Medical Image Science through luminescence (MISCIRLU project) I. S. Kandarakis*, I. Valais, P. Liaparinos, G. Fountos, N. Kalyvas, C. Michail, S. David Radiation Physics, Materials Technology and Biomedical Imaging Laboratory, Department of Biomedical Engineering, Technological Educational Institution of Athens, Ag. Spyridonos, 122 10 Athens, Greece * Corresponding author: kandarakis@teiath.gr Keywords: Luminescence; Image Science ; Modulation Transfer Function ; Noise Power Spectrum ; Detective Quantum Efficiency. From conventional intensifying screens to multicrystal blocks of ring detectors, luminescent materials (scintillators and phosphors) coupled to optical sensors, are traditionally associated with most developments in position sensitive radiation detectors employed in Medical Imaging. Materials are employed in the form of granular screens, structured (needle-like) crystals, single crystal or multicrystal transparent blocks or storage phosphor plates. In the present investigation, description of detector performance followed experimental, analytical and Monte Carlo methods based on Luminescence efficiency, decay time, spatial and spectral distribution of emitted light as well as on signal and noise analysis in both space and spatial frequency domains. Within this framework basic quality metrics, such as the Modulation Transfer Function (MTF), the Noise Power Spectrum (NPS) and the Detective Quantum Efficiency (DQE) were evaluated. In experimental studies the aforementioned metrics are evaluated for various materials in the form of screens. Algorithms were implemented incorporating the methods for experiment based calculations of MTF and NPS. Finally the DQE was calculated for each case. The designed software for the parameters calculation was presented in a graphical user interface (GUI) environment (MINORE v1), which is designed from our group. Luminescence efficiency, signal and noise analysis are valuable tools for the evaluation of luminescent materials as candidates for medical imaging detectors Acknowledgement This research has been co-funded by the European Union (European Social Fund) and Greek national resources under the framework of the ARISTEIA project MISCIRLU code 1476 of the Education & Lifelong Learning Operational Programme.
Σύνοψη (Διαβάζεται σε συνδυασμό με την αναρτημένη παρουσίαση) Εισαγωγή Στην παρούσα εργασία γίνεται μια επισκόπηση της ερευνητικής δραστηριότητας στα πλαίσια του προγράμματος MISCIRLU («Αριστεία». Κωδ. 1476). Παρουσιάζεται η μεθοδολογία και ορισμένα βασικά αποτελέσματα, που αφορούν σε εφαρμογές της Φωταύγειας στις διαδικασίες ανίχνευσης ιοντιζουσών ακτινοβολιών, σχηματισμού και αξιολόγησης εικόνας, στο πλαίσιο των μεθόδων της Επιστήμης της Εικόνας (Image Science). Η μεθοδολογία βασίσθηκε σε πειραματικές τεχνικές, σε θεωρητικές μεθόδους βασισμένες σε αναλυτικά μαθηματικά μοντέλα και σε μεθόδους Μόντε Κάρλο. Η διαδικασία σχηματισμού εικόνας πρέπει να λαμβάνει υπόψη ότι ο ανθρώπινος παρατηρητής αντιλαμβάνεται σήματα μέσα σε