stringtranslate.com

Детектор рентгеновского излучения

Получение проекционной рентгенографии с помощью рентгеновского генератора и детектора изображений.

Детекторы рентгеновского излучения — это устройства, используемые для измерения потока , пространственного распределения, спектра и/или других свойств рентгеновского излучения .

Детекторы можно разделить на две основные категории: детекторы изображений (например, фотопластинки и рентгеновская пленка ( фотопленка ), которые в настоящее время в основном заменены различными оцифровывающими устройствами, такими как пластины изображений или плоскопанельные детекторы ) и устройства для измерения дозы (например, ионизационные камеры , счетчики Гейгера и дозиметры, используемые для измерения локального воздействия радиации , дозы и/или мощности дозы, например, для проверки того, что оборудование и процедуры радиационной защиты эффективны на постоянной основе).

Рентгеновское изображение

Рыбья кость, проколотая в верхней части пищевода. Правое изображение без контрастного вещества, левое изображение во время глотания с контрастным веществом.

Для получения изображения с помощью любого типа детектора изображения часть тела пациента, которая должна быть просвечена, помещается между источником рентгеновского излучения и приемником изображения, чтобы создать тень внутренней структуры этой конкретной части тела. Рентгеновские лучи частично блокируются («ослабляются») плотными тканями, такими как кость, и легче проходят через мягкие ткани. Области, куда попадают рентгеновские лучи, темнеют при проявлении, в результате чего кости кажутся светлее окружающих мягких тканей.

Контрастные соединения, содержащие барий или йод , которые являются рентгеноконтрастными , можно принимать внутрь в желудочно-кишечном тракте (барий) или вводить в артерию или вены, чтобы выделить эти сосуды. Контрастные соединения содержат элементы с высоким атомным номером, которые (например, кость) по существу блокируют рентгеновские лучи, и, следовательно, некогда полый орган или сосуд можно легче увидеть. В поисках нетоксичных контрастных материалов были оценены многие типы элементов с высоким атомным номером. Некоторые выбранные элементы оказались вредными — например, торий когда-то использовался в качестве контрастного вещества ( Thorotrast ) — который оказался токсичным, вызывая очень высокую заболеваемость раком спустя десятилетия после использования. Современные контрастные материалы улучшились, и, хотя нет способа определить, у кого может быть чувствительность к контрасту, частота серьезных аллергических реакций низкая. [1]

рентгеновская пленка

Механизм

Типичная рентгеновская пленка содержит кристаллические «зерна» галогенида серебра , как правило, в основном бромида серебра . [2] Размер и состав зерен можно регулировать, чтобы влиять на свойства пленки, например, для улучшения разрешения проявленного изображения. [3] Когда пленка подвергается воздействию излучения, галогенид ионизируется , и свободные электроны захватываются дефектами кристалла (образуя скрытое изображение ). Ионы серебра притягиваются к этим дефектам и восстанавливаются , создавая кластеры прозрачных атомов серебра . [4] В процессе проявления они преобразуются в непрозрачные атомы серебра , которые формируют видимое изображение, самое темное там, где было обнаружено больше всего излучения. Дальнейшие этапы проявления стабилизируют сенсибилизированные зерна и удаляют несенсибилизированные зерна, чтобы предотвратить дальнейшее воздействие (например, от видимого света ). [5] : 159  [6]

Замена

Видеоролик, в котором обсуждается исследование, показавшее, что цифровые рентгеновские снимки столь же эффективны в выявлении профессиональных заболеваний легких, как и пленочные рентгеновские снимки.

