ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΕΙΚΟΝΑΣ ΚΑΙ ΟΣΙΜΕΤΡΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΣΤΕΦΑΝΙΟΓΡΑΦΙΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΠΙΠΕ ΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ ΕΝΕΡΓΟΥ ΜΗΤΡΑΣ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΕΙΚΟΝΑΣ ΚΑΙ ΟΣΙΜΕΤΡΙΑΣ ΣΤΗΝ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΣΤΕΦΑΝΙΟΓΡΑΦΙΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΠΙΠΕ ΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ ΕΝΕΡΓΟΥ ΜΗΤΡΑΣ (FLAT PANEL DETECTORS) ΚΑΡΑΪΣΚΟΥ ΑΝ ΡΙΑΝΑ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΤΡΑ 2008

2 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΟΣΙΜΕΤΡΙΑΣ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΕΙΚΟΝΑΣ ΣΤΗΝ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΣΤΕΦΑΝΙΟΓΡΑΦΙΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΠΙΠΕ ΩΝ ΑΝΙΧΝΕΥΤΩΝ ΕΝΕΡΓΟΥ ΜΗΤΡΑΣ (FLAT PANEL DETECTORS) ΚΑΡΑΪΣΚΟΥ ΑΝ ΡΙΑΝΑ ΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΠΑΤΡΑ

3 Γ. Νικηφορίδης Επιβλέπων καθηγητής Γ. Παναγιωτάκης Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής Ε. Κωσταρίδου Μέλος Τριμελούς Συμβουλευτικής Επιτροπής 3

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εξέλιξη της τεχνολογίας στους διάφορους τρόπους ανίχνευσης της ακτινοβολίας, μετά την αλληλεπίδρασή τους με το σώμα, και στους τρόπους λήψης ακτινοδιαγνωστικών εικόνων, οδήγησε στην εισαγωγή και εφαρμογή των επίπεδων ανιχνευτών ενεργού μήτρας (AMFPIs). Τα τελευταία χρόνια, ολοένα και αυξάνουν τα συστήματα που χρησιμοποιούν τη συγκεκριμένη τεχνολογία ανίχνευσης, ενώ είναι μεγάλος και ο αριθμός των επιστημονικών ερευνών που πραγματοποιούνται πάνω στη τεχνολογία αυτή, τα πλεονεκτήματά της, σε σχέση με παλαιότερα συστήματα, καθώς και την κλινική τους χρησιμότητα. Η μελέτη των συστημάτων αυτών, με αφορμή όλα τα παραπάνω καθώς και με το γεγονός ότι πρόκειται για καινούρια συστήματα που ακόμα βρίσκονται υπό έρευνα, αποτέλεσε τη βάση της παρούσας εργασίας. Σκοπός της διπλωματικής αυτής εργασίας, είναι η βαθύτερη κατανόηση της τεχνολογίας και των διάφορων τρόπων (άμεσης και έμμεσης) ανίχνευσης των επίπεδων ανιχνευτών, καθώς και η εξαγωγή, μέσα από τη μελέτη ψηφιακών επεμβατικών ακτινολογικών συστημάτων, όπως είναι ο ψηφιακός στεφανιογράφος, διάφορων συμπερασμάτων και νέων προβληματισμών, σχετικά με τη βελτιστοποίηση της δοσιμετρίας ασθενούς και της ποιότητας εικόνας. Στο σημείο αυτό, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα καθηγητή, κ. Γ. Νικηφορίδη, για την πολύτιμη βοήθεια και καθοδήγησή του στην εργασία αυτή, τον κ. Γ. Μεσσάρη, για τις αμέτρητες ώρες που περάσαμε κατά τη διάρκεια των ελέγχων αποδοχής του ψηφιακού συστήματος στεφανιογραφίας, και της καταγραφής των μετρήσεων, και των αποτελεσμάτων, καθώς και για τις χρήσιμες συμβουλές του και την υπομονή που έδειξε όλο αυτό τον καιρό. Τέλος, να ευχαριστήσω τον κ. Γ. Καγκάδη για τη βοήθειά του για την εύρεση ουσιαστικής βιβλιογραφίας και για τη γενικότερη καθοδήγησή του. 4

5 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η διπλωματική αυτή εργασία ξεκινά με μια σύντομη αναφορά, στο κεφάλαιο 1, στις εξελίξεις που αφορούν τους διάφορους τρόπους ανίχνευσης της ακτινοβολίας, μετά από την αλληλεπίδρασή τους με το σώμα, και στην τεχνολογία απόκτησης ακτινοδιαγνωστικών εικόνων μέχρι την εισαγωγή της ψηφιακής απεικόνισης. Αναφέρεται, επίσης, η μετάβαση από το σύστημα φθορίζουσας οθόνης-φιλμ στο σύστημα του ενισχυτή εικόνας-tv monitor, στο σύστημα CCDs-tv camera και από εκεί στα συστήματα των επίπεδων ανιχνευτών. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα της ψηφιακής απεικόνισης και πώς αυτά οδήγησαν στα σύγχρονα ψηφιακά συστήματα ακτινοδιαγνωστικής. Μετά την περιγραφή των συστημάτων αυτών, ακολουθεί η κατηγοριοποίησή τους ανάλογα με την τεχνολογία ανίχνευσης και πιο συγκεκριμένα ανάλογα με το σχήμα του ανιχνευτή, τον τύπο του συστήματος ανίχνευσης και τον τρόπο ανίχνευσης. Το κεφάλαιο 2 αφορά κυρίως τους επίπεδους ανιχνευτές. Αφού παρουσιάζεται η διαδικασία ανάγνωσης σε πίνακα ενεργού μήτρας, αναλύονται οι αρχές άμεσης και έμμεσης ανίχνευσης και οι παράμετροι που χαρακτηρίζουν την απόδοση ενός επίπεδου ανιχνευτή. Ολοκληρώνοτας το κεφάλαιο αυτό, γίνεται σύγκριση μεταξύ των δύο προαναφερθέντων επίπεδων ανιχνευτών, σύγκριση μεταξύ των ανιχνευτών έμμεσης ανίχνευσης, που χρησιμοποιούνται σε κλινικές εφαρμογές, και του ενισχυτή εικόνας, που τείνει να αντικατασταθεί σχεδόν σε όλα τα σύγχρονα μηχανήματα, και, τέλος, αναφορά σε διάφορες εξελίξεις πάνω στην τεχνολογία των επίπεδων ανιχνευτών. Τα συστήματα των επίπεδων ανιχνευτών εφαρμόζονται ήδη σε μια μεγάλη γκάμα ακτινοδιαγνωστικών συστημάτων, στα οποία πραγματοποιούνται εξετάσεις, όχι μόνο διάγνωσης, αλλά και θεραπείας. Εξετάσεις όπως η αγγειογραφία, η ψηφιακή αφαιρετική αγγειογραφία (DSA), στεφανιογραφία και αγγειοπλαστική περιγράφονται στο κεφάλαιο 3. Εκτός, όμως, από τα οφέλη που προκύπτουν από τις παραπάνω διαδικασίες, είναι πιθανό να προκληθούν και βλαβερές συνέπειες από την έκθεση του ασθενούς στις ακτίνες Χ. Αφού περιγραφούν τα ντετερμινιστικά και στοχαστικά αποτελέσματα των ακτινοβολιών στον άνθρωπο, αναφέρονται κάποιες δοσιμετρικές έννοιες και κάποιες συναρτησιακές σχέσεις μεταξύ τους, που σχετίζονται με τα παραπάνω αποτελέσματα και την πρόληψή τους. Η παρούσα εργασία, συνεχίζεται με το ειδικό μέρος, στο οποίο γίνεται, αρχικά, στο κεφάλαιο 4, μία σύντομη περιγραφή του ψηφιακού συστήματος στεφανιογραφίας και μία εισαγωγή σε δοσιμετρικές και γεωμετρικές έννοιες που θα χρησιμοποιηθούν στο επόμενο κεφάλαιο. 5

6 Το κεφάλαιο 5 αναφέρεται, εξ ολοκλήρου, στο σύστημα του ψηφιακού στεφανιογράφου. Μετά την αναφορά στην παλμική ακτινοσκόπηση, τα modes απεικόνισης fluoroscopy και cine, ακολουθεί περιγραφή της τοποθέτησης των δοσιμέτρων, της γεωμετρίας και των προγραμμάτων του συστήματος, που χρησιμοποιήθηκαν για την καταγραφή του ρυθμού δόσης στην είσοδο του ασθενούς. Παρουσιάζονται τ αποτελέσματα και οι γραφικές παραστάσεις αυτών, καθώς και τα σχόλια που σχετίζονται με τη δοσιμετρία. Με την ολοκλήρωση των σχολίων συτών, γίνεται μετάβαση στην ποιότητα εικόνας (διακριτική ικανότητα υψηλής και χαμηλής αντίθεσης) και τη συσχέτισή της με τη δοσιμετρία. Η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται, κεφάλαιο 6, με διάφορους μελλοντικούς στόχους που προέκυψαν κατά τη διάρκεια της εκπόνησής της. 6

7 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΚΤΗΣΗ ΤΗΣ ΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ 1.1 Εισαγωγή...σελ Περιγραφή συστήματος ψηφιακής ακτινοδιαγνωστικής...σελ ιάφορα συστήματα ψηφιακής ακτινοδιαγνωστικής...σελ Κατηγορίες ακτινοδιαγνωστικών συστημάτων ανάλογα με την τεχνολογία ανίχνευσης...σελ. 17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΠΙΠΕ ΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΜΗΤΡΑΣ (AMFPIS) 2.1 Εισαγωγή...σελ Ανάγνωση σε πίνακα ενεργού μήτρας (Active Matrix Readout)...σελ Αρχές της άμεσης ανίχνευσης...σελ Αρχές της έμμεσης ανίχνευσης...σελ Παράμετροι που χαρακτηρίζουν την απόδοση ενός ανιχνευτή...σελ Σύγκριση μεταξύ συστημάτων άμεσης και έμμεσης ανίχνευσης Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα...σελ Σύγκριση επίπεδου ανιχνευτή έμμεσης ανίχνευσης και ενισχυτή εικόνας...σελ Εξελίξεις στους επίπεδους ανιχνευτές...σελ. 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΗ ΑΚΤΙΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΕΠΙ ΡΑΣΕΙΣ ΤΩΝ ΑΚΤΙΝΩΝ-Χ ΣΤΟΝ ΑΣΘΕΝΗ 3.1 Εξετάσεις διάγνωσης και θεραπείας στην επεμβατική ακτινολογία...σελ Αγγειογραφία...σελ. 45 7

