Đầu dò tia X trong X quang số

Review Đầu dò tia X trong X quang số Tóm tắt X quang số đem lại khả năng cải thiện chất lượng hình ảnh cũng như tạo cơ hội cải tiến trong quản lý ảnh y tế, chẩn đoán bằng máy tính và chẩn đoán hình ảnh từ xa Chất lượng ảnh liên quan chặt chẽ đến rự rõ ràng và chính xác của thông tin thu nhận từ chùm tia X phát xạ đến bệnh nhân, nói cách khác là hiệu suất của đầu dò tia X Các máy X quang số phải đáp ứng yêu cầu bức xạ riêng biệt nơi mà chúng sẽ được sử dụng Các thông số quan trọng là độ ph.

Review Đầu dị tia X X quang số Tóm tắt X quang số đem lại khả cải thiện chất lượng hình ảnh tạo hợi cải tiến quản lý ảnh y tế, chẩn đoán máy tính chẩn đốn hình ảnh từ xa Chất lượng ảnh liên quan chặt chẽ đến rự rõ ràng xác thơng tin thu nhận từ chùm tia X phát xạ đến bệnh nhân, nói cách khác hiệu suất đầu dò tia X Các máy X quang số phải đáp ứng yêu cầu xạ riêng biệt nơi mà chúng sử dụng Các thông số quan trọng độ phân giải không gian (spatial resolution - khoảng cách nhỏ hai vật phản xạ mà chúng phân biệt rõ tín hiệu dợi hình hiển thị), tính thống đáp ứng (uniformity of response), độ nhạy tương phản (contrast sensitivity), dải tần nhạy sáng (dynamic range), tốc đợ tỉ lệ khung hình thu (acquisition speed and frame rate) Dưới góc nhìn vật lý định nghĩa hiệu suất đầu dò tia X đề cập lại Một vài hứa hẹn hỗ trợ thử nghiệm cơng nghệ dị mà phù hợp với X quang số nhắc đến Thiết bị sử dụng đầu dị tồn diện tích nhiều đánh giá hệ thống quét tia X thảo luận Các cách tiếp cận khác dựa chuyển đổi lân quang tia X, nơi mà lượng tử ánh sáng sinh một giai đoạn trung gian, điều khiển chuyển đởi từ tia X sang điện tích ZnCdTe, Selen vơ định hình tinh thể Silicon Giới thiệu Lợi ích việc thu nhận hình ảnh X quang y tế dạng số nhanh chóng trở nên rõ ràng sau đời chụp cắt lớp điện tốn (CT) Hounsfield (1973) Những lợi ích bao gồm việc ghi lại thông tin với độ xác cao, tăng tính linh hoạt đặc tính hiển thị dễ dàng truyền tải hình ảnh từ nơi đến nơi khác qua hệ thống thông tin CT một ứng dụng phức tạp X quang số, gần đây, phương pháp tiếp cận kỹ thuật số đơn giản, nhiều xu hướng kỹ thuật chủ đạo chụp động mạch (angiography) X quang thường quy (conventional projection radiography) siêu âm ảnh y học hạt nhân phát triển Mợt phần lí ngày CT chấp nhận lợi ích rõ ràng thực tế ảnh chụp cắt lớp ngang khả CT hiển thị tinh tế suy giảm mơ khác Nó có nhiều giá trị mong muốn với độ phân giải không gian cao mà khơng thể đạt với đầu dị thơ cơng suất máy tính hạn chế thời điểm đó, mà đạt với chuẩn hình ảnh chụp X quang (standard radiographic projection imaging) Sự phát triển cải tiến cơng nghệ đầu dị (detector technologies), máy tính mạnh nhiều, hiển thị số độ phân giải cao thiết bị đầu laze cần thiết trước chụp X quang số tiến xa Ban đầu, người ta nghĩ chụp X quang số phù hợp với hạn chế địi hỏi hiệu suất khơng gian ảnh phim Tuy nhiên, ảnh phim thường bị hạn chế bề rộng tiếp xúc đường cong đặc trưng phim nhiễu kết hợp với chi tiết phim việc sử dụng không hiệu xạ tới Hơn thực nghiệm thừa nhận giới hạn độ phân giải không gian cao không quan trọng khả cung cấp đợ tương phản hình ảnh ngồi một phạm vi rộng phát tia X cho tần số không gian lên đến một độ phân giải giới hạn khiêm tốn (Yaffe 1994) Một hệ thống X quang số cung cấp hiệu suất cho phép thực kỹ thuật xử lý hình ảnh máy tính, lưu trữ, truyền ảnh số khai thác định lượng thơng tin hữu ích y tế từ hình ảnh Trong lịch sử, có mợt quan tâm lớn việc phát triển hệ tạo ảnh kĩ thuật số cho chụp X quang ngực yếu hệ thống phim việc cung cấp đầy đủ bề rộng độ tương phản tốt phổi vùng trung thất mong muốn thực tính xử lý ảnh, hệ thống truyền ảnh xa, lưu trữ số phục hồi (PACS) Tesic cộng (1983) mô tả một hệ thống số quét dòng (single-linescanning digital system) cho chụp X quang ngực sử dụng 1024 diode quang rời rạc với một chất hóa học Gd2O2S Hệ thống địi hỏi mợt thời