Radiografia digitale

Radiografia digitaleSistema ideale: Acquisizione istantanea di una immaginein forma digitale con il minimo numero di raggi X

Radiografia analogica vs digitale

Radiografia digitale

Radiografia digitale

Digital subtraction angiography

Computerized fluoroscopy: digital subtraction for intravenous angiocardiography and arteriographyAB Crummy, et al. American Journal of Roentgenology 1980 135:6, 1131-1140

Computed Radiology(Storage Phosphorous Radiology)

IP Image Plate

Il processo di read-out è svolto in circa 30-40 sec.La risoluzione è leggermente inferiore a quella delle pellicole.

Radiografia digitaleSpecifiche

Necessità di larga area

• Soluzioni

– accoppiamento ottico “scintillatori+lenti+Fotomoltiplicatore/CCD”

– matrici attive in selenio/silicio amorfo

Direct Radiology(Selenimu Drum)

Direct Radiology(Scintillator CCD)

Lens-coupled CCD:- low quantum efficiency- low SNR

Slot-scan CCD:- low quantum efficiency- low influence of scattered light- good SNR

Computed Radiology(Storage Phosphorous Radiology)

Radiografia digitale

Necessità di larga area

• Soluzioni

– accoppiamento ottico “scintillatori+lenti+Fotomoltiplicatore/CCD”

– matrici attive in selenio/silicio amorfo

Necessità di larga area

• Soluzioni

– accoppiamento ottico “scintillatori+lenti+Fotomoltiplicatore/CCD”

– matrici attive in selenio/silicio amorfo

Conversione diretta Conversione indiretta

Matrice di sensori attivi a conversione diretta

Fotoconduttori

Requisiti per fotoconduttori

Alto coefficiente di assorbimento: <<L

Alta sensibilità

No ricombinazione

No trappole: E>> L

Bassa corrente dark: no iniezione dagli elettrodi, no generazione termica

No degradazione

Facilità di deposizione

Profondità di penetrazione

En

Zn

n 3

n 3 4

Energia di ionizzazione

W 2.8 Eg Ephonon

Ephonon 0.5eV

W W0

BF

Nel selenio amorfo:

SensibilitàS Q

AX

Materiali per fotoconduttori

Corrente di buioIdealmente = 0Esame mammografico: energia fotoni X=20keV, Xnoise=60uR

E1R energia per unità di area di 1R di radiazioneQxnoise

eAE1RXnoise

W

Qsignal eAE1RXmin

W

Xmin radiazione minima = 0.6mR per mammografia

Qdark AJdarkt t = 1s per radiologia, 1/30 s per fluoroscopia

Qdarknoise e AJdarkte

Rumore associato alla corrente di buio

QkTCnoise 2kTCpxRumore associato alla carica e scarica della capacità

Rumore associato al rumore quantico della radiazione

Corrente di buio

Vdark VXnoise

Cpx=1pF, t=1s, pixel size=50x50m2

Emean-ph=20keV, Emin-rad=0.6mR, Emax-rad=240mR, Emean-rad=12mR, Enoise-rad=60R

1 corrente di buio molto alta (10-6A/cm2) 2 JdarkAt eAE1RXmin

W

Jdark 1.3109 (A / cm2 )3 Jdark 1010 (A / cm2 ) 4 JdarkAt kTCpx Jdark 109 (A / cm2 )

Corrente di buio

Riduzione dell’iniezione di corrente di buio ai contatti

Matrice di sensori in selenio amorfo

Sensore in selenio amorfo

Int. Pol.