8 Στεφανιογραφία...σελ Βλαβερές συνέπειες των ακτίνων Χ στον ασθενή...σελ Έννοιες που σχετίζονται με ντετερμινιστικά και στοχαστικά αποτελέσματα...σελ. 51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΕΠΕΜΒΑΤΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΤΗΣ ΣΤΕΦΑΝΙΟΓΡΑΦΙΑΣ ΚΑΙ ΟΡΙΣΜΟΙ ΒΑΣΙΚΩΝ ΕΝΝΟΙΩΝ 4.1 Σύντομη περιγραφή συστήματος ψηφιακής στεφανιογραφίας.σελ Βασικοί ορισμοί...σελ Ορισμοί δοσιμετρικών εννοιών...σελ Ορισμοί γεωμετρικών εννοιών...σελ. 61 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΟΣΙΜΕΤΡΙΑ ΑΣΘΕΝΟΥΣ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΕΙΚΟΝΑΣ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΣΤΕΦΑΝΙΟΓΡΑΦΙΑΣ 5.1 Παρατηρήσεις αναφορικά με την καταγραφή του ρυθμού δόσης...σελ Περιγραφή φυσικών παραμέτρων των προγραμμάτων και της γεωμετρίας που χρησιμοποιήθηκαν για τη μέτρηση του ρυθμού δόσης...σελ Παλμική ακτινοσκόπηση...σελ Fluoroscopy...σελ Cine...σελ Προγράμματα, φυσικές παράμετροι και γεωμετρία συστήματος...σελ Μετρήσεις ρυθμού δόσης...σελ Γραφικές παραστάσεις και σχολιασμός των μετρήσεων δόσης...σελ Όρια δόσεων...σελ Παρατηρήσεις σχόλια αναφορικά με το fluoroscopy...σελ Παρατηρήσεις σχόλια αναφορικά με το cine...σελ Ποιότητα εικόνας...σελ. 86 8

9 Automatic Exposure Control (AEC)...σελ Ρυθμός δόσης ασθενούς και διακριτική ικανότητα υψηλής αντίθεσης...σελ Ρυθμός δόσης ασθενούς και διακριτική ικανότητα χαμηλής αντίθεσης...σελ. 91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ...σελ. 94 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ...σελ. 96 9

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΞΕΛΙΞΕΙΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΚΤΗΣΗ ΤΗΣ ΙΑΓΝΩΣΤΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΕΙΚΟΝΑΣ 1.1 Εισαγωγή Οι ιατρικές εικόνες παράγονται μέσω ενός συνόλου διαδικασιών, στις οποίες γίνεται χρήση των χαρακτηριστικών εκπομπής της ακτινοβολίας. ημιουργούνται με την ανίχνευση της ακτινοβολίας με διάφορους τρόπους, αφού έχει προηγηθεί αλληλεπίδραση με το σώμα. Οι ακτίνες Χ, οι ακτίνες γ, τα σήματα ραδιοσυχνοτήτων, και τα υπερηχητικά κύματα αποτελούν τις καθιερωμένες πλέον ακτινοβολίες, ενώ το ορατό και το υπέρυθρο φως, τα μικροκύματα και τα εφαρμοζόμενα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία διερευνώνται. Μερικές από τις νεότερες τεχνολογίες, όπως είναι η μοριακή απεικόνιση, μπορούν να εμπλουτίσουν τις ήδη υπάρχουσες παραμέτρους στην απεικόνιση και σε συνδυασμό με την νανοτεχνολογία, την βιοτεχνολογία, την βιοπληροφορική και τους καινούργιους τύπους υπολογιστικού hardware και software να οδηγήσουν σε πρωτοποριακές προσεγγίσεις στην κλινική απεικόνιση [1]. Η ακτινοβολία είναι μορφή ενέργειας, η οποία εκπέμπεται από κάποια πηγή και διαδίδεται στο χώρο με οριακά μεγάλη ταχύτητα. Οι ακτινοβολίες διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τις μη ιοντίζουσες και τις ιοντίζουσες ακτινοβολίες. - Μη ιοντίζουσες ακτινοβολίες είναι αυτές που μεταφέρουν σχετικά μικρή ενέργεια, ανίκανη να προκαλέσει ιοντισμό, ικανή όμως να προκαλέσει ηλεκτρικές, χημικές και θερμικές επιδράσεις στα κύτταρα, που μπορούν να αποβούν άλλοτε επιβλαβείς και άλλοτε ευεργετικές για τη λειτουργία τους. Μη ιοντίζουσες ακτινοβολίες είναι οι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες στις οποίες εντάσσονται τα στατικά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, τα χαμηλόσυχνα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, που δημιουργούνται στο περιβάλλον διατάξεων ηλεκτρικής ενέργειας, τα ραδιοκύματα και τα μικροκύματα, που εκπέμπονται από κεραίες επικοινωνιών, καθώς και η υπέρυθρη, η ορατή και η υπεριώδης ακτινοβολία [2]. - Ιοντίζουσες ακτινοβολίες είναι οι ακτινοβολίες που μεταφέρουν ενέργεια ικανή να εισχωρήσει στην ύλη, να προκαλέσει ιοντισμό των ατόμων της, να διασπάσει βίαια χημικούς δεσμούς και να προκαλέσει βιολογικές βλάβες σε ζώντες οργανισμούς. 10

11 Εικ. 1: Ιοντισμός του ατόμου: εκδίωξη ηλεκτρονίου από τις στοιβάδες του ατόμου και δημιουργία ενός θετικού (+) και ενός αρνητικού (-) ιόντος. Οι πιο γνωστές ιοντίζουσες ακτινοβολίες είναι οι ακτίνες Χ που παράγονται στις λυχνίες των ακτινολογικών μηχανημάτων και χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική, καθώς και οι ακτινοβολίες α, β και γ που εκπέμπονται από τους ασταθείς πυρήνες ατόμων. Οι ιοντίζουσες ακτινοβολίες είναι διεισδυτικές και η διεισδυτικότητά τους στην ύλη εξαρτάται από το είδος τους και την ενέργεια που μεταφέρουν. Η ποσότητα ενέργειας που μεταφέρεται από την ακτινοβολία στην ύλη ανά χιλιόγραμμο μάζας καλείται δόση ακτινοβολίας. Η πιθανότητα βλάβης της υγείας σχετίζεται άμεσα με το μέτρο της δόσης ακτινοβολίας. Εικ. 2: Φάσμα ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών Φωτόνια όλων των ενεργειών (ακτίνες Χ, ακτίνες γ, υπεριώδης, υπέρυθρες, οπτικές, μικροκύματα, ραδιοσυχνότητες), ασθενή ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, υπερηχητικά κύματα, διαφοροποιούνται στην ικανότητά τους να διεισδύουν στο σώμα, να επικρατούν σε σχέση με τον θόρυβο και στην ευκολία με την οποία μπορούν να ανιχνευτούν και να προσδιοριστούν. Αυτοί οι παράγοντες σχετίζονται με την δόση της ακτινοβολίας, με τα ισχυρά στατικά και δυναμικά μαγνητικά πεδία, κ.α., τα οποία μπορούν να επηρεάσουν τα επίπεδα της αντίθεσης ανάμεσα σε υγιείς και παθογενείς ιστούς, την χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα, την παρουσία θορύβου και των artifacts, αλλά και την ολική κλινική χρησιμότητα μιας απεικόνισης. Υπάρχουν δύο γενικές κατηγορίες απεικόνισης φωτονίων υψηλών ενεργειών, παραγόμενα από λυχνίες ακτίνων Χ: 11

