О двух технологиях построения цифровых приемников рентгеновских изображений

04.05.2017

О двух технологиях построения цифровых приемников рентгеновских изображений

В связи с интенсивным развитием цифровых приемников рентгеновских изображений рентгенографические комплекты экран-
пленка постепенно утрачивают функции эталонного приемника.

В связи с интенсивным развитием цифровых приемников рентгеновских изображений рентгенографические комплекты экран-
пленка постепенно утрачивают функции эталонного приемника. Уже более 30 фирм занимаются исследованиями по поиску приемника рентгеновских изображений, который мог бы заменить рентгенографические комплекты. Эти поиски привели к разработке целого ряда цифровых приемников, на основе которых организован промышленный выпуск цифровых рентгеновских аппаратов [4, 5].

В настоящее время подавляющее большинство фирм в своих разработках цифровых приемников, которые освоены серийно,
используют одну из двух технологий: плоских панелей (flat panel) и съемки изображения с рентгеновских экранов цифровыми телевизионными камерами на ПЗС-матрицах. Технология плоских панелей, доведенная до серийного производства, также разделяется на два класса. Это матрицы тонкопленочных полевых транзисторов, покрытых аморфным селеном, и матрицы кремниевых фотодиодов (aSi:H), сочлененные с игольчатым цезий-йодным CsI(Tl) или гадолиниевым Gd₂O₂S экранами.

По сравнению с матрицей фотодиодов, сочлененной с цезий-йодным экраном, матрица на аморфном селене имеет ряд недостатков. Как известно, в этой матрице процесс преобразования рентгеновского изображения в скрытое (зарядовое) основан на фотопроводящих свойствах селена. Чувствительность приемника определяется главным образом коэффициентом поглощения рентгеновского излучения селеновым слоем, величиной нейтрализованного поверхностного заряда на единицу поглощенной энергии и эффективностью коммутации скрытого изображения. При одинаковой толщине поглощение в пластине аморфного селена меньше,чем в игольчатом экране CsI(Tl) и быстро падает с ростом энергии квантов [5]. Лишь около 15% образовавшихся под действием рентгеновского излучения электронов формирует потенциальный рельеф, в то время как в экране CsI(Tl) коэффициент сбора светового потока на фотодиоды не менее 0,3. В результате квантовая эффек-тивность приемника на селене меньше, чем приемника с экраном.

Это различие резко возрастает при увеличении напряжения на рентгеновской трубке. Кроме того, зарядка селенового слоя требует высокого напряжения (киловольты), что не совместимо с современной микроэлектроникой.Этот тип приемника в статье не рассматривается.

Не рассматриваются также приемники с запоминающим фотостимулирующим рентгеновским экраном (CR-технология) и
приемники с линейками детекторов для сканирующих аппаратов.

Предпочтение отдано технологиям построения цифровых приемников, которые могут быть (уже сейчас или потенциально) универсальными, т. е. работать как в режиме рентгенографии, так и рентгеноскопии с частотой кадров от 2 до 60 кадров в секунду.

Поэтому для детального сравнительного анализа выбраны плоские панели с игольчатым цезий-йодным экраном и матрицей
кремниевых фотодиодов и приемники с переносом изображения с экрана на ПЗС-матрицы.

На рис. 1 представлена схема, поясняющая принципы трансформации одной технологии в другую. Как видно, приемник, осу-
ществляющий съемку изображения с экрана с помощью одноматричной телевизионной камеры, и плоская панель являются предельными (крайними) случаями многоматричного приемника.

Непосредственный контакт экрана и фотоприемника исключает оптику, что существенно увеличивает сбор светового потока на фотоприемник, уменьшает габариты и массу приемника, но порождает целый ряд научно-технических проблем.

Перечислим главные из них.