Первые рентгенограммы (рентгеновские снимки) были сделаны путем воздействия рентгеновских лучей на сенсибилизированные стеклянные фотопластинки. Рентгеновская пленка (фотопленка) вскоре заменила стеклянные пластинки, и пленка использовалась десятилетиями для получения (и отображения) медицинских и промышленных изображений. [7] Постепенно цифровые компьютеры приобрели способность хранить и отображать достаточно данных, чтобы сделать возможным цифровое изображение. С 1990-х годов компьютерная рентгенография и цифровая рентгенография заменяют фотопленку в медицинских и стоматологических приложениях, хотя пленочная технология по-прежнему широко используется в процессах промышленной рентгенографии (например, для проверки сварных швов). Металлическое серебро (ранее необходимое для рентгенографической и фотографической промышленности) является невозобновляемым ресурсом, хотя серебро можно легко извлечь из отработанной рентгеновской пленки. [8] Там, где рентгеновские пленки требовали мокрых установок обработки, более новые цифровые технологии этого не требуют. Цифровое архивирование изображений также экономит физическое пространство для хранения. [9]

Фотостимулируемые люминофоры

Кусок фотостимулируемой фосфорной пластины

Рентгенография с использованием фосфорной пластины [10] — это метод регистрации рентгеновских лучей с использованием фотостимулированной люминесценции (PSL), впервые разработанный компанией Fuji в 1980-х годах. [11] Вместо фотографической пластины используется фотостимулируемая фосфорная пластина (PSP). После просвечивания пластины возбужденные электроны в фосфорном материале остаются «захваченными» в « цветовых центрах » в кристаллической решетке до тех пор, пока не будут стимулированы лазерным лучом, прошедшим по поверхности пластины. [12] Свет , испускаемый во время лазерной стимуляции, собирается фотоумножительной трубкой , а полученный сигнал преобразуется в цифровое изображение с помощью компьютерной технологии. Пластину PSP можно использовать повторно, и существующее рентгеновское оборудование не требует никаких модификаций для их использования. Этот метод также может быть известен как компьютерная радиография (CR). [13]

Усилители изображения

Рентгенограмма, сделанная во время холецистэктомии

Рентгеновские лучи также используются в процедурах «в реальном времени», таких как ангиография или контрастные исследования полых органов (например, бариевая клизма тонкого или толстого кишечника) с использованием флюороскопии . Ангиопластика , медицинские вмешательства на артериальной системе, в значительной степени полагаются на рентгеночувствительный контраст для выявления потенциально поддающихся лечению поражений.

Полупроводниковые детекторы

Твердотельные детекторы используют полупроводники для обнаружения рентгеновских лучей. Прямые цифровые детекторы так называются, потому что они напрямую преобразуют рентгеновские фотоны в электрический заряд и, таким образом, в цифровое изображение. Косвенные системы могут иметь промежуточные этапы, например, сначала преобразование рентгеновских фотонов в видимый свет , а затем в электронный сигнал. Обе системы обычно используют тонкопленочные транзисторы для считывания и преобразования электронного сигнала в цифровое изображение. В отличие от пленки или CR, для получения цифрового изображения не требуется ручного сканирования или этапа проявления, и поэтому в этом смысле обе системы являются «прямыми». [14] Оба типа систем имеют значительно более высокую квантовую эффективность, чем CR. [14]

Прямые детекторы

С 1970-х годов были разработаны полупроводниковые детекторы из кремния или германия , легированные литием (Si(Li) или Ge(Li)) . [15] Рентгеновские фотоны преобразуются в пары электрон-дырка в полупроводнике и собираются для обнаружения рентгеновских лучей. Когда температура достаточно низкая (детектор охлаждается эффектом Пельтье или еще более холодным жидким азотом ), можно напрямую определить энергетический спектр рентгеновского излучения; этот метод называется энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDX или EDS); он часто используется в небольших рентгеновских флуоресцентных спектрометрах . Кремниевые дрейфовые детекторы (SDD), производимые традиционным полупроводниковым производством , обеспечивают экономически эффективное и высокоразрешающее измерение мощности излучения. В отличие от традиционных рентгеновских детекторов, таких как Si(Li), их не нужно охлаждать жидким азотом. Эти детекторы редко используются для визуализации и эффективны только при низких энергиях. [16]

