Đầu dò tia X cho X quang số

ĐẦU DÒ X QUANG SỐ Đánh giá (REVIEW) Đầu dò tia X cho X quang số M J Yaffe and J A Rowlands Chương trình nghiên cứu hình ảnh, Trung tâm khoa học y tế Sunnybrook, Đại học Toronto, 2075 Bayview Avenue, Toronto, Ontario, Canada M4N 3M5 Đã nhận ngày 29 tháng 3 năm 1996, mẫu cuối cùng ngày 16 tháng 8 năm 1996 Tóm tắt X Quang số cung cấp tiềm năng phát triển chất lượng hình ảnh cũng như cung cấp cơ hội cho những tiến bộ trong quản lí hình ảnh y tế Chất lượng hình ảnh được gắn liền với sự rõ ràng và chí.

ĐẦU DỊ X-QUANG SỐ Đánh giá (REVIEW) Đầu dị tia X cho X quang số M J Yaffe and J A Rowlands Chương trình nghiên cứu hình ảnh, Trung tâm khoa học y tế Sunnybrook, Đại học Toronto, 2075 Bayview Avenue, Toronto, Ontario, Canada M4N 3M5 Đã nhận ngày 29 tháng năm 1996, mẫu cuối ngày 16 tháng năm 1996 Tóm tắt: X-Quang số cung cấp tiềm phát triển chất lượng hình ảnh cung cấp hội cho tiến quản lí hình ảnh y tế Chất lượng hình ảnh gắn liền với rõ ràng xác thơng tin thu từ chùm tia X truyền qua bệnh nhân, nói cách khác chất lượng đầu dò tia X Bộ thu cho X quang số phải đáp ứng nhu cầu thủ tục xạ đặc trưng nơi mà chúng sử dụng Các thơng số độ phân giải khơng gian, tính đồng đáp ứng, độ nhạy tương phản, phạm vi hoạt động, tốc độ thu tỉ lệ khung hình Những nghiên cứu vật lí xác định chất lượng đầu dò tia X xem lại Một số cơng nghệ đầu dị thực nghiệm có triển vọng, mà phù hợp cho Xquang số xem xét Các thiết bị sử dụng thu khắp nơi thiết bị thích hơp cho hệ thống X quang quét thảo luận Chúng bao gồm cách tiếp cận khác dựa chuyển đổi tia X huỳnh quang Nơi lượng tử ánh sáng sản xuất giai đoạn trung gian, chuyển đổi trực tiếp từ tia X thành điện tích với nguyên liệu kẽm cadmium telluride, selen vơ định hình tinh thể silicon Giới thiệu Những lợi ích việc thu hình ảnh X quang y tế dạng kĩ thuật số nhanh chóng trở nên rõ ràng sau đời chụp cắt lớp vi tính (CT) Hounsfield (1973) Những lợi ích bao gồm độ xác cao thơng tin thu được, tăng tính linh động đặc tính hiển thị dễ dàng truyển tải hình ảnh từ vị trí khác mạng thơng tin liên lạc Chụp cắt lớp vi tính mộtt ứng dụng phức tạp X quang số, gần hơn, phương pháp tiếp cận kĩ thuật số đơn giản hơn, nhiều xu hướng kỹ thuật hình ảnh chụp mạch chiếu chụp X quang thường quy siêu âm hình ảnh y học hạt nhân phát triển Một phần lý cho niên đại CT chấp nhận lợi ích rõ ràng chụp cắt lớp ngang khả CT để hiển thị khác biệt tinh tế suy giảm mô Những mong muốn có ảnh hưởng nhiều cho độ phân giải không gian cao, mà đạt với đầu dị thơ sơ khả tính tốn hạn chế có sẵn thời điểm đó, mà đạt với hình ảnh chiếu X quang tiêu chuẩn Sự phát triển cơng nghệ dị tìm cải thiện, tính tốn mạnh mẽ nhiều, hình kỹ thuật số có độ phân giải cao thiết bị đầu laser cần thiết trước X quang số tiến xa Ban đầu, người ta nghĩ chụp X quang số phải phù hợp với hạn chế địi hỏi hiệu suất phân giải khơng gian hình ảnh dựa phim Tuy nhiên, ảnh phim thường bị hạn chế thiếu bề rộng tiếp xúc đặc tính cong phim nhiễu kết hợp với chi tiết phim việc sử dụng hiệu xạ tới Kinh nghiệm gợi ý giá trị độ phân giải giới hạn cao không quan trọng khả cung cấp độ tương phản hình ảnh tuyệt vời bề rộng phơi sáng tia X cho tất tần số không gian lên đến độ phân giải giới hạn thấp (Yaffe 1994) Một hệ thống X quang số cung cấp hiệu suất vậy, cho phép thực kỹ thuật hình ảnh máy tính xử lý, lưu trữ kỹ thuật số, truyền hình ảnh khai thác thơng tin định lượng hữu ích y tế từ hình ảnh Trong lịch sử, có quan tâm mạnh việc phát triển hệ thống hình ảnh kỹ thuật số cho chụp X quang ngực nhược điểm vốn có hệ thống hình phim việc cung cấp đầy đủ bề rộng độ tương phản tốt phổi vùng trung thất mong muốn thực tính xử lí hình ảnh, chuẩn đốn hình ảnh hệ thống lưu trữ phục hồi kỹ thuật số (PACS) TESIC người khác (1983) mô tả hệ thống kỹ thuật số quét đơn dòng cho chụp X quang ngực mà sử dụng mảng 1024 đi-ốt quang điện ghép nối rời rạc với gadolinium oxysulphide phosphor Điều đòi hỏi thời gian quét 4,5s cung cấp độ phân giải không gian giới hạn chu kì / mm Goodman người khác (1988) Fraser người khác (1989) xem xét điểm mạnh điểm yếu phương pháp tiếp cận khác để chụp X quang kỹ thuật số ngực dùng thời điểm Họ xác định tiềm cho chụp X quang ngực kỹ thuật số cải tiến cần thiết cho kỹ thuật để trở lên chấp nhận bác sĩ X quang Hệ thống kỹ thuật số cho chụp mạch xóa số loại chiếu chụp X quang sử dụng rộng rãi lâm sàng hệ thống chuyên môn cho ứng dụng chụp X quang vú phát triển Sự tiện lợi hệ thống kỹ thuật số có tiềm cho phép đời chẩn đốn máy tính (Chan người khác 1987, Giger người khác 1990) Đã có số đánh giá trước cơng nghệ đầu dị hình ảnh kỹ thuật số, đặc biệt Rougeot (1993) Ảnh kỹ thuật số Hầu tất hình ảnh x-ray dựa truyền dẫn lượng tử qua thể, với độ tương phản xảy khác biệt độ dày thành phần giải phẫu bên Các mơ hình truyền tia X mặt phẳng hệ thống hình ảnh coi thay đổi liên tục độ dòng tia X với vị trí Một mơ hình giả thuyết trình bày theo khía cạnh hình 1(a) Một đầu dị hình ảnh tương tự cố gắng để tái tạo mơ hình cách xác, ví dụ biến thể mật độ quang phim nhũ tương phát triển Về nguyên tắc, biến thể không gian liên tục cung cấp đủ lượng tia X cần sử dụng, chúng liên tục thang cường độ Một sơ đồ hệ thống chụp X quang kỹ thuật số chung đưa hình Ở đây, máy thu hình ảnh tương tự thay thu chuyển đổi lượng chùm tia X truyền thành tín hiệu điện tử mà sau số hóa ghi vào nhớ máy tính Các hình ảnh sau xử lí, hiển thị, truyền lưu trữ sử dụng tính tốn chuẩn phương pháp truyền thơng kỹ thuật số Hình 1: Các khái niệm hình ảnh kỹ thuật số (a): Cấu trúc hình ảnh tương tự thay đổi liên tục khơng gian cường độ tín hiệu (b): Trong hình ảnh kỹ thuật số, lấy mẫu diễn khoảng thời gian rời rạc vị trí cường độ Trong hệ thống hình ảnh kỹ thuật số, số giai đoạn, mơ hình truyền tia X lấy mẫu chiều không gian cường độ, minh họa hình 1(b) Trong chiều khơng gian, mẫu thu trung bình cường độ qua phần tử ảnh pixel Đây thường khu vực hình vng, đặt cách khoảng thời gian khắp mặt phẳng hình ảnh Trong hướng cường độ, tín hiệu binned vào cấp số hữu hạn Giá trị cường độ hình ảnh kỹ thuật số có thể, đó, có giá trị rời rạc, thông tin liên quan đến cường độ trung gian thay đổi thang xóa điểm ảnh bị việc số hóa Hình 2: Sơ đồ hệ thống chụp X quang kỹ thuật số Để giảm suy thối chất lượng hình ảnh q trình số hóa, điều quan trọng kích thước điểm ảnh độ sâu bit phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ chụp ảnh phù hợp với độ phân giải không gian độ xác hình ảnh, xác định yêu tố giới hạn nơi tiêu điểm không nhọn, chuyển động giải phẫu mức độ nhiễu lượng tử Tính chất đầu dị Tính chất quan trọng đầu dị là: phạm vi phủ sóng, đặc trưng hình học, hiệu suất lượng tử, độ nhạy, độ phân giải khơng gian, phạm vi hoạt động, tính đồng nhất, tốc độ dị sóng, tỉ lệ khung hình chi phí Trong hầu hết, khơng phải tất cả, trường hợp cơng nghệ dị khác địi hỏi phải thỏa mãn tiêu 3.1 Phạm vi phủ sóng Hệ thống hình ảnh phải có khả ghi lại tín hiệu tia X truyền diện tích dự kiến giải phẫu vịng khảo sát Người ta ước tính u cầu thu X quang kỹ thuật số từ máy thu hình ảnh dùng cho chụp ảnh thơng thường Ví dụ, chụp X quang ngực địi hỏi phạm vi hình ảnh 35cm – 43cm, X quang vú cung cấp máy thu có kích thước 18 cm - 24 cm 24 cm - 30 cm Bóng tăng sáng dùng cho X quang chiếu phim ảnh huỳnh quang cung cấp từ trường vịng với đường kính từ 15 cm đến 40 cm Ngồi ra, chùm tia X phân kì, hình ảnh ln trải qua số mức độ phóng đại X quang Thơng thường, điều khoảng 10%; Tuy nhiên, kì kiểm tra mà phóng đại cố ý áp dụng, điều yếu tố hai nhiều và, đó, việc sử dụng lâm sàng phải xem xét cẩn thận xác định yêu cầu kích thước thu 3.2 Đặc trưng hình học Một số yếu tố xem xét ‘ vùng khơng hoạt động (vùng chết) ‘, tồn bên xung quanh cạnh đầu dò Trong đầu dò điện tử dùng cho chụp X quang kỹ thuật số, vùng yêu cầu cho việc định tuyến dây dẫn vị trí thành phần đầu dị phụ trợ đệm, đồng hồ, vv Vùng chết xảy đầu dị có diện tích lớn sản xuất ghép nối đơn vị đầu dị nhỏ (ngói) Đối với đầu dò gồm thành phần cảm biến rời rạc, xác định hệ số lấp đầy phần diện tích thành phần đầu dị nhạy cảm với tia X tới Trong số ứng dụng (ví dụ X quang vú) điều quan trọng đầu dị có diện tích hoạt động khơng đáng kể nhiều cạnh để tránh không bao gồm mô từ hình ảnh Điều ngăn cản việc sử dụng thu với khung cồng kềnh, chẳng hạn bóng tăng sáng chân khơng , từ ứng dụng Trong trường