Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Приобретение проекционной рентгенографии с генератором рентгеновских лучей и детектором изображения.

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

Детекторы могут быть разделены на две основные категории: датчики формирования изображения (например, фотопластинок и рентгеновской пленке ( фотографическая пленка ), теперь главным образом заменены различными оцифровки устройства , таких как изображения пластины или детекторы плоских панелей ) и дозы измерительных устройства (например, ионизационные камеры , Счетчики Гейгера и дозиметры, используемые для измерения локального облучения , дозы и / или мощности дозы, например, для проверки эффективности оборудования и процедур радиационной защиты на постоянной основе).

Рентгеновское изображение [ править ]

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 соединения, содержащие барий или йод , которые являются рентгеноконтрастными , могут попадать в желудочно-кишечный тракт (барий) или вводиться 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 ( Thorotrast), 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 низкая. [1]

Рентгеновская пленка [ править ]

Механизм [ править ]

См. Также: Фотопленка

Типичная рентгеновская пленка содержит кристаллические «зерна» галогенида серебра , обычно в первую очередь бромида серебра . [2] Размер и состав зерна 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 (формируя скрытое изображение ). Ионы серебра притягиваются к этим дефектам и восстанавливаются , создавая кластеры прозрачных атомов серебра . [4]В процессе проявки они преобразуются в непрозрачные атомы серебра, которые формируют видимое изображение, самое темное там, где было обнаружено наибольшее излучение. Дальнейшие этапы разработки стабилизируют сенсибилизированные зерна и удаляют нечувствительные зерна для предотвращения дальнейшего воздействия (например, от видимого света ). [5] : 159 [6]

Замена [ править ]

Воспроизвести медиа
Видео, в котором обсуждается исследование, которое показало, что цифровые рентгеновские снимки столь же эффективны для выявления профессиональных заболеваний легких, как и 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 цифровые 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). Металлическое серебро (ранее необходимое для радиографической и фотографической промышленности) - невозобновляемый ресурс.хотя серебро можно легко восстановить из отработанной рентгеновской пленки. [8] Там, где рентгеновские пленки требовали оборудования для влажной обработки, новые цифровые технологии этого не сделали. 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.

Фотостимулируемые люминофоры [ править ]

Основная статья: Фотостимулированная люминесценция

Рентгенография с люминесцентной пластиной [10] - это метод регистрации рентгеновских лучей с использованием фотостимулированной люминесценции ( ФСЛ ), впервые примененный Fuji в 1980-х годах. [11] Фотостимулируемая люминофорная пластина (PSP) используется вместо фотографической пластины. После рентгеновского облучения пластины возбужденные электроны в люминофорном материале остаются «захваченными» в « центрах окраски » кристаллической решетки до тех пор, пока не будут стимулированы лазерным лучом, проходящим по поверхности пластины. [12] свет , выделяемые во время лазерной стимуляции собирают с помощью фотоэлектронного умножителя, 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 [ править ]

Основная статья: усилитель рентгеновского изображения
рентгенограмма, сделанная во время холецистэктомии

Рентгеновские лучи также используются в процедурах «в реальном времени», таких как ангиография или контрастное исследование полых органов (например, бариевая клизма тонкой или толстой кишки) с использованием рентгеноскопии . Ангиопластика , медицинские вмешательства на артериальной системе, в значительной степени зависят от чувствительного к рентгеновскому излучению контрастного вещества для выявления потенциально поддающихся лечению поражений.