gian quét 4,5s cung cấp một độ phân giải khơng gian hạn chế chu kì/mm Goodman cộng (1988) Fraser cộng (1989) xem xét điểm mạnh điểm yếu phương pháp tiếp cận khác để chụp X quang ngực kỹ thuật số có sẵn thời điểm Họ xác định tiềm chụp X quang ngực kỹ thuật số cải tiến cần thiết cho kỹ thuật để chấp nhận bác sĩ X quang Hệ thống số chụp mạch xóa (DSA) mợt số loại chiếu chụp X quang sử dụng rộng rãi lâm sàng hệ thống đặc biệt ứng dụng phức tạp (khắt khe) X quang vú phát triển Các hệ thống kỹ thuật số sẵn có có khả cho đời chẩn đoán máy tính (Chan cợng 1987, Giger cợng 1990) Đã có mợt số đánh giá trước cơng nghệ dị ảnh số, đặc biệt Rougeot (1993) Ảnh số - Digital images Hầu tất ảnh tia X dựa truyền dẫn lượng tử thông qua thể , với độ tương phản khác xuất khác biệt độ dày thành phần giải phẫu Hệ thống phát xạ tia X mặt phẳng hệ tạo ảnh coi mợt thay đởi liên tục dịng tia X với vị trí Mơ hình giả thút trình bày theo mợt chiều hình 1(a) Mợt đầu dị ảnh tương tự cố gắng để tái tạo lại ảnh một cách trung thực, ví dụ biến thể mật độ quang học phát triển một phim nhũ tương Về nguyên tắc, biến thể không gian liên tục miễn đủ số lượng tia X sủ dụng, chúng liên tục mức cường độ Một sơ đồ hệ thống X quang số chung đưa hình Ở đây, bợ thu nhận ảnh tương tự thay thế một đầu dị chuyển đởi lượng phát xạ chùm tia X thành tín hiệu điện tử, sau số hóa ghi vào bợ nhớ máy tính Các hình ảnh sau xử lý, hiển thị, truyền lưu trữ sử dụng chuẩn tính tốn phương pháp truyền thông số Trong một số hệ tạo ảnh, mợt số giai đoạn, mơ hình phát xạ tia X lấy mẫu chiều không gian cường đợ, minh họa hình 1(b) Trong chiều khơng gian, mẫu thu trung bình cường độ qua thành phần ảnh pixel Đây khu vực hình vng đặt với khoảng cách khắp mặt phẳng ảnh Theo chiều cường đợ, tín hiệu chia mợt số hữu hạn mức Đó thường lũy thừa trị số n - số bít số hóa ảnh Giá trị cường đợ ảnh số, đó, có giá trị rời rạc thông tin liên quan đến cường độ trung gian biến thể tỷ lệ điểm ảnh bị số hóa Hình 1: Các khái niệm hình ảnh kỹ thuật số.a) Thơng tin hình ảnh tương tự thay đổi liên tụccả khơng gian cường độ tín hiệu b) Trong hình ảnh lỹ thuật số, lấy mẫu rời rạc thời gian vị trí cường độ Hình 2: Sơ đồ hệ thống chụp X quang số Để tránh xuống cấp chất lượng ảnh trình số hóa điều quan trọng kích thước điểm ảnh độ sâu bit phù hợp với yêu cầu đợ phân giải khơng gian thực đợ xác ảnh xác định yếu tố hạn chế là: tiêu điểm không nhọn (the focal spot unsharpness), kết cấu giải phẫu (anatomical) đợ nhiễu lượng tử Thuộc tính, tính chất đầu dị Các tḥc tính quan trọng đầu dị là: trường quét (field coverage), đặc trưng hình học, hiệu suất lượng tử, độ nhạy, độ phân giải không gian, nhiễu đặc trưng, dải tần nhạy sáng, tính đồng nhất, tốc độ đạt được, tỉ lệ hiệu suất khung hình Trong hầu hết, tất cả, công nghệ dị khác địi hỏi phải có hài hịa yếu tố 3.1 Trường quét-Field coverage Hệ tạo ảnh phải có khả ghi lại tia X phát xạ vùng giải phẫu khảo sát Người ta ước tính u cầu đầu dị X quang số từ ảnh thu nhận ảnh thường quy Ví dụ, chụp X quang ngực yêu cầu một trường ảnh 35x43 cm, chụp X quang vú chứa kích thước 18x24 cm 24x30 cm Ảnh tăng sáng dùng huỳnh quang phim ảnh huỳnh quang cung cấp trường tròn với đường kính từ 15 đến 40cm Ngồi ra, chùm tia X phân kì, hình ảnh ln qua mợt số đợ phóng đại định ảnh X quang Thơng thường, 10%, nhiên, nghiên cứu phóng đại cố ý áp dụng, mợt hệ số việc sử dụng lâm sàng phải xem xét cẩn thận xác định u cầu kích thước đầu dị 3.2 Đặc trưng hình học - Geometrical characteristics Mợt ́u tố xem xét “vùng chết” tồn xung quanh cạnh đầu dị Trong mợt đầu dị điện tử dùng cho chụp X quang số, yêu cầu cho việc định tuyến dây dẫn vị trí thành phần dị phụ trợ bợ đệm, đồng hồ, … Vùng chết xảy mợt vùng có diện tích lớn tiếp giáp với mợt đơn vị máy dò nhỏ Đối với máy dị có thành phần cảm biến rời rạc, xác định yếu tố phần diện tích phần tử đầu dị nhạy cảm với tia X tới