ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Môn Công Nghệ Chuẩn Đoán Hình Ảnh I Đề tài Đầu dò cho máy X – quang và CT GVHD TS Nguyễn Thái Hà Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Tiệp MSSV 20122562 MỤC LỤC 1 GIỚI THIỆU 1 2 VẬT LIỆU CHUYỂN ĐỔI 1 2 1 Scintillators 2 2 2 Vật liệu chuyển đổi trực tiếp 3 3 ĐI ỐT QUANG VÀ ĐIỂM ẢNH ĐIỆN TỬ 5 3 1 Đầu dò tia X phẳng dựa trên silicon vô định hình 5 3 1 1 Quá trình phát triển 5 3 1 2 Cải tiến đầu dò phẳng silicon vô định hình 6 3 2 MÁY DÒ.
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Mơn Cơng Nghệ Chuẩn Đốn Hình Ảnh I Đề tài: Đầu dị cho máy X – quang CT GVHD: TS Nguyễn Thái Hà Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Tiệp MSSV 20122562 MỤC LỤC GIỚI THIỆU VẬT LIỆU CHUYỂN ĐỔI 2.1 Scintillators 2.2 Vật liệu chuyển đổi trực tiếp 3 ĐI ỐT QUANG VÀ ĐIỂM ẢNH ĐIỆN TỬ .5 3.1 Đầu dò tia X phẳng dựa silicon vơ định hình 3.1.1 Quá trình phát triển .5 3.1.2 Cải tiến đầu dị phẳng silicon vơ định hình 3.2 MÁY DÒ CT ĐA LÁT 3.2.1 Xu hướng công nghệ .8 3.2.2 Nâng cao công nghệ cho CT TRIỂN VỌNG 10 KẾT LUẬN .11 TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 GIỚI THIỆU Đầu dị tín hiệu yếu tố trung tâm hệ thống chiếu chụp hình ảnh y tế Trong phương thức tạo ảnh X- quang, CT, SPECT PET tín hiệu xạ ion hóa tia X tia γ Bộ dò ảnh bao gồm nhiều rãnh đầu dò Các dò máy X- qang đại tạo tới vài triệu điểm ảnh Trong viết tìm hiểu dị cho X- quang CT Nói chung dị máy X- quang CT bao gồm chuyển đổi để biến đổi tín hiệu tia X thành tín hiệu điện Các giai đoạn chuyển đổi mạch điện tử thực a, Sơ đồ tổng quát đầu dò b, Bộ chuyển đổi gián tiếp Đa số đầu dò máy X – quang CT cho ảnh động sử dụng chuyển đổi gián tiếp tức tia X biến đổi thành ánh sáng biến đổi thành tín hiệu điện thơng qua cảm biến quang Có nhiều thiết kế tham số hiệu suất khác liên quan đến đầu dò yếu tố quan trọng phạm vi hoạt động, độ phân giải VẬT LIỆU CHUYỂN ĐỔI Vật liệu chuyển đổi cần phải hấp thụ tia X biến đổi thành ánh sáng biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện Giai đoạn ảnh hưởng lớn đến hình ảnh tổng thể Các đặc điểm vật liệu chuyển đổi là: - Hiệu suất dò - Độ nhạy - Độ phân giải không gian - Độ phân giải thời gian Cần phải phân biệt hiệu suất dò độ nhạy chụp X – quang CT nhiễu thay đổi liên tục hiệu suất dị cao tốt ví dụ 80% hơn, hiệu suất dị q thấp cải thiện ảnh cách tăng độ nhạy đầu dò 2.1 Scintillators Scintillators vật liệu phát ánh sáng hấp thụ lượng từ tia xạ tia X hạt tích điện, với tia X scintillator thường hợp chất vơ có chứa số ngun tố nặng Soda iốt (NaI) cadmium tungstat (CdWO4) Hiệu suất dò cao lượng tử mức lượng 60 KeV cao Thông