hợp, vùng chết đầu dị dẫn đến việc sử dụng khơng hiệu xạ truyền qua bệnh nhân trừ chuẩn trực trước bệnh nhân sử dụng để che dấu xạ mà rơi vào vùng chết Thơng thường, liên kết phức tạp bán tiêu điểm, điều không thực tế Một yếu tố hình học khác mà phải coi biến dạng Một hệ thống hình ảnh chất lượng cao trình bày trung thực đồ khơng gian mơ hình đầu vào tia X đến hình ảnh đầu Các hình ảnh thu nhỏ không gian; Tuy nhiên, hệ số tỉ lệ nên không đổi trường ảnh Sự biến dạng khiến phép ánh xạ để trở thành phi tuyến Nó trở nên phụ thuộc tuyến tính theo khơng gian góc cạnh Đây trường hợp ống kính, sợi quang electron quang sử dụng hệ thống hình ảnh tạo 'hình mặt gối' méo dạng trống Cuối cùng, cần lưu ý đầu dò kỹ thuật số chia thành hai loại nói chung, cảm biến cố định cátxét thay Trước đây, máy thu hình tích hợp vào máy phát tia X Trong điều đòi hỏi máy thiết kế đặc biệt với chi phí cao bình thường, giúp loại bỏ cần thiết cho việc tải, tháo nạp việc mang băng cát-xét tới thiết bị đoc riêng biệt chi phí nhân cơng phức tạp Đồng thời, việc sử dụng lượng hạn chế máy thu đơn giản hóa công việc hiệu chỉnh máy thu không đồng (xem đây) Một hệ thống tái sử dụng băng cátxét có ích, nơi mức linh động cao độ đàn hồi yêu cầu, chẳng hạn tình chăm sóc đặc biệt phịng mổ, có ưu điểm phù hợp với đơn vị chụp X quang 3.3 Hiệu suất lượng tử Các cơng đoạn thu nhận hình ảnh ban đầu giống tất đầu dị tia X Để tạo tín hiệu, lượng tử tia X phải tương tác với vật liệu đầu dò Xác suất tương tác hiệu suất lượng tử cho lượng lượng tử E = hv cho ƞ Trong hệ số suy giảm tuyến tính vật liệu đầu dò độ dày hoạt động đầu dị Bởi tất nguồn tia X cho chụp X quang đa lượng, phát xạ tia X phổ lượng, hiệu suất lượng tử phải xác định mức lượng phải biểu diễn giá trị “hiệu dụng” phổ tia X tới thu Quang phổ bị ảnh hưởng hiệu ứng lọc bệnh nhân mà làm “cứng” chùm tia, nghĩa để làm cho mạnh đâm sâu Hiệu suất lượng tử tăng lên cách làm cho đầu dò dày cách sử dụng vật liệu có giá trị cao tăng số nguyên tử mật độ Hiệu suất lượng tử so với lượng tia X cho độ dày khác số vật liệu đầu dò vẽ hình Hiệu suất lượng tử nói chung cao mức lượng thấp, giảm dần với gia tăng lượng Nếu vật liệu có cạnh hấp thụ nguyên tử vùng lượng quan tâm, sau hiệu suất lượng tử tăng lên đáng kể lượng này, gây cực tiểu địa phương cho lượng cạnh hấp thụ Tại lượng tia X chẩn đốn, q trình tương tác hiệu ứng quang điện số lượng nguyên tử tương đối cao hầu hết vật liệu đầu dò Sự tương tác lượng tử tia X với đầu dò phát quang điện tử tốc độ cao Trong tổn thất động đầu dị, kích thích ion hóa xảy ra, sinh tín hiệu thứ cấp (quang lượng tử điện tích) 3.4 Độ phân giải không gian Độ phân giải không gian chụp X quang xác định đặc tính đầu dị yếu tố khơng liên quan đến máy thu Loại thứ bao gồm độ khơng sắc nét phát sinh từ yếu tố hình học Ví dụ như: “vùng nửa tối” kích thước ảnh hưởng nguồn tia X độ phóng đại cấu trúc giải phẫu quan tâm mặt phẳng máy thu hình ảnh chuyển động tương đối nguồn tia X, bệnh nhân máy thu hình ảnh suốt thời gian phơi sáng Các yếu tố liên quan đến đầu dị phát sinh từ kích cỡ độ hiệu dụng, khoảng không gian lấy mẫu phép đo tín hiệu xung quanh ảnh hưởng tới đầu dị hình Những đầu dò cho X-quang kỹ thuật số thường gồm thành phần riêng biệt, thường có kích thước khoảng cách khơng đổi Các kích thước phần hoạt động thành phần đầu dò xác định độ Khẩu độ xác định đáp ứng tần số không gian đầu dị Ví dụ, độ hình vng với kích thước d, sau hàm truyền điều biến (MTF) đầu dò dạng sinc f, f tần số khơng gian dọc theo hướng x y, MTF lần đầu tần số f = , biểu diễn mặt phẳng đầu dị (hình 5) Một đầu dị với d = 50µm có MTF với điểm f = 20 vòng/mm Bởi phóng đại, tần số cao mặt phẳng bệnh nhân Hình 3: Hiệu tương tác lượng tử , độ dày khác phosphor chọn Chú thích rằng, ngoại trừ CsI, hạt phosphor kết hợp với chất kết dính làm cho mật độ nén giảm ( thường 50% ), độ dày hình phải tăng lên để cung cấp giá trị suy hao hiển thị Cũng có tầm quan trọng đáng kể khoảng lấy mẫu p đầu dị, nghĩa góc nghiêng mặt phẳng đầu dị phần tử nhạy cảm phép đo Định lý lấy mẫu nói có tần số khơng gian mơ hình ( tần số Nyquist ) chụp cách xác Nếu mẫu chứa tần số cao hơn, sau tượng gọi sai số lấy mẫu