Рентгеновский детектор
Детекторы рентгеновского излучения — это устройства, используемые для измерения потока , пространственного распределения, спектра и/или других свойств рентгеновских лучей .
Детекторы можно разделить на две основные категории: детекторы формирования изображения (такие как фотопластинки и рентгеновская пленка ( фотопленка ), которые в настоящее время в основном заменены различными оцифровки устройствами , такими как пластинки изображений или плоские детекторы ) и устройства измерения дозы (такие как ионизационные камеры ). , счетчики Гейгера и дозиметры, используемые для измерения местного радиационного воздействия , дозы и/или мощности дозы, например, для проверки эффективности оборудования и процедур радиационной защиты на постоянной основе).
Рентгеновская визуализация
[ редактировать ]
Чтобы получить изображение с помощью детектора изображения любого типа, часть пациента, подлежащая рентгеновскому облучению, помещается между источником рентгеновского излучения и рецептором изображения, чтобы создать тень внутренней структуры этой конкретной части тела. Рентгеновские лучи частично блокируются («ослабляются») плотными тканями, такими как кости, и легче проходят через мягкие ткани. Области, куда попадают рентгеновские лучи, при проявке темнеют, в результате чего кости кажутся светлее окружающих мягких тканей.
Контрастные соединения, содержащие барий или йод , которые являются рентгеноконтрастными , можно принимать внутрь желудочно-кишечного тракта (барий) или вводить в артерии или вены, чтобы выделить эти сосуды. Контрастные соединения содержат элементы с высокими атомными номерами, которые (например, кости) по существу блокируют рентгеновские лучи, и, следовательно, некогда полый орган или сосуд можно легче увидеть. В поисках нетоксичных контрастных веществ были оценены многие типы элементов с высокими атомными номерами. Некоторые выбранные элементы оказались вредными – например, торий когда-то использовался в качестве контрастного вещества ( Торотраст ) – который оказался токсичным, вызывая очень высокий уровень заболеваемости раком спустя десятилетия после использования. Современные контрастные материалы усовершенствовались, и, хотя нет возможности определить, у кого может быть чувствительность к контрасту, частота серьезных аллергических реакций невелика. [1]
Рентгеновская пленка
[ редактировать ]Механизм
[ редактировать ]Типичная рентгеновская пленка содержит галогенида серебра «зерна» кристаллов , обычно в первую очередь бромида серебра . [2] Размер зерна и состав можно регулировать, чтобы повлиять на свойства пленки, например, для улучшения разрешения проявленного изображения. [3] Когда пленка подвергается воздействию радиации, галогенид ионизируется , а свободные электроны захватываются дефектами кристалла (формируя скрытое изображение ). Ионы серебра притягиваются к этим дефектам и восстанавливаются , создавая кластеры прозрачных серебра атомов . [4] В процессе проявления они преобразуются в непрозрачные атомы серебра , которые формируют видимое изображение, наиболее темное там, где было обнаружено наибольшее количество излучения. Дальнейшие этапы разработки стабилизируют сенсибилизированные зерна и удаляют несенсибилизированные зерна, чтобы предотвратить дальнейшее воздействие (например, видимого света ). [5] : 159 [6]
Замена
[ редактировать ]Первые рентгенограммы (рентгеновские снимки) были получены путем воздействия рентгеновских лучей на сенсибилизированные стеклянные фотопластинки. Рентгеновская пленка (фотопленка) вскоре заменила стеклянные пластины, и на протяжении десятилетий пленка использовалась для получения (и отображения) медицинских и промышленных изображений. [7] Постепенно цифровые компьютеры получили возможность хранить и отображать достаточно данных, чтобы сделать возможным создание цифровых изображений. С 1990-х годов компьютеризированная рентгенография и цифровая рентгенография заменили фотопленку в медицинских и стоматологических целях, хотя пленочная технология по-прежнему широко используется в процессах промышленной рентгенографии (например, для проверки сварных швов). Металлическое серебро (ранее необходимое для радиографической и фотографической промышленности) является невозобновляемым ресурсом, хотя серебро можно легко получить из отработанной рентгеновской пленки. [8] Там, где рентгеновские пленки требовали оборудования для влажной обработки, новые цифровые технологии этого не делают. Цифровое архивирование изображений также экономит физическое пространство для хранения. [9]
Фотостимулируемые люминофоры
[ редактировать ]
Рентгенография фосфорных пластин [10] — это метод регистрации рентгеновских лучей с использованием фотостимулированной люминесценции (PSL), впервые разработанный компанией Fuji в 1980-х годах. [11] Вместо фотографической пластинки используется фотостимулируемая люминофорная пластина (PSP). После рентгеновского облучения пластины возбужденные электроны люминофорного материала остаются «захваченными» в « центрах окраски » кристаллической решетки до тех пор, пока не будут стимулированы лазерным лучом, проходящим через поверхность пластины. [12] Свет , излучаемый во время лазерной стимуляции, собирается фотоумножителем , 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 ее использования. Этот метод также может быть известен как компьютерная рентгенография (CR). [13]
Усилители изображения
[ редактировать ]
Рентгеновские лучи также используются в процедурах «в реальном времени», таких как ангиография или контрастные исследования полых органов (например, бариевая клизма тонкой или толстой кишки) с использованием рентгеноскопии . Ангиопластика , медицинские вмешательства на артериальной системе, в значительной степени полагаются на рентгеночувствительный контраст для выявления потенциально излечимых поражений.