thường độ dày scintilltor khoảng 0,3 – 2,5 mm chụp X – quang CT Hình 2: Cấu trúc cột CSI: Tl scintillator Ảnh X quang cần độ phân giải khơng gian tốt mức 100 µm đầu dò Cesium iodide (CSI) thường sử dụng cho ứng dụng này, phát triển với cấu trúc cột hình Cấu trúc hạn chế lan truyền ngang ánh sáng nhấp nháy, đóng góp đáng kể để đạt độ phân giải không gian chấp nhận CSI pha trộn với thalium thứ hoạt động chất kích hoạt việc chuyển đổi tối đa phổ ánh sáng phát xạ vùng màu xanh Sản lượng ánh sáng CSI: Tl khoảng 60 photon keV lượng lưu trữ CSI: Tl lộ vùng sáng đáng kể khoảng 1% sau 10 ms Tuy nhiên, hình ảnh X-ray giá trị chấp nhận Sau chiếu mạnh tia X suất ánh sáng CSI: Tl tăng nhẹ, hiệu ứng gọi 'bỏng sáng' Hình 3: Mảng tinh thể CdWO4 cho ảnh CT Đối với hình ảnh CT yêu cầu độ phân giải không gian mm đầu dò, giàn xoay nhanh số lượng lớn tín hiệu cần lồng ghép có thời gian ngắn 100 µs cần scintillator tốt Thường cadmium Tungstat (CdWO4) gadolinium oxysulfide (GOS, Gd2O2S) chọn CdWO4 có suất ánh sáng khoảng 20 photon keV, GOS, tùy thuộc vào kích thích, đạt 35-60 photon keV Các tinh thể nhấp nháy gia công thành miếng nhỏ khoảng 2-5 mm³, sau gắn bên cạnh với vật liệu phản chiếu chúng để tránh ánh sáng xuyên qua tinh thể ( hình 3) 2.2 Vật liệu chuyển đổi trực tiếp Vật liệu chuyển đổi trực tiếp tạo tín hiệu đo lường hấp thụ tia X Thơng thường, vật liệu có điện trở suất cao (1010-1016 Ωcm) vận hành điện trường tương đối mạnh (0,1 đến 20 V / mm) Đối với ứng dụng ảnh X-quang, số vật liệu quang dẫn cổ điển nghiên cứu, selenium vơ định hình vật liệu đa tinh thể chì iodide (PbI2) oxit chì (PbO) thủy ngân iodide (HgI2) Một số tính chất vật liệu liệt kê Bảng Ưu điểm vật liệu chuyển đổi trực tiếp độ phân giải khơng gian vốn có tốt Ngay điểm ảnh mịn cách 100 micro nhỏ tín hiệu phụ trách nằm vùng điểm ảnh mà tia X hấp thụ Điều điện trường tương đối cao xác định rõ vật liệu khuếch tán ngang nhỏ hạt mang điện Hình cho thấy hình ảnh X-quang thu lớp phát PbO Cho đến bây giờ, selen vơ định hình sử dụng đầu dò X-ray thương mại vật liệu khác giai đoạn nghiên cứu Bảng 1: Một số tính chất vật liệu chuyển đổi trực tiếp Hình 4: Ảnh X quang có lớp dị tìm PbO Một vấn đề thường gặp vật liệu chuyển đổi trực tiếp vơ định hình đa tinh thể hành vi thời gian chúng Một số vật liệu cho tín hiệu cịn sót lại mạnh, tức sót lại vùng tối sau chiếu tia X khoảng vài phần trăm s sau tắt điện X-quang Selen vơ định hình thể độ nhạy giảm (giảm hiệu suất) sau chiếu tia X Điều gọi hiệu ứng bóng mờ phân rã chậm hơn, có mặt vài phút Ngồi cịn có số vật liệu khác silicon germanium, hai khơng nặng germanium thường phải làm lạnh hoạt động Một vật liệu