33] J. Glodo et al., New Developments in Scintillators for Security Applications, Phys. Procedia, vol. 90, 2017, pp. 285–290.
[34] K. Kamada et al., Under Oxidizing Atmosphere, 2023, pp. 1–10.
[35] T. C. Wang et al., High Thermal Stability of Copper-Based Perovskite Scintillators for High-Temperature X-ray Detection, ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 15, 2023, pp. 23421–23428.
[36] C. Greskovich, S. Duclos, Ceramic scintillators, Annu. Rev. Mater. Sci., vol. 27, 1997, pp. 69–88.
[37] K. M. McCall et al., Fast neutron imaging with semiconductor nanocrystal scintillators, ACS Nano, vol. 14, 2020, pp. 14686–14697.
[38] R. Yajima et al., Fabrication and scintillation properties of a flexible optical-guiding crystal scintillator, Appl. Phys. Express, vol. 16, 2023.
[39] K. Rajakrishna et al., Epoxy Based Scintillators for Beta Radiation Detection, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 70, 2023, pp. 1490–1496.
[40] A. S. Beddar, Plastic scintillation dosimetry and its application to radiotherapy, Radiat. Meas., vol. 41, 2006, pp. 124–133.
[41] P. Carrasco et al., Characterization of the Exradin W1 scintillator for use in radiotherapy, Med. Phys., vol. 42, 2015, pp. 297–304.
[42] K. Okamura, Y. Akino, S. Inoue, F. Isohashi, Evaluation of calibration methods of Exradin W2 plastic scintillation detector for CyberKnife small-field dosimetry, Radiat. Meas., vol. 156, 2022.
[43] M. Guillot et al., Spectral method for the correction of the Cerenkov light effect in plastic scintillation detectors, Med. Phys., vol. 38, no. 4, 2011, pp. 2140–2150.
[44] P. E. Galavis, L. Hu, S. Holmes, I. J. Das, Characterization of the plastic scintillation detector Exradin W2 for small field dosimetry, Med. Phys., vol. 46, 2019, pp. 2468–2476.
[45] D. J. Jacqmin et al., Commissioning an Exradin W2 plastic scintillation detector for clinical use in small radiation fields, J. Appl. Clin. Med. Phys., vol. 23, 2022, e13728.
[46] T. S. Underwood et al., Application of the Exradin W1 scintillator to determine Ediode 60017 and microDiamond 60019 correction factors, Phys. Med. Biol., vol. 60, no. 17, 2015, pp. 6669–6683.
[47] I. J. Das et al., Characteristics of a plastic scintillation detector in photon beam dosimetry, J. Appl. Clin. Med. Phys., vol. 25, no. 1, 2024, e14209.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NoDerivatives 4.0 International License.
Copyright (c) 2025 Letters in Oncology Science