ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΙΑΤΡΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ ΑΠΕΙΚΟΝΙΣΤΙΚΩΝ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΩΝ ΦΘΟΡΙΖΟΥΣΩΝ ΟΘΟΝΩΝ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΟΥΣ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥΣ ΓΙΑ ΤΗΛΕΪΑΤΡΙΚΗ ΧΡΗΣΤΟΣ Μ. ΜΙΧΑΗΛ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ Πάτρα 2010
UNIVERSITY OF PATRAS SCHOOL OF MEDICINE DEPARTMENT OF PHYSICS INTERDEPARTMENTAL PROGRAM OF POSTGRADUATE STUDIES IN MEDICAL PHYSICS INVESTIGATION OF OPTICAL AND IMAGING CHARACTERISTICS OF FLUORESCENT SCREENS FOR USE IN DIGITAL IMAGING DETECTORS SUITABLE FOR TELEMEDICINE CHRISTOS M. MICHAIL DOCTORATE THESIS Patras 2010 3
PhD Thesis THREE MEMBER ADVISORY COMMITTEE Professor George Panayiotakis Supervisor Professor Ioannis Kandarakis Member of the Advisory Commitee Assistant Professor Eleni Costaridou Member of the Advisory Commitee SEVEN MEMBER EXAMINATION COMMITTEE Professor George Panayiotakis Supervisor Assistant Professor Eleni Costaridou Member of the Examination Commitee Professor Ioannis Kandarakis Member of the Examination Committee Professor Spyros Fotopoulos Member of the Examination Committee Associate Professor Alexandros Vradis Member of the Examination Committee Assistant Professor George SakellaropoulosMember of the Examination Committee Assistant Professor D. Anastasopoulos Member of the Examination Commitee 4
Phd Thesis ACKNOWLEDGEMENTS Within the framework of my PhD discourse I would like to thank: Professor George Panayiotakis for giving me the opportunity to carry out this thesis under his supervision, providing me advises and support. Professor Ioannis Kandarakis for giving me the inspiration to follow this path of life, helping me in every step of it. His pure character as well as his intellectual state of mind were catalytic parameters in order to express my ideas and to love whatever I do, being always myself. His contribution is positively indescribable. Special thanks to Assistant Professor George Fountos, Dr. Nektarios Kalivas, Assistant Professor Ioannis Valais, Dr. Panagiotis Liaparinos, Mr Stratos David, Professor Constantinos Nomicos, Professor Dimitrios Vattis and postgraduate student Manos Michail for their collaboration, assistance and suggestions throughout this work. Furthermore I wish to thank Mr Anastasios Konstantinidis, Dr Colin Esbrand and Professor Robert Speller for the breast phantom image obtained with the CMOS detector. I would like to acknowledge the financial help of the Greek State Scholarships Foundation (I.K.Y.) as well as the European Social Funds & National Resources - EPEAEK ARXIMIDIS and ARXIMIDIS II. Finally I would like to thank all those people that affected me by their own personal way.
PhD Thesis ΠΕΡΙΛΗΨΗ Τα ψηφιακά συστήματα ιατρικής απεικόνισης, έμμεσης ανίχνευσης, χρησιμοποιούν φωσφόρους σπινθηριστές ως μετατροπείς της ακτινοβολίας-χ σε ορατό φως. Οι φώσφοροι σπινθηριστές πρέπει να συνδυάζουν χαρακτηριστικά ποιότητας εικόνας και απόδοσης σε φωταύγεια προκειμένου να παράγουν εικόνες υψηλής διαγνωστικής αξίας με τη παράλληλη ελάττωση της δόσης στον εξεταζόμενο. Επιπλέον πρέπει να έχουν μικρούς χρόνους απόσβεσης για χρήση σε συστήματα ψηφιακής τομοσύνθεσης και απεικόνισης διπλής ενέργειας. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση των βέλτιστων υλικών φωσφόρων σπινθηριστών για χρήση σε ολοκληρωμένο ψηφιακό απεικονιστικό σύστημα τύπου CMOS καθώς και η διερεύνηση των χαρακτηριστικών του συστήματος ψηφιακού ανιχνευτή/ βέλτιστου σπινθηριστή για ιατρικές εφαρμογές χαμηλών ενεργειών, όπως η ψηφιακή τομοσύνθεση μαστού (DBT) και η απεικόνιση διπλής ενέργειας (DE). Το πλέον διαδεδομένο υλικό φωσφόρου σπινθηριστή, που χρησιμοποιείται επί δεκαετίες στα περισσότερα ιατρικά απεικονιστικά συστήματα, είναι το Gd 2 O 2 S:Tb, εξαιτίας των πολύ καλών ενδογενών χαρακτηριστικών και της συνολικής απόδοσης τους σε φωταύγεια. Εκτός από το Gd 2 O 2 S:Tb υπάρχουν εναλλακτικά υλικά φωσφόρων σπινθηριστών όπως είναι το Lu 2 SiO 5 :Ce και το Gd 2 O 2 S:Eu, τα οποία έχουν συσταθεί για χρήση σε διάφορες ιατρικές εφαρμογές. Το Gd 2 O 2 S:Eu εκπέμπει στη κόκκινη περιοχή του ορατού φωτός και μπορεί να συνδυαστεί κυρίως με ψηφιακούς ανιχνευτές όπως CCDs και CMOS. Το Lu 2 SiO 5 :Ce έχει πολύ μικρό χρόνο απόσβεσης και υψηλή απόδοση, χαρακτηριστικά που το καθιστούν κατάλληλο για εφαρμογές DBT. Επιπλέον εκπέμπει στη μπλε περιοχή του ορατού φωτός και μπορεί να συνδυαστεί με φιλμ μπλε ευαισθησίας, φωτοκαθόδους και κάποιες φωτοδιόδους. 6
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή Για τους σκοπούς της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρασκευάστηκαν, με τη μέθοδο της καθίζησης, φθορίζουσες οθόνες από υλικά σπινθηριστών όπως τα Lu 2 SiO 5 :Ce, Gd 2 O 2 S:Eu και Gd 2 O 2 S:Tb. Οι ιδιότητες των φθοριζουσών οθονών μελετήθηκαν αξιολογώντας πειραματικά παραμέτρους οι οποίες εκφράζουν την ένταση και την κατανομή του παραγόμενου σήματος στην έξοδο του ανιχνευτή και σχετίζονται άμεσα με την ποιότητα της ιατρικής εικόνας αλλά και με τη δόση στον εξεταζόμενο. Οι πιο σημαντικές παράμετροι είναι οι ακόλουθες: (α) Η απόδοση φωταύγειας (luminescence efficiency-le), η οποία εκφράζει την ευαισθησία του ανιχνευτή και σχετίζεται με τη φωτεινότητα της ιατρικής εικόνας, (β) η συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (modulation transfer function-mtf), η οποία περιγράφει τη μεταβολή του σήματος διαμόρφωσης εξόδου ως συνάρτηση της χωρικής συχνότητας και σχετίζεται με τη χωρική διακριτική ικανότητα του απεικονιστικού συστήματος, (γ) η συνάρτηση μεταφοράς θορύβου (noise transfer function-ntf) που περιγράφει τη διάδοση του θορύβου ως συνάρτηση της χωρικής συχνότητας και (δ) η ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα (detective quantum efficiency-dqe), η οποία εκφράζει την ικανότητα του απεικονιστικού συστήματος να μεταφέρει το λόγο σήματος προς θόρυβο (signal to noise ratio-snr) και σχετίζεται με τη «χρήσιμη» πληροφορία στην ιατρική εικόνα, δηλαδή την πληροφορία με διαγνωστική αξία. Οι παραπάνω παράμετροι παίζουν καθοριστικό ρόλο στην επιλογή του ανιχνευτικού υλικού και η επιλογή ποικίλλει ανάλογα με την εφαρμογή του. Συμπληρωματικά με τις συμβατικές παραμέτρους, που εκφράζονται μέσω χωρικών συχνοτήτων, η ποιότητα εικόνας αξιολογήθηκε μέσω της εφαρμογής της IC, η οποία ορίστηκε στη γενικότερη θεωρία της πληροφορίας από τον Shannon και χρησιμοποιήθηκε ως συνολικός δείκτης ποιότητας εικόνας. Παράλληλα χρησιμοποιήθηκε θεωρητικό μοντέλο που περιγράφει τη μεταφορά της ακτινοβολίας-χ και του παραγόμενου φωτός μέσα από το υλικό του σπινθηριστή, για τη προσαρμογή στα πειραματικά 7