nhận quan tâm nghiên cứu nhiều cadmium kẽm telua (CZT, Cd0.9Zn0.1Te) Một số tính chất nêu bảng CZT có hiêu suất cao khoảng 200 e KeV lượng chế độ thời gian tốt nhiều so với vật liệu vô định hình đa tinh thể Đàu dị tinh thể dùng cho X quang, CT SPECT nhiên vật liệu cịn đắt khơng thể sản xuất với kích thước tùy ý ĐI ỐT QUANG VÀ ĐIỂM ẢNH ĐIỆN TỬ 3.1 Đầu dò tia X phẳng dựa silicon vơ định hình 3.1.1 Q trình phát triển Các lĩnh vực phát triển đầu dị hình ảnh tia X qua nhiều công nghệ khác Từ năm 1970 công nghệ tiêu chuẩn hệ thống khuếch đại hình ảnh (II-TV) đặt ống chân khơng lớn kết hợp với ống kính quang điện tử, hình phốt máy ảnh quang học Khoảng từ năm 2000 trở đi, máy dò X quang động sử dụng cơng nghệ silicon vơ định hình giới thiệu cho ảnh tim mạch, thần kinh, hình ảnh mạch máu ứng dụng khác Ngồi cho hình ảnh X-ray tĩnh, ví dụ chụp X quang nói chung, cơng nghệ silic vơ định hình thường sử dụng hệ thống Đa số máy dò X-quang phẳng dựa chuyển đổi gián tiếp sử dụng CSI: Tl làm vật liệu, thảo luận phần 2.1 Ánh sáng quang học phát diode tách sóng quang silic vơ định hình bảng điều khiển điện tử vùng rộng Đi ốt quang có dịng rị nhỏ có độ nhạy tối đa nằm vùng màu xanh nơi CSI: Tl có khả phát xạ ánh sáng cao Các sơ đồ mạch cho chuyển đổi gián tiếp đầu dò phẳng thể hình 5a Mỗi điểm ảnh có bóng bán dẫn màng mỏng a-Si (TFT) nhân tố chuyển đổi, cho phép đọc hàng mảng pixel Các ốt pixel ốt biến dung cho dịng điện qua từ ánh sáng scintillator chiếu tia X Trong thời gian đọc ra, khuếch đại nhạy bên (CSA) kết nối với cột đọc diode điểm ảnh với điện áp cố định ngược lại, thường từ 5-10 V Trong lúc đọc cấu hình, nguồn nhiễu trội nhiễu reset diode (còn gọi nhiễu KTC cho kTCpix, CPIx điện dung pixel) nhiễu khuếch đại nhạy Nhiễu ốt rò rỉ loại nhiễu nhỏ Ngoài tác dụng theo thời gian scintillator, ốt quang silicon vô định hình TFT điểm ảnh cho thấy hiệu ứng theo thời gian, cụ thể tín hiệu cịn sót lại, hiệu ứng tăng sáng (tương tự bóng mờ) đọc khơng đầy đủ Hai tác động cho vùng bẫy a-Si Cả hai giảm cách chiếu sáng ốt quang a-Si với ánh sáng bổ sung Hình 5: Mạch chuyển đổi gián tiếp (a) chuyển đổi trực tiếp (b) Sự đời máy dị X-quang phẳng dựa cơng nghệ a-Si thị trường thiết bị y tế thành công So với hệ thống II-TV trước, máy dò phẳng cồng kềnh, có hình ảnh khơng bị biến dạng gần hoàn toàn ngăn chặn hiệu ứng làm mờ sụt giảm tần số Đối với nhiều ứng dụng việc mở tiềm sử dụng phạm vi lớn Các máy dò phẳng dựa vật liệu chuyển đổi trực tiếp (phần 2.2) sử dụng công nghệ a-Si cho chất có diện tích lớn Các mạch điểm ảnh giống nhau, thể hình 4-5b Một điện cực thu tụ điện mà tín hiệu thu tích hợp trình chiếu tia X thay ốt