Trong một số ứng dụng (ví dụ chụp X quang vú) điều quan trọng đầu dị có diện tích khơng đáng kể hoạt động một nhiều cạnh để tránh khơng bao gồm mơ từ ảnh Điều ngăn cản việc sủ dụng đầu dò với vỏ màu đen, ảnh tăng sáng chân không, từ ứng dụng Trong trường hợp nào, vùng chết đầu dị dẫn đến sử dụng khơng hiệu xạ phát xạ bệnh nhân trừ chuẩn trực trước sử dụng để che dấu xạ rơi vào vùng chết Thơng thường liên kết phức tạp tiêu điểm vùng bán ảnh (vùng nửa tối), điều khơng thực tế Mợt ́u tố hình học phải coi biến thể Một hệ tạo ảnh chất lượng cao đưa một cách trung thực không gian ánh xạ từ dạng tia X vào đến ảnh đầu Các ảnh thu nhỏ, nhiên, tỉ lệ thành phần nên giữ nguyên trường ảnh Sự méo ảnh làm ánh xạ trở nên phi tuyến Nó phù hợp với khơng gian phụ tḥc vào góc Đó được lựa chọn thấu kính, sợi quang điện tử sử dụng hệ tạo ảnh làm phát sinh biến dạng hình mặt gối hoạc thùng Cuối cùng, cần lưu ý máy dị kỹ thuật số chia làm loại, cảm biến cố định băng từ thay thế Trước đây, máy thu hình tích hợp vào máy X quang Trong điều đòi hỏi một máy thiết kế đặc biệt với chi phí cao hơn, giúp loại bỏ cần thiết cho lắp, tháo dỡ mang băng catset vào mợt đầu đọc riêng chi phí nhân cơng liên quan Đồng thời, việc sử dụng số lượng hạn chế thụ thể đơn giản hóa việc hiệu chỉnh thụ thể không đồng (xem bên dưới) Mợt hệ thống tái sử dụng băng một ưu điểm, nơi mà mức độ cao tính di đợng linh hoạt cần thiết, chẳng hạn tình chăm sóc đặc biệt phịng mở, có lợi thế tương thích với máy (units) X quang có 3.3 Hiệu suất lượng tử - Quantum efficiency Hoạt động thu nhận hình ảnh ban đầu tất đầu dò tia X giống hệt Để tạo mợt tín hiệu, lượng tử tia X phải tương tác với vật liệu dò Xác suất tương tác hiệu suất lượng tử cho lượng lượng tử E=h.v cho Ƞ=1- (1) Trong đó, µ hệ số suy giảm tún tính vật liệu dị, T bề dày hoạt đợng đầu dị Bởi tất nguồn tia X cho chụp X quang đa năng, đó, tia X phát một phổ lượng, hiệu suất lượng tử phải xác định mức lượng phải thể một giá trị “ hiệu dụng” phổ tia X tới (thu máy dị) Quang phở bị ảnh hưởng hiệu ứng lọc bệnh nhân nơi mà làm cứng chùm tia, tức là, làm cho mạnh hơn, khả đâm xuyên cao Hiệu suất lượng tử tăng lên cách làm đầu dò dày cách sử dụng vật liệu có giá trị µ cao tăng số ngun tử mật độ Hiệu suất lượng tử so với lượng tia X cho độ dày khác mợt số vật liệu hình Hiệu suất lượng tử nói chung cao mức lượng thấp, giảm dần với lượng ngày tăng Nếu vật liệu có mợt lớp hấp thụ ngun tử khu vực lượng quan tâm, hiệu suất lượng tử tăng lên đáng kể lượng này, mợt vùng ƞ nhỏ cho lượng dưới lớp hấp thụ Với lượng X quang chẩn đốn, q trình tương tác hiệu ứng quang điện, số lượng nguyên tử tương đối cao hầu hết vật liệu dò Sự tương tác một lượng tử tia X tới sinh một quang điện tử tốc độ cao Tiêu hao động máy dị, kích thích ion hóa xảy ra, sinh tín hiệu thứ cấp (lượng tử quang học điện tích) 3.4 Độ phân giải khơng gian-Spatial resolution Độ phân giải không gian chụp X quang xác định đặc trưng đầu dò yếu tố không liên quan đến thụ thể (receptor) Nhóm thứ hai bao gồm đợ khơng sắc nét phát sinh từ yếu tố hình học Vd như: ‘penumbra’- nửa tối nửa sáng kích thước hiệu dụng nguồn tia X đợ phóng đại cấu trúc giải phẫu liên quan mặt phẳng thụ thể ảnh (image receptor), chuyển động tương đối nguồn tia X, bệnh nhân thụ thể ảnh tiếp xúc Các yếu tố liên quan đến đầu dị phát sinh từ kích thước đợ hiệu dụng nó, khoảng khơng gian lấy mẫu phép đo, tín hiệu tác dụng bên đầu dị hình Đầu dị X quang số thường gồm thành phần rời rạc, thơng thường kích thước khoảng cách khơng đởi Các kích thước phần hoạt đợng thành phần đầu dị xác định mợt đợ Khẩu đợ xác định đáp ứng khơng gian đầu dị Trong ví dụ, nếu đợ hình vng với kích thước d, hàm truyền điều chế (MTF) đầu dị có dạng sinc(f), f tần số không gian dọc theo hướng x y, MTF có giá trị tần số f=, thể mặt phẳng đầu dị(hình 5) Mợt đầu dị với d=50µm có MTF với giá trị khơng f=20 chu