Практическое применение в медицинской визуализации началось в начале 2000-х годов. [17] Аморфный селен используется в коммерческих плоских рентгеновских детекторах большой площади для маммографии и общей рентгенографии из -за его высокого пространственного разрешения и свойств поглощения рентгеновского излучения. [18] Однако низкий атомный номер селена означает, что для достижения достаточной чувствительности требуется толстый слой. [19]

Теллурид кадмия ( Cd Te ) и его сплав с цинком , теллурид кадмия-цинка , считаются одними из самых перспективных полупроводниковых материалов для обнаружения рентгеновского излучения из-за его широкой запрещенной зоны и высокого квантового числа, что обеспечивает работу при комнатной температуре с высокой эффективностью. [20] [21] Текущие приложения включают денситометрию костей и ОФЭКТ, но плоские панельные детекторы, подходящие для рентгенографической визуализации, еще не производятся. [22] Текущие исследования и разработки сосредоточены вокруг пиксельных детекторов с разрешением по энергии , таких как детектор Medipix ЦЕРНа и детектор HEXITEC Совета по научно-техническим объектам . [23] [24]

Обычные полупроводниковые диоды , такие как PIN-фотодиоды или 1N4007 , будут производить небольшое количество тока в фотогальваническом режиме , если их поместить в рентгеновский луч. [25] [26]

Косвенные детекторы

Непрямые детекторы состоят из сцинтиллятора для преобразования рентгеновских лучей в видимый свет, который считывается матрицей TFT. Это может обеспечить преимущества чувствительности по сравнению с текущими (аморфный селен) прямыми детекторами, хотя и с потенциальным компромиссом в разрешении. [19] Непрямые плоскопанельные детекторы (FPD) сегодня широко используются в медицинских, стоматологических, ветеринарных и промышленных приложениях.

Массив TFT состоит из листа стекла, покрытого тонким слоем кремния, который находится в аморфном или неупорядоченном состоянии. В микроскопическом масштабе кремний был отпечатан миллионами транзисторов, расположенных в высокоупорядоченном массиве, подобно сетке на листе миллиметровой бумаги. Каждый из этих тонкопленочных транзисторов (TFT) прикреплен к поглощающему свет фотодиоду, составляющему отдельный пиксель (элемент изображения). Фотоны, попадающие на фотодиод, преобразуются в два носителя электрического заряда , называемые парами электрон-дырка. Поскольку количество производимых носителей заряда будет меняться в зависимости от интенсивности входящих световых фотонов, создается электрический рисунок, который может быть быстро преобразован в напряжение, а затем в цифровой сигнал, который интерпретируется компьютером для создания цифрового изображения. Хотя кремний обладает выдающимися электронными свойствами, он не является особенно хорошим поглотителем рентгеновских фотонов. По этой причине рентгеновские лучи сначала попадают на сцинтилляторы, изготовленные из таких материалов, как оксисульфид гадолиния или иодид цезия . Сцинтиллятор поглощает рентгеновские лучи и преобразует их в фотоны видимого света, которые затем попадают на фотодиодную матрицу.

Измерение дозы

Детекторы газа

График зависимости ионного тока от приложенного напряжения для газообразного детектора излучения в виде проволочного цилиндра.

Рентгеновские лучи, проходящие через газ, ионизируют его , производя положительные ионы и свободные электроны . Входящий фотон создаст несколько таких ионных пар, пропорциональных его энергии. Если в газовой камере есть электрическое поле , ионы и электроны будут двигаться в разных направлениях и тем самым вызывать обнаруживаемый ток . Поведение газа будет зависеть от приложенного напряжения и геометрии камеры. Это приводит к появлению нескольких различных типов газовых детекторов, описанных ниже.

