Вейп, Юрий Арнольдович. Разработка и исследование цифровых детекторов рентгеновского изображения медицинского назначения

Короткий опис

Вейп, Юрий Арнольдович. Разработка и исследование цифровых детекторов рентгеновского изображения медицинского назначения : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.17 / Вейп Юрий Арнольдович; [Место защиты: С.-Петерб. гос. электротехн. ун-т (ЛЭТИ)].- Санкт-Петербург, 2011.- 126 с.: ил. РГБ ОД, 61 11-5/2030

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "ЛЭТИ"
им. В.И. Ульянова (Ленина)

На правах рукописи
04201102651 Вейп Юрий Арнольдович
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ДЕТЕКТОРОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Специальность: 05.11.17 - Приборы, системы и изделия
медицинского назначения
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель — доктор технических наук,
профессор Быков Р.Е.
Санкт-Петербург -2011

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 2
Глава 1. Основные направления развития цифровых детекторов
рентгеновских изображений 13
1.1. Детекторы для рентгеноскопии 13
1.2. Детекторы для рентгенографии 16
1. 3. Универсальные детекторы 20
1.4. Сравнительный анализ цифровых детекторов 22
1.5. Влияние шумов на качество формируемого изображения..28 Выводы 30
Глава 2. Влияние флуктуационных шумов на квантовую
эффективность цифровых детекторов рентгеновских
изображений 32
2.1. Расчет флуктуации коэффициентов преобразования звеньев цифровых детекторов 32
2.2. Анализ преобразования сигнала и шума в цифровых детекторах 35
2.3. Интегральные критерии оценки качества цифровых детекторов 46
Выводы 53
Глава 3. Квантовая эффективность цифровых детекторов
рентгеновского изображения 55
3.1. Квантовая эффективность регистрации детекторов типа «экран-оптика-ПЗС» 55
3.2. Квантовая эффективность регистрации «плоскопанельных» цифровых детекторов 61

з
3.3. Деградация параметров сенсора и изменение квантовой
эффективности регистрации цифровых детекторов при воздействии
рентгеновского излучения 72
3.4. Разработка методов противодействия деградации параметров,
используемых при создании КМОП- сенсоров и детекторов
рентгеновского излучения 78
Выводы 85
Глава 4. Разработка цифровых детекторов рентгеновских
изображений 87
4.1. Технологические особенности разработки цифровых детекторов рентгеновских изображений 87
4.2. Разработка цифровых детекторов для рентгеноскопии и рентгенографии 90
4.3. Цифровые рентгенографические камеры 97
4.4. Универсальные детекторы 104
4.5. Анализ дальнейшего развития цифровых детекторов 107
Выводы 109
Заключение 111
Список литературы 114
Приложения 121

4
Введение
В" последние годы рентгеновская техника претерпела существенные изменения: нацмену традиционной; рентгенотехнике' пришли рентгеновские аппараты, построенные с использованием цифровых технологий визуализации, обработки, передачи: и воспроизведения рентгеновских изображений: Интенсивное внедрение цифровых технологий в^ рентгенотехнику обусловлено рядом преимуществ цифровых рентгеновских аппаратов, которые подробно рассмотрены в технической литературе, втом числе в работах [1 - 6]Г Главное из них заключается в: возможности организации работы по полностью беспленочной: технологии на более совершенном техническом и организационном уровне с использованием информационных сетей различного- масштаба (медицинское: учреждение, город, страна): Внедрение цифровых аппаратов, приводит также к существенному снижению лучевых,нагрузок на пациента и обслуживающий персонал при одновременном улучшении качества формируемого изображения, что увеличивает вероятность правильнойдиагностики.
В настоящее время в высокоразвитых странах от 10 до 15% парка рентгеновских аппаратов заменяется на цифровые системы ежегодно: Анализируя; представленные, экспонаты на международных выставках последних лет («RSNA»- Чикаго* «ECR»- Вена, «Медтехника» - Москва, -MEDICA - Дюссельдорф) можно заключить, что не менее 100 фирм использует в разработках рентгеновской аппаратуры цифровые технологии.
В' России разработка цифровых рентгенодиагностических> систем идет с заметным отставанием' от разработок фирм.Европы, США и Японии: Только- в последние годы на рынке медицинской аппаратуры появились цифровые рентгеновские аппараты отечественных производителей. Однако