Polarizzazione negativa

SubstratoGateGate insulator

Source Drain

i a-Si:Hn a-Si:H

Polarizzazione positiva

Polarizzazione positiva

Matrice di sensori in silicio amorfo

Fotosensori in silicio amorfo

Struttura a bande

Struttura fisica: p-i-n e non p-n

Spessori ed energy gap

Bassa corrente dark

Degradazione

Tecnica di deposizione

Frequenza di taglio estrinseca ed intrinseca

Rumore: regime di rivelazione termico e quantico

Matrice di sensori in silicio amorfo

Row Driver

PD

Vbias

Switch

SubstratoGateGate insulator

Source Drain

i a-Si:Hn a-Si:H

VSIG Vbias Qs

Cs

Regione di triodo: RON

Regione di interdizione: ROFF

Matrice di sensori in silicio amorfoFill Factor

Matrice di sensori in silicio amorfoFill Factor

SensibilitàS QS

GL

QS qQE FF GL d2

QS qQE nS qQE FF d

2

Noise equivalent power GNE

qN rumore elettronico

GNE qN

q QE FF d2

Minimo segnale rivelabile

Matrice di sensori in silicio amorfo

qN 0.16 fCGNE

qN

q QE FF d2

Minimo segnale rivelabile: esempio pratico

QE 0.8

Matrice di sensori in silicio amorfo

Matrice di sensori in silicio amorfo

QS, min=qN

Range dinamico DR

DRQS,max

QS,min

QS, max=CSVB

Matrice di sensori in silicio amorfo

Tempo di lettura

Dipende da: RON, CS

RON VDS

I D

nCox(VGS VT )WL

1

CS 0r FFd2

Wi

CS0 FFd2

RON 3M CS 1pF

Matrice da N righe

N 1000 RO 10 N RONCS 30ms limita il frame rate

Matrice di sensori in silicio amorfo

Tempo di lettura

Dipende da: costanti di tempo associate alle righe e colonne

line 3sCline 100pF

Tenendo presente la lunghezza

N 1000 Rline 3104

Rline 0.5 / square

Alluminio

Matrice di sensori in silicio amorfo

Rivelazione di deboli intensità di luce

Lunghi tempi di integrazioni

V0

Effetti delle correnti di leakage

Fotodiodo ILS, TFT ILT

dQS

dt I LS(QS) I LT (QS) QS CS(Vbias V0 ) tensione residua sul TFT

dopo il reset

QS(t) CSROFF (I LSV0

ROFF

) 1 exp(t / CSROFF )

dQS

dt I LS

V0

ROFF

QS

CSROFF

Matrice di sensori in silicio amorfo

Rivelazione di deboli intensità di luce

QS(t) (I LSV0

ROFF

)tt CSROFF

QS(t) CSROFF (I LSV0

ROFF

) 1 exp(t / CSROFF )

Matrice di sensori in silicio amorfo

Effetti capacitivi

Matrice di sensori in silicio amorfo

Electronic noise

Rumore termico dall’array

Rumore dell’amplificatore

Rumore proveniente dall’alimentazione

Double correlated sampling

Matrice di sensori in silicio amorfo

Tecnologia planare• Limited Fill-factor limitato (<75%)

CROSS SECTION

TOP VIEW

Tecnologia Multi-livello

• Fill-factor >90%

CROSS SECTION

TOP VIEW

Matrice di sensori in silicio amorfo

Substrato

Metal/ITOp a-Si:H

n a-Si:H

i a-Si:H

ITO/Metal

Matrice di sensori in silicio amorfo

Matrici di sensori in a-Si:H: Scintillatori• Sono scintillatori inorganici: NaI, CsI, Bi4Ge3O12 (noto come BGO),

PbWO4, BaF2...• Il meccanismo di scintillazione negli scintillatori inorganici è

caratteristico della struttura a bande elettroniche che si trovano nei cristalli.

Spesso si hanno 2 costanti di tempo:1.ricombinazione rapida dai centri di attivazione (ns-μs)2.ricombinazione ritardata (trappole) (~100 ms)

Scintillatori

• Segnale dipende da:– coefficiente di conversione– spessore del materiale– self-absorption

X-ray

S

SCATTERING

SELF ABSORPTION

Reflector

Matrice di sensori in silicio amorfo

CsI:Tl• Spessori 550µm• Buon assorbimento dei raggi X (65000 ph/MeV)• Struttura colonnare: guide d’onde• MTF=50% @ 1 lp/mm• Emissione luce nel verde

400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

wavelength / nm400 500 600 700 800

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

CsI:Tla-Si:H

Matrice di sensori in silicio amorfo

MTF: modulation transfer functionConvoluzione tra il segnale analogico e la struttura discreta del sensore

F fð Þ¼sin afð Þ

f¼ a sin c afð Þ

DQE: Detective Quantum EfficiencyEfficienza di un dispositivo di convertire la radiazione X al suo ingressoin un segnale utile alla formazione dell’immagine in uscita

DQE fð Þ¼SNR2 fð Þout

SNR2 fð ÞinDQE( f ) NEQ( f )

n

NEQ( f )Noise Equivalent Quanta che rappresenta il numero minimo (o ideale) di fotoni per ottenere uno specifico SNR

Effective Power che rappresenta il numero reale di fotoni per ottenere quello specifico SNR

n

Image LagRapporto tra il segnale che rimane in una immagine al buio e quello dell’immagine precedentemente esposta ai raggi X

Cause: a. Materiale che converte i raggi X (scintillatore, fotoconduttore)b. Matrice di a:Si:H fotodiodi

Indiretti: 0.4% dopo 33ms e 0.2% dopo 66msDiretti: 0.3% dopo 5 sec

Radiografia digitale

Differenti prodottiCanon CXDI-11Scintillator 200-µm thick (terbium-doped gadolinium dioxide sulphide)Photodiode (semiconductor -type photoelectric converter made from hydrogenated amorphous

silicon a-Si:H)TFT (made from hydrogenated amorphous silicon)Each pixel consists of an a-SI TFT and a metal insulator semiconductorphotoelectric converter .Indirect conversion of X-rays26882688 pixels4343 cm160-µm pixel size4096 grey-scale image (14-bit resolution)

