Плоскопанельный детектор для рентген-аппаратов: устройство и критерии выбора

Содержание:

Плоскопанельный детектор (ППД или DR система) – это устройство, предназначенное для получения цифровых рентгеновских изображений в реальном времени без использования пленки. ППД интегрируется с цифровыми рентгеновскими аппаратами, а также со стандартными аналоговыми системами: сенсор позволяет преобразовать любой рентген в цифровой.

Формат детектора соответствует по форме и размерам стандартной рентгеновской кассете. Сенсор фиксирует рентгеновские лучи, которые производятся рентгеновской трубкой и проходят сквозь тело обследуемого, затем преобразует их в электронные сигналы и передает на рабочую станцию врача.

Рис.1. Переносные плоскопанельные детекторы для цифровой рентгенографии

Рентгеновская плёнка и аналоговые рентгены до сих пор не потеряли своей актуальности, и многие клиники даже сейчас используют их в своей практике. Однако развитие технологий и появление ППД позволили вывести рентгенографию на более качественный уровень.

ПРЕИМУЩЕСТВА ППД ПО СРАВНЕНИЮ С РЕНТГЕНОВСКОЙ ПЛЕНКОЙ

Достоинства плоскопанельного детектора оправдывают его высокую стоимость. Для медицинских центров со средней и высокой проходимостью приобретение цифровой панели будет выгодным, так как позволит увеличить пропускную способность кабинета, а вместе с ней и прибыль. При выборе оптимального сенсора следует обратить внимание на его характеристики, которые во многом зависят от его устройства и особенностей работы ППД.

КАК УСТРОЕН ПЛОСКОПАНЕЛЬНЫЙ ДЕТЕКТОР?

Цифровой сенсор представляет собой электронное устройство прямоугольной формы в металлическом или пластиковом корпусе, покрытое защитным экраном из карбона. Карбон является проницаемым для рентгеновского излучения, поэтому он никак не влияет на качество изображения. Внутри корпуса находится светочувствительная матрица, которая может быть покрыта слоем сцинтиллятора. Его материал отвечает за преобразование излучения в свет. 

Рис. 2 Схема работы плоскопанельного детектора, оснащенного сцинтиллятором из йодистого цезия и TFT-матрицей.

Существует 2 типа преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал:

1. Прямое – рентгеновское излучение сразу преобразуется в сигнал. 

Прямое преобразование, как правило, используется в аппаратах для маммографии экспертного уровня. ППД для маммографов оснащены фотопроводниками, такими как аморфный селен (a-Se) и аморфный кремний (a-Si), которые захватывают рентгеновские фотоны и преобразуют непосредственно в электрический заряд.

2. Непрямое – рентген-лучи сначала преобразуются в свет при помощи сцинтиллятора, а затем в электрический сигнал при помощи светочувствительной матрицы.

В основе работы цифровых панелей для рентгеновских аппаратов лежит непрямое преобразование.

Виды сцинтилляторов для ППД

В качестве сцинтиллятора наиболее часто используются:

• Оксисульфид гадолиния (Gd2O2S) – имеет зернистую структуру.

Оксисульфид гадолиния образует сплошной слой, для которого характерен сильный эффект рассеивания при проведении света.

Рис. 3. Структура оксисульфида гадолиния

• Йодистый цезий (CsI) – состоит из множества игольчатых кристаллов.

Свет проходит по игольчатым кристаллам как по оптоволоконным каналам, что позволяет веществу лучше поглощать рентгеновское излучение и обходиться меньшими дозами облучения. Таким образом, сцинтиллятор Csl отличается большей чувствительностью.

Рис. 4. Структура йодистого цезия

Виды светочувствительных матриц

Практически все современные детекторы строятся на основе TFT-технологии (ТFT – это тонкоплёночный транзистор) и CMOS-технологии (в русскоязычных источниках также принято сокращение КМОП, которое расшифровывается как комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Оба вида сенсоров представляют собой матрицу из светочувствительных элементов, которые располагаются под слоем сцинтиллятора и регистрируют излучаемый им свет.

1. ППД на основе TFT-матрицы

В TFT-матрице основным элементом являются фотодиоды, выполненные из аморфного кремния.
Изображение в них формируется при помощи аналого-цифрового преобразования. Источником являются электрические сигналы, поступающие с каждого светодиода.

Рис. 5. Схема преобразования рентгеновского излучения в детекторах на основе TFT-технологии

Панели на основе TFT-матриц могут достигать размеров 43×43 см. При этом размер пикселя составляет от 100 до 200 мкм. Высокая радиационная устойчивость аморфного кремния позволяет применять такие панели при высоких энергиях рентгеновских квантов: от 20 кэВ до 15 МэВ.

Детекторы на основе TFT-технологии, как правило, оснащаются сцинтилляторами на основе цезий-йодида. При высочайшей чувствительности CsI обладает достаточно низкой разрешающей способностью, однако из-за большого размера пикселя TFT-матрицы это не сильно влияет на результат исследования.

Плоскопанельные детекторы с TFT-матрицей нашли широкое применение в рентгенографии.

Примеры современных качественных ППД с TFT-матрицей

• Панели AeroDR, Konica Minolta, (Япония): 43*35, 43*43 см

Рис. 6. Цифровой плоскопанельный детектор Konica Minolta AERODR (Япония)

Cенсоры этой серии от японского производителя монтируются с любыми аппаратами для рентгенографии: стационарными и портативными. Компактное устройство обеспечивает быстрое и высококачественное обследование пациентов в любых условиях: в больнице и на выезде. Небольшой вес (от 2.9 кг) и беспроводная технология дают возможность высокопроизводительной и эффективной работы; шаг пикселя 175 мкм обеспечивает хорошее качество снимков.