PhD Thesis αποτελέσματα της MTF και την εκτίμηση οπτικών συντελεστών εξασθένισης των υπό εξέταση υλικών. Τέλος προσδιορίστηκε η φασματική συμβατότητα των υπό εξέταση υλικών με πλήθος οπτικών αισθητήρων που χρησιμοποιούνται σε ψηφιακά συστήματα απεικόνισης. Η MTF του Gd 2 O 2 S:Eu βρέθηκε χαμηλότερη από του Lu 2 SiO 5 :Ce, του οποίου η MTF βρέθηκε παρεμφερής με του Gd 2 O 2 S:Tb. Το Gd 2 O 2 S:Tb βρέθηκε να έχει συνολικά καλύτερη χωρική διακριτική ικανότητα και οξύτητα. Η απόδοση σε φωταύγεια και η μηδενική συχνότητα της DQE για το Gd 2 O 2 S:Eu ήταν καλύτερη από του Lu 2 SiO 5 :Ce. Η καλύτερη απόδοση σε φωταύγεια καθώς και η ποιότητα εικόνας του Gd 2 O 2 S:Tb, εν συγκρίσει με τα Gd 2 O 2 S:Eu και Lu 2 SiO 5 :Ce, λήφθηκαν υπόψη για την αξιολόγηση ενός νέου ψηφιακού απεικονιστικού συστήματος βασιζόμενου σε ανιχνευτή τύπου CMOS. Στον ανιχνευτή τοποθετήθηκε, σε άμεση επαφή με τις φωτοδιόδους CMOS, φθορίζουσα οθόνη Gd 2 O 2 S:Tb, με τη βέλτιστη επιφανειακή πυκνότητα (33.91 mg/cm 2 ), η οποία προσδιορίστηκε μέσω της σύγκρισης των ανωτέρω υλικών σε απόδοση φωταύγειας και ποιότητα εικόνας. Η διάταξη φωτοδιόδων τύπου CMOS που χρησιμοποιήθηκε ως οπτικός ανιχνευτής διαθέτει 1200x1600 εικονοστοιχεία με διάστημα μεταξύ τους 22.5 μικρόμετρα. Η MTF και η DQE βρέθηκαν να έχουν υψηλές τιμές σε όλο το φάσμα των χωρικών συχνοτήτων, ενώ το NNPS παρέμενε σχεδόν σταθερό στο υπό εξέταση εύρος συχνοτήτων. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι ο υπό εξέταση ανιχνευτής τύπου CMOS έχει υψηλή διακριτική ικανότητα και ευαισθησία, κρατώντας παράλληλα χαμηλά επίπεδα θορύβου καθιστώντας τον κατάλληλο για χρήση σε πρότυπο σύστημα ψηφιακής τομοσύνθεσης μαστού. Επιπλέον, βρέθηκε ότι η ποιότητα εικόνας δεν υποβαθμίζεται σε χαμηλά επίπεδα έκθεσης, στοιχείο που είναι σημαντικό για εφαρμογές DBT και DE, όπου η αυξημένη δόση στον εξεταζόμενο είναι ανασταλτικός παράγοντας για την καθιέρωση και ευρεία αποδοχή των συγκεκριμένων μεθόδων. 8
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ - ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ Είναι καθιερωμένη η αντίληψη ότι η ψηφιοποίηση της ιατρικής πληροφορίας θα δώσει ώθηση στη διαγνωστική τεχνολογία (Suzuki et al 2000, Liang et al 2008). Εντούτοις η ψηφιοποίηση ιατρικών δεδομένων εξαρτάται άμεσα από τις τεχνολογικές εξελίξεις σε όλους τους επιμέρους τομείς της αλυσίδας που συνιστούν την ψηφιακή μετάδοση της ιατρικής εικόνας, όπως είναι η είσοδος του συστήματος (παράμετροι ακτινοβόλησης, βελτιστοποίηση του συνδυασμού φωσφόρου σπινθηριστή/ οπτικού αισθητήρα), η επεξεργασία εικόνας, η μετάδοση, η αποθήκευση και η απεικόνιση (Suzuki et al 2000, Bruckmann and Uhl 2000, Efstathopoulos et al 2001, Κoscis et al 2003). Η καθιέρωση της χρήσης ψηφιακών ιατρικών εικόνων για διαγνωστικούς σκοπούς εξαρτάται από τις τεχνολογικές εξελίξεις σε αυτούς τους τομείς (Suzuki et al 2000). Γι αυτό το λόγο, γίνεται περιορισμένη χρήση συστημάτων τηλεϊατρικής στα νοσοκομεία και κυρίως μόνο σε τομείς όπως η υπολογιστική τομογραφία (CT), ο πυρηνικός μαγνητικός συντονισμός (MRI) και η υπολογιστική ακτινογραφία (CR) (Suzuki et al 2000, Efstathopoulos et al 2001). Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη βελτιστοποίηση της απόδοσης του συνδυασμού φωσφόρων-σπινθηριστών/οπτικών αισθητήρων, που αποτελεί την είσοδο και τη πιο κρίσιμη παράμετρο στην αλυσίδα της ψηφιακής ιατρικής απεικόνισης (Schaetzing 2004). Για το σκοπό αυτό, εκτός από τις καθιερωμένες παραμέτρους ποιότητας εικόνας και απόδοσης σε φωταύγεια, έγινε χρήση της παραμέτρου χωρητικότητα πληροφορίας (information capacity-ic) η οποία ορίστηκε στη γενικότερη θεωρία της πληροφορίας (μετάδοση πληροφορίας μέσω τηλεπικοινωνιακών 9
PhD Thesis διαύλων) από τον Shannon και χρησιμοποιήθηκε ως συνολικός δείκτης ποιότητας εικόνας (Shannon 1948, Dainty and Shaw 1974, Panayiotakis 1984). Τα φθορίζοντα υλικά χρησιμοποιούνται ως μετατροπείς της ακτινοβολίας-χ σε ορατό φως σε ανιχνευτές ιατρικής απεικόνισης (Johns and Cunningham 1983, Knoll 1989, Yaffe 2000). Σε εφαρμογές απεικόνισης ακτίνων-χ, έχει χρησιμοποιηθεί μεγάλος αριθμός φθοριζόντων υλικών, σε μορφή οθονών κοκκώδους μορφής (Blasse and Grabmaier 1994). Τα απεικονιστικά χαρακτηριστικά και η απόδοση της ανίχνευσης των ακτίνων-χ των φθοριζουσών οθονών εξαρτώνται άμεσα, τόσο από τις φυσικές ιδιότητες, όσο και από τις ιδιότητες δομής των υλικών. Οι προαναφερθείσες ιδιότητες, οι οποίες έχουν μελετηθεί με πειραματικές διατάξεις (Alig and Bloom 1977, Venema 1979, Dick and Motz 1981a, Dick and Motz 1981b, Derenzo et al 1990, Ginzburg and Dick 1993, Van Eijk 2001), αναλυτικά μοντέλα (Venema 1979, Chan and Doi 1983a, Nielsen and Carlson 1984, Nishikawa and Yaffe 1990, Kandarakis et al 1997, Michail et al 2007, Michail et al 2009) καθώς κι από μοντέλα με τεχνικές Monte Carlo (Raeside 1976, Rubinstein 1981, Kalender 1981, Aerts et al 1982, Chan and Doi 1983b, Morin 1988, Andreo 1991), λαμβάνονται υπόψη στο σχεδιασμό και στην κατασκευή εμπορικών απεικονιστικών συστημάτων. Παρόλα αυτά η αναζήτηση για το ιδανικό φθορίζον υλικό, που θα συνδυάζει τα βέλτιστα απεικονιστικά χαρακτηριστικά, απόδοση φωταύγειας και προσιτό κόστος, εξακολουθεί να αποτελεί σημαντική παράμετρο στο σχεδιασμό σύγχρονων απεικονιστικών συστημάτων. Επιπλέον σε νέα ψηφιακά συστήματα απεικόνισης όπως η ψηφιακή τομοσύνθεση μαστού (Dobbins and Godfrey 2003) και η απεικόνιση διπλής ενέργειας (Alvarez et al 2004) απαιτείται η χρήση φωσφόρων: Με μικρό χρόνο απόσβεσης, προκειμένου να μειωθεί ο χρόνος ακτινοβόλησης και οι πιθανές ψευδενδείξεις στην ανακατασκευασμένη εικόνα από πιθανή κίνηση 10
