Детектор рентгеновского излучения - Википедия - X-ray detector

Приобретение проекционная рентгенография, с Рентгеновский генератор и детектор изображения.

Детекторы рентгеновского излучения используются устройства для измерения поток, пространственный распределение, спектр, и / или другие свойства Рентгеновские лучи.

Детекторы можно разделить на две основные категории: детекторы изображения (например, фотопластинки и рентгеновская пленка (фотопленка ), теперь в основном заменены различными оцифровка устройства как электронные матрицы или же плоские детекторы ) и устройства для измерения дозы (например, ионизационные камеры, Счетчики Гейгера, и дозиметры используется для измерения местных облучение, доза, и / или мощность дозы, например, для проверки того, что радиационная защита оборудование и процедуры действуют на постоянной основе).

Рентгеновское изображение

Рыбья кость проткнута в верхнем отделе пищевода. Правое изображение без контрастного вещества, левое изображение при проглатывании с контрастным веществом.

Чтобы получить изображение с помощью любого типа детектора изображения, часть пациента, подлежащего рентгеновскому облучению, помещают между источником рентгеновского излучения и приемником изображения, чтобы создать тень от 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, при проявлении темнеют, в результате чего кости кажутся светлее окружающих мягких тканей.

Контрастные составы, содержащие барий или же йод, которые рентгеноконтрастный, можно проглотить в желудочно-кишечном тракте (барий) или ввести в артерию или вены, чтобы выделить эти сосуды. Контрастные соединения содержат элементы с высокими атомными номерами, которые (например, кость) по существу блокируют рентгеновские лучи, и, следовательно, когда-то полый орган или сосуд становится более заметным. В поисках нетоксичных контрастных материалов были оценены многие типы элементов с высоким атомным номером. К сожалению, некоторые выбранные элементы оказались вредными - например, торий когда-то использовался в качестве контрастного вещества (Торотраст ), Который оказался токсичным и стал причиной очень высокой заболеваемости раком спустя десятилетия после использования. Современные контрастные вещества улучшились, и, хотя нет возможности определить, кто может иметь чувствительность к контрасту, частота серьезных аллергических реакций невысока.[1]

Рентгеновская пленка

Механизм

Смотрите также: Фотопленка

Типичная рентгеновская пленка содержит галогенид серебра кристаллические «зерна», обычно в основном бромид серебра.[2] Размер и состав зерен можно регулировать, чтобы влиять на свойства пленки, например, чтобы улучшить разрешающая способность в развернутом изображении.[3] Когда пленка подвергается облучению, галогенид ионизированный и бесплатно электроны попали в ловушку кристаллические дефекты (образуя скрытое изображение ). Ионы серебра притягиваются к этим дефектам и уменьшенный, создавая кластеры прозрачный серебро атомы.[4] В процессе разработки они преобразуются в непрозрачный серебро атомы, которые образуют видимое изображение, самые темные в местах обнаружения наибольшего излучения. Дальнейшие этапы разработки стабилизируют сенсибилизированные зерна и удаляют нечувствительные зерна, чтобы предотвратить дальнейшее воздействие (например, от видимый свет ).[5]:159[6]

Замена

Видео, в котором обсуждается исследование, которое показало, что цифровые рентгеновские лучи одинаково эффективны для идентификации профессиональные заболевания легких как пленочные рентгеновские снимки.

Первые рентгеновские снимки (рентгеновские снимки) были сделаны путем воздействия рентгеновских лучей на сенсибилизированные стеклянные фотопластинки. Рентгеновская пленка (фотопленка) вскоре заменила стеклянные пластины, и пленка десятилетиями использовалась для получения (и отображения) медицинских и промышленных изображений.[7] Постепенно цифровой компьютеры получили возможность хранить и отображать достаточно данных, чтобы сделать возможным создание цифровых изображений. С 1990-х годов компьютерная радиография и цифровая радиография заменяют фотопленку в медицине и стоматологии, хотя пленочная технология по-прежнему широко используется в процессах промышленной радиографии (например, для проверки сварных швов). Металл серебро (ранее необходимая для радиографической и фотографической промышленности) является невозобновляемый ресурс хотя серебро можно легко восстановить из отработанной рентгеновской пленки.[8] Там, где рентгеновские пленки требуют оборудования для влажной обработки, новые цифровые технологии этого не делают. Цифровое архивирование изображений также экономит физическое пространство для хранения.[9]

Поскольку фотопластинки чувствительны к рентгеновским лучам, они предоставляют средства записи изображения, но они также требуют значительного рентгеновского облучения (для пациента). Добавление флуоресцентного усиливающего экрана (или экранов) в тесном контакте с пленкой позволяет снизить дозу облучения пациента, поскольку экран (ы) повышают эффективность обнаружения рентгеновских лучей, увеличивая активацию пленки при том же количестве рентгеновских лучей, или такая же активация пленки меньшим количеством рентгеновских лучей.

Фотографиистимулируемые люминофоры

Основная статья: Фотографиитимулированное свечение

Рентгенография с люминесцентной пластиной[10] это метод регистрации рентгеновских лучей с использованием фотостимулированная люминесценция (PSL), впервые разработанная Fuji в 1980-е гг.[11] Фотостимулируемая люминофорная пластинка (PSP) используется вместо фотографической пластины. После рентгеновского облучения пластины возбужденные электроны в материале люминофора остаются «захваченными».центры окраски 'в кристаллической решетке до тех пор, пока лазерный луч не пройдет по поверхности пластины.[12] В свет выделяемые во время лазерной стимуляции собираются фотоумножитель, и полученный сигнал преобразуется в цифровое изображение с помощью компьютерных технологий. Пластину PSP можно использовать повторно, и существующее рентгеновское оборудование не требует модификации для его использования. Этот метод также известен как компьютерная рентгенография (КР).[13]

Усилители изображения

Основная статья: Усилитель рентгеновского изображения
рентгенограмма взято во время холецистэктомия

Рентгеновские лучи также используются в процедурах «в реальном времени», таких как ангиография или контрастные исследования полых органов (например, клизма бария тонкой или толстой кишки) с помощью рентгеноскопия. Ангиопластика Медицинское вмешательство в артериальную систему в значительной степени зависит от чувствительного к рентгеновскому излучению контраста для выявления потенциально поддающихся лечению поражений.

Полупроводниковые детекторы

Смотрите также: Цифровая рентгенография

Использование твердотельных детекторов полупроводники для обнаружения рентгеновских лучей. Прямые цифровые детекторы называются так потому, что они напрямую преобразуют рентгеновские фотоны в электрический заряд и, следовательно, в цифровое изображение. Непрямые системы могут иметь промежуточные этапы, например, первое преобразование рентгеновских фотонов в видимый свет, а затем 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 проявления, и поэтому в этом смысле обе системы являются «прямыми».[14] У обоих типов систем значительно выше квантовая эффективность чем CR.[14]

Прямые детекторы

С 1970-х годов кремний или же германий допированный литий (Si (Li) или Ge (Li)) полупроводниковые детекторы были разработаны.[15] Рентгеновские фотоны преобразуются в электронно-дырочные пары в полупроводнике и собираются для регистрации рентгеновских лучей. Когда температура достаточно низкая (детектор охлаждается Эффект Пельтье или даже круче жидкий азот ) можно напрямую определять энергетический спектр рентгеновского излучения; этот метод называется энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX или EDS); часто используется в небольших Рентгеновская флуоресценция спектрометры. Кремниевые дрейфовые детекторы (SDD), производимые обычным производство полупроводников, обеспечивают экономичное измерение излучения с высокой разрешающей способностью. В отличие от обычных детекторов рентгеновского излучения, 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 медицинская визуализация началось в начале 2000-х.[17] Аморфный селен используется в коммерческих плоскопанельных рентгеновских детекторах большой площади для маммография и вообще рентгенография благодаря высокому пространственному разрешению и свойствам поглощения рентгеновских лучей.[18] Однако низкий атомный номер селена означает, что для достижения достаточной чувствительности требуется толстый слой.[19]

Теллурид кадмия (CDTe ), и его сплав с цинк, теллурид кадмия и цинка, считается одним из самых перспективных полупроводниковых материалов для регистрации рентгеновских лучей из-за его широкой запрещенная зона и высокое квантовое число, что позволяет работать при комнатной температуре с высокой эффективностью.[20][21] Текущие приложения включают костная денситометрия и ОФЭКТ но детекторы с плоской панелью, подходящие для радиографической визуализации, еще не производятся.[22] Текущие исследования и разработки сосредоточены на разрешении энергопотребления. детекторы пикселей, Такие как ЦЕРН с Медипикс детектор и Совет по науке и технологиям с HEXITEC детектор.[23][24]

