vol. 3 3/2014 Inżynier i Fizyk Medyczny
144
artykuł
\
article
mammografia
\
mammography
z paska aluminiowego do układu kształtowania impulsu poprzez
przewody. Dzięki znacznemu rozwojowi rynku mikroelektroniki
w ciągu ostatnich 50 lat krzem krystaliczny stał się zdecydo-
wanie najczystszym materiałem do wytwarzania detektorów.
Obecne zakłady produkcyjne są olbrzymie, a standardowa ob-
róbka masowa o doskonałej jakości i wysokiej wydajności jest
standardem w niezawodnym procesie produkcyjnym, który zo-
stał zoptymalizowany w ciągu 4-5 ostatnich dziesięcioleci.
Elektronika odczytu danych
Zaprojektowany na zamówienie specjalizowany układ scalo-
ny ASIC (
Application Specific Integrated Circuit
) zawiera przed-
wzmacniacz, układ kształtowania impulsów, komparator i licznik
cyfrowy. Wszystkie kanały w układzie ASIC działają równolegle.
Układ kształtowania impulsów tworzy sygnał o długości kilkuset
nanosekund. Komparator wydziela impulsy przekraczające pe-
wien poziom progowy względem szumów detektora i zlicza je.
Licznik jest 15-bitowy, co zapewnia szeroki zakres dynamiczny.
Każdy kanał odczytu w układzie ASIC może zliczać z prędkością
do 2 MHz, co pozwala na akwizycję obrazów o wystarczających
parametrach statystycznych w ciągu kilku sekund. Liczba zliczo-
nych fotonów w każdym kanale jest sumowana w pojedynczym
okresie próbkowania, przed wysłaniem do stacji roboczej w celu
rekonstrukcji i wyświetlenia obrazu.
Jest to ostateczna granica ilości informacji, na jakiej uzyskanie
pozwalają prawa fizyki. W sytuacji idealnej fotony promienio-
wania rentgenowskiego we wszystkich pikselach powinny mieć
rozkład zgodny z matematycznym rozkładem Poissona. Waha-
nia rozkładu są czasem określane jako zakłócenia kwantowe
lub (nieprawidłowo) szum kwantowy. W systemach rentgeno-
grafii analogowej i systemach cyfrowych opartych na scyntyla-
torach szum Swanka może być istotną przyczyną pogorszenia
jakości obrazu. Szum ten wynika ze zmienności statystycznej
uwalnianego światła po konwersji fotonu [2]. Dlatego dwa fo-
tony o takiej samej energii mogą wywoływać różne odpowiedzi
w detektorze, co przekłada się na ogólną niepewność w sygnale
scałkowanym. Taki efekt występuje w pewnym stopniu w detek-
torach całkujących, takich jak detektory z krzemu amorficznego.
Brak szumu Swanka i znaczna eliminacja szumu elektronicznego
jest ważną zaletą technologii zliczania fotonów.
Rys. 4
Promieniowanie rentgenowskie wytwarza chmurę par elektron-dziura, która
powoduje powstanie krótkiego sygnału elektrycznego
Eliminacja zakłóceń
Impulsy wytwarzane w detektorze mammografu MicroDose fir-
my Philips przez padające fotony są łatwo wykrywane, gdyż ich
wysokość (5000 elektronów) o rząd wielkości przewyższa po-
ziom szumu elektronicznego detektora (wartość skuteczna 200
elektronów). Dzięki temu detektor zlicza tylko impulsy szczyto-
we i nic więcej. Przy braku etapów konwersji między fotonami
promieniowania rentgenowskiego a sygnałem cyfrowym szum
Swanka, szum elektroniczny i szum wynikający z kwantyfikacji
sygnału elektrycznego z detektora można niemal całkowicie wy-
eliminować. Po wyeliminowaniu wszystkich zewnętrznych źró-
deł szumu mówi się, że system pracuje na granicy kwantowej.
Rys. 5
Próg jest ustawiony na optymalny poziom energii fotonów promieniowania
rentgenowskiego stosowany w mammografii, czego efektem jest wydajność kwan-
towa przekraczająca 90%
Istota fotonów promieniowania
o różnych energiach
Do tej pory wszystkie systemy mammograficzne dostępne na
rynku, z wyjątkiem systemu Philips MicroDose, były systemami
całkującymi, tzn. sygnał był w nich kształtowany przez zsumo-
wanie ładunku elektrycznego lub światła uwolnionego w wy-
niku oddziaływania fotonów. Wielkość ładunku lub ilość świa-
tła jest proporcjonalna do energii fotonów. W związku z tym,
w technice całkowania foton o wyższej energii uzyskuje wyższą
wagę statystyczną niż foton o niższej energii. Wielkość energii
decyduje w znacznej mierze o tłumieniu przez tkanki piersi oraz
o kontraście. To fotony o niskiej energii niosą więcej informacji
o kontraście i powinny otrzymać wyższą wagę statystyczną. Za-
gadnienie to poruszono po raz pierwszy dwadzieścia lat temu
[3], jednak nie zyskało większej uwagi. Kontrast jest proporcjo-
nalny do współczynnika tłumienia liniowego obrazowanego
obiektu.
Kontrast obiektu jest mniej więcej proporcjonalny do energii
E-3 (energia fotonu) i praktycznie niezależny od rodzaju tkanki
1...,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29 31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,...48