Διερεύνηση οπτικών ιδιοτήτων οθονών νανοφωσφόρων και μελέτη των απεικονιστικών χαρακτηριστικών τους σε σύζευξη με ψηφιακό ανιχνευτή τύπου CMOS για εφαρμογές ιατρικής απεικόνισης
Authors: Σεφέρης Ιωάννης 
Published: September 2021

Τα ψηφιακά συστήματα ιατρικής απεικόνισης, έμμεσης ανίχνευσης, χρησιμοποιούν φωσφόρους σπινθηριστές ως μετατροπείς της ακτινοβολίας-Χ σε ορατό φως. Οι φώσφοροι σπινθηριστές πρέπει να συνδυάζουν χαρακτηριστικά ποιότητας εικόνας και απόδοσης σε φωταύγεια προκειμένου να παράγουν εικόνες υψηλής διαγνωστικής αξίας με τη παράλληλη ελάττωση της δόσης στον εξεταζόμενο. Επιπλέον πρέπει να έχουν μικρούς χρόνους απόσβεσης για χρήση σε συστήματα ψηφιακής τομοσύνθεσης και απεικόνισης διπλής ενέργειας. Η εφαρμογή της νανοτεχνολογίας στο πεδίο των φωσφόρων-σπινθηριστών (νανοφώσφοροι / nanophosphors) έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον αφού σε πολλές σημερινές εφαρμογές οι φώσφοροι χρησιμοποιούνται με τη μορφή μικροσκοπικών κόκκων (μικρο-κόκκων) διάσπαρτων στο εσωτερικό μιας οθόνης (οθόνη κοκκώδους μορφής / granular screen). Όπως έχει αποδειχθεί η ποιότητα της ιατρικής εικόνας βελτιώνεται όταν μειώνεται το μέγεθος των κόκκων. Επομένως η χρήση οθονών νανο-κόκκων αναμένεται να βελτιώσει αυτή την ποιότητα Πρόσφατα μέσω μελετών προσομοίωσης γίνεται προσπάθεια να προβλεφθούν τα οπτικά χαρακτηριστικά των σπινθηριστών που σχετίζονται με το μέγεθος αλλά και με το σχήμα του κόκκου σπινθηριστή. Χαρακτηριστικά όπως η απόσβεση του παραγόμενου φωτός, η πιθανότητα απορρόφησης και η στερεά γωνία διάχυσης του παραγόμενου φωτός έχουν δείξει ότι επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση φωταύγειας αλλά και τα χαρακτηριστικά εικόνας στις εφαρμογές απεικόνισης με ακτίνες Χ. Στη παρούσα εργασία έγινε η μελέτη-αξιολόγηση διάφορων λεπτών οθονών νανοφώσφορου Lu2O3:Eu με μέγεθος κόκκου από 50 nm έως 8 μm και σχήματος κόκκου σφαιροειδές και ραβδοειδές. Τα φυσικά χαρακτηριστικά των οθονών Lu2O3:Eu σε συνθήκες ακτινοβόλησης με ακτίνες Χ, αξιολογήθηκαν μέσω των μεγεθών της Απόλυτης Αποδοτικότητας (Absolute Efficiency), της Οπτικής Ενίσχυσης (Optical Gain) της Απόδοσης Φωταύγειας (Luminescence efficiency), και της συμβατότητάς τους (οπτική και μηχανική) με αισθητήρες CMOS για χρήση σε συστήματα Ιατρικής Απεικόνισης. Μεγάλες τιμές των χαρακτηριστικών αυτών συμβάλουν στη μειωμένη δόση που λαμβάνει ο εξεταζόμενος, η οποία είναι κρίσιμος παράγοντας για την κατασκευή νέων διατάξεων ιατρικής απεικόνισης. H συμβατότητα με τους αισθητήρες CMOS αξιολογήθηκε διερευνώντας μεγέθη όπως η συνάρτηση μεταφοράς διαμόρφωσης (MTF), το κανονικοποιημένο φάσμα ισχύος θορύβου (NNPS), την κβαντική ανιχνευτική αποδοτικότητα (DQE). Επιπλέον, έγινε συγκριτική μελέτη