kỳ/mm, phóng đại, tần số cao mặt phẳng bệnh nhân Hình 3: Hiệu suất tương tác lượng tử ƞ, với độ dày khác chất hóa học chọn Lưu ý rằng, trừ CsI, phần nhỏ chất hóa học kết hợp với chất kết dính, làm mật độ nén bị giảm (thường đến 50%), độ dày hình phải tăng lên để cung cấp giá trị suy hao hiển thị Cũng không phần quan trọng khoảng thời gian lấy mẫu p máy dị, tức đợ dốc mặt phẳng dị thành phần đầu dò phép đo Định lý lấy mẫu nói có tần số khơng gian mơ hình bên dưới () (tần số Nyquist) hình ảnh trung thực Nếu mẫu chứa tần số cao hơn, mợt tượng gọi cưa xuất phở tần số mẫu hình ảnh bên ngồi tần số Nyquist nhân đôi bội tần số kiểu xếp thêm vào phở tần số thấp, làm tăng lượng quang phổ rõ ràng ảnh tần số thấp (Bendat and Piersol 1986) Trong mợt máy dị gồm thành phần rời rạc, khoảng thời gian lấy mẫu nhỏ đạt việc thu nhận mợt ảnh đơn p=d, tần số Nyquist , đáp ứng độ giảm xuống tần số (cao nếu kích thước khu vực cảm biến thành phần dị nhỏ d, vd tất thành phần đầu dò nhỏ 1.0) Hình Hiệu suất tương tác lượng tử ƞ vật liệu dò chuyển đổi trực tiếp Sai số lấy mẫu tránh cách ‘hạn chế dải- band limiting’ hình ảnh, tức làm yếu (suy giảm) tần số cao khơng mang thơng tin hình ảnh đáng kể (vượt quá) tần số Nyquist Việc làm mờ kết hợp với tiêu điểm phục vụ mục đích Lưu ý điều ngăn cưa nhiễu tần số khơng gian Hình 19 Cấu trúc một mảng CCD, minh họa chuyển động lưu trữ điện tích theo mợt hướng giếng điện thế điều chỉnh dưới kểm soát điện áp cực cửa Các định dạng CCD có sẵn kích cỡ khác từ 256x256 điểm ảnh thấp 2048x2048 điểm ảnh nhiều Tuy nhiên, hiển thị thời gian thực (30 fps/s) bị hạn chế với thiết bị 1000x1000 điểm ảnh thấp Đối với hệ thống quét, thảo luận trên, thường thực tế để vận hành CCD chế đợ thời gian trễ hợi nhâp (TDI) (hình 20(c)) Ở đây, một phần lưu trữ không cần thiết điện tích lưu trữ đồng thời chuyển xuống cợt dị CCD phía ngang ghi (readout register) Loại tích hợp tương tự kỳ vọng giải phóng nhiễu tương đối Ngồi ra, ́u tố dị mợt cợt đóng góp cho điểm ảnh theo cợt đó, hình ảnh tạo TDI không nhạy cảm tương đối với mợt vài điểm ảnh cợt mà đợ nhạy bất thường cao thấp Trong CCD, điện tích chuyển theo “bucket brigade” nhiều thành phần liền kề Do dó, quan trọng hiệu suất lần chuyển cao Hiệu suất truyền hiệu gây giảm đáng kể đợ phân giải khơng gian máy dị Nếu tín hiệu chuyển qua n phần tử, hiệu suất lần truyền , hiệu suất truyền tởng thể Thậm chí nếu 0.999, hiệu suất giảm xuống 90% 100 lần truyền 37% 1000 lần truyền Kết hiệu hiệu suất truyền làm nhòe ảnh phương diện hiển thị Các CCD thương mại, giá trị cao 0.999999 đạt Hình 20 Cấu hình ghi (hiển thị) điểm hình CCD, a) truyền khung, b)truyền chèn c)phần (bộ phận, thiết bị) thời gian trễ hợi nhập (TDI) Trong hình a b vùng lưu trữ hiển thị yêu cầu bảo vệ khỏi ánh sáng Cũng quan trọng khả lưu trữ tốt thiết bị Tùy tḥc vào kích thước điểm ảnh, sức chứa từ 300000 đến vài triệu điện tử Các CCD thiết kế cho ứng dụng video có xu hướng thiết kế để có kích thước điểm ảnh nhỏ (15 m) Trong ứng dụng y tế, kích thước lớn (25-100µm) nói chung đáng kỳ vọng điều cung cấp dung lượng lớn phù hợp với ràng buộc độ phân giải không gian Điều quan trọng CCD thiết kế ‘chống nở’ bảo vệ thích hợp để ngăn chặn vỡ ảnh nếu mợt số giếng điện thế đầy Điều xảy tình mà máy dị tia X phơi sáng mà chùm tia X không suy giảm, ví dụ cạnh bệnh nhân Khi CCD sử dụng chế độ TDI, dung tích giếng phải mà điện tích khơng thể thiếu tất giai đoạn liên hợp cung cấp Ví dụ, phần tử dị tích lũy 50000 điện tử hang có 64 hàng CCD mà tích hợp diễn ra, dung tích giếng phải 3.2 triệu điện tử Thay cho XRII -Possible replacements for the XRII Hệ thống số dựa việc sử dụng XRII có mợt số nhược điểm: đặc tính cồng kềnh (lớn) bộ khuếch đại, thường gây trở ngại cho bác sĩ lâm sàng hạn chế tới gần (acess) bệnh nhân ngăn cản việc thu vài X quang trông thấy (acquisition of some important radiographic views), đợ tương phản