0%
Найти:
Статьи
26.01.2022 15:01

Цифровые рентгеновские детекторы прямого и непрямого преобразования

Плоскопанельные цифровые рентгеновские детекторы используются в цифровой рентгенографии для перевода рентгеновского излучения в свет (непрямое преобразование) или электрический заряд (прямое преобразование).

Непрямое преобразование использует сцинтиллятор для трансформации рентгеновских лучей в видимый свет с последующей трансформацией в электрический заряд для считывания сформированного рентгеновского снимка.

Рис 1

Излучение поглощается сцинтилляционным материалом и преобразуется в видимый свет, который достигает фотодиодной матрицы, где и преобразуется в электрический заряд. Каждый фотодиод представляет один пиксель и производит электрический заряд, который считывается в цифровом виде.

До недавнего времени непрямое преобразование было единственной технологией, доступной для клинической рентгенологии.

Плоскопанельный детектор рентгеновского излучения может работать и на основе матрицы прямого преобразования.

Системы прямого преобразования стали доступны, благодаря тому что технологические достижения уменьшили эффекты задержки, вызванной захватом заряда в полупроводнике, и потому что были реализованы схемы защиты от перезарядки.

Прямое преобразование это метод, который без промежуточного сцинтилляционного шага преобразует поглощенный рентгеновский луч в электрический заряд пропорционального размера.

Рис 2

Рентгеновский луч не преобразуется в свет, поэтому не происходит размывание, и это обеспечивает гораздо более четкое изображение и более высокий контраст, чем в случае с непрямым типом преобразования.

Прямые детекторы используют полупроводниковый материал, зажатый между двумя электродами, для поглощения и преобразования энергии излучения непосредственно в ионные пары, пропорционально его интенсивности. В качестве полупроводникового материала как правило выступает аморфный селен.

С каждым годом в современной рентгенологии справедливо растёт популярность DR-систем (Digital Radiography — Цифровая Рентгенография), которые намного эффективнее, чем CR-системы (на основе запоминающего люминофора).

Большим спросом пользуются DR-системы на основе плоскопанельного цифрового рентгеновского детектора для мгновенной оцифровки рентгеновского излучения.

В DR панели фотоприемники находятся под непосредственным воздействием рентгеновских лучей, которые проходят через экран. Таким образом, изображение с рентгеновского экрана переносится на матрицу фотоприёмника путём прямого контакта, без масштабирования. Между экраном и фотоприемником может устанавливаться стекловолоконная планшайба для подавления прошедшего через экран излучения. Это позволяет избежать существенных потерь, возникающих при переносе света с помощью оптических схем, но требует использования фотоприёмника одинакового размера с сцинтиллятором.

Основным интегральным параметром, который характеризует качество детекторов рентгеновского излучения, служит квантовая эффективность регистрации (детектирования).

Ввиду малых потерь света при переносе изображения с экрана на фотодиодную матрицу квантовая эффективность DR панелей выше, чем у приемников на ПЗС — матрицах. Да и РЭОПы как представители вакуумной технологии практически достигли предела своих возможностей и остаются достаточно дорогими приборами с ограниченной долговечностью. Поэтому на сегодняшний день DR панель обладает рядом преимуществ.

Плоскопанельный рентгеновский детектор — это квазиидеальный приемник. В квазиидеальных приемниках снижение чувствительности по сравнению с идеальным определяется только неполным поглощением рентгеновского излучения в экране.

В рентгенологии размер входной плоскости детектора зависит от области применения.

Для общей рентгенологии стандартными приняты размеры 430×430 мм и 430×350 мм.

В интервенционной рентгенологии используются панели 200 x200 мм для кардиоваскулярных вмешательств и 300 x 350 мм для периферийной ангиографии.

Одной из основных технических проблем при проектировании плоскопанельных детекторов является выбор фотоприёмника. Необходимо, чтобы выбранная технология позволяла создать сенсор фотоприёмника размером, равным размеру экрана.

В настоящее время существуют две основных технологии, позволяющие получать двумерные массивы фотодиодов, которые пригодны для использованиям в серийных продуктах и доступны по экономическим параметрам. Это TFT и CMOS (КМОП). Обе технологии позволяют создать двумерный массив фотодиодов.

Пиксель CMOS — сенсора представляет собой, так называемый, активный пиксель. То есть внутри него выполнены транзистор сброса, повторитель и коммутирующий транзистор. Таким образом CMOS детектор позволяет реализовать режим неразрушающего считывания и глобальный сброс сенсора. В пикселе CMOS — сенсора имеется транзистор сброса, который включается непосредственно перед накоплением, что позволяет сбрасывать паразитный заряд в ёмкости пикселя.

Фотоприемник, который работает на основе TFT технологии, представляет собой двумерную матрицу фотодиодов, изготовленную на подложке из аморфного селена. Для реализации считывания накопленного при экспозиции заряда применяются тонкоплёночные транзисторы ( TFT — Thin film transistor). На аморфном селене можно изготовить PIN- фотодиод с достаточно хорошими параметрами, так например, темновой ток такого диода в режиме обратного смещения меньше.

Системы DR с детектором прямого преобразования переводят энергию рентгеновского излучения прямо и непосредственно в электронный заряд. Рентгеновские фотоны взаимодействуют с активным слоем плоского детектора — аморфным селеном (A-Se) .

Аморфный селен — это фотопроводник, который преобразует энергию рентгеновского излучения напрямую в электрический заряд. Электрические заряды собираются и передаются через TFT-транзисторы. Каждый TFT-транзистор представляет один пиксель на всей матричной панели и читается по порядку. Информация отправляется на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для обработки.

В каждом элементе панели находятся TFT, электрод сбора заряда и конденсатор сбора заряда. Соединение каждого элемента через TFT и конденсатор представляют собой линии «затвор» и «сток». Держа переключатель TFT закрытым во время экспонирования. Падающие на детектор рентгеновские лучи взаимодействуют с преобразователем и производят соответствующий заряд, который накапливается в локальном конденсаторе. Когда рентгеновское облучение прекращается, устанавливается одна линия затвора за раз, чтобы активировать все подключенные TFT вдоль ряда, где заряд течет от локальных конденсаторов через транзисторы и вниз по линиям стока параллельно с усилителями выходного заряда в каждом столбце матрицы. Происходит оцифровка выходного сигнала, и цифровое изображение создается по одной строке за раз. Деактивация линии затвора сбрасывает TFT для следующей экспозиции, и смежная линия затвора активируется для следующей строки данных, причем процесс продолжается до тех пор, пока весь массив не будет проанализирован.

Технология TFT позволяет создавать радиационностойкие плоскопанельные детекторы больших размеров для общей рентгенографии.

Плоскопанельный детектор рентгеновского излучения это отличный способ быстро перейти к цифровой рентгенографии.