Рис. 1. Переход от приемника на компонентах экран-объектив-ПЗС к монолитной конструкции (плоской панели). L₁>L₂>L₃

Исключение оптики достигается за счет увеличения размера матрицы фотоприемников до размера экрана. Например, для обеспечения рабочего поля 430 х 430 мм требуется такого же размера матрица фотодиодов (или других фотодетекторов). Это сложная технологическая задача. Поэтому полноформатную матрицу фото-приемников составляют из матриц меньших размеров, что, в свою очередь требует решения ряда задач: обеспечение идентичности параметров всех частей составной матрицы, сшивки встык, калибровки, теплоустойчивости и ударопрочности.

В плоской панели фотодиоды находятся под непосредственным воздействием не менее 30% рентгеновских лучей, падающих
на экран, так как экран поглощает не более 70% этого излучения.

С увеличением энергии рентгеновских квантов эта доля сущест венно увеличивается и, следовательно, увеличивается вероят-
ность возникновения дефектов, особенно при высоких дозах и интенсивной эксплуатации приемника. Для устранения радиационных дефектов в других электронных компонентах, расположенных непосредственно в плоской панели, необходима их экранировка, что увеличивает массу и объем конструкции. Таким образом, разработка долго живущих плоских приемников для цифровой рентгенотехники требует создания радиационно стойких электронных компонентов, так как известно, что в кремнии и структурах на его основе имеет место радиационное дефектообразование. В частности, к таким дефектам относятся накопление в полупроводниках положительного объемного заряда и увеличение плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник — диэлектрик [1]. Поэтому под действием радиации параметры плоских панелей непрерывно деградируют, что приводит к необратимой потере работоспособности и, следовательно,сокращению срока службы.

В плоских панелях должна быть также решена задача поддержания постоянной температуры по всей поверхности фотодиодной матрицы.

Существует ряд других мелких задач, решение которых необходимо при разработке плоских панелей. Таким образом, цена за
отказ от оптики слишком высока. Лидирующие в области рентгеновского аппаратостроения фирмы решали эти проблемы около 10 лет. Например, для разработки плоских приемников европейские компании «Thomson», «Siemens» и «Philips» более 10 лет назад основали во Франции специальную фирму «TRIXELL», которая только в последние несколько лет начала серийный выпуск плоских панелей.

Приблизительно такое же время потребовалось американской фирме GE для разработки аналогичных плоских панелей.

Надежды, возлагавшиеся на плоские панели по замене рентгенографических комплектов в любом рентгеновском аппарате,
оправдались лишь частично. Дело в том, что габариты и масса большинства разработанных плоских панелей не тождественны габаритам и массе кассет, что не позволяет без доработок пленочных рентгеновских аппаратов помещать их в кассетодержатели.

В то же время рентгеновские экраны, оптика и ПЗС-матрицы являются продуктами широко развитой индустрии. Разработка на
их базе цифровых приемников доступна фирмам, имеющим средний научно-технический потенциал.

Компании, которые производят и разрабатывают плоские панели, тратят огромные средства на их рекламу с целью выработки у радиологического сообщества мнения об их превосходстве над цифровыми приемниками с другой технологией изготов-ления. Эта реклама уже принесла свои плоды. Даже многие разработчики приемников по другим технологиям склонны считать, что в будущем останутся только технологии плоских панелей.

В связи с этим на примере детального сравнительного анализа двух технологий целесообразно выявить все их преимущества и недостатки и дать прогноз по дальнейшему развитию цифровых приемников.

Вследствие малых потерь света при переносе изображения с экрана на фотодиодную матрицу квантовая эффективность плоских панелей выше, чем у приемников на ПЗС-матрицах. По оценкам разных авторов [2, 3, 5] она на низких пространственных частотах (менее 0,5 мм^-1) находится в пределах от 40 до 65%. У приемников на ПЗС-матрицах потери света при переносе изображения с экрана на ПЗС-матрицу составляют более 99%, поэтому их квантовая эффективность не превышает 40%.