quang a-Si Việc đọc hoạt động cách tương tự mô tả cho mạch chuyển đổi gián tiếp 3.1.2 Cải tiến đầu dị phẳng silicon vơ định hình Sau cơng nghệ gốc chuyển từ khuếch đại hình ảnh sang đầu dị tia X, nghiên cứu phát triển lĩnh vực tâp trung vào việc cải thiện máy dò X quang a – Si Đề tài cải tiến tỷ lệ tín hiệu nhiễu liều tia X thấp, phạm vi hoạt động độ phân giải khơng gian Ngồi việc giảm chi phí sản xuất thực bổ sung chức công nghệ a-Si xu hướng tất yếu Một cách để cải thiện tỷ lệ tín hiệu nhiễu tăng cường lấp đầy điểm ảnh phần vùng điểm ảnh nhạy cảm với ánh sáng Để kết thúc này, số phương pháp để tăng kích thước photodiode pixel phát triển, bao gồm công nghệ diode-on-top lớp photodiode vô hạn Một yếu tố lấp đầy cho phép xây dựng mảng đầu dò với điểm ảnh nhỏ nâng cao độ phân giải không gian Một cách khác để đạt tỷ lệ tín hiệu nhiễu cao khuếch đại tín hiệu có điểm ảnh Một số mạch khuếch đại đề xuất Có nhiều ảnh hưởng từ tính chất dẫn điện silicon vơ định hình TFTs đặc biệt sạc chậm độ lệch điện áp ngưỡng theo thời gian Trong mạch phức tạp nguồn nhiễu khác phải tính đến Ví dụ mạch khuếch đại tín hiệu vẽ hình Các mạch điểm ảnh tiên tiến khác bao gồm việc tích hợp q trình lấy mẫu giữ giai đoạn hạn chế nhiễu tái tạo phương pháp lấy mẫu tương ứng Các chức bổ sung kể đến hình thức tích hợp cảm biến cho phép điều khiển thiết bị X quang thời gian chiếu xung tia X Thông tin cảm biến hấp thụ không bị triệt tiêu qua tụ Ctap gắn với nút điểm ảnh Sử dụng hợp lỹ thiết bị điện tử xử lý hình ảnh với tốc độ cao (khoảng 10KHz) Ngồi cơng nghệ a-Si tinh khiết, cịn có phiên cơng nghệ cao công nghệ vùng điểm ảnh lớn khác khảo sát Ví dụ điện tử poly-silicon, thiết bị điện tử linh hoạt sản xuất trình khép kín khơng tốn kém, bao gồm phương pháp in phun mực polymer lên thiết bị điện tử Ngồi đầu dị mảng CMOS đề xuất cung cấp hiệu suất tuyệt vời Tuy nhiên, để tạo racác máy dò cho vùng lớn có đủ suất vấn đề với cơng nghệ Hình 6: Mạch điểm ảnh với khuếch đại tín hiệu Hình 7: Sơ đồ minh họa cảm biến liều tích hợp 3.2 MÁY DỊ CT ĐA LÁT 3.2.1 Xu hướng cơng nghệ Công nghệ chụp cắt lớp (CT) thập kỷ qua bị chi phối hai xu hướng, giàn xoay nhanh nhận diện lát cắt theo trục thể bệnh nhân (multi-slice CT) Cả hai xu hướng giúp giảm thời gian quét từ khoảng 20 phút để khoảng nửa phút Đồng thời, độ phân giải khơng gian cải thiện, dẫn đến hình ảnh tốt hiển thị thể người tất quan quan tâm Đề án xây dựng máy dò CT tương tự Các đầu dị bố trí vịng cung dài m vịng trịn, đơi gọi 'dò chuối' Mỗi điểm ảnh bao gồm scintillator tinh thể ốt quang tương ứng Đi ốt quang sau kết nối với kênh điện tử, thường bao gồm khuếch đại ADC (ADC) tối ưu hóa