จอรับภาพสำหรับเครื่องเอกซเรย์หลอดเลือด

detector

คุณสมบัติจอรับภาพชนิดเรืองแสงด้วยฟอสฟอร์ และจอรับภาพชนิดแบน 

Comparative of phosphorescent between Image Intensifiersystem and Flat panel detector

อภิชาติ กล้ากลางชน           อนุ. รังสีเทคนิค
ปฏิยุทธ ศรีวิลาศ                วท.บ.รังสีเทคนิค
วีรชาติ ชูรอด                    วท.บ.รังสีเทคนิค

                                                        

ภาควิชารังสีวิทยา คณะแพทยศาสตร์ศิริราชพยาบาล มหาวิทยาลัยมหิดล

อภิชาติ กล้างกลางชน, ปฏิยุทธ ศรีวิลาศ, วีรชาติ ชูรอด.คุณสมบัติจอรับภาพชนิดเรืองแสงด้วยฟอสฟอร์ และจอรับภาพชนิดแบน . วารสารชมรมรังสีเทคนิคและพยาบาลเฉพาะทางรังสีวิทยาหลอดเลือดและรังสีร่วมรักษาไทย, 2553 ; 4(2) : 93-98. 


บทนำ  

การพัฒนาตัวรับภาพสำหรับเครื่องเอกซเรย์หลอดเลือดเป็นผลต่อยอดมาจากการพัฒนาระบบตัวรับภาพของเครื่องฟลูโอโรสโคปี โดยมีจุดเปลี่ยนที่สำคัญคือปี 1950 และ ปี 1999 โดยมีระบบตัวรับภาพ 2 ยุคที่เป็นหัวใจสำคัญ อย่างไรก็ตามคุณสมบัติของระบบตัวรับภาพทั้งสองแบบเป็นประเด็นที่ต้องมีการรวบรวมเปรียบเทียบกัน

คุณสมบัติจอรับภาพชนิดเรืองแสงด้วยฟอสฟอร์ (Image Intersifier System)  

ฟอสฟอร์ เป็นสสารซึ่งสามารถแสดงปรากฎการณ์ของการเรืองแสง ซึ่งรวมถึงการเรืองแสงชนิด phosphorescent โดยจะให้แสงสว่างที่สลายลงอย่างช้าๆ ด้วยอัตรามากกว่า 1 มิลลิวินาที และการเรืองแสงชนิด fluorescent ซึ่งเป็นการปลดปล่อยพลังงานในระดับนาโนวินาที  สสารที่ให้การเรืองแสงชนิด phosphorescent ใช้กันอย่างแพร่หลายใน CRT screen, เซนเซอร์ และ white LEDs

ฟอสฟอร์เป็นโลหะกลุ่ม transition หรือสารประกอบ rare earth ซึ่งใช้มากสำหรับหลอดรับภาพชนิด Cathod Ray Tube ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายตั้งแต่หลังสงครามโลกครั้งที่ 2 ซึ่งการออกแบบจะแบ่งเป็นรุ่น P และตามด้วยหมายเลขต่างๆ ตามแต่ละเวอร์ชั่น

 

ภาพแสดงการเรืองแสง luminescence

 

สสารสามารถปลดปล่อยแสงได้ 2 วิธี ได้แก่ incandescence และ luminescence โดย incandescence จะเป็นการที่อะตอมปลดปล่อยรังสีออกมา ขณะที่ luminescence จะเป็นเพียงบางส่วนของอะตอม ซึ่งเรียกว่า luminescence center ที่จะปลดปล่อยแสงออกมาก ในสารฟอสฟอร์กลุ่มอนินทรีย์ (inorganic phosphors) จะมีโครงสร้างผลึกที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน (inhomogeneity) ซึ่งจะมีรอยของสิ่งเจือปน (dopant, impurity) ซึ่งจะเรียกว่า activator ซึ่งจะปลดปล่อยแสงออกมา โดยที่มีความยาวคลื่นเฉพาะตามแต่ละชนิดของอะตอมและโครงสร้างผลึกที่รายล้อม