Trixell (Philips, Siemens, Thomson)Structured scintillator 550-µm thickness (thallium doped cesium-iodide, CsI:Tl)Photodiode (amorphous silicon)Switching diodeIndirect conversion of X-rays30003000 pixels4343 cm143-µm pixel size4096 grey-scale image (14-bit resolution)

General Electric Medical Systems (Milwaukee, W is.)Scintillator (cesium-iodide)Photodiode (amorphous silicon)+TFTIndirect conversion of X-rays20482048 pixels4141 cm200-µm pixel size

DirectRay (Hologic, Kodak, Rochester , N.Y.)Amorphous selenium 500-µm (photoelectric layer)Capacitor+amorphous silicon TFTDirect conversion of X-rays25603072 pixels3543 cm139-µm pixel size

Prestazioni FPD Table 3 Phantom studies with flat-panel detectors (FPD). ROC receiver operating characteristics; AUC area under curve of the ROC ex-periment; SPR storage phosphor radiography system; SFSscreen-film systems

Reference Type of study Detector type Results

[16] Simulated bone erosions in a hand phantom Prototype of the Compared with a FSS (Lanex regular screen and (holes of different sizes drilled in polymethyl Trixell/Siemens T-MAT Plus DG film; Kodak), better diagnostic acrylate panels which were superimposed on detector performance of the FPD with same dose ( p<0.05). a hand phantom, i.e. low-contrast detection No significant difference for FPD images obtained task). ROC study with four observers, 7200 with reduced dose (30% and 50% dose reduction)observations

[17] CDRAD contrast detail phantom (four GE Revolution Compared to both Insight regular and Insight HC alternative forced choice experiments).T est XQ/I the FPD shows better detection of test signals. T est signals: holes of different diameters and signals with low contrast are more frequently depths up to 2.0 mm (i.e. high and low detected with the FPD even when the dose is reducedcontrast with different diameters) by 20%

[18] CDRAD 2.0 phantom. Comparison of FPD Trixell/Philips FPD has equal image quality at less than half the (at 400, 600 and 800 equivalent speed), SPR dose when compared with SPR, and at approximately(AC-3 with ST-V plates, at approximately at one-fifth the dose when compared with SFSequivalent 200 speed) and a Kodak 160 speedSFS. Digital images evaluated at a Sectra Workstation with different monitors. Four observers, each reading three images for eachsetting. Comparison of image quality figure. Determination of skin entrance doses

[19] Comparison of images obtained with FPD Reduced size For dose equivalent images, FPD performs better thanand a 400-speed SFS (Insight VHC, Kodak). (1515 cm) SFR for linear structures and micronodular opacities, Anthropomorphic chest phantom with prototype of whereas no significant dif ference is detected for simulated lung structure and superimposed Trixell/Siemens nodules and reticular patterns. No significant nodular, micronodular, linear and reticular detector difference between full-dose SFS images and patterns. 480 observation fields for each half-dose FPD images was foundmodality. Four observers. ROC analysis

[20] Detection of foreign bodies (glass with and Reduced size At a simulated speed of 400, the FPD system without lead, bone fragments, aluminium, (1515 cm) performs significantly better than the SFS. At a iron, copper, gravel, graphite) of dif ferent prototype of simulated speed of 800 and 1200, no significant sizes superimposed to fresh porcine meat. Trixell/Siemens difference between FPD and the 400-speed SFS wasComparison of FPD (no spatial frequency detector detected. At a simulated speed of 1600, the FPD processing) at different simulated speed system was significantly inferior to the 400-speed classes to a 400-speed SFS (Lanex SFSRegular/T-MAT Plus DG film, Kodak). 400 observation fields per modality . Four observers. One ROC curve for all foreign bodies, no separate evaluation

[21] Detection of cortical bone defects and Reduced size No significant difference could be found for the fractures. 232 tubular deer -bones with (1515 cm) detection of cortical defects and fractures, even with mechanically induced fractures on 1 10 of prototype of dose reduced images obtained with the FPD detector them and cortical bone defects on 1 12 of Trixell/Siemens (at one-half, two-thirds and one-fifth of the dose).them. Comparative images obtained with detector Very high AUC; thus small dif ferences may not have identical exposure with the FPD and been detected400-speed SFS (Lanex Regular/T-MAT Plus DG film, Kodak) and reduced exposure for the FPD. Four observers

Prestazioni FPD

Sistemi statici

Large size (43cm x 43cm / 17" x 17") for high projection flexibility even with large patients

Resolution up to 3.5 lp/mm, 143 μm pixel size

Sistemi dinamici

• Amplificatore di brillanza– Pesante– Sensibile ai campi magnetici– Schermo curvo

Sistemi dinamici

• Flat detector– Leggero– Assenza di distorsione– Miglior contrasto– Miglior uso della dose