cho máy dị CT hoạt động Các diode tách sóng quang phát triển từ điốt đơn xếp tuyến tính thành mảng hai chiều diode tách sóng quang Tất ốt quang làm từ silicon tinh thể Đi ốt quang chiếu sáng từ phía trước, điểm ảnh liên lạc định tuyến bên với hai cạnh mảng ốt Với số lượng lát trục CT vượt 32, định tuyến kết nối nhiều điểm ảnh đến cạnh trở nên khó khăn Vấn đề giải cách chiếu sáng phía sau ốt, nơi mà định tuyến địa liên lạc điểm ảnh khơng cịn cần thiết Các kết nối từ điểm ảnh thực trực tiếp với chất sử dụng công nghệ kết nối đại Đối với thiết bị điện tử, số lượng ngày tăng máy dò lát dẫn đến xu hướng mạnh mẽ để thu nhỏ tích hợp kênh thiết bị điện tử, để giảm chi phí điện tiêu thụ để giảm thiểu nhiễu cách giữ khoảng cách diode tách sóng quang thiết bị điện tử ngắn Hiện máy dị CT, kênh điện tử, ví dụ 32 pixel phù hợp với mạch tích hợp xuất liệu số hóa Cũng bối cảnh này, mật độ cao công nghệ kết nối liên kết va chạm nhận nhiều quan tâm lĩnh vực máy dò xạ diện rộng 3.2.2 Nâng cao công nghệ cho CT Mặc dù ngày máy dò CT cho thấy hiệu suất tuyệt vời, số công nghệ nghiên cứu máy dò CT tương lai Một thử nghiêm mang lại tích hợp máy dị thêm bước cách kết hợp ốt quang khuếch đại kênh chip CMOS thông thường Để đạt phạm vi hoạt động cần thiết khoảng 17 bit, khuếch đại xây dựng tích hợp với cơng tắc tự động chọn hai trạng thái Các điểm ảnh điểm ảnh điện tử nằm khu vực có bóng lưới chống tán xạ máy dò Bằng cách này, thiết bị điện tử khơng lãng phí yếu tố có giá trị bảo vệ khỏi xạ nhiều, mà điểm ảnh điện tử CMOS khơng bị tổn hại X-quang Hình cho thấy mơ-đun máy dị với 20 x20 điểm ảnh phóng to vào khu vực điểm ảnh Các nghien cứu khác phân tích việc sử dụng vật liệu chuyển đổi trực tiếp dùng cho CT Do yêu cầu tính chất thời gian tốt, vật liệu chuyển đổi trực tiếp vơ định hình đa tinh thể biết đến khơng sử dụng CT Chỉ vật liệu tinh thể chuyển đổi trực tiếp đủ nhanh Do đó, vật liệu telua cadmium kẽm (CZT, sử dụng máy dò CT Tuy vậy, số nghiên cứu phân tích tính chất CZT luồng X-ray cao số vấn đề với vật liệu Hình 8: Mơ-đun đầu dị CT dựa diode tách sóng quang CMOS tích hợp hàng điểm ảnh điện tử Trên module, có hai mảng scintillator gắn kết TRIỂN VỌNG Các xu hướng hướng tới hiệu suất cao đồng thời chi phí giảm xu hướng tiếp tục cho thiết bị dò tia X chụp CT Trong dài hạn, chuyển đổi trực tiếp tích hợp nhiều thiết bị điện tử hướng Ngồi ra, thay đổi tính chất chức máy dị, ví dụ chuyển từ chế độ tích hợp thành chế độ dị đếm Cho đến bây giờ, máy dò X-quang CT hoạt động chế độ tích hợp, tức tổng hợp cường độ đo X-quangtrong suốt thời gian tích hợp tín hiệu Một cách thay phương pháp tiếp cận nhằm phát đếm số lượng tử