Nowoczesne detektory luminescencyjne w radioterapii i medycynie nuklearnej

Zastosowanie promieniowania jonizującego w medycynie, zarówno w diagnostyce, jak i terapii nowotworów, wymaga precyzyjnego monitorowania i kontroli dawki promieniowania pochłanianej przez pacjenta. Współczesne techniki obrazowania i leczenia, takie jak radioterapia protonowa, brachyterapia czy terapia borowo-neutronowa (BNCT), stawiają coraz wyższe wymagania wobec systemów dozymetrycznych. Dlatego głównym celem naszego projektu jest opracowanie innowacyjnych kompozytowych detektorów światłowodowych (FOD – ang. Fiber-Optic Detectors), wykorzystujących zjawiska scyntylacji oraz luminescencji stymulowanej optycznie (OSL) do aktywnej, in-situ dozymetrii promieniowania jonizującego w warunkach klinicznych.

Konsorcjum projektowe

Konsorcjum projektowe składa się z trzech zespołów o komplementarnych kompetencjach: prof. Yuriya Zorenki z Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego (UKW) w Bydgoszczy (koordynator projektu), prof. Pawła Bilskiego z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie, oraz prof. Andrzeja Suchockiego z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie.

W realizacji projektu po stronie UKW uczestniczą również zespoły dr Janusza Winieckiego oraz dr Mateusza Wędrowskiego z Centrum Onkologii w Bydgoszczy, gdzie prowadzone będą testy opracowywanych detektorów FOD.

Od lewej: prof. Y. Zorenko, prof. P. Bilski i prof. A. Suchocki w laboratoriach technologicznych i badawczych Katedry Materiałów Optoelektronicznych UKW w Bydgoszczy, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie oraz Instytutu Fizyki PAN w Warszawie.

Materiały i metody

Projekt koncentruje się na badaniach nad nowymi materiałami luminescencyjnymi, w tym kryształami, cienkimi warstwami monokrystalicznymi oraz strukturami typu warstwa-kryształ, opartymi na związkach tlenkowych. Analizowane będą m. in. ciężkie granaty mieszane (Y,Lu)₃(Al,Ga,Sc)₅O₁₂, perowskity (Y,Lu)AlO₃, a także materiały o właściwościach tkankopodobnych, takie jak spinel MgAl₂O₄ i szafir Al₂O₃, zawierające domieszki jonów ziem rzadkich (Ce, Pr) oraz metali przejściowych (Mn).

Do wytwarzania warstw detektorowych zastosowana zostanie epitaksja z fazy ciekłej (ang. LPE) – technologia umożliwiająca precyzyjne osadzanie cienkowarstwowych struktur na podłożach krystalicznych. Metoda ta była już z powodzeniem wykorzystywana przez zespół wykonawców projektu z UKW do tworzenia kompozytowych materiałów luminescencyjnych do zastosowań w optoelektronice (Ryc.1, po lewej).

Zasada działania detektora

Projektowane detektory będą miały strukturę warstwową, składającą się z kilku funkcjonalnych warstw materiałów o zróżnicowanych właściwościach luminescencyjnych. Celem takiej konstrukcji jest umożliwienie jednoczesnej detekcji różnych komponentów wiązek mieszanego promieniowania jonizującego, takich jak promieniowanie X i gamma, elektrony, protony, neutrony, cząstki alfa czy jony. Kluczowym wyzwaniem jest skuteczne rozróżnienie sygnałów pochodzących z różnych warstw detektora, powstających w wyniku absorpcji promieniowania o odmiennym charakterze.

Zamierzamy to osiągnąć poprzez analizę różnic widm radioluminescencji (Ryc.1), a także badanie różnic w kinetyce wygaszania sygnału OSL poszczególnych warstw i podłoża. Takie podejście umożliwia selektywną analizę sygnałów z każdej warstwy, co pozwala na znacznie dokładniejszy pomiar składu oraz intensywności promieniowania.

Ryc. 1. Wtórne promieniowanie jądrowe w terapii BNCT oraz proponowany schemat detektora kompozytowego do rejestrowania dawki od różnych rodzajów promieniowania jonizującego (jonów ⁷Li, cząstek α i promieniowania γ).

