17种稀土元素在自然界中广泛存在，其应用也蓬勃发展，已扩展到各领域的科学技术，尤其一些新型功能性材料的研制，稀土元素近年来十分受医学与健康领域的青睐，甚至已成为不可缺少的原料。其中稀土材料可用于制造闪烁晶体，在医疗影像上更是有突出的应用。下面，我们一起来了解一下什么是闪烁晶体、稀土在其中的作用以及闪烁晶体在医学领域的新兴应用。

图片来源 : shutterstock、达志影像

闪烁晶体和闪烁晶体探测器

闪烁晶体是指在诸如x射线、γ射线、中子及其他高能粒子的撞击下，能将高能粒子的动能转变为光能而发出紫外光或可见光的晶体。以闪烁晶体为核心的探测和成像技术已经在高能物理与核物理、超快脉冲辐射探测、核医学成像、太空高能射线探测、太空物理及安全稽查等领域得到了广泛的应用。

闪烁晶体探测器（Scintillation Detector）通常用于探测传统光电探测器不易探测到的辐射，透过闪烁晶体吸收电离辐射并将辐射的能量转换为光脉冲，并使用诸如光电二极管、电荷耦合检测器或光电倍增管光电检测器将光转换为电子（即电子电流），可用于产生内部器官的医疗影像、非破坏性或非侵入性测试的检查以及监测环境中影响人类的辐射等各种医疗和健康的行业。

闪烁晶体制备方法

中国在晶体生长领域，特别是闪烁晶体制备方法上有许多发明。例如涉及一种铈掺杂稀土硼酸盐闪烁晶体及其坩埚下降法制备方法[1]。该发明的铈掺杂稀土硼酸盐闪烁晶体的化学式为：Li₆Gd_1-x-yY_xCe_y(BO₃)₃，其中x的取值范围为0～0.9999，y的取值范围为0.0001～0.1，且满足x+y≤1。该铈掺杂稀土硼酸盐闪烁晶体透过以电负性及离子半径相近且原子序相对更小的元素Y来部分置换Gd元素，优化了硼酸钆锂晶体对于中子的探测性能，并降低了晶体制备的原料成本。其中，闪烁晶体的制备方法步骤，包括：按比例称量各种原料后混合均匀成为配合料；将配合料压成料块后在中性气氛中预烧结制得Li₆Gd_1-x-yY_xCe_y(BO₃)₃多晶原料；以及将多晶原料和籽晶放入坩埚内并密闭坩埚，然后将坩埚置于晶体炉中，在高于Li₆Gd_1-x-yY_xCe_y(BO₃)₃熔点40～120℃的温度范围内熔融坩埚内原料和籽晶顶部，并以坩埚下降法生长晶体从而获得铈掺杂稀土硼酸盐闪烁晶体。

此外，另有采用提拉法、坩埚下降法以及其它熔体生长方法生长含有三价铈离子(Ce3+)的稀土硅酸盐闪烁晶体制备工艺[2]，其关键是在配制原料的过程中，引入与CeO₂等摩尔当量的强还原性的Si₃N₄原料，在升温化料以及晶体生长过程中将CeO₂还原成Ce₂O₃，再与SiO2和Re2O3等氧化物反应合成含有Ce ³⁺离子的稀土硅酸盐单晶体，生长出只含有Ce ³⁺离子或极少含Ce ⁴⁺离子的稀土硅酸盐闪烁单晶体：Ce _2xRe _2(1－x)SiO₅ (0.0001≤X≤0.02)，式中Re代表Gd、Lu、Y等三种稀土元素的一种或其中任意两种元素任意比例的组合，从而提高闪烁晶体的光输出。

闪烁晶体像素化数组

闪烁探测器（Scintillation detectors）通常是巨大的单晶或排列成平面数组的大量小晶体。许多具有闪烁晶体探测器的辐射扫描仪器包括闪烁晶体的像素化数组。数组可以由单行相邻晶体像素（线性数组）或多行和多列相邻晶体像素（二维数组）组成。线性和二维数组可以包括数以千计的晶体像素以构建出一系统，以便可透过光电检测器（photodetector）各别检测来自每个像素的发射。

例如美国专利US8816293B2[3]涉及一种闪烁晶体数组，该闪烁晶体数组包括闪烁像素组件数组，每个闪烁像素组件具有正面和背面，其中至少第一闪烁像素组件和第二闪烁像素组件配置为使得每个相应的正面与每个相应的背面耦合至一个或多个光电检测器。闪烁晶体像素化数组的材料可以选自例如铈掺杂的溴化镧LaBr3(Ce)或硅酸镥钇(LYSO)等含有稀土元素组成的活化剂或掺杂剂。

图1描绘了彼此平行设置的多个单独像素组件12a、12b、12c和12d的线性数组10。使用像素组件12a作为示例，每个像素可以形成具有正面14a、相对的背面16a、第一相对的侧壁部分18a（顶部）和20a（底部）以及第二相对的侧壁部分22a（左）和 24a（右）的长方体结构。每个相应像素的正面（例如14a）通常面向辐射源，并且每个像素的背面（例如16a）发射可检测的光。光电检测器可以定位成接收从背面16a发射的可检测光。该专利另一实施例中，闪烁晶体构建了如图2所示的三维(3-D)球面数组。该球面数组可以具有多个像素，这些像素与焦点等距并且从中心焦点发射的辐射垂直于每个像素的入射表面。