των χαρακτηριστικών αυτών για διαφορετικό μέγεθος κόκκου αλλά και σχήματος. Ο νανοφώσφορος με τις καλύτερες απεικονιστικές ιδιότητες συγκρίθηκε με τον σπινθηριστή Gd2O2S:Eu με μέγεθος κόκκων της τάξης των 8 μm ο οποίος έχει προταθεί για χρήση σε διάφορες απεικονιστικές ιατρικές εφαρμογές. Το Gd2O2S:Eu εκπέμπει στη κόκκινη περιοχή του ορατού φωτός και μπορεί να συνδυαστεί κυρίως με ψηφιακούς ανιχνευτές όπως CCD και CMOS. Όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τις οδηγίες της διεθνούς ηλεκτροτεχνικής επιτροπής (International Electrotechnical Commission) η οποία έχει τυποποιήσει την μέθοδο αξιολόγησης ιατρικού εξοπλισμού. Κατασκευάστηκαν 3 οθόνες με σφαιρικούς κόκκους του σπινθηριστή Lu2O3:Eu με μέγεθος 50 nm, 200 nm και 5 μm, και επιφανειακή πυκνότητα 33.3 mg/cm2, 33.1 mg/cm2 και 35.2 mg/cm2 αντίστοιχα. Επιπλέον κατασκευάστηκαν 2 οθόνες με ραβδοειδείς κόκκους μεγέθους 500 nm και 8 μm, με επιφανειακή πυκνότητα 31.7 mg/cm2 και 33.2 mg/cm2 αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η απόλυτη απόδοση της φωταύγειας έχει μεγαλύτερες τιμές για τις οθόνες που κατασκευάστηκαν με σφαιρικούς κόκκους. Μεταξύ των οθονών αυτών παρατηρείται αυξημένη απόλυτη απόδοση για μέγεθος κόκκων 50 nm και 200 nm, στις χαμηλές ενέργειες ακτινών Χ (50 kVp), υποδηλώνοντας τις διαφορετικές οπτικές ιδιότητες των νανοφωσφόρων. Οι οθόνες που κατασκευάστηκαν με ραβδοειδείς κόκκους βρέθηκαν με μειωμένη απόλυτη απόδοση φωταύγειας. Η ποιότητα ακτινογραφικής εικόνας βρέθηκε να επηρεάζεται περισσότερο από το σχήμα των κόκκων σπινθηριστή παρά από το μέγεθος των κόκκων. Ποιο συγκεκριμένα οι ραβδοειδείς κόκκοι βρέθηκαν με πολύ χαμηλή χωρική διακριτική ικανότητα και τα επίπεδα θορύβου βρέθηκαν πολύ υψηλά στις χαμηλές συχνότητες. Οι οθόνες με τους σφαιροειδείς κόκκους σπινθηριστή βρέθηκαν με πολύ καλή χωρική διακριτική ικανότητα, με τις μεγαλύτερες τιμές να εμφανίζονται για την οθόνη με μέγεθος κόκκων 50 nm. Η ανιχνευτική κβαντική αποδοτικότητα βρέθηκε με μεγαλύτερες τιμές για την οθόνη με μέγεθος κόκκων 50 nm επηρεαζόμενη από τις πολύ καλές ιδιότητες χωρικής διακριτικής ικανότητας και επιπέδου θορύβου. Συγκρίνοντας την απόλυτη απόδοση φωταύγειας και την ικανότητα απεικόνισης της οθόνης Lu2O3:Eu με σφαιρικούς κόκκους 50 nm και επιφανειακή πυκνότητα 33.3 mg/cm2 με αυτή της οθόνης Gd2O2S:Eu με μέγεθος κόκκων 8 μm και επιφανειακή πυκνότητα 33.2 mg/cm2 φαίνεται καθαρά η υπεροχή της πρώτης. Η απόλυτη απόδοση του Lu2O3:Eu βρέθηκε κατά 32% μεγαλύτερη από την απόλυτη απόδοση του Gd2O3S:Eu. Το MTF βρέθηκε μεγαλύτερο για όλο το εύρος συχνοτήτων ενώ το NNPS βρέθηκε κατά 90% μικρότερο για τις μικρές χωρικές συχνότητες και κατά 10% μεγαλύτερο για τις μεσαίες και τις μεγάλες χωρικές συχνότητες.