Rollen av halvledare i digital röntgen medicinsk avbildning

Original: http://urila.tripod.com/xray.htm

1. Inledning

Tillämpningen av tunga atomhalvledardetektorer till röntgen digital bildbehandling diskuteras med avseende på deras funktion som gammadetektorer och bild matriser. Sektion-2 ger en kort översikt över röntgenavbildning med amorft kisel platta skärmar. Sektion-3 beskriver röntgen kontra gammaavbildning, om detektorn roll i driften av varje system. Sektion-4 diskuterar halvledardetektorn och dess potential att röntgenbilder.

2. Digitalkamera röntgen med amorft kisel

Röntgen är den överlägset viktigaste medicinsk bildbehandling diagnostiskt verktyg. Det har dominerats av filmsensorer sedan dess uppfinning över hundra år sedan. Digital röntgen kameror baserade på amorfa kiselpaneler har utvecklats under det senaste decenniet, och är nu på gränsen till att penetrera marknaden. De nya tekniken använder stora området elektroniska sensorer av röntgenstrålning som fångar bilden och omvandla den direkt till en elektronisk signal [1-3].

Amorft kisel platta paneler produceras av en mogen teknik som utvecklats för datorskärmar. Kisel är en utmärkt sensor av synligt ljus. Det är emellertid en lätt vikt atom och transparent för röntgenstrålar som tillämpas på medicinsk diagnos. Det är en dålig absorbator och är inte lämplig som en direkt röntgensensor .

Beläggning amorft kisel med en mycket absorberande lysande lager aktiverar den till röntgen avkänning. Figur-1a visar principen driften av detta system. Varje röntgenfoton, absorberas i scintillerande skikt, genererar en gnista av synligt ljus (en scintillations) som detekteras av kiselsensor. Sensorn omvandlar ljuset till elektrisk signal och sänder den till en dator.

 

Figur 1: X-ray imaging sensor, en. scintillator, f. halvledare.Röntgen genererad gnistan av synligt ljus sprids i alla riktningar och minskar den initiala röntgen rumslig upplösning. Resolutionen förbättras genom att minska lysande skikttjocklek. Dock kommer det tunnare skikt absorberar färre fotoner. Denna avbildning röntgensystem äventyrar absorption effektivitet och upplösning. Det finns ett liknande problem med den klassiska filmteknik.Halvledardetektorer vinna stor del denna begränsning genom direkt omvandling av röntgenstrålar till elektriska signaler. Figur-1b visar en sensorenhet, där ett skikt av tung atom halvledare, täckt med en metallkontakt, ersätter den scintillerande skikt. En röntgenfoton, absorberas i spännings partisk halvledare, genererar elektrisk laddning som strömmar mot kontakten och amorft kisel. Laddningsflödet är vinkelrät mot sensorplanet, och utan rumslig spridning av signalen. Halvledarskiktet kan vara tillräckligt tjockt för att absorbera alla röntgenstrålar utan signifikant förlust av upplösning.

Halvledarbaserade bildsensorer är redan i långt framskridna utveckling och vissa system finns på marknaden. De utnyttjar amorfa selen används framgångsrikt i foto kopiatorn sensorer. Dock är selen inte tät och tillräckligt ogenomskinligt för röntgen, och den elektriska laddningen inom det inte smidig nog. Därför är andra material beaktas och testats för detta ändamål [4-6]. Det verkar dock att ytterligare tekniska framsteg behövs innan de blir utbredd.

3. Röntgen vs gammaavbildning

Figur 2a visar principen för röntgenavbildning. De röntgenfotoner penetrerar den undersökta kroppen och alstra en projektionsbild av dess densitetsfördelning en detekteringsplanet .

 

Figur 2: a. röntgenkamera, röntgenfotoner generera en projektionsbild av kroppens densitetsfördelning. b. gammakamera, en kollimator genererar projektionsbild av radioaktiva isotopen fördelning i kroppen.