Общий полупроводник диоды, Такие как PIN-фотодиоды или 1N4007, будет производить небольшой ток в фотоэлектрический режим при помещении в пучок рентгеновских лучей.[25][26]

Непрямые детекторы

Непрямые детекторы состоят из сцинтиллятор для преобразования рентгеновских лучей в видимый свет, который считывается матрицей TFT. Это может обеспечить преимущества в чувствительности по сравнению с детекторами прямого действия (аморфный селен), хотя и с потенциальным компромиссом в разрешающей способности.[19] Косвенный плоские детекторы (FPD) сегодня широко используются в медицине, стоматологии, ветеринарии и промышленности.

Матрица TFT состоит из листа стекла, покрытого тонким слоем кремния, находящегося в аморфном или неупорядоченном состоянии. В микроскопическом масштабе кремний запечатлен миллионами транзисторов, выстроенных в упорядоченный массив, как сетка на миллиметровой бумаге. Каждый из них тонкопленочные транзисторы (TFT) прикреплен к светопоглощающему фотодиоду, составляющему индивидуальную пиксель (элемент изображения). Фотоны поражающие фотодиод преобразуются в два носители электрического заряда, называемые электронно-дырочными парами. Поскольку количество производимых носителей заряда будет варьироваться 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 особенно хорошо поглощает рентгеновские фотоны. По этой причине рентгеновские лучи сначала попадают на сцинтилляторы из таких материалов как оксисульфид гадолиния или же йодид цезия. Сцинтиллятор поглощает рентгеновские лучи и преобразует их в фотоны видимого света, которые затем проходят на матрицу фотодиодов.

Измерение дозы

Детекторы газа

Основная статья: Детекторы газовой ионизации
График зависимости ионного тока от приложенного напряжения для детектора газового излучения с проволочным цилиндром.

Рентгеновские лучи проходят через газ буду ионизировать это, производя положительный ионы и бесплатно электроны. Входящий фотон создаст несколько таких ионных пар. пропорциональный своей энергии. Если есть электрическое поле в газовой камере ионы и электроны будут двигаться в разных направлениях и, таким образом, вызвать обнаруживаемый Текущий. Поведение газа будет зависеть от применяемого Напряжение и геометрия камеры. Это дает начало нескольким различным типам детекторов газа, описанным ниже.

Ионизационные камеры используйте относительно слабое электрическое поле около 100 В / см для извлечения всех ионов и электронов перед их рекомбинацией.[27] Это дает устойчивый ток, пропорциональный доза скорость, которой подвергается газ.[7] Ионные камеры широко используются в качестве переносных радиационных метр обследования для проверки уровней доз радиации.

Пропорциональные счетчики используйте геометрию с тонким положительно заряженным анод проволока в центре цилиндрической камеры. Большая часть объема газа будет действовать как ионизационная камера, но в области, ближайшей к проводу, электрическое поле достаточно велико, чтобы заставить электроны ионизировать молекулы газа. Это создаст лавинный эффект значительно увеличивая выходной сигнал. Поскольку каждый электрон вызывает лавину примерно одинакового размера, накопленный заряд пропорционален количеству пар ионов, созданных поглощенным рентгеновским излучением. Это позволяет измерить энергию каждого падающего фотона.

Счетчики Гейгера – Мюллера используйте еще более сильное электрическое поле, чтобы УФ-фотоны созданы.[28] Они вызывают новые лавины, что в конечном итоге приводит 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]

Детекторы газа обычно представляют собой однопиксельные детекторы, измеряющие только среднюю мощность дозы по объему газа или количество взаимодействующих фотонов, как объяснено выше, но их можно сделать пространственно разрешающими, если у вас будет много перекрещенных проводов в проволочная камера.

Кремниевые фотоэлементы PN

В 1960-х годах было продемонстрировано, что кремниевый PN солнечные батареи подходят для обнаружения всех форм ионизирующего излучения, включая экстремальный УФ, мягкие рентгеновские лучи и жесткие рентгеновские лучи. Эта форма обнаружения работает через фотоионизация, процесс, при котором ионизирующее излучение поражает атом и высвобождает свободный электрон.[30] Этот тип широкополосный датчик ионизирующего излучения требуется солнечная батарея, амперметр и фильтр видимого света в верхней части солнечного элемента, который позволяет ионизирующему излучению попадать на солнечный элемент, блокируя нежелательные длины волн.

