Development of a prototype CMOS digital imaging system for X-ray medical applications
Authors: Λιναρδάτος Διονύσιος 
Published: April 2023

Οι ψηφιακοί ανιχνευτές ακτίνων Χ επέφεραν ριζικές αλλαγές στις κλασικές ακτινογραφικές τεχνικές και κατέστησαν εφικτές άλλες πιο πρωτοποριακές. Επί του παρόντος, ένα μεγάλο μέρος των ανιχνευτών βασίζεται στο συνδυασμό σπινθηριστή με ψηφιακό οπτικό αισθητήρα. Κρίσιμες ιδιότητες εκτός από την ικανότητα απορρόφησης ακτινοβολίας και τη χωρική διακριτική ικανότητα είναι και η ανθεκτικότητα, η απουσία υγροσκοπικότητας, το χαμηλό κόστος και η πολυπλοκότητα κατασκευής. Οι διαδικασίες παρασκευής οθονών σπινθηριστών απαιτούν αυστηρές συνθήκες και χρονοβόρους κύκλους παραγωγής, ενώ τα δοκίμια ορισμένες φορές είναι ευαίσθητα και επιρρεπή σε φυσικές ή χημικές αλλοιώσεις. Αυτό έχει αντίκτυπο στο κόστος και αποτελεί εμπόδιο στις ευρύτερες εφαρμογές απεικόνισης ακτίνων Χ. Υφίστανται επίσης απλούστερες τεχνικές που στοχεύουν σε περιορισμένες παραγωγές, ερευνητικά περιβάλλοντα και χώρους που δεν διαθέτουν εξειδικευμένο εξοπλισμό. Μια από αυτές είναι η καθιερωμένη μέθοδος καθίζησης, η οποία όμως έχει περιθώρια βελτίωσης – μηχανική αντοχή, συνοχή επίστρωσης φωσφόρου και απώλεια υλικού. Στο πλαίσιο αυτό αναπτύχθηκε μια νέα τεχνική παρασκευής φθοριζόντων οθονών, έχοντας ως στόχο την εξάλειψη των ανωτέρω μειονεκτημάτων. Η νέα αυτή τεχνική βελτιστοποιήθηκε και επικυρώθηκε ενσωματώνοντας τις νέες οθόνες σε ανιχνευτικό σύστημα ακτίνων Χ. Ο οπτικός αισθητήρας του ήταν τεχνολογίας συμπληρωματικού ημιαγωγού μεταλλικού οξειδίου (CMOS) με ενεργό επιφάνεια 27 × 36 mm^2 και υψηλή διακριτική ικανότητα (22.5 µm βήμα εικονοστοιχείων). Οι φθορίζουσες οθόνες παρασκευάστηκαν με τη χρήση του σπινθηριστή Gd2O2S:Tb, που είναι ευρέως διαδεδομένος στην ιατρική απεικόνιση. Η νέα μέθοδος βασίζεται στη θεώρηση ότι ένα υλικό-βάση ενθυλακώνει το υλικό του σπινθηριστή, παρέχει δομική αντοχή και το προστατεύει. Αυτό το υλικό είναι ένα μίγμα ρητίνης και σκληρυντή, στο οποίο προστίθεται επίσης ορισμένη ποσότητα σκόνης γραφίτη. Ο επιδιωκόμενος σκοπός αυτού είναι να σχηματίσει ένα στρώμα οπτικής απορρόφησης που θα περιορίσει τη διάδοση του παραγόμενου φωτός σε ανεπιθύμητες κατευθύνσεις, όπου θα μπορούσε να μειώσει την οξύτητα της εικόνας. Η τεχνική εκμεταλλεύεται την εγγενή διαφορά στις πυκνότητες του φωσφόρου και του γραφίτη, έτσι ώστε τα αντίστοιχα στρώματα να σχηματιστούν στα επιθυμητά ύψη εντός του τελικού δοκιμίου. Με σκοπό τη διασφάλιση έγκυρων συγκρίσεων με πρόσφατα και παλαιότερα δημοσιευμένα δεδομένα, υιοθετήθηκε το διεθνές πρότυπο IEC 62220-1 για την αξιολόγηση του ολοκληρωμένου ανιχνευτή. Υπολογίστηκαν καθιερωμένες παράμετροι ποιότητας εικόνας όπως η συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF), το φάσμα ισχύος θορύβου (NPS) και η ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα (DQE). Επίσης ο προτεινόμενος ανιχνευτής συγκρίθηκε υπό τις ίδιες συνθήκες με άλλους ήδη δημοσιευμένους, συμπεριλαμβανομένου ενός ευρείας εμπορικής κυκλοφορίας. Ο προτεινόμενος ανιχνευτής απέδωσε εφάμιλλα ή και καλύτερα στις προαναφερθείσες παραμέτρους ποιότητας εικόνας. Συγκεκριμένα, ο ανιχνευτής με οθόνη 34 mg/cm^2 κατέγραψε DQE 15-20% μεγαλύτερο από του συγκρινόμενου (με την ευρέως διαδεδομένη οθόνη Min-R) και η οριακή της διακριτική ικανότητα ήταν 5.3 κύκλοι/mm. Ο ανιχνευτής με διάφραγμα 70 mg/cm^2 κατέγραψε DQE 10-24% μεγαλύτερο από του συγκρινόμενου και η οριακή της διακριτική ικανότητα ήταν 5.4 κύκλοι/mm. Επίσης, οι φθορίζουσες οθόνες της νέας μεθόδου παρουσιάζουν αντοχή στις μηχανικές καταπονήσεις. Η σκόνη του σπινθηριστή παραμένει εντός περιβλήματος ρητίνης που την προστατεύει, ενώ αυτό προσφέρει αυξημένη ακαμψία στο δοκίμιο. Κατά την παρασκευή δεν χάνεται σχεδόν καθόλου ποσότητα σπινθηριστή. Η τεχνική δεν απαιτεί εξεζητημένο εξοπλισμό, κάτι που μπορεί να μειώσει δραματικά το κόστος και να ενθαρρύνει περαιτέρω επιστημονικές και βιομηχανικές εφαρμογές.