Ионизационные камеры используют относительно слабое электрическое поле около 100 В/см для извлечения всех ионов и электронов до их рекомбинации. [27] Это дает постоянный ток, пропорциональный мощности дозы , которой подвергается газ. [7] Ионизационные камеры широко используются в качестве ручных измерителей радиационной разведки для проверки уровней дозы радиации.

Пропорциональные счетчики используют геометрию с тонкой положительно заряженной анодной проволокой в ​​центре цилиндрической камеры. Большая часть объема газа будет действовать как ионизационная камера, но в области, наиболее близкой к проволоке, электрическое поле достаточно высоко, чтобы заставить электроны ионизировать молекулы газа. Это создаст эффект лавины, значительно увеличивающий выходной сигнал. Поскольку каждый электрон вызывает лавину примерно того же размера, собранный заряд пропорционален числу ионных пар, созданных поглощенным рентгеновским излучением. Это позволяет измерять энергию каждого входящего фотона.

Счетчики Гейгера-Мюллера используют еще более сильное электрическое поле, так что создаются УФ-фотоны . [28] Они запускают новые лавины, в конечном итоге приводя к полной ионизации газа вокруг анодной проволоки. Это делает сигнал очень сильным, но вызывает мертвое время после каждого события и делает невозможным измерение энергии рентгеновского излучения. [29]

Газовые детекторы обычно представляют собой однопиксельные детекторы, измеряющие только среднюю мощность дозы по объему газа или число взаимодействующих фотонов, как объяснялось выше, но их можно сделать пространственно разрешающими, если разместить множество перекрещенных проводов в проволочной камере .

Кремниевые PN солнечные элементы

В 1960-х годах было продемонстрировано, что кремниевые PN солнечные элементы подходят для обнаружения всех форм ионизирующего излучения, включая экстремальное УФ , мягкое рентгеновское излучение и жесткое рентгеновское излучение. Эта форма обнаружения работает посредством фотоионизации , процесса, при котором ионизирующее излучение ударяет по атому и высвобождает свободный электрон. [30] Этот тип широкополосного датчика ионизирующего излучения требует наличия солнечного элемента, амперметра и видимого светового фильтра поверх солнечного элемента, который позволяет ионизирующему излучению попадать на солнечный элемент, блокируя нежелательные длины волн.

Радиохромная пленка

Самопроявляющаяся радиохромная пленка может обеспечить измерения с очень высоким разрешением для целей дозиметрии и профилирования, особенно в физике радиотерапии. [31]