Nowość i znaczenie naukowe

Kluczowym elementem innowacyjnym projektu jest zastosowanie zjawiska scyntylacji w konstrukcji detektora FOD oraz wykorzystanie parametrów scyntylacyjnych materiałów, takich jak widmo emisji i wydajność świetlna, do bezpośredniego pomiaru dawki w trybie in-situ. Istotne jest, aby sygnał radioluminescencji był liniowy względem dawki w szerokim zakresie jej wartości oraz aby poszczególne warstwy emitowały światło o charakterystycznych widmach umożliwiających ich jednoznaczne rozróżnienie.

Oprócz właściwości scyntylacyjnych istotna jest również możliwość wykorzystania zjawiska luminescencji stymulowanej w bliskiej podczerwieni (IRSL), które w ostatnich latach zaobserwowano w granatach domieszkowanych cerem (GAGG:Ce, YAG:Ce, LuAG:Ce). Materiały te wykazują bardzo wysoką czułość, umożliwiając detekcję dawek rzędu mikrogrejów. Równie obiecujące właściwości IRSL zaobserwowano w perowskitach domieszkowanych Pr³⁺ i Mn²⁺ oraz w wybranych formach spinelu MgAl₂O₄. Połączenie ich właściwości z możliwością tworzenia struktur warstwowych metodą LPE otwiera nowe perspektywy w projektowaniu detektorów kompozytowych.

Badania podstawowe i eksperymenty aplikacyjne

Równolegle z pracami nad konstrukcją detektorów prowadzone będą pogłębione badania nad mechanizmami odpowiedzialnymi za zjawiska IRSL i OSL. Choć wiadomo, że emisja materiałów pochodzi głównie z jonów domieszkowych Ce³⁺ i Pr³⁺ lub Mn2+, niewiele wiadomo na temat natury pułapek ładunku. Przypuszcza się, że istotną rolę tutaj mogą odgrywać defekty strukturalne, takie jak wakacje tlenowe czy defekty antypołożeniowe. W ramach projektu planowane są badania z użyciem zaawansowanych technik spektroskopowych (m.in. z wykorzystaniem promieniowania synchrotronowego, spektroskopii wysokociśnieniowej oraz inżynierii przerwy energetycznej), mające na celu identyfikację centrów pułapkowych oraz zrozumienie mechanizmów przechowywania i transferu energii w badanych materiałach.

Zastosowania kliniczne

W końcowej fazie projektu prowadzone będą badania aplikacyjne – detektory zostaną przetestowane w rzeczywistych warunkach klinicznych w Centrum Onkologii w Bydgoszczy. Planowane jest ich wykorzystanie w praktyce terapeutycznej, m.in. w terapii neutronowej z wychwytem boru (BNCT), terapii protonowej, brachyterapii, a także w monitorowaniu promieniowania pochodzącego z ciekłych źródeł promieniotwórczych oraz odpadów medycznych.

Po lewej: prof. Y. Zorenko oraz dr J. Winięcki – koordynator Zakładu Fizyki Medycznej w Centrum Onkologii w Bydgoszczy – w pomieszczeniu terapeutycznym, podczas testowania prototypu detektora światłowodowego do pomiaru dawki promieniowania X w procedurze teleradioterapii. Po prawej: wykonawcy projektu z Centrum Onkologii w Bydgoszczy – dr J. Winięcki, mgr Bogna Sobeich oraz P. Michalska.

Podsumowanie

Projekt łączy zaawansowane badania podstawowe z bezpośrednimi zastosowaniami klinicznymi, dążąc do opracowania innowacyjnych, wielowarstwowych detektorów luminescencyjnych do aktywnej dozymetrii w medycynie. Oczekujemy, że wyniki prac przyczynią się nie tylko do zwiększenia bezpieczeństwa i precyzji terapii z wykorzystaniem promieniowania jonizującego, ale także do pogłębienia wiedzy na temat fundamentalnych zjawisk fizycznych zachodzących w nowoczesnych materiałach luminescencyjnych.