Полупроводниковые детекторы [ править ]

См. Также: Цифровая рентгенография

В твердотельных детекторах для обнаружения рентгеновских лучей используются полупроводники . 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, сначала 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 проявки, поэтому в этом смысле обе системы являются «прямыми». [14] Оба типа систем имеют значительно более высокую квантовую эффективность, чем CR. [14]

Прямые детекторы [ править ]

С 1970-х годов разрабатываются полупроводниковые детекторы из кремния или германия, легированные литием (Si (Li) или Ge (Li)) . [15] Рентгеновские фотоны преобразуются в электронно-дырочные пары в полупроводнике и собираются для регистрации рентгеновских лучей. Когда температура достаточно низкая (детектор охлаждается за счет эффекта Пельтье или даже более холодного жидкого азота ), можно напрямую определять энергетический спектр рентгеновского излучения; этот метод называется энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией (EDX или EDS); он часто используется в небольших рентгенофлуоресцентных спектрометрах . Кремниевые дрейфовые детекторы (SDD), производимые обычным способом изготовления 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 медицинской визуализации началось в начале 2000-х годов. [17] Аморфный селен используется в коммерческих плоскопанельных рентгеновских детекторах большой площади для маммографии и общей радиографии 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 и цинка , считаются одними из наиболее перспективных полупроводниковых материалов для обнаружения рентгеновских лучей из-за его широкой запрещенной зоны и высокого квантового числа, что позволяет работать при комнатной температуре с высокой эффективностью . [20] [21] Текущие применения включают денситометрию костей и ОФЭКТ, но детекторы с плоскими панелями, подходящие для радиографической визуализации, еще не производятся. [22] В настоящее время исследование и развитие сосредоточены вокруг энергии разрешения пиксельных детекторов , таких как CERN «s MedipixДетектор и Услуги Совет Наука и технологии «s HEXITEC детектор. [23] [24]

Обычные полупроводниковые диоды , такие как PIN-фотодиоды или 1N4007 , будут производить небольшой ток в фотоэлектрическом режиме при помещении в пучок рентгеновских лучей. [25] [26]

Непрямые детекторы [ править ]

Непрямые детекторы состоят из сцинтиллятора 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] 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 запечатлен миллионами транзисторов, выстроенных в упорядоченный массив, как сетка на миллиметровой бумаге. Каждый из этих тонкопленочных транзисторов (TFT) присоединен к светопоглощающему фотодиоду, составляющему отдельный пиксель (элемент изображения). Фотоны, падающие на фотодиод, преобразуются в два носителя 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, сделанные из таких материалов, как оксисульфид гадолиния или иодид цезия . Сцинтиллятор поглощает рентгеновские лучи и преобразует их в фотоны видимого света, которые затем проходят на матрицу фотодиодов.

Измерение дозы [ править ]

Детекторы газа [ править ]

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

Рентгеновские лучи, проходящие через газ , ионизируют его, производя положительные ионы и свободные электроны . Входящий фотон создаст количество таких ионных пар, пропорциональное 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 дает начало нескольким различным типам детекторов газа, описанным ниже.

В ионизационных камерах используется относительно слабое электрическое поле около 100 В / см для извлечения всех ионов и электронов перед их рекомбинацией. [27] Это дает постоянный ток, пропорциональный мощности дозы, которой подвергается газ. [7] Ионные камеры широко используются в качестве переносных измерителей радиационного контроля для проверки уровней доз 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, ближайшей к проводу, электрическое поле достаточно велико, чтобы заставить электроны ионизировать молекулы газа. Это создаст эффект лавины, значительно увеличив 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 используют еще более сильное электрическое поле, так что создаются УФ-фотоны . [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 они могут быть выполнены с пространственным разрешением, имея много перекрещенных проводов в камере для проводов .

Кремниевые фотоэлементы PN [ править ]

В 1960-х годах было продемонстрировано, что кремниевые фотоэлементы PN подходят для обнаружения всех форм ионизирующего излучения, включая ультрафиолетовое , мягкое и жесткое рентгеновское излучение. Эта форма обнаружения работает посредством фотоионизации , процесса, при котором ионизирующее излучение ударяет по атому и высвобождает свободный электрон. [30] Для этого типа широкополосного датчика ионизирующего излучения требуется солнечный элемент, амперметр и фильтр видимого света наверху солнечного элемента, который позволяет ионизирующему излучению попадать на солнечный элемент, блокируя нежелательные длины волн.