I gamma avbildning, figur 2b, är radioisotoper infunderas i kroppen där de avger gammafotoner slumpmässigt i alla riktningar. Endast litet antal av de fotoner som rör sig vinkelrätt mot en plan kollimator, korsa den och skapa en projektion bild av radioisotopen fördelningen. Kroppen och kollimator scatter fotoner som rör sig i andra riktningar. Några av dem kommer att korsa kollimator på fel ställe och göra bilden suddig. Men eftersom de förlorar energi genom spridning, kan energikänsliga detektorer filtrera bort dem.

Gammadetektorplan består av en förförisk kristall, som förvandlar fotonen till synligt ljus, och en honungskaka på cirka 102 foto multiplikator detektorer som omvandlar ljuset till elektrisk signal. Ett antal detektorer observera ihop varje foton och lokalisera sin position genom deras relativa signaler. Scintillatorn genererar en mängd synligt ljus som är proportionell mot gammafotonenergi och den elektriska laddningen uppsamlas per varje foton är proportionell mot denna bakgrund. De stora området foto multiplikatorer har extremt låg läckström som gör upplösningen energi och filtrera bort spridd strålning.

Spridd strålning filtrering är väsentlig för gamma avbildning, eftersom fotonerna är slumpmässigt avges i alla riktningar. I röntgenavbildning fotoner har en väldefinierad riktning och filtrering av spridd strålning är inte nödvändigt, även om, kollimatorer kan minska spridning.

De radioisotoper stannar i kroppen längre än undersökningstiden, och under undersökningen endast liten del av strålningen utnyttjas för att ta bilden. Därför, den tillåtna mängden radioaktivt material i kroppen, är den begränsande faktorn som bestämmer bildens upplösning. Det är inte metoden för fotondetektering. Typisk upplösning i en gamma bilden är 3-5 millimeter, beroende på avståndet mellan objektet och kollimatorn. I röntgenavbildning strålningen utsätter en del av kroppen endast under undersökningen, och bilden använder de flesta av kroppens penetrerande fotoner. Upplösningen är i submillimeter sortiment.

I gamma avbildning isotoperna är fästa till specifika platser av intresse och de genererar en hög kontrast och låg upplösning. Låg upplösning gamma bilder används när det inte finns tillräckligt med information i mindre specifika röntgendata . Rutinkontroller och allmän screening gäller inte gamma avbildning.

4. Halvledardetektorer

a. Gamma

Radioaktiva isotoper används för gamma imaging avger mono energisk strålning som är vanligtvis högre än typiska röntgenenergi. Därför är tjockare gammadetektorer som används i syfte att absorbera strålningen.

En gammafoton, absorberas i en halvledare detektor, genererar elektrisk laddning som är proportionell mot fotonenergin och energin är mätbar med full laddning samling. Därför detektorn prestanda beror på effektiviteten laddnings samlingen. Detektorn är kopplad till en elektronisk krets som filtrerar bort dess läckström utom tid gamma inducerad laddning strömmar genom den. Den temporala gamma inducerade strömmen är mycket högre än den läckström som bestämmer energiupplösning.

När halvledardetektorer utsetts till en gammakamera, kommer varje pixel behöver sin egen elektronisk kanal. En kamera bildplanet området är ca 2 x 103 cm2 och det omfattar cirka 2 x 104 pixlar med sina parallella kanaler. Sådana hög volym elektronik har blivit möjlig först nyligen med utvecklingen av låg kostnad storskalig integration. I en konventionell gammakamera finns det bara cirka 102 fotomultiplikatorn detektorer som lokaliserar positionen för varje enskild gammafoton av detektorerna relativa signaler.

Halvledardetektorer för närvarande görs i experimentella eller låg volym mängder. De har problem med icke likformighet och låg produktionsutfall. En enda array innehåller ca 102 pixlar, därför kräver en kamera panel kakel på ca 2 x 102 array heter. Arrayer är tillverkade av enkristallina wafers och är kopplade till integrerade kretsar. För närvarande finns det en halvledare baserad gammakamera på marknaden [7].

Gamma inducerad elektrisk laddning tenderar att fastna i detektordelen istället för flödar ut till kontakterna. Charge svällning försämrar detektorns prestanda och ansträngningar har gjorts för att övervinna detta problem.