图1. 线性二维的闪烁晶体像素化数组数组示意图

图片来源：美国专利US8816293B2

图2. 三维的闪烁晶体像素化球面数组

图片来源：美国专利US8816293B2

应用高阶医疗影像之高能物理检测器

闪烁晶体在医疗领域的应用产品包括正电子发射断层扫描用闪烁晶体以及高能物理探测器。目前已有好些断层扫描技术受到临床医学及生物医学等广泛应用，其系被使用来显示解剖结构之图像及观察某些组织之生理机能。而为了达到更高之分辨率及更强大之图像能力，一般使用之断层扫描技术，如计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）与磁共振造影（Magnetic Resonance Imaging, MRI），对癌细胞之放射感应不灵敏，无法在第一时间侦测出代谢异常之细胞组织，进而有致癌细胞分子迅速分裂扩大之危险。

闪烁体探测器是利用电离辐射在某些物质中产生的闪光来进行探测的。台湾已有专攻单晶生长的业者接受国立大学专利[4]技术授权制造和贩卖一种闪烁晶体探测器。该闪烁晶体结构系由钙(Ca)原子与铈：硅酸镥钇(Ce:LYSO)混合制成，使该闪烁晶体探测器1可显影出所有癌细胞。其中，该钙原子之来源系为浓度0.00001~0.05之氧化钙；当含有癌细胞之待测物经过闪烁晶体探测器检测时，其待测物中之癌细胞不仅即被闪烁晶体之强放射感应侦测出，并可藉由高分辨率之影像，灵敏地量测出癌细胞分子于待测物中之分布情形。

详如图3所示，该闪烁晶体探测器1系装设于正子计算机断层显影（Positron Emission Tomography, PET）3内，该正子计算机断层显影3包含放置待测物2之平台31、环形之遮蔽屏32以及以自由环状方式排列于遮蔽屏32内之闪烁晶体探测器1所构成。当使用具有闪烁晶体探测器1之正子计算机断层显影3时，由平台31慢慢移动经过遮蔽屏32所形成之扫描信道33，再由遮蔽屏32外围布满环形排列之数十至上百个之闪烁晶体探测器1，对平躺于平台31上的待测物2四周同时进行侦测，此时两个相对位置之闪烁晶体检测器1a、1b若同时侦测到待测物2体内正发射体互毁辐射同时产生之两个方向相反之光子4a、4b时，就会定义出一条通过发光细胞5之直线4。而许多互相交会之线条便能界定出切片上一个个细胞之位置和代谢率。

藉此利用掺杂钙原子以产生电荷补偿效应（Charge Compensation），在铈：硅酸镥钇中，钙会与铈+4价(Ce⁺⁴)发生电荷补偿，最终产生铈+3价(Ce⁺³)，使闪烁晶体内Ce之价数分布更均匀，进而补偿该铈：硅酸镥钇之电荷平衡，如此不仅可减少非辐射能量转移而增进光产率（light yield），且在铈能阶提升下，更可增强对癌细胞之放射感应。此外，也无需藉由热处理（Annealing）方式改变Ce之电荷，即可容易明显得知癌细胞分子之分布情形。

图3. 闪烁晶体探测器的结构及其使用状态示意图

图片来源：美国专利号US8158948B2（作者芮嘉玮改绘）

加速晶体产业发展，奠定台湾在国际长晶科技的地位

台湾已有业者积极研发闪烁晶体长晶技术，并对晶体生长炉设备及其制程进行改良，适合发展高端医学影像行业，创新研发各式医疗用闪烁晶体。稀土闪烁晶体目前最重要的应用之一是正子发射断层扫描仪（简称PET），它是惟一可在活体上显示生物分子代谢、受体及神经介质活动的新型影像技术，现已广泛用于多种疾病的诊断与鉴别诊断、脏器功能研究和新药开发等方面。对诊断癌症、阿兹海默氏症等所需之生医影像，甚至可侦测到5mm以下的肿瘤大小，算是为稀土增添了一项在医疗领域的新兴应用。稀土关键材料可用于制造医疗用闪烁晶体，加速台湾晶体产业发展，奠定台湾在国际长晶科技的地位，有工业维他命之称的稀土，真是功不可没。

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作者： 芮嘉玮 现任： 台湾中技社科技暨工程研究中心 组长 学历： 台湾清华大学 奈米工程与微系统研究所 博士 台湾中原大学 财经法律研究所 硕士 台湾科技大学 材料科学与工程研究所 硕士 经历： 台湾工研院技术移转与法律中心执行长室 台湾工研院电子与光电研究所专利副主委 光电产业知识产权经理 专长： 长期从事产业研究、专利知识产权与投资评估等工作，专注于能源、产业、环境、经济等议题。擅长创新技术策略分析、科技预测及评估、专利分析与布局、产业分析、知识产权管理与经营策略、专利的商业化与货币化。熟捻产业技术发展趋势，并常在各媒体平台发表文章、应邀演讲，成功引领技术前瞻与产业关键议题。