Радиохромная пленка [ править ]

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]

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Реакции контрастной среды: обзор, типы йодированных контрастных сред, побочные реакции на ICM» . Medscape . 2 июня 2016 . Проверено 17 декабря +2016 .
  2. ^ "Радиографический фильм" . Ресурсный центр по неразрушающему контролю . Проверено 16 декабря 2016 .
  3. ^ Дженсен, Т; Aljundi, T; Грей, JN; Валлингфорд, Р. (1996). "Модель отклика рентгеновской пленки". В Томпсоне, DO; Chimenti, DE (ред.). Обзор прогресса в количественной неразрушающей оценке (Том 15A) . Бостон, Массачусетс: Спрингер. п. 441. DOI : 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, DR; Христофидес, S; Maidment, ADA; McLean, ID; Нг, К. Х. (2014). Диагностическая радиология физики: пособие для учителей и студентов . Вена: Международное агентство по атомной энергии. ISBN 978-92-0-131010-1.
  6. ^ "Проявление фильма" . Ресурсный центр по неразрушающему контролю . Проверено 16 декабря 2016 .
  7. ^ a b 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 : 2014PMB .... 59R.303S . DOI : 10.1088 / 0031-9155 / 59/20 / R303 . PMID 25229250 . 
  8. ^ Масебину, Самсон О .; Музенда, Эдисон (2014). Обзор методов восстановления 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» . RadioGraphics . 27 (3): 675–686. DOI : 10,1148 / rg.273065075 . PMID 17495286 . 
  10. ^ Бенджамин S (2010). «Рентгенография с люминесцентной пластиной: неотъемлемый компонент беспленочной практики». Вмятина сегодня . 29 (11): 89. PMID 21133024 . 
  11. Перейти ↑ Rowlands, JA (7 декабря 2002 г.). «Физика компьютерной радиографии». Физика в медицине и биологии . 47 (23): R123 – R166. Bibcode : 2002PMB .... 47R.123R . DOI : 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. DOI : 10,1148 / radiology.148.3.6878707 . PMID 6878707 . 
  13. ^ Ватт, Кристина Н .; 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 . DOI : 10.1118 / 1.2122587 . PMID 16475757 . 
  14. ^ a b 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. DOI : 10,1148 / radiology.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. DOI : 10.1007 / s00330-002-1350-1 . PMID 12271399 . 
  18. ^ Lança, Луис; Сильва, Августо (2013). «Цифровые радиографические детекторы: технический обзор». Системы цифровой визуализации для простой рентгенографии . Нью-Йорк: Спрингер. DOI : 10.1007 / 978-1-4614-5067-2_2 . ЛВП : 10400,21 / 1932 . ISBN 978-1-4614-5067-2.
  19. ↑ a b 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 .; 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 . DOI : 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. DOI : 10.3390 / s90503491 . PMC 3297127 . PMID 22412323 .  
  22. ^ Iniewski, К. (4 ноября 2014). «Детекторная технология CZT для медицинской визуализации». Журнал приборостроения . 9 (11): C11001. Bibcode : 2014JInst ... 9C1001I . DOI : 10.1088 / 1748-0221 / 9/11 / C11001 .
  23. ^ Zang, A .; Антон, Г .; Ballabriga, R .; Bisello, F .; Кэмпбелл, М .; Сели, JC; 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 . DOI : 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 . DOI : 10.1016 / j.nima.2009.01.046 .
  25. ↑ Gonzalez, G, J. (октябрь 2016 г.). "Desarrollo de un Detector de rayos X usando fotodiodos" [Разработка детектора рентгеновского излучения с использованием фотодиодов]. ИНИС (на испанском языке). 48 (7): 13.
  26. ^ «Диод 1n4007 как детектор рентгеновского излучения» . Дата обращения 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. 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. п. 182. ISBN. 9780080569642.
  30. ^ Фотоэлектрического эффектпроизводимый в кремниевом солнечных элементахпомощью рентгеновских и гамма-лучей, Карл Scharf, 25 января 1960, 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. DOI : 10.1063 / 1.3576160 . ISSN 0094-243X .