hình ảnh tia X ánh sáng tán xạ ống tức che phủ nhịe nhoẹt (veiling glare); biến dạng hình học (hình gối) hình ảnh phần lớn làm cong chất lân quang đầu vào méo hình chữ S (distortion) từ trường trái đất Trong dễ để tìm lỗi với XRII, điểm t̉i thọ thực tế phải làm tốt hầu hết thứ Có lẽ tính quan trọng giới hạn lượng tử tia X một phạm vi rộng mức phơi sáng đầu vào Điều một thiết bị ảnh tĩnh điện Để ghép ảnh hiệu giai đoạn tiếp theo, điều quan trọng ảnh giảm định dạng lớn đầu vào XRII Khi so sánh giảm định dạng tĩnh điện quang hình 12 Có thể thấy trạng thái quang nhiều ánh sáng phát từ hình bị tỷ lệ ánh sáng bị tăng nhanh yếu tố thu nhỏ tăng lên (xem hình 13) Trong mợt hệ tĩnh điện XRII, ánh sáng từ chất lân quang ghép nối hiệu với catot quang, điện tử phát thu hiệu tăng tốc để cấp khuếch đại Điều tránh chùm lượng tử thứ cấp, thường vấn đề với ghép nối quang 9.1 Hệ X-icon - X-icon system Một cách tiếp cận khác mà loại bỏ cần thiết XRII thông thường Xicon Đó mợt tia X nhạy cảm tức thì, mợt vùng lớn máy quay phim Về ngun tắc, tồn bợ chuỗi ảnh huỳnh quang (XRII, bộ phân phối quang thiết bị quang học kép) thay thế mợt vùng lớn Xicon, vùng tín hiệu phân phối điện tử mục tiêu theo đuổi một số nhà nghiên cứu (Keller and Ploke 1955, Nishida and Okamoto 1968, Jacobs 1980) Luhta and Rowlands (1993) xem xét lịch sử phát triển Xicon mô tả tiến bộ chúng tới mục tiêu Hệ thống họ, minh họa hình 21, một thiết bị đơn giai đoạn chứa một bình bình thủy tinh chân khơng Pyrex có chưa mợt lớp phẳng selen vơ hình định dày 500µm cảm biến tia X (transducer) Nếu khơng hoạt đợng giống hệt máy quay phim quang học mơ tả trước Do giảm số giai đoạn so với mợt XRII/ hệ phim (video) có khả cho đợ phân giải cao Nó vốn mợt thiết bị phằng vấn đề biến dạng bóng (sự che) nên mghiêm trọng XRII Vidicon nhạy tia X nghiên cứu trước không thỏa mãn yêu cầu cần thiết cho ứng dụng y tế Thậm chí nếu tiêu kỹ thuật đủ, Xicon thành công (có kết quả) q khứ khơng có hệ thống hữu ích (i) để ảnh liên tục tạo video để thay thế máy quay phim (ii) lưu trữ đơn chất lượng cao ảnh X quang định dạng nhỏ tương đương với tạo máy quay chụp huỳnh quang 100mm Tuy nhiên, khoảng cách lấp đầy có sẵn băng phim (video) đợ phân giải cao đĩa ghi lưu trữ khung số 10 Hệ phẳng - Flat-panel systems Mợt máy dị số phẳng, nguyên tắc, thực tất phương thức chiếu xạ - chụp X quang, huỳnh quang chiếu X quang Nó cung cấp ảnh chất lượng cao hiển thị Các thiết bị X quang dễ dàng thích nghi để sử dụng đầu dị Cơng nghệ mảng ma trận hoạt đợng kích thước lớn tạo thành cấu trúc hiển thị cho hệ thống phẳng phát tiển cho hình tinh thể lỏng (LCD) mợt thập kỷ Hình 21 Ma trận hoạt đợng hình LCD (AMLCDs) chế tạo sử dụng chất vơ định hình (hidro hóa silic vơ định hình (α-Si:H) (Piper cợng 1986, Powell 1989), đa tinh thể (poly-Si) cadmium selenide (CdSe) chất bán dẫn (Brody cộng 1984) Trong năm gần đây, nhiều nhà sản xuất châu Âu, Nhật Bản Bắc Mỹ đầu tư nhiều vào phát triển trở thành cơng nghệ u thích dành cho hình máy tính xách tay Mỗi bảng điều khiển hiển thị bao gồm kính với mợt lớp dạng tinh thể lỏng Một ma trận hoạt đợng (tức IC kích thước lớn gồm mợt số lượng lớn bóng bán dẫn dạng phim mỏng (TFTs) kết nối với điện cực điểm ảnh riêng mợt ma trận) Tấm cịn lại một lớp điện cực Hai cách tiếp cận chung cho máy dò X quang số phẳng nghiên cứu Trong lớp lân quang sử dụng để hấp thụ tia X tạo photon quang dị mợt mảng hiển thị diode quang kích thước lớn với thiết bị hoạt đợng (ví dụ bóng bán dẫn phim mỏng diode chuyển mạch) tích hợp (bản) điểm ảnh (Antonuk cộng 1991, Fujieda cống 1993) Trong cách tiếp cận thứ hai (đôi gọi phương pháp trực tiếp), tia X dò mợt lớp selen vơ định hình kết điện tích thu điện cực điểm ảnh riêng biệt Cuối cùng, hiển thị xảy cách sử dụng ma trận hoạt động phương pháp gián tiếp Lợi thế điện thế tự qt, hệ thống hiển thị (readout) có kích thước nhỏ gọn cho phép tiếp cận