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή του μαστού (Dobbins and Godfrey 2003, Alvarez et al 2004). Με υψηλή ανιχνευτική αποδοτικότητα για τη μείωση της δόσης στις συγκεκριμένες απεικονιστικές μεθόδους (Dobbins and Godfrey 2003). Με φασματική απόκριση μετατοπισμένη προς το ερυθρό μέρος του ορατού φάσματος για τη βελτίωση της φασματικής συμβατότητας με οπτικούς αισθητήρες πυριτίου που χρησιμοποιούνται σε ανιχνευτές τύπου CCD και CMOS (Rowlands and Yorkston 2000, Rodnyi et al 2001, Nikl 2006). Επιπλέον, η χρήση ψηφιακών συστημάτων με μικρό μέγεθος εικονοστοιχείων αναμένεται να βελτιώσει περαιτέρω τη διακριτική ικανότητα χωρίς την παράλληλη αύξηση των επιπέδων θορύβου και την υποβάθμιση της DQE στην τελική εικόνα. Η επιλογή για τα υλικά των φωσφόρων σπινθηριστών που αξιολογήθηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή έγιναν με γνώμονα την κάλυψη των προηγούμενων χαρακτηριστικών έτσι ώστε να καλύπτουν τις απαιτήσεις των νέων ψηφιακών απεικονιστικών μεθόδων. Η επιλογή έγινε με στόχο την εύρεση του υλικού με τα καλύτερα ενδογενή και απεικονιστικά χαρακτηριστικά που να μπορεί να συνδυαστεί με ψηφιακό απεικονιστικό σύστημα υψηλής διακριτικής ικανότητας για χρήση σε ιατρικές εφαρμογές ψηφιακής απεικόνισης. Για τους σκοπούς της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρασκευάστηκαν, με τη μέθοδο της καθίζησης, φθορίζουσες οθόνες από υλικά σπινθηριστών όπως τα Lu 2 SiO 5 :Ce, Gd 2 O 2 S:Eu και Gd 2 O 2 S:Tb. Ο σπινθηριστής Lu 2 SiO 5 :Ce (Lutetium Οxyorthosilicate - Lu 2 SiO 5 :Ce) έχει αρκετά πλεονεκτήματα όπως: 11
PhD Thesis Μικρό χρόνο απόσβεσης (40 ns) που υπερκαλύπτει τις σημερινές και μελλοντικές ανάγκες γρήγορης λήψης εικόνων σε συστήματα ψηφιακής τομοσύνθεσης. Υψηλή οπτική απολαβή (26000 φωτόνια/mev) και απόδοση φωταύγειας. Υψηλή πυκνότητα (7.4 g/cm 3 ). Υψηλό δείκτη ανίχνευσης ακτινοβολίας ( =143 10 6 ). Υψηλό ενεργό ατομικό αριθμό (66) και, Άριστη χημική σταθερότητα (Melcher and Schweitzer 1992, Melcher and Schweitzer 1992, Blasse and Grabmaier 1994, Van Eijk 2002, Dorenbos et al 1995). Επιπλέον, το Lu 2 SiO 5 :Ce εκπέμπει μπλε φως, το οποίο εξασθενεί έντονα μέσα στο υλικό του φωσφόρου, δίνοντας πολύ στενούς οπτικούς παλμούς στην έξοδο με αποτέλεσμα τη βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας. 4 eff Επιπλέον, για τους σκοπούς της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε το φθορίζον υλικό Gd 2 O 2 S:Tb, το οποίο είναι το πλέον διαδεδομένο υλικό φωσφόρου σπινθηριστή, που χρησιμοποιείται επί δεκαετίες στα περισσότερα ιατρικά απεικονιστικά συστήματα, εξαιτίας των πολύ καλών ενδογενών χαρακτηριστικών του και της συνολικής απόδοσης του σε φωταύγεια (Arnold 1979, Gurwich 1995, Kandarakis et al 1996, Liaparinos et al 2007). Το Gd 2 O 2 S:Tb είναι πολύ αποδοτικό στα συμβατικά ακτινογραφικά συστήματα με φιλμ, στα οποία είναι απαραίτητη η πολύ καλή φασματική σύζευξη της φασματικής ευαισθησίας του φιλμ με το εκπεμπόμενο από το σπινθηριστή φως, καθώς και η υψηλή ευαισθησία του φιλμ στα συγκεκριμένα μήκη κύματος για την επίτευξη του καλύτερου συνδυασμού φιλμ/σπινθηριστή. 12
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή Παρόλα αυτά, σε κάποια ψηφιακά συστήματα που βασίζονται σε κρυσταλλικούς οπτικούς ανιχνευτές Πυριτίου (Si), το πράσινο φως που εκπέμπεται από φωσφόρους με ενεργοποιητή Τερβίου δεν ανιχνεύεται αποδοτικά (Gurwich 1995). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μεγάλος αριθμός ανιχνευτών ιατρικής απεικόνισης, που βασίζονται σε φωτοδιόδους Si δεν είναι ευαίσθητοι σε αυτά τα μήκη κύματος (500-550 nm) και μόνο το 45-55 % του φωτός που παράγεται από το Gd 2 O 2 S:Tb ή από άλλους φωσφόρους με ενεργοποιητή Τερβίου ανιχνεύεται από τη φωτοδίοδο Πυριτίου (Gurwich 1995). Από τη στιγμή που οι περισσότεροι ανιχνευτές Πυριτίου είναι πιο ευαίσθητοι στα μεγαλύτερα μήκη κύματος, και συγκεκριμένα στο κόκκινο, είναι ενδιαφέρον να μελετηθεί η απόδοση φωταύγειας φωσφόρων που εκπέμπουν κόκκινο φως (Rowlands and Yorkston 2000, Rodnyi et al 2001, Nikl 2006, Zych 2006). Τέτοια υλικά φωσφόρων σπινθηριστών μπορούν εύκολα να παρασκευαστούν εισάγοντας ενεργοποιητή (Eu 3+ ) σε σπάνιες γαίες. Επιπλέον, πολλοί σπινθηριστές με ενεργοποιητή (Eu 3+ ), και πιο συγκεκριμένα το Gd 2 O 2 S:Eu, έχουν προηγουμένως βρεθεί συγκρίσιμοι με φωσφόρους με ενεργοποιητή Τερβίου σε απόδοση φωταύγειας (Zych 2006) και διακριτική ικανότητα (Michail et al 2009). Συμπληρωματικά, σπινθηριστές με ενεργοποιητή (Eu 3+ ) έχουν χρόνο απόσβεσης της τάξης των ms (λίγο μεγαλύτερο από του Gd 2 O 2 S:Tb), ο οποίος είναι αποδεκτός για εφαρμογές που δεν απαιτούν γρήγορη λήψη (Lempicki et al 2002, Nagarkar et al 2003) συμπεριλαμβανομένων της ψηφιακής και αναλογικής ακτινογραφίας. Το Gd 2 O 2 S:Eu έχει χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές διπλής ενέργειας μονής λήψης (single pulse dual energy radiography) (Boone et al 1992), σε ψηφιακή μαστογραφία και απεικόνιση μαστού με περίθλαση (diffraction enhanced breast imaging) που κάνουν χρήση ανιχνευτών CCD (Gambaccini et al 1996, Taibi et al 1997, Gambaccini et al 1998, Harris et al 2003). 13
PhD Thesis Η αξιολόγηση των ανωτέρω σπινθηριστών, καθώς και του συνδυασμού του βέλτιστου φωσφόρου σπινθηριστή (που προέκυψε από τη παρούσα μελέτη) με το νέο ψηφιακό απεικονιστικό σύστημα τύπου CMOS, έγινε μέσω της πειραματικής διερεύνησης της απεικονιστικής απόδοσης, αξιολογώντας: Τη συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF) (Dainty and Shaw 1974), Τη συνάρτηση μεταφοράς θορύβου (NTF) (Dainty and Shaw 1974), Την ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα (DQE) (Dainty and Shaw 1974) καθώς επίσης και Την απόδοση ανίχνευσης ακτίνων-χ από τον σπινθηριστή και να τις μετατρέπει σε φως (Kandarakis et al 1997), το οποίο θα μπορεί να ανιχνευτεί αποδοτικά από τις φωτοδιόδους Πυριτίου (Si) που χρησιμοποιούνται στο ψηφιακό σύστημα τύπου CMOS. Επιπλέον, η ποιότητα εικόνας μελετήθηκε με τη χρήση δεικτών όπως η χωρητικότητα πληροφορίας (IC) (Dainty and Shaw 1974, Panayiotakis 1984). Παράλληλα, χρησιμοποιήθηκε θεωρητικό μοντέλο (Hamaker 1947, Ludwig 1971, Swank 1974, Nishikawa and Yaffe 1990, Kandarakis et al 1997, Michail et al 2007, Michail et al 2009), που περιγράφει τη μεταφορά της ακτινοβολίας-χ και του παραγόμενου φωτός μέσα από το υλικό του σπινθηριστή, για την προσαρμογή στα πειραματικά αποτελέσματα της MTF και την εκτίμηση οπτικών συντελεστών εξασθένισης των υπό εξέταση υλικών. 14
