Многоканальная ионизационная камера для цифровой рентгенографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Введение

1 Обзор основных типов рентгенографических систем

1.1 Существующие цифровые установки и принципы их построения.

1.1.1 Двухкоординатные системы.

1.1.1.1 Системы на основе люминофоров с памятью.

1.1.1.2 Системы с использованием ПЗС структур.

1.1.1.3 Системы с использованием активных матриц.

1.1.1.4 Твердотельные полупроводниковые детекторы.

1.1.2 Системы сканирующего типа.

1.1.2.1 Однокоординатные твердотельные детекторы.

1.1.2.2 Системы вида сцинтилятор + фотодиод.

1.1.2.3 Газовый кинестатический детектор.

1.1.2.4 Сдвоенная ионизационная камера для ангиографии

1.1.2.5 Система с использованием МПК

1.2 Выводы.

1.3 Почему выбрана ионизационная камера

2 Многоканальная ионизационная камера.

2.1 Принцип действия.

2.2 Конструкция детектора.

2.3 Электроника регистрации

2.4 Общие требования к детектору

2.5 Конструкция сигнальной плоскости.

2.6 Конструкция входного окна.

2.7 Микрофонный эффект.

2.8 Плато и линейность детектора.

3 Пространственное разрешение

3.1 Характеристики цифровых систем

3.1.1 Преобразование Фурье.

3.1.2 Общая схема формирования цифрового изображения

3.1.3 Определение ЧКХ.

3.2 Пространственное разрешение в горизонтальном направлении

3.2.1 Моделирование спектров рентгеновской трубки.

3.2.2 Моделирование прохождения частиц в газе.

3.2.3 Моделирование пространственного разрешения МИК

3.2.4 Экспериментальное определение ЧКХ.

3.2.5 Влияние диффузии на пространственное разрешение.

3.3 Пространственное разрешение системы в вертикальном направлении . . 58 3.3.1 Оптимальный размер коллиматора и диафрагмы.

3.4 Выводы.

4 Анализ шумов в цифровых системах

4.1 Источники шумов.

4.1.1 Квантовый шум.

4.1.2 Эффективность регистрации.

4.1.3 Флуктуации величины сигнала от одного фотона.

4.1.4 Шум электроники.

4.2 Анализ шумов реальных систем.

4.2.1 Дискретное представление №8.

4.2.2 Квантовый выход детектора (БС^Е).

4.3 БС£Е детекторов разного типа.

4.3.1 Счетный детектор.

4.3.2 Аналоговый детектор с шумами

4.4 Характеристики МИК.

4.4.1 Эффективность регистрации.

4.4.2 Величина сигнала от одного фотона

4.4.3 Флуктуации величины сигнала от одного фотона.

4.5 Экспериментальное определение ЭС^Е

5 Система управления установкой и обработка данных с детектора

5.1 Система управления установкой.

5.2 Обработка данных с детектора.

5.2.1 Дрейф нуля АЦП.

5.2.2 Нормировка данных.

5.2.3 Емкостная связь между соседними каналами.

5.3 Дополнительные требования к сканирующей установке

5.3.1 Требования к рентгеновской трубке и излучателю.

5.3.2 Надежность детектора.

5.4 Основные характеристики установки.

5.4.1 Пространственное разрешение.

5.4.2 Контрастная чувствительность

5.4.3 Динамический диапазон

В последние 20 лет и особенно в последнее десятилетие наблюдается бурное развитие информационных технологий. Это способствовало появлению новых методов исследования в областях кардинально не менявшихся многие годы. В частности, это коснулось и медицинской рентгенографии, где первые снимки грудной клетки на фотопленке были получены еще в 1896 году [1]. С тех пор прошло много времени, но в основном, изменения связаны только с появлением более хороших усиливающих экранов, применением фотопленок с двухсторонней эмульсией, разработкой новых мощных источников рентгеновского излучения и использованием экспонометров для получения снимков гарантированного качества.

Основными недостатками фотопленки является нелинейность характеристической кривой в зависимости от дозы и низкий динамический диапазон. Применение цифровых детекторов с прямой регистрацией рентгеновского излучения позволяет устранить эти недостатки и, кроме того, разделение процедур получения изображения, обработки данных и представления информации позволяет значительно улучшить диагностические возможности систем. Тот факт, что изображения существует в цифровом виде, позволяет проводить любую математическую обработку данных, предоставляя врачу неограниченные возможности по его обработке. Первыми цифровыми системами, появившимися в конце 1960х и в начале 1970х, стали цифровые гамма камеры и компьютерные томографы. Однако, эти приборы используются в достаточно специфичных исследованиях, а наиболее часто используемым исследованием остается проекционная рентгенография.