Радиохромная пленка

Основная статья: Радиохромная пленка

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

Рекомендации

  1. ^ «Реакции на контрастные среды: обзор, типы йодированных контрастных сред, побочные реакции на ICM». Medscape. 2 июня 2016 г.. Получено 17 декабря 2016.
  2. ^ «Радиографическая пленка». Ресурсный центр NDT. Получено 16 декабря 2016.
  3. ^ Дженсен, Т; Aljundi, T; Грей, Дж. Н; Валлингфорд, Р. (1996). «Модель отклика рентгеновской пленки». В Томпсоне, Д. О.; Chimenti, D.E. (ред.). Обзор прогресса в количественной неразрушающей оценке (Том 15A). Бостон, Массачусетс: Спрингер. п. 441. Дои:10.1007/978-1-4613-0383-1_56. ISBN  978-1-4613-0383-1.
  4. ^ Мартин, Джеймс Э. (2006). Физика для радиационной защиты: Справочник (2-е изд.). Weinheim: John Wiley & Sons. С. 707–709. ISBN  9783527406111.
  5. ^ Танец, D R; Христофидес, S; Maidment, A D A; Маклин, И. Д.; Нг, К. Х. (2014). Диагностическая радиология физика: пособие для учителей и студентов. Вена: Международное агентство по атомной энергии. ISBN  978-92-0-131010-1.
  6. ^ «Проявление фильма». Ресурсный центр NDT. Получено 16 декабря 2016.
  7. ^ а б Секо, Жоао; Класи, Бен; Партридж, Майк (21 октября 2014 г.). «Обзор характеристик радиационных детекторов для дозиметрии и визуализации». Физика в медицине и биологии. 59 (20): R303 – R347. Bibcode:2014ПМБ .... 59Р.303С. Дои:10.1088 / 0031-9155 / 59/20 / R303. PMID  25229250.
  8. ^ Масебину, Самсон О .; Музенда, Эдисон (2014). Обзор методов извлечения серебра из радиографических стоков и отходов рентгеновской пленки (PDF). Труды Всемирного конгресса по инженерным наукам и информатике. II. Сан-Франциско.
  9. ^ Кёрнер, Маркус; Weber, Christof H .; Вирт, Стефан; Пфайфер, Клаус-Юрген; Райзер, Максимилиан Ф .; Трейтл, Маркус (май 2007 г.). «Достижения в цифровой радиографии: физические принципы и обзор системы». РадиоГрафика. 27 (3): 675–686. Дои:10.1148 / rg.273065075. PMID  17495286.
  10. ^ Бенджамин С (2010). «Рентгенография с люминесцентной пластиной: неотъемлемый компонент беспленочной практики» Вмятина сегодня. 29 (11): 89. PMID  21133024.
  11. ^ Роулендс, Дж. А (7 декабря 2002 г.). «Физика компьютерной радиографии». Физика в медицине и биологии. 47 (23): R123 – R166. Bibcode:2002ПМБ .... 47р.123р. Дои:10.1088/0031-9155/47/23/201. PMID  12502037.
  12. ^ Сонода, М; Такано, М; Miyahara, J; Като, Х (сентябрь 1983 г.). «Компьютерная рентгенография с использованием сканирующей лазерной стимулированной люминесценции». Радиология. 148 (3): 833–838. Дои:10.1148 / радиология.148.3.6878707. PMID  6878707.
  13. ^ Watt, Kristina N .; Ян, Куо; ДеКрещенцо, Джованни; Роулендс, Дж. А. (15 ноября 2005 г.). «Физика компьютерной радиографии: Измерения амплитудных спектров импульсов фотостимулируемых люминофорных экранов с использованием мгновенной люминесценции». Медицинская физика. 32 (12): 3589–3598. Bibcode:2005MedPh..32.3589W. Дои:10.1118/1.2122587. PMID  16475757.
  14. ^ а б Chotas, Harrell G .; Доббинс, Джеймс Т .; Рэвин, Карл Э. (март 1999 г.). «Принципы цифровой рентгенографии с электронно-читаемыми детекторами большой площади: обзор основ». Радиология. 210 (3): 595–599. Дои:10.1148 / радиология.210.3.r99mr15595. PMID  10207454.
  15. ^ Лоу, Барри Глин; Сарин, Роберт Энтони (2013). Полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения. Хобокен: Тейлор и Фрэнсис. п. 106. ISBN  9781466554016.