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή ΠΡΩΤΟΤΥΠΙΑ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ Η πρωτοτυπία της παρούσας διδακτορικής διατριβής έγκειται στα ακόλουθα: Στην πειραματική και θεωρητική αξιολόγηση της απεικονιστικής απόδοσης και της απόδοσης σε φωταύγεια των ακόλουθων υλικών φωσφόρων σπινθηριστών (Lu 2 SiO 5 :Ce, Gd 2 O 2 S:Eu και σύγκριση με το Gd 2 O 2 S:Tb) σε συνθήκες μαστογραφίας και ακτινοδιαγνωστικής για χρήση σε νέο ψηφιακό απεικονιστικό σύστημα ακτίνων- Χ, τύπου CMOS. Στη διερεύνηση του βέλτιστου συνδυασμού φωσφόρου σπινθηριστή/αισθητήρα CMOS υψηλής διακριτικής ικανότητας για ψηφιακές εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης με απαιτήσεις για γρήγορη λήψη εικόνων και (ψηφιακή τομοσύνθεση μαστού και απεικόνιση διπλής ενέργειας). Στη χρήση της θεωρίας πληροφορίας για την αξιολόγηση του ψηφιακού απεικονιστικού συστήματος CMOS. 15
PhD Thesis ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Τα διαγνωστικά συστήματα ιατρικής απεικόνισης βασίζονται στην καταγραφή και αποθήκευση πληροφοριών που δίνουν στοιχεία τόσο για την ανατομία όσο και για την παθολογία του ανθρώπινου σώματος. Συγκεκριμένα, η ιονίζουσα ακτινοβολία εξασθενεί από το σώμα του ασθενούς και στη συνέχεια ανιχνεύεται με χρήση φθοριζουσών οθονών (phosphor screens) ή σπινθηριστών (scintillators) που έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ιονίζουσα ακτινοβολία σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία στην περιοχή του ορατού φωτός. Το φως που εκπέμπεται προσπίπτει στην επιφάνεια ενός οπτικού ανιχνευτή (π.χ. φιλμ, φωτοπολλαπλασιαστής) ο οποίος είναι ευαίσθητος στα μήκη κύματος του εκπεμπόμενου φωτός και οι οπτικοί φορείς πληροφορίας συμβάλουν στον σχηματισμό της ιατρικής εικόνας. Οι φθορίζουσες οθόνες ή οι σπινθηριστές χαρακτηρίζονται από παραμέτρους οι οποίες εκφράζουν την ένταση και την κατανομή του παραγόμενου σήματος στην έξοδο του ανιχνευτή και σχετίζονται άμεσα με την ποιότητα της ιατρικής εικόνας αλλά και με τη δόση του εξεταζόμενου. Οι πιο σημαντικές παράμετροι είναι οι ακόλουθες: (α) η κβαντική ανιχνευτική αποδοτικότητα (quantum detection efficiency-qde), η οποία εκφράζει το ποσοστό της ιονίζουσας ακτινοβολίας που ανιχνεύεται από τον ανιχνευτή (Boone 2000), (β) η απόδοση φωτός (luminescence efficiency-le), η οποία εκφράζει την ευαισθησία του ανιχνευτή και σχετίζεται με τη φωτεινότητα της ιατρικής εικόνας (Kandarakis et al 1997), (γ) η συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (modulation transfer function-mtf), η οποία περιγράφει τη μεταβολή του σήματος διαμόρφωσης εξόδου ως συνάρτηση της χωρικής συχνότητας και σχετίζεται με τη χωρική διακριτική ικανότητα του απεικονιστικού συστήματος (Dainty and Shaw 1974) και (δ) η ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα 16
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή (detective quantum efficiency-dqe), η οποία εκφράζει την ικανότητα του απεικονιστικού συστήματος να μεταφέρει το λόγο σήματος προς θόρυβο (signal to noise ratio-snr) και σχετίζεται με τη «χρήσιμη» πληροφορία στην ιατρική εικόνα, δηλαδή την πληροφορία με διαγνωστική αξία (Dainty and Shaw 1974). Οι παραπάνω παράμετροι παίζουν καθοριστικό ρόλο στην επιλογή του ανιχνευτικού υλικού και η επιλογή ποικίλλει ανάλογα με την εφαρμογή του. Ωστόσο, παρά την καθιέρωση παραδοσιακών φθοριζόντων υλικών σε κλασσικά απεικονιστικά συστήματα, η μελέτη νέων δομών καθώς και η εύρεση καινούργιων υλικών ανιχνευτών είναι αναγκαία για τη βελτίωση των ανιχνευτικών συστημάτων (βελτίωση ποιότητας της ιατρικής εικόνας και ελάττωση της δόσης ασθενούς). Τα πλέον διαδεδομένα υλικά φωσφόρων σπινθηριστών, που χρησιμοποιούνται επί δεκαετίες στα περισσότερα ιατρικά απεικονιστικά συστήματα, είναι τα Gd 2 O 2 S:Tb και CsI:Tl, εξαιτίας των πολύ καλών ενδογενών χαρακτηριστικών και της συνολικής απόδοσης τους σε φωταύγεια (Arnold 1979, Gurwich 1995, Kandarakis et al 1996, Liaparinos et al 2007). Το Gd 2 O 2 S:Tb είναι πολύ αποδοτικό στα συμβατικά ακτινογραφικά συστήματα με φιλμ, στα οποία είναι απαραίτητη η πολύ καλή φασματική σύζευξη της φασματικής ευαισθησίας του φιλμ με το εκπεμπόμενο από το σπινθηριστή φως καθώς και η υψηλή ευαισθησία του φιλμ στα συγκεκριμένα μήκη κύματος για την επίτευξη του καλύτερου συνδυασμού φιλμ/σπινθηριστή. Το πράσινο φως που εκπέμπεται από φωσφόρους με ενεργοποιητή Τερβίου δεν ανιχνεύεται αποδοτικά (Gurwich 1995) από κάποια ψηφιακά συστήματα που βασίζονται σε κρυσταλλικούς οπτικούς ανιχνευτές Πυριτίου (Si). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μεγάλος αριθμός ανιχνευτών ιατρικής απεικόνισης, που βασίζονται σε φωτοδιόδους Si, δεν είναι ευαίσθητοι σε αυτά τα μήκη κύματος (500-550 nm) και μόνο το 45-55 % του φωτός που παράγεται από το Gd 2 O 2 S:Tb ή από άλλους φωσφόρους με ενεργοποιητή Τερβίου 17
PhD Thesis ανιχνεύεται από τη φωτοδίοδο Πυριτίου (Gurwich 1995). Υλικά φωσφόρων σπινθηριστών που είναι πιο ευαίσθητα στα μεγαλύτερα μήκη κύματος και συγκεκριμένα στο κόκκινο μπορούν εύκολα να παρασκευαστούν εισάγοντας ενεργοποιητή (Eu 3+ ) σε σπάνιες γαίες (Rowlands and Yorkston 2000, Rodnyi et al 2001, Nikl 2006, Zych 2006). Επιπλέον πολλοί σπινθηριστές με ενεργοποιητή (Eu 3+ ) και πιο συγκεκριμένα το Gd 2 O 2 S:Eu, έχουν προηγουμένως βρεθεί συγκρίσιμοι με φωσφόρους με ενεργοποιητή Τερβίου σε οπτική απολαβή (Zych 2006) και διακριτική ικανότητα (Michail et al 2009). Σπινθηριστές με ενεργοποιητή (Eu 3+ ) έχουν χρόνο απόσβεσης της τάξης των ms (λίγο μεγαλύτερο από του Gd 2 O 2 S:Tb) ο οποίος είναι αποδεκτός για εφαρμογές που δεν απαιτούν γρήγορη λήψη (Lempicki et al 2002, Nagarkar et al 2003) συμπεριλαμβανομένων της ψηφιακής και αναλογικής ακτινογραφίας. Το Gd 2 O 2 S:Eu έχει χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές διπλής ενέργειας μονής λήψης (single pulse dual energy radiography) (Boone et al 1992), σε ψηφιακή μαστογραφία και απεικόνιση μαστού με διάθλαση (diffraction enhanced breast imaging) με χρήση ανιχνευτών CCD (Gambaccini et al 1996, Taibi et al 1997, Gambaccini et al 1998, Harris et al 2003). Εν αντιθέσει, ο σπινθηριστής Lu 2 SiO 5 :Ce (Lutetium Οxyorthosilicate-Lu 2 SiO 5 :Ce) έχει αρκετά πλεονεκτήματα, όπως: υψηλή οπτική απολαβή (26000 φωτόνια/mev) και απόδοση φωταύγειας, υψηλή πυκνότητα (7.4 g/cm 3 ), υψηλό δείκτη ανίχνευσης ακτινοβολίας ( 4 eff =143 10 6 ), μικρό χρόνο απόσβεσης (40 ns), υψηλό ενεργό ατομικό αριθμό (66) και άριστη χημική σταθερότητα (Melcher and Schweitzer 1992, Melcher and Schweitzer 1992, Blasse and Grabmaier 1994, Van Eijk 2002, Dorenbos et al 1995). Επιπλέον, το Lu 2 SiO 5 :Ce εκπέμπει μπλε φως (το οποίο εξασθενεί έντονα μέσα στο υλικό του φωσφόρου, δίνοντας πολύ στενούς οπτικούς παλμούς στην έξοδο με αποτέλεσμα τη βελτίωση της χωρικής διακριτικής ικανότητας) το οποίο το καθιστά συμβατό με μεγάλο αριθμό οπτικών 18