Тем не менее ПЗС-матрицы непрерывно совершенствуются как по квантовой эффективности и шумам, так и по размерам, что
приводит к увеличению квантовой эффективности приемника на ПЗС-матрице. В ближайшее время следует ожидать появления приемников такого типа, имеющих параметры не хуже, чем у плоских панелей.

Квантовая эффективность приемника является только одним из целого ряда параметров рентгеновского аппарата, которые определяют получаемую пациентом дозу. Поэтому только при оптимальном выборе жесткости излучения, параметров растра и требуемого качества изображения корректно утверждать,что квантовая эффективность определяет чувствительность ап-
парата.

В приемнике на ПЗС-матрице разрешающую способность можно адаптировать под конкретную область применения. При
этом можно идти несколькими путями. Можно заменить экран с большим разрешением на экран с большей чувствитель-ностью или наоборот. Это аналогично выбору того или иного рентгенографического комплекта (100, 200, 400, 600, 800).

Можно использовать ПЗС-матрицу с числом пикселов 1000 х 1000, 2000 х 2000 или 4000 х 4000. В матрице высокого разрешения можно использовать биннинг. Например, матрица с числом пикселов 4000 х 4000 может быть использована как матрица с числом 1000 х 1000, 2000 х 2000. При этом чувствительность повышается в 3 и 2 раза соответственно при сохранении той же контрастной чувствительности.

Разрешающую способность в зоне интереса можно повысить,используя оптическое масштабирование.

Наконец, разделив экран на несколько зон, можно передавать изображение каждой зоны на свою ПЗС-матрицу. При этом будет увеличиваться чувствительность приемника за счет возрастания квантовой эффективности.

Следовательно, технология экран-оптика-ПЗС позволяет осуществлять обменные операции между разрешающей способностью и чувствительностью без существенных переработок конструкции приемника.

В фотодиодной матрице после считывания сохраняется остаточный сигнал , что отрицательно сказывается на передачи динамических изображений, особенно обладающих значительной яркостью. ПЗС-матрицы — это безынерционные приборы.

Поэтому создание на их основе приемников с рабочими полями до 200 х 200 мм,работающих в реальном масштабе времени, не представляет принципиальных трудностей. Более того, используя биннинг в матрицах 4000 х 4000, можно создать универсальный приемник с рабочим полем (430 х 430 мм) как для рентгенографии, так и для рентгеноскопии.

Динамический диапазон плоских панелей сравним с динамическим диапазоном приемников на ПЗС-матрицах.

Приемники с ПЗС-матрицами более надежны и долговечны. Дело в том, что, как указывалось выше, фотодиодная матрица плоской панели не может быть защищена от непосредственного воздействия рентгеновского излучения, так как находится в
непосредственном контакте с рентгеновским экраном. Поэтому,несмотря на то что фотодиодные матрицы плоских панелей из-
готавливают из радиационно стойкого аморфного кремния, ее параметры все же непрерывно деградируют. Это со временем
должно приводить к необратимой потере работоспособности и,следовательно, к сокращению долговечности срока службы.

Радиационному воздействию подвержены и другие электронные схемы, собранные в плоской панели. Полная экранировка этих схем приводит к сокращению температурного диапазона, в котором панель работоспособна. В приемниках экран-оптика-
ПЗС-матрица может быть надежно экранирована или же вынесена из прямого пучка рентгеновских лучей с помощью оптиче-
ской системы с зеркалом.

При высоких температурах аморфный слой матрицы фотодетекторов может необратимо кристаллизоваться с полной потерей
полупроводниковых свойств.

Большинство современных плоских панелей составлено встык из нескольких матриц фотодиодов. При изменении темпе-ратуры могут появиться зазоры. Разный электронный износ отдельных матриц фотодиодов требует периодической калиб-ровки.

В условиях клиники плоские панели не ремонтопригодны.Работоспособность приемника на ПЗС-матрицах может быть вос-
становлена сервисным инженером в рентгеновском кабинете.