ένα υπόβαθρο θορύβου και συνεπώς βασικός στόχος της διαδικασίας είναι ο σχηματισμός εικόνων που να χαρακτηρίζονται από το μέγιστο δυνατό Λόγο Σήματος προς Θόρυβο (Signal to Noise Ratio-SNR). Η εφαρμογή της Φωταύγειας στην Ιατρική Απεικόνιση αφορά στους λεγόμενους ανιχνευτές έμμεσης ανίχνευσης (indirect detection). Ο χαρακτηρισμός «έμμεση ανίχνευση» υποδηλώνει ότι στη διαδικασία μετατροπής των φωτονίων Χ και γ σε ηλεκτρονικό σήμα, μεσολαβεί ένα επιπλέον στάδιο μετατροπής αυτών των φωτονίων σε φως (οπτικό σήμα). Η βασική δομή αυτών των ανιχνευτών είναι η ακόλουθη: (α) Ένας σπινθηριστής ή φώσφορος, υπό μορφή μονοκρυστάλλου ή κοκκώδους επίστρωσης (οθόνη), που απορροφά τις ακτίνες Χ και μετατρέπει την ενέργεια τους σε φως (φωταύγεια), (β) Ένας οπτικός αισθητήρας, υπό μορφή επίπεδης διάταξης φωτοδιόδων, φωτοπολλάπλασιαστών κλπ, που απορροφά το φως και το μετατρέπει σε ηλεκτρονικό σήμα, (γ) Μία βαθμίδα ηλεκτρονικής και ψηφιακής επεξεργασίας σήματος. Τα ολοκληρωμένα συστήματα ανιχνευτών διακρίνονται σε ανιχνευτές ενεργειακής ολοκλήρωσης (σήμα εξόδου ανάλογο με την απορροφηθείσα ενέργεια ακτινοβολίας) και σε ανιχνευτές απαρίθμησης φωτονίων (σήμα εξόδου υπό μορφή σειράς παλμών που αντιστοιχούν στα μετρούμενα φωτόνια Χ και γ). Οι σπινθηριστές που χρησιμοποιούνται σε κάθε περίπτωση μπορεί να είναι μονοκρύσταλλοι, φώσφοροι κοκκώδους μορφής (και νανοφώσφοροι) ή δομημένοι κρύσταλλοι (ινώδους μορφής κλπ). Μεθοδολογία Στη μεθοδολογία της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν: (α) πειραματικές τεχνικές βασισμένες σε μετρήσεις ακτινοβολίας (δοσιμετρία, φασματοσκοπία), σε οπτικές μετρήσεις και σε μετρήσεις παραμέτρων εικόνας, (β) αναλυτικά θεωρητικά μοντέλα βασισμένα στη διαφορική εξίσωση διάχυσης, σε μοντέλα Γεωμετρικής Οπτικής, στη θεωρία γραμμικών συστημάτων διαδοχικών σταδίων, στη θεωρία ανίχνευσης σήματος και (γ) στοχαστικά μοντέλα (Μόντε Κάρλο) βασισμένα στις αλληλεπιδράσεις ακτινοβολίας ύλης και στην οπτική σκέδαση Mie. Τα
φυσικά μεγέθη και οι παράμετροι που διερευνήθηκαν είναι: Απορρόφηση, Ανίχνευση ακτινοβολίας (QDE, EAE), Ενδογενής Απόδοση μετατροπής σε φως, η Απόδοση Εκπομπής φωτός (που εκφράσθηκε μέσω των παραμέτρων Απόλυτη Απόδοση (AE), Απόδοση Φωταύγειας (XLE) και Κβαντική Ενίσχυση (QDG)), οπτικά φάσματα σπινθηριστών και Φασματική Συμβατότητα με οπτικούς αισθητήρες, παράμετροι εικόνας όπως η Συνάρτηση Μεταφοράς Διαμόρφωσης (MTF), το Φάσμα Ισχύος Θορύβου (NPS), η Ανιχνευτική Κβαντική Απόδοση (DQE). Οι σπινθηριστές χρησιμοποιήθηκαν σε μορφή οθονών παρασκευασμένων από κοκκώδη υλικά καθώς και σε μορφή οθονών από κρυστάλλους ινώδους μορφής. Οι μετρήσεις βασίσθηκαν σε χρήση οπτικού αισθητήρα CMOS, σε φωτοπολλαπλασιαστή, σε οπτικό φασματόμετρο (για τις οπτικές μετρήσεις) καθώς και σε δοσίμετρα και φασματόμετρο ακτίνων Χ. Σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε κατάλληλο λογισμικό (MINORE v1), για τον υπολογισμό παραμέτρων, το οποίο παρουσιάζεται σε περιβάλλον GUI (Grafical User Interface). Αποτελέσματα Η παρούσα εργασία αποτελεί επισκόπηση της συνολικής ερευνητικής δράσης του προγράμματος MISCIRLU. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται έχουν ληφθεί ενδεικτικά από το σύνολο του ερευνητικού προγράμματος. Ελήφθησαν πειραματικά και θεωρητικά αποτελέσματα για διάφορα υλικά (Gd 2 O 2 S:Pr, Gd 2 O 2 S:Pr,Ce,F, CsI:Tl κλπ). Η πειραματική Απόδοση Φωταύγειας (με ακτίνες Χ /XLE), που εκφράζει συνολική μετατροπή ενέργειας ακτίνων Χ σε φως βρέθηκε να είναι της τάξης των n 10-3 έως και n 10-2. Αντίστοιχα η Κβαντική Ενίσχυση (που εκφράζει αριθμό οπτικών φωτονίων ανά προσπίπτον φωτόνιο Χ) βρέθηκε να είναι της τάξης των μερικών εκατοντάδων φωτονίων. Ενδεικτικά αναφέρεται ότι ο κοκκώδης σπινθηριστής Gd 2 O 2 S:Pr,Ce,F, με πάχος οθόνης 71,2 mg/cm 2, εμφάνισε τιμές XLE μεταξύ 1,6 10-2 και 5 10-3 (0,05%), στην κλίμακα ενεργειών από 50 kvp έως 130 kvp. Οι αντίστοιχες τιμές QDG είναι της τάξης των 250-340. Ενδεικτικό της επίδρασης του ιόντος του ενεργοποιητή στο κρυσταλλικό πλέγμα του υλικού του σπινθηριστή είναι η διαφορά απόδοσης (XLE, QDG) μεταξύ υλικών της ίδιας βάσης (π.χ. Gd 2 O 2 S), αλλά διαφορετικού ενεργοποιητή (π.χ. Pr,Ce,F ή Eu). Χαρακτηριστικά η συνολική απόδοση του Gd 2 O 2 S:Pr,Ce,F εκτιμήθηκε έως και 40% υψηλότερη του Gd 2 O 2 S:Eu στα 50 kvp. Εκτίμηση της XLE έγιναν και μέσω των θεωρητικών αναλυτικών μοντέλων και των στοχαστικών μοντέλων Μόντε Κάρλο. Με χρήση τεχνικών υπολογιστικής προσαρμογής (fitting) προσδιορίσθηκαν οπτικές παράμετροι (συντελεστές εξασθένησης, διαπερατότητας) των υλικών κοκκώδους, αλλά και ινώδους μορφής, π.χ. ο οπτικός συντελεστής k στο σπινθηριστή CsI:Tl εκτιμήθηκε στα επίπεδα 0,98-0,99 (99% διαπερατότητα φωτός στο υλικό). Επίσης αρνητικές ή θετικές μεταβολές των συντελεστών οπτικής απόσβεσης (extinction) και οπτικής κατευθυντικότητας, ανάλογα με το μήκος κύματος του εκπεμπόμενου φωτός, ευρέθησαν για υλικά νανοφωσφόρων (κόκκοι 4 nm). Για τα περισσότερα υλικά που μελετήθηκαν προσδιορίσθηκε και η φασματική συμβατότητα του εκπεμπόμενου οπτικού φάσματος με τη φασματική ευαισθησία των συνήθων ηλεκτρονικών
οπτικών αισθητήρων, με τιμές της τάξης του 74-96%. Τέλος προσδιορίσθηκαν πειραματικά και θεωρητικά όλες οι παράμετροι εικόνας (MTF, NPS, DQE). Ελήφθη μεγάλο πλήθος πειραματικών δεδομένων από τα οποία εξάγονται συμπεράσματα για την εξάρτηση των παραμέτρων εικόνας από το είδος του υλικού (εσωτερική κοκκώδης ή κρυσταλλική δομή, ενεργοποιητής, οπτικό φάσμα, πάχος επίστρωσης, διαστάσεις κόκκων, φαινόμενα οπτικής σκέδασης και διάδοσης φωτός), τον τύπο του οπτικού αισθητήρα (μέγεθος εικονοστοιχείου) και την ενέργεια της ακτινοβολίας. Αναφορές C. Michail, G. Fountos, P. Liaparinos, N. Kalyvas, I. Valais, I. Kandarakis, G. Panayiotakis. Light emission efficiency and imaging performance of Gd2O2S:Eu powder scintillating screens under x-ray radiography conditions. Medical Physics, 37( 7):3694-3703, 2010 N. Kalyvas, P. Liaparinos, C. Michail, S. David, G. Fountos, M.Wójtowicz, E. Zych and I. Kandarakis. Studying the luminescence efficiency of Lu2O3:Eu nanophosphor material for digital x-ray imaging applications. Applied Physics A, 106:131-136. 