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή αισθητήρων. Σε μονοκρυσταλλική μορφή το Lu 2 SiO 5 :Ce έχει χρησιμοποιηθεί σε σημαντικό αριθμό μη-απεικονιστικών εφαρμογών όπως είναι: η ανίχνευση ακτίνων-γ στην πυρηνική φυσική, στη φυσική υψηλών ενεργειών και στην περιβαλλοντική επιτήρηση (Melcher and Schweitzer 1992, Melcher and Schweitzer 1992). Το Lu 2 SiO 5 :Ce έχει αντικαταστήσει το σπινθηριστή Bi 4 Ge 3 O 12 (BGO) σε κάποιους τομογράφους εκπομπής ποζιτρονίων (PET). Μειονέκτημα του Lu 2 SiO 5 :Ce είναι κάποια προβλήματα υστέρησης που οδηγούν σε αύξηση του χρόνου φθορισμού. Η υστέρηση οφείλεται στο γεγονός ότι η μεταφωταύγεια αυτού του υλικού έχει δύο στελέχη, ένα γρήγορο, το οποίο επικρατεί τα πρώτα 40~50 ns και ένα αργό που κυριαρχεί μετά τα 100 ns. Παρόλα αυτά μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συστήματα ψηφιακής τομοσύνθεσης μαστού (μια τεχνική για την παραγωγή εικόνων τομών χρησιμοποιώντας συμβατικά συστήματα ακτίνων-χ) που λαμβάνουν μέχρι 2 εικόνες/s. Μέχρι τώρα ανιχνευτές τύπου flat-panel στους οποίους υπάρχει σπινθηριστής CsI σε σύζευξη με φωτοδίοδο a-si και χρόνο απόσβεσης ~1000 ns χρησιμοποιούνται για εφαρμογές τομοσύνθεσης μαστού (Dobbins and Godfrey 2003), σε ψηφιακούς μαστογράφους ανίχνευσης σχισμής (scanning slot) (Mainprize et al 2002) και ψηφιακά ακτινοσκοπικά συστήματα (Antonuk 2009). Σε προηγούμενες εργασίες βρέθηκε ότι το Lu 2 SiO 5 :Ce έχει καλύτερη απόδοση ανίχνευσης ακτίνων-χ από το Gd 2 O 2 S:Tb (David et al 2007, Liaparinos et al 2007) και συγκρίσιμη συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF) (Liaparinos et al 2007, Michail et al 2007, Michail et al 2009, Michail et al 2009). 19
PhD Thesis ΕΠΙΠΕΔΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΕΝΕΡΓΟΥ ΜΗΤΡΑΣ (AMFPIS) 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 χρησιμοποιούνται σε απεικονιστικά συστήματα (Yaffe and Rowlands 1997, Magnan 2003). Οι πίνακες αυτοί, στους οποίους προστίθεται ένα στρώμα 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: στη 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 (asi: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 ζεύγος διόδων (Yaffe and Rowlands 1997). Πάνω από τη διάταξη των φωτοδιόδων και των TFTs βρίσκεται είτε φθορίζουσα οθόνη (ενισχυτική πινακίδα), είτε 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 CsI:Tl ή Gd 2 Ο 2 S:Tb, ονομάζονται συστήματα έμμεσης ανίχνευσης, ενώ τα συστήματα με Άμορφο Σελήνιο ονομάζονται συστήματα άμεσης ανίχνευσης (Yaffe and Rowlands 1997). Τα τελευταία έτη 20
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή αναπτύσσεται η τεχνολογία των λεγόμενων επίπεδων ανιχνευτών ενεργού μήτρας μεγάλης επιφάνειας (Active Matrix Flat-Panel Detectors ή Imagers AMFPI). Τα συστήματα αυτά βρίσκουν εφαρμογή στη 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 ακτινών-χ διατίθενται δίοδοι ή τρανζίστορ Άμορφου Πυριτίου (Yaffe and Rowlands 1997). ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ CCD (CHARGE COUPLED DEVICES) Οι ανιχνευτές CCD αποτελούνται από πολλές επαφές MOS οι οποίες τοποθετούνται πάνω στην επιφάνεια του Πυριτίου (Magnan 2003, Noel and Thibault 2004). Ουσιαστικά η επαφή MOS σχηματίζεται µε τη δημιουργία ενός στρώματος πολυκρυσταλλικού Πυριτίου πάνω από το διοξείδιο του Πυριτίου, όπως ακριβώς µε την πύλη ενός τρανζίστορ MOS. Με την εφαρμογή κατάλληλης θετικής τάσης στην επαφή δημιουργείται ακριβώς από κάτω µια περιοχή ελλείψεως φορέων και ένα πηγάδι δυναμικού. Αυτό το πηγάδι δυναμικού συγκεντρώνει τα ηλεκτρόνια που παράγονται από µια διέγερση. Οι γειτονικές επαφές οι οποίες είναι πολωµένες µε διαφορετική τάση περιορίζουν το φορτίο ώστε να συγκρατηθεί κάτω από την αρχική επαφή. Η µεταφορά του φορτίου από επαφή σε επαφή γίνεται ρυθµίζοντας κατάλληλα το δυναµικό στις πύλες τους (Magnan 2003). Με αυτό τον τρόπο το φορτίο µεταφέρεται από το ένα πηγάδι δυναµικού στο αµέσως διπλανό του µέχρι να φτάσει στην επαφή εξόδου. Από την παραπάνω διαδικασία είναι φανερό ότι για τη σωστή µεταφορά του παραγόµενου φορτίου χωρίς διαδοχικές απώλειες, χρειάζονται αλληλεπικαλυπτόµενοι 21
PhD Thesis παλµοί ρολογιού, γεγονός που αποτελεί µειονέκτηµα για τους ανιχνευτές CCD (Magnan 2003). Ανάλογα µε την εφαρµογή έχουν αναπτυχθεί διάφορα είδη ανιχνευτών CCD (surface channel, buried channel CCD) τα οποία παρουσιάζουν πολύ καλή διακριτική ικανότητα, περίπου 5µm. ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ CMOS (COMPLEMENTARY METAL-OXIDE SEMICONDUCTOR) Τα µοντέρνα ψηφιακά κυκλώµατα (λογικές πύλες, µνήµες, επεξεργαστές και άλλα σύνθετα κυκλώµατα) υλοποιούνται σήµερα στην πλειοψηφία τους (>75% του συνόλου των παραγόµενων ψηφιακών κυκλωµάτων) µε τεχνολογία CMOS (complementary metal-oxide semiconductor). Η τεχνολογία αυτή συνδυάζει συµπληρωµατικά τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (metal-oxide semiconductor field effect transistors-mosfets) p-τύπου (pmos) και n-τύπου (nmos) για την κατασκευή των διάφορων λογικών κυκλωµάτων (Magnan 2003). Η τεχνολογία CMOS αναπτύχθηκε αργότερα από εκείνη των τρανζίστορ διπολικής επαφής. Κατά τα πρώτα χρόνια της εµπορικής εφαρµογής της (δεκαετία του 70) αποτέλεσε εναλλακτική λύση για συστήµατα χαµηλής ισχύος λόγω της ιδιαίτερα µειωµένης κατανάλωσης ενέργειας έναντι των λογικών κυκλωµάτων µε τρανζίστορ διπολικής επαφής. Από την άλλη πλευρά, το βασικό µειονέκτηµα των κυκλωµάτων CMOS ήταν η αργή λειτουργία τους (Fossum 1997, Lo 1998, Magnan 2003). Στις επόµενες δεκαετίες ( 80-90), τόσο η τεχνολογία CMOS όσο και η διπολική τεχνολογία ακολούθησαν την κατασκευαστική τάση για συρρίκνωση των διαστάσεων των τρανζίστορ και αύξηση της ταχύτητας λειτουργίας τους. Η διπολική τεχνολογία παρέµεινε γρηγορότερη, χωρίς όµως να επιτύχει σηµαντική µείωση της κατανάλωσης ισχύος. Η τεχνολογία CMOS 22