กระบวนการเกิดประกาย (scintillation) ของสสารกลุ่มอนินทรีย์เป็นผลมาจาก electronic band structure ที่พบในผลึก โดยหากมีอนุภาคใดๆ มากระตุ้นอิเล็คตรอนจากวงโคจรใน valence band ให้หลุดไปยัง conduction band หรือ exciton band ซึ่งจะหลุดไปอยู่ที่ band ใดขึ้นอยู่กับ energy gap ขณะเดียวกันก็จะทำให้เกิดหลุม (hole) ใน valence band ในขณะที่สิ่งเจือปนเองก็จะสร้างระดับ electronic level ใน forbidden gap ทำให้เกิดแรงดึงดูด electron-hole pair ซึ่งจะส่งผ่าน crystal lattice ไปยังจุดศูนย์กลางของสิ่งเจือปน (impurity center) เมื่อได้รับพลังงานถึงค่าหนึ่งก็จะเกิดการปลดปล่อยแสงออกมา โดยที่ activator จะเป็นตัวเลือกว่าแสงที่ออกมาจะเป็นแสงขาวหรือแสง near-Ultraviolet ซึ่ง photomultiplier จะสามารถรับแสงได้

 

ภาพแสดงองค์ประกอบของระบบเอกซเรย์จอภาพเรืองแสง ซึ่งมีองค์ประกอบหลักได้แก่

  1. x-ray generator        แหล่งกำเนิดเอกซเรย์       
  2. x-ray tube               หลอดเอกซเรย์
  3. collimator               ระบบกั้นบีบลำรังสี   
  4. filter                       ตัวกรองรังสีพลังงานต่ำ
  5. grid                         แผ่นตัดลำรังสี     
  6. image intensifier      แผ่นเรืองแสง
  7. optical coupling      ระบบแปลงสัญญาณ
  8. video camera          กล้องวิดีโอ
  9. monitor                  จอแสดงภาพ

  

 

 ภาพแสดงระบบภายใน image intensifier

 

การเรืองแสงจากเอกซเรย์ต้องใช้ตัวกลางที่เรียกว่าแผ่นเรืองแสง (scintillators) ซึ่งอาจทำจากสารประกอบบางอย่างเช่น โซเดียมไอโอไดด์ (sodium iodide; NaI) เป็นระบบ Image intensifier system พัฒนาในราวปี 1950 โดยจะแปลงโฟตอนเอกซเรย์ให้เป็นโฟตอนที่ที่มองเห็นได้ ตัวรับภาพอิเล็กทรอนิกส์ทำโดยการสร้างเป็นตัวเพิ่มสัญญาณภาพ (photomultiplier) สัญญาณที่ได้มีการขยายความสว่างถึง 105 เท่า

ระบบ image intensifier system มีขนาดได้สูงถึง 45 ซม. และมีความละเอียด (resolution) ประมาณ 2-3 line pair/mm.

 

  คุณสมบัติจอรับภาพชนิดแบน (Flat Panel detector)

ด้วยคุณสมบัติที่สามารถจับพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ตัวรับภาพชนิด flat panel detector สามารถจับข้อมูลได้ทั้งหมดที่เท่าได้รับเข้ามา และสามารถแปลงสัญญาณได้โดยไม่ได้ลดคุณภาพของข้อมูล ดังนั้นจึงสามารถพัฒนาให้แสดงภาพที่มีคุณภาพสูง โดยที่ใช้ปริมาณรังสีลดลงได้ โดยได้รับความนิยมตั้งแต่ปี 1999

หลักการสำคัญอยู่ที่ผลึก cesium iodide (CsI) ซึ่งจะสามารถรับพลังงานเอกซเรย์ (x-ray photon) แล้วเปลี่ยนพลังงานไปเป็นแสง (light photon) แสงที่ได้จะเดินทางผ่านช่องรับ (channel) ไปยัง amorphous silicon photodiode array ซึ่งจะทำให้เกิดประจุในแต่ละ photodiode ซึ่งเป็นสัดส่วนมากน้อยตามแสงที่ได้รับ แต่ละ photodiode ก็จะแปลงเป็นสัญญาณภาพแต่ละ pixel โดยภาพที่ได้จะเป็นภาพเบื้องต้น (spatial sampling of image) ในแต่ละ photodiode จะมีการรับและคายพลังงาน ซึ่งจะถูกอ่านค่าด้วย ultra-low noise proprietary electronic และสัญญาณเหล่านั้นจะนำไปสร้างเป็นภาพดิจิตอล โดยจะแสดงออกเป็นภาพ real time image โดยทั่วไปจะแสดงได้ราว 30 ล้าน pixels    

   

