17種稀土元素在自然界中廣泛存在，其應用也蓬勃發展，已擴展到各領域的科學技術，尤其一些新型功能性材料的研製，稀土元素近年來十分受醫學與健康領域的青睞，甚至已成為不可缺少的原料。其中稀土材料可用於製造閃爍晶體，在醫療影像上更是有突出的應用。下面，我們一起來了解一下什麼是閃爍晶體、稀土在其中的作用以及閃爍晶體在醫學領域的新興應用。

圖片來源 : shutterstock、達志影像

閃爍晶體和閃爍晶體探測器

閃爍晶體是指在諸如x射線、γ射線、中子及其他高能粒子的撞擊下，能將高能粒子的動能轉變為光能而發出紫外光或可見光的晶體。以閃爍晶體為核心的探測和成像技術已經在高能物理與核子物理、超快脈衝輻射探測、核醫學成像、太空高能射線探測、太空物理及安全稽查等領域得到了廣泛的應用。

閃爍晶體探測器（Scintillation Detector）通常用於探測傳統光電探測器不易探測到的輻射，透過閃爍晶體吸收電離輻射並將輻射的能量轉換為光脈衝，並使用諸如光電二極管、電荷耦合檢測器或光電倍增管光電檢測器將光轉換為電子（即電子電流），可用於產生內部器官的醫療影像、非破壞性或非侵入性測試的檢查以及監測環境中影響人類的輻射等各種醫療和健康的行業。

閃爍晶體製備方法

中國在晶體生長領域，特別是閃爍晶體製備方法上有許多發明。例如涉及一種鈰摻雜稀土硼酸鹽閃爍晶體及其坩堝下降法製備方法[1]。該發明的鈰摻雜稀土硼酸鹽閃爍晶體的化學式為：Li6Gd1-x-yYxCey(BO3)3，其中x的取值範圍為0～0.9999，y的取值範圍為0.0001～0.1，且滿足x+y≤1。該鈰摻雜稀土硼酸鹽閃爍晶體透過以電負性及離子半徑相近且原子序相對更小的元素Y來部分置換Gd元素，優化了硼酸釓鋰晶體對於中子的探測性能，並降低了晶體製備的原料成本。其中，閃爍晶體的製備方法步驟，包括：按比例稱量各種原料後混合均勻成為配合料；將配合料壓成料塊後在中性氣氛中預燒結制得Li6Gd1-x-yYxCey(BO3)3多晶原料；以及將多晶原料和籽晶放入坩堝內並密閉坩堝，然後將坩堝置於晶體爐中，在高於Li6Gd1-x-yYxCey(BO3)3熔點40～120℃的溫度範圍內熔融坩堝內原料和籽晶頂部，並以坩堝下降法生長晶體從而獲得鈰摻雜稀土硼酸鹽閃爍晶體。

此外，另有採用提拉法、坩堝下降法以及其它熔體生長方法生長含有三價鈰離子(Ce3+)的稀土矽酸鹽閃爍晶體製備工藝[2]，其關鍵是在配製原料的過程中，引入與CeO2等摩爾當量的強還原性的Si3N4原料，在升溫化料以及晶體生長過程中將CeO2還原成Ce2O3，再與SiO2和Re2O3等氧化物反應合成含有Ce 3+離子的稀土矽酸鹽單晶體，生長出只含有Ce 3+離子或極少含Ce 4+離子的稀土矽酸鹽閃爍單晶體：Ce 2xRe 2(1－x)SiO5 (0.0001≤X≤0.02)，式中Re代表Gd、Lu、Y等三種稀土元素的一種或其中任意兩種元素任意比例的組合，從而提高閃爍晶體的光輸出。

閃爍晶體像素化陣列

閃爍探測器（Scintillation detectors）通常是巨大的單晶或排列成平面陣列的大量小晶體。許多具有閃爍晶體探測器的輻射掃描儀器包括閃爍晶體的像素化陣列。陣列可以由單行相鄰晶體像素（線性陣列）或多行和多列相鄰晶體像素（二維陣列）組成。線性和二維陣列可以包括數以千計的晶體像素以構建出一系統，以便可透過光電檢測器（photodetector）各別檢測來自每個像素的發射。

例如美國專利US8816293B2[3]涉及一種閃爍晶體陣列，該閃爍晶體陣列包括閃爍像素元件陣列，每個閃爍像素元件具有正面和背面，其中至少第一閃爍像素元件和第二閃爍像素元件配置為使得每個相應的正面與每個相應的背面耦合至一個或多個光電檢測器。閃爍晶體像素化陣列的材料可以選自例如鈰摻雜的溴化鑭LaBr3(Ce)或矽酸鑥釔(LYSO)等含有稀土元素組成的活化劑或摻雜劑。

圖1描繪了彼此平行設置的多個單獨像素元件12a、12b、12c和12d的線性陣列10。使用像素元件12a作為示例，每個像素可以形成具有正面14a、相對的背面16a、第一相對的側壁部分18a（頂部）和20a（底部）以及第二相對的側壁部分22a（左）和 24a（右）的長方體結構。每個相應像素的正面（例如14a）通常面向輻射源，並且每個像素的背面（例如16a）發射可檢測的光。光電檢測器可以定位成接收從背面16a發射的可檢測光。該專利另一實施例中，閃爍晶體構建了如圖2所示的三維(3-D)球面陣列。該球面陣列可以具有多個像素，這些像素與焦點等距並且從中心焦點發射的輻射垂直於每個像素的入射表面。