xảy phổ tần số mẫu hình ảnh vượt tần số Nyquist bị phản chiếu bao phủ khoảng tần số kiểu dáng đàn xếp thêm vào phổ tần số thấp hơn, tăng hàm lượng quang phổ rõ ràng hình ảnh tần số thấp (Bendat Piersol 1986) Trong đầu dò bao gồm thành phần rời rạc, khoảng lấy mẫu nhỏ máy thu hình ảnh đơn p = d , cho tần số Nyquist đáp ứng độ giảm xuống hai tần số (cao kích thước vùng nhạy cảm phần tử dò nhỏ d, ví dụ hệ số lấp đầy thành phần đầu dò nhỏ 1.0) Hình 4: Hiệu suất tương tác lượng tử ƞ lựa chọn chuyển đổi trực tiếp thành phần đầu dị Sai số lấy mẫu tránh cách ‘hạn chế dải ‘ hình ảnh, nghĩa làm suy giảm tần số cao lượng hình ảnh đáng kể vượt q tần số Nyquist Các vật mờ kết hợp với vị trí tiêu cự phục vụ mục đích Lưu ý điều không ngăn cản sai số lấy mẫu nhiễu có tần số cao Phương pháp thay mà làm giảm hiểu ứng sai số lấy mẫu (hiệu ứng cưa) tín hiệu nhiễu yêu cầu tần số lấy mẫu hệ thống hình ảnh tăng lên Một phương pháp để đạt điều gọi phối màu (dithering), liên quan đến nhiều máy thu với chuyển động vật lý đầu dò phần nhỏ khoảng cách điểm ảnh máy thu liên tiếp Các loại trừ hình ảnh sau kết hợp để tạo thành hình ảnh cuối Điều làm giảm hiệu p, qua cung cấp tần số Nyquist cao Một số đầu dị khơng có điểm ảnh trễ giai đoạn hấp thu tia X, Hình 19 Cấu trúc mảng CCD, minh họa chuyển động điện tích lưu trữ theo hướng giếng điện điều chỉnh điều khiển điện áp điện cực cổng Trong khu vực CCDS, hệ thống ‘chuyển khung’ (hình 20(a)) sử dụng để nhận đọc nhanh chóng Điện tích tích lũy ban đầu điểm ảnh ‘phát hiện’ sau chuyển tới mảng điểm ảnh ‘dự trữ’ mà từ tín hiệu đọc dịng Ngồi ra, CCDs ‘đọc xem giữa’ (hình 20(b)) có dịng bảo vệ quang học lưu trữ chuyển điểm ảnh lân cận tới cột phần tử đầu dị Điện tích nhanh chóng dỡ vào cột lưu trữ, giải phóng phần tử đầu dị để tích trữ tín hiệu mới, chuyển xuống phần tử cột lưu trữ để đăng ký đầu mà nhận tín hiệu liên tục từ cột lưu trữ Hình 20 Cấu hình đọc điển hình CCDs cho thấy (a) chuyển khung hình, (b) chuyển xen vào dòng, (c) thời gian trễ tích phân (TDI) thiết bị Trong (a) (b) vùng lưu trữ đọc mà bảo vệ khỏi chiếu ánh sáng yêu cầu Các chế độ hoạt động sử dụng để tạo ảnh vùng định dạng nhỏ mà ghép nối tới XRIIs tới phosphors qua sợi quang ống kính Mặc dù chúng cung cấp việc đọc nhanh chóng, hệ thống đòi hỏi vùng lưu trữ xấp xỉ diện tích hoạt động tách sóng quang Trong trường hợp thiết bị nối chuyến, vùng lưu trữ gần kề với cột đầu dị, điều gây yếu tố làm hiệu suất đầu dị bị giảm Vùng định dạng CCDs có sẵn kích cỡ khác từ 226 × 226 điểm ảnh thấp 2048 × 2048 nhiều Tuy nhiên, thời gian đọc thực (30 khung hình/s) bị hạn chế với thiết bị 1000 × 1000 điểm ảnh thấp Đối với hệ thống quét, thảo luận trên, thường thực tế để vận hành CCD cách lấy tích phân thời gian trễ (TDI) (hình 20(c)) Ở đây, phần lưu trữ không cần thiết điện tích tích hợp đồng thời chuyển cột đầu dò nhằm đăng ký đọc ngang Đây loại tích hợp tương tự mong muốn giải phóng nhiễu tương đối Ngồi ra, tất phần tử đầu dị cột góp phần cho điểm ảnh chụp cột đó, hình ảnh sản xuất TDI tương đối không nhạy cảm với vài điểm ảnh cột mà chịu độ nhạy cao thấp bất thường Trong CCD, điện tích dịch chuyển theo kiểu ‘đội cánh’ nhiều phần tử lân cận Do đó, nghiêm trọng mà hiệu suất lần dịch chuyển cao Sự thiếu hiệu suất dịch chuyển gây tổn hao nghiêm trọng độ phân giải không gian đầu dị Nếu tín hiệu phải chuyển qua n phần tử hiệu suất dịch chuyển ε, sau hiệu suất dịch chuyển tồn điện tích Ngay ε 0.999, hiệu suất giảm xuống 90% 100 dịch chuyển 37% 1000 dịch chuyển Ảnh hưởng hiệu suất truyền hoàn toàn nhịe hình ảnh theo hướng đọc Trong CCDs thương mại, giá trị ε cao 0.999999 đạt Cũng quan trọng cơng suất lưu trữ tốt thiết bị Tùy thuộc vào kích thước điểm ảnh, cơng suất 300 000 đến vài triệu electron CCDs thiết kế cho ứng dụng video có xu hướng thiết kế kích thước điểm ảnh siêu nhỏ (15 µm) Đối với ứng dụng y tế, kích thước lớn (25-100 µm) mong muốn thơng thường điều cung cấp cơng suất tốt thích hợp với ràng buộc khác độ phân giải không gian Điều quan trọng CCD thiết kế với bảo vệ ‘chống làm mờ’ thích hợp để ngăn chặn suy thối hình ảnh số giếng điện tích bị đầy tràn Điều xảy hồn cảnh nơi mà đầu dị tia X tiếp xúc không