  16. ^ Grupen, Клаус; Буват, Ирен (2012). Справочник по обнаружению частиц и визуализации. Берлин: Springer. п. 443. ISBN  9783642132711.
  17. ^ Kotter, E .; Лангер, М. (19 марта 2002 г.). «Цифровая рентгенография с плоскопанельными детекторами большой площади». Европейская радиология. 12 (10): 2562–2570. Дои:10.1007 / s00330-002-1350-1. PMID  12271399.
  18. ^ Ланса, Луис; Сильва, Августо (2013). «Цифровые радиографические детекторы: технический обзор». Системы цифровой визуализации для простой рентгенографии. Нью-Йорк: Спрингер. Дои:10.1007/978-1-4614-5067-2_2. HDL:10400.21/1932. ISBN  978-1-4614-5067-2.
  19. ^ а б Ристич, С.Г. (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 .; Ватанабэ, С. (2001). «Последние достижения в области детекторов CdTe и CdZnTe». IEEE Transactions по ядерной науке. 48 (4): 950–959. arXiv:Astro-ph / 0107398. Bibcode:2001ITNS ... 48..950T. Дои:10.1109/23.958705.
  21. ^ Дель Сордо, Стефано; Аббене, Леонардо; Кароли, Эцио; Манчини, Анна Мария; Заппеттини, Андреа; Убертини, Пьетро (12 мая 2009 г.). «Прогресс в разработке полупроводниковых детекторов излучения CdTe и CdZnTe для астрофизических и медицинских приложений». Датчики. 9 (5): 3491–3526. Дои:10,3390 / с90503491. ЧВК  3297127. PMID  22412323.
  22. ^ Иневски, К. (4 ноября 2014 г.). «Детекторная технология CZT для медицинской визуализации». Журнал приборостроения. 9 (11): C11001. Bibcode:2014JInst ... 9C1001I. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 9/11 / C11001.
  23. ^ Zang, A .; Антон, Г .; Ballabriga, R .; Bisello, F .; Кэмпбелл, М .; Celi, J.C .; Fauler, A .; Fiederle, M .; Jensch, M .; Кочанский, Н .; Llopart, X .; Michel, N .; Mollenhauer, U .; Риттер, I .; Tennert, F .; Wölfel, S .; Wong, W .; Мишель, Т. (16 апреля 2015 г.). «Детектор Dosepix - пиксельный детектор с энергетическим разрешением и подсчетом фотонов для спектрометрических измерений». Журнал приборостроения. 10 (4): C04015. Bibcode:2015JInst..10C4015Z. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 10/04 / C04015.
  24. ^ Джонс, Лоуренс; Продавец, Пол; Уилсон, Мэтью; Харди, Алек (июнь 2009 г.). «HEXITEC ASIC - чип пиксельного считывания для детекторов CZT». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 604 (1–2): 34–37. Bibcode:2009NIMPA.604 ... 34J. Дои:10.1016 / j.nima.2009.01.046.
  25. ^ Гонсалес, Дж. Дж. (Октябрь 2016 г.). "Desarrollo de un Detector de rayos X usando fotodiodos" [Разработка детектора рентгеновского излучения с использованием фотодиодов]. ИНИС (на испанском). 48 (7): 13.
  26. ^ «Диод 1n4007 как детектор рентгеновского излучения». Получено 4 декабря 2019.
  27. ^ Альберт С. Томпсон. Буклет по рентгеновским данным, Раздел 4-5: Детекторы рентгеновского излучения (PDF).
  28. ^ Саха, Гопал Б. (2012). «Газонаполненные детекторы». Физика и радиобиология ядерной медицины (4-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. С. 79–90. Дои: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. п. 182. ISBN  9780080569642.
  30. ^ Фотоэлектрический эффект, производимый в кремниевых солнечных элементах с помощью рентгеновского и гамма-излучения, Карл Шарф, 25 января 1960 г., Журнал исследований Национального бюро стандартов.
  31. ^ Уильямс, Мэтью; Меткалф, Питер (5 мая 2011 г.). «Дозиметрия радиохромных пленок и ее применение в лучевой терапии». Материалы конференции AIP. 1345 (1): 75–99. Дои:10.1063/1.3576160. ISSN  0094-243X.