ระบบ flat panel detector จะประกอบด้วย two dimensional array ของ amorphous silicon photodiodes และ thin-film transistors (TFTs) ที่จะประสานกันเป็น matrix เรียกว่า interconnection โดยทั้งหมดจะวางอยู่บนชั้นของ glass substrate และมีผลึก CsI วางอยู่บน amorphous silicon structure อีกทีหนึ่ง ผลึกจะมีขนาดประมาณ 5µm ซึ่งจะปล่อยแสงไปยัง photodiode คล้ายกับระบบ fiber optics หากผลึกมีขนาดใหญ่ก็จะเกิด wide spreading light scatter ซึ่งจะมีผลต่อภาพแต่น้อยกว่าการเกิดในระบบ phosphor screen

photodiode ในแต่ละ pixel จะเป็นตัวรับอิเล็คตรอนและแต่ละ TFT จะเป็นเหมือนสวิตช์ในการเปิดปิด photodiode โดยที่ สถานะการดักจับของ TFT conductive state ไปยังแต่ละ matrix row เมื่อ TFT ดักจับพลังงานได้ จะมีการเก็บประจุไว้ที่ photodiode ซึ่งสามารถวัดได้ในแต่ละ matrix column โดยอ่านค่าได้ด้วย readout electronics modules และเปลี่ยนเป็นค่าดิจิตอล นั่นคือการเปลี่ยน analog ไปเป็น digital ในแต่ละแนว colomn

 

ในกระบวนการสร้างภาพจะเกิด noise ได้จาก 2 ส่วน ได้แก่ x-ray quantum noise และ electronic noise ซึ่ง x-ray quantum noise จะขึ้นอยู่กับค่าพลังงานของเอกซเรย์ที่ตั้งไว้ ระบบตัวรับชนิดแบนจะมีเทคโนโลยีที่ช่วยลด electronic noise ได้ดีกว่าตัวรับภาพระบบ image intensifier system ซึ่งจะทำให้ได้ภาพ fluoro image ที่ดีกว่า

ตัวรับภาพชนิดแบนจะมีขนาดตัวรับภาพที่ใหญ่ได้ มีความเสถียร (stability) มีความสม่ำเสมอ (uniformity) ทั่วทั้งพื้นที่ภาพ และไม่มี distortion ซึ่งทำให้ได้ภาพที่มีคุณภาพ

ในทางการประยุกต์ใช้ด้าน cardio-vascular image ซึ่งจะต้องแสดงภาพของหลอดเลือดหรืออุปกรณ์การแพทย์ขนาดเล็ก เทียบกับอวัยวะที่มีขนาดใหญ่ ซึ่งจะทำให้เกิด contrast ที่แตกต่างกันมาก อีกทั้งต้องแสดงเป็น gray scale ที่มีช่วงยาว และความสว่างของภาพที่จะแสดงหลอดเลือดหรืออุปกรณ์การแพทย์เหล่านั้นในภาพได้อย่างชัดเจน ดังนั้นระบบคอมพิวเตอร์จะต้องมีความสามารถในการแปลงค่าสัญญาณที่สูง และตัวรับภาพจะต้องจับพลังงานได้ทั้ง entire dynamic range

เมื่อได้ภาพผ่าน analog-to-digital converter จะแสดงออกมาที่ความละเอียด 1024 pixels หรือมากกว่า เช่น 2048 pixels ในแต่ละแถว

นับเป็นการประยุกต์ใช้คุณสมบัติที่ดีกว่าของ flat panel detector สำหรับการรับภาพและการลดปริมาณรังสีแก่ผู้ปวย อย่างไรก็ตามราคาของ flat panel detector มีราคาสูงมากและโดยปกติอายุการใช้งานจะอยู่ราวๆ 5-7 ปี ซึ่งหากจำเป็นต้องเลือกใช้จะต้องพิจารณาด้านงบประมาณไว้ด้วยเช่นกัน ในขณะที่ระบบ image intensifier system มีราคาถูกกว่า แต่ในปัจจุบันกำลังลดการผลิตลง และคงถูกแทนที่ด้วย flat panel detector ในราวๆ 10 ปี ต่อจากนี้

บรรณานุกรม

  1. http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphor http://www.e-radiography.net/radtech/f/flat_panel.htm
  2. J.M. CASAGRANDE, A. KOCH, B. MUNIER, P. DE GROOT ใ High Resolution Digital Flat-Panel X-Ray Detector- Performance and NDT Applications.
  3. http://www.ndt.net/article/wcndt00/papers/idn615/idn615.htm

 

บันทึกนี้เขียนที่ GotoKnow โดย  ใน KENA in IR life

คำสำคัญ (Tags)#flat#detector#intersifier

หมายเลขบันทึก: 452207, เขียน: 03 Aug 2011 @ 13:36 (), แก้ไข: 20 Jun 2012 @ 23:24 (), สัญญาอนุญาต: ครีเอทีฟคอมมอนส์แบบ แสดงที่มา-ไม่ใช้เพื่อการค้า-อนุญาตแบบเดียวกัน, อ่าน: คลิก


ความเห็น (0)