Facebook   

(831) 434-93-73

(831) 434-88-14

(831) 434-93-73

(831) 434-88-14

Что лучше: РЭОП или плоскопанельный цифровой детектор?

Все чаще в качестве приемников рентгеновского излучения в промышленных рентгенотелевизионных системах клиенту предлагают так называемые плоскопанельные цифровые детекторы взамен уже привычных рентгеновских электронно-оптических преобразователей. Что можно ожидать от нового продукта и чем же он хорош – вот вопрос, на который мы постараемся дать ответ.

Если углубиться в историю развития цифровых детекторов, то выяснится, что само понятие и сам продукт отнюдь не новы. Они достаточно давно применяются в медицине и появились как альтернатива громоздким и тяжелым РЭОПам.

1. Рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП)

Рис. 1. Принципиальная схема РЭОПа.

На рисунке 1 показана принципиальная схема современного РЭОПа с осевым расположением приемника, системой фокусирующих линз и видеокамерой. Такое расположение стало возможным только после появления цифровых видеокамер и цифровых технологий. На РЭОПах предыдущих серий использовалась так называемая Г–образная схема, при которой после линз устанавливалось зеркало под углом 45°. Камера при такой схеме располагается в стороне от РЭОПа под углом 90° для того, чтобы не быть подвергнутой воздействию рентгеновского излучения. Технологически РЭОП представляет собой крупногабаритный электровакуумный прибор с остаточным давлением до 5×10-7 мм рт.ст. Внутри колбы находится фотокатодный узел, состоящий из входного фосфорного окна, фотокатода, системы фокусирующих электродов и выходного фосфорного экрана. Световые фотоны под действием рентгеновского излучения выбивают из фотокатода электроны, которые ускоряются и фокусируются системой электродов. Энергия электронного потока, выходящего из фотокатода, увеличивается за счет прилагаемых к электродам высоких напряжений. Электроны бомбардируют выходное окно, представляющее собой мелкозернистый фосфор, напыленный на внутреннюю сторону окна колбы.

Важнейшими параметрами РЭОПа, определяющими его свойства и влияющими на качество изображения, являются коэффициент преобразования, коэффициент усиления, разрешающая способность, отношение сигнал/шум, частотно-контрастная характеристика, динамический диапазон.

  • Коэффициент преобразования – это отношение яркости выходного экрана к мощности дозы входного излучения.
  • Коэффициент усиления представляет собой отношение интенсивности выходного оптического излучения к интенсивности входного рентгеновского излучения. Даже с учетом потерь в оптической системе он достигает нескольких тысяч.
  • Разрешающая способность РЭОПа оценивается количеством пар линий на 1 мм в центре выходного экрана.
  • Частотноконтрастная характеристика (ЧКХ) представляет собой зависимость контраста изображения объекта от пространственной частоты.
  • Динамический диапазон есть отношение интенсивностей РИ, при которых устройство обеспечивает различение некоторого порогового (обычно 5%) контраста одновременно в верхнем и нижнем интервалах рабочих мощностей доз.
  • Отношение сигнал/шум – это безразмерная величина, равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума. Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы.

Параметры некоторых типов РЭОП приведены в табл. 1.


Параметр  
РЭОП
Thales XRI 420 9” Siemens 23-3M 9” ФИЛИН 9Н765М
 Диаметр входного окна, мм 230 230 230
 Полезный диаметр входного окна, мм 215 170 215
 Коэффициент преобразователя, кд/м²/мР/с 200 148  
 Разрешающая способность, центр/70%/93%, пл/мм 4.8/5.6/6.4 5.2/5.8/6.4 4.0/5.0/6.2
 Коэффициент контраста (10%) 23/25/30 23/35/45 -/-/36
 Отношение сигнал/шум, дБ 62 - -
 Вес, кг 18 - -

2. Цифровой плоскопанельный детектор (ППД)

Схема работы плоскопанельного детектора выглядит следующим образом:

 Йодистый цезий (CsI) сцинтиллятора под воздействием рентгеновского излучения начинает светиться.

Рис. 2. Прохождение рентгеновского излучения через сцинтиллятор.

Световой поток попадает на аморфную кремниевую фотодиодную матрицу, где происходит преобразование света в электрический ток. В дальнейшем ток поступает на тонкопленочные транзисторы, где пропорционально усиливается. Полученный сигнал конвертируется в цифровой, после чего переводится в видеоизображение и выводится на монитор компьютера в режиме реального времени.

Рис. 3. Принципиальная схема цифрового ППД.

Таким образом, основными элементами плоскопанельного детектора являются аморфная кремниевая фотодиодная матрица и тонкопленочные транзисторы, нанесенные на одну подложку. В качестве такой подложки используется стекло. В свою очередь, сцинтиллятор наносится на аморфную структуру кремния. В совокупности подобная схема исполнения детекторов позволяет значительно уменьшить их габариты и вес.