2012 David, M. Georgiou, G. Loudos, C. Michail, G. Fountos and I. Kandarakis. Evaluation of powder/granular Gd2O2S:Pr scintillator screens in single photon counting mode under 140keV excitation. Journal of Instrumentation. 8: P01006, 2013 N. Kalyvas, C. Michail, G. Fountos, I. Valais, P. Liaparinos, I. Kandarakis and G. Panayiotakis, (2013) Modeling Noise Properties of A High Resolution CMOS Detector for X-ray Digital Mammography, accepted in ΙΕΕΕ Transactions in Nuclear Science. 2013 I. E. Seferis, C. M. Michail, I. G. Valais, G. P. Fountos, N. I. Kalyvas, F. Stromatia, G. Oikonomou, I.S. Kandarakis, G. S. Panayiotakis (2013) On the response of a europium doped phosphor-coated CMOS digital imaging detector, accepted in Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A., 2013 C. Michail, N. Kalyvas, I. Valais, S. David, I. Seferis, A. Toutountzis, A. Karabotsos, P. Liaparinos, G. Fountos, and I. Kandarakis (2013) On the response of GdAlO3:Ce powder scintillators, accepted in Journal of Lumininescence. N. Kalyvas, I. Valais, C. Michail, G. Fountos, I. Kandarakis, D. Cavouras: A theoretical study of CsI:Tl columnar scintillator image quality parameters by analytical modeling. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment 04/2015; 779. DOI:10.1016/j.nima.2015.01.027 C. Michail, I. Valais, I. Seferis, N. Kalyvas, G. Fountos, I. Kandarakis: Experimental Measurement of a High Resolution CMOS Detector Coupled to CsI Scintillators under X-ray Radiation. Radiation Measurements 02/2015; DOI:10.1016/j.radmeas.2015.02.007 S. David, C. Michail, I. Seferis, I. Valais, G. Fountos, P. Liaparinos, I. Kandarakis, N. Kalyvas: Evaluation of Gd2O2S:Pr granular phosphor properties for X-ray mammography imaging. Journal of Luminescence 01/2015; DOI:10.1016/j.jlumin.2015.01.044
N. Martini, V. Koukou, C. Michail, P. Sotiropoulou, N. Kalyvas, I. Kandarakis, G. Nikiforidis, G. Fountos: Pencil Beam Spectral Measurements of Ce, Ho, Yb, and Ba Powders for Potential Use in Medical Applications. 01/2015; 2015:1-8. DOI:10.1155/2015/563763 C. Michail, I. Valais, I. Seferis, N. Kalyvas, S. David, G. Fountos, I. Kandarakis: Measurement of the luminescence properties of Gd2O2S:Pr,Ce,F powder scintillators under X-ray radiation. Radiation Measurements 11/2014; DOI:10.1016/j.radmeas.2014.09.008 I. Seferis, C. Michail, I. Valais, J. Zeler, P. Liaparinos, G. Fountos, N. Kalyvas, S. David, F. Stromatia, E. Zych, I. Kandarakis, G. Panayiotakis: Light emission efficiency and imaging performance of Lu2O3:Eu nanophosphor under X-ray radiography conditions: Comparison with Gd2O2S:Eu. Journal of Luminescence 07/2014; 151:229 234. DOI:10.1016/j.jlumin.2014.02.017 N. Kalyvas, I. Valais, S. David, Ch. Michail, G. Fountos, P. Liaparinos, I. Kandarakis: Studying the energy dependence of intrinsic conversion efficiency of single crystal scintillators under X-ray excitation. Optics and Spectroscopy 05/2014; 116(5):743-747. DOI:10.1134/S0030400X14050117