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή όµως ήταν ιδανική για λογικά κυκλώµατα µεγάλης ολοκλήρωσης και χαµηλής κατανάλωσης ισχύος. Στις αρχές της δεκαετίας του 90 οι κατασκευαστικές διαστάσεις των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων έφτασαν το 0.5µm. Το γεγονός αυτό επέτρεψε την κατασκευή κυκλωµάτων CMOS πολύ µεγάλης ολοκλήρωσης, η απόδοση των οποίων σε επίπεδο συστήµατος (λειτουργικότητα) ξεπέρασε τη µεµονωµένη από δόση (ταχύτητα) των τρανζίστορ διπολικής επαφής. Έκτοτε η τεχνολογία CMOS είναι κυρίαρχη στον χώρο των ψηφιακών κυκλωµάτων (Elbakri et al 2009). ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η αξιολόγηση φωσφόρων σπινθηριστών για την εύρεση του υλικού με τα καλύτερα ενδογενή και απεικονιστικά χαρακτηριστικά που θα συνδυαστεί με ψηφιακό απεικονιστικό σύστημα υψηλής διακριτικής ικανότητας για χρήση σε ιατρικές εφαρμογές ψηφιακής απεικόνισης. Για τους σκοπούς της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρασκευάστηκαν, με τη μέθοδο της καθίζησης, φθορίζουσες οθόνες από υλικά σπινθηριστών όπως τα Lu 2 SiO 5 :Ce, Gd 2 O 2 S:Eu και Gd 2 O 2 S:Tb. Η διερεύνηση των χαρακτηριστικών των παρασκευασμένων σπινθηριστών πραγματοποιήθηκε μέσω της πειραματικής διερεύνησης της απεικονιστικής απόδοσης, αξιολογώντας: Τη συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (modulation transfer function-mtf), η οποία περιγράφει τη μεταβολή του σήματος διαμόρφωσης εξόδου ως συνάρτηση της 23
PhD Thesis χωρικής συχνότητας και σχετίζεται με τη χωρική διακριτική ικανότητα του απεικονιστικού συστήματος. Οι μετρήσεις γίνονται μέσω δύο μεθόδων: α) της μεθόδου απόκρισης τετραγωνικού κύματος (SWRF), με κατάλληλο εξάρτημαομοίωμα (SWRF test pattern) και β) της μεθόδου απόκρισης ορίου (ESF) με χρήση αντίστοιχου εξαρτήματος-ομοιώματος (ESF pattern) (Dainty and Shaw 1974, Marshall 2006a). Τη συνάρτηση μεταφοράς θορύβου (noise transfer function-ntf), που περιγράφει τη διάδοση του θορύβου ως συνάρτηση της χωρικής συχνότητας. Οι μετρήσεις γίνονται μέσω ομοιόμορφης ακτινοβόλησης των οθονών (Badano et al 2004). Την ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα (detective quantum efficiency-dqe), η οποία εκφράζει την ικανότητα του απεικονιστικού συστήματος να μεταφέρει το λόγο σήματος προς θόρυβο (signal to noise ratio-snr) (Dainty and Shaw 1974) και σχετίζεται με τη «χρήσιμη» πληροφορία στην ιατρική εικόνα, δηλαδή την πληροφορία με διαγνωστική αξία, καθώς επίσης και την απόδοση του ανιχνευτή να ανιχνεύει ακτίνες-χ και να τις μετατρέπει σε φως το οποίο θα μπορεί να ανιχνευτεί αποδοτικά από τις φωτοδιόδους Πυριτίου (Si) που χρησιμοποιούνται στο ψηφιακό σύστημα τύπου CMOS. Ο προσδιορισμός της DQE γίνεται μέσω υπολογισμών που συνδυάζουν όλες τις προαναφερθείσες παραμέτρους. Επιπλέον, η ποιότητα εικόνας μελετήθηκε με τη χρήση δεικτών όπως η χωρητικότητα πληροφορίας (IC) που χαρακτηρίζει την οξύτητα της εικόνας και το σηματοθορυβικό λόγο (Dainty and Shaw 1974, Panayiotakis 1984). 24
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή Η απόδοση των σπινθηριστών ως μετατροπείς της ακτινοβολίας-χ σε ορατό φως αξιολογήθηκε μέσω της μέτρησης των ακόλουθων παραμέτρων: Της απόλυτης απόδοσης φωταύγειας (ΑΕ), που εκφράζει το λόγο της ενεργειακής ροής οπτικών φωτονίων που εκπέμπονται από ένα σπινθηριστή προς τον προσπίπτων σε αυτόν ρυθμό έκθεσης ακτίνων-χ και εκφράζεται σε μονάδες [μw s/mr m 2 ], που συχνά ονομάζονται μονάδες απόδοσης (efficiency units, EU). Οι μετρήσεις γίνονται σε Iατρικά ακτινολογικά μηχανήματα μέσω: α) διάταξης φωτοπολλαπλασιαστή συνδεδεμένου με ηλεκτρόμετρο, για τη μέτρηση του εκπεμπόμενου φωτός και β) μέσω δοσιμέτρου (θάλαμος ιονισμού) και εναλλακτικά μέσω φασματόμετρου ακτίνων-χ για μέτρηση ροής ακτίνων-χ (Kandarakis et al 2001, Michail et al 2009). Της απόδοσης φωταύγειας ακτίνων-χ που είναι ο λόγος της ενέργειας της φωτεινής ροής ( ) που εκπέμπεται από ένα σπινθηριστή προς την προσπίπτουσα σε αυτόν ενεργειακή ροή ακτίνων-χ ( ) (Kandarakis et al 1997, Cavouras et al 1999). X Την οπτική απολαβή του ανιχνευτή (DQG), που εκφράζει τον αριθμό των οπτικών φωτονίων που εκπέμπονται για κάθε προσπίπτον φωτόνιο-χ και μπορεί να υπολογιστεί μετατρέποντας την ενεργειακή φωτεινή ροή και ροή ακτίνων-χ σε ροή ορατών φωτονίων και φωτονίων-χ αντίστοιχα (Kandarakis et al 2001). 25
PhD Thesis Την ενεργό απόδοση (effective efficiency-ee), που εκφράζει το ποσοστό της εκπεμπόμενης ενεργειακής ροής φωτός που μπορεί να συλληφθεί από τον ανιχνευτή οπτικών φωτονίων ανά μονάδα ρυθμού έκθεσης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η ΕΕ δίνεται ως το γινόμενο της απόλυτης απόδοσης φωταύγειας επί τον αντίστοιχο συντελεστή φασματικής συμβατότητας (Cavouras et al 1999). Επιπλέον, αξιολογήθηκε ο παράγοντας φασματικής συμβατότητα (Spectral Matching Factor- SMF), που εκφράζει το βαθμό σύμπτωσης μεταξύ του φάσματος του εκπεμπόμενου από σπινθηριστή φωτός και της φασματικής ευαισθησίας του φωτοανιχνευτή. Παράλληλα, χρησιμοποιήθηκε θεωρητικό μοντέλο (Hamaker 1947, Ludwig 1971, Swank 1974, Nishikawa and Yaffe 1990, Kandarakis et al 1997, Michail et al 2007, Michail et al 2009) που περιγράφει τη διάδοση της ακτινοβολίας-χ και του παραγόμενου φωτός μέσα από το υλικό του σπινθηριστή, για την προσαρμογή στα πειραματικά αποτελέσματα της MTF και την εκτίμηση οπτικών συντελεστών εξασθένισης των υπό εξέταση υλικών. Το θεωρητικό μοντέλο βασίζεται κυρίως στη διαφορική εξίσωση διάχυσης Boltzmann (Kandarakis et al 2001, Michail et al 2009). Επιπλέον, έγινε υπολογισμός της κβαντικής ανιχνευτικής αποδοτικότητας (quantum detection efficiency-qde), που είναι ο λόγος του αριθμού των φωτονίων-χ που απορροφώνται από το σπινθηριστή προς τον αριθμό φωτονίων-χ που προσπίπτουν σε αυτόν. Τέλος, αξιολογήθηκαν τα χαρακτηριστικά ποιότητας εικόνας και η απόδοση του ψηφιακού συστήματος ακτίνων-χ, τύπου CMOS, σε σύζευξη με τη βέλτιστη οθόνη φωσφόρου σπινθηριστή (που προέκυψε από τη διερεύνηση των φωσφόρων σπινθηριστών), βάσει των παραμέτρων που αναφέρθηκαν προηγουμένως. Η MTF του ανιχνευτή CMOS μετρήθηκε χρησιμοποιώντας τη μέθοδο slanted-edge για την αποφυγή φαινομένων αναδίπλωσης ενώ το 26