X-ray riêng biệt, chế độ coi hoạt động đếm Do luồng hàm lượng cao xảy Xquang CT (khoảng 109 lượng tử giây mm² đầu dò), việc đếm đến xem không khả thi Tuy vậy, tiến máy dị đếm pixellated nghiên cứu theo hướng Cũng kết hợp đếm hoạt động tích hợp, phác thảo hình Điều mang lại thông tin bổ sung kênh đếm thu lại số lượng tử phát hiện, kênh tích hợp tổng hợp nguồn lượng lượng tử phát Do đó, lượng lượng tử X-ray tính tốn cho điểm ảnh máy dò đơn giản cách chia tín hiệu tích hợp tín hiệu đếm Năng lượng trung bình thước đo cho độ cứng chùm xuyên qua bệnh nhân cung cấp cho số thông tin thành phần vật chất dọc theo tia đường X bệnh nhân Với thiết bị điện tử chí phức tạp trở nên khả thi để đo quang phổ xạ phát điểm ảnh Khái niệm gọi quang phổ tia X chụp CT Hình 9: Kết hợp đếm tích hợp đầu dò điểm ảnh 10 KẾT LUẬN Đối với X-quang y tế chụp CT, máy dò đóng vai trị quan trọng cho việc thiết kế hệ thống tổng thể hiệu suất Các công nghệ chủ chốt gồm có: • Chuyển đổi X-quang (sử dụng scintillators vật liệu chuyển đổi trực tiếp) • Photodiodes (có liên quan scintillators) • Thiết bị điện tử Pixel • Cơng nghệ Interconnect Cả thiết bị dị X-ray CT thấy tiến to lớn công nghệ chủ chốt thập kỷ qua Chụp ảnh X-quang năm qua mang lại thay đổi cơng nghệ nhanh chóng từ tăng hình ảnh tới máy dò tia X- phẳng dựa aSI diện rộng Công nghệ cải thiện để phát triển việc thực giảm chi phí sản xuất Đối với máy dị CT, số lượng lát cắt hướng trục tăng lên đáng kể giàn xoay nhanh địi hỏi phải tích hợp tín hiệu ngắn ngắn nhiều lần Về mặt kỹ thuật, thách thức giải cách chiếu sáng vào phía sau ốt quang chip điện tử tích hợp mật độ cao cao Công nghệ rẻ kết nối đáng tin cậy đóng vai trị ngày quan trọng Xu hướng dài hạn sử dụng vật liệu chuyển đổi trực tiếp nhiều thiết bị điện tử tích hợp mật độ cao xác định cho hai phương thức Tương lai mang lại thay đổi từ máy dị tích hợp đến dò đếm lĩnh vực X-quang chụp CT 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO Advances and Key Technologies Michael Overdick Philips Research, Aachen, Germany 12 ... rãnh đầu dò Các dò máy X- qang đại tạo tới vài triệu điểm ảnh Trong viết tìm hiểu dị cho X- quang CT Nói chung dị máy X- quang CT bao gồm chuyển đổi để biến đổi tín hiệu tia X thành tín hiệu điện... quát đầu dò b, Bộ chuyển đổi gián tiếp Đa số đầu dò máy X – quang CT cho ảnh động sử dụng chuyển đổi gián tiếp tức tia X biến đổi thành ánh sáng biến đổi thành tín hiệu điện thơng qua cảm biến quang. .. THIỆU Đầu dị tín hiệu yếu tố trung tâm hệ thống chiếu chụp hình ảnh y tế Trong phương thức tạo ảnh X- quang, CT, SPECT PET tín hiệu x? ?? ion hóa tia X tia γ Bộ dò ảnh bao gồm nhiều rãnh đầu dò Các dò