Еще одна особенность сенсоров AeroDR, Konica Minolta – быстрая подзарядка (30 мин) и долгий срок службы батарей, которые достигаются благодаря уникальной конструкции и литий-ионным конденсаторам. Если обычные аккумуляторы заменяются в среднем один раз в год, то батареи AeroDR будут работать все то время, пока работает панель.

• Панели Rayence (Южная Корея): 35*43 и 43*43 см

Рис. 7. Цифровой плоскопанельный детектор Rayence (Южная Корея)

Детекторы обеспечивают высокое качество изображений благодаря большим значениям квантовой эффективности и небольшому шагу пикселя – 127 мкм. Предварительный просмотр изображения возможен уже через 2 секунды после снимка.

Детекторы Rayence 35*43 и 43*43 см могут быть как проводными, так и беспроводными, в последних передача данных осуществляется по WI-FI. Панели весят чуть больше 3 килограммов, что делает удобным их применение как в стационарной и мобильной рентгенографии. Они выдерживают вес до 300 кг и являются водонепроницаемыми.

2. ППД на основе CMOS-матрицы

Рис. 8. Схема преобразования рентгеновского излучения в детекторах на основе CMOS-технологии

КМОП-сенсор достаточно чувствителен к ионизирующему излучению, поэтому он отделен от сцинтиллятора волоконно-оптической плитой или шайбой – стержня из стекла и полимера. Именно по ней свет от сцинтиллятора передаётся на светочувствительные элементы. Также шайба служит для фокусировки света на чувствительной области пикселя, препятствуя его рассеиванию.

CMOS-фотодиоды матрицы преобразуют свет в электрический сигнал, и затем под действием аналого-цифрового преобразователя с каждого пикселя формируется изображение.

CMOS-технология позволяет создать матрицу с меньшим пикселем и получить более высокое качество изображения, в сравнении с TFT-технологией. Самый маленький размер пикселя у CMOS-матриц — 50 мкм. В детекторах на основе CMOS-матриц используется сцинтиллятор на основе оксисульфида гадолиния из-за высокой разрешающей способности этого вещества. При всех преимуществах ППД этого типа обладают серьезными недостатками – это меньшая устойчивость к рентгеновскому излучению и ограничения по размеру: максимальная площадь детектора составляет 29×23 см.

В настоящее время ППД с КМОП-матрицей преимущественно применяются в рентгеновской маммографии и в стоматологии (аппараты для конусно-лучевой томографии).

ГЛАВНЫЕ КРИТЕРИИ ВЫБОРА ППД

Наибольшее распространение в стандартной рентгенографии нашли плоскопанельные детекторы непрямого преобразования со сцинтиллятором из цезий-йодида и TFT-матрицы. Они обладают высокой чувствительностью, хорошей разрешающей способностью, долгим сроком службы при правильной эксплуатации, а также отличаются более доступной ценой по сравнению с CMOS-детекторами.

При выборе оптимального ППД для цифрового или аналогового рентген-аппарата обратите внимание на следующие особенности сенсора:

1. Совместимость с вашей рентген-системой. О совместимости вы можете уточнить у менеджера торгующей компании.

2. Размеры пиксельной матрицы – показатель ограничивает размеры изображения. Стандартные размеры для общей рентгенологии – 43x43 см и 43x35 см.

3. Активная матрица изображения – чем больше пикселей содержит матрица, тем лучше качество изображения.

4. Шаг пикселя – чем меньше шаг пикселя, тем выше будет разрешение и четкость снимков. Нормальные значения для стандартной цифровой рентгенографии находятся в пределах 100-200 мкм. Оптимальное значение – 100-130 мкм.

5. Квантовая эффективность – показатель характеризует качество детектора. Чем больше квантовая эффективность, тем выше качество изображений и меньше доза облучения для врачей и пациентов.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ ВЫБОРА ППД

Всем важным критериям соответствуют цифровые детекторы современных рентгенографических систем DRGEM (Южная Корея) – REDIKOM (GХR-S) и DIAMOND.

ПРЕИМУЩЕСТВА ПЛОСКОПАНЕЛЬНЫХ ДЕТЕКТОРОВ РЕНТГЕН-АППАРАТОВ DRGEM

1. Сцинтиллятор на основе цезий-йодида (CsI)

Цезий-йодид обладает высочайшей чувствительностью к рентгеновскому излучению. Таким образом, использование сцинтиллятора, выполненного из CsI, позволяет снизить лучевую нагрузку на врачей и пациентов.

2. TFT-матрица из аморфного кремния (a-Si)

Матрица из аморфного кремния отличается большей устойчивостью к радиационному лучам и хорошо переносит высокоэнергетическое излучение. Эта особенность увеличивает срок службы детекторов.

3. Оптимальный размер пиксельной матрицы – 43*43 см

Большой размер светочувствительной матрицы позволяет врачам выполнять полноформатные рентгеновские снимки.

4. Активная матрица изображений – 3328*3328 пикселей (для детектора с шагом пикселя 127 мкм)

Большое количество пикселей делает изображение более четким и «легкочитаемым» для специалистов, что повышает скорость и точность рентгенодиагностики.

5. Минимальный шаг пикселя – 127 мкм (опционально 100 мкм)

Максимально низкий шаг пикселя обеспечивает высокое качество снимков. Четкость и детальность изображения позволяет врачам выявлять патологии легких, костной системы и других внутренних органов на начальных стадиях.

6. Высокая квантовая эффективность (более 50%)

Высокая квантовая эффективность (DQE) обеспечивает превосходное качество изображения при низкой лучевой нагрузке на пациента и врача.

7. Ударопрочность и влагонепроницаемость

Детектор устойчив к вибрации, царапинам, ударам, а также большинству типов жидкостей, используемых в больницах.