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή κανονικοποιημένο φάσμα ισχύος θορύβου (NNPS) προσδιορίσθηκε μέσω δυσδιάστατου (2D) μετασχηματισμού Fourier εικόνων που έχουν ληφθεί από ομοιογενή ακτινοβόληση. Ο πειραματικός προσδιορισμός των ανωτέρω παραμέτρων πραγματοποιήθηκε με χρήση των αντιπροσωπευτικών ποιοτήτων ακτινοβολίας (RQA-5-70kVp ψηφιακή ακτινογραφία και RQA-M2-28kVp ψηφιακή μαστογραφία) που προτάθηκαν από τις αναφορές της International Electrotechnical Commission (62220-1 και 62220-1-2 αντίστοιχα). Η DQE εκτιμήθηκε από τον πειραματικό προσδιορισμό της MTF, του NNPS καθώς και της άμεσης μέτρησης φασμάτων ακτίνων-χ με φορητό φασματογράφο ακτίνων-χ τύπου CdTe και τελικά της εκτίμησης της έκθεσης (entrance surface air-kerma ESAK). ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ-ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αρκετές φθορίζουσες οθόνες από υλικά σπινθηριστών Lu 2 SiO 5 :Ce (γρήγορη απόσβεση φωταύγειας, εκπομπή μπλε φωτός), Gd 2 O 2 S:Tb (υψηλή απόδοση, εκπομπή πράσινου φωτός) και Gd 2 O 2 S:Eu (ικανοποιητική απόδοση, εκπομπή κόκκινου φωτός) παρασκευάστηκαν και εξετάσθηκαν σε συνθήκες μαστογραφίας και ακτινοδιαγνωστικής για χρήση σε συνδυασμό με φωτοδίοδο Πυριτίου σε ψηφιακό ανιχνευτή ακτίνων-χ, τύπου CMOS. Οι οθόνες παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της καθίζησης σε διάφορες επιφανειακές πυκνότητες. Η απόδοση των οθονών διερευνήθηκε μέσω αξιολόγησης αρκετών παραμέτρων, όπως: το οπτικό σήμα εξόδου (απόλυτη απόδοση φωταύγειας), η απεικονιστική απόδοση (συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης, συνάρτηση μεταφοράς απολαβής, συνάρτηση μεταφοράς θορύβου και ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα), καθώς και με την αξιολόγηση δεικτών ποιότητας εικόνας (χωρητικότητα 27
PhD Thesis πληροφορίας) που χαρακτηρίζουν την οξύτητα της εικόνας και το σηματοθορυβικό λόγο. Η συνολική απόδοση (απόλυτη απόδοση φωταύγειας, απόδοση φωταύγειας ακτίνων-χ και κβαντικό κέρδος ανιχνευτή) των οθονών Gd 2 O 2 S:Tb βρέθηκε υψηλότερη από αυτή των Gd 2 O 2 S:Eu και Lu 2 SiO 5 :Ce. Ωστόσο, ο φώσφορος σπινθηριστής Lu 2 SiO 5 :Ce έχει χαμηλότερη φασματική συμβατότητα με τη φωτοδίοδο Πυριτίου που περιέχεται στο ψηφιακό ανιχνευτή, τύπου CMOS, έχει χαμηλότερη απόδοση φωταύγειας και DQE (στη μηδενική συχνότητα) από το Gd 2 O 2 S:Eu και είναι πιο ακριβός. Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι οθόνες Gd 2 O 2 S:Eu έχουν (i) υψηλή απόδοση απορρόφησης στις χαμηλές ενέργειες, (ii) ικανοποιητική απόδοση σε παραμέτρους ποιότητας εικόνας (MTF, DQE) και (iii) άριστη συμβατότητα με οπτικούς ανιχνευτές CMOS και CCD, το υλικό αυτό θα μπορούσε να ληφθεί υπόψη για εφαρμογές τόσο σε ψηφιακούς όσο και σε αναλογικούς μαστογράφους. Ωστόσο, οι οθόνες Gd 2 O 2 S:Tb βρέθηκαν με υψηλότερη οπτική απόδοση τόσο από τις οθόνες Gd 2 O 2 :Eu όσο και από τις οθόνες Lu 2 SiO 5 :Ce. Οι οθόνες Lu 2 SiO 5 :Ce είχαν χαμηλότερες τιμές οπτικής απόδοσης από τους σπινθηριστές Gd 2 O 2 S, κατά συνέπεια δεν επιλέχθηκαν για χρήση στο ψηφιακό σύστημα τύπου CMOS, παρά το γεγονός ότι έχουν μικρό χρόνο απόσβεσης και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα που απαιτούν γρήγορη λήψη εικόνων. Έχοντας υπόψη όλα τα προηγούμενα, η επιλογή για το βέλτιστο σπινθηριστή που θα χρησιμοποιηθεί με το ψηφιακό απεικονιστικό σύστημα CMOS ήταν το Gd 2 O 2 S:Tb, λόγω της συνολικά υψηλότερης απόδοσης σε σχέση με τους υπόλοιπους σπινθηριστές, παρά τη σχετικά χαμηλότερη, από το Gd 2 O 2 SEu, φασματική συμβατότητα με τη συγκεκριμένη φωτοδίοδο Πυριτίου (Si) που χρησιμοποιείται στον ανιχνευτή τύπου CMOS. Η επιλογή του Gd 2 O 2 S:Tb σαν μετατροπέα της ακτινοβολίας-χ σε φως υιοθετήθηκε λαμβάνοντας υπόψη και τις υψηλότερες τιμές των παραμέτρων GTF και egtf για τα τρία υλικά σπινθηριστών 28
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή που μελετήθηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή (Gd 2 O 2 S:Tb, Gd 2 O 2 S:Eu και Lu 2 SiO 5 :Ce), που συνδυάζουν όλα τα προαναφερθέντα ευρήματα που αφορούν την απόδοση των σπινθηριστών. Τελικά, διερευνήθηκε η απεικονιστική απόδοση του ψηφιακού απεικονιστικού συστήματος CMOS σε όρους MTF, NNPS και DQE. Συμπληρωματικά με τις συμβατικές παραμέτρους, που εκφράζονται μέσω χωρικών συχνοτήτων, η ποιότητα εικόνας αξιολογήθηκε μέσω της εφαρμογής της χωρητικότητας πληροφορίας, η οποία ορίστηκε στη γενικότερη θεωρία της πληροφορίας από τον Shannon και χρησιμοποιήθηκε ως συνολικός δείκτης ποιότητας εικόνας (Shannon 1948, Panayiotakis 1984). Η MTF και η DQE διατηρούν υψηλές τιμές σε όλο το εύρος χωρικών συχνοτήτων. Επιπλέον, τα επίπεδα θορύβου μεταβάλλονται ελάχιστα σε όλο το εύρος των χωρικών συχνοτήτων. Για την ίδια ποιότητα ακτινοβολίας (RQA) η απόδοση του συστήματος, καθώς και η MTF δεν επηρεάζονται σημαντικά από την έκθεση εισόδου και το είδος του σπινθηριστή, οπότε περαιτέρω μείωση της έκθεσης μπορεί να επιτευχθεί χωρίς υποβάθμιση της ποιότητας εικόνας. Τα προηγούμενα αποτελέσματα δείχνουν ότι το ψηφιακό σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές ψηφιακής ιατρικής απεικόνισης σε χαμηλές ενέργειες όπως είναι η ψηφιακή τομοσύνθεση μαστού όπου η μείωση της δόσης στο μαστό είναι κρίσιμη για την ευρεία αποδοχή και καθιέρωση της μεθόδου. Επιπλέον, τα αποτελέσματα μας συγκρίθηκαν με δημοσιευμένα αποτελέσματα για έναν αισθητήρα PPS CMOS (Elbakri et al 2009). Η MTF και η DQE του CMOS μας ήταν καλύτερες σε όλο το εύρος των χωρικών συχνοτήτων, ενώ το NNPS βρέθηκε χαμηλότερο στις υψηλές συχνότητες, λαμβανομένου υπόψη του γεγονότος ότι έχει ληφθεί σε μικρότερα επίπεδα έκθεσης. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι υψηλή χωρική διακριτική ικανότητα (μικρό μέγεθος εικονοστοιχείων) μπορεί 29
PhD Thesis να επιτευχθεί χωρίς την εισαγωγή επιπλέον θορύβου στην τελική εικόνα και την περαιτέρω υποβάθμιση της DQE. ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΔΟΥΛΕΙΑ Στην παρούσα διδακτορική διατριβή αξιολογήθηκαν φθορίζοντα υλικά ανιχνευτών ιατρικής απεικόνισης σε συνδυασμό με ψηφιακό σύστημα απεικόνισης υψηλής διακριτικής ικανότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο ανιχνευτής μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ιατρικές απεικονιστικές εφαρμογές με υψηλές απαιτήσεις σε διακριτική ικανότητα και ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα όπως είναι η ψηφιακή τομοσύνθεση μαστού. Ως μελλοντική εργασία, μετά την ολοκλήρωση της διδακτορικής διατριβής, θα είναι: (α) H ανάπτυξη εύκαμπτων σπινθηριστών Gd 2 O 2 S:Tb και Gd 2 O 2 S:Eu πάνω σε κατετμημένα υποστρώματα με μικροδομές από Πολυαιθυλένιο για τη βελτίωση της διακριτικής ικανότητας και την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων του ψηφιακού συστήματος CMOS, το οποίο έχει μέγεθος εικονοστοιχείων 22.5 μικρόμετρα. (β) Οι εύκαμπτες φθορίζουσες οθόνες θα ενσωματωθούν στο ψηφιακό σύστημα που αξιολογήθηκε στην παρούσα διδακτορική διατριβή και θα αναπτυχθεί πρότυπο σύστημα απεικόνισης διπλής ενέργειας / ψηφιακής τομοσύνθεσης (Dual Energy/Digital Tomosynthesis, DE-DTS) για χρήση στα πεδία της μαστογραφίας και της οστεοπυκνομετρίας (Densitometry). Το τελικό σύστημα θα συνδυάζει καινοτόμα, μεθόδους απεικόνισης διπλής ενέργειας και ψηφιακής τομοσύνθεσης στο ψηφιακό σύστημα CMOS. 30