Новые технологические и технические решения могут быть внедрены в приемники на ПЗС-матрицах без замены всего прием-
ника, так как имеется возможность постоянного улучшения компонентов: экрана, оптики, ПЗС-матрицы.

Использование плоских панелей в рентгеновских аппаратах на передвижных средствах проблематично вследствие больших механических нагрузок и резких колебаний температуры.

Стоимость — это та категория параметров, которую нельзя игнорировать при сравнительном анализе приемников рентгенов-
ских изображений. В настоящее время плоские панели в несколько раз дороже приемников на ПЗС-матрицах.

Технология плоских панелей не используется в других областях, кроме рентгенотехники, что приводит к значительному повы-
шению их стоимости. В то же время рентгеновские экраны, оптика, ПЗС-матрицы являются продуктами развитой индустрии.

Они производятся огромными сериями и их цена будет из года в год снижаться. Поэтому плоские панели всегда будут дороже приемников на ПЗС-матрицах.

Таким образом, если учитывать диагностическую информативность и чувствительность рассматриваемых приемников, то
нельзя прийти к однозначному выводу в пользу одного из них.

Однако в настоящее время приемники на ПЗС-матрицах имеют более высокие потребительские свойства: большую долговечность и ремонтопригодность, более широкий диапазон условий эксплуатации (температуры и механических нагрузок) и более низкую стоимость.

Исходя из вышеизложенного, научно-производственная компания «Электрон» выбрала технологию построения приемников с
ПЗС-матрицами. Это позволило компании создать целый ряд цифровых приемников и рентгеновских аппаратов, удовлетворяющий требованиям флюорографии (исследования грудной клетки), общей рентгенографии и, частично, рентгеноскопии.

Созданы три типа приемников, которые используются в цифровом флюорографе ФЦ-01-«Электрон», цифровой вертикальной стойке (рис. 2), цифровом рентгенографическом аппарате АРЦ-01-«ОКО» и в одной из модификаций телеуправляемого рентгенографического комплекса КРТ-«Электрон» (рис. 3).

Благодаря гибкой технологии разработанные приемники производятся со следующими параметрами:

• размеры рабочих полей — от 380 х 380 до 430 х 430 мм;

• разрешающая способность — от 2,5 до 5 мм^-1;

• контрастная чувствительность — от 1 до 2%;

• динамический диапазон — более 400;

• дозы в плоскости приемника — от 100 мкР до 2 мР;

Стоимость приемников «НИПК «Электрон» (в зависимости от исполнения) в 2—3 раза ниже стоимости плоских панелей.

Цифровые приемники «НИПК «Электрон» экспортируются в Германию, США, Францию, Словакию, Китай и ряд других стран.

Литература

1. Кучинский П. В. Радиационное дефектообразование в кремнии и структурах на его основе в зависимости от уровня легирования и примесного состава: Автореф. дис. на соиск. учен. степени докт. ф.-м. наук -Минск: Беларусский гос. университет, 1999.

2. Мазуров А. И. Эволюция приемников рентгеновских изображений //Медицинская техника. - 2004. - № 5 - С. 34-37.

3. Медицинская рентгенология: технические аспекты, клинические материалы, радиационная безопасность / Под ред. Р. В. Ставицкого. - М.:МНПТ, 2003.

4. Медицинская техника для лучевой диагностики: оборудование,расходные материалы, нормативные документы: Справочник / Под ред.Б. И. Леонова, Н. Н. Блинова. - М.: НПЦ «Интерфорум», 2004.

Теги: цифровой приемник. рентгеновское изображение, пластина, селен, плоская панель
234567 Начало активности (дата): 04.05.2017 12:09:00
234567 Кем создан (ID): 645
234567 Ключевые слова:  цифровой приемник. рентгеновское изображение, пластина, селен
12354567899