Полупроводниковые детекторы
[ редактировать ]Твердотельные детекторы используют полупроводники для обнаружения рентгеновских лучей. Прямые цифровые детекторы названы так потому, что они напрямую преобразуют рентгеновские фотоны в электрический заряд и, следовательно, 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 проявки, поэтому в этом смысле обе системы являются «прямыми». [14] Оба типа систем имеют значительно более высокую квантовую эффективность, чем CR. [14]
Прямые детекторы
[ редактировать ]С 1970-х годов из кремния или германия , легированные литием (Si(Li) или Ge(Li)) . полупроводниковые детекторы были разработаны [15] Рентгеновские фотоны преобразуются в электронно-дырочные пары в полупроводнике и собираются для обнаружения рентгеновских лучей. Когда температура достаточно низкая (детектор охлаждается за счет эффекта Пельтье или даже более холодного жидкого азота ), можно напрямую определить энергетический спектр рентгеновского излучения; этот метод называется энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDX или EDS); его часто используют в небольших рентгеновских флуоресцентных спектрометрах . Кремниевые дрейфовые детекторы (SDD), изготовленные традиционными полупроводниковыми методами , обеспечивают экономичное измерение мощности излучения с высоким разрешением. 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 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 рентгеновских лучей. [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 наиболее многообещающих полупроводниковых материалов для обнаружения рентгеновских лучей благодаря широкой запрещенной зоне и высокому квантовому числу, что позволяет работать при комнатной температуре с высокой эффективностью. . [20] [21] Текущие приложения включают денситометрию костей и ОФЭКТ , но плоские детекторы, подходящие для рентгенографической визуализации, еще не производятся. [22] Текущие исследования и разработки сосредоточены на пиксельных детекторах с разрешением по энергии , таких как ЦЕРН детектор Medipix и по научно-техническим средствам Совета детектор HEXITEC . [23] [24]
Обычные полупроводниковые диоды , такие как фотодиоды PIN или 1N4007 , будут производить небольшой ток в фотоэлектрическом режиме , когда их помещают в рентгеновский луч. [25] [26]
Косвенные детекторы
[ редактировать ]Косвенные детекторы состоят из сцинтиллятора для преобразования рентгеновских лучей в видимый свет, который считывается матрицей TFT. Это может обеспечить преимущества в чувствительности по сравнению с современными детекторами прямого действия (аморфный селен), хотя и с потенциальным компромиссом в разрешении. [19] Непрямые 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 содержит миллионы транзисторов, расположенных в высокоупорядоченном массиве, подобно сетке на листе миллиметровой бумаги. Каждый из этих тонкопленочных транзисторов (TFT) прикреплен к светопоглощающему фотодиоду, образующему отдельный пиксель (элемент изображения). Фотоны , попадающие на фотодиод, преобразуются в два носителя электрического заряда , называемые электрон-дырочными парами. Поскольку количество образующихся носителей заряда будет меняться в зависимости от интенсивности падающих фотонов света, создается электрический рисунок, который можно быстро преобразовать 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 в первую очередь падают на сцинтилляторы, изготовленные из таких материалов, как оксисульфид гадолиния или йодид цезия . Сцинтиллятор поглощает рентгеновские лучи и преобразует их в фотоны видимого света, которые затем попадают на матрицу фотодиодов.
Измерение дозы
[ редактировать ]Детекторы газа
[ редактировать ]
Рентгеновские лучи, проходя через газ его , ионизируют , образуя положительные ионы и свободные электроны . Попавший фотон создаст количество таких ионных пар, пропорциональное его энергии. Если в газовой камере существует 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 детекторов газа, 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] Ионные камеры широко используются в качестве ручных измерителей радиационного контроля для проверки уровней доз радиации.
В пропорциональных счетчиках используется геометрия с тонкой положительно заряженной анодной проволокой 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 увеличивающий выходной сигнал. Поскольку каждый электрон вызывает лавину примерно одинакового размера, собранный заряд пропорционален числу пар ионов, созданных поглощенным рентгеновским излучением. Это дает возможность измерить энергию каждого прилетающего фотона.