Nyligen de klassiska principerna för ljusdetektering av fotoledning har utvidgats till gamma detektering. Matriser som verkar genom dessa principer är mer enhetlig än konventionella matriser och mindre känslig för att ladda fångst. De kan tillverkas av kristaller framställda enligt standardmetoder inte är tillämpliga på konventionella detektorer. Halvledar tekniska metoder har tillämpats för att optimera detektor design, prestanda och produktionsutbyte av kedjor (av författaren 1 – 4).

b. Röntgenstrålar

Halvledare tillämpas på röntgenbilder fungerar som foto ledare utan energiupplösning. I detta läge är alla detektorns läckström, som bestämmer känsligheten, tillägger till signalen. Halvledar är ett skikt av amorf eller polykristallina materialet som rockar den amorfa kiselpanelen . Elektrisk laddning är mindre rörligt tvärs detta skikt än i en enda kristall, och det tenderar att vara instängd i den. Emellertid, de bättre enkristall detektorer och deras koppling till elektroniken är mycket dyrare och uteslutet för stort område röntgenavbildning.

Röntgen upptäckt är en mellan fallet mellan klassisk ljusdetektering genom fotoledning och gamma upptäckt. Optimeringen av detektor utformning och drift är olika i varje system. Läckage laddningsackumulering begränsar känsligheten i röntgensystem, men å andra sidan finns det ingen energiupplösning och foto-lednings tuning av enhetsparametrarna är mer flexibel.

Oordnad polykristallina eller amorfa system är mer sårbara än enkristaller till låg kostnad rörlighet, rekombination och fångst. Korrekt materialdesign , med halvledar principer, kan förbättra de elektroniska egenskaperna och enhetens funktion.

5. Slutsatser

Gammakamerabilder radioaktiva isotopen fördelning i kroppen. Den effektiva pixelstorleken är över 3 mm. De tillåtna strålningsnivå och fotonstatistiken bestämmer den rumsliga upplösningen i bilden.

Tillämpning av halvledardetektorer till gamma avbildning möjliggör utformning av bärbara system. Detektorerna kan något förbättra upplösningen och minska oskärpa av spridd strålning. Men måste de vara kostnadseffektiva konkurrenskraftiga med scintillator detektorer för att bli populär i gammakameror.

De röntgenkamerabilder en projektion av kroppens densitetsfördelning och pixelstorleken är i sub millimeterområdet.

Halvledarröntgenavbildningsdetektorer intensifiera bildkvalitet och dess informationsinnehåll, eller ekvivalent, de minskar den erforderliga stråldosen per bild. Detektorerna kan absorbera och utnyttja det mesta av strålningen utan signifikant minskning av upplösningen.

Enstaka kristallhalvledardetektorer som är tillämpliga på gamma avbildning är alldeles för dyrt att stort område röntgenavbildning. Amorf eller polykristallint skikt av tung atom halvledare, belagt på amorf en kisel samlare, kan visa sig vara ett effektivt och ekonomiskt röntgen bildsensor.

Tillverkning av dessa skikt och deras verksamhet kommer att förbättras genom att tillämpa foto-lednings- principer och halvledarmaterial tekniska metoder.

6. Referenser

J. Rowlands och S. Kasap, amorf Semiconductors Usher i Digitalkamera X-ray Imaging“, Fysik Idag 24-30 november (1997)
J. Adams, “Ändra Game i XRay Imaging“, http://www.the-clock.com/newissue/xraygame.html
JP Moy, “Large området röntgendetektorer baserade på amorft kisel teknik”, Thin Solid Films, 337, 213-221 (1999)
K.S. Shah et al., Karakterisering av röntgen Properties of PbI2 Films“, http://www.rmdinc.com/papers/MRSPAP1.html
R. Sudharsanan et al., “Deponering och karakterisering av CdZnTe tunna filmer för gas micro detektorer“, IEEE Trans. Nucl. Sci., 44 (3), 665 -670 (1997)
M. Schieber et al., Utvärdering av kvicksilverjodid keramiska halvledardetektorer“, kärnfysik B, Suppl. 61B, 321-329, februari (1998)
Digirad 2020tc Imager“, http://www.digirad.com/home.htm

På nätet: 21, april 1999