Χρήστος Μιχαήλ Διδακτορική Διατριβή 31
PhD Thesis Contents ABSTRACT...35 A.1 The problem...37 A.2 Thesis originality...42 A.3 Publications...43 A.4 Financial support...45 THEORETICAL BACKGROUND...46 B.1. Introduction...46 B.2 X-ray imaging...48 B.2.1 Flat panel systems...49 B.2.2 Phosphor flat panel detectors...50 B.2.3 Charge-coupled devices (CCD s)& complementary metal oxide.. semiconductors (CMOS)...50 B.3 Aspects of image quality...52 B.3.1 Pixel size,matrix and detector size...52 B.3.2 Dynamic range...52 B.3.3 Spatial resolution...53 B.3.4 Modulation transfer function (MTF)...53 B.3.5 Noise power spectrum (NPS)...53 B.3.6 Detective quantum efficiency (DQE)...54 B.3.7 Image quality assesment by information theory...55 B.3.7.1 The information theory approach...55 B.3.7.2 Information capacity (IC)...57 MATERIALS & METHODS...58 C.1 Theoretical modelling...58 C.1.1 Output signal & signal transfer efficiency...58 C.1.2 Signal to noise ratio & detective quantum efficiency...59 C.2 Experiments & calculations...61 C.2.1 Screen preparation...61 32
Contents C.2.2 Scanning electron microscopy...62 C.2.3 CdTe based X-ray spectroscopy...63 C.2.4 Output signal...63 C.2.4.1 X-ray luminescence efficiency...65 C.2.4.2 Detector quantum gain...65 C.2.5 Optical emission and spectral compatibility to optical detectors...66 C.2.6 Image quality assesment...67 C.2.6.1 Modulation transfer function...67 C.2.6.2 Gain transfer function...68 C.2.6.3 Noise power spectrum...68 C.2.6.4 Detective quantum efficiency...69 C.2.7 Single index image quality parameters...69 C.2.7.1 Noise equivalent passband & informational efficiency...69 C.2.7.2 Information Capacity...70 C.2.8 CMOS based detector evaluation...71 C.2.8.1 Experimental set-up & imaging conditions...71 C.2.8.2 Image quality...73 C.2.8.2.1 Signal transfer properties...73 C.2.8.2.2 Modulation transfer function...74 C.2.8.2.3 Normalized noise power spectrum...75 C.2.8.2.4 Detective quantum efficiency...75 C.2.8.2.5 Noise equivalent quanta...76 C.2.8.2.6 Information capacity...76 RESULTS & DISCUSSIONS...77 D.1 Scanning electron microscopy...77 D.2 CdTe X-ray spectroscopy...78 D.3 X-ray quantum detection efficiency...79 D.4 Output signal-absolute luminescence efficiency...80 D.4.1 X-ray luminescence efficiency...82 D.4.2 Detector quantum gain...84 D.5 Optical emission spectroscopy & spectral compatibility to optical detectors..86 33
PhD Thesis D.6 Effective luminescence efficiency...88 D.7 Image quality...89 D.7.1 Modulation transfer function...89 D.7.2 Gain & effective gain transfer function...92 D.7.3 Noise transfer function...95 D.7.4 Detective quantum efficiency...96 D.8 Single index image quality parameters...98 D.8.1 Noise equivalent passband, informational efficiency & information.. capacity..98 D.9 High resolution CMOS detector...101 D.9.1 Signal transfer properties...101 D.9.2 Imaging conditions...102 D.9.3 Modulation transfer function...103 D.9.4 Normalized noise power spectra...105 D.9.5 Detective quantum efficiency...106 D.9.6 Noise equivalent quanta...107 D.9.7 Information capacity...108 E.1 CONCLUSIONS...109 E.2 FUTURE WORK...111 APPENDIX A: QUANTUM DETECTION EFFICIENCY...112 APPENDIX B: INFORMATION CAPACITY...113 APPENDIX C: LIGHT TRANSMISSION EFFICIENCY...116 APPENDIX D: ABBREVIATIONS.119 REFERENCES...121 34
Abstract ABSTRACT The dominant powder scintillator in most medical imaging modalities for decades is Gd 2 O 2 S:Tb due to the very good intrinsic properties and overall efficiency. Except for Gd 2 O 2 S:Tb there are alternative powder phosphor scintillators like Lu 2 SiO 5 :Ce and Gd 2 O 2 S:Eu that has been suggested for use in various medical imaging modalities. Gd 2 O 2 S:Eu emits red light and can be combined mainly with digital imaging devices like CCDs and CMOS based detectors. Lu 2 SiO 5 :Ce emits blue light and can be combined with blue sensitivity films, photocathodes and some photodiodes. For the purposes of the present thesis, various Lu 2 SiO 5 :Ce, Gd 2 O 2 S:Eu and Gd 2 O 2 S:Tb scintillating screens, were prepared using the method of sedimentation. The screens were investigated by evaluating parameters related to image quality and phosphor efficiency. The imaging performance of these screens was assessed by experimental determination of the modulation transfer function (MTF), the noise transfer function (NTF) and the detective quantum efficiency (DQE) as well as single index image quality parameters such as noise equivalent passband, informational efficiency and the information capacity (IC). A theoretical model, describing radiation and light transfer, was used to fit experimental MTF data. This has allowed the estimation of optical attenuation coefficients of the scintillator. The light intensity emitted per unit of X-ray exposure rate (absolute luminescence efficiency) was also measured. Furthermore the spectral compatibility of those materials with various optical detectors was determined. For Gd 2 O 2 S:Eu, MTF data were found lower to those of Gd 2 O 2 S:Tb, while the MTF of Lu 2 SiO 5 :Ce was found comparable to that of Gd 2 O 2 S:Tb which shows overall better spatial resolution and image sharpness properties. On the other hand Gd 2 O 2 S:Eu was found to exhibit higher output signal and zero-frequency detective quantum efficiency than Lu 2 SiO 5 :Ce. The superior overall efficiency of Gd 2 O 2 S:Tb compared with the other two phosphors screens, was taken into account for the evaluation of a high resolution CMOS based imaging sensor. In the latter, a 33.91 mg/cm 2 Gd 2 O 2 S:Tb scintillator screen, showing superior overall image quality and efficiency, was placed in direct contact with the CMOS photodiode array. The CMOS photodiode array, featuring up to 1200x1600 pixels with a 35