Счетчики Гейгера-Мюллера используют еще более сильное электрическое поле, в результате чего УФ-фотоны . создаются [28] Они запускают 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 рентгеновских лучей. [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, имея множество перекрещенных проводов в проволочной камере .
Кремниевые солнечные элементы PN
[ редактировать ]В 1960-х годах было продемонстрировано, что кремниевые солнечные элементы PN подходят для обнаружения всех форм ионизирующего излучения, включая экстремальное ультрафиолетовое излучение , мягкое рентгеновское излучение и жесткое рентгеновское излучение. Эта форма обнаружения работает посредством фотоионизации — процесса, при котором ионизирующее излучение поражает атом и высвобождает свободный электрон. [30] Для этого типа широкополосного датчика ионизирующего излучения требуется солнечный элемент, амперметр и фильтр видимого света в верхней части солнечного элемента, который позволяет ионизирующему излучению попадать на солнечный элемент, блокируя при этом нежелательные длины волн.
Радиохромная пленка
[ редактировать ]Самопроявляющаяся радиохромная пленка может обеспечить измерения с очень высоким разрешением для целей дозиметрии и профилирования, особенно в физике лучевой терапии. [31]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Реакции на контрастные вещества: обзор, типы йодсодержащих контрастных веществ, побочные реакции на ICM» . Медскейп . 2 июня 2016 г. Проверено 17 декабря 2016 г.
- ^ «Радиографический фильм» . Ресурсный центр НК . Проверено 16 декабря 2016 г. .
- ^ Дженсен, Т; Альджунди, Т; Грей, Дж. Н.; Уоллингфорд, Р. (1996). «Модель реакции рентгеновской пленки». В Томпсоне, DO; Чименти, Делавэр (ред.). Обзор прогресса в области количественного неразрушающего контроля (Том 15А) . Бостон, Массачусетс: Спрингер. п. 441. дои : 10.1007/978-1-4613-0383-1_56 . ISBN 978-1-4613-0383-1 .
- ^ Мартин, Джеймс Э. (2006). Физика для радиационной защиты: Справочник (2-е изд.). Вайнхайм: Джон Уайли и сыновья. стр. 707–709. ISBN 9783527406111 .
- ^ Дэнс, ДР; Христофидес, С; Мейдмент, ADA; Маклин, ID; Нг, К.Х. (2014). Физика диагностической радиологии: пособие для преподавателей и студентов . Вена: Международное агентство по атомной энергии. ISBN 978-92-0-131010-1 .
- ^ «Развивающий фильм» . Ресурсный центр НК . Архивировано из оригинала 7 февраля 2020 года . Проверено 16 декабря 2016 г. .
- ^ Перейти обратно: а б Секо, Жоао; Класи, Бен; Партридж, Майк (21 октября 2014 г.). «Обзор характеристик детекторов радиации для дозиметрии и визуализации». Физика в медицине и биологии . 59 (20): Р303–Р347. Бибкод : 2014PMB....59R.303S . дои : 10.1088/0031-9155/59/20/R303 . ПМИД 25229250 . S2CID 4393848 .
- ^ Масебину, Самсон О.; Музенда, Эдисон (2014). Обзор методов извлечения серебра из радиографических стоков и отходов рентгеновских пленок (PDF) . Материалы Всемирного конгресса по инженерным и компьютерным наукам . Том. II. Сан-Франциско.
- ^ Кернер, Маркус; Вебер, Кристоф Х.; Вирт, Стефан; Пфайфер, Клаус-Юрген; Райзер, Максимилиан Ф.; Трейтл, Маркус (май 2007 г.). «Достижения в области цифровой радиографии: физические принципы и обзор системы» . Радиографика . 27 (3): 675–686. дои : 10.1148/rg.273065075 . ПМИД 17495286 .
- ^ Бенджамин С. (2010). «Рентгенография фосфорных пластин: неотъемлемый компонент безпленочной практики». Дент сегодня . 29 (11): 89. ПМИД 21133024 .
- ^ Роулендс, Дж. А. (7 декабря 2002 г.). «Физика компьютерной радиографии». Физика в медицине и биологии . 47 (23): Р123–Р166. Бибкод : 2002PMB....47R.123R . дои : 10.1088/0031-9155/47/23/201 . ПМИД 12502037 . S2CID 250801018 .
- ^ Сонода, М; Такано, М; Мияхара, Дж; Като, Х. (сентябрь 1983 г.). «Компьютерная рентгенография с использованием сканирующей лазерно-стимулированной люминесценции». Радиология . 148 (3): 833–838. дои : 10.1148/radiology.148.3.6878707 . ПМИД 6878707 .