12 α) η διαδικασία επίπεδης προβολής, όπως είναι η καθιερωμένη ακτινογραφία (είτε βασιζόμενη σε φιλμ, είτε ψηφιακή) και η ακτινοσκόπηση (προσανατολισμένη στην εξ ολοκλήρου χρήση δεκτών ψηφιακής εικόνας) β) η τομογραφική διαδικασία, όπως είναι ο αξονικός τομογράφος. Η πληροφορία εικόνας αποκτάται με την αποτίμηση του σχηματισμού των αμαυρώσεων μιας δέσμης ακτίνων Χ, λόγω των διαφορικών συντελεστών εξασθένησης ή της ολίσθησης της φάσης από τα διάφορα υλικά του σώματος, τα οποία διαφέρουν στο πάχος, τη πυκνότητα ή τη χημική σύσταση (π.χ. στον ατομικό αριθμό). Οι συνδυασμοί φθορίζουσας οθόνης φιλμ ακτίνων Χ, ενισχυτή εικόνας - οθόνη τηλεόρασης ή τα CCDs με οπτική κάμερα, εξυπηρέτησαν την ακτινολογία ικανοποιητικά για έναν αιώνα περίπου. Όμως, στην επίπεδη απεικόνιση των ακτίνων Χ, νέοι ηλεκτρονικοί δέκτες εικόνας καταλαμβάνουν το χώρο, ενώ ολοκληρωμένα συστήματα ψηφιακών συστημάτων αρχειοθέτησης εικόνας και επικοινωνιακών συστημάτων (PACS) επικρατούν ολοένα και περισσότερο. Ένας μεγάλος αριθμός ακτινολογικών τμημάτων αντικαθιστά συστήματα με χρήση φιλμ ή με ενισχυτή εικόνας με ψηφιακά συστήματα. Ακόμη και στην απεικόνιση του στήθους, όπου η διακριτική ικανότητα είναι ικανοποιητική σε ένα σύστημα ενισχυτή εικόνας, για τον καθορισμό των μικροτιτανώσεων, τα ψηφιακά συστήματα γίνονται ευρέως αποδεκτά. Φωτοευαίσθητες φωσφορικές επιστρώσεις μετάλλων, αποτελούμενες από BaFBr και BaFI, χρησιμοποιούνται στις υπολογιστικές ακτινογραφικές κασέτες από το Πρόσφατα, ο πραγματικός χρόνος, οι ενεργοί πίνακες, οι flat-panel ανιχνευτές της ψηφιακής ακτινολογίας και της ψηφιακής ακτινοσκόπησης έχουν αρχίσει να εκτοπίζουν τους αναλογικούς προκατόχους τους. Ένας flat-panel ανιχνευτής είναι μια σειρά από εκατοντάδες, χιλιάδες, ή εκατομμύρια μικροσκοπικούς ανεξάρτητους ημιαγωγούς, οι οποίοι είναι ευαίσθητοι στα φωτόνια υψηλών ενεργειών (άμεσης ανίχνευσης) ή στο ορατό φως που προέρχεται από ένα λεπτό στρώμα φθορίζοντος υλικού (έμμεσης ανίχνευσης). Υπάρχουν υποστηρικτές και της υπολογιστικής και της ψηφιακής ακτινογραφίας, αλλά τα δύο αυτά πεδία είναι συμπληρωματικά και υπάρχει χώρος ανάπτυξης και για τις δύο κατηγορίες απεικόνισης. Η καθεμία χαρακτηρίζεται από πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Ανάμεσα στα πλεονεκτήματα και των δυο τεχνολογιών της ψηφιακής απεικόνισης είναι: α) η γραμμικότητα που παρουσιάζει η απόκριση των δεκτών ψηφιακής ακτινοβολίας με το εύρος της έκθεσης, το οποίο είναι πολλές τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το πλάτος οποιουδήποτε φιλμ, και η ολική βελτίωση της ποιότητας της εικόνας που προκύπτει από την ιδιότητα αυτή β) ο διαχωρισμός της απόκτησης από την επεξεργασία εικόνας (παραθυροποίηση, ενίσχυση ακμών, μείωση θορύβου, κ.α.) και από την έκθεση, ώστε τα τρία αυτά στάδια να μπορούν να 12

13 βελτιωθούν ανεξάρτητα και γ) τα γενικότερα οφέλη από την αποθήκευση, μεταφορά και ανάλυση ενός ψηφιακού σήματος. Μερικοί από τους παράγοντες που έκαναν τη ψηφιακή απεικόνιση τόσο δημοφιλή είναι: (i) η ολοένα μεγαλύτερη ανάγκη για ένα περιβάλλον χωρίς φιλμ (ii) η δυνατότητα να αποθηκεύει γρήγορα εικόνες με τη βοήθεια της αρχειοθέτησης εικόνων και των επικοινωνιακών συστημάτων (PACS) και να τις τροποποιεί κάθε στιγμή που θα ζητηθεί (iii) η ικανότητα να διερευνώνται αυτές οι εικόνες την ίδια στιγμή σε περισσότερα από ένα μέρη (iv) η επίσπευση εξόδου του ασθενούς από μια κλινική (v) η ελαχιστοποίηση των εξόδων λειτουργίας σε ότι αφορά την επεξεργασία του φιλμ και τη μείωση των επαναλήψεων. Η εισαγωγή των flat-panel ανιχνευτών υπόσχεται όχι μόνο αυξημένη ποιότητα εικόνας, αλλά και σημαντική βελτίωση της δόσης της ακτινοβολίας, λόγω της βελτιωμένης ανιχνευτικής κβαντικής ικανότητας (DQE) [1]. 1.2 Περιγραφή συστήματος ψηφιακής ακτινοδιαγνωστικής Η ψηφιακή επεξεργασία εικόνας με τη βοήθεια ηλεκτρονικών υπολογιστών είναι αυτό που ουσιαστικά διαχωρίζει την κλασική από την ψηφιακή ακτινοσκόπηση. Ο στόχος της ψηφιακής επεξεργασίας ακτινολογικών εικόνων, με τη βοήθεια μαθηματικών μεθόδων, είναι η διευκόλυνση και η επιτάχυνση της διάγνωσης καθώς και η μείωση της έκθεσης, τόσο στον εξεταζόμενο όσο και στον γιατρό. Το σήμα που φτάνει στην έξοδο του ενισχυτή εικόνας ή του ανιχνευτή έχει αναλογική μορφή και μπορεί να απεικονισθεί, μέσω του κυκλώματος τηλεόρασης, σε ένα monitor. Αυτό, βέβαια, σημαίνει ότι η εικόνα θα εμφανίζεται στο monitor μόνο κατά τη διάρκεια της ακτινοσκόπησης, ενώ όταν αυτή θα σταματήσει θα παύει να εμφανίζεται και η εικόνα. Για να μπορεί να παραμένει η εικόνα στο monitor και μετά το τέλος της ακτινοσκόπησης (last image hold), πρέπει η εικόνα αυτή να έχει πρώτα ψηφιοποιηθεί, να αλλάξει, δηλαδή, η μορφή της από αναλογική σε ψηφιακή. Η ψηφιοποίηση αυτή προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα τόσο στον εξεταζόμενο όσο και στον εξετάζοντα γιατρό. Κατά τη διάρκεια της εξέτασης ο γιατρός παρατηρεί την εικόνα στο monitor και προσπαθεί μέσα απ αυτή να βγάλει κάποια συμπεράσματα για τον περαιτέρω χειρισμό του περιστατικού. Έτσι, για να παρατηρήσει περισσότερο μια εικόνα που τον 13

14 ενδιαφέρει, αναγκάζεται να συνεχίσει την ακτινοσκόπηση στο συγκεκριμένο σημείο ώστε να κρατήσει την εικόνα στο monitor για όσο χρόνο θεωρείται απαραίτητο. Η επιβάρυνση του εξεταζόμενου, όμως, από την ακτινοβολία θα ήταν πολύ μικρότερη εάν η εικόνα μπορούσε, αφού είχε ψηφιοποιηθεί, να ανακληθεί και να παραμείνει στο monitor για όση ώρα θα γινόταν ο έλεγχος από τον γιατρό χωρίς, όμως, ακτινοσκόπηση αυτή τη φορά. Επίσης, η ψηφιοποιημένη αυτή εικόνα θα μπορούσε να αποθηκευτεί σε κάποιο αποθηκευτικό μέσο, ώστε να μπορεί αργότερα να υποστεί κάποια ψηφιακή επεξεργασία η οποία θα διευκόλυνε τη διάγνωση. Γενικότερα, αφού η εικόνα ψηφιοποιηθεί, μπορεί πλέον να μεταφερθεί μέσω κάποιου δικτύου (δίκτυο του νοσοκομείου, Internet κτλ.), να εκτυπωθεί σε εκτυπωτή φιλμ ή χαρτιού ή να αρχειοθετηθεί σε ένα ηλεκτρονικό αρχείο του νοσοκομείου, ώστε να μπορεί εύκολα να ανακληθεί ακόμα και πολλά χρόνια μετά την πραγματοποίηση της εξέτασης [3]. Εικ. 3: Μετατροπή ακτίνων Χ σε video σήμα. Η όλη δομή ενός τέτοιου συστήματος μπορεί να διακριθεί σε δύο βασικά τμήματα: Α. Το τμήμα του συστήματος που είναι ίδιο με το σύστημα κλασικής ακτινοδιαγνωστικής, δηλαδή γεννήτρια υψηλής τάσης, λυχνία ακτίνων Χ, ενισχυτής εικόνας ή ανιχνευτής, οπτικό σύστημα, τηλεοπτική αλυσίδα και τα συστήματα παρουσίασης και αποτύπωσης της εικόνας. Β. Το ψηφιακό τμήμα που περιλαμβάνει τον μετατροπέα αναλογικού σήματος σε ψηφιακό (analog to digital converter, ADC), τη μονάδα ψηφιακής επεξεργασίας εικόνας με τη μονάδα του κεντρικού υπολογιστή και τη μονάδα αποθήκευσης καθώς και τον μετατροπέα ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (DAC). Η εικόνα που σχηματίζεται στην έξοδο του ενισχυτή εικόνας ή του ανιχνευτή σαρώνεται γραμμικά από την TV camera κι έτσι δημιουργείται μια ηλεκτρονική εικόνα, καθώς η φωτεινότητα κάθε σημείου της εικόνας μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα, το οποίο αφού ενισχυθεί παίρνει διάφορες τιμές και ονομάζεται πλέον video σήμα. Αμέσως μετά, το video σήμα οδηγείται σ έναν λογαριθμικό ενισχυτή, ώστε στην περίπτωση της αγγειογραφίας, τα αγγεία που βρίσκονται μπροστά από οστά να απεικονίζονται εξίσου καλά με αγγεία που 14