Ссылки

  1. ^ "Реакции на контрастные вещества: обзор, типы йодированных контрастных веществ, нежелательные реакции на ICM". Medscape . 2 июня 2016 г. Получено 17 декабря 2016 г.
  2. ^ "Радиографическая пленка". Центр ресурсов NDT . Получено 16 декабря 2016 г.
  3. ^ Jensen, T; Aljundi, T; Gray, JN; Wallingford, R (1996). "Модель отклика рентгеновской пленки". В Thompson, DO; Chimenti, DE (ред.). Обзор прогресса в количественной неразрушающей оценке (том 15A) . Boston, MA: Springer. стр. 441. doi :10.1007/978-1-4613-0383-1_56. ISBN 978-1-4613-0383-1.
  4. ^ Мартин, Джеймс Э. (2006). Физика радиационной защиты: Справочник (2-е изд.). Weinheim: John Wiley & Sons. стр. 707–709. ISBN 9783527406111.
  5. ^ Дэнс, DR; Кристофидес, S; Мейдмент, ADA; Маклин, ID; Нг, KH (2014). Диагностическая радиологическая физика: справочник для преподавателей и студентов. Вена: Международное агентство по атомной энергии. ISBN 978-92-0-131010-1.
  6. ^ "Проявление пленки". Центр ресурсов NDT . Архивировано из оригинала 7 февраля 2020 г. Получено 16 декабря 2016 г.
  7. ^ ab Seco, Joao; Clasie, Ben; Partridge, Mike (21 октября 2014 г.). «Обзор характеристик детекторов излучения для дозиметрии и визуализации». Physics in Medicine and Biology . 59 (20): R303–R347. Bibcode : 2014PMB....59R.303S. doi : 10.1088/0031-9155/59/20/R303. PMID  25229250. S2CID  4393848.
  8. ^ Масебину, Самсон О.; Музенда, Эдисон (2014). Обзор методов извлечения серебра из радиографических стоков и отходов рентгеновской пленки (PDF) . Труды Всемирного конгресса по инжинирингу и информатике . Том II. Сан-Франциско.
  9. ^ Кёрнер, Маркус; Вебер, Кристоф Х.; Вирт, Стефан; Пфайфер, Клаус-Юрген; Райзер, Максимилиан Ф.; Трейтл, Маркус (май 2007 г.). «Достижения в области цифровой рентгенографии: физические принципы и обзор системы». Радиографика . 27 (3): 675–686. дои : 10.1148/rg.273065075 . ПМИД  17495286.
  10. ^ Бенджамин С. (2010). «Рентгенография с фосфорной пластиной: неотъемлемый компонент беспленочной практики». Dent Today . 29 (11): 89. PMID  21133024.
  11. ^ Rowlands, JA (7 декабря 2002 г.). «Физика компьютерной радиографии». Physics in Medicine and Biology . 47 (23): R123–R166. Bibcode : 2002PMB....47R.123R. doi : 10.1088/0031-9155/47/23/201. PMID  12502037. S2CID  250801018.
  12. ^ Сонода, М.; Такано, М.; Мияхара, Дж.; Като, Х. (сентябрь 1983 г.). «Компьютерная радиография с использованием сканирующей лазерной стимулированной люминесценции». Радиология . 148 (3): 833–838. doi :10.1148/radiology.148.3.6878707. PMID  6878707.
  13. ^ Уотт, Кристина Н.; Ян, Куо; ДеКресченцо, Джованни; Роулендс, JA (15 ноября 2005 г.). «Физика компьютерной радиографии: измерения спектров высоты импульса фотостимулируемых фосфорных экранов с использованием быстрой люминесценции». Медицинская физика . 32 (12): 3589–3598. Bibcode : 2005MedPh..32.3589W. doi : 10.1118/1.2122587. PMID  16475757.
  14. ^ ab Chotas, Harrell G.; Dobbins, James T.; Ravin, Carl E. (март 1999 г.). «Принципы цифровой радиографии с детекторами большой площади, считываемыми электронным способом: обзор основ». Radiology . 210 (3): 595–599. doi :10.1148/radiology.210.3.r99mr15595. PMID  10207454. S2CID  32424961.
  15. ^ Лоу, Барри Глин; Сарин, Роберт Энтони (2013). Полупроводниковые рентгеновские детекторы . Хобокен: Тейлор и Фрэнсис. стр. 106. ISBN 9781466554016.
  16. ^ Grupen, Claus; Buvat, Irène (2012). Справочник по обнаружению частиц и визуализации . Берлин: Springer. С. 443. ISBN 9783642132711.