Другим важным фактором является дозовая нагрузка на пациентов. В настоящее время 70-80% диагнозов устанавливаются рентгенологическими методами или дополняются данными, полученными с их помощью [2]. Такое высокое число обследований оправдано их высокой эффективностью и клинической значимостью. Но, вместе с тем, дозовая нагрузка на население составляет 2.5-3.0 мЗв/год, что в 2-3 раза превышает уровень облучения в таких странах как США, Англия, Франция, Швеция и Япония [3]. Не в последнюю очередь такое существенное различие объясняется техническим состоянием рентгеновской аппаратуры. В частности, с начала 90х годов, число работоспособных флюорографов в России сократилось в 2-3 раза [4]. Применение цифровых 6 систем с высокой эффективностью регистрации и низким уровнем собственных шумов позволяет значительно снизить дозы облучения. В частности, дозовые нагрузки на пациента при применении установки МЦРУ "Сибирь", в 5-100 раз меньше, чем при тех же обследованиях на экранопленочных системах [5]. Таким образом, по сравнению со стандартными рентгеновскими системами, цифровая рентгенография обладает рядом неоспоримых преимуществ: улучшение качества изображения, снижение доз облучения пациентов, возможность математической обработки изображений и гибкий дисплейный вывод. Кроме того, организация компактных цифровых архивов с возможностью обмена данных по компьютерным сетям позволяет существенно упростить и ускорить обмен информацией между врачами. Все это приводит к тому, что в настоящее время происходит широкое внедрение цифровых систем в медицинскую практику. В частности, ожидается, что в ближайшие 5 лет около 25% рентгенодиагностических систем в Северной Америке, Европе и Японии будут заменены на цифровые системы [6].

Целью данной работы являлась разработка и исследование характеристик нового детектора, обладающего лучшими характеристиками по сравнению с использовавшейся в составе цифровой рентгенографической установки МЦРУ "Сибирь "многопроволочной пропорциональной камеры.

При разработке детектора мы должны ориентироваться на следующие основные условия:

1. Детектор предназначен для регистрации пучка рентгеновского излучения, прошедшего через тело пациента. Энергетический спектр рентгеновского излучения находится в диапазоне от 10 до 120кэВ, хотя часть спектра в области низких энергий может быть сильно ослаблена после прохождения объекта.

2. Детектор не должен вносить геометрических искажений.

3. Эффективность регистрации детектора не менее 30% и динамический диапазон не менее 1:40, чтобы иметь характеристики, сравнимые с характеристиками стандартных экранопленочных систем.

4. Разрешение детектора должно быть в диапазоне 100-500мкм. Требования к пространственному разрешению систем трудно сформулировать более точно. В частности, согласно критериям применимости радиологических установок [8], флю-ороскопические системы должны иметь разрешение не хуже 0.8 пар линий на миллиметр при поле снимка 30-35 см, и иметь разрешение 1.4 пар линий на миллиметр при поле снимка 15-18 см, что соответствует размеру канала 0.6 и 0.35 мм соответственно. С другой стороны, для систем, предназначенных для диагностики заболеваний органов грудной клетки, первоначально закладывалось требование на обеспечение разрешения б пар линий на мм. Однако, исследования показали, что диагностически значимый диапазон пространственных частот простирается от 0 до 2 пар линий на мм и использование адекватных методов математической обработки позволяет компенсировать проигрыш в разрешении без потери диагностических возможностей системы [7].

5. Новый детектор должен быть лучше существующего.

Основные результаты работы.

• Разработана многоканальная ионизационная камера для медицинской цифровой системы сканирующего типа.

• Создан пакет программ для работы с детектором.

• Проведено измерение характеристик МИК. Применение МИК вместо МПК позволяет получить следующие преимущества: увеличить эффективность регистрации в 2.5 раза (70%) улучшить пространственное разрешение в 1.5 раза (400мкм) увеличить загрузочную способность до 2МГц на канал и, расширить динамический диапазон системы более чем в 3 раза.

• Продемонстрирована возможность применения детектора в медицине. В частности, более 50 детекторов работают на установках в различных медицинских учреждениях.