bị suy hao tia X, ví dụ cạnh bệnh nhân Khi CCD sử dụng chế độ TDI, công suất tốt phải mà tích phân điện tích tồn giai đoạn tích phân cung cấp Ví dụ, phần tử đầu dị tích lũy 50 000 electron hàng có 64 hàng CCD tích phân diễn ra, công suất phải 3.2 triệu electron Có thể thay cho XRII Hệ thống kỹ thuật số dựa việc sử dụng XRIIs có số nhược điểm: đặc tính cồng kềnh bóng tăng sáng, thường gây trở ngại cho bác sĩ lâm sàng hạn chế tiếp cận bệnh nhân ngăn chặn việc thu nhận số cảnh chụp X quang quan trọng; độ tương phản hình ảnh tia X tán xạ ánh sáng ống nghĩa che đậy độ chói; biến dạng hình học hình ảnh phần lớn phosphor đầu vào cong biến dạng ‘S’ mà từ tường trái đất Trong dễ để tìm khuyết điểm với XRII, mặt tuổi thọ đến thực tế phải làm hầu hết điều tốt Có lẽ tính quan trọng lượng tử tia X giới hạn phạm vi rộng lớn mức tiếp xúc đầu vào Điều thiết bị hình ảnh tĩnh điện Để ghép nối hình ảnh đến giai đoạn có hiệu quả, điều quan trọng hình ảnh giảm từ định dạng lớn đầu vào tới XRII Khi so sánh tĩnh điện giảm định dạng quang biểu diễn hình 12, nhìn thấy nhiều trạng thái quang học ánh sáng phát từ hình bị tỷ lệ ánh sáng bị tăng nhanh yêu tố thu nhỏ tăng lên (xem hình 13) Trong hệ thống tĩnh điện XRII, ánh sáng từ phosphor ghép nối hiệu với catot quang electron phát xạ thu thu thập hiệu tăng tốc để cung cấp cho khuếch đại Điều tránh bồn rửa thứ cấp, thường vấn đề với khớp nối quang 9.1 Hệ thống biểu tượng X (X-icon) Một phương pháp khác mà loại bỏ cần thiết cho XRII thường quy biểu tượng X Đây tia X xác trực tiếp, máy quay video diện tích lớn Về ngun tắc, tồn chuỗi ảnh X quang chiếu (XRII, phân phối quang thiết bị quang phức tạp) thay biểu tượng X diện tích rộng, tín hiệu phân phối điện tử mục tiêu theo đuổi số nhà nghiên cứu (Keller Ploke 1955, Nishida Okamoto 1968, Jacobs 1980) Luhta Rowlands (1993) xem xét lại lịch sử phát triển biểu tượng X mô tả phát triển họ mục tiêu Hệ thống họ, minh họa hình 21, thiết bị giai đoạn đơn chứa đựng bên bình thủy tinh chân khơng Pyrex chứu lớp phẳng selen vơ định hình có độ dày xấp xỉ khoảng 500 µm đầu dị tia X Mặt khác, hoạt động giống máy quay video miêu tả trước Do số lượng giảm giai đoạn so với hệ thống XRII/video có khả cho độ phân giải cao Nó vốn thiết bị trường phẳng vấn đề biến dạng làm mờ nên có tính chất nghiêm trọng so với XRII Đèn vidicon tia X nhạy cảm nghiên cứu trước khơng hài lịng tất u cầu cần thiết cho ứng dụng y tế Thậm chí đặc trưng kỹ thuật đầy đủ, X-icon khơng thể thành cơng q khứ khơng có hệ thống hữu ích cho (i) lưu trữ trình tự hình ảnh tạo video để thay máy quay phim (ii) lưu trữ phim X quang đơn chất lượng cao định dạng nhỏ tương ứng với chế tạo máy quay X quang chiếu quang 100mm Tuy nhiên, khoảng cách lấp băng video độ phân giải cao có sẵn đĩa ghi âm lưu trữ khung kỹ thuật số 10 Hệ thống hình phẳng Một đầu dị kỹ thuật số hình phẳng, ngun tắc, thực tất phương thức phóng xạ – chụp X quang,X quang chiếu chụp ảnh huỳnh quang Nó cung cấp chất lượng hình ảnh cao hiển thị Hiện thiết bị tia X dễ dàng thích nghi để sử dụng đầu dị Cơng nghệ khu vực lớn mảng ma trận động mà hình thành cấu trúc đọc cho hệ thống hình phẳng phát triển cho hình tinh thể lỏng (LCD) thập kỷ Màn hình LCD ma trận động (AMLCDs) thực sử dụng silicon vơ định hình bị hydro hóa (a-Si:H) (Piper người khác 1986, Powell 1989), đa tinh thể (poly-Si) catmi selenua (CdSe) bán dẫn (Brody người khác 1984) Trong năm gần đây, số nhà sản xuất Nhật Bản, Châu Âu Bắc Mỹ đầu tư nhiều phát triển trở thành cơng nghệ u thích cho hình máy tính xách tay Mỗi bảng hiển thị bao gồm hai kính với lớp đồng tinh thể suốt khoảng Một dải ma trận động (tức mạch diện tích lớn tích hợp bao gồm số lượng lớn transistor trường màng mỏng (TFTs) kết nối tới điện cực ảnh riêng biệt ma trận) Các dải khác có lớp điện cực đồng Hình 21 Chuyển đổi trực tiếp tạo ảnh ống chân khơng selen (X-icon) có khả hoạt động X quang X quang chiếu Các nhà Pyrex giải tán bao quanh mục tiêu selen vơ định hình lắng đọng chất nhơm Các electron phát súng bị lệch đai quét va chạm đến mục tiêu Tiêu điểm hình thành với trợ giúp hai phần điện cực G3 Các lưới chống nhiễu cần thiết để ngăn ngừa độ bền hình ảnh chiếu