15 βρίσκονται μπροστά από μαλακούς ιστούς, δηλαδή επιτυγχάνεται εξίσωση της μη γραμμικής εξασθένησης του σήματος. Στη συνέχεια το λογαριθμικό video σήμα ψηφιοποιείται, δηλαδή κάθε αναλογική τιμή του σήματος μετατρέπεται σε ψηφιακή. Οι ψηφιακές αυτές τιμές δημιουργούνται από συνδυασμούς των δυαδικών ψηφίων 0 και 1. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των δυαδικών ψηφίων (bit depth) που χαρακτηρίζουν ψηφιακά μια αναλογική τιμή, τόσο πιο πιστή είναι η ψηφιακή αναπαράσταση του αναλογικού video σήματος. Έτσι, κάθε ψηφιακή τιμή αντιστοιχίζεται σε έναν τόνο της κλίμακας του γκρι της απεικονιζόμενης εικόνας και συνεπώς όσο μεγαλύτερη είναι η διαβάθμιση της κλίμακας των τόνων του γκρι, τόσο μεγαλύτερος είναι και ο αριθμός των bits που απαιτείται για την πιστή ψηφιακή απόδοση του αναλογικού σήματος. Κάθε ψηφιακή εικόνα αποτελείται από εικονοστοιχεία που ονομάζονται pixels. Ο αριθμός των pixels που συγκροτούν την ψηφιακή εικόνα, εξαρτάται από την ανάλυση (μήτρα) στην οποία αυτή απεικονίζεται. Όσο μεγαλύτερη είναι η μήτρα της απεικόνισης τόσο μεγαλύτερη είναι η γεωμετρική ανάλυση, ώστε να καθίσταται δυνατή η παρατήρηση πολύ μικρών λεπτομερειών της εικόνας. Με την αύξηση της μήτρας απεικόνισης καθώς και του bit depth αυξάνουν παράλληλα και οι απαιτήσεις για τον ψηφιακό χώρο αποθήκευσης. Η τεχνική της ακτινοσκόπησης βρίσκει πολλές εφαρμογές στα ιατρικά συγκροτήματα, όπως στα ακτινοδιαγνωστικά συστήματα γενικής αγγειογραφίας και στεφανιογραφίας [4]. 1.3 ιάφορα συστήματα ψηφιακής ακτινοδιαγνωστικής Τα συστήματα της ψηφιακής ακτινοδιαγνωστικής διακρίνονται στα συστήματα - αξονικής τομογραφίας: Η αξονική τομομογραφία επιτρέπει την λεπτομερή απεικόνιση των εσωτερικών οργάνων του ανθρώπου, σε μορφή τομών που προέρχονται από την ψηφιακή επεξεργασία των αποτελεσμάτων "σάρωσης" (scanning) της εξεταζόμενης περιοχής με μικροποσότητες ακτινών Χ. - μαστογραφίας: Η μαστογραφία είναι μία ανώδυνη ακτινολογική εξέταση που χρησιμοποιεί ακτινοβολία χαμηλής δόσης και επιτρέπει την ανίχνευση ανωμαλιών πολύ μικρού μεγέθους στο μαστό και τον εντοπισμό ακόμα και πρώιμων μορφών καρκίνου, που επιδέχονται πλήρη ίαση. - ακτινογραφικά συστήματα, - ακτινοσκοπικά, - επεμβατικά ακτινολογικά: Η επεμβατική ακτινολογία χωρίζεται στην αγγειακή και τη μηαγγειακή. Η αγγειακή ασχολείται με επεμβατικές πράξεις οι οποίες διενεργούνται μέσα στο αρτηριακό και το φλεβικό σύστημα. Κλάδοι της αγγειακής είναι η επεμβατική καρδιολογία, που 15

16 ασχολείται με πράξεις του καρδιαγγειακού συστήματος και η επεμβατική νευροακτινολογία, που ασχολείται με πράξεις του αγγειακού συστήματος του εγκεφάλου και της σπονδυλικής στήλης. Οι πράξεις που εκτελούνται στο υπόλοιπο αγγειακό σύστημα του σώματος αποτελούν τον κορμό της λεγόμενης επεμβατικής αγγειοακτινολογίας. Η μη-αγγειακή επεμβατική ακτινολογία περιλαμβάνει ένα ευρύτερο φάσμα επεμβατικών πράξεων, και ασχολείται με τα όργανα της κοιλιακής χώρας και τον πεπτικό σωλήνα, τη θωρακική κοιλότητα, το ουροποιογεννητικό σύστημα, το μυοσκελετικό σύστημα και το μαστό - μέτρησης οστικής πυκνότητας: Η μέτρηση της οστικής πυκνότητας είναι μια μη επεμβατική τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της μάζας των οστών. Η οστική μάζα είναι το βάρος του σκελετού, συνολικά ή σε συγκεκριμένες περιοχές. Είναι σημαντικό να μετρηθεί η οστική μάζα στην σπονδυλική στήλη, το ισχίο και τα χέρια, επειδή αυτές είναι οι περιοχές που πιθανότατα θα υποστούν κάταγμα όταν η οστική μάζα είναι χαμηλή. Η ποσότητα της οστικής μάζας που έχει κάποιος στον σκελετό του καθορίζει το πόσο ισχυρός είναι αυτός και τι μέγεθος τραύματος μπορεί να αντέξει πριν υποστεί κάταγμα. Οι μετρήσεις οστικής πυκνότητας μπορούν να είναι χρήσιμες σε άτομα με ή χωρίς ατελή οστεογένεση για την εκτίμηση του κινδύνου κατάγματος και την αξιολόγηση του αποτελέσματος της θεραπευτικής αγωγής - και οδοντιατρικά μηχανήματα: Στα μηχανήματα αυτά εκτελούνται α) κλασικές ακτινογραφίες για την απεικόνιση του εσωτερικού 2-3 δοντιών, όπου μία λυχνία στερεωμένη σε ένα ικρίωμα επιτρέπει την ελεύθερη κίνηση γύρω από το κεφάλι του εξεταζόμενου. Η λυχνία διαθέτει έναν κύλινδρο ή ορθογώνιο κατευθυντήρα ο οποίος καθορίζει τις απαιτούμενες διαστάσεις του πεδίου ακτινοβολίας. Η λαμβανόμενη εικόνα σχηματίζεται σε ακτινογραφικό φιλμ ή σε ψηφιακό αισθητήρα που τοποθετείται πίσω από τα δόντια που πρόκειται να απεικονιστούν, β) κεφαλομετρικές ακτινογραφίες που είναι ουσιατικά πλάγιες ακτινογραφίες κρανίου, οι οποίες πραγματοποιούνται με τη λυχνία των ακτίνων Χ σε μεγάλη απόσταση (150cm - 180cm) και τη δέσμη της ακτινοβολίας να καλύπτει συνήθως το εμβαδόν ενός φιλμ διαστάσεων 24cmx30cm και τέλος γ) πανοραμικές ακτινογραφίες των γνάθων, και ειδικές λήψεις των κροταφογναθικών αρθρώσεων. Η τεχνική της πανοραμικής ακτινογραφίας επιτρέπει την απεικόνιση ολόκληρης της οδοντοστοιχίας. Η εξέταση πραγματοποιείται με το κρανίο του εξεταζόμενου ακινητοποιημένο και την ακτινολογική λυχνία να περιστρέφεται γύρω από αυτό, διαγράφοντας τόξο που καλύπτει ολόκληρη τη στοματική κοιλότητα. Η δέσμη της ακτινοβολίας είναι λεπτή και η συνολική ακτινοβολούμενη επιφάνεια είναι συνήθως 720cm². 16

17 1.4 Κατηγορίες ακτινοδιαγνωστικών συστημάτων ανάλογα με την τεχνολογία ανίχνευσης. Τα διάφορα συστήματα ψηφιακής ακτινοδιαγνωστικής διακρίνονται ανάλογα με το σχήμα του ανιχνευτή, τον τύπο συστήματος ανίχνευσης και τον τρόπο ανίχνευσης των ακτινών Χ. Α) Ανάλογα με το σχήμα τους οι ανιχνευτές χωρίζονται σε δύο ή τρεις μεγάλες κατηγορίες, π.χ. επιφανειακοί ανιχνευτές ή γραμμικοί ανιχνευτές. Στους πρώτους η ανιχνευτική επιφάνεια έχει σχήμα τετραγώνου ή ορθογωνίου παραλληλογράμμου (ανιχνευτές δύο διαστάσεων). Στους δεύτερους η ανιχνευτική επιφάνεια έχει το σχήμα μιας λεπτής λωρίδας, μήκους μέχρι και 50 cm (μονοδιάστατοι ανιχνευτές). Στα συστήματα με αυτούς τους ανιχνευτές η εικόνα σχηματίζεται ύστερα από διαδοχική ακτινοβόληση του ασθενούς κατά λωρίδες. Μετά από κάθε ακτινοβόληση το σώμα του ασθενούς μετατοπίζεται έτσι ώστε να εκτεθεί η επόμενη λωρίδα. Κατ αυτόν τον τρόπο καλύπτεται ολόκληρη η προς απεικόνιση ανατομική περιοχή. Βασικά μειονεκτήματα των συστημάτων με μονοδιάστατους ανιχνευτές είναι: -Το μεγάλο χρονικό διάστημα που απαιτείται για να συμπληρωθεί μια λήψη και - η μεγάλη κατανάλωση ισχύος από τη λυχνία. Το πλεονέκτημά τους είναι η μειωμένη παρουσία σκεδαζόμενης ακτινοβολίας στην τελική εικόνα. Αυτό είναι προφανές αφού ένα μικρό μόνο μέρος αυτής της ακτινοβολίας κατευθύνεται σε διευθύνσεις τέτοιες ώστε να προσπίπτει στη μονοδιάστατη διάταξη των ανιχνευτών. Αντίθετα, η καταγραφή της σκεδαζόμενης ακτινοβολίας αποτελεί το κύριο μειονέκτημα των επιφανειακών ή δυσδιάστατων ανιχνευτών. Μια τρίτη κατηγορία συστημάτων ψηφιακής ακτινοδιαγνωστικής χρησιμοποιεί μια πολύ λεπτή δέσμη ακτινών Χ (pencil beam) η οποία σαρώνει έναν μονοδιάστατο ανιχνευτή (Ιωδιούχου Νατρίου). Η δέσμη διεγείρει σε κάθε εκπομπή μια πολύ μικρή περιοχή του ανιχνευτή. Η κατηγορία αυτών των συστημάτων παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μονοδιάστατων ανιχνευτών σε μεγαλύτερο όμως βαθμό. Ως υλικά, για την κατασκευή των διάφορων ανιχνευτών, χρησιμοποιούνται βαρέα αλογονούχα μέταλλα ή φθορίζοντα υλικά. Για τη λήψη των σημάτων, που παρέχουν αυτοί οι ανιχνευτές, χρησιμοποιούνται διάφορα συστήματα καταγραφής, όπως λεπτές δέσμες λέιζερ, φωτοπολλαπλασιαστές, φωτοδίοδοι, οπτικές ίνες κλπ. Τα σήματα εξόδου όλων αυτών των συστημάτων καταγραφής ψηφιοποιούνται από ειδικούς μετατροπείς αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά (Analog Digital Converters-ADC) και διοχετεύονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή. 17