5
технические и функциональные возможности этих аппаратов достаточно далеки от реальных потребностей рентгенодиагностики.
Основная причина,, несовершенства разработанных цифровых аппаратов заключается в ряде недостатков используемых в аппаратах цифровых детекторов рентгеновского изображения (ЦДРИ): Поэтому актуальными и> важными задачами являются теоретические и экспериментальные исследования; направленные на разработку цифровых детекторов, которые могут полностью заменить пленочные рентгенографические комплекты и превзойти их по основным параметрам и характеристикам.
Основным интегральным параметром, характеризующим качество детектора рентгеновского изображения является квантовая эффективность регистрации. Любая система визуализации, как и любая система преобразования сигнала из одной формы в другую, ухудшает качество сигнала, то есть приводит к уменьшению отношения сигнал/шум. Для* количественной оценки эффективности различных детектирующих устройств, начиная от глаза человека и заканчивая телевизионными фотопреобразователями, и был введён параметр «квантовая эффективность детектирования». Это название связано с ее физической сутью - она определялась относительной величиной зарегистрированных детектором квантов исходного излучения.
В последние годы появился ряд работ, посвященных квантовой эффективности цифровых детекторов рентгеновского излучения. Однако все эти работы носят либо теоретический характер, либо посвящены изучению квантовой эффективности для какого-либо конкретного типа детектора. В тоже время практическое значение имеет разработка такой методики, которая позволила бы оценить квантовую эффективность регистрации детектора, основываясь на технических характеристиках узлов, на которых построен детектор. Это позволит, во-первых, предъявить чёткие технические требования^ к узлам детектора ещё на этапе проектирования, во-вторых,

6
понять какие методы построения детекторов могут быть использованы-для данной области применения, а какие нет. Кроме того в существующих на: сегодняшний день работах, связанных с исследованием1 квантовою эффективности детекторов рентгеновского? излучения,1 не затронута! .тема; изменения! параметров: детекторов , под воздействием ионизирующего v. излучения. Однако: известно; что любые электронные: изделия изменяют свош параметры под воздействием ионизирующего излучения. Следовательно, есть, основания ожидать, что и квантовая эффективность детекторов рентгеновского ■' излучения; будет изменяться в период жизненного цикла изделия.
Учитывая вышеизложенное, к числу актуальных задач можно отнести теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку совершенных цифровых детекторов, которые могут полностью заменить пленочные рентгенографические комплекты и превзойти их по основным параметрам и характеристикам.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности регистрации и; разработка высококачественных малошумящих цифровых детекторов- рентгеновского изображения медицинского назначения;
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие основные задачи исследований и разработок:
1. Рассмотреть основные направления развития цифровых детекторов, дать их сравнительный, анализ и выбрать для исследования? и разработок наиболее перспективные технологии построения, цифровых детекторов.
2. Исследовать основные источники шумов для выбранных схем построения детекторов и разработать методику оценки квантовой эффективности для: различных типов; детекторов в зависимости от параметров основных компонентов детектора.