sáng cao Tính bất ổn mục tiêu điện áp lớn cần thiết lớp selen vơ định hình dày Các tín hiệu lấy trực tiếp từ mục tiêu cấp cho tiền khuếch đại Hai cách tiếp cận chung cho đầu dò X quang số hình phẳng nghiên cứu Trong cách đầu tiên, lớp phosphor sử dụng để hấp thụ tia X photon ánh sáng tổng hợp phát mảng đi-ốt quang diện tích lớn đọc với thiết bị hoạt động (ví dụ, bóng bán dẫn màng mỏng chuyển mạch đi-ốt) tích hợp vào đĩa điểm ảnh (Antonuk người khác 1991, Fujieda người khác 1993) Trong cách tiếp cận thứ hai (đôi gọi phương pháp trực tiếp), tia X phát lớp selen vơ định hình kết điện tích thu điện cực điểm ảnh riêng biệt Cuối cùng, đọc xảy cách sử dụng ma trận động phương pháp gián tiếp Những lợi tiềm tự quét, hệ thống đọc số liệu bao gồm kích thước nhỏ gọn chúng cho phép tiếp cận tốt với bệnh nhân so với thiết bị cồng kềnh XRII thường quy Từ chúng phẳng, chúng dự kiến phần lớn khơng bị che chói, đồng hình học Khơng giống XRII, chúng miễn với từ trường rải rác Các tính chất tạo điều kiện định lượng hình ảnh phân tích, trình diện so sánh lâm sàng hình ảnh từ phương thức khác, ứng dụng tái tạo 3D chùm khối CT hình nón (Ning người khác 1991), sử dụng môi trường từ tính phịng MRI 10.1 Đầu dị lân quang hình phẳng Một vài nhóm phát triển mảng tách sóng quang diện tích lớn gồm diot quang riêng biệt tạo với silicon vơ định hình, tia X thơng thường hấp thụ lân quang, Gd2O2S, đặt tali pha tạp xezi iotdua (CsI:Tl) phát triển (Perez-Mendez người khác 1989, Fujieda người khác 1991) Nguyên tắc hoạt động đầu dị silicon vơ định hình thể sơ đồ hình 22 Các điểm ảnh phát cấu diode tách sóng quang (hình 22 (a)) mà chuyển đổi tín hiệu quang từ lân quang để tích điện lưu trữ mà sạc đầy điện dung điểm ảnh Là thiết bị nhiễu thấp, diot quang cung cấp phạm vi hoạt động lớn, thứ 40 000 Một mảng đọc transistor màng mỏng điển hình biễu diễn hình 22(b) Các tín hiệu đọc cách kích hoạt đường điều khiển quét cho hàng thiết bị mà kết nối với cổng TFTs nằm điểm ảnh phát Tồn hàng mảng dị kích hoạt đồng thời tín hiệu đọc dịng cho cột mảng mà kết nối tất nguồn TFT cột tới khuếch đại điện tích nhiễu thấp Các tín hiệu khuếch đại từ cột sau ghép số hóa Điều cho phép đầu dị đọc nhanh chóng địi hỏi số lượng kênh điện tử với số cột mảng Cả hệ thống chụp X quang (Antonuk người khác 1992) X quang chiếu (Schiebel người khác 1994) mơ tả Hình 22 (a) Ngun tắc đầu dị silicon vơ định hình (xem mặt cắt ) cho thấy transistor màng mỏng (TFT) n-i-p a-Si: H điot quang với điện cực indi tin oxít (ITO) dẫn điện suốt nối với điện áp lệch chung xấp xỉ 5V Các điện cực khác điốt quang kết nối với cực máng (D) TFT mà đóng vai trị cơng tắc, điều khiển điện cổng (G), để kết nối điốt quang tới nguồn (S) (b) Mảng hiển thị ma trận silicon vơ định hình thành phần điểm ảnh (điốt quang ) ngắt mạch transistor màng mỏng mà sử dụng để đầu dò bề mặt lớn Việc kiểm sốt qt địa dịng mảng đường tín hiệu điện tích đọc cột thiết bị kết nối với khuếch đại điện tích Ngồi ra, thay phối hợp chuyển mạch diot TFT khác sử dụng (Chabbal người khác 1996, Graeve người khác 1996) Ưu điểm phương pháp diot từ diot quang phải thực hiện, diot chuyển mạch thực lúc mà không cần tăng bước xử lí Các nhược điểm diot đọc phi tuyến bền phun điện tích rộng Khu vực định cho điểm ảnh mảng phải bao gồm điot quang, chuyển mạch điều khiển đường tín hiệu chuyển đổi yếu tố bổ sung 100% Sự hao hụt điện hiệu suất sử dụng tia X trở nên cân xứng lớn kích thước điểm ảnh bị giảm cung cấp thách thức việc áp dụng công nghệ để có ứng dụng với độ phân giải cao Ưu điểm việc sử dụng CsI chất hấp thụ tia X phát triền tinh thể dạng cột mà hành động sợi quang (hình 7(b)) Khi kết hợp với điểm ảnh diot quang, có lan rộng sang bên ánh sáng độ phân giải khơng gian cao trì Ngồi ra, khơng giống chất lân quang thơng thường, trơng khuếch tán ánh sáng độ phân giải trở nên tồi tệ độ dày tăng lên, chất lân quang CsI chế tạo đủ dày đủ để đảm bảo giá trị ƞ cao trì độ phân giải khơng gian cao 10.2 Hệ thống chất bán dẫn tĩnh điện Có nhiều ưu điểm việc sử dụng hệ thống chất bán dẫn tĩnh điện chất quang dẫn, selen vô định hình (a-Se), chất bán dẫn, silicon, độ tinh khiết cao, mẫu đơn tinh thể chất lân quang Các