102

Благодарности

Автор хочет поблагодарить Г.Н.Абрамова, В.И.Аблова, В.В.Гусева, А.В.Гусева, В.Е.Еремина, В.Д.Ищенко, В.В.Немкина за их помощь в изготовлении детекторов упомянутых выше, а так же Г.А.Савинова и А.Н.Селиванова за разработку электроники регистрации детектора и Леонова В.В., Долгушина В.М. за разработку конструкции детектора. Кроме того, хочется поблагодарить М.А.Тиунова за предоставленную программу моделирования электромагнитных полей SAM и Г.М.Пархомчук за предоставляемую программу определения разрешения методом резкого края. Особая благодарность сотрудникам ГНПО "Восток'Тайлесу В.М., Канакину В.А., Рагулину А.И. за их неоценимый вклад в организацию производства детекторов. Особо хочется поблагодарить В.Р.Грошева и Л.И.Шехтмана, за постоянные консультации и редакцию данной работы, после которых она приобрела законченный вид.

Заключение

В работе описан новый детектор для цифровой рентгенографии - многоканальная ионизационная камера. Результаты моделирования и измерений показали, что детектор, работающий в режиме интегрирования заряда с аналоговой электроникой регистрации (МИК), позволяет получить характеристики близкие или лучшие, чем характеристики детектора, работающего в счетном режиме (МПК). В частности, показано, что эффективность регистрации достигает 70%, а пространственное разрешение, определяемое в основном шагом считывающей структуры, пробегами фотоэлектронов и флуоресцентными фотонами составляет 1.4 пар линий на мм. Шумы аналоговой электроники сравнимы по величине с сигналом от 4 фотонов. Благодаря достигнутым параметрам успешно проведена замена многопроволочной пропорциональной камеры на новый детектор. Конструкция многоканальной ионизационной камеры передана на ГНПП "Восток", где организовано ее производство.

В настоящий момент в качестве рабочего газа используется Хе, однако, как было показано в работе, детектор заполненный Кг будет иметь лучшие характеристики. Единственной преградой на пути его применения, является необходимость обеспечения конструктивной прочности корпуса для работы с давлением свыше 20 атм.

В работе проведен анализ характеристик детектора с использованием такого параметра как квантовый выход детектора (БС^Е). Использование этого параметра, позволяет оптимизировать характеристики детектора и проводить объективное сравнение систем, использующих различные принципы формирования цифрового изображения. Сравнение показало, что МИК обладает характеристиками сравнимыми с лучшими зарубежными аналогами, уступая им только по разрешению.

100

1. D.M.Hansell. Thoracic imaging - then and now. The British Journal of Radiology, 70(1997). S153-S161.

2. Р.В.Ставицкий, Н.Н.Блинов, И.Х.Рабкин, Л.А.Лебедев. Радиационная защита в медицинской рентгенологии. М.,"Кабур",1994.

3. О.М.Чекмарев, Е.И.Захарова, Р.Линнеманн. Технологии радиационной безопсно-сти при при рентгенорадиолозических исследованиях на Конгрессе в Чикаго. Медицинская визуализация. 1(1999) стр.24-25.

4. Н.Н.Блинов, Ю.В.Варшавский, М.И.Зеликман. Цифровые преобразователи изображений для медицинской радиологии. Компьютерные технологии в медицине. М., Компьютерные технологии в медицине, 3(1997). стр.19-24.

5. A.Matinez-Davalos, R.D.Speller, J.A.Horrocks, D.J.Miller, S.E.Baru, A.G.Khabakhpashev, O.A.Ponamarev, L.I.Shekhtman. Evaluation of a new low-dose digital x-ray system. Phys.Med.Biol. 38(1993) 1419-1432.

6. P.Halter. Digital Radiography Comes of Age. HospiMedica International. November-December/1998.

7. K.F.Kamm, The future of digital imaging. The British Journal of Radiology, 70(1997). S145-S152.

8. Criteria for acceptability of radiological (including radiotherapy) and nuclear medicine installations. Radiation protection №91. Developed by European Commision governed by Euroatom Treaty.

9. L.E.Antonuk, Thin-Film, Flat-Panel Imagers A Coming Revolution in Megavoltage and Diagnostic X-ray imaging? Physica Medica. Vol.IX N.2-3, April-September 1993.

10. Basic imaging properties of a computed radiographic system with photostimulable phosphors. Med.Phys. 16(1), Jan/Feb 1989

11. Yoshiyuki Amemiya. Imaging Plates for Use with Syncrotron Radiation. J.Synchrotron Rad. (1995). 2. 13-21.

12. W.Hillen, U.Schiebel, T.Zaengel. Imaging perfomance of a digital storage phosphor system. Med.Phys. 14(5), Sep/Oct 1987.

13. A.Workman, A.R.Cowen. Signal, noise and SNR transfer properties of computed radiography. Phys.Med.Biol. 38(1993) 1789-1808. Printed in UK.

14. U.Neitzel, I.Maack, S.Gunther-Kohfahl. Image quality of a digital chest radiography system based on a selenuim detector. Med. Phys. 21(4), April 1994.

