Rolul de semiconductori în format digital x-ray imagistica medicala

Uri Lachis, Guma ştiinţă, Rehovot, Israel

1. Introducere

Cererea a detectoarelor de grele semiconductoare atom la x-ray de imagini digitale este de discutat cu privire la funcţionarea lor ca detectoare de imagistica gamma si matrice. Secţiunea-2 prezintă o listă scurtă de x-ray imagistica cu siliciu amorf panouri plate. Secţiunea descrie-3 x-ray vs imagistica gamma, în ceea ce priveşte rolul detectorului în funcţionarea fiecărui sistem. Secţiunea-4 discută detector semiconductor şi a potenţialului său de a x-ray imagistica.

2. Digital X-ray imagistica cu siliciu amorf

Razele X sunt de departe cel mai important instrument de diagnostic imagistica medicală. Acesta a fost dominata de senzori de film de la invenţia sa de peste o sută de ani în urmă. Digital X-ray camere bazat pe siliciu amorf panouri au fost dezvoltate în ultimul deceniu, iar acum sunt pe punctul de a intra pe piaţa. Noua tehnologie foloseste senzori mari ale zonei electronice de razele x care de captare a imaginii şi transformarea acesteia în mod direct într-un semnal electronic [1 - 3].

Panouri de siliciu amorf plate sunt produse de o tehnologie matură, dezvoltată pentru monitoare de calculator. Siliciul este un senzor de excelenta a luminii vizibile. Cu toate acestea, este un atom de lumină greutate şi transparent la raze X aplicate diagnostic medical. Este un absorbant sărac şi nu este potrivit ca o consecinţă directă x-ray senzor.

Siliciu amorf de acoperire cu un strat strălucitor foarte absorbant se activeaza la x-ray de detectare. Figura-1a prezinta Principiul de functionare a acestui sistem. Fiecare foton de raze X, absorbită în stratul de sclipitoare, generează o sclipire de lumină vizibilă (a scintilaţie), care este detectat de senzorul de siliciu. Senzorul converteşte lumina în semnal electric şi transmite-l la un calculator.

Figura 1: X-ray imagistica senzor, a. scintilator, b. semiconductoare.

X-ray se raspandeste generat sclipire de lumină vizibilă în toate direcţiile şi reduce iniţială x-ray rezolutia spatiala. Rezoluţia îmbunătăţeşte prin reducerea grosimii stratului de scânteietoare. Cu toate acestea, strat mai subtire va absorbi fotonii mai puţine. Acest imagistica X-ray sistem de compromisuri eficienţa de absorbţie şi o rezoluţie. Există o problemă similară cu tehnologia de film clasic.

Detectoare semiconductoare a depăşi această limitare, în mare măsură prin transformarea directă a raze X în semnale electrice. Figura-1b prezinta un ansamblu senzor în cazul în care un strat de semiconductor atom grele, acoperite cu o persoană de contact de metal, inlocuieste stratul de scânteietoare. Un foton de raze X, absorbit în cadrul semiconductoare de tensiune părtinitoare, generează sarcină electrică, care curge spre persoana de contact şi siliciu amorf. Fluxul taxa este perpendiculară pe planul senzorului, şi fără răspândirea spaţială a semnalului. Stratul gros din materiale semiconductoare poate fi suficient pentru a absorbi toate razele X, fara pierderi semnificative de rezoluţie.

Semiconductoare bazate pe senzori de imagine sunt deja în stadiu avansat de dezvoltare şi a unor sisteme sunt pe piaţă. Ei folosesc seleniu amorf folosit cu succes în foto-copiator senzori. Cu toate acestea, seleniu nu este dens şi opac suficient pentru raze X, şi sarcina electrică în interiorul că nu este suficient de mobile. Prin urmare, alte materiale sunt luate în considerare şi testate în acest scop [4 - 6]. Se pare, totuşi, faptul că avansarea tehnologiei sunt necesare mai multe inainte de a deveni larg răspândită.

3. X-ray vs gamma imagistica

Figura 2a prezinta principiul de x-ray imagistica. Fotonii de raze X pătrunde în organism a examinat şi a genera o imagine de proiecţie de distribuţie densităţii sale privind un plan de detectare.