sở hầu hết hệ thống hình ảnh tia X y tế lớp chất lân quang ‘màn ảnh’ thể hình 7(a) Như thảo luận trước, tia X hấp thụ ảnh phát ánh sáng mà phải lên bề mặt để tạo hình ảnh trải phía bên ánh sáng xác định khuếch tán Như đường kính bóng mờ so sánh với độ dày hình Những bóng mờ gây mát thơng tin hình ảnh tần số cao mà sở (Sandrik Wagner 1982) phần lớn khơng thuận nghịch Sự mát làm giảm cách sử dụng chất huỳnh quang CsI mà phát triển hình thức gợi nhớ sợi quang (hình 7(b)) Tuy nhiên, phân tách sợi tạo nứt kết soi rãnh ánh sáng khơng hồn chỉnh (Spekowius người khác 1995) Một chọn phương pháp khác thích hợp sử dụng lớp tĩnh điện vơ định hình (Brodie Gutcheck 1982) biễu diễn hình 7(c) Tia X tương tác đĩa quang dẫn phát electron lỗ trống, chúng tích điện, dẫn trực tiếp tới bề mặt chất quang dẫn cách áp dụng trường điện Những hình ảnh tích điện ngầm bề mặt chất quang dẫn là, đó, không bị làm mờ đáng kể đĩa làm đủ dày để hấp trụ hầu hết tia X tới (Que and Rowlands 1995) Selen vơ định hình (a-Se) chất quang dẫn phát triển cho ứng dụng tia X Trạng thái vơ định hình làm cho trì đặc tích hình ảnh thống với hầu hết bề rộng nguyên tử (khơng có biên hạt ) diện rộng Các chức lớp a-Se để làm suy giảm tia X, tạo cặp electron – lỗ trống tự (theo tỷ lệ với cường độ tia X tới) thu nhận chúng điện cực Để đạt giá trị ƞ cao, đầu dò phải có độ dày cân xứng (hình 4) Hiệu suất cao việc chuyển đổi lượng tia X hấp thụ thành cặp electron – lỗ trống yêu cầu trường điện tích cao Cuối cùng, số lượng phần lớn bẫy lớp phải nhỏ mà tất chất mang tự tiếp cận điện cực riêng họ Mỗi bề mặt phải có điện cực gắn liền cho phép thu nhận điện tích từ a-Se ngăn chặn cổng vào điện tích từ điện cực vào a-Se Điều gọi khối tiếp xúc, mà phải trì điện trường cao (Schaffert 1980) Cuối bề mặt a-Se hình ảnh hình thành phải có độ dẫn ngang nhỏ, mặt khác điện tích hình ảnh dịch chuyển sang bên phá hủy độ phân giải Độ dẫn điện ngang nhỏ thực cách đưa vào mật độ cao bẫy a-Se gần với mặt phân cách hình ảnh (Pai and Springett 1993) Các ứng dụng y tế a-Se chụp X quang tĩnh điện (Boag 1973) – ảnh tích điện ngầm bề mặt a-Se đọc với mực – thành công kỹ thuật thường ngày Mặc dù chụp X quang tĩnh điện (xem Jeromin 1988) không cịn cạnh tranh nữa, điều có lẽ phương pháp mực đọc sử dụng thời điểm đó, khơng phải tính chất a-Se (Brodie Gutcheck 1985) Như vậy, cách sử dụng hiển thị điện tử, a-Se lại trở nên khả thi sở hệ thống hình ảnh lâm sàng Neitzel người khác (1994) mơ tả thương mại có sẵn máy quét trống a-Se cho chụp X quang ngực Điều tương tự việc trước Xerox (Jeromin Klynn 1979) Philips phịng thí nghiện nghiên cứu họ Aachen (Hillen et al 1988), đọc kết thực cách quét mảng tuyến tính điện kế nhỏ hình ảnh tĩnh điện a-Se vơi bột màu phủ huỳnh quang quét laser Họ cho thấy hình ảnh chi tiết mà cho phù hợp với X quang vú Cook người khác (1994) công bố giới thiệu sơ công việc gần họ đọc kết phóng laser a-Se Cơng việc có liên quan đến công bố sớm Korn người khác (1978), Zermeno người khác (1979), DeMonts Beaumont (1989) đọc kết khoảng không (Rowlands người khác 1991) đọc kết với điện môi trạng thái ngưng tụ (Rowlands Hunter 1995) Lee người khác (1996) mơ tả phương pháp hình phẳng cho chụp X quang, dựa việc sử dụng phương pháp đọc ma trận động cho a-Se cách tiếp cận tương tự biện hộ Zhao Rowlands (1992, 1995) cho chụp X quang X quang chiếu Các tính tiềm ẩn phương pháp là: chất lượng hình ảnh cao, tỉ lệ đọc thời gian thực kích cỡ nhỏ gọn Các khái niệm thể hình 23 Trong thời gian tiếp xúc tia X, lượng hấp thụ lớp a-Se điện tích tạo thu hút điện trường bên đến bề mặt Điện tích hình ảnh thu nhận điện cực điểm ảnh tích lũy lên điện dung điểm ảnh (nghĩa điện dung riêng tụ điện lưu trữ tích hợp) Các điện cực điểm ảnh tụ điện lưu trữ kết nối đến công tắc TFT điểm ảnh Các thiết bị đọc tương tự sử dụng với silicon vơ định hình (hình 22 (b)) Các mạch điều khiển quét bên tạo xung để bật tất công tắc TFT hàng mảng chuyển điện tích từ tụ điểm ảnh tới hàng rào đọc (cột) Các điện tích sau thu nhận khuếch đại khuếch đại thành liệu cho toàn hàng ghép (Các khuếch đại ghép kênh mạch tích hợp silic đơn tinh thể khác mà nối ghép dây tới mảng ) Trình tự lặp lại cho