- ^ Ватт, Кристина Н.; Ян, Куо; ДеКрещенцо, Джованни; Роулендс, Дж. А. (15 ноября 2005 г.). «Физика компьютерной радиографии: измерения амплитудных спектров фотостимулируемых люминофорных экранов с использованием мгновенной люминесценции». Медицинская физика . 32 (12): 3589–3598. Бибкод : 2005MedPh..32.3589W . дои : 10.1118/1.2122587 . ПМИД 16475757 .
- ^ Перейти обратно: а б Чотас, Харрелл Г.; Доббинс, Джеймс Т.; Рэвин, Карл Э. (март 1999 г.). «Принципы цифровой радиографии с помощью детекторов с электронным считыванием большой площади: обзор основ». Радиология . 210 (3): 595–599. дои : 10.1148/radiology.210.3.r99mr15595 . ПМИД 10207454 . S2CID 32424961 .
- ^ Лоу, Барри Глин; Сарин, Роберт Энтони (2013). Полупроводниковые детекторы рентгеновского излучения . Хобокен: Тейлор и Фрэнсис. п. 106. ИСБН 9781466554016 .
- ^ Групен, Клаус; Бюват, Ирен (2012). Справочник по обнаружению частиц и визуализации . Берлин: Шпрингер. п. 443. ИСБН 9783642132711 .
- ^ Коттер, Э.; 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 . ПМИД 12271399 . S2CID 16677678 .
- ^ Ланса, Луис; Сильва, Аугусто (2013). «Детекторы цифровой радиографии: технический обзор». Системы цифровой визуализации для обзорной рентгенографии . Нью-Йорк: Спрингер. дои : 10.1007/978-1-4614-5067-2_2 . HDL : 10400.21/1932 . ISBN 978-1-4614-5067-2 .
- ^ Перейти обратно: а б Ристич, С.Г. (18–19 октября 2013 г.). «Цифровые плоские детекторы рентгеновского излучения» (PDF) . Материалы Третьей конференции по медицинской физике и биомедицинской инженерии . Скопье: МАГАТЭ. стр. 65–71.
- ^ Такахаши, Т.; Ватанабэ, С. (2001). «Последние достижения в области детекторов CdTe и CdZnTe». Транзакции IEEE по ядерной науке . 48 (4): 950–959. arXiv : astro-ph/0107398 . Бибкод : 2001ИТНС...48..950Т . дои : 10.1109/23.958705 . S2CID 5829568 .
- ^ Дель Сордо, Стефано; Аббене, Леонардо; Кэроли, 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 применений» . Датчики . 9 (5): 3491–3526. Бибкод : 2009Senso...9.3491D . дои : 10.3390/s90503491 . ПМК 3297127 . ПМИД 22412323 .
- ^ Иневски, К. (4 ноября 2014 г.). «Технология детектора CZT для медицинской визуализации». Журнал приборостроения . 9 (11): C11001. Бибкод : 2014JInst...9C1001I . дои : 10.1088/1748-0221/9/11/C11001 . S2CID 121382729 .
- ^ Занг, А.; Антон, Г.; Баллабрига, Р.; Биселло, Ф.; Кэмпбелл, М.; Сели, Джей Си; 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 .
- ^ Джонс, Лоуренс; Продавец, Пол; Уилсон, Мэтью; Харди, Алек (июнь 2009 г.). «HEXITEC ASIC — пиксельный чип считывания для CZT-детекторов». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 604 (1–2): 34–37. Бибкод : 2009NIMPA.604...34J . дои : 10.1016/j.nima.2009.01.046 .
- ^ 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 ) - ^ «Диод 1н4007 как детектор рентгеновского излучения» . Ютуб . Проверено 4 декабря 2019 г.
- ^ Альберт К. Томпсон. Буклет с рентгеновскими данными, раздел 4-5: Детекторы рентгеновского излучения (PDF) .
- ^ Саха, Гопал Б. (2012). «Газонаполненные детекторы». Физика и радиобиология ядерной медицины (4-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. стр. 79–90. дои : 10.1007/978-1-4614-4012-3_7 . ISBN 978-1-4614-4012-3 .
- ^ Ахмед, Сайед Наим (2007). Физика и техника обнаружения радиации (1-е изд.). Амстердам: Академическая пресса. п. 182. ИСБН 9780080569642 .
- ^ Фотоэлектрический эффект, создаваемый в кремниевых солнечных элементах с помощью рентгеновских и гамма-лучей, Карл Шарф, 25 января 1960 г., Исследовательский журнал Национального бюро стандартов.
- ^ Уильямс, Мэтью; Меткалф, Питер (5 мая 2011 г.). «Радиохромная пленочная дозиметрия и ее применение в лучевой терапии» . Материалы конференции AIP . 1345 (1): 75–99. Бибкод : 2011AIPC.1345...75W . дои : 10.1063/1.3576160 . ISSN 0094-243X .