18 Β) Με βάση τον τύπο του συστήματος ανίχνευσης, τα σύγχρονα συστήματα ψηφιακής ακτινογραφίας ταξινομούνται σε τέσσερις βασικές κατηγορίες: α. Συστήματα με φθορίζουσα οθόνη η οποία συνδέεται με μια διάταξη φωτοδιόδων (CCD) μέσω οπτικών ινών ή φακών. Η οθόνη απορροφά τις ακτίνες Χ και τις μετατρέπει σε φως. Το φως διαδίδεται μέσα στις οπτικές ίνες και καταλήγει στις φωτοδιόδους όπου μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα. Το τελευταίο ψηφιοποιείται μέσω αναλογικών ψηφιακών μετατροπέων (ADC). β. Ανιχνευτές με ενισχυτή εικόνας και διάταξη φωτοδιόδων. Τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν ενισχυτή εικόνας όμοιο με αυτόν των συνήθων ακτινοσκοπικών συστημάτων. Η φθορίζουσα οθόνη εισόδου του ενισχυτή εικόνας διαφέρει από την αντίστοιχη της προηγούμενης κατηγορίας στο υλικό της οθόνης. Πρόκειται για το ιωδιούχο καίσιο (CsI) που παρουσιάζει μια κρυσταλλική δομή παρόμοια με αυτή των οπτικών ινών. Η ιδιότητα αυτή αποτρέπει τη διασπορά του φωτός και βελτιώνει την ποιότητα της τελικής εικόνας. Το φως που εκπέμπει η οθόνη εισόδου μετατρέπεται σε ρεύμα ηλεκτρονίων μέσω μιας φωτοκαθόδου. Τα ηλεκτρόνια επιταχύνονται, μέσω ηλεκτρικού πεδίου και προσπίπτουν σε μια δεύτερη φθορίζουσα οθόνη. Η τελευταία απορροφά την αυξημένη ενέργεια των επιταχυνούμενων ηλεκτρονίων και τη μετατρέπει σε ενισχυμένο οπτικό σήμα. Οι φωτοδίοδοι μετατρέπουν αυτό το σήμα σε ηλεκτρονικό το οποίο στη συνέχεια ψηφιοποιείται από έναν αναλογικό ψηφιακό μετατροπέα. γ. Ανιχνευτές με σύστημα φωσφόρου αποθήκευσης σήματος (Storage Phosphor System -SPS). Οι φωσφόροι αποθήκευσης απορροφούν τις ακτίνες Χ και αποθηκεύουν την ενέργειά τους. Για να αρχίσει η εκπομπή θα πρέπει να γίνει διέγερση του φωσφόρου με μια δέσμη λέιζερ (φαινόμενο φωτοδιέγερσης). Ο φώσφορος χρησιμοποιείται υπό μορφή επίπεδης οθόνης, παρόμοια με τις ενισχυτικές πινακίδες. Μετά την ακτινοβόλησή του για τη λήψη της ακτινογραφίας, ο φώσφορος τοποθετείται σε ειδική συσκευή εμφάνισης εικόνας. Στο εσωτερικό της υπάρχει μια λεπτή δέσμη λέιζερ που σαρώνει την επιφάνεια του φωσφόρου κατά λεπτές οριζόντιες γραμμές. Κάθε σημείο της επιφάνειας που δέχεται την επίδραση του λέιζερ εκπέμπει φως. Το φως συλλέγεται από κατάλληλο σύστημα οπτικών ινών και οδηγείται σε έναν φωτοπολλαπλασιαστή, ο οποίος παράγει ένα ηλεκτρικό σήμα ανάλογο της έντασης του φωτός. Ακολουθεί ψηφιοποίηση μέσω ενός αναλογικού ψηφιακού μετατροπέα. δ. Φωτοαγώγιμοι ανιχνευτές με άμορφο σελήνιο. Μέσω των ανιχνευτών αυτού του τύπου οι ακτίνες Χ μετατρέπονται κατευθείαν σε ηλεκτρικό σήμα χωρίς την παρεμβολή μετατροπέα οπτικού σήματος σε ηλεκτρικό. Το άμορφο σελήνιο χρησιμοποιείται υπό μορφή επίπεδης πλάκας. Στην πλάκα αυτή εναποτίθεται, μέσω κατάλληλης συσκευής, μια ομοιόμορφη επίστρωση θετικού ηλεκτρικού φορτίου. Η επίδραση των ακτινών Χ προκαλεί μια 18

19 ανομοιογενή εξουδετέρωση αυτού του ηλεκτρικού φορτίου, η οποία καταγράφεται με τη βοήθεια κατάλληλου ηλεκτρομέτρου σάρωσης. Η τελική εικόνα σχηματίζεται ύστερα από κατάλληλη επεξεργασία των σημάτων του ηλεκτρομέτρου. ε. Τα τελευταία έτη αναπτύσσεται η τεχνολογία των λεγόμενων επίπεδων ανιχνευτών ενεργού μήτρας μεγάλης επιφάνειας (Active Matrix Flat-Panel Detectors ή Imagers- AMFPI). Τα συστήματα αυτά βρίσκουν εφαρμογή στην γενική ψηφιακή ακτινογραφία, στην ψηφιακή μαστογραφία αλλά και στην ψηφιακή ακτινοσκόπηση. Η τεχνολογία τους είναι γνωστή από τις διατάξεις υγρών κρυστάλλων (LCD) και εφαρμόζεται είτε σε συστήματα με φθορίζουσα οθόνη, είτε σε συστήματα με άμορφο σελήνιο. Σε κάθε περίπτωση, πίσω από το βασικό μετατροπέα των ακτινών Χ, διατίθενται δίοδοι ή τρανζίστορ άμορφου πυριτίου [4]. Με την κατηγορία αυτή των ανιχνευτών θα ασχοληθούμε εκτενέστερα απ ότι με τις άλλες κατηγορίες στο επόμενο κεφάλαιο, διότι τα τελευταία χρόνια η χρήση τους ολοένα κι αυξάνει και τείνουν να αντικαταστήσουν τους ενισχυτές εικόνας σε μια μεγάλη γκάμα των ακτινοδιαγνωστικών συστημάτων και, επιπλέον, το πειραματικό μέρος της παρούσας εργασίας ασχολείται με ένα ακτινοδιαγνωστικό σύστημα που χρησιμοποιεί flat panel ανιχνευτή. Γ) Οι ανιχνευτές μπορούν να χωριστούν επίσης, ανάλογα με τη στρατηγική ανίχνευσης που χρησιμοποιούν, σε συστήματα ολοκλήρωσης και συστήματα καταμέτρησης φωτονίων. Οι ανιχνευτές άμεσης και έμμεσης ανίχνευσης ανήκουν στα συστήματα ολοκλήρωσης τα οποία καταγράφουν ένταση σήματος σε κάθε pixel ανάλογη της αρχικής ενέργειας των προσπίπτοντων ακτίνων Χ. Το αναλογικό αυτό σήμα τελικά μετατρέπεται σε ψηφιακό. Ο χρόνος που απαιτείται για την ανάγνωση της μετρούμενης ποσότητας είναι ο νεκρός χρόνος (dead time) που οδηγεί σε εξάρτηση από το frame rate. Για να ελαττωθεί ο νεκρός χρόνος αυξάνει η ταχύτητα ανάγνωσης σήματος. Για να συμβεί αυτό, όμως, πρέπει ο σχεδιασμός του ανιχνευτή να εξισορροπεί το θόρυβο και την ακρίβεια της ανάγνωσης σήματος, που και τα δύο επιδεινώνονται καθώς η ταχύτητα αυξάνεται. Το βασικό πλεονέκτημα των συστημάτων αυτών είναι ότι μπορούν να υποστηρίξουν πολύ μεγάλη ροή εισόδου. Όμως, μπορεί να φτάσουν σε κορεσμό, λόγω της συγκέντρωσης μεγάλης ποσότητας ενέργειας, γι αυτό και τίθεται ένα όριο στη ροή που μπορεί να ολοκληρωθεί, προτού γίνει η ανάγνωση σήματος του ανιχνευτή και η επαναφορά του pixel στις αρχικές συνθήκες. Το όριο αυτό αναφέρεται στη συνολική διάρκεια απόκτησης των frames της εικόνας και όχι στο στιγμιαίο μέγιστο frame rate εισόδου. Επιπλέον, συχνότερα διαστήματα απόκτησης της εικόνας συμβάλλουν στην αύξηση της συνιστώσας του θορύβου και στον νεκρό χρόνο, μιας και ο ανιχνευτής είναι ανενεργός κατά τη διάρκεια της ανάγνωσης σήματος. Όταν μειώνεται ο νεκρός χρόνος, αυξάνοντας την ταχύτητα ανάγνωσης, αυξάνεται ο θόρυβος εξόδου κι άρα περιορίζεται 19