15. J.Rowlands, S.Kasap. Amorphous Semiconductors Usher in Digital X-ray Imaging. Physics Today. November 1997, p.24-30.

16. H.W.Deckman, Sol.M.Gruner. Format alterations in CCD based electro-optic X-ray detection. Nucl.Instrum.Methods. A246(1986) 527-533.

17. F.Arfelli, G.Barbiellni at al. SYRMEP: an innovative detection system for soft X-rays. Nucl.Instr. and Methods. A392(1997) 188-191.

18. E.Beuville, B.Cederson et al. An application specific integrated circuit and data acqusition system for digital X-ray imaging. Nucl.Instr. and Methods. A406(1998) 337-342.

19. E.A.Babichev, S.E.Baru, A.G.Khabakhpashev, G.M.Kolachev, O.A.Ponamarev, G.A.Savinov, and L.I.Shekhtman. Digital radiographic device, based on MWPC with improved spatial resolution. Nucl.Instr. and Methods. A323(1992) 49-53.

20. Design and physical characteristics of a digital chest unit. R.A.Mattson, R.A.Sones, J.B.Stickney, M.M.Tesic, G.T.Barnes. SPIE Vol.314, Digital radiography 1981.

21. Integrated radiation detectors with a-Si photodiodes on ceramic scintillator. Haruo Itoh, Sunao Matsubara, Tetsuhiko Takahashi, Toshikazu Shimada, Hiroshi Takeuchi. Japanese Journal of applied physics. Vol.28, No.8, August 1989, pp. 1476-1479

22. Direct digital mammography using a scanned-slot CCD imaging system. Martin J. Yaffe. Medical Progress through Technology 19; 13-21, 1993

23. Kinestatic Charge detection. F.A.DiBianca, Marion D.Barker. Med.Phys 12(3) May/Jun 1985

24. G.C.Giakos, F.A.DiBianca et al., Engineering Aspects of a Kinestatic Charge Detector, Journal of X-ray science and technology, 5,181-201 (1995)

25. G.C.Giakos et al., Line spread function study of kinestatic charge detectors operating at high gas pressure. Journal of X-ray science and technology, 6, 343-358 (1996)

26. R.H.Menk, H. J.Besch et al., A dual line multicell ionization chamber for transvenous coronary angiography with synchrotron radiation. Rev.Sci.Instrum. 66(2), February 1995

27. H.J.Besch, Gaseous detectors for synchrotron radiation applications in medical radiology. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A360 (1995), 277282

28. Digital X-ray imaging installation for medical diagnostics, S.E.Baru, A.G.Khabakhpashev, I.R.Makarov, G.A.Savinov, L.I.Shekhtman, V.A.Sidorov, Nucl.Instr. and Meth. A238 (1985), p. 165

29. Multiwire proportional chamber for the digital radiographic installation, S.E.Baru, A.G.Khabakhpashev, L.I.Shekhtman, Nucl.Instr. and Meth. A283 (1989), 431

30. Справочник конструктора РЭА. Компоненты механизмы надежность. Под ред. Р.Г.Варламова. М., Радио и связь. 1985

31. Демпфирование механических колебаний. С.И.Сергеев. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1959г.

32. Прочность. Устойчивость. Колебания. Справочник в трех томах. Под ред. И.А.Биргера и Я.Г.Пановко. Издательство "Машиностроение"Москва. 1968г.

33. Теория упругости. Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц. Теория упругости. Москва "Наука" 1987г.

34. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. Г.С.Варданян, В.И.Андреев, Н.М.Атаров, А.А.Горшков. Издательство ассоциации строительных вузов. Млсква 1995.

35. Information Sheet EE261: The Fourier Trsnsform and its Applications, http : / / www. Stanford .edu/class/ee261

36. M.L.Giger, K.Doi. Analisis of MTFs, Wiener spectra, and Signal-to-Noise ratios of digital radiographic imaging systems. MEDICAL PHYSICS MONOGRAPH No.12 "Recent developments in digital imaging", AIP, NY, 1985

37. J.Bendat, A.Piersol. Engineering applications of correlation and spectral analysis. A Wiley-Interscience Publication. Prented in USA. 1980

38. Г.Бремерман. Распределения, комплексные переменные и преобразования Фурье. М. Мир. 1968

39. M.L.Giger, K.Doi. Investigation of basic imaging properties in digital radiography. Modulation transfer function. Med.Phys. 11(3), May/Jun 1984.