  17. ^ Коттер, Э.; Лангер, М. (19 марта 2002 г.). «Цифровая радиография с широкоугольными плоскопанельными детекторами». European Radiology . 12 (10): 2562–2570. doi :10.1007/s00330-002-1350-1. PMID  12271399. S2CID  16677678.
  18. ^ Ланса, Луис; Силва, Аугусто (2013). «Цифровые рентгенографические детекторы: технический обзор». Цифровые системы визуализации для простой рентгенографии . Нью-Йорк: Springer. doi : 10.1007/978-1-4614-5067-2_2. hdl : 10400.21/1932. ISBN 978-1-4614-5067-2.
  19. ^ ab Ristić, SG (18–19 октября 2013 г.). «Цифровые плоскопанельные рентгеновские детекторы» (PDF) . Труды Третьей конференции по медицинской физике и биомедицинской инженерии . Скопье: МАГАТЭ. С. 65–71.
  20. ^ Takahashi, T.; Watanabe, S. (2001). «Последний прогресс в детекторах CdTe и CdZnTe». IEEE Transactions on Nuclear Science . 48 (4): 950–959. arXiv : astro-ph/0107398 . Bibcode : 2001ITNS...48..950T. doi : 10.1109/23.958705. S2CID  5829568.
  21. ^ Дель Сордо, Стефано; Аббене, Леонардо; Кароли, Эцио; Манчини, Анна Мария; Заппеттини, Андреа; Убертини, Пьетро (12 мая 2009 г.). «Прогресс в разработке детекторов излучения на основе полупроводников CdTe и CdZnTe для астрофизических и медицинских применений». Датчики . 9 (5): 3491–3526. Bibcode : 2009Senso...9.3491D. doi : 10.3390 /s90503491 . PMC 3297127. PMID  22412323. 
  22. ^ Iniewski, K. (4 ноября 2014 г.). "Технология детектора CZT для медицинской визуализации". Journal of Instrumentation . 9 (11): C11001. Bibcode : 2014JInst...9C1001I. doi : 10.1088/1748-0221/9/11/C11001. S2CID  121382729.
  23. ^ Занг, А.; Антон, Г.; Баллабрига, Р.; Биселло, Ф.; Кэмпбелл, М.; Сели, Дж. К.; Фаулер, А.; Фидерле, М.; Йенш, М.; Кочанский, Н.; Ллопарт, X.; Мишель, Н.; Молленхауэр, У.; Риттер, И.; Теннерт, Ф.; Вёлфель, С.; Вонг, В.; Мишель, Т. (16 апреля 2015 г.). «Детектор Dosepix - пиксельный детектор с энергоразрешением и подсчетом фотонов для спектрометрических измерений». Журнал приборостроения . 10 (4): C04015. Бибкод : 2015JInst..10C4015Z. дои : 10.1088/1748-0221/10/04/C04015 .
  24. ^ Джонс, Лоуренс; Селлер, Пол; Уилсон, Мэтью; Харди, Алек (июнь 2009 г.). «HEXITEC ASIC — пиксельный чип считывания для детекторов CZT». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел A: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 604 (1–2): 34–37. Bibcode : 2009NIMPA.604...34J. doi : 10.1016/j.nima.2009.01.046.
  25. ^ Гонсалес, Дж. Дж. (октябрь 2016 г.). «Разработка детектора рентгеновского излучения с использованием фотодиодов». ИНИС (на испанском языке). 48 (7): 13.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  26. ^ "Диод 1n4007 как детектор рентгеновского излучения". YouTube . Получено 4 декабря 2019 г. .
  27. ^ Альберт С. Томпсон. Рентгеновский буклет, раздел 4-5: Детекторы рентгеновского излучения (PDF) .
  28. ^ Saha, Gopal B. (2012). «Газонаполненные детекторы». Физика и радиобиология ядерной медицины (4-е изд.). Нью-Йорк: Springer. С. 79–90. doi :10.1007/978-1-4614-4012-3_7. ISBN 978-1-4614-4012-3.
  29. ^ Ахмед, Сайед Наим (2007). Физика и техника обнаружения радиации (1-е изд.). Амстердам: Academic Press. стр. 182. ISBN 9780080569642.
  30. ^ Фотогальванический эффект, создаваемый в кремниевых солнечных элементах рентгеновскими и гамма-лучами, Карл Шарф, 25 января 1960 г., Журнал исследований Национального бюро стандартов
  31. ^ Уильямс, Мэтью; Меткалф, Питер (5 мая 2011 г.). «Радиохромная пленочная дозиметрия и ее применение в радиотерапии». Труды конференции AIP . 1345 (1): 75–99. Bibcode : 2011AIPC.1345...75W. doi : 10.1063/1.3576160. ISSN  0094-243X.