20 η ευαισθησία του συστήματος. Εικ. 4: ιάγραμμα ανιχνευτών ολοκλήρωσης σήματος και καταμέτρησης φωτονίων. Στα συστήματα καταμέτρησης φωτονίων η ένταση σήματος σε κάθε pixel δεν είναι ανάλογη της αρχικής ενέργειας των προσπίπτοντων ακτίνων Χ, αλλά του αριθμού των φωτονίων που καταμετρώνται, με αποτέλεσμα την αυξημένη συμμετοχή και των φωτονίων χαμηλών ενεργειών στον σχηματισμό της εικόνας. Τα φωτόνια που καταμετρώνται από τον ανιχνευτή βρίσκονται πάνω από ένα δεδομένο επίπεδο ενέργειας. Συγκεκριμένα, αφού τεθεί ένα κατώφλι ενέργειας είναι δυνατή η διάκριση μεταξύ θορύβου και σήματος και άρα, σε αντίθεση με τα συστήματα ολοκλήρωσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για απεικόνιση σε low frame rate. Τα συστήματα καταμέτρησης φωτονίων εξαλείφουν το θόρυβο που προέρχεται από τον ανιχνευτή και τα σχετιζόμενα με αυτόν ηλεκτρονικά, αλλά έχουν περισσότερο πολύπλοκα ηλεκτρονικά ανάγνωσης σήματος. Τέλος, χαρακτηρίζονται από τέλεια γραμμική συμπεριφορά και δυναμικό εύρος χωρίς περιορισμούς. Είναι γνωστό ότι η αντίθεση εικόνας αναπαριστά τις διαφορές στην απορρόφηση των ακτίνων Χ μεταξύ των διαφορετικών ιστών. Φωτόνια χαμηλότερης ενέργειας παράγουν εικόνες με υψηλότερο contrast απ ότι φωτόνια υψηλότερης ενέργειας. Έτσι, για κάθε κλινική εξέταση πρέπει να γίνεται ο καλύτερος συνδυασμός της μικρότερης δόσης με την καλύτερη χωρική ανάλυση. Οι παράγοντες αυτοί μπορούν να εκφραστούν με έναν παράγοντα βαρύτητας (weight factor) που εξαρτάται από την ενέργεια Ε της εισερχόμενης ακτινοβολίας. Για να επιτευχθεί η μέγιστη DQE ο παράγοντας αυτός είναι ανάλογος του Ε -3. Οι ανιχνευτές ολοκλήρωσης οδηγούν σ έναν παράγοντα που είναι ανάλογος της ενέργειας που εναποτίθεται σ αυτούς, ενώ αυτοί της καταμέτρησης φωτονίων δίνουν για κάθε σήμα ένα βάρος ισοδύναμο της μονάδας, ανεξάρτητο από την εναπόθεση της ενέργειας. Συνεπώς, οι ανιχνευτές 20

21 καταμέτρησης φωτονίων υπερτερούν έναντι των ανιχνευτών ολοκλήρωσης, όσον αφορά την εξάρτηση της απόκρισης από την ενέργεια. Επίσης, ο θόρυβος στα συστήματα καταμέτρησης φωτονίων εξαρτάται μόνο από το επίπεδο του κατωφλίου. Το μόνο μειονέκτημα των παραπάνω συστημάτων είναι ότι εάν ένα δεύτερο φωτόνιο φτάσει στον ανιχνευτή κατά το διάστημα που χρειάζεται για την καταγραφή του προηγούμενου φωτονίου, δεν ανιχνεύεται και αυτό οδηγεί σε απώλεια της απόδοσης του ανιχνευτικού συστήματος, άρα και σε απώλεια της αντίθεσης του συστήματος απεικόνισης. Η απώλεια αντίθεσης είναι μικρότερη για λεπτομέρειες μικρότερης αντίθεσης. Απ όλα τα παραπάνω, συμπεραίνεται η προτίμηση των ανιχνευτών καταμέτρησης φωτονίων σε σχέση με τους ανιχνευτές ολοκλήρωσης και ειδικά για μικρές τιμές έντασης, όπως στη περίπτωση των κλινικών εφαρμογών. Παρ όλα αυτά, στην κλινική πράξη κυριαρχούν οι ανιχνευτές ολοκλήρωσης [9, 10]. 21

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΕΠΙΠΕ ΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΜΗΤΡΑΣ (AMFPIS) 2.1 Εισαγωγή Κύριος στόχος της τεχνολογίας, στον τομέα της ακτινοδιαγνωστικής, είναι η δημιουργία ενός ιδανικού ακτινοδιαγνωστικού συστήματος που θα επιτρέπει την αυτόματη απόκτηση εικόνων σε ψηφιακή μορφή με χρήση της ελάχιστης δυνατής ποσότητας ακτίνων Χ. Πολλά βήματα έγιναν προς αυτή την κατεύθυνση μέχρι την εισαγωγή των επίπεδων ανιχνευτών, με τους οποίους επιτεύχθηκε μια πολύ καλή προσέγγιση ενός ιδανικού συστήματος. Η απόκτηση ακτινογραφικών εικόνων, συνήθως, γινόταν με χρήση ενός φιλμ που βρισκόταν σε πολύ κοντινή απόσταση με ένα στρώμα ή με μια οθόνη φωσφόρου. Οι ακτίνες Χ, που προσέπιπταν στην οθόνη έδιναν φως, που καταγραφόταν στο φιλμ δημιουργώντας μια στατική εικόνα, η οποία μετά την ενίσχυσή της παρέμενε έτσι έως την τελική χημική επεξεργασία της. Αυτό αποτελούσε το σύστημα φιλμ-οθόνης, όπου το φιλμ και η οθόνη περιέχονταν σε μία φορητή κασσέτα. Το 65% των απεικονίσεων πραγματοποιείται ακόμη και σήμερα με συστήματα φιλμ-οθόνης, διότι με τη βελτίωση των φιλμς και των οθονών, μειώθηκε ο ρυθμός έκθεσης του ασθενούς και βελτιώθηκε ο ιατρικός εξοπλισμός. Οι κασσέτες με τα φιλμς από το σκοτεινό δωμάτιο μεταφέρονται στο δωμάτιο εξέτασης, τοποθετούνται στην κατάλληλη θέση, ακτινοβολούνται και επιστρέφονται πάλι στο σκοτείνο δωμάτιο για επεξεργασία. Η 22

23 διαδικασία αυτή είναι αρκετά χρονοβόρα και μόνο ένα ιδανικό ψηφιακό σύστημα μπορεί να μειώσει τον απαιτούμενο χρόνο επεξεργασίας της εικόνας. Ένα άλλο σύστημα, κοντά στο ιδανικό, αποτελείται από ένα παχύ στρώμα φωτοευαίσθητου φωσφόρου, ενισχυτές εικόνας ακτίνων Χ, συνδεδεμένους με συσκευές οπτικού συζευγμένου φορτιού (CCD Charged Coupled Device), και οθόνες φωσφόρου, οπτικά συζευγμένες με τα CCDs. Στο σύστημα αυτό, η εικόνα των ακτίνων Χ παραμένει στο στρώμα του φωσφόρου, μέχρι να πραγματοποιηθεί η σάρωσή της από ένα σύστημα laser με σκοπό την ψηφιοποίηση της πληροφορίας της. Το κύριο πλεονέκτημα των ενισχυτών εικόνας είναι η άμεση απόκτηση των εικόνων, αλλά η ποιότητά τους στην ακτινογράφηση είναι τόσο χαμηλή όσο και στα συστήματα φιλμ-οθόνης, με επιπλέον μειονέκτημα το ογκώδες μέγεθος και το υψηλό τους κόστος. Το ιδανικό ψηφιακό σύστημα απεικόνισης ακτίνων Χ πρέπει να παρέχει μειωμένη έκθεση ασθενούς, εικόνα υψηλής ποιότητας, η οποία να είναι και άμεσα διαθέσιμη και να καταγράφει απ ευθείας στον υπολογιστή τις αποκτούμενες εικόνες, απ όπου θα υπάρχει η δυνατότητα μελέτης και ανάλυσής τους. Ένα τέτοιο σύστημα προσεγγίζεται αρκετά καλά με τη χρήση των επίπεδων ανιχνευτών ακτίνων Χ (flat panel detectors) [17]. Τα συστήματα flat panel βασίζονται σε μια μεγάλη περιοχή με ολοκληρωμένα κυκλώματα που ονομάζεται ενεργός μήτρα πινάκων (active matrix arrays-ama). Οι ΑΜΑ βασίζονται σε τρανζίστορ λεπτών υμενίων (Thin Filament Transistor-TFTs) άμορφου υδρογονοποιημένου πυριτίου (a-si:h) και είναι χρήσιμοι σε συστήματα μεταφοράς εικόνας. Οι πίνακες αυτοί, στους οποίους προστίθεται ένα παχύ στρώμα (περίπου 1mm) ανιχνευτικού υλικού, μετατρέπονται σε συσκευές απεικόνισης, ευαίσθητες σε ακτίνες Χ. Το ανιχνευτικό υλικό που χρησιμοποιούν είναι είτε φώσφορος, είτε κάποιο φωτοαγώγιμο υλικό. Η δομή ενός επίπεδου ανιχνευτή ενεργού μήτρας (Active Matrix Flat Panel Imager- AMFPI) είναι η ακόλουθη: Στην πίσω επιφάνεια του ανιχνευτή βρίσκεται μια επίπεδη γυάλινη βάση-υπόστρωμα (glass substrate) μεγάλων διαστάσεων. Πάνω στη βάση αυτή, είναι τοποθετημένη η επίπεδη διάταξη της ενεργού μήτρας-αμα, που αποτελείται από στοιχειώδη απεικονιστικά στοιχεία (pixels). Κάθε pixel αποτελείται από μια φωτοδίοδο άμορφου υδρογονωμένου πυριτίου (a- Si:H) που είναι συνδεδεμένη με κατάλληλο διακόπτη λεπτού υμενίου (φιλμ). Ο διακόπτης μπορεί να είναι: α) κάποιο τρανζίστορ λεπτού υμενίου TFT (Thin Film Transistor), τύπου FET (Field Effect Transistor), β) κάποια δίοδος ή ένα ζεύγος διόδων. 23