Figura 2: a. x-ray aparat de fotografiat, x-ray fotoni genera o imagine de proiecţie de distribuţie densitatea corpului. b. Camera gamma, un colimator genereaza imagini de proiecţie de distribuţie izotop radioactiv în organism.

În gama imagistica, figura 2b, radioizotopi sunt infuzate în organism în cazul în care ele emit fotoni gamma aleatoriu în toate direcţiile. Doar număr mic de fotoni care se mişcă perpendicular într-o colimator plane, aceasta cruce şi pentru a genera o imagine de proiecţie a distribuţiei radioizotopi. Organismul şi fotonii colimator scatter care se mişcă în alte direcţii. Unii dintre ei vor trece colimator la locul greşit şi a neclarităţii imaginii. Cu toate acestea, deoarece ele pierd energie prin imprastiere, detectoare sensibile de energie le pot filtra.

Avionul detector gamma constă dintr-un cristal sclipitoare, care transformă fotonul in lumina vizibila, si un fagure de miere de aproximativ 10 ² foto-multiplicator de detectoare care convertesc lumina în semnal electric. Un număr de detectoare observa împreună în fiecare foton şi a localiza poziţia sa de semnale lor relativă. Scintilator generează o cantitate de lumină vizibilă, care este proporţională cu energia fotonica gamma şi taxa electronice colectate pe fiecare foton este proporţională cu această lumină. Zonă mare de foto-au multiplicatorilor de curent de scurgere extrem de reduse care permite rezoluţie de energie şi de filtrarea radiaţiilor împrăştiate.

Filtrarea radiaţiilor împrăştiate este esenţială pentru imagistica gamma, deoarece fotonii sunt emişi aleatoriu în toate direcţiile. În X-ray imagistica fotonii au o direcţie bine definită şi de filtrare a radiaţiilor împrăştiate nu este esenţială, deşi, colimatoare poate reduce împrăştierea.

Aparatul de radio-izotopi şedere în corpul mai mult decât timpul de examinare, şi în timpul examinării doar o parte mica a radiatiei este utilizat pentru a captura imagini. Prin urmare, valoarea permisă de material radioactiv în organism, este factorul de limitare care determină rezoluţia imaginii. Aceasta nu este metoda de detectare fotoni. Rezoluţia tipice într-o imagine gamma este de 3 la 5 milimetri, in functie de distanta dintre obiect şi colimator. În X-ray imagistica radiaţii expune o parte a corpului numai în timpul examinării, şi imaginea utilizeaza cele mai multe dintre fotoni corp penetrant. Rezoluţia este în intervalul de sub-milimetru.

In imagistica gamma izotopi sunt ataşate la site-uri specifice de interes şi pe care le generează un contrast ridicat şi imagini la rezoluţie mică. Imagini Minima gama rezoluţie sunt utilizate atunci când nu există suficiente informaţii în mai puţin specifice, x-ray de date. Verificări de rutină şi screening al populaţiei nu se aplică imagistica gamma.

4. Detectoare semiconductoare

a. Gamma

Izotopi radioactivi utilizate pentru imagistica gamma emit mono-energetice radiaţii, care este, de obicei, mai mare decât tipice cu raze X de energie. Prin urmare, detectoare groase gama sunt utilizate în scopul de a absorbi radiaţii.

Un foton gamma, absorbit într-un detector de semiconductoare, genereaza sarcina electrica, care este proporţională cu energia fotonica şi energie este măsurabilă de colectare încărcare completă. Prin urmare, detector de performanţă depinde de eficienţa de colectare gratuit. Detectorul este cuplat la un circuit electronic care filtreaza scurgere sale actuale, cu excepţia pentru momentul în care taxa gama indus curge prin ea. Gamma temporală curentului indus este mult mai mare decât curentul de scurgere care determină rezoluţie de energie.

Atunci când Reţelele de detectoare semiconductoare sunt desemnate cu o cameră gamma, fiecare pixel va avea nevoie de canal propriu electronice. O imagine camera suprafaţă plană este de aproximativ 2 x 10 ³ cm ² şi cuprinde aproximativ 2 x 10 ⁴ pixeli cu canale lor paralele. Electronice, cum ar volum mare a devenit posibilă doar recent cu dezvoltarea de integrare low cost la scară largă. Intr-o camera gamma convenţional exista doar aproximativ 10 ² foto-multiplicator de detectoare care a localiza poziţia fiecărui foton gamma unică, prin semnale de detectoarele de "relativă.

