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Radiografia digitale
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Radiografia digitaleSistema ideale: Acquisizione istantanea di una immaginein forma digitale con il minimo numero di raggi X
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Radiografia analogica vs digitale
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Radiografia digitale
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Radiografia digitale
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Digital subtraction angiography
Computerized fluoroscopy: digital subtraction for intravenous angiocardiography and arteriographyAB Crummy, et al. American Journal of Roentgenology 1980 135:6, 1131-1140
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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.
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Radiografia digitaleSpecifiche
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Necessità di larga area
• Soluzioni
– accoppiamento ottico “scintillatori+lenti+Fotomoltiplicatore/CCD”
– matrici attive in selenio/silicio amorfo
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Direct Radiology(Selenimu Drum)
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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
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Computed Radiology(Storage Phosphorous Radiology)
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Radiografia digitale
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Necessità di larga area
• Soluzioni
– accoppiamento ottico “scintillatori+lenti+Fotomoltiplicatore/CCD”
– matrici attive in selenio/silicio amorfo
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Necessità di larga area
• Soluzioni
– accoppiamento ottico “scintillatori+lenti+Fotomoltiplicatore/CCD”
– matrici attive in selenio/silicio amorfo
Conversione diretta Conversione indiretta
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Matrice di sensori attivi a conversione diretta
Fotoconduttori
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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
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Profondità di penetrazione
En
Zn
n 3
n 3 4
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Energia di ionizzazione
W 2.8 Eg Ephonon
Ephonon 0.5eV
W W0
BF
Nel selenio amorfo:
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SensibilitàS Q
AX
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Materiali per fotoconduttori
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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
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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 )
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Corrente di buio
Riduzione dell’iniezione di corrente di buio ai contatti
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Matrice di sensori in selenio amorfo
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Sensore in selenio amorfo
Int. Pol.
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Polarizzazione negativa
SubstratoGateGate insulator
Source Drain
i a-Si:Hn a-Si:H
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Polarizzazione positiva
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Polarizzazione positiva
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Matrice di sensori in silicio amorfo
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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
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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
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Matrice di sensori in silicio amorfoFill Factor
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Matrice di sensori in silicio amorfoFill Factor
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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
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qN 0.16 fCGNE
qN
q QE FF d2
Minimo segnale rivelabile: esempio pratico
QE 0.8
Matrice di sensori in silicio amorfo
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Matrice di sensori in silicio amorfo
QS, min=qN
Range dinamico DR
DRQS,max
QS,min
QS, max=CSVB
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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
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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
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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
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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 )
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Matrice di sensori in silicio amorfo
Effetti capacitivi
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Matrice di sensori in silicio amorfo
Electronic noise
Rumore termico dall’array
Rumore dell’amplificatore
Rumore proveniente dall’alimentazione
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Double correlated sampling
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Matrice di sensori in silicio amorfo
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Tecnologia planare• Limited Fill-factor limitato (<75%)
CROSS SECTION
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Tecnologia Multi-livello
• Fill-factor >90%
CROSS SECTION
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Matrice di sensori in silicio amorfo
Substrato
Metal/ITOp a-Si:H
n a-Si:H
i a-Si:H
ITO/Metal
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Matrice di sensori in silicio amorfo
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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Radiografia digitale
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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
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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
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Prestazioni FPD
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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
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Sistemi dinamici
• Amplificatore di brillanza– Pesante– Sensibile ai campi magnetici– Schermo curvo
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Sistemi dinamici
• Flat detector– Leggero– Assenza di distorsione– Miglior contrasto– Miglior uso della dose