24 Πάνω από τη διάταξη των φωτοδιόδων και των TFTs, βρίσκεται είτε μια φθορίζουσα οθόνη (ενισχυτική πινακίδα), είτε μια επίστρωση από φωτοαγώγιμο υλικό, π.χ. μια πλάκα άμορφου σεληνίου (a-se). Η ενισχυτική πινακίδα ή το στρώμα σεληνίου συνιστά την πρόσθια επιφάνεια του ανιχνευτή πάνω στην οποία προσπίπτουν οι ακτίνες Χ. Τα συστήματα με ενισχυτική πινακίδα, συνήθως κατασκευασμένη από CsI:Tl ή Gd 2 Ο 2 S:Tb, ονομάζονται συστήματα έμμεσης ανίχνευσης, ενώ τα συστήματα με άμορφο σελήνιο ονομάζονται συστήματα άμεσης ανίχνευσης [17, 4]. 2.2 Ανάγνωση σε πίνακα ενεργού μήτρας (Active Matrix Readout) Οι πίνακες ενεργού μήτρας επιτρέπουν την κατασκευή μονοκρυσταλλικών συστημάτων απεικόνισης μεγάλων περιοχών. Σε κάθε σύστημα ολοκλήρωσης, για το σχεδιασμό της ενεργού μήτρας, εφαρμόζεται η επίπεδη επεξεργασία των πληροφοριών του πίνακα με στρώματα μετάλλου, μονωτές και ημιαγωγούς. Ο πίνακας ενεργού μήτρας χρησιμοποιείται για τη μεταφορά της εικόνας και την ανάγνωσή της στον flat panel ανιχνευτή, ο οποίος αποτελείται από πολλά στοιχειώδη pixels, που το καθένα από αυτά αντιστοιχεί σε ένα pixel στην εικόνα. Κάθε pixel έχει ορισμένο φορτίο το οποίο είναι ανάλογο της ακτινοβολίας ακτίνων Χ που λαμβάνει. Για να δημιουργηθεί αυτό το σήμα φορτίου χρησιμοποιείται είτε ένας φώσφορος που μετατρέπει τις ακτίνες Χ σε ορατό φως, το οποίο ανιχνεύεται από μια p- i-n φωτοδίοδο (έμμεσης), είτε ένας φωτοαγωγός που μετατρέπει απευθείας τις ακτίνες Χ σε φορτίο (άμεσης) [17]. Τόσο για τα συστήματα έμμεσης ανίχνευσης όσο και για τα άμεσης η δομή και η λειτουργία των TFTs, των οποίων η διάταξη καταλαμβάνει ένα μέρος του pixel, δημιουργώντας έτσι ένα πίνακα με σειρές και στήλες, όπως δείχνει η εικόνα, είναι όμοια. Εικ. 5: Πίνακας ενεργού μήτρας με TFTs που χρησιμοποιείται στην ανίχνευση ακτίνων Χ. 24

25 Κάθε pixel έχει τον δικό του διακόπτη (TFT), ένα ηλεκτρόδιο που κάνει τη συλλογή φορτίου και έναν πυκνωτή όπου αποθηκεύεται το φορτίο. Τα TFTs είναι κατασκευασμένα από άμορφο πυρίτιο (a-si:h) ή από πολυκρυσταλλικό σεληνιούχο κάδμιο (CdSe) και σπανιότερα από κρυσταλλικό πυρίτιο. Η επίπεδη διάταξη-αμα των pixels έχει μεγάλες διαστάσεις (π.χ. 30x40 cm² με 2904x3200 στοιχεία, 43x43 cm² με 3000x3000στοιχεία, 25x45 cm², 45x45 cm² κλπ.) Τα pixels έχουν διαστάσεις 100 μm-143 μm. Οι διακόπτες TFTs ελέγχουν το φορτίο της εικόνας, μέσω των γραμμών πύλης, έτσι ώστε κάθε γραμμή από pixels να ενεργοποιείται ηλεκτρονικά μόνο μια φορά. Η ανάγνωση (readout) επιτυγχάνεται από εξωτερικά ηλεκτρονικά και από ένα software που ελέγχει την κατάσταση των TFTs. Η σάρωση, τα ηλεκτρονικά και το software είναι εσωτερικά σε έναν flat panel ανιχνευτή. Ο πίνακας ενεργού μήτρας αποτελείται από ΜxΝ (π.χ. 2480x3075) πυκνωτές αποθήκευσης C ij, το φορτίο των οποίων διαβάζεται κατάλληλα από την αρχή μέχρι το τέλος, από τα αντίστοιχα TFTs (i,j) μέσω της γραμμής-πύλης i και της στήλης-πηγής j. Το φορτίο που καταγράφει κάθε πυκνωτής C ij (φωτοδίοδος) και αποθηκεύεται σ αυτόν, μετατρέπεται σε ψηφιακή εικόνα, όπως περιγράφεται στη συνέχεια. Στην επιφάνεια του πυκνωτή (φωτοδιόδου), που βρίσκεται προς την πλευρά της φθορίζουσας οθόνης, εφάπτεται ένα διαφανές αγώγιμο ηλεκτρόδιο από οξείδιο ινδίου-κασσιτέρου (ITO). Το ηλεκτρόδιο αυτό είναι πολωμένο σε τάση περίπου 5V. Στην άλλη επιφάνεια του πυκνωτή βρίσκεται ένα άλλο ηλεκτρόδιο που συνδέεται με την απορροή του τρανζίστορ-tft. Τα TFTs βρίσκονται αρχικά σε μη αγώγιμη κατάσταση. Κατά τη διάρκεια αυτής της κατάστασης το φορτίο, δηλαδή το χρήσιμο σήμα, συσσωρεύεται στον πυκνωτή. Το φορτίο προκαλεί την ανάπτυξη αρνητικής ηλεκτρικής τάσης στα άκρα του TFT. Η τάση αυτή δε θα πρέπει να υπερβεί το μέγεθος της τάσης που εφαρμόζεται στην πύλη του TFT για να το διατηρεί σε μη αγώγιμη κατάσταση. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω κατάλληλων κυκλωμάτων οδηγών πύλης που ελέγχουν τις πύλες των TFTs μέσω γραμμών πύλης. Σε κάθε οριζόντια σειρά από TFTs αντιστοιχεί μια γραμμή πύλης, η οποία τροφοδοτεί όλα τα TFTs της σειράς. Συνεπώς, διατίθενται τόσες γραμμές πύλης όσες είναι και οι σειρές της ενεργού μήτρας. Η φάση αυτή, της λειτουργίας του ανιχνευτή, ονομάζεται ολοκλήρωση σήματος (signal integration). Η επόμενη φάση είναι η φάση ανάγνωσης σήματος (signal readout) κατά την οποία τα κυκλώματα οδηγών πύλης καθιστούν τα TFTs αγώγιμα. Κάθε φορά καθίσταται αγώγιμη μία σειρά από TFTs. Εάν ενεργοποιηθεί η πύλη i, αυτό σημαίνει ότι τα TFTs σ αυτή τη σειρά θα ανοίξουν και οι Ν στήλες (j=1 έως j=ν) θα διαβάσουν τα φορτία των ηλεκτροδίων των pixels στην σειρά i. Τα φορτία από τους πυκνωτές διοχετεύονται στις λεγόμενες γραμμές δεδομένων (data lines) οι οποίες τα μεταφέρουν σε προενισχυτές κι από εκεί σε πολυπλέκτες. ηλαδή, τα σήματα από 25

26 τις φωτοδιόδους, που βρίσκονται κατά μήκος μιας οριζόντιας σειράς, καταλήγουν κατά παράλληλο τρόπο στις εισόδους του πολυπλέκτη. Στη συνέχεια τα σήματα αυτά εξέρχονται από τον πολυπλέκτη κατά σειρά και οδηγούνται σε αναλογικούς ψηφιακούς μετατροπείς. Εικ. 6: ιάγραμμα ανάγνωσης σήματος σε πίνακα ενεργού μήτρας επίπεδου ανιχνευτή. Αριστερά: η μήτρα βρίσκεται στην αρχική της κατάσταση, έτοιμη για την έκθεσή της στις ακτίνες Χ. Κέντρο: η έκθεση έχει πραγματοποιηθεί και η γραμμή μεταγωγής 1 έχει ήδη διαβαστεί. εξιά: η γραμμή μεταγωγής 2 έχει διαβαστεί. Έπειτα, επαναλαμβάνεται η ίδια διαδικασία στα στοιχεία της επόμενης σειράς (i+1). Η σειρά i+1 ενεργοποιείται από το σύστημα ελέγχου σάρωσης και η διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου ενεργοποιηθούν όλες οι σειρές. Υπάρχουν τόσοι ενισχυτές, στους οποίους διοχετεύονται τα παράλληλα δεδομένα, όσες είναι και οι στήλες του πίνακα, όπως φαίνεται και στο παρακάτω σχήμα. Εικ. 7: Η ενεργός μήτρα των TFTs, αποτελούμενη από εκατομμύρια στοιχεία ανίχνευσης. Στο επάνω αριστερά στοιχείο ανίχνευσης διακρίνεται και η ενεργός περιοχή του pixel. Χαρακτηριστικό των TFTs είναι ο παράγοντας πληρώσεως (fill factor) που αναπαριστά το κομμάτι εκείνο κάθε pixel του ανιχνευτή που συλλέγει φορτίο από την ενέργεια που εναποτίθεται σ αυτό από την προσπίπτουσα ακτινοβολία Χ. Ουσιαστικά, χαρακτηρίζει την ενεργή περιοχή (active area) του pixel. Οι μη ενεργές περιοχές του κάθε pixel (dead zone) περιέχουν τους οδηγούς πύλης, τα TFTs, την πύλη (gate) και την απορροή (drain) του TFT καθώς και τα ηλεκτρονικά του πυκνωτή. Συνεπώς, όσο πιο μικρό είναι το pixel τόσο πιο 26