圖1. 線性二維的閃爍晶體像素化陣列陣列示意圖

圖片來源：美國專利US8816293B2   

圖2. 三維的閃爍晶體像素化球面陣列

圖片來源：美國專利US8816293B2

應用高階醫療影像之高能物理檢測器

閃爍晶體在醫療領域的應用產品包括正電子發射斷層掃描用閃爍晶體以及高能物理探測器。目前已有好些斷層掃描技術受到臨床醫學及生物醫學等廣泛應用，其係被使用來顯示解剖結構之圖像及觀察某些組織之生理機能。而為了達到更高之解析度及更強大之圖像能力，一般使用之斷層掃描技術，如電腦斷層掃描（Computed Tomography, CT）與磁共振造影（Magnetic Resonance Imaging, MRI），對癌細胞之放射感應不靈敏，無法在第一時間偵測出代謝異常之細胞組織，進而有致癌細胞分子迅速分裂擴大之危險。

閃爍體探測器是利用電離輻射在某些物質中產生的閃光來進行探測的。台灣已有專攻單晶生長的業者接受國立大學專利[4]技術授權製造和販賣一種閃爍晶體探測器。該閃爍晶體結構係由鈣(Ca)原子與鈰：矽酸鑥釔(Ce:LYSO)混合製成，使該閃爍晶體探測器1可顯影出所有癌細胞。其中，該鈣原子之來源係為濃度0.00001~0.05之氧化鈣；當含有癌細胞之待測物經過閃爍晶體探測器檢測時，其待測物中之癌細胞不僅即被閃爍晶體之強放射感應偵測出，並可藉由高解析度之影像，靈敏地量測出癌細胞分子於待測物中之分佈情形。

詳如圖3所示，該閃爍晶體探測器1係裝設於正子電腦斷層顯影（Positron Emission Tomography, PET）3內，該正子電腦斷層顯影3包含放置待測物2之平台31、環形之遮蔽屏32以及以自由環狀方式排列於遮蔽屏32內之閃爍晶體探測器1所構成。當使用具有閃爍晶體探測器1之正子電腦斷層顯影3時，由平台31慢慢移動經過遮蔽屏32所形成之掃描通道33，再由遮蔽屏32週邊佈滿環形排列之數十至上百個之閃爍晶體探測器1，對平躺於平台31上的待測物2四周同時進行偵測，此時兩個相對位置之閃爍晶體檢測器1a、1b若同時偵測到待測物2體內正發射體互毀輻射同時產生之兩個方向相反之光子4a、4b時，就會定義出一條通過發光細胞5之直線4。而許多互相交會之線條便能界定出切片上一個個細胞之位置和代謝率。

藉此利用摻雜鈣原子以產生電荷補償效應（Charge Compensation），在鈰：矽酸鑥釔中，鈣會與鈰+4價(Ce+4)發生電荷補償，最終產生鈰+3價(Ce+3)，使閃爍晶體內Ce之價數分佈更均勻，進而補償該鈰：矽酸鑥釔之電荷平衡，如此不僅可減少非輻射能量轉移而增進光產率（light yield），且在鈰能階提升下，更可增強對癌細胞之放射感應。此外，也無需藉由熱處理（Annealing）方式改變Ce之電荷，即可容易明顯得知癌細胞分子之分佈情形。

圖3. 閃爍晶體探測器的結構及其使用狀態示意圖

圖片來源：美國專利號US8158948B2（作者芮嘉瑋改繪）

加速晶體產業發展，奠定台灣在國際長晶科技的地位

台灣已有業者積極研發閃爍晶體長晶技術，並對晶體生長爐設備及其製程進行改良，適合發展高端醫學影像行業，創新研發各式醫療用閃爍晶體。稀土閃爍晶體目前最重要的應用之一是正子發射斷層掃描器（簡稱PET），它是惟一可在活體上顯示生物分子代謝、受體及神經介質活動的新型影像技術，現已廣泛用於多種疾病的診斷與鑑別診斷、臟器功能研究和新藥開發等方面。對診斷癌症、阿茲海默氏症等所需之生醫影像，甚至可偵測到5mm以下的腫瘤大小，算是為稀土增添了一項在醫療領域的新興應用。稀土關鍵材料可用於製造醫療用閃爍晶體，加速台灣晶體產業發展，奠定台灣在國際長晶科技的地位，有工業維他命之稱的稀土，真是功不可沒。

備註：

【本文僅反映專家作者意見，不代表本報及其任職單位之立場。】

作者： 芮嘉瑋 現任： 中技科技暨工程研究中心組長 學歷： 國立清華大學 奈米工程與微系統研究所 博士 中原大學 財經法律研究所 碩士 國立台灣科技大學 材料科學與工程研究所 碩士 經歷： 工研院技術移轉與法律中心執行長室 工研院電子與光電研究所專利副主委 光電產業智權經理 專長： 長期從事產業研究、專利智財與投資評估等工作，專注於能源、產業、環境、經濟等議題。擅長創新技術策略分析、科技預測及評估、專利分析與布局、產業分析、智慧財產權管理與經營策略、專利的商業化與貨幣化。熟捻產業技術發展趨勢，並常在各媒體平台發表文章、應邀演講，成功引領技術前瞻與產業關鍵議題。

Facebook 在北美智權報粉絲團上追踪我們