tốt với bệnh nhân so với thiết bị cồng kềnh XRII thơng thường Do chúng phẳng, chúng kỳ vọng phần lớn khơng bị che chói (veiling glare), đồng dạng hình học Khơng XRII, chúng khơng chệch hướng từ trường Các tính chất tạo điều kiện phân tích định lượng hình ảnh, ghi so sánh lâm sang hình ảnh từ phuơng pháp khác, ứng dụng tái tạo 3D chùm tia CT hình nón (Ning cợng 1991), sử dụng mơi trường từ tính phịng MRI 10.1 Máy dò lân quang phẳng - Phosphor flat-panel detectors Mợt vài nhóm phát triển mảng tách sóng quang có kích thước lớn gồm diode quang đặc biệt chế tạo với silic vơ định hình, mợt máy X quang thường quy hấp thụ lân quang, Gd2O2S, đặt (thích hợp) thallium-doped caesium iodide (CsI:Tl) phát sinh (Perez-Mendez cộng 1989, Fujieda cộng 1991) Các ngun tắc hoạt đợng đầu dị silic vơ định hình biểu diễn hình 22 Đầu dò điểm (các điểm ảnh máy dò) ảnh cấu diode quang (hình 22(a)) chuyển đởi tín hiệu quang từ chất lân quang thành điện tích lưu điện tích điểm ảnh điện dung Các thiết bị nhiễu thấp, diode quang cung cấp dải tần nhạy sáng rộng, khoảng 40000 Một mảng ghi tranzitor phim mỏng đặc trưng hình 22(b) Các tín hiệu ghi cách điều khiển đường quét cho hàng thiết bị, kết nối với cực cửa TFT nằm pixel đầu dị Tồn bợ hàng mảng đầu dị kích hoạt đồng thời tín hiệu đọc dịng cho cợt mảng mà kết nối tất nguồn TFT cợt để giảm nhiễu điện tích khuếch đại Các tín hiệu kh́ch đại từ cợt sau nén số hóa Điều cho phép ghi nhanh yêu cầu một số lượng kênh điện tử với số cột mảng Cả hệ thống chụp (Antonuk cộng 1992) chiếu X quang (Schiebel cộng 1994) mơ tả Ngồi ra, thay sơ đồ ghi TFT nhiều diode chuyển mạch sử dụng (Chabbal cộng 1996, Graeve cộng 1996) Ưu điểm tiếp cận diode là từ diode quang thực việc (anyway), diode chuyển mạch thực một lúc mà không cần tăng số lượng bước xử lý Nhược điểm diode ghi một lường phi tuyến lớn phun lượng điện tích lớn Kích thước (vùng) cấp phát cho điểm ảnh mảng phải chứa diode quang, thiết bị chuyển mạch, điều khiển đường tín hiệu hệ số lấp đầy thấp 100% Sự suy hao hiệu suất sử dụng tia X trở nên cân xứng (tỷ lệ tương ứng) kích thước điểm ảnh giảm tạo một thách thức cho việc áp dụng công nghệ vào ứng dụng độ phân giải cao Ưu điểm sử dụng CsI chất hấp thụ tia X phát sinh dưới dạng cột tinh thể mà làm sợi quang (hình 7(b)) Khi ghép với điểm ảnh diode quang, có ánh sáng lây lan bên đợ phân giải khơng gian trì Ngồi khơng giống chất lân quang thông thường mà khuếch tán ánh sáng giảm độ phân giải bề dày tăng lên, CsI lân quang chế tạo đủ dày để chắn giá trị ƞ cao mà trì đợ phân giải cao 10.2 Hệ tĩnh điện trạng thái rắn - Solid state electrostatic systems Có nhiều ưu điểm sử dụng hệ tĩnh điến trạng thái rắn chất quang dẫn, selen vơ định hình (a-Se) chất bán dẫn, silic, độ tinh khiết cao, mẫu đơn tinh thể chất lân quang Cơ sở hầu hết hệ tạo ảnh X quang y tế mợt lớp lân quang hình (hình 7a) Như đề cập trước đó, tia X hấp thụ hình phát ánh sáng mà phải thoát lên bề mặt để tạo ảnh ánh sáng lây lan bên xác định cách khuếch tán Như đường kính mờ so sánh với bề dày hình Phần mờ gây thông tin ảnh tần số cao phần tảng (Sandrik and Wagner 1982) và phần lớn không phục hồi Sự suy giảm giảm cách sử dụng một chất lân quang CsI mà phát sinh mẫu gợi nhớ sợi quang (hình 7(b)) Tuy nhiên, tách biệt sợi tạo bẻ gãy kết kênh ánh sáng khơng hồn hảo (Spekowius cợng 1995) Mợt phương pháp khác thích hợp sử dụng mợt lớp tĩnh điện (Brodie and Gutcheck 1982) hình 7(c) Tương tác tia X chất dẫn quang tạo điện tử lỗ trống, chúng mang điện, hướng trực tiếp tới bề mặt chất dẫn quang một điện trường đặt vào Ảnh điện tích ngầm bề mặt chất dẫn quang, đó, khơng bị mờ đáng kể làm đủ dày để hấp thụ hầu hết tia X tới (Que and Rowlands 1995) Hình 22 (a) Ngun lý máy dị silic vơ định hình (xem mặt cắt ngang) biểu thị tranzitor phim mỏng (TFT) mặt cắt một diode quang Si:H với điện cực dẫn suốt indium tin oxide (ITO) kết nối với một