7
3. Дать обоснование принципов построения цифровых детекторов для интервенционной рентгенологии, общей рентгенографииі и маммографии;
4. Исследовать влияние ионизирующего излучение на деградацию основных параметров выбранного типа фотоприёмника и пути уменьшения этого влияния.
5. Использовать полученные результаты при разработке цифровых
детекторов рентгеновского изображения и внедрить разработанные
детекторы в аппараты для интервенционной рентгенологии, общей
рентгенографии и маммографии.
Проведенные исследования и разработки позволили решить поставленные выше задачи, сформулировать основные полученные научные результаты и положения," выносимые на защиту.
Теоретической и методической базой данной работы послужили труды ведущих специалистов - Н.Н.Блинова, Л.В. Владимирова, СБ. Гуревича, М.И. Зеликмана, Б.М. Кантера, Э.Б.Козловского, Б.И. Леонова, А.И. Мазурова, С. Нудельмана, Н.Н. Потрахова, А. Роуза и ряда других.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в теоретической части диссертационной работы использованы методы математического анализа, теории вероятности, методы математического моделирования процессов прохождения сигналов и шумов через звенья ' приемников. Экспериментальная часть выполнена на реальных приемниках, созданных непосредственно в процессе выполнения диссертационной работы и испытанных во время эксплуатации рентгеновских аппаратов в клиниках Москвы и Санкт-Петербурга.

8; Основные положения, выносимые на защиту:
1. Наиболее^ эффективное, решение: задачи построения: цифровых
детекторові! рентгеновского изображения* достигается4 прш использовании-'
непрямого? ,, преобразования;, позволяющего?. создавать»' как
рентгенографические, так и универсальные; приемники на; .базе плоских:
панелеши детекторов ^ипа"зкран-обьектив-ПЗЄ- матрица".
2. Полученные соотношения для?квантовой эффективности приемников непрямого преобразования позволяют в процессе проектирования- система определить относительный вклад шумов рентгеновского излучения; флуктуации, вносимых отдельными звеньями системы, и: аддитивных шумов фотопреобразователя в уменьшение общей квантовой эффективности; расчеты показали, что плоские панели, являются квазиидеальными приемниками;, а в; приемниках на ПЗС- матрицах основной вклад в уменьшение чувствительности вносит оптическое, звено.
3. Детекторы,, построенные по схеме "экран-объектив-ПЗС- матрица" имеют зависимость, квантовой эффективности от дозы во всем' диапазоне экспозиционных.доз; используемых в рентгеноскопии; в диапазоне доз 200 -500 мкР/с, используемом* в общей рентгенографии, их квантовая эффективность не уступает квантовой эффективности пленочной рентгенографии; учитывая; другие преимущества этого типа детекторов, их целесообразно использовать в бюджетном сегменте рентгенодиагностических аппаратоввместо детектора "экран-пленка".
4. Квантовая эффективность детектора "экран-объектив-ПЗС-
матрица", как показалихисследования влияния шумов на пространственную и
градационную разрешающие способности, существенно ниже квантовой
эффективности детектора наї РЭОПе в диапазоне доз, допустимых в
рентгеноскопии (1 - 10 мкр/кадр), то'есть для рентгеноскопии этот класс
детекторов непригоден.

9
5. В качестве универсального плоскопанельного детектора для
рентгенографии и рентгеноскопии может быть рекомендован разработанный
детектор непрямого преобразования на матрице КМОП- сенсоров.
6. Разработанный в рамках стандартного технологического процесса «радиационно-стойкий» КМОП- сенсор удовлетворяет требованиям к допустимому уровню деградации параметров при воздействии ионизирующего излучения в заданном диапазоне энергий (40-120 кэВ) в период всего жизненного цикла плоскопанельного детектора.
7. Разработанные и внедренные в рентгеновские комплексы различного назначения цифровые детекторы непрямого преобразования на плоских панелях и ПЗС- матрицах повышают эффективность диагностических исследований.
Научная новизна
1. Полученные соотношения для оценки квантовой эффективности
регистрации позволяет разделить вклад шумов рентгеновского излучения,
флуктуации коэффициентов преобразования сигнала изображения звеньев
системы и аддитивных шумов фотопреобразователя.
2. Показано, что детекторы, построенные по схеме "экран-оптика-ПЗС-
матрица" имеют зависимость квантовой эффективности от дозы во всём
диапазоне экспозиционных доз, используемых в рентгенологии; в используемом для "рутинной" рентгенографии диапазоне доз (около ЗООмкР/с) их квантовая эффективность не уступает плёночным методам регистрации. В совокупности с другими преимуществами этого типа детекторов их можно использовать в бюджетном сегменте рентгенодиагностического оборудования.
3. Результат анализа возможности улучшения квантовой
эффективности путём улучшения параметров оптической схемы и ПЗС-
сенсора в рамках существующих технологических возможностей мировой оптической и микроэлектронной промышленности показывает, что квантовая