40. А.Ф.Аккерман, Моделирование траекторий заряженных частиц в веществе. М.,Энергоатомиздат 1991

41. А.К.Савинский, Взаимодействие электронов с тканеэквивалентными средами. М.,Энергоатомиздат 1984

42. А.Ф.Аккреман, Ю.М.Никутушев, ВА.Ботвин, Решение методом Монте-Карло задач переноса быстрых электронов в веществе. Изд-во "Наука"Казахской ССР, Алма-Ата 1972

43. On the theory and simulation of multiple elastic scattering of electrons. J.M.Fernandez-Varea, R.Mayol, J,Baro and F.Salvat. Nuclear Instruments and Methods in Physics Rearch B73 (1993)447-473

44. Geant4 Low Energy Electromagnetic Models for Electrons and Photons, P. Nieminen(ESA) et al., CERN preprint OPEN-99-034

45. EPDL97: The Evaluated Photon Data Library, 97 Version by Dermott E. Cullen, Jhon H.Hubbel, Lynn Kissel, University of California, Lawrence Livermore National Laboratory. UCRL-50400,Vol.6, Rev.5

46. Спектры излучения рентгеновских установок. Справочник. М.,Энергоатомиздат 1990

47. В.В.Векслер, Л.Грошев, Б.Исаев. Ионизационные методы исследования излучений. Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва 1949. Ленинград.

48. X-Ray position detection in the region of 6mkm RMS with wire proportional chambers. J.Fisher, V.Radeka, G.C.Smith, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A252 (1986) 239-245

49. X-Ray position detection at 22mkm FWHM with a gas proportional chambers. G.C.Smith, J.Fisher, V.Radeka. IEEE Transactions on Nuclear Science, Vol. NS-32, No.l, February 1985.

50. Centroid finding method for position-sensitive detectors. Veljko Radeka and Robert A. Boie. Nuclear Instruments and Methods 178(1980) 543-554.

51. Drift and diffusion of electrons in gases: a compilation. Anna Peisert, Fabio Sauli. GENEVA 1984. CERN 84-08

52. Properties of some gas mixtures used in tracking detectors. Archana Sharma and Rob Veenhof. http://consult.cern.ch./writeup/garfield/examples/gas/trans2000.html

53. The Sensitivity Performance of the Human Eye on an Absolute Scale. Albert Rose. Journal of the Optical Society of America. Volume 38, Number 2

54. I.A.Cunningham, R.Shaw, Signal-to-noise optimization of medical imaging systems. Vol.16, No.3 March 1999, pp 621-632/ J.Opt. Soc. Am. A

55. А.К.Митропольский, Техника статистических вычислений. Издательство Наука. Москва 1971

56. И.В.Дунин-Барковский, Н.В.Смирнов. Теория вероятностей и математическая статистика в технике. (Общая часть). Государственное издательство технико-теоретической литературы. Москва 1955.

57. Detective quantum efficiency of imaging systems with amplifying and scattering mechanisms. Majid Rabbani, Rodney Shaw, Richard Van Metter. J.Opt.Soc.Am.A. Vol.4, No.5,May 1987

58. Дж.Бендат, А.Пирсол. Прикладной анализ случайных данных.М.,Мир 1989.

59. Е.С.Вентцель, Л.А.Овчаров. Теория случайных процессов и ее инженерное приложение. М., Наука 1991.

60. Handbook of Medical Imaging. Voll. Physics and Psychophysics. Jacob Beutel, Harold L. Kundel, Richard L. Van Metter, SPIE Press. USA

61. Visual impact of the non-zero spatial frequency quantum sink. I.A.Cunnimgham, M.S.Westmore, A.Fenster Proc. of SPIE Vol.2163 Medical Imaging 1994.

62. Signal, noise power spectrum, and detective quantum efficiency of indirect-detection flat panel imagers for diagnostic radiology. J.H.Siewerdsen, L.E.Antonuk, Y.EI-Mohri, J.Yorkston, W.Huang. I.A.Cunningham Med.Phys. 25(5) May 1998.

63. Jean-Pierre Bissonnette,I.A.Cunningham,David A.Jaffray, A.Fenster, P.Munro. A quantum accounting and detective quantum efficiency analysis for video-based portal imaging. Med.Phys. 24(6) June 1997

64. Introduction to Digital Radiology. Ml-412 Eastman Kodak Company, 2000 11/00 CAT. NO 183 6998

65. Imaging performance of a digital storage phosphor system. W.Hillen, U.Schiebel, T.Zaengel. Med.Phys. 14 (5), Sep/Oct 1987

66. Рентгеновские диагностические аппараты. В двух томах. Министерство здравоохранения Российской Федерации. ВНИИИМТ. Москва 2001 под. редакцией Н.Н.Блинова, Б.И.Леонова.