thế hiệu dịch chung ~ 5V Các điện cực khác diode quang kết nối với cực máng (D) TFT đóng vai trị mợt cơng tắc, điều khiển điện thế treen cực cửa (G), để kết nối một diode quang với cực nguồn (S) (b) Mảng ma trận ghi silic vơ định hình thành phần điểm ảnh (các diode quang) chuyển mạch tranzitor phim mỏng sử dụng để tạo máy dị kích thước lớn Điều khiển qt địa mảng dịng tín hiệu ghi dọc theo cột thiết bị kết nối với bợ kh́ch đại điện tích Selen vơ định hình (a-Se) chất dẫn quang phát triển cao ứng dụng X quang Trạng thái vơ định hình làm trì đặc tính khơng thay đởi hình ảnh tới nguyên tử kích thước lớn Chức lớp a-Se làm yếu (giảm bớt) tia X, tạo cặp điện tử- lỗ trống tự (theo tỷ lệ cường độ tia X tới) thu chúng điện cực Để đạt giá trị ƞ cao, đầu dị phải có đợ dày vừa đủ (hình 4) Hiệu suất cao việc chuyển đổi lượng hấp thụ tia X thành cặp điện tử - lỗ trống tự đòi hỏi điện trường cao Cuối cùng, số traps lớn lớp phải nhỏ tất vật mang tự tiếp cận với điện cực thích hợp chúng Mỗi bề mặt phải có điện cực gắn phép thu điện tích từ a-Se ngăn chặn điện tích từ điện cực vào a-Se Đó gọi chặn tiếp xúc (block contact), mà phải duyt trì dưới điện trường cao (Schaffert 1980) Bề mặt cuối mợt a-Se hình ảnh hình thành phải có đợ dẫn ngang nhỏ, nếu khơng điện tích ảnh di chuyển sang hai bên phá hủy độ phân giải Độ dẫn ngang nhỏ thực cách cho vào mật độ cao trap a-Se gần với giao diện ảnh (Pai and Springett 1993) Các ứng dụng y tế a-Se, chụp X quang tĩnh điện (Boag 1973) - một ảnh điện tích bề mặt a-Se hiển thị màu – một thành công kỹ thuật thương mại ngày Dù chụp X quang tĩnh điện (xem Jeromin 1988) khơng cịn tính cạnh tranh, điều có lẽ phương pháp hiển thị màu dùng thời điểm đó, khơng phải tḥc tính a-Se (Brodie and Gutcheck 1985) Như vậy, cách sử dụng hình điện tử, a-Se lại trở nên khả thi sở một hệ tạo ảnh lâm sàng Neitzel cộng (1994) mô tả mợt bợ qt màng nhĩ a-Se có lợi ích thương mại cho chụp X quang vú Điều việc làm trước Xerox (Jeromin and Klynn 1979) Philips phòng nghiên cứu họ Aachen (Hillen cợng 1988), ghi thực cách quét một mảng điện kế nhỏ tuyến tính ảnh điện trường bề mặt selen May and Lubinski (1993) mô tả một phương pháp để ghi selen với phủ mực lân quang máy quét laze Họ biểu diễn hình ảnh chi tiết mà cho phù hợp với chụp X quang vú Cook cộng (1994) công bố giới thiệu sơ bộ nghiên cứu gần họ chùm laze xả a-Se Nghiên cứu có liên quan đến cơng bố trước Korn cộng (1978), Zermeno cộng (1979), and DeMonts and Beaumont (1989) phương pháp khoảng hở (air-gap) (Rowlands cộng 1991), ghi (readout-màn hình) với mợt chất điện mơi trạng thái đặc (Rowlands and Hunter 1995) Lee cộng (1996) mơ tả mợt phương pháp hình phẳng cho chụp X quang, dựa việc sử dụng phương pháp hiển thị ma trận tích cực cho a-Se mợt cách tiếp cận tương tự ủng hộ Zhao and Rowlands (1992, 1995) cho chụp chiếu X quang Các tính tiềm phương pháp là: chất lượng hình ảnh cao, hiển thị thời gian thực kích thước nhỏ gọn Các khái niệm thể hình 23.Trong chiếu tia X, lượng hấp thụ lớp a-Se điện tích tạo điện trường bên ESe tới bề mặt Ảnh điện tích thu điện cực điểm ảnh tích lũy vào điểm ảnh điện dung (tức điện dung mợt tụ điện lưu trữ tích hợp) Các điện cực điểm ảnh tụ điện lưu trữ kết nối đến TFT chuyển mạch điểm ảnh, thiết bị hiển thị giống sử dụng với silic vơ định hình (hình 22(b)) Các mạch tạo xung điều khiển quét bên để bật tất TFT chuyển mạch một hàng mảng chuyển điện tích từ tụ điện điểm ảnh đường hiển thị (các cợt) Điện tích sau thu khuếch đại bộ khuếch đại đường liệu cho tồn bợ hang trộn (Các bộ khuếch đại bộ trộn một mạch IC silic đơn tinh thể liên kết với mảng) Trình tự lặp lại cho hàng mảng Hiển thị thời gian thực, phương pháp dùng cho chụp chiếu X quang Fahrig cộng (1995) phân tích yếu tố ảnh hưởng DQE a-Se đầu dò tia X 11 Các hệ chuyển đổi trực tiếp khác - Other direct conversion systems Những ưu điểm chuyển đỏi trực tiếp tín hiệu