10
эффективность такого детектора остаётся неприемлемой для диапазона экспозиционных доз Л -*■ ЮмкР/кадр.
4. Предложена методика оценки вклада в шумы каждого из звеньев
цепочки накопления и считывания заряда для КМОП- и TFT сенсоров-
Расчёты, проведённые по этим соотношениям, доказывают, что значение
аддитивного шума для КМОП- сенсора ниже, чем для TFT, что и определяет
более высокую квантовую эффективность детектора на КМОП- сенсоре при
экспозиционных дозах 1-5 мкР/кадр.
5. Сравнительный анализ достоинств и недостатков для обоих
технических решений - TFT и КМОП, обеспечивает обоснованный выбор
конкретного решения для разработки промышленного образца. Показано, что
для таких областей применения как маммография и интервенционная
рентгенология преимущество имеет КМОП- сенсор, для общей
рентгенографии целесообразнее использование TFT сенсора.
6. Показано, что применение в детекторе рентгеновского изображения
КМОП- сенсора с классической архитектурой пикселя в течение жизненного
цикла детектора приводит, к неприемлемой деградации темнового тока
фотодиода и тока утечки транзистора.
7. Предложенные технические решения реализации «радиационно-стойкого» пикселя позволили снизить влияние рентгеновского излучения как на темновой ток фотодиода, так и на ток утечки транзистора таким образом, что значения этих параметров в течение жизненного цикла детектора остаются в требуемом диапазоне, что подтверждено результатами эксперимента.
8. На базе восьмидюймовой подложки (по технологии 0,35мк) разработан КМОП- сенсор с использованием которого, путём механической стыковки четырёх сенсоров, разработаны цифровые детекторы рентгеновского изображения для маммографии и для интервенционной рентгенологии. Использование данных детекторов в диагностике и хирургии позволяют повысить эффективность исследований и качество диагностики.

11
Степень обоснованности и достоверности полученных результатов
обеспечивается теоретическими расчетами, подтверждается результатами
имитационного моделирования, экспериментальными данными^
полученными в процессе исследований 'И испытаний аппаратуры.
Значимость полученных результатов для теории и практики
1. Разработанная методика оценки квантовой эффективности цифрового детектора рентгеновского изображения в зависимости от параметров его составных частей и значения экспозиционной дозы позволяет определить требования к техническим характеристикам компонентов при проектировании детектора.
2. На основании проведенных исследований обоснован выбор схемы построения детектора в зависимости от области применения: радиография, интервенционная хирургия и маммография.
3. Предложенные технические решения реализации пикселя при использовании стандартной- 0.35 микрон КМОП- технологии, позволили значительно уменьшить влияние ионизирующего излучения на основные параметры КМОП- сенсора в период его жизненного цикла.
4. Серийное производство разработанных детекторов и оснащение ими рентгеновской аппаратуры различных функциональных возможностей следует рассматривать как важный прорыв в области < диагностической радиологии.
Реализация и внедрение результатов
1. Результаты проведенных исследований использованы при разработке цифровых детекторов рентгеновского изображения, построенных по схеме «экран-оптика-ПЗС» серий КРЦ1 и КРЦ5, «плоскопанельного» детектора на базе КМОП- сенсора, а также универсальных плоскопанельных детекторов серии DIRA-DFP' и универсальных детекторах съемки изображений с рентгеновского экрана ДРЦ-430 и ДРЦ-300.