27 μικρός είναι ο παράγοντας πληρώσεως και τόσο λιγότερο αποδοτική η διάταξη του TFT. Τυπικές τιμές του παράγοντα πληρώσεως είναι για τους ανιχνευτές έμμεσης ανίχνευσης και λίγο μεγαλύτερες για τους άμεσης ανίχνευσης. Για απεικονίσεις πραγματικού χρόνου, η διαδικασίας ανάγνωσης για όλα τα δεδομένα πρέπει να πραγματοποιηθεί σε ελάχιστο χρόνο. Το γεγονός αυτό θέτει υψηλές απαιτήσεις για τα χαρακτηριστικά των TFTs, το ρυθμό φόρτισης και αποφόρτισης των πυκνωτών και την ταχύτητα ενίσχυσης και ψηφιοποίησης του φορτίου. Οι επίπεδοι ανιχνευτές ενεργού μήτρας έχουν συνολικό πάχος της τάξης των μερικών cm (π.χ. 4.5 cm για ακτινογραφικές εφαρμογές, 8.5 cm για ακτινοσκόπηση). Το βάρος τους είναι έως 20 kg, το οποίο είναι μικρότερο από το βάρος ενός ενισχυτή εικόνας (περίπου 50 kg). Παρ όλο που η διάταξη των TFTs και τα σχετιζόμενα μ αυτά ηλεκτρονικά είναι όμοια και για τα δύο προαναφερθέντα είδη ανιχνευτών, υπάρχουν διαφορές στην ανίχνευση των ακτίνων Χ και στη μετατροπή τους σε σήμα [4, 5, 16, 17]. 2.3 Αρχές της άμεσης ανίχνευσης Για να κατασκευαστεί ένα σύστημα απεικόνισης ακτίνων Χ, άμεσης μετατροπής, η ενεργός μήτρα, όπως φαίνεται και στην εικόνα, επικαλύπτεται με ένα φωτοαγώγιμο υλικό. Το υλικό που χρησιμοποιείται είναι το άμορφο σελήνιο (α-se) με πυκνότητα 4.27 g/ml και σχετικά χαμηλό ατομικό αριθμό. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων του α-se, το πάχος του στρώματος που χρησιμοποιείται στους ανιχνευτές είναι αρκετά μεγάλο. Εικ. 8: Απλοποιημένο διάγραμμα της διατομής της δομής δύο pixels σε a-se ανιχνευτή. Η εφαρμογή ενός ηλεκτρικού πεδίου Ε (bias field) πραγματοποιείται με ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο Α που τοποθετείται πάνω από το στρώμα του α-se για να αποτραπεί η επανασύνδεση των φορτισμένων σωματιδίων. Αυτό το ηλεκτρόδιο μπορεί να έχει είτε θετική, είτε αρνητική τάση πόλωσης. Σε έναν αισθητήρα, που λειτουργεί με θετική πόλωση, υπάρχει ένα λεπτό στρώμα από διηλεκτρικό (μονωτής) ανάμεσα στο α-se και στο πρώτο ηλεκτρόδιο 27

28 Α. Ένα δεύτερο στρώμα, από κράμα α-se, βρίσκεται ανάμεσα στο ηλεκτρόδιο Β, που κάνει τη συλλογή φορτίου από το pixel, και στο α-se, για να μειώσει την εισβολή ηλεκτρονίων, δηλαδή το ρεύμα σκότους στον φωτοαγωγό από το μέταλλο του ηλεκτροδίου Β. Τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών που δημιουργούνται στον φωτοαγωγό με την απορρόφηση των φωτονίων των ακτίνων Χ, μετακινούνται κατά μήκος των δυναμικών γραμμών του πεδίου και συλλέγονται από τα ηλεκτρόδια των pixels για να σχηματίσουν τη στατική εικόνα. Εάν η εφαρμοζόμενη τάση πόλωσης είναι αρνητική, οι οπές συλλέγονται στα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόδια και τα ηλεκτρόνια συλλέγονται στους πυκνωτές αποθήκευσης C ij. Μετά την έκθεση του αντικειμένου, που πρόκειται να απεικονιστεί, η στατική εικόνα που δημιουργείται αποτελείται από μια ποσότητα φορτίου Q ij, που είναι ανάλογη της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ακτίνων Χ. Στη συνέχεια, η ποσότητα φορτίου κάθε pixel μεταφέρεται από τον αντίστοιχο πυκνωτή του pixel C ij. Για να πραγματοποιηθεί η ανάγνωση της στατικής εικόνας, φορτίου Q ij, ενεργοποιείται το κατάλληλο TFT κάθε t δευτερόλεπτα, όπου το t είναι ένα συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Το κάθε TFT μεταφέρει το φορτίο στη γραμμή δεδομένων (data line) και άρα και στον ενισχυτή φορτίου που βρίσκεται στην περιφέρεια της διάταξης. Για φωτοαγωγούς α-se η εφαρμοζόμενη τάση πόλωσης είναι αρκετών kilovolts. Η χωρητικότητα C pc του στρώματος α-se πάνω από το pixel είναι αρκετά μικρότερη από τη χωρητικότητα του pixel, έτσι ώστε το μεγαλύτερο ποσοστό της εφαρμοζόμενης τάσης να εντοπίζεται στον φωτοαγωγό. Μια τάση περίπου των 50 V κατα μήκος του TFT θα μπορούσε να προκαλέσει βλάβη και μόνιμη καταστροφή του TFT. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι προστασίας των TFTs από τέτοιου είδους καταστροφές. Η απλούστερη μέθοδος είναι η εφαρμογή αρνητικής τάσης πόλωσης στο πρώτο ηλεκτρόδιο Α, ώστε η τάση να αναστρέφεται σε σχέση με την τάση που φαίνεται στην παραπάνω εικόνα. Το αρνητικό δυναμικό έχει ως αποτέλεσμα τη συλλογή των φορτίων του ηλεκτροδίου, τη συσσώρευση επαρκούς φορτίου και τη μερική ενεργοποίηση των TFTs (η τάση της πύλης δεν είναι αρκετά αρνητική ώστε να ενεργοποιήσει όλα τα TFTs). Με τον τρόπο αυτό εμποδίζεται η καταστροφή του TFT. Εικ. 9: Τα παγιδευμένα ηλεκτρόνια στην κοινή επιφάνεια του διηλεκτρικού στρώματος και του φωτοαγωγού καταστρέφουν το πεδίο του φωτοαγωγού. Με τον τρόπο αυτό εμποδίζεται περαιτέρω συσσώρευση φορτίου στα ηλεκτρόδια των pixels και προστατεύονται τα TFTs από υψηλές εκθέσεις. 28

29 Στην περίπτωση της θετικής πόλωσης, υπό συνθήκες υπερέκθεσης, τα ηλεκτρόνια που έχουν παγιδευτεί στο διηλεκτρικό, στην επιφάνεια που ενώνεται με το α-se, οδηγούν στην καταστροφή του πεδίου του φωτοαγωγού, όπως παρουσιάζεται στην παραπάνω εικόνα. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε αυξημένη πολυπλοκότητα, όσον αφορά την ανάγνωση (readout), και σε ελαχιστοποίηση των παγιδευμένων φορτίων πριν από υψηλές εκθέσεις. Αυτό επιτυγχάνεται με απομάκρυνση της εφαρμοζόμενης τάσης πόλωσης και με παροχή φωτός στον ανιχνευτή από μεταφορείς που δημιουργούν φως μέσα στο α-se, ώστε να υπάρχει ροή με αντίθετη κατεύθυνση από αυτή που δημιουργείται από τις ακτίνες Χ. Εικ. 10: Προστασία των TFTs. a: Συμβατικό κύκλωμα, b: Κύκλωμα διόδου Zener, c: TFT διπλής πύλης Στην εικόνα a περιγράφεται ένα συμβατικό κύκλωμα του pixel του ανιχνευτή, όπου V είναι η εφαρμοζόμενη τάση, V pc είναι η τάση πόλωσης κατά μήκος του φωτοαγωγού, C px η χωρητικότητα του πυκνωτή αποθήκευσης του pixel (το C ij στην Εικ. 9), C pc η χωρητικότητα του φωτοαγώγιμου στρώματος, V px η τάση στον πυκνωτή αποθήκευσης του pixel και το I ph είναι το ρεύμα των φωτοηλεκτρονίων των ακτίνων Χ. Το ρεύμα σκότους θεωρείται αμελητέο. Εάν C pc <<C px, η V pc είναι σχεδόν ίση με την εφαρμοζόμενη τάση V. Η προστασία των TFTs πραγματοποιείται και με άλλες μεθόδους με τις οποίες διατηρείται, επιπλέον, η δυνατότητα απεικόνισης σε πραγματικό χρόνο. Οι μέθοδοι αυτές είναι η εισαγωγή μιας διόδου Zener στο ηλεκτρόδιο του pixel, με σκοπό τη προστασία της τάσης, (Εικ. 10b), ή διαφορετικά η χρήση μιας δυαδικής πύλης TFT (Εικ. 10c). Η τάση πόλωσης στην Εικ. 10b επιτρέπει τον έλεγχο της μέγιστης τάσης του pixel. Η πύλη TG (Τop Gate) στην Εικ. 10c, ενεργοποιεί το τρανζίστορ όταν το δυναμικό V pχ φτάνει σε ένα ασφαλές επίπεδο, το οποίο ελέγχεται από την πύλη του διηλεκτρικού στρώματος [11, 17]. 2.4 Αρχές της έμμεσης ανίχνευσης Για να κατασκευαστεί ένας ανιχνευτής έμμεσης ανίχνευσης τοποθετείται στην πρόσθια πλευρά του πίνακα ενεργού μήτρας ένα υλικό φωτοευαίσθητου φωσφόρου (σπινθηριστής). Οι 29