tia X thành điện tích rõ ràng Các vấn đề chùm lượng tử thứ cấp loại bỏ kết nối quang cồng kềnh không cần thiết Một ngun liệu mà dùng để biến đởi trực tiếp tinh thể silic Silic sử dụng cho phổ tia X tia gamma định lượng Một chế tạo P-I-N diode quang đơn giản cấu mợt đầu dị Si tạo một cặp điện tử - lỗ trống cho 3.6eV đọng tinh thể (bảng 1), mợt lượng tử 40keV sinh 11100 cặp e-lỗ trống Chúng thu hiệu qủa từ khu vực rỗng diode một điện trường đặt khu vực Mợt máy dị vận hành nhiệt đợ phịng Nhưng nhiễu đặc trung cải thiện đáng kể nhờ giảm vài đợ C Các diode quang sản xuất với bước tốt, bị giới hạn số lượng tử hấp thu một điểm ảnh, tức với mức nhiễu liều bệnh nhân chấp nhận Hình 23 Ngun lý vùng máy dị selen vơ định hình (xem hình 22(b) cho cẫu hình máy hiển thị) Lớp a-Se biến (bay hơi) trực tiếp vào một mảng ma trận tích cực thành phần điểm ảnh đơn giản điện cực Một điện trường thiết lập selen cách dùng điện áp cao thích hợp cho điện cực đỉnh chung lớp a-Se Điện tích thu điện trường tụ thực hiện, cách lồng ghép điện cực điểm ảnh đường cực cửa liền kề Như thấy hình 4, Si, số Z khối lượng riêng thấp (density), không hấp thụ tia X hiệu lượng cao, để đạt mợt giá trị ƞ chấp nhận được, chí mức lượng X quang vú, máy dò phải dày 1mm Đối với đầu dị có đợ phân giải cao (p=50µm), điều có nghĩa lượng tử đập vào bề mặt lối vào đầu dị mợt số khoảng cách tâm chùm tia X sẽ, tỷ lệ khơng bình thường, có khả hấp thụ một thành phần đầu dị liền kề, làm mở rợng hình đường lây lan chức Để tránh vấn đề này, mảng cảm biến bố trí dọc theo bề mặt cong, với bề mặt cong khoảng cách mặt phẳng nguồn ảnh (SID) hình 24(a) Mợt phương pháp để sản xuất loại đầu dị (hình 24(b)) lai mảng pixelated diode quang một TDI CCD hiển thị tạo thành bề mặt phân chia Hai ma trận tham gia vào điểm ảnh tảng một loạt va chạm Indi nhỏ Do điện tích giải phóng khỏi diode quang thu lại tích hợp dưới cợt CCD số hóa Thiết kế máy dị ban đầu sử dụng cho chụp ảnh quang phổ hồng ngoại chứng minh có đợ phân giải khơng gian cao đặc trưng hình ảnh mong muốn khác điều chỉnh để sử dụng X quang (Henry cộng 1995) Khả tương lai, nhiều vật liệu dò hấp thụ tia X cho diode quang Zn Cd Te, HgI2 TlBr (Shah et al 1989) có sẵn cung cấp ƞ cao cho cấu trúc máy dò mỏng làm cho đầu dị chuyển đởi trực tiếp nhiều thực tế Hình 24 (a) Máy dị sử dụng vật liệu Z mật độ thấp phải dày để đạt giá trị ƞ hợp lý Để tránh giảm đợ phân giải lây lan hình học tín hiệu máy dị phải uốn cong để tia X có góc tới bình thường (b) Mợt máy dị lai sử dụng tinh thể Si ZnCdTe để hấp thụ tia X Các điểm ảnh máy dò kết nối với thành phần CCD bề mặt hiển thị dưới 12 Kết luận – Conclusion Có mợt số phương pháp để sản xuất đầu dò chụp X quang số, công nghệ tối ưu cho tất ứng dụng Các công nghệ lựa chon phụ thuộc vào độ phân giải không gian yêu cầu hình học tốc đợ chụp ảnh cần thiết chi phí chấp nhận Tối ưu hóa đòi hỏi ý cẩn thận đến đặc điểm kỹ thuật chụp ảnh lâm sàng thông tin hình ảnh quan trọng u cầu tởng qt Tương tác kín bác sĩ X quang bác sĩ lâm sàng giúp đảm bảo cơng nghệ hình ảnh thích hợp đáp ứng yêu cầu Lời cảm ơn – Acknowledgments Các tác giả xin chân thành cảm ơn hỗ trợ tài cho nghiên cứu X quang số Viện ung thư Quốc gia Canada qua Terry Fox Programme Project Grant với tiêu đề “hình ảnh y tế cho bệnh ung thư” ... cầu đầu dò X quang số từ ảnh thu nhận ảnh thường quy Ví dụ, chụp X quang ngực yêu cầu một trường ảnh 3 5x4 3 cm, chụp X quang vú chứa kích thước 1 8x2 4 cm 2 4x3 0 cm Ảnh tăng sáng dùng huỳnh quang. .. chụp X quang số Máy quay phim chụp X quang số thường vận hành chế độ xung đầu nhanh chóng PPR (Baily 1980) Trong PPR, trước xung tia X ơng máy quay phim đích lọc cách quét liên tục Khi tia X bắt... điện tử giai đoạn dò có phần lớn ƞ, để tránh nhiễu đầu dị bị ảnh hưởng một phần lượng tử thứ cấp Bảng Đặc tính chất quang chất quang dẫn sử dụng đầu dò tia X X quang số, bao gồm số nguyên tử Z