12
2. Все вышеперечисленные детекторы рентгеновских изображений внедрены в цифровые аппараты для флюорографии, рентгенографии, хирургии под рентгеновским контролем и ангиографии, серийный выпуск которых осуществляет НИПК «Электрон».
Апробация работы
Материалы диссертационной работы докладывались на конференции «Новейшие достижения в области телевидения, аудио и видеотехники» СПб, 1999; Международной конференции «Телевидение: передача и обработка изображений», СПб, 2000 и 2009; Невских радиологических форумах, СПб, 2003, 2005 и 2007; II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии, М., 2005; Втором Всероссийском национальном конгрессе по лучевой диагностике и терапии. М., 2008.
Публикации
Материалы диссертации опубликованы в 24 печатных работах, в числе которых 9 статей в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, и 2 патента РФ на изобретения, 10 докладов на международных и российских конгрессах и конференциях.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 72 наименования и приложений. Текст диссертации изложен на 120 машинописных страницах, приложения -на 12 страницах. Работа содержит 34 рисунка и 3 таблицы.

Список літератури

Заключение
1. Сравнительный анализ технологий построения цифровых приемников^ рентгеновских изображений показал, что наиболее перспективными по чувствительности, технико-экономическим. параметрам и потребительским свойствам являются плоские панели непрямого преобразования и приемники «экран-объектив-фотопреобразователь». Эти технологии позволяют создавать универсальные приемники. Приемники на РЭОПах востребованы только в настоящее время, и после организации серийного производства универсальных приемников по вышеуказанным технологиям они будут замещены.
2. Полученное соотношение (2.5) для дисперсии сигнала на выходе детектора приемника позволило разделить приемники по чувствительности на три класса: квазиидеальные, приемники средней чувствительности и высокодозовые приемники. В квазиидеальных приемниках снижение чувствительности по сравнению с идеальным определяется только неполным поглощением рентгеновского излучения в экране. К таким приемникам относятся плоские панели. К приемникам средней чувствительности относятся приемники «экран-объектив-ПЗС» с коэффициентом передачи сигнала а2 > 1. Основное влияние на снижение чувствительности по сравнению с квазиидеальными приемниками оказывают большие потери сигнала в' объективе. В высокодозовых приемниках на ПЗС матрицах с большими потерями сигнала в объективе («£ <1) на чувствительность оказывают влияние аддитивные шумы фотопреобразователя. Чтобы уменьшить их влияние приходится увеличивать дозу на входе приемника. Типичными представителями этого класса приемников пленочные флюорографические камеры.
3. Исследования квантовой эффективности приемников показали, что для приближения чувствительности плоских панелей к чувствительности

112
идеального приемника, у которого квантовая эффективность rj0 =1, необходимо увеличивать поглощение в экране (аЭ1 —>1). Чтобьи квантовая эффективность приемника приблизить к эффективности плоской панели, необходимо суммарный коэффициент преобразований} сигнала иметь не менее 3.
4. Исследования разработанных и серийно выпускаемых цифровых приемников «экран-объектив-ПЗС- матрица» показали, что их квантовая эффективность выше пленочных детекторов в 1,5 -2 раза, т.е. они пригодны для цифровой рентгенографии. В диапазоне рентгеноскопических доз (1-10 мкР/кадр) они не могут конкурировать с детекторами на РЭОПах и плоских панелях.
5. Технология TFT плоскопанельных детекторов позволяет создавать радиационностойкие детекторы больших размеров для общей рентгенографии. Однако большое время считывания зарядов ограничивает их применение в интервенционной рентгенологии, а проблема уменьшения размера пиксела затрудняет применение их в маммографии. Технология КМОП позволяет создать высокочувствительный плоскопанельный детектор с пикселом небольших размеров (30 - 50 мкм), что важно для маммографии, и высоким быстродействием, обеспечивающим формирование 100 и более кадров в секунду.
6. На основе расчетных оценок сформулировано основное требование к радиационной стойкости КМОП- сенсора, используемого в детекторе для медицинских применений: при достижении интегральной дозы ионизирующего излучения 50 Грэей, увеличение темнового тока фотодиода пикселя должно быть не более шести-восьми раз.
7. Уменьшить влияние ионизирующего излучения на КМОП - сенсор в рамках стандартного технологического процесса 0,35 микрон возможно за счёт топологических решений, приводящих к уменьшению коэффициента заполнения пикселя. При проектировании пикселя