Reţelele de detectoare semiconductoare sunt în prezent efectuate în cantităţi volum experimentale sau mic. Ei au probleme de uniformitate şi non randament de producţie reduse. O matrice unică conţine aproximativ 10 ² pixeli, prin urmare, un singur panou camera necesită Tigla din aproximativ 2 x 10 ² unitati matrice. Vectorii sunt fabricate din plachete cristal unice şi sunt cuplate la circuite integrate. În prezent există o cameră gamma semiconductoare bazate pe piaţă [7].

Gamma induse de sarcina electrică tinde să fie prins în cea mai mare parte detector în loc de curge la date de contact. Vânătoarea la capcană Încărcaţi degradeaza performanta detectorului şi-au făcut eforturi pentru a depăşi această problemă.

Recent, principiile clasice de detectare a luminii de fotografie şi conducta au fost extinse de detectare gamma. Array-urile care operează pe aceste principii sunt mai uniforme decât tablouri conventionale si mai putin sensibil la taxa capcane. Ele pot fi fabricate din cristale realizate prin metode standard nu se aplică la detectoare convenţionale. Semiconductor metode de inginerie au fost aplicate pentru a optimiza proiectarea detector, performanţa şi randamentul producţiei de matrice (de către autor 1 - 4).

b. X-raze

Semiconductors aplicat la x-ray imagistica funcţionează ca foto-conductori fără rezoluţie de energie. În acest mod toate circulante detectorului de scurgere, care determina sensibilitatea, adaugă la semnal. Semiconductoare este un strat de material amorf sau poli-cristaline, care acopera panoul de siliciu amorf. Sarcină electrică este mai puţin mobile în acest strat decât într-un singur cristal, şi tinde să fie prins în ea. Cu toate acestea, detectoare de mai bine unică de cristal şi de cuplare a lor electronice sunt mult mai scumpe şi din cauză pentru zona de mare x-ray imagistica.

X-ray de detecţie este un caz intermediar între detectarea luminii clasice prin foto-conducţie şi detectare gamma. Optimizarea de proiectare şi funcţionarea detectorului este diferit în fiecare sistem. Acumulare taxa Scurgerile limitele sensibilităţii în sistemul de x-ray, dar pe de altă parte, nu există nici o rezoluţie de energie şi de fotografie şi conducta de reglaj a parametrilor de dispozitiv este mult mai flexibil.

Sisteme de neordonate poli-cristalin sau amorf sunt mai vulnerabile decât cristale unic la cel mai mic taxa de mobilitate, de recombinare şi vânătoarea la capcană. Design materiale propriu, de principiile semiconductoare, pot îmbunătăţi proprietăţile electronice şi funcţionarea aparatului.

5. Concluzii

Camera gamma imagini de distribuţie a izotopilor radioactivi în organism. Mărimea pixelului efectivă este mai mare de 3 mm. Nivelul de radiaţii permis şi statisticile fotonul determina rezoluţia spaţială a imaginii.

Aplicarea detectoare semiconductoare asupra gamma imagistica permite proiectarea de sisteme portabile. Detectoarele poate imbunatati oarecum rezoluţia şi pentru a reduce neclaritatea de radiaţii împrăştiate. Cu toate acestea, ei au nevoie să fie cost competitiv cu detectoare de scintilator pentru a fi utilizate pe scară largă în camerele gamma.

Imaginile x-ray camera o proiecţie de distribuţie densitatea corpului şi mărimea pixelului este în intervalul milimetru sub.

Semiconductor x-ray detectoare de imagistica intensifice calitatea imaginii şi conţinutul său de informaţii, sau echivalent, se reduce doza de radiaţii necesară pentru fiecare imagine. Detectoare pot absorbi si utiliza cea mai mare parte a radiatiei, fără reducerea semnificativă a rezoluţiei.

Detectoare semiconductoare singur cristal, care sunt aplicabile imagistica gamma sunt mult prea scumpe pentru a mari zona de x-ray imagistica. Strat sau amorf poli-cristaline de semiconductori atom grele, acoperită pe un colector de siliciu amorf, se poate dovedi un mod eficient şi economic x-ray senzorul de imagine.