Как было сказано выше, именно в сцинтилляторе производится перевод рентгеновского излучения в световое. В этом процессе есть ряд нюансов, которые мы не можем оставить без комментариев.

Верхний слой сцинтиллятора можно по своей структуре сравнить с сотами: они тоже ячеистые, хотя размер этих ячеек несоизмеримо мал (около 2 мкм). Глубинная структура данного слоя представляет собой множество оптоволоконных каналов. Фотон рентгеновского излучения попадает на поверхность сцинтиллятора и проникает в тонкий канал структуры элемента. В этом канале рентгеновское излучение преобразуется в световое и, почти не преломляясь, передается дальше.

В зависимости от энергии рентгеновского фотона точка перехода одного вида энергии в другой смещается дальше от верхней кромки сцинтиллятора. Таким образом, чем толще слой сцинтиллятора, тем больше энергии, для которых может быть использован детектор. Также следует отметить, что чем плотнее химический элемент, из которого выполнен сцинтиллятор, тем меньше ячейка его волокна и тем меньше проявляется эффект преломления и искажения картинки. В настоящее время в качестве химических элементов сцинтиллятора применяются, как правило, либо «йодистый цезий» (CsI), либо «оксисульфидгадолиния» (Gd2O2S), имеющие примерно одинаковые химические свойства.

Несмотря на общую для всех производителей принципиальную схему детектора, качество полученного изображения у каждой модели разнится. Связано это с той элементной базой и теми решениями, которые используются на каждом конкретном производстве.

Среди основных параметров, которые указываются производителями и влияют на качество полученного снимка, следует отметить: размер матрицы, размер пикселя, канал аналогово-цифрового конвертора, число кадров в секунду, число пар линий на миллиметр, энергии, на которые рассчитан детектор, отношение сигнал/шум. Но следует иметь в виду, что ни один из перечисленных параметров не является ключевым для получения качественного снимка – их надо учитывать в совокупности. Так, например, малый размер пикселя и большой размер фотодиодной матрицы не смогут улучшить изображения и не являются преимуществом, если детектор обладает малым каналом аналогово цифрового конвертора. Число пар линий на миллиметр влияет на визуальное разрешение детектора и здесь наблюдается прямая зависимость: от числа кадров в секунду зависит возможность применения детектора в динамике (напомним, что частота кадров в классическом кинематографе – 24 кадра в секунду, и именно при такой частоте информация воспринимается неразрывным образом).

Параметры некоторых детекторов приведены в табл. 2.


Параметр  
Плоскопанельный детектор   
PerkinElmer XRD 0822 Thales FlashScan 35 Hamamatsu C7942 CA-22
 Размер рабочей области, мм 295×360 296×406 120×120
 Тип сцинтиллятора  Gd2O2S/CsI Gd2O2S CsI
 Количество пикселей в рабочей зоне  1024×1024 2240×3200 2400×2400
 Размер пикселя, мкм 200 127 50
 Частота кадров в секунду 25 1,4 1,9
 Разрешающая способность, пл/мм 2 - 6
 Отношение сигнал/шум, дБ > 88 - -
 Аналогово-цифровой конвертер, бит 16 14 12
 Диапазон рентгеновского излучения, кВ 20-15 000 25-160 100
 Вес, кг 3,7 9,1 2,4

После того как мы осветили две технологии, попытаемся в табличной форме представить преимущества и недостатки обеих технологий и очертить сферы их применения, где знак «+» указывает на преимущества.

Сравнительная табл. 3

Параметры
РЭОП Плоскопанельный детектор
 Габаритные размеры - +
 Весовые характеристики - +
 Градации серого - +
 Разрешающая способность + +
 Отношение сигнал/шум - +
 Отсутствие искажения изображения - +
 Число кадров в секунду + -  ( + при ≥25)
 Стойкость к прямому рентгеновскому излучению - +
 Стоимость + -

3. Заключение

Применение того или иного типа детектора всегда должно быть обусловлено с точки зрения целесообразности и рациональности. Как видно из вышеизложенного материала, к преимуществам плоскопанельного детектора относятся низкий уровень шума, большое число градаций серого, высокая стойкость к прямому рентгеновскому излучению, низкие габаритно-весовые характеристики. К недостаткам такого типа детектора до недавнего времени можно было отнести малое число кадров в секунду, но с появлением на рынке детектора PerkinElmer XRD 0822 и этот вопрос решается в пользу детектора. Если обратиться к стоимости обоих продуктов, то следует отметить, что в настоящий момент стоимость комплекта РЭОПа примерно на 25-30% меньше, чем стоимость комплекта плоскопанельного детектора. Но в свете активно развивающихся цифровых технологий стоимость плоскопанельных детекторов будет уменьшаться и приблизится к стоимости РЭОПов.