Ї

113
необходимо найти компромисс между допустимым уровнем деградации параметров при определённом уровне накопленной дозы и допустимым уменьшением коэффициента заполнения.
8. Разработанный, в рамках стандартного технологического процесса «радиационно-стойкий» пиксель, позволяет удовлетворить требованиям к допустимому уровню деградации параметров при воздействии ионизирующего излучения в период всего жизненного цикла детектора.
9. Разработанный с использованием «радиационно-стойкого» пикселя на 8 дюймовой подложке по технологии 0,35 микрон, КМОП- сенсор, позволил создать детектор рентгеновского изображения, состоящий из четырёх состыкованных сенсоров, для маммографии и интервенционной рентгенологии.
10. Результаты проведенных исследований использованы при разработке,
изготовлении и испытаниях цифровых усилителей рентгеновского
изображения УРИ-612, УРИ-0.4М, УРИ-1.0М и УРИ-4.0М; цифровых
рентегнографических приемников серии КФЦ и КРЦ, а также
универсальных плоскопанельных приемников серии DIRA-DFP и
универсальных приемниках съемки изображений с рентгеновского
экрана ДРЦ-430 и ДРЦ-300.
11.Серийный выпуск НИПК «Электрон» цифровой рентгеновский аппаратуры на приемниках изображения, разработанных с непосредственным участием автора, позволяет улучшить качество диагностики и на более совершенном уровне организовать службу лучевой диагностики с созданием информационных радиологических сетей различного масштаба.

114 Список литературы
1. Рентгеновские диагностические аппараты. Под ред. Н.Н. Блинова, Б.И. Леонова. М.:ВНИИИМТ,. 2001
2. Зеликман М.И. Цифровые системы в медицинской рентгенодиагностике. М.-.Медицина, 2007
3. Физика визуализации изображений в медицине. Под ред. С.Уэбба. М.: Мир, 1991
4. Элинсон М.Б. Разработка цифровых рентгеновских аппаратов с приемниками на основе ПЗС матриц и оптимизация их параметров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.гВНИИИМТ, 2006
5. Увидеть невидимое. Сборник научных трудов НИПК «Электрон». Под ред. Мазурова А.И. СПб: ООО "Книжный Дом", 2008
6. Цифровые технологии в отделении лучевой диагностики. Под ред. Г.Г. Кармазановского и А.И. Лейченко Мазуров А.И., Блинов Н.Н., Жуков Е.М., Козловский Э.В. М.: Издательский дом Видар-М, 2007
7: Телевизионные методы обработки рентгеновских и гамма изображений. -М.:Энергоиздат,1982, 200 с,
8. Мазуров А.И. Исследование влияния шумов на воспроизведение полутонов рентгено-телевизионными системами. Кандидатская диссертация, Л., ЛЭТИ, 1971
9. Цифровое рентгено-телевидение. -М.: Знание, 1990, с.64, Мазуров А.И., Данилов В.А
10.Основы рентгенодиагностической техники. Под ред. Блинова Н.Н. М.:
Медицина, 2002 И.Вейп Ю.А., Мазуров А.И., Ребони В.О. Проблемы технического
оснащения флюорографической службы. Медицинская техника, 2003,
№5,с.12-15