Fabricarea de aceste straturi şi funcţionarea lor se va imbunatati prin aplicarea foto-conducţie principii şi metode de inginerie materiale semiconductoare.

6. Referinte

1. J. Rowlands şi S. Kasap, "amorf Usher semiconductorilor în digital X-ray Imaging", Fizica Astăzi, 24 - 30 noiembrie (1997)
2. J. Adams, "Schimbarea jocului în X-Ray Imaging", http://www.the-clock.com/newissue/xraygame.html
3. JP Moy, "zonă mare de X-ray detectoare bazat pe tehnologia siliciu amorf", filme subtiri masiv, 337, 213 - 221 (1999)
4. KS Shah et al, "Caracterizarea de X-ray Imaging Proprietăţi de PBI. ₂ Filme ", http://www.rmdinc.com/papers/MRSPAP1.html
5. R. Sudharsanan et al, "Depunerea si caracterizarea de filme subtiri CdZnTe pentru detectoare de gaz microstrip", IEEE Trans.. Nucl. Sci,. 44 (3), 665 -670 (1997)
6. M. Schieber et al., "Evaluarea a detectoarelor de iodură de mercur cu semiconductori ceramică", Fizică Nucleară B, Suppl. 61B, 321 - 329, februarie (1998)
7. "Digirad 2020tc Imager", http://www.digirad.com/home.htm

De pe net: 21, aprilie, 1999

de către autor:

1. "Conducerea Rezoluţie spectrale la limita de zgomot în reţele de detectoare semiconductoare Gamma", IEEE Trans. Nucl. Sci, Vol. 48 alineatul (3), pp 520-523, iunie (2001)..
2. "Semiconductor Optimizarea cristal de detectare Gamma", J. cristal de creştere, Vol. 225 alineatul (2 - 4), pp. 114-117, mai (2001).
3. "Electron determinare durata de viaţă în Reţelele de detectoare cu semiconductori gamma", http://urila.tripod.com/hecht.htm, martie (2000).
4. "Conducerea Rezoluţia Spectral să limiteze zgomotul în Arrays CdZnTe detector Gamma", http://urila.tripod.com/pixel.htm, martie (2000).
5. "CdTe şi semiconductori CdZnTe detectoare gamma echipat cu contacte ohmice", Nucl. Instr. Metode şi A436, 146 la 149 (1999).
6. "Ohmică Gamma Detectoare A lua legatura cu radiatii", în RB James şi RC Eds Schirato. "Hard X-Ray, Gamma Ray, şi Neutron detector de Fizica", Proc SPIE. 3768, Denver Colorado, iulie (1999).
7. "Rolul de semiconductori în format digital x-ray imagistica medicala", http://urila.tripod.com/xray.htm, aprilie (1999).
8. "CdTe şi Detectoare Gamma CdZnTe - Model de un contact ohmică", http://urila.tripod.com/ohmic.htm, iulie (1998).
9. "CdTe şi CdZnTe creştere economică şi Crystal Fabricarea de radiatii Gamma Detectoare", http://urila.tripod.com/crystal.htm, martie (1998).
10. "CdTe Gamma Detectoare de radiatii semiconductoare echipat cu contacte ohmice", http://urila.tripod.com/cdte.htm, februarie (1998).
11. "Rolul de contacte în detectoare cu semiconductori radiaţii gamma", Nucl. Instr. Metode şi A403, 417 la 424 (1998)

Link-uri:

1. Termodinamica Laboratorul de Cercetare, http://www.uic.edu/ ~ mansoori / Thermodynamics.Educational.Sites_html
2. Thermodynamik - Warmelehre, http://www.schulphysik.de/thermodyn.html
3. Orbi şi elefantul
4. My Spin pe Lunacy, http://www.optics.arizona.edu/Palmer/moon/lunacy.htm
5. Cinci săptămâni în balon
6. Primul om l-am văzut
7. "Mai repede, mai repede!"
8. Perfecţiunea nu poate fi grăbit
9. Omul mai sus
10. Creier
11. Pasageri Primul-Class
12. alte