hàng mảng Đầu đọc thời gian thực phương pháp có điện sử dụng chụp X quang X quang chiếu Fahrig người khác (1995) phân tích yếu tố ảnh hưởng DQE đầu dị tia X a-Se Hình 23 Ngun tắc đầu dị bề mạt selen vơ định hình (xem hình 22 (b) cho cấu hình đọc ) Lớp a-Se bay trực tiếp vào mảng ma trận động thành phần điểm ảnh điện cực đơn giản Một điện trường thành lập selen cách áp dụng điện áp cao thích hợp tới điện cực đầu phổ biến lớp a-Se Điện tích phát xạ thu nhận điện trường tụ điện thực hiện, cho ví dụ, bang cách lồng ghép điện cực điểm ảnh hàng cổng lân cận 11 Các hệ thống chuyển đổi trực tiếp khác Những ưu điểm việc chuyển đổi trực tiếp tín hiệu tia X để điện tích rõ ràng Những vấn đề liên kết với bồn rửa lượng tử thứ cấp loại bỏ thành phần phép quang cồng kềnh khơng u cầu Một vật liệu mà sử dụng để chuyển đổi trực tiếp silicon tinh thể Silicon sử dụng cho phổ tia X tia gamma phép đo liều lượng Một xây dựng điot quang P-I-N đơn giản cấu đầu dị ảnh tia X Silicon tạo cặp electron – lỗ trống cho 3.6 eV đọng tinh thể (bảng 1), lượng tử 40 KeV sản xuất 11 100 cặp electron – lỗ trống Điều thu nhận hiệu từ vùng suy giảm điốt điện trường đặt khu vực Như đầu dị vận hành nhiệt độ phòng, đặc điểm nhiễu nhiệt thiện đáng kể cách làm lạnh tới vài độ C Các điốt quang sản xuất với cường độ cao, bị giới hạn số lượng tử thu nhận điểm ảnh, tức mức nhiễu chấp nhận giảm liều bệnh nhân Như xem hình 4, silicon, nguyên tử khối Z mật độ thấp, khơng phải chất hấp thụ tia X hiệu mức lượng cao, để đạt giá trị ƞ chấp nhận được, chí mức lượng X quang vú Đầu dị phải dày mm Đối với đầu dị có độ phân giải cao (p = 50 µm), điều nghĩa lượng tử đập vào bề mặt cổng vào đầu dò số khoảng cách từ tia trung tâm chùm tia X, phạm vi tác động khác thường, có khả hấp thụ phần tử đầu dò liền kề, khiến mở rộng hình học dịng lây lan chức Để tránh vấn đề này, mảng đầu dò bố trí dọc theo mặt cong, với bán kính đường cong khoảng cách từ ảnh tới nguồn (SID) hình 24(a) Một phương pháp sản xuất loại đầu dị (hình 24 (b)) hỗn hợp mảng pixelated ốt quang hiển thị TDI CCD hình thành bề mặt riêng biệt Hai ma trận tham gia vào điểm ảnh cạnh điểm ảnh sở một loạt va chạm indi vi mơ Do điện tích giải phóng ốt quang thu nhận tổng hợp xuống cột CCD cuối số hóa Những đầu dò thiết kế ban đầu sử dụng cho việc chụp ảnh phổ hồng ngoại biễu diễn để cung cấp độ phân giải khơng gian cao đặc điểm hình ảnh mong muốn khác điều chỉnh để để sử dụng với tia X (Henry người khác 1995) Có khả tương lai, nhiều vật liệu đầu dò hấp thu tia X cho ốt quang kẽm catmi telurit (CdZnTe), thủy ngân iotua thali bromua (Shah người khác 1989) sẵn có cung cấp ƞ cao cho cấu trúc đầu dò mỏng làm cho đầu dò chuyển đổi trực tiếp nhiều thực tế Hình 24 (a) Những đầu dị sử dụng vật liệu có nguyên tử khối Z, mật độ thấp phải dày để đạt giá trị ƞ thích hợp Để tránh hao hụt độ phân giải chênh lệch hình học đầu dị tín hiệu phải uốn cong tia X phạm vi hoạt động bình thường (b) Một đầu dị hỗn hợp sử dụng tinh thể silicon kẽm catmi telurit hấp thụ tia X Các điểm ảnh đầu dò kết nối tới yếu tố CCD lớp đọc 12 Kết luận Có số phương pháp cho việc sản xuất đầu dò cho X quang kỹ thuật số, khơng phải cơng nghệ tối ưu cho tất ứng dụng Sự lựa chọn công nghệ phụ thuộc vào độ phân giải khơng gian u cầu hình ảnh tốc độ chụp ảnh cần thiết chi phí chấp nhận Sự tối ưu hóa địi hỏi ý cẩn thận đến đặc điểm kỹ thuật việc chụp ảnh lâm sàng thơng tin hình ảnh quan trọng u cầu nghiên cứu Tương tác chặt với bác sĩ X quang bác sĩ lâm sàng giúp đảm bảo cơng nghệ chụp ảnh đáp ứng thích hợp yêu cầu ... liệu đầu dò độ dày hoạt động đầu dò Bởi tất nguồn tia X cho chụp X quang đa lượng, phát x? ?? tia X phổ lượng, hiệu suất lượng tử phải x? ?c định mức lượng phải biểu diễn giá trị “hiệu dụng” phổ tia X. .. phải xem x? ?t cẩn thận x? ?c định yêu cầu kích thước thu 3.2 Đặc trưng hình học Một số yếu tố xem x? ?t ‘ vùng khơng hoạt động (vùng chết) ‘, tồn bên xung quanh cạnh đầu dò Trong đầu dò điện tử dùng cho. .. hình ảnh ban đầu giống tất đầu dị tia X Để tạo tín hiệu, lượng tử tia X phải tương tác với vật liệu đầu dò X? ?c suất tương tác hiệu suất lượng tử cho lượng lượng tử E = hv cho ƞ Trong hệ số suy giảm